مهندسی سطحی امروز

نواحی عمومی مربوط به فعالیت های مهندسی سطح
در طی 50 سال گذشته ، مهندسی سطح، متحمل توسعه های دینامیک گسترده ای شده است.
هر سال بیش از 50 کنفرانس علمی برگزار می شود که در مورد مهندسی سطح و زمینه های خاص مربوطه می باشد. هر ساله، چندین کتاب در مورد این موضوع، به چاپ می رسد که عمدتاً در مورد مباحث مطرح شده در این کنفرانس هاست. ژرنال های علمی و فنی کارهای خاص انجام شده در این زمینه را پوشش دهی می کند. تعداد مقاله های چاپ شده در این زمینه، هر ساله رو به افزایش است.
نشریات دوره ای در زمینه ی مهندسی سطح، منتشر شده اند. همچنین هندبوک ها، کتاب های مرجع و تک پژوهش های مختلفی در این زمینه منتشر شده است که در آن، مشکلات مختلف مربوط به مهندسی سطح، پوشش دهی شده است. سازمان های علمی مختلفی تأسیس شده اند که هدف از تأسیس آنها، بررسی جنبه های مختلف مهندسی سطح می باشد. مهندسی سطح به عنوان یکی از زمینه های علمی و فنی مطرح است.
در واقع، یک یکپارچگی، میان روش های شکل دهی و خواص خاص سطحی، وجود دارد. یک گسترش ملموس در تمام زمینه های مهندسی سطح ایجاد شده است که در واقع این مسئله در تشکیل، طراحی، بررسی و استفاده از لایه های سطحی، مشاهده می شود. پیشرفت بیشتر در زمینه ی روش های تولید لایه های سطحی، انجام شده است، در حالی که زمینه های مرتبط با این مسئله، در واقع آزمون هایی است که در مورد این موضوع می باشد. یک تعداد روز افزون از گزاراش ها در مورد استفاده از لایه های سطحی، انتشار یافته است. این گزارش ها بیشتر در مورد تحقیقاتی است که بر روی تربیولوژی و ماشین کاری می باشد.

تشکیل یا تولید لایه های سطحی

در زمینه ی روش های تولید، مهندسی سطح درگیر جایگزین نمودن لایه های سطحی است که معمولاً این جایگزینی در شکل ماده انجام می شود. در واقع در اینجا، یک کامپوزیت، تولید می شود. در این زمینه، مهندسی سطح، به عنوان هسته ی مرکزی تلقی می شود و برهکنش های انجام شده در این میان، هم فیزیکی و هم شیمیایی است. با در نظر گرفتن جنبه ی لایه های سطحی و پوشش ها، تمایزات زیر باید در نظر گرفته شود:

• لایه های تکنولوژیکی

تولید این لایه ها به عنوان نتیجه ای از استفاده از روش های مختلف، می باشد. بسته به نوع اثرهای مورد استفاده در این زمینه، روش های تولید لایه های سطحی، ممکن است به 6 گروه، تقسیم شوند: روش های مکانیکی، روش های ترومو- مکانیکی، روش های الکتروشیمیایی، روش های فیزیکی و شیمیایی. در هر گروه، روش های مختلفی برای تولید لایه های سطحی با ضخامت و خواص متمایز، مورد استفاده قرار می گیرد.

• لایه های تولید شده در حین سرویس دهی

این لایه ها، به عنوان نتیجه ای از استفاده از لایه های تکنولوژیکی در شرایطی، تولید می شوند که یا طبیعی یا مصنوعی است. شرایط خاص تولید این لایه ها، موجب می شود تا این لایه ها، خواصی داشته باشند که نسبت به لایه های اولیه و تکنولوژیکی، متفاوت باشند.
دقیقاً همانگونه که خواص لایه های تکنولوژیکی بوسیله ی فرایند تولید، تحت تأثیر قرار می گیرد، این ممکن است که لایه های تولید شده در حین سرویس دهی و خواص آنها، تغییر کند.
تولید لایه های سطحی از لحاظ تاریخی، قدیمی ترین مورد گزارش شده در این زمینه است. این زمینه، یکی از زمینه های با رشد سریع در مورد مهندسی سطح است. حتی امروزه، این زمینه تا حدی به طور مستقیم یکی از زمینه های خاص مهندسی سطح، محسوب می شود.

• طراحی لایه های سطحی

این زمینه ی مهندسی سطح، در واقع در مورد طراحی لایه های سطحی است به نحوی که این لایه ها، می توانند الزامات مربوط به سرویس دهی را برطرف کنند. این زمینه از مهندسی سطح، کمتر توسعه یافته است. طراحی یک فرایند به گونه ای که موجب تولید یک ساختار و خاصیت غالب در لایه های سطحی شود، موجب می شود تا رابطه ی بین خواص تکنولوژیکی با خواص سرویس دهی قابل استفاده، و تصمیم گیری نهایی در مورد یک چنین تولیدی، تنها در برخی موارد استثنایی، قابل حصول باشد. در اغلب موارد، اگر چه این مورد به ندرت عملی می شود، مدل سازی ریاضی خواص لایه ی سطحی موجب می شود تا روش های فنی شناخته و عملی تر شوند.

• بررسی لایه های سطحی

این زمینه از مهندسی سطحی درگیر تحقیق عملی بر روی ساختار و خواص لایه های سطحی، پارامترهای مختلف، ارتباط فنی این لایه ها با شرایط سرویس دهی و نیاز به دانستن اطلاعات در مورد اثرات مربوطه و اصول کاربردی، می باشد. نتایج این تحقیق با نتایج مربوط به فرایندهای تولید، ترکیب می شود و با توجه به این پارامترها و اطلاعات موجود در دیتابیس ها، لایه های سطحی کامپوزیت ها، طراحی می شود. انجام این تحقیق، نیازمند اجرای جدیدترین روش های بررسی، شامل بررسی های فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی، خوردگی، استحکام و تریبولوژی است.

• استفاده از لایه های سطحی در هنگام سرویس دهی

این ناحیه از مهندسی سطح، شامل دو گروه از مشکلات است:

آزمون های سرویس دهی

آزمون های سرویس دهی رفتار لایه های سطحی در شرایط کاری مختلف، مورد استفاده قرار می گیرد. معمولاً این آزمون ها، تغییرات ایجاد شده در رفتار ماده در زمان سرویس دهی را پوشش دهی می کنند. به دلیل اینکه بررسی خواص لایه ها در طی سرویس دهی، با مشکلات متعددی روبروست، این لایه ها، معمولاً بعد از یک دوره ی زمانی خاص، و بعد از سرویس دهی، بررسی می شوند. این آزمون های بعد از سرویس دهی، با روش هایی انجام می شود که مشابه روش های مورد استفاده برای لایه های سطحی می باشد. تنها تفاوت این است که این روش ها، در طی سرویس دهی، اعمال می شود. بررسی ساختار و خواص مربوط به لایه های سطحی در طی سرویس دهی، نیازمند روش های فیزیکوشیمیایی خاص است که البته همه ی آنها به خوبی، توسعه نیافته اند.

• لایه های تشکیل شده در حین سرویس دهی

تولید این لایه ها، در طی سرویس دهی قطعه در محل مورد نظر خود، رخ می دهد. علت این تشکیل، در واقع برهمکنش میان این مواد و مواد موجود در محیط می باشد.

اهمیت مهندسی سطح

توسعه ی مهندسی سطح حالت پویا دارد. علت این مسئله در اصل به دلیل این حقیقت است که این زمینه از علوم و تکنولوژی، انتظارات علوم مدرن را برطرف می کند. این انتظارات، یکی افزایش بازده استفاده از ماده و انرژی و دوستدار محیط زیست بودن، می باشند. علاوه بر این حقیقت که این زمینه از تکنولوژی موجب می شود تا محققین با یک ماجراجویی علمی جالب، مواجه شوند، موجب می شود تا حقیقت های عملی جالبی را کشف کنند. هر فرد به طور روزانه با محصولاتی در تماس است که در آنها از مهندسی سطح استفاده شده است. در واقع همه ی ما باید از مهندسی سطح، تشکر کنیم. مهندسی سطح، موارد زیر را برای ما مهیا کرده است:
• امکان تولید ابزارها، قطعات ماشین و وسایل از مواد با خواص پست تر و ارزان تر اصلاح سطح آنها با مهندسی سطح. این کار در برخی زمان ها، موجب کاهش وزن، و میزان انرژی مصرفی برای تولید آنها می شود. همچنین اعمال مهندسی سطح بر روی این قطعات، موجب بهبود خواص تریبولوژیکی، دکوراسیونی و سایر خواص این وسایل می شود.
• بهبود قابلیت اطمینان به ابزارها، اجزای ماشین و کاهش میزان خطاهای ایجاد شده در آنها. طراحی نامناسب و شرایط کاری نامطلوب، موجب می شود تا 15 % قطعات قبل از اتمام طول عمرشان، خراب شوند. در واقع انتخاب نامناسب و تولید ضعیف لایه های سطحی، در 85 % از موارد، موجب بروز این اشکال ها می شود.
• کاهش اتلاف های انرژی ایجاد شده به دلیل اصطکاک و بهبود خواص تریبولوژیکی سطوح مالشی. معمولاً 15 تا 25 % از برق مصرفی برای فایق آمدن بر اصطکاک مصرف می شود. این مورد در صنعت نساجی، تا 85 % نیز می رسد.
• کاهش در میزان جایگزینی ابزارها و قطعات معیوب و همچنین کاهش میزان ساعات خرابی دستگاه ها.
• کاهش 15 تا 35 % در اتلاف های ایجاد شده به دلیل خوردگی. این مورد در زمانی نمود دارد که بدانید اثر خوردگی بر روی اقتصاد، 5 % تولید ناخالص ملی است.
• کاهش در مصرف انرژی بوسیله ی صنایع. این مسئله به دلیل این حقیقت است که روش های مورد استفاده در مهندسی سطح، معمولاً روش های با مصرف انرژی پایین است. در واقع در روش های با مصرف انرژی بالاتر، مثلاً عملیات حرارتی، تنها بخش های انتخابی از نمونه، تحت عملیات حرارتی قرار می گیرد (بدون آنکه نیاز باشد تمام قطعه عملیات حرارتی شود). همچنین زمان استفاده از این روش ها، بسیار کوتاه است معمولا در حد چند ثانیه می باشد.
• به حداقل رساندن آلودگی های محیط زیستی در اصل به دلیل کاهش در میزان مصرف انرژی و همچنین امکان استفاده از روش های بازیافت برای قطعات فرسوده. گازهای حاصل از احتراق سوخت، حاوی گازهای گلخانه ای و مقادیری اکسید گوگرد و نیتروژن، هیدوکربن های فرار و مواد مخرب دیگر می باشد.

جهت دهی در زمینه ی مهندسی سطح

در زمان های آینده، مهندسی سطح به سرعت رشد خواهد کرد. مهندسی سطح از جمله علومی است که بر پایه ی علوم و کشفیات روز دنیا، گسترش می یابد. این انتظار وجود دارد که این علم، به عنوان یکی از علوم پیشگام در آینده باشد.
به کمال رسیدن و ترکیب شدن روش های تولید لایه های سطحی
توسعه ی روش های تولید لایه های سطحی، به طور قابل توجهی، به روش های مورد استفاده و اهمیت توسعه ی تکنولوژی وابسته است. در واقع مزیت های حاصله از این روش ها، یک موضوع مهم در این توسعه می باشد.
رویه های عمومی مربوط به توسعه ی روش های تولید لایه های سطحی، ممکن است به صورت زیر خلاصه شود:
1) استفاده از اثر هم افزایی با کاربرد:
• روش هایی که اجازه ی توسعه ی لایه های ساندویچی را فراهم می آورد. این لایه ها با روش های مشابه با روش های تولید لایه های معمولی تولید می شوند، تنها تفاوت اندکی در زیرلایه، وجود دارد.
• روش های دوتایی، سه تایی و چند تایی به منظور بدست آوردن لایه های سطحی با خواص کاربردی مطلوب و عمر مفید بالا (مثلا استفاده از پوشش های فلزی- رنگی با طول عمر 25 الی 40 سال، بدون نیاز به نوسازی در مکان هایی که طول عمر پوشش های رنگی، تنها چند سال است. این پوشش ها با روش اسپری گرمایی و رنگ آمیزی با روش پنیوماتیک یا الکترواستاتیک، اعمال می شوند. مثال دیگر، استفاده از نیتریداسیون پیش از سخت کاری زیرلایه و سپس رسوب دهی پوشش های تیتانیم نیترید. مثال دیگر، ترکیب پرداخت سطوح سخت کاری شده با روش های حرارتی و ترموشیمیایی. از جمله موارد دیگر می توان به ترکیب نیتریداسیون و بمباران با یون نیتروژن و یا یون های بور می باشد.
2) کاهش در مصرف انرژی در روش های تولید لایه های سطحی و حذف روش های با مصرف انرژی بالا. مثلا بازگردانی و استفاده ی مجدد از حرارت ایجاد شده در اتاق های رنگ کاری پوشش های آلی؛ استفاده از روش های جدید حرارت دهی الکتریکی آلومینیوم، آلیاژها و سایر حمام های نفوذی، حذف حمام نمک و جایگزینی آن با بسترهای سیال، اتمسفر و خلأ. استفاده از روش های با انرژی بالا مانند لیزر، پلاسما و باریکه ی الکترونی. استفاده از روش های مختلف پرداخت و جایگزینی آنها با عملیات های ترموشیمیایی.
3) کاهش در میزان مصرف مواد اولیه ی مورد استفاده در تولید لایه های سطحی؛ مثلاً جایگزینی اسپری های پنیوماتیک رنگ آمیزی با رسوب دهی الکترواستاتیک رنگ های مایع یا پودری و یا استفاده از روش های نفوذی تخلیه ی درخشان به جای استفاده از حمام نمک و عملیات های گازی.
4) افزایش دقت آماده سازی زیرلایه برای افزایش پذیرش پوشش. در نظر گرفتن فعالیت شیمیایی و استفاده از روش های تمیزکاری و شستشو مانند روش التراسونیک و رسوب دهی لایه های واسط.
5) استفاده از تکنولوژی های دوستار محیط زیست و اقتصادی. این کار موجب کاهش میزان تولید آلودکی و اثرات نامطلوب بر روی محیط زیست می شود. این کار موجب کاهش میزان انتشار گازهای گلخانه ای و گازهای مضر برای لایه ی ازون و گازهای ایجاد کننده ی باران های اسیدی، می شود. این مسئله در رویه ی جایگزینی رنگ های پودری با رنگ های مایع و همچنین استفاده از حلال های آبی به جای استفاده از حلال های آلی، نمود دارد. یکی دیگر از این کارها، استفاده از پوشش های ضد خوردگی است که در فرایند خشک شدن، به طور خود به خود، لایه ای می شوند و به صورت یک لایه ی سطحی و یک لایه ی پرایمر، تشکیل می شوند. حذف فرئون که زمانی به عنوان محیط شستشو مورد استفاده قرار می گرفت، حذف حمام های نمک مورد استفاده برای سخت کاری و جایگزینی آن با مواد پلیمری، از جمله مواردی هستند که برای محافظت از محیط زیست، انجام شده است.
6) تمرکز بر روی روش های تولید لایه ی سطحی برای استفاده در بخش های خاص صنعتی مانند فولاد سازی، به منظور حذف حمل و نقل غیر ضروری و استفاده از حرارت های اضافی ایجاد شده در طی این فرایندها، می باشد. در کشورهای اروپایی، 5 تا 15 % از فولاد نورد سرد شده، میله های پروفیل، میله های با سطح مقطع مدور و سیم ها، بوسیله ی پوشش های ایجاد شده با روش اسپری حرارتی، روش الکترولیتی، و سایر روش ها، پوشش دهی می شوند. در اکثر کشورهای اروپای شرقی و مرکزی، خطوط پوشش کاری پیوسته ی مربوط به فولاد سازی، تنها در برخی از بخش ها، مشاهده می شود. البته روش های تولید پوشش بر روی این صفحات نیز گاهی اوقات، هزینه بر هستند و موجب آلودگی محیط زیستی می شود.
7) مکانیزه کردن و اتوماتیک کردن و حتی استفاده از روبات در تولید لایه های سطحی، مخصوصاً در روش های اسپری حرارتی و اسپری با حلال های آلی. این مسئله به دلیل ایجاد آسیب هایی است که این مواد به سلامت اپراتور، وارد می کنند.
8) رشد استفاده از میکروپردازنده ها و کنترلرهای کامپیوترهای نه تنها در سیستم های منفرد، بلکه در کل بخش های خط تولید. در آینده، می توان انتظار داشت که کل بخش تولید، بواسطه ی کامپیوتر، کنترل شود.
9) افزایش استفاده از روش های بازیافت (هم استفاده از مواد ضایعاتی و هم بازگشت مواد زائد خط تولید به داخل چرخه ی تولید). مثلاً استفاده از رسوبات زائد در فرایند آبکاری و رنگ کاری

آزمون های میکرومتری و نانومتری

آزمون های انجام شده بر روی لایه ها، شامل تعیین خواص فیزیکی و شیمیایی مختلف و همچنین استفاده از روش های بررسی است که در مهندسی و علم مواد، مرسوم است. این پیش بینی می شود که برخی از روش ها، به صورت ترکیبی برای بررسی خواص استفاده شوند. این مسئله شامل موارد زیر است:
• استفاده ی ترکیبی از آن دسته از روش هایی که معمولاً در بررسی های تریبولوژیکی، بررسی های مربوط به استحکام ماده و بررسی های مربوط به حفاظت در برابر خوردگی، استفاده می شوند.
• روش های نانومتری ظریف برای بررسی ساختارهای لایه ای و اتمی و بررسی پدیده های فیزیکی در مقیاس میکرمتری، استفاده می شوند.

کاربرد منطقی لایه های سطحی

کاربردهای منطقی مربوط به لایه های سطحی، نیازمند داشتن اطلاعات مناسب در زمینه ی ویژگی های آنهاست. در واقع هم ویژگی های بالقوه و هم ویژگی های آنها در حین سرویس دهی. وظایف اصلی، عبارتند از:
• کاهش در مصرف انرژی و ماده در حین استفاده از قطعات و وسایل، تحت شرایط تریبولوژیکی، خستگی و خوردگی نامناسب. این مسئله بر این دلالت دارد که کاربرد این لایه های سطحی و استفاده از آنها تحت این شرایط، موجب مینیمم شدن نرخ مصرف انرژی و اتلاف های مربوط به خوردگی می شود. در اینجا، ترجیح استفاده از سطوح با سایش مینیمم است.
• آنالیز تشخیصی حالت لایه های سطحی مورد استفاده برای قطعات کار کرده به نحوی که راهی برای جمع آوری اطلاعات مربوط به این لایه ها، فراهم آید.
• انتخاب لایه های سطح برای شرایط سرویس دهی خاص مانند بخش های متحرک که متحمل سایش سطحی می شوند.