صنعت قالب‌سازی ازجمله صنایع فعال و مادر کشور است که به‌دلیل شرایط کاری شدید و محیط عملکردی، برخی از قطعات و تجهیزات تخریب شده و هزینه‌های بسیار بالایی را برای این صنایع ایجاد می‌کند.
با توجه به پیشرفت چشمگیر فناوری نانوپوشش‌ها در کشور امید است تا بتوان با بهره‌گیری از این فناوری مشکلات موجود در مواجهه با سایش، فرسایش و ضربه را در صنعت قالب‌سازی و صنایع وابسته رفع کرد. در این گزارش سعی شده با نگاهی به فناوری نانوپوشش‌ها بتوان مشکلات صنایع گفته شده در حوزه سایش، فرسایش، ضربه و خوردگی را مرور و برای آنها راهکاری ارائه کرد.
با توجه به توسعه صنعت قالب‌سازی، فناوری نانو کاربردهای گسترده‌ای در این صنعت یافته است. بخش عمده‌ای از قطعات موجود در صنایع مختلف برای رسیدن به شکل و خواص مطلوب، حداقل یکی از فرآیندهای شکل‌دهی ازجمله: فورج، نورد، اکستروژن، کشش عمیق و… را پشت سر می‌گذارند. از این‌رو این نوشتار تنها به کاربردهای «فناوری نانوپوشش‌های سخت و مقاوم» معطوف شده است. به‌عنوان مثال در فورج با پرس چکشی، پرس به‌صورت ضربه‌ای نیروی چندده تنی و در برخی موارد، چندصد تنی را در کسری از ثانیه به قالب وارد می‌کند. چنین شرایط حادی عامل اصلی کاهش عمر قالب است که هزینه‌های تعمیر و نگهداری قالب را به طرز چشمگیری افزایش می‌دهد.
بیش از یکصد سال است که از عملیات سطحی و استحکام‌بخشی موضعی سطح، به‌عنوان راهکاری عملی برای بهبود عملکرد و افزایش عمر قالب‌ها استفاده می‌شود. در ۲ دهه اخیر با ظهور فناوری‌های نوین، فرآیندهای سنتی گذشته یا با این فناوری‌ها تکمیل و اصلاح و یا اینکه جایگزین مناسبی برای آنها معرفی شده است. برای مثال در فرآیند آبکاری کروم سخت سنتی، سختی و مقاومت به سایش پایین، زبری سطح بالا و مضرات زیست‌محیطی از جمله عیوب است. ضمن اینکه بهبود خواص سطحی حاصل از روش‌های نوین بسیار بیشتر از فرآیندهای سنتی است. حفظ، نگهداری و تعمیرات قالب‌ها در صنایع مختلف در برابر سایش، خوردگی و مقاومت به ضربه از موارد مهم است. در این روش‌ها، همواره سایش جزو مشکلات و دغدغه‌های اساسی صنعتگران است که سبب تخریب قالب‌ها و نیز افت خواص و کیفیت سطحی محصولات می‌شود. به همین دلیل پژوهش‌های بسیاری در زمینه روش‌های کاهش ضریب اصطکاک با استفاده از روانکارهای مختلف و اعمال فرآیندهای سطحی گوناگون در قالب انجام شده است. در سال‌های اخیر با گسترش فناوری نانو، شرکت‌های بزرگ دنیا سعی در استفاده از این فناوری در افزایش عمر کاری و کیفیت قالب‌های خود کرده‌اند.
چند چالش مهم
از چالش‌های مهم در صنعت قالب‌سازی می‌توان به تخریب سطوح قالب‌ها به موجب عواملی مانند اصطکاک، سایش، خوردگی و همچنین عوامل محیطی اشاره کرد. از این‌رو برای حل این چالش‌ها، طراحان با استفاده از «مهندسی سطح» و اعمال فرآیندهای پوشش‌دهی مانند نیتروژن‌دهی، آبکاری کروم سخت و فرآیند PVD و PACVD توانسته‌اند درصد تخریب قالب را کاهش دهند، ولی به‌دلیل حساسیت این صنعت و لزوم افزایش بازده قالب‌ها در دو دهه اخیر، فناوری نانوپوشش به کمک حل این موضوع آمده است.
در فناوری نانوپوشش به‌دلیل ماهیت نانویی بودن پوشش، خواص متفاوت و منحصربه‌فردی به قالب داده خواهد شد. افزایش فوق‌العاده سختی تا محدوده ۵۰ گیگا پاسکال، ضریب اصطکاک۰۰۱/۰، کاهش زبری سطح، بهبود مقاومت به سایش و خوردگی از جمله این خواص است تا درنهایت یک ساختار سطحی هموار روی قالب ایجاد و موجب بالا رفتن عمر کاری حداقل بین ۲ تا ۵ برابر، بازدهی و توان بالاتر در قالب‌ها شود. برای آشنایی بیشتر با نانوپوشش‌ها در ادامه تعریف و سپس انواع آنها از لحاظ ساختاری آورده شده است.
نانوپوشش‌های مقاوم
نانوپوشش‌ها به دسته‌ای از روکش‌ها اطلاق می‌شود که دارای این دو ویژگی باشند:
۱- در یکی از اجزای آن ساختار (یا اجزای سازنده) دارای ابعاد بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر باشد.
۲- نسبت به حالت متداول خواص ویژه و منحصربه‌فردی داشته باشد. مانند خواص مطلوب مقاوم به سایش، فرسایش وخوردگی
برخی کاربردهای مهم
در قالب‌های شکل‌دهی استفاده از فناوری نانوپوشش سبب افزایش عمر کاری قالب‌ها و همچنین بهبود کیفیت محصولات نهایی می‌شود.
عامل اصلی در انتخاب پوشش، جنس ماده‌ای است که تحت شکل‌دهی قرار می‌گیرد. البته باید توجه داشت که این بدین معنا نیست که برای تغییر شکل یک ماده در تمام روش‌های شکل‌دهی یک نوع پوشش مورد استفاده قرار بگیرد.
یک شرکت فعال در این زمینه با استفاده از پوشش‌های TiN، CrN، TiAlN، قالب‌های تزریق و اکستروژن پلاستیک، پانچ‌ها و سنبه‌های سوراخ‌کاری، سنبه خمکاری، سنبه کششی و شکل‌دهی را لایه‌نشانی می‌کند.
قالب‌ها و ابزارهای مورد استفاده در صنایع زیر را می‌توان با استفاده از نانوپوشش‌ها لایه‌نشانی کرد:
– اجزا و قطعات مورد استفاده در صنعت خودروسازی
– اجزای مورد استفاده در صنعت الکترونیک و موارد کاربردی دیگر
– صنعت بسته‌بندی برای لوازم آرایشی، آشامیدنی و غذایی
– محصولات پزشکی و دارویی
– محصولات رفاهی، ورزشی، سرگرمی و….
کاربرد قالب‌ها در صنعت خودرو
یکی از مسائل موجود در قالب‌های ریخته‌گری آلومینیوم، عمر کاری کم آنهاست. برای مثال عمر مفید پین‌های مغزی و الماسه‌ها به ۳ هفته محدود می‌شود و سپس باید جایگزین شود. عواملی مانند چسبندگی مذاب Al، پدیده‌های سایش در اثر خوردگی، فرسایش، سنباده‌زنی، چسبندگی و سایش خراشان، پیچ و تاب در اثر حرارت و شوک حرارتی در دمای بالا ۷۵۰ درجه سانتیگراد از عوامل تخریب سطوح قالب‌هاست.
در حال حاضر، پوشش‌های TiAlN و CrAlN بیشتر برای قالب‌های ریخته‌گری آلومینیوم مورد استفاده قرار می‌گیرد. پوشش TiAlN مقاومت حرارتی کافی ندارد، برای مثال سختی این پوشش در دمای ۷۵۰ درجه سانتیگراد به صورت قابل محسوسی کاهش می‌یابد. پوشش CrAlN پایداری حرارتی بالایی از خود نشان می‌دهد اما مقاومت به چسبندگی این پوشش به آلومینیوم کم است. در اروپا هم‌اکنون پوشش‌های جدیدی مانند CrSiN و TiBN در حال توسعه است. پوشش TiAlCrSiN به دلیل تشکیل لایه SiO۲ در دمای بالای هزار درجه سانتیگراد که مانند TBC می‌تواند عمل کند پایداری حرارتی بالایی از خود نشان می‌دهد.
پوشش TiAlCrCNحاوی ۲۰ – ۱۰درصد کربن برای لایه‌نشانی قالب‌های شکل‌دهی AHSS به‌منظور بهبود مقاومت به سایش و کاهش ضریب اصطکاک مورد استفاده قرار می‌گیرد که باعث افزایش دو برابری عمرکاری قالب می‌شود.
براساس مطالعات انجام شده، پوشش‌های جدید باعث بهبود ۳۰درصد عمر کاری و افزایش ۱۵درصد تولید می‌شود. برای یک مجموعه کامل از قالب با میانگین وزنی ۲ تن، بررسی‌ها کاهش ۱۶۰۰۰ دلاری در هزینه را برآورد می‌کند. استفاده از فولاد AHSS در اجزای بدنه خودرو و اجزای شاسی به‌دلیل مزایای آن بسیار پرکاربرد است.
برای قالب‌های کشش عمیق از فرآیند عملیات حرارتی مانند نفوذ حرارتی (TD) استفاده می‌شود. همچنین در اروپا از پوشش‌های سختی همچون TiAlN و TiN-TiC بهره می‌برند. این قالب‌ها به ترتیب با استفاده از فرآیند TD و پوشش TiAlN دارای عمر کاری ۳۰. ۰۰۰ و ۵۰. ۰۰۰ ضربه هستند. به‌دلیل هزینه بالای ساخت یک قالب کشش (هزینه مواد و پوشش که حدود ۸۰۰. ۰۰۰ دلار امریکاست)، پژوهشگران در تلاش هستند با استفاده از پوشش‌های جدید، ایجاد خواص مطلوب و عملکرد هرچه بهتر قالب‌های کشش بر عمر کاری آنها بیفزایند.
عملکرد پوشش‌های DLC و TiAlCrCN روی قالب‌ها بررسی شده است. روی سطح قالب با پوشش DLC آسیب‌هایی همچون خراش از بین رفتن مشاهده می‌شود در حالی‌که روی سطح پوشش TiAlCrCN آثار هیچ آسیبی دیده نمی‌شود. در میان پوشش‌های مورد استفاده در لایه‌نشانی قالب‌های کشش، پوشش AlTiCrN + MoS۲ با تحمل ۲. ۵۰۰. ۰۰۰ ضربه و بدون هیچ آسیب سطحی بهترین عملکرد را از خود نشان می‌دهد.
