بررسی رفتار خوردگی و تریبولوژی در پوشش اکسیدی پلاسمای الکترولیتی اعمالی بر سطح استکان تایپیت آلومینیومی
محورهای موضوعی : خوردگی و حفاظت موادسعید صفری 1 * , اسمعیل احمدی 2 , حسین صفری 3
1 - کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران.
2 - کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران. (اداره مهندسی مونتاژ موتور، شرکت ایران خودرو)
3 - کارشناسی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران غرب، تهران، ایران.
کلید واژه: ", اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی ", , ", آلیاژ آلومینیوم", , ", استکان تایپیت", , ", مقاومت به خوردگی", , ", مقاومت به سایش", ,
چکیده مقاله :
اخیراً استفاده از آلیاژهای غیر آهنی در صنعت خودروسازی به جهت خواص مطلوب به میزان چشمگیری افزایش پیدا کرده است اما با توجه به شرایط کاری در موتور خودرو اعمال پوشش به‌منظور محافظت از سطوح و افزایش طول عمر قطعه الزامی میباشد. در این پژوهش، ابتدا پوشش اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی بر روی سطح استکان تایپیت آلومینیومی که همواره با بادامکهای میل‌سوپاپ در تماس است، اعمال میشود و در ادامه خواص متالورژیکی پوشش ایجاد شده بر روی زیرلایه در الکترولیتهای سیلیکاتی و آلومیناتی مورد بررسی و مقایسه قرار میگیرد. نتایج حاصل از مطالعات فازی نشان میدهد که حین فرآیند پوششدهی فازهایی نظیر -و بر روی سطح ایجاد میشود به‌علاوه پوشش اکسیدی نهایی به دلیل برخورداری از خواص و کیفیت مطلوب، مقاومت در برابر خوردگی و سایش را به شکل قابل‌توجهی بهبود میبخشد به‌نحوی‌که سرعت خوردگی پوشش ایجاد شده در الکترولیت سیلیکاتی و آلومیناتی به ترتیب 19 و 22 برابر و نرخ سایش نیز به ترتیب 6 و 9 برابر نسبت به نمونه فاقد پوشش کاهش مییابد. در انتها بررسیهای میکروسکوپی نیز نشان میدهد که قطر متوسط تخلخلها در پوشش ایجاد شده در الکترولیت سیلیکاتی نسبت به پوشش آلومیناتی بزرگ‌تر است.
Recently, the consumption of non-ferrous alloys has increased significantly in the automotive industry due to their desirable properties, but according to the working conditions of car engine, it is necessary to apply coating to protect the surfaces and extend the lifetime of the car engine compartments. In this study, firstly, electrolytic plasma oxidation (PEO) is coated on the surface of the aluminium hydraulic tappet which is always in contact with the camshaft lobes, and then the metallurgical properties of the coating formed on the substrate in silicate and aluminate electrolytes are investigated. The results of the phase studies indicate that during the coating process, phases such as α-Al2O3 and γ-Al2O3 are created on the surface, moreover the plasma electrolytic oxidation coating resists against corrosion and wear strongly because of its favourable properties and quality. Compared to an uncoated sample, the corrosion rate and wear rate of coatings created in silicate and aluminate electrolytes decrease by 19 and 22 times, respectively, and by 6 and 9 times, respectively. Finally, the microscopic analysis reveals that the average diameter of the porosities in PEO coating formed in the silicate electrolyte is larger than that of coating generated aluminate electrolyte.
[1] H. Yamagata, "The Science and Technology of Materials in Automotive Engines", Woodhead Publishing, 2005.
[2] J. Wang, X. Pang & H. Jahed. "Surface protection of Mg alloys in automotive applications: A review", AIMS Materials Science, vol. 6, pp. 567-600, 2019.
[3] م. ضرغامی و ح. ر. سراجی، "توسعه کاربرد کامپوزیت‌ها و آلیاژهاي غیر آهنی در قطعات خودرو به‌منظور سبک‌سازی و کاهش مصرف سوخت"، پنجمین همایش سالانه بین‌المللی صنعت خودرو ایران، 1395.
[4] J. Tan & S. Ramakrishna, "Applications of magnesium and its alloys: A review", Applied Sciences, vol. 11, pp. 61-68, 2021.
[5] H. Dong, "Surface Engineering of Light Alloys Aluminium, Magnesium and Titanium Alloys", Woodhead Publishing, 2010.
[6] E. Syuichi, M. Masuda, H. Fujita, S. Hayashi, Y. Terashima & K. Motosugi, "Aluminum valve lifter for Toyota new V-8 engine", no. 900450. SAE Technical Paper, 1990.
[7] L. S. Woo. "Composite hybrid valve lifter for automotive engines", Composite structures, vol. 71, pp. 26-33, 2005.
[8] D. Kosuke & H. Kurita, "Development of lightweight DLC coated valve lifter made from beta titanium alloy for motorcycles", SAE International Journal of Materials and Manufacturing, vol. 6, no. 1 pp.105-112, 2013.
[9] آ، موسوی و و، مقدم نیا، "علل سایش قطعه استکان تایپت چدنی و روش¬هاي بهبود خواص"، هفتمين همايش بین‌المللی موتورهاي درون‌سوز، 1390.
[10] R. O. Hussein, X. Nie & D. O. Northwood, "An investigation of ceramic coating growth mechanisms in plasma electrolytic oxidation (PEO) processing", Electrochimica Acta, vol. 112, pp. 111-119, 2013.
[11] Gh. Barati, M. Aliofkhazraei, P. Hamghalam & N. Valizade, "Plasma electrolytic oxidation of magnesium and its alloys: Mechanism, properties and applications", Journal of Magnesium and Alloys, vol. 5, pp. 74-132, 2017.
[12] M. Kaseem, S, Fatimah, N, Nashrah & Y, Gun Ko, "Recent progress in surface modification of metals coated by plasma electrolytic oxidation: Principle, structure, and performance", Progress in Materials Science, vol.117, 2021.
[13] A. L. Yerokhin & X. Nie, "Plasma electrolysis for surface engineering", Surface and Coatings Technology, vol. 122, pp.73-93, 1999.
[14] F. Simchen, S. Maximilian, A. Kopp & T. Lampke, "Introduction to plasma electrolytic oxidation—An overview of the process and applications", Coatings, vol. 10, pp. 628-646, 2020.
[15] P. Gupta, G. Tenhundfeld, E. O. Daigle & D. Ryabkov, "Electrolytic plasma technology: Science and engineering - An overview", Surface and Coatings Technology, vol. 201, pp. 8746-8760, 2007.
[16] A. Polat & M. Makaraci, "Influence of sodium silicate concentration on structural and tribological properties of micro arc oxidation coatings on 2017A aluminum alloy substrate", Journal of Alloys and Compounds, vol. 504, pp. 519–526, 2010.
[17] K. Wang & B. H. Koo, "Effects of electrolytes variation on formation of oxide layers of 6061 Al alloys by plasma electrolytic oxidation", Transactions of Nonferrous Metals Society of China, vol.19, pp. 866-870, 2009.
[18] A. Němcová, B. Pacal & P. Skeldon, "Effect of fluoride on plasma electrolytic oxidation of AZ61 magnesium alloy", Surface & Coatings Technology, vol. 232, pp. 827-838, 2013.
[19] J. J. Zhuang, N. Xiang & R. G. Song, "Effect of current density on microstructure and properties of PEO ceramic coatings on magnesium alloy", Surface Engineering, vol. 33, pp. 744-752, 2016.
[20] S. Xin, R. Zhao & L. Song, "Influence of cathodic current on composition, structure and properties of Al2O3 coatings on aluminium alloy prepared by micro-arc oxidation process", Thin Solid Films, vol. 515, pp. 326-332, 2006.
[21] X. Zhanga & Y. Zhanga, "Effects of frequency on growth process of plasma electrolytic oxidation coating" Materials Chemistry and Physics, vol. 132, pp. 909– 915, 2012.
[22] S. Aliasghari, P. Skeldon & G. E. Thompson, "Plasma electrolytic oxidation of titanium in a phosphate/silicate electrolyte and tribological performance of the coatings", Applied Surface Science, vol. 316, pp. 436-476, 2014.
[23] S. Onoa, S. Moronukia & Y. Morib, "Effect of electrolyte concentration on the structure and corrosion resistance of anodic Films formed on Magnesium through plasma electrolytic oxidation", Electrochimica Acta, vol. 240, pp. 415-423, 2017.
[24] W. C. Gu, G. H. Lv, H. Chen & G. L. Chen, "Characterisation of ceramic coatings produced by plasma electrolytic oxidation of aluminium alloy", Materials Science and Engineering, vol. 447, pp. 158–162, 2007.
[25] A. G. Rakoch, A. A. Gladkova & V. L. Kovalev, "The Mechanism of Formation of Composite Microarc Coatings on Aluminium Alloys", Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces, vol. 49, pp. 880-884, 2013.
[26] L. Wanying, Y. Pu, H. Liao, Y. Lin & W. He, "Corrosion and wear behaviour of PEO coatings on D16T aluminium alloy with different concentrations of graphene", Coatings, vol. 10, no. 3, pp.230-249 2020.
[27] M. Nadimi, C. Dehghanian & A. Etemad moghadam, "Influence of SiO2 nanoparticles incorporating into ceramic coatings generated by PEO on Aluminium alloy: Morphology, adhesion, corrosion, and wear resistance", Materials Today Communications, vol. 31, 2022.
[28] W. Liu, P. Yi Pu, L. Hongcheng & Y. Lin, "Corrosion and wear behaviour of PEO coatings on D16T aluminium alloy with different concentrations of graphene", Coatings, vol. 10, pp. 249-259, 2020.
[29] L. Guohua, W. Gu, H. Chen, W. Feng & M. Latif Khosa, "Characteristic of ceramic coatings on aluminum by plasma electrolytic oxidation in silicate and phosphate electrolyte", Applied Surface Science, vol. 253, pp. 2947-2952, 2006.
[30] S. Aliasghari, M. Ghorbani, P. Skeldon & H. Karami, "Effect of plasma electrolytic oxidation on joining of AA 5052 aluminium alloy to polypropylene using friction stir spot welding" Surface and Coatings Technology, vol. 313, pp. 274-281, 2017.
[31] K. Wang, B. H. Koo & L. Chan-Gyu "Effects of electrolytes variation on formation of oxide layers of 6061 Al alloys by plasma electrolytic oxidation", Transactions of Nonferrous Metals Society of China, vol. 19, pp. 866-870, 2009.
[32] A. Polat, M. Makaraci & M. Usta, "Influence of sodium silicate concentration on structural and tribological properties of micro arc oxidation coatings on 2017A aluminum alloy substrate", Journal of Alloys and Compounds, vol. 504, pp. 519–526, 2010.
[33] A. Toulabifard, M. Rahmati, K. Raeissi, A. Hakimizad & M. Santamaria. "The effect of electrolytic solution composition on the structure, corrosion, and wear resistance of PEO coatings on AZ31 magnesium alloy", Coatings, vol. 10, pp. 937-946, 2020.
[34] P. V. Ivashin, A. V. Polunin, M. M. Krishtal, A. Tverdokhlebov & E. D. Borgardt, "The influence of SiO2 nanoparticles addition into electrolyte on the thermal conductivity of oxide layer formed on eutectic aluminium-silicon alloy by PEO", Journal of Physics: Conference Series, vol. 112, IOP Publishing, 2018.
[35] ص. اسماعیلی، ت. احمدی، ح. بخششی و ع. نوربخش، "تأثیر افزودن اکسید گرافن بر رفتار خواص تریبولوژی پوشش¬های ایجاد شده روی آلیاژ منیزیم AZ31 به روش اکسیداسیون الکترولیتی پلاسما"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال شانزدهم، شماره سوم، صفحه 29-39، 1401.
[36] Ch. Yang, Z. Jiayu, C. Suihan, P. Chen, W. Zhongcan, M. Zhengyong, K. F. Ricky, T. Xiubo, K. C. Paul & W. Zhongzhen, "Wear and corrosion resistant coatings prepared on LY12 aluminum alloy by plasma electrolytic oxidation", Surface and Coatings Technology, vol. 409, pp. 885-893, 2021.
[37] M. Treviño, N. F. Garza-Montes, A. Pérez, M. A. L. Hernández-Rodríguez, A. Juárez, & R. Colás, "Wear of an aluminium alloy coated by plasma electrolytic oxidation", Surface and Coatings Technology, vol. 206, pp. 2213-2219, 2012.
[38] R. Vignesh, R. Vaira & R. Padmanaban, "Influence of friction stir processing parameters on the wear resistance of aluminium alloy AA5083", Materials Today, vol. 55, pp. 7437-7446, 2018.
[39] U. Malayoglu, C. Kadir, U. Tekin, U. Malayoglu & S. Shrestha, "An investigation into the mechanical and tribological properties of plasma electrolytic oxidation and hard-anodized coatings on 6082 aluminum alloy", Materials science and Engineering, vol. 528, no. 24, pp.7451-7460, 2011.
[40] N. Xiang, R. G. Song, H. Li, C. Wang, Q. Z. Mao & Y. Xiong, "Study on microstructure and electrochemical corrosion behaviour of PEO coatings formed on aluminium alloy", Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 24, pp. 5022-5031, 2015.
فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال هجدهم – شماره دوم – تابستان 1403 (شماره پیاپی 69)، صص. 63-73 | ||
| فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد ma.iaumajlesi.ac.ir |
|
بررسی رفتار خوردگی و تریبولوژی در پوشش اکسیدی پلاسمای الکترولیتی اعمالی بر سطح استکان تایپیت آلومینیومی
مقاله پژوهشی |
1- کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران.
(اداره مهندسی مونتاژ موتور، شرکت ایران‌خودرو، تهران، ایران)
2- کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران.
(اداره مهندسی مونتاژ موتور، شرکت ایران‌خودرو، تهران، ایران)
3- کارشناسی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران غرب، تهران، ایران.
* Saeed.safari25@sharif.ir
اطلاعات مقاله |
| چکیده |
دریافت: 17/03/1402 پذیرش: 24/04/1402 | اخیراً استفاده از آلیاژهای غیر آهنی در صنعت خودروسازی به جهت خواص مطلوب به میزان چشمگیری افزایش پیدا کرده است اما با توجه به شرایط کاری در موتور خودرو اعمال پوشش به‌منظور محافظت از سطوح و افزایش طول عمر قطعه الزامی میباشد. در این پژوهش، ابتدا پوشش اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی بر روی سطح استکان تایپیت آلومینیومی که همواره با بادامکهای میل‌سوپاپ در تماس است، اعمال میشود و در ادامه خواص متالورژیکی پوشش ایجاد شده بر روی زیرلایه در الکترولیتهای سیلیکاتی و آلومیناتی مورد بررسی و مقایسه قرار میگیرد. نتایج حاصل از مطالعات فازی نشان میدهد که حین فرآیند پوششدهی فازهایی نظیر Al2O3-α و Al2O3-γ بر روی سطح ایجاد میشود به‌علاوه پوشش اکسیدی نهایی به دلیل برخورداری از خواص و کیفیت مطلوب، مقاومت در برابر خوردگی و سایش را به شکل قابل‌توجهی بهبود میبخشد به‌نحوی‌که سرعت خوردگی پوشش ایجاد شده در الکترولیت سیلیکاتی و آلومیناتی به ترتیب 19 و 22 برابر و نرخ سایش نیز به ترتیب 6 و 9 برابر نسبت به نمونه فاقد پوشش کاهش مییابد. در انتها بررسیهای میکروسکوپی نیز نشان میدهد که قطر متوسط تخلخلها در پوشش PEO ایجاد شده در الکترولیت سیلیکاتی نسبت به پوشش آلومیناتی بزرگ‌تر است. | |
کلید واژگان: اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی آلیاژ آلومینیوم استکان تایپیت مقاومت به خوردگی مقاومت به سایش. |
|
Investigation on Corrosion and Tribological Behaviour of Plasma Electrolytic Oxidation Coating Formed on Aluminium Hydraulic Tappet
Saeed Safari 1*, Esmaeil Ahmadi 2, Hossein Safari 3
1- M. Sc., Department of Materials Science and Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran. (Engine Assembly Engineering Division, Iran Khodro Co, Tehran, Iran).
2- M. Sc., Department of Materials Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran. (Engine Assembly Engineering Division, Iran Khodro Co, Tehran, Iran).
3- B. Sc., Department of Mechanical Engineering, Islamic Azad University (West Tehran Branch), Tehran, Iran.
* Saeed.safari25@sharif.ir
Abstract |
| Article Information |
Recently, the consumption of non-ferrous alloys has increased significantly in the automotive industry due to their desirable properties, but according to the working conditions of car engine, it is necessary to apply coating to protect the surfaces and extend the lifetime of the car engine compartments. In this study, firstly, electrolytic plasma oxidation (PEO( is coated on the surface of the aluminium hydraulic tappet which is always in contact with the camshaft lobes, and then the metallurgical properties of the coating formed on the substrate in silicate and aluminate electrolytes are investigated. The results of the phase studies indicate that during the coating process, phases such as α-Al2O3 and γ-Al2O3 are created on the surface, moreover the plasma electrolytic oxidation coating resists against corrosion and wear strongly because of its favourable properties and quality. Compared to an uncoated sample, the corrosion rate and wear rate of coatings created in silicate and aluminate electrolytes decrease by 19 and 22 times, respectively, and by 6 and 9 times, respectively. Finally, the microscopic analysis reveals that the average diameter of the porosities in PEO coating formed in the silicate electrolyte is larger than that of coating generated aluminate electrolyte. | Original Research Paper Doi: | |
| Keywords: Plasma Electrolytic Oxidation Aluminum Alloy Hydraulic Tappet Corrosion Resistance Wear Resistance. |
1- مقدمه
در دهههای اخیر پیدا کردن راه‌کارهایی برای کاهش مصرف سوختهای فسیلي به دلیل گازهای مضر ناشی از احتراق این سوختها، اهمیت خاصی پیدا کرده است. در این راستا راه‌کارهایی نظیر استفاده از منابع انرژی جدید و سبک‌سازی انواع وسایل نقلیه اعم از اتومبیلها، هواپیماها، کشتیها و ... پیشنهاد شده است. به همين دليل استفاده از آلیاژهای غیر آهنی و سایر مواد با هدف کاهش وزن و ارتقاء کیفیت مورد توجه بوده و یکی از نقاط تحول در صنایع خودروسازی در دهههای گذشته به‌حساب ميآيد و تمامی شرکتهای خودروسازی بزرگ به دنبال جایگزینی قطعات فولادی و چدنی موجود در خودرو با مواد و آلیاژهای سبکتر میباشند ازاین‌رو آلیاژهای غیر آهنی نظیر آلومینیوم و منیزیم به دلیل برخورداری از خواص مطلوب نظیر نسبت استحکام به وزن مخصوص بالا مورد توجه قرار گرفته‌اند به‌نحوی‌که در شکل (1) برخی از کاربردهای آلیاژهای غیر آهنی در خودرو آورده شده است [1-4]؛ اما باید توجه داشت که سه معضل و مشكل اصلی اعم از اصطكاك، حرارت و خوردگي در صنعت خودرو وجود دارد که تا اندازهای مانع از این جایگزینی گسترده این آلیاژها در صنعت خودرو میشود [5].
شکل (1): برخی از کاربردهای آلیاژهای غیر آهنی در خودرو.
شرکت تویوتا در موتور V-8 برای اولین بار برای ساخت استکان تایپیت از آلومینیوم و آلیاژهای آن استفاده کرده است که نتایج حاصل از آن بسیار مطلوب و رضایت‌بخش بود. با توجه به این که سطح استکان تایپیت مطابق با شکل (2) به‌صورت مداوم بر روی میل‌سوپاپ در حال پرس کردن (سایش مداوم توأم با ضربه)، میباشد ازاین‌رو بهبود خواص سایش و خوردگی و به‌تبع آن افزایش طول عمر تا بالاترین حد ممکن از اهمیت خاصی برخوردار است و برای این منظور میتوان از انواع پوششهای محافظ بر روی سطح استکان تایپیت استفاده کرد. اخیراً از فرآیند جدیدی تحت عنوان اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی1 برای ایجاد پوشش اکسیدی بر روی سطح قطعات غیر آهنی موتور ماشینهای فرمول یک (F1) جهت رسیدن به اهداف مذکور استفاده شده است که این پوشش خواص بسیار مطلوبی از خود حین سرویس نشان داده است [6-9]. این فرآيند پوششدهی یک عملیات سطحی الکتروشیمیایی است که منجر به تشکیل یک لایه اکسیدی ضخیم با مقاومت به خوردگی و سایش بالا بر روی سطح میشود. کیفیت این پوشش از سایر روشها نظیر آندایزینگ مطلوبتر میباشد و همچنین این روش دوستدار محیط‌زیست بوده و فاقد مواد و عناصر مضر میباشد [10-12]؛ اما با این وجود محققین هنوز نتوانستند مکانیزم کاملی برای این فرآیند پوششدهی ارائه دهند و محققین مختلف مکانیزمهای متفاوتی ارائه دادهاند به همین دلیـل از اصطلاحات متفاوتی بـرای توصیف آن استفاده میشود که برخی از آنها عبارت‌اند از: اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی، اکسیداسیون میکرو جرقه 2، الکترولیز جرقهی آندی 3، عملیات آندی الکترولیتی پلاسمایی 4، آندایز الکترولیتی پلاسمایی 5 [13].
شکل (2): تصویری از محل قرارگیری استکان تایپیت در موتور.
در شکل (3) شماتیکی از مکانیزم فرآيند اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی که توسط گوپتا6 پیشنهاد گردیده، آورده شده است. در ابتدای فرآیند با گذشت زمان، ولتاژ بـه شکل قابـل‌توجهی بـه دلیل احاطه شدن سطح توسط لایـهای از محصـولات گـازی، بـه‌صورت خطی افزایش مییابد و بعد از اینکه الکترود کاملاً توسط لایهای پیوسته از گاز با هدایت الکتریکی پایین، پوشیده شد. تقریباً تمام ولتاژ سل الکترولیز در این لایه نازک عایق و نزدیک الکترود متمرکز میشود. در نتیجه، در این ناحیه شدت میدان الکتریکی به مقادیر در حدود 107 ولت بر متر میرسد و هنگامی که میدان الکتریکی ایجاد شده تا این حد افزایش یابد، حبابهای گازی یونیزه شده و تخلیه پلاسمایی انجام خواهد شد که میتواند موجب ذوب موضعی در سطح زیرلایه گردد که در ادامه با تماس با الکترولیت سرد، سریعاً منجمد میشود و منجر به ایجاد پوشش پلاسمای الکترولیتی بر روی سطح میشود. پوششهای پلاسمای الکترولیتی از 2 لایه اصلی تشکیل شده است. لایه متخلخل خارجی که دارای تخلخل بوده و کانال‌های تخلیه در آن قابل‌رؤیت میباشد و لایهی کاملاً فشرده و چگال داخلی که بر روی سطح ایجاد میشود [13-15].
شکل (3): مکانیزم فرآیند اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی [12].
نتایج تحقیقاتی که پیشتر توسط محققین انجام شده است نشان میدهد که فرآیند پوششدهی به روش PEO بر روی زیرلایه آلومینیومی عموماً در الکترولیتهای سیلیکاتی، آلومیناتی و فسفاتی انجام میشود [16-17]. همچنین افزودنیهایی نظیر KOH به‌منظور افزایش هدایت الکتریکی و تنظیم pH و NaF برای یکنواختی هر چه بیشتر پوشش به الکترولیت اضافه میشوند [18]. علاوه بر نوع الکترولیت، غلظت و افزودنیهای موجود در آن، پارامترهای عملیاتی نظیر چگالی جریان، شکل موج، تابع کار، فرکانس نیز بر کیفیت پوشش اثر میگذارد که نتیجه پژوهشهای گذشته نشان میدهد استفاده از جریان پالسی منجر به ایجاد فاز Al2O3 γ میشود که باعث بهبود چسبندگی پوشش میشود و قطر متوسط تخلخلها در فرکانس 50 هرتز و تابع کار 50% در یک حالت نسبتاً بهینه قرار میگیرد [19-21].
هدف این پژوهش، اعمال پوشش PEO فاقد عیب در الکترولیت سیلیکاتی و آلومیناتی بر روی زیرلایه و سپس بررسی خواص و کیفیت پوشش میباشد از جمله پارامترهای مورد بررسی میتوان به مکانیزم و نحوه ایجاد پوشش، مطالعات فازی، خواص خوردگی و سایشی اشاره کرد.
2- مواد و روش تحقيق
در این پژوهش بررسی ویژگیهای پوشش PEO اعمالی بر روی زیرلایه آلومینیومی از آلیاژ آلومینیوم AA5052 به‌عنوان زیرلایه استفاده میشود که ترکیب شیمیایی این آلیاژ در جدول (1) قابل‌ملاحظه میباشد.
جدول (1): ترکیب شیمیایی آلیاژ آلومینیوم مورد استفاده در این پژوهش.
Al | Zn | Ca | Si | Cr | Fe | Mg | عناصر آلیاژی |
بقیه | 01/0 | 04/0 | 08/0 | 16/0 | 34/0 | 27/2 | درصد |
زیرلایههای با ضخامت 5/2 میلیمتر، ابتدا در ابعاد 20×40 میلیمتر برش داده میشوند و پس از آمادهسازی اولیه و چربیگیری توسط استون، آماده پوششدهی میشوند. در این پژوهش برای اعمال پوشش پلاسمای الکترولیتی از دو الکترولیت پایه سیلیکاتی و آلومیناتی استفاده میشود که اجزای تشکیل‌دهنده آن در جدول (2) آورده شده است.
جدول (2): ترکیب شیمیایی الکترولیتهای سیلیکاتی و آلومیناتی.
ترکیب شیمیایی (g/lit) |
| ||||
NaF | KOH | NaAlO2 | Na2SiO3 | ||
5/1 | 2 | 0 | 10 | سیلیکاتی | نوع الکترولیت |
5/1 | 2 | 10 | 0 | آلومیناتی | |
و در ادامه فرآیند پوششدهی تحت جریان ثابت (mA/cm2450) با شکل پالس مربعی و چرخه کار 50 درصد و با فرکانس Hz 50 در مدت‌زمان 5/8 دقیقه بر روی سطح انجام میشود لازم به ذکر است ولتاژ در هر ثانیه توسط دستگاه ثبت میشود تا در انتها منحنی ولتاژ برحسب زمان فرآیند پوششدهی پلاسمای الکترولیتی رسم شود.
بـرای مشخصهیـابی و بـررسی کیفیت و خواص پوشش، ابتدا ضخامت پوشش به روش غیر مخرب و با استفاده از دستگاه ضخـامت سنج Fisher مـدلDual Scope MP40 اندازهگیری میشود و در ادامه جهت انجام مطالعات فازی و بررسی فازهای تشکیل شده از آزمون پراش اشعه ایکس استفاده میشود برای این منظور آزمون XRD با استفاده از دستگاه Philips-XRG3100 بر روی نمونهها انجام میشود به‌علاوه جهت بررسی رفتار خوردگی و اندازهگیری میزان سرعت خوردگی و مقاومت الکتریکی پوشش از آزمون پلاریزاسیون پتانسیودینامیک استفاده میشود به‌نحوی‌که این آزمون در نمونهی فاقد و دارای پوشش پلاسمای الکترولیتی در محلول 5/3% وزنی NaCl (شبیهساز آب دریا) با استفاده از دستگاه Autolab PGSTAT 302N انجام میشود و آزمایش سایش به جهت بررسی خواص سایشی نمونه مطابق با استاندارد ASTM G99 (تحت نیروی 10 نیوتون و مسافت 500 متر) با استفاده از دستگاه WTC 02 انجام گرفت و در نهایت برای بررسی مورفولوژی و شکل پوشش PEO ایجاد شده از میکروسکوپ الکترونی روبشی مدل MIRA3 TESCAN-XMU که مجهز به سیستم آنالیزEDS میباشد، استفاده میشود.
3- نتایج و بحث
3-1- اندازهگیری ضخامت پوشش
ضخامت پوشش تشکیل شده بر روی زیر لایه آلومینیومی در الکترولیت سیلیکاتی و آلومیناتی تحت پارامترهای عملیاتی مذکور در مدت‌زمان 5/8 دقیقه در جدول (3) آورده شده است همانطور که ملاحظه میشود ضخامت پوشش در بخشهای مختلف نمونه تقریباً یکسان و برابر میباشد به‌علاوه ضخامت پوشش PEO اعمالی در الکترولیت سیلیکاتی نسبت به الکترولیت آلومیناتی بیشتر میباشد.
لازم به ذکر است استفاده از روش غیر مخرب برای اندازهگیری ضخامت پوششهایPEO تا زمانی که ضخامت پوششها کمتر از mµ 40 باشد، مشکلی نداشته و اعداد گزارش شده قابل استناد میباشند اما چنانچه ضخامت پوشش از mµ 40 بیشتر باشد استفاده از این روش به دلیل خطای زیادی که دارد منطقی نیست [22].
جدول (3): ضخامت پوشش PEO در الکترولیتهای مختلف.
میانگین ضخامت پوشش ((µm | نوع الکترولیت |
27/0 ± 33/15 | الکترولیت سیلیکاتی |
16/0 ± 83/13 | الکترولیت آلومیناتی |
3-2- بررسی منحنی V-t در فرآیند PEO
شکل (3) منحنیهای ولتاژ - زمان نمونههای پوششدهی شده در الکترولیت پایه سیلیکاتی و آلومیناتی تحت چگالی جریان ثابت mA/cm2450 به همراه خطوط راهنمای جداکننده‌ی مراحل مختلف آورده شده است. در مرحلهی اول، ولتاژ به‌صورت خطی با شیب زیاد با زمان تغییر میکند امـا جـرقهای در ایـن مرحله بـر روی سطح نمونه ایجاد نمیشود. شیب بسیار زیاد منحنی در مرحلهی اول با دو پدیده قابل توجیه است، نخست انحلال زیر لایه که سبب ایجاد یک لایهی غیرفعال بر روی سطح میشود و از هدایت الکتریکی پایینی برخوردار میباشد و دوم اینکه در این مرحله حجم زیادی گاز آزاد میشود که مقداری از آن جذب سطح آند میگردد. حال وجود این دو لایه با هدایت الکتریکی بسیار پایین سبب میشود برای ثابت ماندن چگالی جریان، ولتاژ به سرعت بالا رود. در مرحله دوم فرآیند همچنان ولتاژ به‌صورت خطی با زمان افزایش مییابد اما از شیب این تغییرات اندکی کاسته میشود در این مرحله که ولتاژ شروع آن به ولتاژ شکست معروف است، جرقههای سفید رنگ و بسیار ریز بر روی سطح نمونه دیده میشوند که سطح آند را با سرعت بالا جاروب میکنند. به‌علاوه لازم به ذکر است که شکل، اندازه و رنگ جرقههای ایجاد شده در این مرحله با جرقههای سایر مراحل متفاوت است [15-13].
شکل (3): منحنی ولتاژ برحسب زمان در فرآیند پوششدهی PEO در الکترولیتهای سیلیکاتی و آلومیناتی.
با رسیدن به مرحلهی سوم به‌تدریج از تعداد جرقهها کاسته و به‌اندازه‌ی آنها افزوده میشود در این مرحله مطابق شکل (4) رنگ جرقهها نیز نسبت به مرحله قبل تغییر میکند و همانطور که مشخص است میزان تغییرات ولتاژ نسبت به زمان نیز در این مرحله به‌شدت افت میکند و شیب منحنی ولتاژ برحسب زمان برخلاف مراحل قبل به آهستگی شروع به افزایش میکند به این علت که پوشش اکسیدی در این مرحله کاملاً سطح را پوشانده است و مقاومت سطحی به یک مقدار ثابت رسیده است و صرفاً در طول این مرحله به ضخامت پوشش پلاسمای الکترولیتی حاصل افزوده میشود و این مشاهدات کاملاً برخلاف مرحلهی اول و دوم میباشد که با ایجاد لایهی اکسیدی اولیه برای ثابت نگه داشته شدن چگالی جریان در فرآیند جریان ثابت، مقدار ولتاژ به نحو قابل‌توجهی افزایش مییافت.
در این پژوهش، تقریباً به‌محض ورود به مرحله چهارم فرآیند متوقف میشود اما به‌طورکلی در مرحلهی چهارم تنها تعداد کمی جرقه با اندازه بزرگ و انرژی زیاد بر روی سطح نمونه و در مکانهای مرجح و خاص زده میشود که انرژی زیاد این جرقهها میتواند کیفیت پوشش را دستخوش تغییر قرار داده و خسارتهای برگشت‌ناپذیری را به پوشش وارد کند ازاین‌رو همانطور که ذکر گردید، سعی میشود فرآیند پوششدهی وارد این مرحله نشود. به‌علاوه پس از گذشت زمانهای طولانی ولتاژ افت پیدا میکند و اصطلاحاً وارد منطقه رژیم آرام میشود گفته میشود در این مرحله بخشی از پوشش اکسیدی حاصل از فرآیند PEO حل شده و سبب افت هدایت الکترولیت میگردد. در شکل (4) تصاویر ماکروسکوپی از سطح نمونه در خلال فرآیند PEO طی گذر از مراحل مختلف آورده شده است که به نحوی مکمل توضیحات ارائه شده میباشد [23].
شکل (4): تصویر ماکروسکوپی از سطح نمونه حین انجام فرآیند PEO الف) در الکترولیت سیلیکاتی ب) در الکترولیت آلومیناتی.
I) مرحله اول (آزاد شدن گاز)، II) مرحله دوم (ایجاد جرقههای ریز روی سطح)، III) مـرحله سوم (تغییر رنگ جـرقهها و افزایش اندازه آنها) و IV) مرحله چهارم (ایجاد جرقه در مکان مرجح).
3-3- مطالعات فازی
نتایج حاصل از آزمون پراش اشعه ایکس نمونههای آلومینیومی در الکترولیت سیلیکاتی و آلومیناتی در شکل 5 آورده شده است. همانگونه که مشاهده میشود، در نهایت فازهای اکسیدی نظیر -Al2O3 γو -Al2O3 α پس از انجام فرآیند PEO روی زیرلایه ایجاد میشوند به‌علاوه لازم به ذکر است با توجه به قلیایی بودن محیط امکان تشکیل فاز Al(OH)3 نیز مطابق با واکنشهای زیر وجود دارد [24-27].
Al à Al3+ + 3e-
2Al3+ + 3O2- à Al2O3
Al3+ + 3OH- à Al(OH)3
فاز Al(OH)3 تشکیل شده در ادامه مطابق با واکنش پیشنهادی زیر به فاز اکسیدی به Al2O3 تبدیل میشود.
2Al(OH)3 à Al2O3 + 3H2O
حین فرآیند پوششدهی مذاب از میکروکانالهای تخلیه خارج میشود و پس از برخورد با الکترولیت که معمولاً در دمای پایین نگه داشته میشود، به سرعت منجمد شده که طی این فرآیند فاز -Al2O3 γایجاد میشود. سپس، دمای پـوشش بـه‌واسطه پایین بودن نرخ انتقال حرارت افزایش مییابد در نتیجه بخشی از فاز شبه پایدار -Al2O3 γ مطابق با واکنش پیشنهادی زیر در محدوده دمایی 800 تا 1200 درجه سانتیگراد به فاز پایدار -Al2O3 α تبدیل میشود [28].
γ-Al2O3 à α-Al2O3 (800-1200 ֯C)
شکل (5): الگوی پراش پرتوی ایکس نمونههای پوششدهی شده در الکترولیت سیلیکاتی و آلومیناتی.
همچنین لازم به ذکر است در الکترولیت پایه سیلیکاتی یونهای SiO32-به فصل مشترک پوشش - الکترولیت مهاجرت میکنند و تحت میدان الکتریکی و دمای بالا، واکنشهای زیر رخ میدهد که طی آن فاز در پوشش ایجاد میشود [29]. (یونهای ناپایدار HSiO3-نیز میتوانند به سمت فصل مشترک پوشش - الکترولیت مهاجرت میکنند کـه روی سطح تحت میـدان الکتـریکی تجزیـه شده و یونهای به وجود میآیند).
SiO32- + 2H+ à SiO2 + H2O
اما علیرغم واکنش مذکور، فاز SiO2 در نتایج حاصل از آزمون پراش اشعه ایکس (XRD) پوشش PEO ایجاد شده در اکترولیت پایه سیلیکاتی مشاهده نمیشود و این در حالی است که در آزمون EDS حضور سیلیسیم در پوشش ایجاد شده روی آلـومینیوم اثبـات گردید علت این موضوع را میتوان به آمورف بودن فاز SiO2 تشکیل شده و عدم توانمندی آزمون XRD در شناسایی فازهای آمورف، نسبت داد. [30].
3-4- بررسی رفتار خوردگی
در شکل (6) منحنیهای پلاریزاسیون نمونه فاقد پوشش و نمونههای پوششدهی شده به روش PEO در الکترولیت سیلیکاتی و آلومیناتی در محلول NaCl 5/3% آورده شده است به‌علاوه دادههای الکتروشیمیایی استخراج شده از این منحنیهای پلاریزاسیون نظیر سرعت خوردگی، پتانسیل خوردگی و مقاومت الکتریکی پوشش نیز در جدول 4 قابل‌ملاحظه میباشد.
شکل (6): منحنیهای پلاریزاسیون نمونههای مختلف غوطهور شده در محلول NaCl 5/3%.
همانگونه که به‌صورت کیفی از شکل (6) و به‌صورت کمی از جدول (4) مشخص است سرعت خوردگی در نمونههای دارای پوشش پلاسمای الکترولیتی به‌مراتب نسبت به نمونه فاقد پوشش کاهش‌یافته است که این نشان‌دهنده‌ی نقش حضور پوشش PEO است. در فرآیند پوششدهی به روش PEO یک لایه ضخیم اکسیدی بر روی سطح ایجاد میشود که از دو بخش درونی و بیرونی که قسمت درونی کاملاً به هم فشرده و چگال و بخش خارجی متخلخل که این لایه اکسیدی مقاومت به خوردگی سطح را به شکل قابل‌توجهی افزایش میدهد لازم به ذکر است افزایش چگالی جریان و مدت‌زمان پوششدهی از یک سو منجر به افزایش ضخامت پوشش میشود اما از سوی دیگر منجر به افزایش اندازه تخلخلها میشود که در نهایت منجر کاهش مقاومت در برابر سایش و خوردگی میشود [31-33].
جدول (4): نتایج حاصل از منحنیهای پلاریزاسیون ارائه شده در شکل6.
Icorr | Rp | Ecorr | نمونهها |
18/7×6-10 | 4/4368 | 007/1- | زیرلایه آلومینیوم فاقد پوشش |
7/3×7-10 | 232684 | 840/0- | زیرلایه دارای پوشش |
22/3×7-10 | 274867 | 808/0- | زیرلایه دارای پوشش |
از یک طرف مطابق با جدول 5 مقاومت الکتریکی سطح زیرلایه به مقدار قابل‌توجهی افزایش مییابد که علت آن وجود پوشش ضخیم اکسیدی بر روی سطح میباشد که این پدیده منجر به کاهش قابل‌توجه ضریب هدایت حرارتی میشود به‌نحوی‌که ضریب هدایت حرارتی نمونه آلومینیومی فاقد پوشش مطابق منابع از W/mK 135 به چیزی در حدود W/mK 3- 5/1 در نمونه دارای پوشش پلاسمای الکترولیتی میرساند که این موضوع نشاندهنده سد حرارتی فوق‌العاده پوشش PEO میباشد که برخورداری از این ویژگی در استفاده از این پوشش به‌عنوان پوشش محافظ استکان تایپیت اهمیت بالایی دارد [34-35].
3-5- بررسی خواص سایشی
آزمون سایش بر روی نمونه فاقد پوشش و نمونههای پوشش دهی شده در الکترولیت سیلیکاتی و آلومیناتی انجام شد و نتایج حاصل از آن در قالب نمودارهای ضریب اصطکاک بـرحسب مسافت طی شده در شکل (7) آورده شد.
همانگونه که مشاهده میشود اعمال پوشش اکسیدی و سخت PEO بر روی سطح منجر به کاهش ضریب اصطکاک میشود و یا به عبارت دیگر مقاومت در برابر سایش افزایش مییابد [36-39].
شکل (7): منحنیهای ضریب اصطکاک برحسب مسافت طی شده.
جرم نمونههای پوششدهی شده قبل و بعد از آزمون سایش اندازهگیری میشود و در ادامه با استفاده از فرمول (1) نرخ سایش نمونهها محاسبه میشود.
(1) |
|
