|
كاهش ذخائر سوختي فسيلي، رقابت‌هاي اقتصادي و مسائل زيست‌محيطي، ما را به سمت ساخت موتورهايي با كارايي بالاتر مي‌برد. روش‌هاي مختلفي براي رسيدن به اين هدف وجود دارد. با افزايش دماي كاري داخل موتور و خنك نگه داشتن جدار بيروني آن، مصرف سوخت به شكل چشم‌گيري كاهش مي‌يابد. توجه به اين نكته ضروري است كه مواد به‌كار گرفته شده بايد از مقاومت در برابر تغيير شكل ناشي از حرارت اكسيد در دماي بالا و خزش1 و موارد ديگر برخوردار باشند.
روش ديگري كه به كاهش مصرف سوخت مي‌انجامد، استفاده از مواد سبك براي كاهش نيرو، كاهش اتلاف حرارت از طريق سيستم اگزوز و كاهش اصطكاك است. كاهش وزن موتور يكي از كليدي‌‌ترين عوامل در كاهش مصرف سوخت است.
بيشترين كوشش سازندگان براي كاهش مصرف سوخت و آلودگي، استفاده از مواد سبك براي كاهش وزن خودرو است. اغلب سازندگان به جايگزيني بلوك سيلندرهاي چدني با چگالي 8/7 گرم بر سانتي‌متر مكعب با بلوك سيلندرهاي آلومينيم/ سيلسيم با چگالي 79/2 گرم بر سانتي‌متر مكعب روي آورده‌اند. در اين مورد، اغلب از آلياژهاي پايه آلومينيم و كامپوزيت‌هاي زمينه فلزي مانند A360AL, A390AL, A356AL, A319AL استفاده مي‌شود، گرچه استفاده مستقيم از اين آلياژها در سيلندر، به دليل مقاومت پايين در برابر خوردگي و جوش خوردگي موضعي بين سطوح آن، ممكن نيست. به همين دليل، با توجه به مقاومت بالاتر چدن‌ها در برابر خوردگي، مي‌توان از بوش سيلندرهاي چدني استفاده كرد كه منجر به بزرگ شدن ابعاد سيلندر و سنگين شدن آن مي‌شود.
نقش پوششها در افزايش كارايي موتور
بعلاوه، اصطكاك‌هاي مكانيكي، مورد ديگري است كه به توجه بيشتر نياز دارد. سيستم پيستون، اصلي‌ترين توليدكننده اصطكاك در موتور است.
سهم عمده مصرف سوخت از طريق تخريب سيلندر و ضعيف بودن سيستم آب‌بندي پيستون و رينگ پيستون به وجود مي‌آيد. زماني كه آلومينيم تحت تنش‌هاي سطحي قرار مي‌گيرد، سايش نرم آن به سايش سخت تبديل مي‌شود، اما هنگامي كه از ذرات تقويت‌كننده استفاده كنيم، اين انتقال تا زمان رسيدن تنش به آستانه بحراني، صورت نمي‌گيرد كه لازمه آن شرايط زير است:
1. زماني كه احتراق شروع مي‌شود و روغن‌كاري روي سطوح كامل انجام نشده
2. تخريب سيلندر
با توجه به مطالب ارائه شده، براي بهبود خواص مربوط به سايش آلياژهاي آلومينيم و سيلندرهاي ساخته شده با آن، از تكنيك‌هاي متعددي استفاده مي‌كنيم. اين تكنيك‌ها مي‌توانند پوشش‌هاي جديد كامپوزيتي و يا پوشش‌هايي يكپارچه را داخل سيلندر ايجاد كنند. تعدادي از روش‌هاي مرسوم عبارتند از: پوشش‌هاي پلاسما اسپري (APS)ا2، پوشش‌هاي (HVOF)ا3 و غيره.
نقش پوششها در افزايش كارايي موتور
در مورد موتور خودرو، با حذف نياز سيلندر به بوش، در كنار كاهش ابعاد پيستون به‌طور مستقيم، حدود 1 كيلوگرم كاهش وزن خواهيم داشت. اين در حالي است كه ابعاد كلي موتور نيز كاهش مي‌يابد. كاهش حتي 1 كيلوگرم از وزن خودرو، تأثير زيادي در مصرف سوخت خواهد داشت. براي نمونه، در يك خودرو با وزن تقريبي 1100 كيلوگرم اگر كاهش وزني حدود 110 كيلوگرم داشته باشيم، در حدود 7 درصد كاهش مصرف سوخت خواهيم داشت.
كاهش وزن خودرو، عامل مهمي در افزايش عمر موتور است. تكنولوژي‌ها و مواد جديد ما را در رسيدن به اين هدف، ياري مي‌كنند. با استفاده از مواد نانو، به اهداف بزرگتري خواهيم رسيد. در سال‌هاي اخير رويكرد زيادي به مواد نانومتري شده و اين به دليل خواص برجسته آنها در مقايسه با مواد ميكروني است.
چگالي عيوب در مواد نانو، بسيار زياد است، اما به اندازه مواد «آمورف» نيست. مطابق شكل زير و رابطه Hall- Petch (سختي براي مواد پلي كريستال با قطر ميانگين d و Hd=سختي تك كريستال، Ho+kd-1/2) با كاهش اندازه دانه، سختي و شارش تنش افزايش مي‌يابد. هر چند در مواردي كه اندازه دانه بسيار كوچك است (حدود 100 نانومتر) مكانيزم تغيير شكل از لغزش نابجايي به لغزش مرز دانه تغيير مي‌كند كه در هر دو مورد، با افزايش پلاسيته روبه‌رو خواهيم بود.
اگر اندازه دانه باز هم كوچكتر شود، تقريباً به سمت آمورني شدن مي‌رود و مواد، رفتار Visco- Elastic از خود نشان مي‌دهند. اين ويژگي‌ها ما را به خواص ماكزيمم سختي، شارش، تنش، چقرمگي، انعطاف‌پذيري عايق حرارتي (چون هدايت مواد نانومتري بسيار كمتر از مواد فلزي معمول مانند AL با فنون‌هاي پراكنده و داراي چگالي عيوب بالاست) مي‌رساند.
توليد پوشش‌هاي نانوساختاري
اسپري حرارتي پوشش‌هاي نانوساختاري، باعث پيدايش روشي متحول كننده به منظور بهره‌گيري از خواص مكانيكي و فيزيكي مواد نانوساختاري (مثل سختي، قدرت و مقاومت در برابر خوردگي) مي‌شود. در حالتي كه اندازه دانه‌هاي يك ماده در مقياس اتمي باشد، تعداد اتم‌هاي موجود در مرزهاي دانه، در مقياس با تعداد اتم‌هاي درون دانه، بسيار بالاست. به اين ترتيب، با افزايش سطح ويژه مرز دانه‌ها ميزان ناخالصي بر واحد مرز دانه‌ها، در مقياس با موادي كه داراي همان مقدار ناخالصي بوده اما دانه‌هاي درشت‌تري دارند، كاهش مي‌يابد. اين خالص‌سازي مرز دانه‌ها و البته به مورفولوژي خوردگي يكسان‌تر و مقاومت به خوردگي درون دانه‌اي بالاتر، نسبت به مواد دانه درشت است.
نتايج تحقيقات نشان مي‌دهند كه اين دانه‌ها نه تنها ذاتاً پايداري حرارتي دارند (هوانگ و همكاران، 1996) بلكه حركت موضعي آنها بسيار پايين است. اين امر موجب سختي بسيار بالا و در برخي موارد سفتي4 بسيار بالا در اين مواد مي‌شود. ديگر مزيت ابعاد نانومتري دانه‌ها در روكش‌ها، كاهش تنش پسماند در روكش است كه ساخت پوشش‌هايي با ضخامت چهار برابر مقدار قابل دسترس در مواد معمولي را امكان‌پذير مي‌سازد.
مقايسه بين خواص پوشش‌هاي نانوساختاري و انواع معمولي، ميزان سختي ميكروي انواع نانو ساختاري را بسته به تركيب گاز و روش توليد، بين 16 تا 63 درصد بيشتر از انواع معمولي نشان داده است.
خواص مطلوب پوشش موتور
پوششها، بويژه پوشش‌هاي نانومتري، مي‌توانند به افزايش كارايي و عمر قطعات موتور خودرو كمك كنند. در شكل 2، نماي شماتيك كارايي بالاتر موتور از منظرهاي مختلف ارائه شده است.
پوشش با روانكاري مناسب
اصطكاك يكي از مهم‌ترين عوامل در كاهش عمر موتور خودروست. در كنار اصطكاك مكانيكي كه در موتورهاي درونسوز وجود دارد. در اين موتورها، عامل اصلي اصطكاك سوپاپ، سيستم پيستون، ميل‌لنگ و ياتاقان‌هاست. عوامل مكانيكي به‌طور ميانگين 10 تا 15 درصد اصطكاك را به وجود مي‌آورند. سيستم پيستون به تنهايي 50 تا 65 درصد از اصطكاك را به وجود مي‌آورد. سيستم سوپاپ نيز حدود 10 تا 20 درصد اصطكاك توليد مي‌كند. پس به منظور افزايش كارايي، افزايش طول عمر قطعات موتور و كاهش مصرف سوخت، مجبور به كاهش اصطكاك هستيم. در ارتباط با اين موضوع، مي‌توان از پوشش‌هايي مانند graphite- Ni, Ni- Mo- MoS2 Ni-BN و غيره استفاده كرد.
مقاومت در برابر خوردگي
اجزاي موتور، تحت شرايط سخت محيطي قرار دارند. دماي بالا، سوخت و محصول احتراق با اتمسفر مخلوط شده و شوك‌هاي حرارتي نيز به عوامل خوردگي اضافه مي‌شوند. موتور ديزلي و درونسوز (IC)ا5 منجر به توليد اسيد سولفوريك.. و اسيد فرميك تحت شرايط معيني مثلاً هواي سرد مي‌شود. پوشش‌هايي با پايه Mo/Cr، پوشش‌هاي مناسبي براي مقاومت در برابر خوردگي در دماهاي بالا هستند.
خواص تريپولوژي
پوشش بايد از خواص مربوط به سايش و بر هم خراشيدگي6 حداقل در حد پوشش‌هاي چدني برخوردار باشد تا بتواند جايگزين آن شود. ذرات سراميكي مانند FeO, SiC, Al2O3 مي‌توانند خواص مربوط به سطح مانند سختي، استحكام فشاري، مقاومت به سايش و خراشيدگي را بهبود بخشد.
بر هم خراشيدگي به عنوان مهم‌ترين عامل تريبولوژي سطح، در زماني مطرح مي‌شود كه لايه‌هاي روان كار شكسته مي‌شوند (از بين مي‌روند). پوشش بايد مقاومت بسيار خوبي از لحاظ شوك‌هاي حرارتي و مكانيكي از خود نشان دهد.
قابليت honing
بعد از پوشش ديواره‌هاي سيلندر، از honing براي رسيدن به توپوگرافي مناسب، استفاده مي‌شود. به همين وسيله، مي‌توان تعداد زيادي حفره ايجاد كرد كه به عنوان منبع تغذيه روغن عمل كند. اين كار منجر به كاهش اصلاح روغن‌كاري هيدروديناميك شده و باعث كاهش تنش رينگ پيستون مي‌شود. honing به دو دليل به روش‌هاي ديگر كه براي آماده‌سازي سطح استفاده مي‌شود، ارجحيت دارد. اول اينكه honing توپوگرافي مناسبي براي نگه داشتن مقاومت روانكارها در ميكرو حفرات ايجاد مي‌كند و برخلاف سنگ زدن و ماشينكاري، باعث بسته شدن حفرات در پي آن محبوس شدن روغن نمي‌شود. دوم اينكه ذرات خارجي حاصل از عمليات honing داخل حفرات قرار مي‌گيرند و تأثير كمتري بر ويژگي‌هاي سايش دارند. عموماً زبري سطح بعد از عمليات honing براي بهبود خواص سايشي كمتر از 2/0 ميكرومتر خواهد بود. پوشش‌هاي مورد استفاده بايد پاسخگوي عمليات honing باشند.
موضوع ديگر، ضخامت پوشش است كه بايد به‌گونه‌اي انتخاب شود كه پس از عمليات honing، ضخامت بجامانده كافي باشد. اين پوشش بايد به اندازه كافي چسبنده بوده و همچنين در برابر عمليات سطحي نهايي آسيب‌پذير (شكاف، شكستگي، پوسته پوسته شدن) نباشد. پوشش در كنار پايداري بالا، يكدستي مناسب و سازگاري با عمليات honing، بايد ضخامتي حدود 100 تا 150 ميكرومتر داشته باشد تا در مقايسه با بوش سيلندرهاي چدني رايج 20 تا 30 درصد بعد از عمليات honing، اصطكاك را كاهش دهد. به علت ويژگي‌هاي تريبولوژي پوشش‌هاي پلاسمايي، طول عمر موتور بيشتر شده و اين امر از طريق كاهش مصرف سوخت، كاهش ميزان آلايندگي را در پي خواهد داشت. گزارش‌هاي ارائه شده حكايت از آن دارند كه پلاسما اسپري كردن FeO/Fe خوب پوشش‌هاي فولاد ضدزنگ، تا 40 درصد از سايش سيلندر و رينگ پيستون مي‌كاهد.
انتقال حرارت
تا آنجا كه مي‌توان، بايد انتقال حرارت از بلوك سيلندر را پايين نگه داشت چون باعث اتلاف حرارت مي‌شود. پوششها بايد داراي هدايت حرارتي كمي بوده و همانند عايق حرارتي براي محفظه سوخت عمل كرده و از انتقال حرارت از طريق آلومينيم و سوپر آلياژهاي آن جلوگيري كند. به همين منظور، پوشش‌هاي مقاوم در برابر حرارت (TBC)ا7 توسعه يافتند.
مطالعات انجام شده در مورد موتورهاي درونسوز، موتورهاي ديزلي و موتور جت‌ها نشان داده است كه با پوشش‌دهي سطوح خارجي ديواره سيلندرها تا حدود 2 ميلي‌متر از لايه‌هاي عايق اكسيدي حدوداً 6 درصد كاهش اتلاف حرارت خواهيم داشت، حال اگر اين پوشش، داخل سيلندر اعمال شود، گراديان حرارتي براي انتقال حرارت كمتر مي‌شود و در نتيجه، اتلاف حرارت نيز بيشتر كاهش مي‌يابد.
وابستگي شديد پوشش به روغن
براي روغن‌كاري بهتر و كاهش اصطكاك، بهتر است موتور در نظامي هيدروليكي كار كند زيرا شكسته شدن لايه‌هاي روغن، اغلب زمينه‌ساز كار در شرايط بحراني (فلز روي فلز) مي‌شود.
ضريب اصطكاك در اين حالت، در مقايسه با زماني كه سيستم در نظامي هيدروديناميكي كار مي‌كند، بسيار بالاست. هم‌خواني وابستگي پوشش با روغن، امري ضروري است. روغن‌ها مي‌توانند مطابق خاصيت موئينگي از بافت‌هاي حاصل از عمليات honing بالا رفته و خود را تعمير كنند. لذا سيستم به نظامي هيدروديناميكي باز مي‌گردد (استحكام شكست روغن‌هاي روانكار براي موتورهاي درونسوز 1.5-5Gpa مي‌باشد).
چسبندگي پوشش با پايه و ضخامت آن
پوشش بايد از چسبندگي مناسبي با پايه برخوردار باشد تا بتواند در برابر شوك‌هاي حرارتي موجود در موتور، مقاومت كند. باندهاي استحكام از روش‌هاي پلاسما اسپري، HVOF و Magnetron Sputtering به وجود مي‌آيد و به شدت به زبري سطح بستگي دارد (Ra,Rz). بيشترين ضخامت پوشش به ضريب انبساط حرارت و خواص مكانيكي پوشش بستگي دارد. اگر انبساط حرارت پوشش با پايه، اختلاف زيادي داشته باشد و يا الاسيته و داكتيليته پوشش بسيار كمتر باشد. پوشش‌هاي ضخيم نمي‌توانند چسبندگي مناسبي با پايه ايجاد كنند. از سوي ديگر، پس از عمليات honing ضخامت پوششي كه باقي مي‌ماند، بين 100 تا 180 ميكرومتر است كه عيوب ريخته‌گري فلز پايه را نيز مي‌پوشاند.
هنگام پوشش آلياژهاي Al-Si (هم هيپو و هم هايپريوتكيك) با اين واقعيت روبه‌رو مي‌شويم كه ساختار، از تحمل اين نوع به هم ريختگي برخوردار است و تغييري در ساختار آن به وجود نمي‌آيد. نكته قابل توجه قطر داخلي پيستون (70 تا 110 ميلي‌متر) است كه براي پوشش‌دهي جدار داخلي آن، به ابزار ويژه‌اي نياز است. هنگام پوشش‌دهي با پوشش‌هايي كه تحمل حرارتي زياد (TBC) دارند، مانند پوشش‌هاي اكسيدي مي‌توان از سوپر آلياژها و آلياژهاي نيكل براي بهبود خواص چسبندگي استفاده كرد.
برطرف كردن نيازهاي كيفي
در موتورهاي احتراقي، سيلندر، رينگ پيستون و مواد روانكار، در يك سيستم تريبولوژيك، اثر متقابل بر هم دارند. مسئله مهمي كه در صنعت خودرو وجود دارد، فقط يافتن پوشش مناسب براي پوشش‌دهي نيست بلكه قيمت نهايي محصول، عاملي مهم است.
ماشين پوشش‌دهي، بايد پاسخگوي نيازهاي كيفي سازنده موتور باشد. پوشش‌هاي ايجاد شده روي پيستون، بايد به گونه‌اي باشند كه توليد اصطكاك نكنند. مثلاً، پيستون‌هاي بسيار سخت باعث خورده شدن بوش سيلندر مي‌شوند.
پوشش براي موتور و ديگر قسمت‌هاي قدرتي آن
از روش الكتروپليتينگ Cr براي پوشش رينگ پيستون استفاده مي‌شود، گونه‌هاي مختلف پودرهاي پايه آهني حاوي V, Ti, Cu, Mo, Cr, Sn, Si, C و B و غيره اغلب براي پوشش‌دهي آلومينيم در موتورها استفاده مي‌شود. براي اين نوع پوششها مي‌توان از روش (APS) و مهندسي نيروي سطح (LSE)ا8 استفاده كرد. از آنجا كه موتورهاي ديزلي در معرض حمله مواد سولفور هستند، خوردگي در برابر اسيد سولفوريك براي پوشش‌هاي پايه فلزي حاوي آلومينات، Mo/Cr كه در اين نوع موتورها مورد استفاده قرار مي‌گيرند، اهميت ويژه‌اي دارد.
نيكل كروميم و كرميم كاربيد را مي‌توان ارزش‌هاي APS و HVOF پوشش‌دهي كرد. عموماً از پوشش كرميم اكسايد به روش پلاسما اسپري، بر روي موتورهاي ديزلي پرقدرت استفاده مي‌شود.
معمولاً از پوشش‌هاي مقاوم در برابر حرارت (TBC) مانند زيركونيا و يا آلومينات تيتانيم، به منظور كاهش دماي كاري و افزايش دوام اجزاي تيغه‌ها توربين‌هاي گازي استفاده مي‌شود. پوشش‌هاي (TBC) مي‌توانند كارايي موتور را با افزايش دماي كاري و كاهش اتلاف حرارت اجزا، بالا ببرند.
از زيركونيا، به علت پايين بودن هدايت حرارتي (Iw/m2kا~) و ضريب انبساط حرارتي بالا(CTE)ا6mm/c-ا6x10 همراه با كم بودن حساسيت‌هاي حرارتي و پايداري شيميايي زياد در دماهاي بالا، مي‌توان به عنوان پوشش استفاده كرد. در كنار تمام موارد ذكر شده، سراميك‌هايي مانند زيركونيا، خواص سايش بسيار مناسبي از خود نشان مي‌دهند.
اليتريم تثبيت شده با زيركونيا (YSZ)ا9 هدايت حرارتي بسيار كمتري نسبت به سوپر آلياژهاي پايه نيكل دارد. از پوشش‌هاي YSZ به شكل بسيار گسترده‌اي براي پوشش‌دهي تاج پيستون استفاده مي‌كنند. در موتورهاي گازوئيلي كنوني، اغلب از مواد جامد روانكار استفاده مي‌شود كه باعث كاهش اصطكاك و در پي آن كاهش سايش مي‌شوند. از پودرهايي فلزي كه مي‌توانند مواد جامد و روانكار را در خود نگه دارند، مي‌توان در سيلندر استفاده كرد. در صنعت براي اين منظور از روش پلاسما اسپري استفاده مي‌شود؛ هر چند كه كاهش ضريب اصطكاك با افزايش دماي نوارهاي جامد روانكار (SFL)ا10 انجام مي‌پذيرد. از نتايج ديگري كه استفاده از نوارهاي جامد روانكار در بر خواهد داشت، كاهش احتمال خوردگي توسط اسيد فورميك در هواي خيلي سرد به هنگام استفاده از سوخت‌هاي پايه متانول است.
نوارهاي جامد روانكار عاري از نيكل، معمولاً حاوي فلوئوريدهايي مانند CaF2 و BaF2 هستند كه مي‌توانند در كنار كاهش به پايداري ضريب اصطكاك پوشش Cr2O3 بينجامند. اين امر، بيشتر خواص تريبولوژي پوشش Cr2O3 را به منظور استفاده در موتور بهبود مي‌بخشد. فولاد ضدرنگ و نيكل كه مي‌توانند بورون نيتريد (BN) هگزاگونال را در خود نگه دارند و يا از آهن و اكسيد آن در مواردي خاص در آن استفاده كرد، كاربردهاي زيادي در صنعت خودرو دارند. هنگامي كه كاهش هزينه‌ها مد نظر باشد، سيستم Fe-FeO بسيار مناسب است.
مطالعه درخصوص روانكارهاي جامد گرافيتي، نشان مي‌دهد كه اين نوع روانكارها بر هم خراشيدگي تحت نيروهاي معمولي را بهبود مي‌بخشند. اين در حالي است كه اين روانكارها تحت نيروهاي زياد، مقاومت مناسبي از خود نشان نمي‌دهند. معمولاً از پوشش‌هاي كرم براي بهبود خواص سايش رينگ پيستون استفاده مي‌شود. استفاده از پوشش‌هاي سرمت به روش HVOF پتانسيل‌هاي بالايي را براي جايگزيني آبكاري كرم از خود نشان مي‌دهد. جايگاه استفاده از پوشش‌هاي NiCr/Cr3O2 و NiCrMo/Cr3O2 در موتورهاي پرقدرت ديزلي است. سرمت‌ها پوشش‌هاي جديدي هستند كه در صنايع هواپيمايي كاربردهاي زيادي دارند.
كربن‌هاي آمورف يا كربن‌هاي شبيه به الماس (DLC)ا11 موادي با كاربردهاي تريبولوژيكي براي سختي‌هاي بالا و مقاومت در برابر سايش و اصطكاك كم هستند. از DLCها مي‌توان به عنوان پوشش‌هاي محافظ براي رينگ پيستون استفاده كرد كه كاهش اصطكاك و در پي آن كاهش مصرف سوخت را در بر خواهند داشت. اين نوع پوششها علاوه بر افزايش طول عمر قطعات، اطمينان خوبي در موتور ايجاد مي‌كنند. | 