अनुकूली कोटिंग्स। इंजीनियरिंग उद्योग में ठोस-फिल्म कोटिंग्स के अनुप्रयोग की संभावनाएं

वर्तमान में, मशीनों के घर्षण इकाइयों को विकसित करने में कई प्रवृत्तियों का पता चला है। विशेष रूप से, निम्नलिखित:

• संपर्क दबाव में संबंधित वृद्धि के साथ आयामों में कमी
  
• पुर्जों के सापेक्ष विस्थापन की दर में वृद्धि
  
• सेवा तापमान सीमा का विस्तार
  
• रासायनिक रूप से आक्रामक माध्यमों में संचालन की संभावना प्रदान करना
  
• ऐसी घर्षण इकाइयाँ बनाना जिन्हें रखरखाव की आवश्यकता न हो
  
• ऊर्जा दक्षता के प्रति सख्त आवश्यकताएं
  
• प्राकृतिक पर्यावरण और मनुष्यों के लिए सुरक्षा में सुधार
  

वास्तव में, आधुनिक मशीनरी की घर्षण इकाइयों को अक्सर क्रायोजेनिक तापमान पर या +500 °C और उससे अधिक तक, वैक्यूम की स्थितियों में, विकिरण या आक्रामक रसायनों के संपर्क में काम करना पड़ता है। रोबोटिक्स और इलेक्ट्रिक वाहनों का विकास घर्षण हानि को कम करने के प्रति अपनी आवश्यकताएं जोड़ता है जो सीधे इन मशीनों की स्वायत्तता से संबंधित है।

साथ ही, घर्षण को कम करने वाली सामग्री और प्रौद्योगिकियों को इकाइयों के रखरखाव को न्यूनतम करना चाहिए, और संचालन के समय प्राकृतिक पर्यावरण के लिए सुरक्षित होना चाहिए। यह स्पष्ट है कि जाने-माने पारंपरिक चिकनाई वाले पदार्थ और तेल बढ़ी हुई आवश्यकताओं को पूरा करने में पहले से सक्षम नहीं हैं। यही कारण है कि पिछले कुछ वर्षों से ठोस स्नेहन (solid lubrication) तकनीक के गहन विकास पर ध्यान दिया जा रहा है।

ठोस चिकनाई वाली सामग्री और उन पर आधारित कोटिंग

पाउडर के रूप में कुछ ठोस पदार्थों का उपयोग पिछली शताब्दी में चिकनाई के रूप में किया जाने लगा था। इनमें लेमिनेटेड क्रिस्टल संरचना वाले पदार्थ (मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड, ग्रेफाइट), कुछ पॉलिमर (पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन), नरम धातुएं (चांदी, सोना, सीसा) शामिल हैं। हाल ही में, टंगस्टन डाइसल्फाइड, और हीरा-जैसी कार्बन (diamond-like carbon) के उपयोग पर भी ध्यान दिया गया है।

विशेष रूप से, टंगस्टन डाइसल्फाइड 0.05 से कम घर्षण गुणांक प्रदान करने में सक्षम है, और -200 °C और +500 °C के बीच तापमान सीमा के भीतर काम करने में सक्षम है, जो 3,000 MPa तक के संपर्क दबाव को सहन करता है। हालांकि, प्रभावी और दीर्घकालिक स्नेहन प्राप्त करने के लिए पाउडर के रूप में सामग्री का उपयोग अब पर्याप्त नहीं है। इसीलिए उन्हें घर्षण सतह में एकीकृत करने के विभिन्न तरीके इस तकनीक के विकास का अगला चरण बन गए हैं।

ऐसा ही एक तरीका सॉलिड-फिल्म कोटिंग्स का उपयोग है। अपने प्रारंभिक रूप में वे ठोस चिकनाई वाली सामग्री के पाउडर, एक बांधने की मशीन (binder) और एक विलायक (solvent) का सस्पेंशन होते हैं। पेंटिंग की विधि द्वारा लगाने और सुखाने के बाद, सतह पर 25±5 µm मोटाई की एक मिश्रित परत बन जाती है। यह बाइंडर का एक मैट्रिक्स है जिसमें ठोस चिकनाई वाली सामग्री के अत्यधिक बिखरे हुए कण इसकी कोशिकाओं में वितरित होते हैं (चित्र 1 देखें)। एक नियम के रूप में, उपयोग किए जाने वाले बाइंडिंग पदार्थ और कोटिंग खुद उस सतह (स्टील, कच्चा लोहा, कांस्य, पीतल और अन्य) की तुलना में काफी कम कठोर होते हैं जिस पर उन्हें लगाया जाता है। फिर भी, आधार से मजबूती से चिपकी हुई कोटिंग उच्च संपीड़न प्रतिरोध और कम कतरनी प्रतिरोध (shear resistance) प्रदर्शित करती है। पूरी बात यह है कि दिए गए मोटाई के मानों पर आधार सामान्य भार स्वीकार करता है, और कोटिंग कतरनी में काम करती है। यह इस तकनीक को, इसके कार्यान्वयन की तमाम आसानी के साथ, इकाई की परिचालन स्थितियों की विस्तृत श्रृंखला के भीतर घर्षण और घिसाव को कम करने के हिस्से में उच्च दक्षता प्रदान करने की अनुमति देता है।

Modengy कंपनी (ब्रांस्क शहर) ने विभिन्न घर्षण स्थितियों के लिए ऐसी कोटिंग्स की एक श्रृंखला डिजाइन की है, और उन्हें MODENGY ट्रेडमार्क के तहत जारी करती है। कोटिंग्स की संरचना में ऊपर वर्णित ठोस चिकनाई वाली सामग्री के साथ-साथ कार्बनिक और गैर-कार्बनिक प्रकृति के बाइंडर्स जैसे एपॉक्सी और फिनोल-फॉर्मेल्डिहाइड रेजिन, पॉलियामाइड-इमाइड्स, पॉलीयुरेथेन, सिलिकेट्स के साथ-साथ एल्यूमीनियम-फॉस्फेट और एल्यूमीनियम-क्रोमियम-फॉस्फेट बाइंडर्स शामिल हैं। आगे, हम इन कोटिंग्स के अनुप्रयोग के कई उदाहरणों पर विचार करने जा रहे हैं।

चित्र.1. कोटिंग संरचना की योजना

सॉलिड-फिल्म कोटिंग्स का अनुप्रयोग

कोटिंग्स के सफल अनुप्रयोग के उदाहरणों में से एक हीट पावर इंजीनियरिंग में शट-एंड-कंट्रोल पाइपलाइन वाल्व की स्लाइड घर्षण इकाइयाँ हैं। इन इकाइयों के संचालन की विशेषताओं में शामिल हैं:

• उच्च संपर्क दबाव, और कम स्लाइड गति
  
• +300 °C से अधिक सेवा तापमान
  
• संचालन चक्रों के बीच लंबा डाउनटाइम
  

वाल्व संचालन में घर्षण हानि हमेशा डेवलपर्स के लिए केंद्र बिंदु होती है क्योंकि यह शटर को खोलने-बंद करने के प्रयासों और सक्रिय तंत्रों की आवश्यक शक्ति को सीधे प्रभावित करती है। जो ग्रीस उपयोग किए जाते हैं वे वर्णित स्थितियों में बहुत कम प्रभावी होते हैं।

नियमित स्नेहक पर और शुष्क घर्षण पर मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड पर आधारित MODENGY 1001 और MODENGY 1004 कोटिंग्स के साथ खोलने-बंद करने के क्षणों को परिभाषित करने के परीक्षण S.KZ वाल्व बनाने वाले विनिर्माण संयंत्र में आयोजित किए गए हैं। उपचारित वाल्व भागों की तस्वीरें चित्र 2 में दी गई हैं। चित्र 3 का आरेख इन परीक्षण परिणामों का प्रतिनिधित्व करता है। वाल्व खोलने और बंद करने के क्षण न केवल 5 गुना कम हो गए हैं बल्कि स्थिर भी हो गए हैं।

चित्र.2. कोटिंग के साथ शटिंग वाल्व के पुर्जे

चित्र.3. वाल्व खोलने और बंद करने के क्षणों के माप के परिणाम

कोटिंग्स का उपयोग करने का एक अन्य उदाहरण आंतरिक दहन इंजनों (internal combustion engines) के पिस्टन स्कर्ट हैं। यहाँ कोटिंग इंजन शुरू करते समय और ज़्यादा गरम होने पर तेल की कमी (oil starvation) के क्षणों में घिसाव और स्कफ़िंग के खिलाफ अतिरिक्त सुरक्षा का कार्य करती है, और रनिंग-इन को आसान बनाती है। अर्थव्यवस्था और इंजनों की शक्ति के प्रति बढ़ती आवश्यकताओं को देखते हुए प्रणोदन इंजीनियरिंग (propulsion engineering) में ऐसी कोटिंग्स का उपयोग पहले से ही एक प्रकार का मानक बनता जा रहा है।  

इन कार्यों को हल करने के लिए MODENGY कोटिंग्स की एक श्रृंखला है। रूसी विज्ञान अकादमी के ए. इश्लिंस्की के नाम पर मैकेनिक्स इश्यूज इंस्टीट्यूट में सिलेंडर-और-पिस्टन समूह के लिए परिचालन स्थितियों के मॉडलिंग के साथ उनके व्यापक शोध में मदद मिली। तालिका 1 में, शोध परिणामों का एक उद्धरण सिलेंडर-और-पिस्टन जोड़ी की नकल करने वाले नमूनों पर घर्षण गुणांक मानों के रूप में दिया गया है। जैसा कि आप देख सकते हैं, कोटिंग की अनुपस्थिति में, घर्षण गुणांक काफी बढ़ जाता है, और भार, जिस पर घर्षण बल एक मापने प्रणाली के लिए सीमा मान से अधिक हो जाता है, कम हो जाता है। चित्र 4 पर, लगाए गए कोटिंग्स वाले पिस्टन की फोटो प्रस्तुत की गई है।

 तालिका 1. परीक्षण परिणाम

* – घर्षण बल मापने की प्रणाली के लिए सीमा मान से अधिक हो गया है।

चित्र.4. MODENGY सॉलिड-फिल्म कोटिंग्स के साथ लेपित पिस्टन

दक्षिणी-यूरल स्टेट यूनिवर्सिटी में, तकनीकी विज्ञान के उम्मीदवार श्री आई. लेवानोव के नेतृत्व में वैज्ञानिक समूह द्वारा इंजन स्लाइडिंग बियरिंग्स का शोध किया जा रहा है। उनके परिणामों के अनुसार, यह पहले ही पता चल चुका है कि कनेक्टिंग-रॉड बेयरिंग के मानक बुशिंग्स पर सॉलिड-फिल्म कोटिंग्स का उपयोग इसकी 'उत्तरजीविता' (survivability) को 5 गुना तक बेहतर बनाने की अनुमति देता है। यहाँ, 'उत्तरजीविता' का अर्थ उस समय की अवधि से है जिसके दौरान आपातकालीन तेल आपूर्ति बंद होने के बाद एक बेयरिंग अपनी कार्यक्षमता बनाए रखता है। ये शोध 'स्टॉप-स्टॉप' प्रणालियों के कार्यान्वयन से भी संबंधित हैं जो ईंधन बचाने में सक्षम बनाती हैं लेकिन साथ ही वे एक घर्षण इकाई की परिचालन स्थितियों को और कठिन बनाती हैं। शुरू करने-रोकने पर, वे सीमावर्ती या अर्ध-तरल स्नेहन के मोड में संचालित होते हैं।

इन परीक्षणों के परिणाम METS-2021 सम्मेलन में प्रस्तुत किए गए थे।

वर्णित उदाहरणों के अलावा, MODENGY सॉलिड-फिल्म कोटिंग्स ने तेल-और-गैस उपकरणों (विशेष रूप से, ड्रिलिंग और पंप-एंड-कंप्रेशन पाइप के थ्रेडेड कनेक्शन पर), लोड-लिफ्टिंग और अर्थ-मूविंग मशीनरी के स्लाइडिंग बेयरिंग, स्टैम्प और मोल्ड्स के स्लाइडिंग गाइडवे, विशेष उद्देश्य के बन्धन आइटम, रोबोटिक्स, वायवीय ड्राइवर, स्क्रू कंप्रेशर्स और अन्य में अपना अनुप्रयोग पाया है।

सॉलिड-फिल्म कोटिंग्स तकनीक की विकास संभावनाएं

ऊपर कही गई सभी बातों से, यह स्पष्ट है कि ठोस स्नेहन तकनीक और सॉलिड-फिल्म कोटिंग्स के रूप में इसका अहसास अधिक कुशल और बेहतर घर्षण इकाइयां बनाने में सक्षम बनाता है, और यह सामान्य रूप से आधुनिक मशीनरी की आवश्यकता को पूरा करता है। हालाँकि, आज के लिए पहले से ही कुछ नई चुनौतियाँ हैं। आइए उन्हें उदाहरण के तौर पर देखें।

हाल ही में हमारे देश में स्पेस-सेविंग हाई-स्पीड एनर्जी मशीनों की दिशा सक्रिय रूप से विकसित हो रही है। पेटल गैस-डायनेमिक बेयरिंग (PGB) का उपयोग उनमें रोटर सपोर्ट के रूप में किया जाता है। उन्हें शुरू करने और रोकने के समय अतिरिक्त स्नेहन की आवश्यकता होती है। साथ ही, परिचालन स्थितियां ऐसी हैं कि वे ठोस स्नेहन के अलावा किसी भी अन्य स्नेहन के आवेदन की संभावना को पूरी तरह से समाप्त कर देती हैं। वे उच्च संपर्क दबाव, 15 mps से अधिक स्लाइडिंग गति, -50 °C और +500…600 °C के बीच सेवा तापमान हैं।

आज के लिए ज्ञात ठोस चिकनाई वाली सामग्रियों में से कोई भी इन स्थितियों में प्रभावी ढंग से काम नहीं कर सकता है, खासकर जब यह तापमान सीमा से संबंधित हो। मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड का घर्षण गुणांक मोलिब्डेनम ट्रायऑक्साइड बनाने के साथ ऑक्सीकरण के कारण +300..+350 °C से अधिक तापमान पर काफी बढ़ जाता है। स्नेहन तंत्र को महसूस करने के लिए, ग्रेफाइट को इसमें नमी की उपस्थिति की आवश्यकता होती है जो +200…+250 °C से अधिक तापमान पर वाष्पित हो जाती है। इसके विपरीत, कुछ धातु और कैल्शियम फ्लोराइड के ऑक्साइड केवल उच्च तापमान क्षेत्र में स्नेहन गुणों को प्रकट करते हैं - +400 °C से अधिक।

इसीलिए दिए गए कार्य का समाधान ठोस चिकनाई वाली सामग्री को विभिन्न एडिटिव्स के साथ मिलाने और प्रतिवर्ती अनुकूलनीय कोटिंग्स (reversible adaptable coatings) बनाने के क्षेत्र में निहित है। केवल मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड और धातु के आक्साइड को मिलाना पर्याप्त नहीं है क्योंकि तब हमें एक अपरिवर्तनीय अनुकूलनीय कोटिंग मिलेगी जो उच्च तापमान क्षेत्र से निकाले जाने के साथ ही अपनी कार्यक्षमता खो देगी। इसके लिए यह आवश्यक है कि यह कोटिंग कुछ तापमान सीमाओं से गुजरते समय नई संरचनाएं बनाए।

Modengy के वैज्ञानिक-उत्पादक केंद्र में इस क्षेत्र में कुछ सफलता हासिल की गई है। चित्र 5 पर, मास्को विमानन संस्थान में आयोजित PGBs की घर्षण स्थिति पर लागू MODENGY कोटिंग्स के परीक्षण परिणामों का एक उद्धरण प्रस्तुत किया गया है। प्रतिवर्ती अनुकूलनीय कोटिंग 2 और 3 के ग्राफ को देखते हुए, बदलते तापमान के अनुकूल होने की प्रक्रिया को ट्रैक करना संभव है। साथ ही, ग्रेफाइट पर आधारित बुनियादी संस्करण 1 के लिए, +100…+300 °C सीमा के भीतर इष्टतम तापमान मोड स्पष्ट रूप से देखा जाता है, और इसके परे कोटिंग दक्षता काफी कम हो जाती है। चित्र 6 पर लागू MODENGY कोटिंग के साथ PGB तत्वों की फोटो प्रस्तुत की गई है।

चित्र.5. तापमान पर घर्षण हानि निर्भरता के रूप में कोटिंग्स परीक्षण के परिणाम (कोटिंग 1 – ग्रेफाइट पर आधारित मूल कोटिंग, कोटिंग 2 – प्रतिवर्ती अनुकूलनीय कोटिंग का पहला संस्करण, कोटिंग 3 – प्रतिवर्ती अनुकूलनीय कोटिंग का उन्नत संस्करण)

चित्र.6. MODENGY कोटिंग के साथ PGB तत्व

निष्कर्ष

आज, ठोस स्नेहन तकनीक और ठोस-फिल्म कोटिंग्स के रूप में इसका अहसास आधुनिक मशीनरी की बढ़ती जरूरतों को पूरा करने में मदद करता है। और उनका आगे का विकास प्रतिवर्ती अनुकूलनीय कोटिंग्स बनाने के रूप में होता है जो आर्द्रता, तापमान और बाहरी वातावरण के अन्य कारकों जैसे परिचालन स्थितियों के आधार पर अपनी संरचना बदलते हैं। ऐसी कोटिंग्स बहुत अधिक विस्तृत स्थितियों की सीमा के तहत काम कर सकती हैं जो ट्राइबोटेक्निकल गुणों के स्तर से संबंधित नए भंडार खोलती हैं।