درآمدي بر روانكارهاي فيلم جامد

[spow 44,195]

امروزه در بيشتر كارخانه هاي توليدي قسمتي وجود دارد كه در آن شرايط علمياتي از نظر محدوده روانكاري حاد يا ويژه تشخيص داده مي شود. از جمله اين شرايط مي توان به سرعت هاي بالا و پايين محورها، دماهاي بالا و پايين، فشار بالا، آلاينده هاي فرايند و عدم دسترسي در بعضي قسمت ها اشاره كرد. از طرفي روانكارهاي سيال در شرايطي مناسب عمل مي كنند كه صفحات سطوح طراحي شده و سرعت هاي محوري، اجازه تشكيل موثر فيلم روغن را بدهند كه البته بايد به محدوده دماي عملياتي (بين20- تا100 درجه سانتيگراد) نيز توجه داشت.

به عبارت ديگر محدوديت كاربرد روانكارهاي سيال، صرف نظر از نوع روغن پايه روانكار، عبارتست از شرايطي كه سبب تغيير حالت سيال و در پي آن جلوگيري از تشكيل فيلم موثر مي شود. مقاله حاضر به معرفي موادي

مي پردازد كه به صورت خالص يا افزودني در روانكارها از سايش واصطكاك سطوح در شرايط حاد جلوگيري مي كنند. با توجه به اينكه اين مواد كه در بيشتر موارد به صورت جامد به كار مي روند با نام روانكارهاي فيلم جامد يا فيلم خشك شناخته مي شود.

انواع شناخته شده اين مواد افزودني عبارتند از:

- دي سولفيد موليبدنيوم (MoS2) ، كه با نام مولي شناخته مي شود.

- پلي تترافلوئورو اتيلن (PTFE) ، كه با نام تجاري تفلون شناخته

مي شود. گرافيت، نيتريد بُرُن، تالك، فلورايد كلسيم، فلورايد سديم،

دي سولفيد تنگستن.

كارشناسان روانكاري ماشين آلات معتقدند در ميان مواد نام برده شده موادي همچون گرافيت، مولي و تفلون معتبرترند. موليبدن و گرافيت از سنگ معدن استخراج مي شوند و تفلون كه توسط كمپاني دوپونت ساخته شده است امروزه به وسيله شركت هاي مختلف توليد مي شود كه داراي موارد استفاده متفاوتي است.

 

روانكارهاي فيلم خشك

روانكارهاي فيلم خشك مواد جامدي هستند كه ميان سطوحي كه با يكديگر اصطكاك ايجاد كرده اند به كار مي روند و باعث كاهش مقاومت اصطكاكي مي شوند. هر كدام از اين مواد خصوصيات متفاوتي دارند. موادي همچون دي سولفيد موليبدنيوم، گرافيت و دي سولفيد تنگستن داراي ساختار شبكه اي كريستالي (Lamella) است كه همراه با روانكارهاي ديگر و يا به صورت مستقل به كار مي روند و كاربرد وسيعي دارند. پودرهاي روانكاري Lamella به دليل نيروهاي برشي ضعيف ميان لايه هاي كريستالي، مقاومت ميان صفحات ورقه اي را كاهش مي دهند.

در بيشتر موارد استفاده از موليبدنيوم در محيط هاي خشك از كارايي مناسبي برخوردار است.

 

 

ويژگي هاي روانكارهاي خشك

موادي كه در روانكاري خشك بكار مي روند داراي خصوصيات متفاوتي هستند.

ساختار دي سولفيد موليبدنيوم، گرافيت و دي سولفيد تنگستن با مواد شوينده ناسازگار است. لايه هاي شبكه اي آنها همانند توده اي از صفحات نچسب است كه با نيروي مماسي ضعيفي بر روي هم مي لغزند. اين مواد چه در شكل ورقه اي و چه در شكل لوله اي از نظر قدرت تحمل بار، از ظرفيت خوبي برخوردارند. البته MoS2 و Ws2 نسبت به گرافيت قدرت تحمل بار بالاتري دارند و به همين دليل براي استفاده در شرايط خلاء مناسب تر هستند.

 

 

دي سولفيد موليبدنيوم

تا اواخر قرن هجدهم موليبدن كشف نشده بود ولي نشانه هايي از بكارگيري ماده معدني آن »موليبدنيت« در دوران قديم مشاهده شده است. (به عنوان مثال شمشير ژاپني كه متعلق به قرن14 ميلادي است حاوي مقدار قابل توجهي موليبدن است).

در گذشته تمايزي ميان مواد مشابه مانند سرب، گالنا و گرافيت داده نمي شد. به طور كلي واژه يوناني » Molybdos « كه براي اين دسته از مواد بكار مي رفته است به معناي »سرب مانند« بوده است.

موليبدن نخستين بار در سال1778 توسط دانشمند سوئدي كارل ويلهلم شيل كشف شد، مدتي كوتاهي بعد از آن يعني در سال1782 »پيتر جاكوب« از طريق كاهش اكسيد موليبدنيت با كربن توانست به پودر فلزي سياهرنگي دست يابد كه آن را موليبدنيوم ناميد. در طول قرن نوزدهم زماني كه تكنولوژي استخراج آن به مقداري كه از نظر اقتصادي مقرون به صرفه بود عملي شد، اين ماده به صورت آزمايشگاهي باقي ماند. در سال1891 شركت فرانسوي اشنايدر، موليبدنيوم را به عنوان يك عنصر آلياژي در ذره هاي توليدي خود بكار برد و به زودي مشخص شد كه موليبدنيوم جايگزين بسيار موثري براي تنگستن در آلياژهاي فولاد خواهد بود. اين امر به دليل دانسيته پايين آن نسبت به تنگستن است (دانسيته موليبدنيوم كمي بيشتر از نصف دانسيته تنگستن است.)

MoS2 در طبيعت به شكل رگه هاي جامد نازكي در گرانيت يافت مي شود به همين دليل براي دستيابي به خلوص مورد نظر در روانكاري مي بايست مراحل فراوري مختلفي را پشت سر بگذارد. اين ماده داراي كريستالي6 گوشه است كه خصوصيت ذاتي برشي آنان بين مولكول هاي سولفور است و از آن جايي كه هيچ اثري از بخار آب بين صفحات شبكه اي آن وجود ندارد، ماده مناسبي در شرايط خلاء بالا است (شرايطي كه گرافيت جواب نمي دهد.) محدوديت دمايي اين ماده600 درجه سانتيگراد است.

MoS2 در دماي بالاي315 درجه سانتيگراد شروع به اكسيد شدن مي كند. البته در هواي خشك بدون اكسيژن تا دماي700 درجه سانتيگراد مي تواند به عنوان يك روانكار عمل كند. مواد حاصل از اكسيداسيون MoS2 عبارتند از : MoO3 و So2 . در كاربردهاي فضايي در شرايط محيطي خاص استفاده از اين ماده به جاي گرافيت و يا دي سولفيد تنگستن ترجيح داده مي شود. البته ضريب اصطكاك MoS2 بيشتر از گرافيت است.

 

 

گرافيت

اولين نشانه هاي استفاده از گرافيت مربوط به اواسط قرن شانزدهم است. هنگامي كه از گرافيت براي ساخت مداد استفاده مي كردند. گرافيت، شكل كريستالي و نرم كربن است و داراي رنگ خاكستري مايل به سياه، كدر همراه با جلاي فلزي است.

به طور طبيعي اين ماده در سنگ هاي دگرگوني از قبيل مرمر و شيست يافت مي شود و از آن جا كه داراي خواص فلزي و نيمه فلزي است، در بسياري از كاربردهاي صنعتي مورد استفاده قرار مي گيرد. خصوصيات فلزي اين ماده شامل رسانش الكتريكي و گرمايي است و خصوصيات غيرفلزي آن عبارتند از خنثي بودن، مقاومت گرمايي بالا و لغزندگي. در ميان كاربردهاي عمده گرافيت مي توان به استفاده از آن در روانكاري دماي بالا، جاروبك هاي موتورهاي الكتريكي، باتري ها و پيل هاي سوختي اشاره كرد.

گرافيت نيز داراي ساختار كريستالي شبكه اي لايه اي (Lamella) است. به طوريكه پيوند بين اتم هاي كربن موجود در لايه ها، قوي تر از پيوندهاي ميان لايه هاست. گرافيت از كربن و بخار آب تشكيل شده است هر اتم كربن بوسيله3 اتم كربن ديگر احاطه شده است. پيوند اتم هاي كربن در لايه ها به صورت حلقه هاي شش گوشه همانند حلقه بنزيني است. تا زماني كه در ساختار گرافيت رطوبت و بخار آب وجود داشته باشد خاصيت روانكاري خوبي (تا دماي790 درجه سانتيگراد) از خود نشان مي دهد. ماده حاصل از اكسيداسيون گرافيت Co2 است.

بديهي است گرافيت به دليل وجود بخار آب كه ساختار مولكولي خود نمي تواند در شرايط خلاء به عنوان روانكاري مناسب عمل كند.

انواع تركيبات گرافيت و گرافيت خالص در سيستم هاي روانكاري خشك كاربرد وسيعي دارند كه از ميان آنها مي توان به استفاده از اين ماده در دستگاههاي برش سريع، آزاد سازي قالب در صنايع پلاستيك و لاستيك، سرسيلندر، موتور اتومبيل ها اشاره كرد.

 

تفلون

مولكول زنجيره اي طويل و خطي پلي تترافلوئورواتيلن به طور اتفاقي توسط دكتر پلانكت در تاريخ6 آوريل1983 كشف شد.

دكتر پلانكت در آزمايشگاه شركت دوپونت در حال كار بر روي گازهاي منتسب به مبرد فرئون (Freon) و كنترل نمونه منجمد و فشرده تترافلوئورو اتيلن بود كه مشاهده كرد اين ماده به صورت خودبخودي و سريع به ماده جامد سفيد رنگ پليمريزه مي شود كه در واقع همان پلي تترا فلوئورو اتيلن (PTFE) با فرمول شيميايي [C2F4] است.

از آنجا كه تفلون در مقابل خيس شدن مقاومت مي كند هنگامي كه به عنوان پوششي بر روي سطوح بكار مي رود از خيس شدن سطوح جلوگيري مي كند.

اين ماده تقريباً نسبت به تمام مواد شيميايي بي اثر است و به عنوان لغزنده ترين ماده موجود شناخته مي شود. بگونه اي كه ضريب اصطكاك ديناميك و ايستايي آن تقريباً برابر با يخ خيس بر روي يخ خيس است. اين ماده كه با نام تجاري تفلون توسط كمپاني دوپونت ثبت شده است امروزه به طور وسيعي در منازل كاربرد دارد. (پوشش ظروف و يا از بين برنده لك و رنگ از پارچه)

اين ماده آب را جذب نمي كند و اسيدها، بازها و حلال هاي نرمال در دماي كمتر از260 درجه سانتيگراد بر روي آن بي اثر است. به منظور دستيابي به خصوصيات مطمئن انواع پركننده ها (Fillers) به PTFE اضافه مي شوند. موادي مانند فايبرگلاس كه سبب ايجاد مقاومت بالا در برابر سايش و اصطكاك پايين مي شود.

به طور كلي روانكارهاي فيلم جامد سبب تقويت ويژگي هاي روانكاري در بيشتر روانكارهاي سيال با پايه نفتي، سنتتيك و معدني در محدوده عملياتي حاد و شديد مي شوند.