يك روان كننده جامد ماده اي است كه به صورت پودر يا فيلم نازك، به منظور جلوگيري از تخريب يك وسيله ضمن حركت نسبي، و نيز براي كاهش اصطكاك و فرسوده شدن بكار مي رود. عناوين ديگر مورد استفاده براي روان كننده جامد عبارتند از: روانكاري خشك، روانكاري لايه نازك خشك و روانكاري لايه نازك جامد.
هر چند روانكاري جامد تحت شرايط خشك انجام مي شود، ليكن سيالات اغلب به عنوان واسطه يا روان كننده با افزودني هاي جامد به كار برده مي شوند. از پر مصرف ترين روان كننده ها مي توان به تركيبات معدني نظير گرافيت و موليبدن دي سولفيد (مولي)، نيتريد بور، تالك، تنگستن دي سولفيد و مواد پليمري مانند پلي تترافلوئورواتيلن(PTFE) اشاره كرد. خواص مهمي كه در تعيين يك ماده مناسب به عنوان روان كننده جامد دخيل هستند به شرح زير است:
ساختار كريستالي: روان كننده هاي جامد مانند گرافيت و موليبدن دي سولفيد داراي ساختار بلوري لايه لايه و داراي تنش برشي پايين هستند (شكل هاي1 و2) اگر چه ساختار لايه لايه، ساختاري بسيار مناسب براي روان كننده هاي جامد است. با اين حال موادي با ساختار غيرلايه لايه نيز روان كننده هاي قابل قبولي به شمار مي روند.
پايداري حرارتي: پايداري حرارتي يك روان كننده جامد يكي از شاخصه هاي مهم آن است، زيرا بيشترين استفاده از روان كننده هاي جامد در دماهاي بالا انجام مي گيرد كه با ساير روان كننده ها امكان پذير نيست. پايداري حرارتي مناسب باعث مي شود روان كننده جامد در دماهاي خيلي بالا تغيير فاز نامطلوب يا تغيير ساختار نداشته باشد.
پايداري اكسيداسيوني: روان كننده جامد بايد ضمن كار در محدوده هاي دمايي متفاوت تغييرات اكسيداسيوني نداشته باشد.
فراريت: روان كننده بايد فشار بخار پايين داشته باشد به جز در كاربردهايي در دماهاي خيلي بالا و شرايط فشار پايين.
فعاليت شيميايي: روان كننده بايد لايه قوي و چسبنده را برروي ماده اصلي ايجاد كند.
تحرك: طول عمر يك روان كننده جامد به اين امر وابسته است كه اين لايه بي عيب و سالم روي ماده باقي بماند. تحرك ماده جذب شده روي سطح باعث پيشرفت در خود ترميمي و باعث افزايش پايداري لايه نازك روان كننده مي شود.
نقطه ذوب: اگر نقطه ذوب بالا باشد پيوندهاي اتمي كه باعث نگهداري ساختار مولكول مي شود نابود شده و باعث بي اثر شدن روان كننده مي شود.
درجه سختي: برخي مواد با خصوصيات مناسب ديگر ولي به دليل سختي زياد به عنوان روان كننده كاربردي ندارد. ماكزيمم درجه سختي براي روان كننده هاي جامد در مقياسmoh پنج مي باشد كه بيش از اين مقدار يك محدوديت عملي براي روان كننده هاي جامد است.
رسانايي الكتريكي: براي هر كاربردي، روان كننده ها نياز به رسانايي الكتريكي متفاوتي دارند. مثلاً براي كنتاكت لغزشي الكتريكي، رسانايي الكتريكي بالا و براي عايق ها، رسانايي الكتريكي پاييني نياز است.
شرايط دمايي و فشاري بي نهايت(ET،EP) : اين روان كننده ها تا دماي1926 درجه سانتيگراد قابل استفاده هستند در حالي كه ديگر روان كننده ها در چنين شرايطي از بين رفته و تفكيك مي شوند. اين روان كننده ها در دماهاي پايين تا212- درجه سانتيگراد قابل استفاده بوده در حالي كه ديگر روان كننده ها در چنين شرايطي متبلور شده يا يخ مي بندد. همچنين روان كننده هاي جامد در خلاء كامل مثلاً در فضا كاربرد دارند در حالي كه ديگر روان كننده ها در چنين شرايطي فرار هستند.
به عنوان افزودني: گرافيت و موليبدن دي سولفيد و اكسيد روي اغلب به سيالات و گريس ها افزوده مي شود. روكش هاي تبديلي سطح، اغلب براي پشتيباني و محافظت ديگر روان كننده ها به كار مي روند.
شرايط باركنش متناوب: زماني كه مواد انبار مي شوند يا براي دوره هاي طولاني مدت بدون استفاده باقي مي مانند در اين حالت استفاده از روان كننده هاي جامد باعث پايداري و عدم خوردگي آنها مي شود.
موقعيت هاي خارج از دسترس: زماني كه ارايه سرويس به خاطر موقعيت خاص قطعات سخت باشد استفاده از روان كننده هاي جامد در سرعت ها و بارهاي دلخواه بطور قابل توجهي رضايت بخش است.
مناطق با گرد و غبار بالا: روان كننده هاي جامد در مناطقي كه ممكن است روان كننده هاي سيالي گرد و غبار را جذب كنند كاربرد فراواني دارد. اين گرد و غبار، ايجاد يك ماده چسب مانند بر روي تجهيزات كرده و باعث تخريب آنها مي شود.
آلودگي: روان كننده هاي جامد به علت استحكام بالا از نقطه اي به نقطه اي ديگر نرفته و در نتيجه باعث آلوده شدن ديگر تجهيزات و يا ساير قسمت هاي دستگاه و محصولات نمي شوند.
كاربرد در محيط اتمسفر: روان كننده هاي جامد در جاهايي كه تجهيزات روانكاري شده در آب غوطه ور هستند و ممكن است توسط ساير روان كننده ها نظير روغن ها و گريس ها آلوده شوند قابل استفاده هستند.
مزاياي روان كننده هاي جامد - مؤثرتر از روان كننده هاي سيالي در بارگذاري و سرعت عمل - مقاومت بالا در برابر فساد تدريجي هنگام انبار شدن - بسيار مقاوم در برابر دماهاي بالا، فشار، اشعه زياد و محيط هاي فعال - سبك تر و ساده تر بودن دستگاه به هنگام استفاده از اين روان كننده هاي جامد، زيرا در اين حالت نياز به سيستم توزيع كننده، روان كننده و درزگير نخواهد بود.
معايب روان كننده هاي جامد
- خواص خود ترميمي ضعيف: يك لايه نازك شكسته روان كننده هاي جامد باعث كوتاه شدن عمر مفيد روان كننده مي شود. - پراكندگي حرارتي ضعيف: اين خاصيت منحصر به مواد پليمري است، به دليل اينكه رسانايي حرارتي آنها اندك است. - ضريب اصطكاك و فرسودگي: داراي ضريب اصطكاك و فرسودگي بالاتري از ياتاقان هاي روانكاري شده هيدروديناميكي دارند. - رنگ: رنگ روان كننده هاي جامد ممكن مورد دلخواه فرد نباشد.
ساختار لايه لايه شبكه گرافيت
انواع روان كننده هاي جامد
جامدات لايه لايه: رايج ترين آنها گرافيت و موليبدن دي سولفيد است. گرافيت داراي ضريب اصطكاك پايين و مقاومت حرارتي بالايي (2000 درجه سانتيگراد) است. با اين حال كاربردهاي عملي آن به علت اكسيداسيون، محدود به دماهاي500 تا600 درجه سانتيگراد مي باشد. به علاوه گرافيت براي دستيابي به ضريب اصطكاك پايين، رطوبت و بخار را جذب مي كند. پس استفاده آن باز هم محدودتر مي شود. بطوري كه در دماهاي پايين تر از100 درجه سانتيگراد مقدار بخار آب جذب شده به حدي كاهش مي يابد كه ضريب اصطكاك پايين حاصل نمي شود. در مواقع لزوم، مواد افزودني متشكل از تركيبات آلي جهت افزايش كارايي گرافيت در دماهاي بالاتر از550 درجه سانتيگراد به آن اضافه مي شود. از طرف ديگر گرافيت داراي پتانسيل بسيار نجيبي است پس مي تواند باعث خوردگي گالوانيكي آلياژ هاي مس و فولاد ضدزنگ در آبهاي شور شود. موليبدن دي سولفيد (MoS2)، مانند گرافيت داراي ضريب اصطكاك پاييني است اما برعكس گرافيت اين ضريب به رطوبت يا بخار جذب شده بستگي ندارد. در حقيقت جذب سطحي بخارات باعث افزايش جزيي ضريب اصطكاك مي شود. موليبدن دي سولفيد همچنين داراي ظرفيت بارگذاري بزرگي بوده و كيفيت ساخت آن بهتر از گرافيت تحت كنترل است. ظرفيت گرمايي آن در محيط هاي غيراكسيداسيوني تا1100 درجه سانتيگراد قابل قبول بوده اما در هوا مقدار آن به355 تا400 درجه كاهش مي يابد.
فيلم فلزات نرم: بسياري از فلزات نرم از جمله سرب، طلا، نقره، مس و روي داراي تنش برشي پاييني هستند و مي توان با ترسيب فيلم نازكي از آنها بر روي مواد سخت آنها را به عنوان روان كننده به كار برد. روش هاي ترسيب شامل آب كاري، خشك كردن، بيرون اندازي و روكش كاري يوني مي باشد. اين فيلم ها براي كاربردهايي با دماي بالا تا1000 درجه سانتيگراد و نيز در ياتاقان هاي غلطك دار با لغزش حداقل مفيد مي باشند.
اندود(روكش) سطحي: اندود سطحي به صورت رايج به عنوان جايگزيني به جاي روش ترسيب فيلم برروي سطوح انجام مي شود كه شامل نفوذ حرارتي، كاشت يوني و پوشش هاي تبديل شيميايي است.
نفوذ حرارتي: در اين روش اتم هاي بيگانه با اهداف گوناگون وارد سطح روان كننده مي شوند. مثلاً افزايش مقاومت سايشي از طريق ازدياد سختي سطح، ايجاد تنش برشي كم براي كاهش سايش يا حمله و در نتيجه افزودن مقاومت به خوردگي سطح.
كاشت يوني: در اين روش كه اخيراً پيشرفت هايي حاصل كرده است سطح روان كننده توسط يون ها بمباران شده در نتيجه سختي سطح افزايش پيدا مي كند كه اين خود باعث افزايش مقاومت خوردگي و مقاومت به فرسودگي مي شود.
پوشش هايي با تبديل شيميايي: در اغلب موارد روان كننده هاي جامد به سطح فلز حفاظت شده نمي چسبند. پوشش تبديلي يك فيلم متخلخل غيرروان كننده است كه برروي فلز اصلي به كار برده مي شود تا چسبندگي روان كننده جامد روي سطح را ممكن سازد. پوشش تبديلي به تنهايي نمي تواند يك روان كننده مناسب باشد.
پليمرها: پليمرها به صورت فيلم نازك، نيز مواد خود روان كننده و به عنوان رنگ پايه براي جامدات ورقه اي مورد استفاده قرار مي گيرند. اين فيلم ها طي مراحل تركيب، افشاندن و كلوخه سازي ايجاد مي شوند. يك روش ديگر در ايجاد پوشش، پيوند دادن بين پليمر و رزين است. بيرون اندازي نيز مي تواند براي ايجاد فيلم به كار رود. رايج ترين پليمر مورد استفاده به عنوان روان كننده جامدPTFE نام دارد كه مزيت آن ضريب اصطكاك پايين و وسيع بودن محدوده كاربردي آن از منفي200 تا مثبت 250 درجه سانتيگراد و نيز فعاليت شيميايي اندك آن مي باشد. از معايب آن مي توان به ظرفيت بارگذاري اندك و پايداري كم آن اشاره كرد. (از طرف ديگر هدايت گرمايي پايين آن باعث محدود شدن كاربردهاي آن مي شود). از كاربردهاي رايج آن مي توان به كامپوزيت هاي خود روان كننده و پوشش هاي آنتي استاتيك اشاره كرد.
روش هاي بكارگيري روان كننده هاي جامد
روش هاي متعددي براي استفاده از اين روان كننده ها وجود دارد:
جامدات پودر شده: قديمي ترين و ساده ترين روش هاي بكارگيري اين روان كننده ها به شرح زير هستند:
صيقل كاري: جلا دادن يا صيقل كاري يك فرايند سايشي است كه براي ايجاد يك فيلم نازك از روان كننده جامد پودر شده مثل گرافيت يا موليبدن دي سولفيد و نظاير آنها روي سطح فلز به كار مي رود. اين فرايند ايجاد يك سطح بسيار صيقلي مي كند. زبري سطح زير لايه فلز و اندازه ذره پودر دو پارامتر ضروري و تضمين كننده كاربرد بهتر آنها هستند.
سايش دستي: اين روش يك فرايند ساده و سنتي جهت افزودن پوشش نازكي از روان كننده جامد به سطح فلز در مقادير كم مي باشد.
داستينگ: جامد پودر شده به صورت مساوي روي سطح پراكندهمي شود كه در اغلب موارد قانع كننده نيست.
آغشته سازي: قسمت هاي مختلف دستگاه در روان كننده جامد آغشته مي شود. اگر چه چسبندگي آن خيلي خوب نيست اما اين روش برايقسمت هاي ساده مثل چفت هاي ريسمان بندي شده و پرچ ها كافي به نظر مي رسد.
ساختار بلوري موليبدن دي سولفيد
پاشنده ها: پاشنده ها شامل مخلوطي از روان كننده جامد با گريس يا روان كننده هاي سيالي هستند. رايج ترين روان كننده ها عبارتند از: گرافيت، گريس، تفلون و PTFE . گريس يا سيالات، روان سازي نرمالي را فراهم مي كنند. در اين ميان روان كننده هاي جامد باعث افزايش رواني مي شوند. افزودن موليبدن دي سولفيد به روغن هاي نرم كننده باعث افزايش ظرفيت بارگذاري، كاهش فرسودگي و افزايش طول عمر ياتاقان هاي غلطكي، همچنين سبب كاهش فرسايش در قطعات خودروها مي شوند. البته بايد هنگام مخلوط كردن اين روان كننده ها با روغن و گريس جوانب احتياط را در نظر گرفت. گريس و روغن باعث خوب چسبيده شدن روان كننده جامد بر روي سطح تحت محافظت مي شوند. افزودني هاي دترجنت موجود در برخي روغن ها ممكن است باعث كاهش مقاومت MoS2 و گرافيت در برابر فرسايش شوند. روان كننده هاي جامد همچنين مي توانند مقاومت اكسيداسيوني، گريس ها و روغن ها را تحت تاثير قرار دهند. در نتيجه غلظت بازدارنده هاي اكسيداسيوني مورد نياز بايد به دقت مورد آزمايش و كنترل قرارگيرد. اسپري كردن ذرات معلق اغلب براي بكارگيري روان كننده هاي جامد در محيط فرار يا برروي رزين آلي خشك شده در هوا مورد استفاده است.
پوشش هاي پيوندي: پوشش هاي پيوندي فيلمي با ضخامت بيشتر و با طول عمر فرسايشي بيشتري را فراهم مي كنند كه در نتيجه اين روش قابل اطمينان تر و پايدارتر براي بكار بردن روان كننده هاي جامد است. تحت شرايط دقيق كنترلي، پوشش هايي كه داراي روان كننده جامد و عامل رزين پيوندي هستند از طريق اسپري كردن، فروبري و براشينگ روي سطح ماده بكار مي روند. پوشش هاي هوا پخت زير دماي260 درجه سانتيگراد و پوشش هاي گرما پخت تا دماي370 درجه سانتيگراد مي توانند مورد استفاده باشند. رايج ترين آنها گرافيت، موليبدن دي سولفيد وPTFE است. رنگ پايه شامل رزين آلي، سراميك و نمك فلزات است. رزين هاي آلي معمولاً زير دماي300 درجه سانتيگراد مقاوم هستند. رنگ پايه هاي معدني مثل نمك فلزات يا سراميك ها ايجاد فيلم هايي مي كنند كه تا دماهاي بالاي650 درجه سانتيگراد مورد استفاده قرار گيرند. انتخاب رنگ پايه همچنين تحت تاثير خصوصيات شيميايي و سازگاري محيطي و سهولت انجام فرايند است. پوشش هاي هوا پخت كه با استفاده از ذرات معلق ايجاد مي شوند كاربردهاي متوسطي دارد با اين حال رنگ پايه هاي رزين ترموست نيازمند به گرما پخت، كه مقاومت به فرسودگي بيشتري فراهم مي كند خواهند داشت. رايج ترين روش براي بكارگيري پوشش پيوندي در يك حلال فرار شامل اسپري كردن و براشينگ و فروبري است. اسپري كردن سازگارترين پوشش ها را ايجاد مي كند اما اغلب فرايند فروبري به علت ارزان بودن مورد استفاده است. آماده سازي سطح شامل حذف آلوده كننده ها و ايجاد توپوگرافي خوب سطح براي چسبيدن روان كننده بسيار مهم است. پيش تيمار ديگر مورد استفاده جهت آماده سازي سطح فلزات، فسفاته كاري فولاد و ديگر فلزات مشابه آن با ساير روش هاي تيمار شيميايي مي باشد.
كامپوزيت هاي خود روان كننده: كاربرد اوليه اين كامپوزيت ها شامل ياتاقان خشك، دنده ها، درزها، كنتاكت لغزشي الكتريكي و در ياتاقان هاي غلطكي است. كامپوزيت ها ممكن است پليمر، فلز- جامد، كربن، گرافيت، سراميك و... باشد.
پليمر: پايين بودن هدايت گرمايي پليمرها مانع از اتلاف گرمايي مي شود كه اين مسئله باعث ذوب شدن پليمر و شكست نابهنگام آن مي شود. اين شرايط زماني كه ماده مورد نظر داراي هدايت گرمايي مشابه به پليمر باشد تشديد خواهد شد. سرعت فرسودگي پليمرهاي كامپوزيتي به طور خيلي زياد به زبري سطح فلز مورد نظر بستگي دارد. در مراحل اوليه، فرسايش قابل تشخيص است اما آن را مي توان با صاف كردن سطح كاهش داد. عوامل محيطي نيز بر روي سرعت فرسودگي تاثير مي گذارند. افزايش رطوبت نسبي مانع از انتقال فيلم تشكيل شده در پليمر كامپوزيتي مثل PTFE مي شود. حضور روان كننده هيدروكربني تاثير مشابهي خواهد داشت. كامپوزيت هايي مثل نايلون و استال ها كه وابسته به انتقال فيلم تشكيل شده نيستند در حضور مقادير كمي از روان كننده هيدروكربني كاهش در فرسودگي از خود نشان مي دهند.
فلز- جامد: كامپوزيت هاي داراي جامدات ورقه اي با تكيه بر انتقال فيلم به اصطكاك كم دست يافته اند مقدار مشخصي از جامدات نياز است تا انتقال فيلم باعث توليد كامپوزيتي با طول عمر فرسودگي كم كند. افزودن جامدات غير لايه لايه به اين كامپوزيت ها باعث افزايش استحكام و كاهش فرسودگي خواهد شد. تكنيك هاي ساخت گوناگوني جهت توليد كامپوزيت هاي جامد- فلز مورد استفاده است. اين تكنيك ها شامل متالوژي پودر، تصفيه فلزات متخلخل، اسپري پلاسما و همرسوبي الكتروشيميايي است. يكي از رايج ترين كاربردهاي اين كامپوزيت ها ياتاقان هاي غلطكي خود روان كننده مورد استفاده در خلاء يا درجه حرارت بسيار بالا تا400 درجه سانتيگراد است.
كربن و گرافيت: محدوديت اوليه توده كربن قابليت مقاومت كششي كم آن و عدم مفتول شدن مي باشد. اگر چه پايداري حرارتي و اكسيداسيوني بالاي آنها در دماي500 الي600 درجه سانتيگراد باعث قابل استفاده بودن آن در دماي بالا و سرعت هاي بالا است. براي گرافيت در شرايط خشك سرعت فرسودگي با افزايش دما زياد مي شود. اين شرايط زماني كه رطوبت جذب شده مانع از انتقال فيلم تشكيل شده، شود تشديد خواهد شد. سراميك ها زماني مورد استفاده هستند كه فرسودگي مهمتر از ضريب اصطكاك پايين باشد. اين كامپوزيت ها تا دماي1000 درجه سانتيگراد قابل استفاده هستند.
