فهرست مطالب

فصلنامه علوم و مهندسی سطح ایران
پیاپی 59 (بهار 1403)
- تاریخ انتشار: 1403/03/01
- تعداد عناوین: 7
-
-
صفحات 1-18
در فرایندهای شکل دهی فلزات، از جمله پارامترهای موثر در اصطکاک، زبری و بافت سطح قالب و قطعه است که ناشی از فرایند ساخت قالب و قطعه می باشد. در این پژوهش تاثیر روش های مختلف ساخت قالب بر زبری و سختی سطح قطعه شکل دهی شده بررسی شده است. اینسرت قالب ها با شش روش ماشین کاری ساخته شده اند و تاثیر روش ماشین کاری، روانکاری و درصد تغییرشکل بر زبری و سختی سطح قطعه با انجام عملیات کله زنی روی قطعه حلقوی شکل بررسی شده است. نتایج نشان می دهد بافت سطح قطعات متاثر از بافت سطح اینسرت ها می باشد و زبری سطح قطعات متناسب با زبری سطح اینسرت ها می باشد. با افزایش میزان کار سرد، زبری سطح قطعات افزایش قابل ملاحظه ای داشته و استفاده از روانکار تاثیر اندکی در کاهش زبری سطح دارد. استفاده از روانکار در حالت های تراشکاری، فرزکاری عمودی و تخلیه الکتریکی باعث کاهش زبری سطح می شود اما در بقیه اینسرت ها تاثیر چندانی ندارد. در حالت استفاده از روانکار، سختی سطح قطعات بطور میانگین حدود 5 درصد کاهش می یابد. با افزایش کار سرد از 25% به 50% سختی سطح قطعات به طور میانگین حدود 25 درصد افزایش می یابد. شکل دهی با قالب ماشینکاری شده با روش تخلیه الکتریکی باعث کمترین سختی سطح قطعه شده و بیشترین سختی سطح قطعه مربوط به سنگ زنی با پرداخت کاری است بافت سطح قطعات متاثر از بافت سطح اینسرت ها می باشد و زبری و سختی سطح قطعات متاثر از روش ماشینکاری اینسرت ها می باشد.
کلیدواژگان: فورج، زبری، بافت سطح، سختی، قالب -
صفحات 19-34
هدف از انجام این پژوهش تولید پوشش کامپوزیتی نیکل-بور-گرافیت (Ni-B-Gr) نیتروژن دهی پلاسمایی شده با خواص خود روانکاری و بررسی رفتار سایشی آن است. بدین منظور از یک حمام کامپوزیتی الکترولس نیکل بر پایه بوروهیدرید سدیم برای رسوب دهی پوشش های Ni-B-Gr روی فولاد AISI 4140 استفاده شد. زمینه Ni-B با شاخص لوچگی 12/0- به عنوان یک ماتریس سخت با قابلیت حفظ مواد روانکار و ذرات گرافیت (با اندازه کمتر از 20 میکرومتر) با غلظت 275/0 گرم در لیتر به عنوان جزء روانکار جامد عمل می کنند. پوشش های کامپوزیتی در دمای 400 درجه سانتیگراد در مدت زمان های 30، 60، 120، 180 و 240 دقیقه در معرض نیتروژن دهی پلاسمایی در مخلوط گازی 25 درصد نیتروژن و 75 درصد هیدروژن قرار گرفتند. مشخصه یابی پوشش های کامپوزیتی Ni-B-Gr توسط بررسی ریزساختاری توسط آزمون پراش اشعه ایکس (XRD)، ریخت شناسی توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی (FE-SEM)، آزمون ریزسختی، زبری سنجی و ارزیابی سایش توسط آزمون پین روی دیسک (Pin-on-Disk) انجام شد. پوشش های الکترولس نیکل-بور-گرافیت 60 دقیقه نیتروژن دهی پلاسمایی شده، به سختی HV0.11060 رسیدند. در مقایسه با پوشش های نیکل-بور-گرافیت خام (as-plate)، پوشش کامپوزیتی نیکل-بور-گرافیت 60 دقیقه نیتروژن دهی پلاسمایی شده، کاهش 75 درصدی در نرخ سایش ویژه و کاهش 31 درصدی در ضریب اصطکاک را نشان داد. علاوه بر این، وجود گرافیت به عنوان خود روانکار با توجه به کاهش سطح تماس بین پین فولادی و پوشش، با محدود کردن سایش چسبان و اکسیداسیون مقاومت سایشی کامپوزیت را افزایش می دهد.
کلیدواژگان: الکترولس نیکل-بور، گرافیت، خود روانکار، نیتروژن دهی پلاسمایی، رفتار سایشی -
صفحات 35-59
مطالعات نشان می دهد با اعمال پوشش های با ساختار آمورف بر روی ابزارهای جراحی می توان رفتار زیست سازگاری و مقاومت به خوردگی این ابزارها را افزایش داد. یکی از این پوشش ها ، پوشش های لایه نازک شیشه فلز پایه زیرکونیوم می باشد. لذا در این پژوهش، پس از بررسی تاثیر عناصر مختلف در رفتار زیست سازگاری و خوردگی پوششها، ابتدا آلیاژی با ترکیب شیمیایی Zr30Cu20Al10Ag10Cr10Si10Br10 طراحی و تولید شد. سپس لایه بسیار لایه نازکی از آلیاژ تولید شده بر روی زیر لایه فولاد زنگ نزن 316 اعمال گردید. در ادامه میزان آب گریزی این پوشش و رفتار خوردگی آن در دو محیط محلول NaCl و محلول شبیه سازی شده بدن مورد مطالعه قرار گرفت . برای تولید آلیاژ اولیه از دستگاهSPS استفاده شد. در ادامه بوسیله دستگاه پوشش دهی نوع کندو پاش ، لایه های نازکی از آلیاژ مذکور بر روی زیر لایه فولاد 316 ایجاد شد. بررسی های اولیه نشان داد که پوشش تولیدی دارای ساختار شیشه ای می باشند. آزمونهای انجام شده نشان داد که اعمال پوشش طراحی شده، بوسیله کاهش انرژی آزاد سطوح، باعث افزایش زاویه تماس و درنتیجه افزایش میزان آب گریزی سطوح و تبدیل سطح فولاد 316 از آب دوست به آب گریز گردیده است. همچنین اعمال این پوشش به دلیل دارا بودن ساختار آمورف باعث افزایش مقاومت به خوردگی زیر در دو محیط محلول کلرور سدیم و محلول شبیه سازی شده بدن می گردد. بررسی سطوح خورده شده حاکی از وقوع پدیده خوردگی حفره ای برای پوشش ایجاد شده می باشد.
کلیدواژگان: فولاد زنگ نزن304، لایه نازک شیشه های فلزی پایه زیرکونیوم، زاویه تماس، رفتار خوردگی، محلول SBF -
صفحات 60-70
پوشش های آمورف بر پایه Fe-P به دلیل خصوصیات منحصر به فردشان از قبیل مقاومت الکتریکی خوب در دمای پایین، نفوذپذیری مغناطیسی بالا و همچنین خواص مکانیکی مناسب در طی دو دهه اخیر در کاربردهای مدرن صنعتی، موتورهای الکتریکی، محرک ها و دستگاه های ذخیره کننده مورد توجه قرار گرفته اند . در این مطالعه، تاثیر دما، غلظت گلایسین، هیپوفسفات سدیم و سولفات آهن بر ریزساختار پوشش Fe-P ایجاد شده به روش آبکاری الکتریکی مورد بررسی قرار گرفته است. فرآیند آبکاری در چگالی جریان 50 میلی آمپر بر سانتی متر مربع به مدت 60 دقیقه انجام شد. برای بررسی پوشش های اعمالی از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مجهز به طیف سنج پراش انرژی اشعه ایکس (EDS) استفاده شد. نتایج نشان داد که محتوای فسفر و مورفولوژی پوشش اعمالی تحت تاثیر دما، غلظت سولفات آهن و گلایسین قرار دارند. پوشش های حاصل از حمام های حاوی مقادیر کم سولفات آهن پوشش هایی با مورفولوژی حاوی ندول های بزرگ بوده و با افزایش غلظت سولفات آهن، سطحی یکنواخت و فاقد عیوب به دست می آید. بررسی ها نشان داد که با افزایش غلظت گلایسین از 21/0 تا 64/0 مولار به عنوان یک ترکیب کمپلکس ساز، محتوی فسفر پوشش های Fe-P اعمالی از 29/9 به 55/12 درصد افزایش می یابد. پوشش های رسوب شده در دمای 60 درجه سانتیگراد از نظر ساختاری دست نخورده بوده در حالی که پوشش های به دست آمده در دمای 30 درجه سانتیگراد دارای ریز ترک می باشند.
کلیدواژگان: پوششfe-P، آبکاری الکتریکی، محتوای فسفر، مورفولوژی -
صفحات 71-81
یکی از ویژگی های منحصر بفرد نیم رساناها، قابلیت امتزاج کردن آنها با یکدیگر است، بدین صورت که می-توان ویژگی های مشترکی از دو ماده اولیه در با امتزاج کردن آنها بدست آورد. در این پژوهش لایه های نازک MgxZn1-xO (x=0-0.9) با امتزاج دو عنصر روی (Zn) و منیزیم (Mg) به روش اسپری پایرولیز ساخته شد. نتایج طیف نوری بدست آمده نشان داد که با افزایش مقدار Mg در ساختار، شکاف انرژی از مقادیر کوک ZnO به مقادیر بزگتر MgO پیش می رود. نتایج مستخرج از الگوی پراش اشعه ایکس نشان داد که Mg وارد ساختار شبکه ZnO می شود. همچنین تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی مشخص کرد که با افزایش Mg در لایه ZnO، دانه های رشد یافته روی سطح دارای ساختار ریزتری می شوند. به منظور مقایسه رفتار اپتوالکترونیکی این لایه ها و تاثیر امتزاج Mg در ساختار اولیه ZnO، دیودهای نورتاب هیبریدی ساخته شد که بیشترین کارآیی و بازده مربوط به دیود ساخته شده با 5/0=x بود.
کلیدواژگان: امتزاج، لایه های نازک، Mgzno، دیود نورتاب هیبریدی -
صفحات 82-100
اصلاح سطح هدفمند راهکاری اثربخش برای بهبود عملکرد داربست های فلزی به شمار می آید. هدف از مطالعه حاضر ارزیابی نقش اصلاح سطح به روش اچ شیمیایی بر رفتار الکتروشیمیایی و رهایش یون داربست های از جنس آلیاژ Ti-6Al-4V ساخته شده به روش ذوب با پرتو الکترونی (EBM) بود. بدین منظور، نمونه ها ابتدا برای حذف ذرات تف جوشی نشده و/یا با پیوند ضعیف، تحت عملیات ذره پاشی با پودر Ti-6Al-4V توسط هوای فشرده قرار گرفتند. در ادامه، داربست ها به طور هدفمند تحت عملیات اچ شیمیایی قرار گرفتند تا سطح آنها به یک زبری مشخص برسد. یافته ها موید آن بود که با اچ شیمیایی به خوبی می توان به میزان حداکثری، ذرات پودری چسبیده به سطح را حذف کرد. نتایج نشان داد که بسته به نوع و اندازه شبکه داربست، انتخاب زمان اچ شیمیایی از اهمیت زیادی برخوردار است به گونه ای که هر چقدر تراکم داربست بیشتر بوده و/یا میله های داربست ضخیم تر باشند، زمان اچ طولانی تری لازم است. رفتار خوردگی داربست ها در محلول شبیه ساز محیط بدن (PBS) در دمای °C 37 نشان داد که اچ شیمیایی، رفتار خوردگی داربست ها را به دلیل ایجاد یک سطح صاف و هموار و تسهیل در ایجاد یک لایه روئین و پایدار بهبود می بخشد. میزان رهایش یون های تیتانیوم و وانادیوم نیز پس از انجام عملیات اچ شیمیایی به میزان چشم گیری کاهش یافت.
کلیدواژگان: ساخت افزایشی، ذوب با پرتو الکترونی، داربست های Ti-6Al-4V، اچ شیمیایی، عملکرد الکتروشیمیایی -
صفحات 101-114
در این پژوهش، لایه های نازک BiVO4 به روش افشانه پایرولیز تهیه شدند. به منظور دستیابی به لایه های متخلخل یکنواخت، تکرارپذیر در ابعاد مختلف و با چسبندگی زیاد به زیرلایه (لایه های پایدار)، پارامترهای مهم روش افشانه پایرولیز یعنی دمای زیرلایه، فاصله نازل تا زیرلایه، قطر دهانه ی نازل و فشار گاز حامل به طور مدون بررسی و بهینه گردیدند. در انتها مشخص شد که با انتخاب این مقادیر به ترتیب برابر oC 200، cm 40، mm 1/0 و atm 5/3 لایه هایی بسیار یکنواخت بر روی بسترهای شیشه و اکسید قلع آلاییده شده با ایندیوم بدست می آیند. اما این لایه ها به راحتی از روی زیرلایه کنده شده و چسبندگی ضعیفی به زیرلایه دارند. به منظور بهبود چسبندگی، رویکرد لایه نشانی پالسی مورد بررسی قرار گرفت و با تنظیم زمان لایه نشانی هر پالس، تعداد پالس ها و زمان بین هر پالس، لایه هایی با چسبندگی مناسب بدست آمدند. نتایج آنالیز میکروسکوپ کانفوکال نشان داد که با انتخاب فاصله کوتاه بین پالس ها (30 ثانیه) لایه هایی با زبری بالا (nm 25 ± 473) و با انتخاب زمان طولانی بین پالس ها (2 دقیقه) لایه هایی با زبری کمتر (nm 10 ± 173) قابل دستیابی است.
کلیدواژگان: لایه نازک، Bivo4، افشانه پایرولیز پالسی، متخلخل
-
Pages 1-18
In metal forming processes, surface roughness and hardness of the die and workpiece are effective parameters in friction, which is caused by the manufacturing process of the die and workpiece. In this research, effect of die manufacturing processes on the surface roughness and hardness of the deformed parts has been investigated. The inserts of the dies are made with six machining methods, and the effect of the machining method, lubrication, and percentage of deformation on the surface roughness and hardness of the part has been investigated by performing the heading operation on a ring-shap part. The results show that the surface texture of the parts is affected by the surface texture of the inserts and the surface roughness of the parts is proportional to the surface roughness of the inserts. The surface roughness of the parts increases significantly by increasing the amount of cold work, and the use of lubricant reduces slightly the surface roughness in turning, vertical milling and electric discharge machined inserts but it does not have considerable effect in the rest of the inserts. In the case of using lubricant, the surface hardness of the parts decreases by about 5% on average. With the increase of cold work from 25% to 50%, the surface hardness of the parts increases by about 25% on average. Forming with the electrical discharge machined insert causes the lowest surface hardness of the parts, and the highest surface hardness of the parts is related to the grinded and polished inserts. The texture of the surface of the parts is affected by the texture of the surface of the inserts and the roughness and hardness of the surface of the parts is affected by the machining method of the inserts
Keywords: Forging, Machining, Roughness, Surface Texture, Die, Electrical Discharge Machining -
Pages 19-34
The aim of this study is to develop a novel nickel-boron-graphite (Ni-B-Gr) composite coating via electroless plating, endowed with self-lubricating properties, and to analyze its wear characteristics. Electroless deposition of Ni-B-Gr coatings was achieved on AISI 4140 steel utilizing a sodium borohydride-based electroless nickel bath. The resulting composite features a nickel-boron matrix, characterized by a skewness index of -0.12, offering both hardness and fluid-retaining capabilities, augmented by graphite flakes (< 20 μm) at a concentration of 0.275 g/L, serving as a solid lubricant component. Plasma nitriding treatments were conducted at 400°C for varying durations (30, 60, 120, 180, and 240 minutes) in a gas mixture of 25% nitrogen and 75% hydrogen. Comprehensive characterization of the Ni-B-Gr composite coatings encompassed microstructural analysis via X-ray diffraction (XRD), morphology examination using field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), microhardness testing, roughness measurements, and wear assessment through pin-on-disk tests. Notably, the plasma nitrided Ni-B-Gr composite coatings for 60 minutes exhibited a significant enhancement in hardness, with a hardness of 1060 HV0.1. Moreover, compared to as-plated Ni-B-Gr coatings, the 60 minutes plasmanitrided composites demonstrated a remarkable 75% reduction in specific wear rate and a 31% decrease in friction coefficient. The incorporation of graphite as a self-lubricating agent effectively mitigated adhesive wear and oxidation by reducing the contact surface between the steel pin and the coating, thereby enhancing the wear resistance of the composite.
Keywords: Electroless Nickel-Boron, Graphite, Self-Lubricant, Plasma Nitriding, Tribological Behaviour -
Pages 35-59
Studies show that by applying coatings with amorphous structure on surgical instruments, the biocompatibility and corrosion resistance of these instruments can be increased. One of these coatings is Zr-based metal glass thin layer coatings. Therefore, in this research, after investigating the effect of different elements on the biocompatibility and corrosion behavior of coatings, first an alloy with the chemical composition of Zr30Cu20Al10Ag10Cr10Si10Br10 was designed and a thin disk of this alloy was produced using Spark Plasma Sintering, SPS, device. Then, thin layers of the alloy produced were applied on the 316 steel substrate using a Magnetron Sputtering machine. Initial investigations showed that the production coatings have a glass structure. Next, the hydrophobicity of the coating and its corrosion behavior in two environments, NaCl solution and Simulated Body Fluid was studied. The conducted tests showed that the application of the designed coating, by reducing the surfaces energy, increased the contact angle and as a result increased the hydrophobicity of the surfaces, transformed the surface of 316 steel from hydrophilic to hydrophobic. Also, the application of this coating due to its amorphous structure increases the corrosion resistance in the two environments of sodium chloride solution and Simulated Body Fluid. Examining the corroded surfaces indicates the occurrence of pitting corrosion phenomenon for the created coatings.
Keywords: 316 Stainless Steel, Thin Layer Of Zr-Based Metallic Glasses, Surface Energy, Contact Angle, Corrosion Behavior, Sbfsolution -
Pages 60-70
Electrodeposition of Fe-P coatings have been recently attracted many attentions for applications such as temporary biodegradable bone replacement material, Li ion storage anode and environmentally friendly alternative to hard chrome plating. In this study, the effects of bath temperature and bath chemical composition (concentration of glycine, iron sulfate and sodium hypophosphate) on the microstructure of electrodeposited Fe-P coating has been investigated. Electro deposition was carried out at the current density of 50 mA/cm2 for 1h. Scanning Electron Microscope (SEM) equipped with Energy Dispersive Spectrometer (EDS) were used to characterize the coatings. Results showed that the P content and the morphology of the coating is affected by temperature and the concentration of glycine and iron sulfate. The coatings obtained from baths containing low amounts of iron sulfate are coatings with a morphology containing large nodules, and by increasing the concentration of iron sulfate, a uniform surface without defects is obtained. Investigations showed that by increasing the concentration of glycine 0.21 to 0.64 M as a complexion compound, the phosphorus content of applied Fe-P coatings increases from 9.29% to 12.55%. Coating deposited at temperature 60 ºC were micro structurally intact while coatings obtained at temperatures 30 ºC had micro-cracks.
Keywords: Fe-P Coating, Electroplating, Phosphorus Content, Microstructure -
Pages 71-81
One of the unique features of semiconductors is the ability to alloy them with each other, so that the intermediate properties are extracted from two materials. Here, thin layers of MgxZn1-xO (x=0-0.9) were deposited by combining zinc and magnesium by spray pyrolysis method. The obtained optical results showed that with the increase of Mg content in the structure, the energy gap becomes larger. Also, the results extracted from the X-ray diffraction spectrum and scanning electron microscope revealed that with the increase of Mg in the ZnO layer, the grains grown on the surface have a finer structure. Also, in order to compare the optoelectronic behavior of these layers, hybrid light-emitting diodes were made, and the highest efficiency and efficiency was related to the diode made with x=0.5.
Keywords: Alloy, Thin Film, Mgzno, Light Emitting Diode -
Pages 101-114
In this research, BiVO4 thin films were prepared by spray pyrolysis deposition. The important parameters of the spray pyrolysis deposition method, namely the substrate temperature, the distance between the nozzle and the substrate, the nozzle aperture diameter and the carrier gas pressure were syste matically investigated and optimized to achieve uniform and porous thin films in different dimensions with excellent adhesion to the substrate (stable layers). It was found that by selecting these parameters as 200 oC, 40 cm, 0.1 mm and 3.5 atm, respectively very uniform layers were deposited on the glass and indium doped tin oxide substrates. But these layers could be easily removed from the substrate and showed weak adhesion to the substrate. In order to improve the adhesion, the pulse deposition approach was investigated and by adjusting the deposition time of each pulse, the number of pulses and the interval time between pulses, BiVO4 layers with appropriate adhesion were obtained. The results of the confocal microscopy showed that the layers with higher roughness (437 ± 25 nm) and lower roughness (173 ± 10 nm) can be achieved by choosing a short (30 seconds) and long (2 minutes) interval time between pulses, respectively.
Keywords: Thin Film, Bivo4, Pulse Spray Pyrolysis, Porous