مقدمة إلى هندسة الأسطح

يستغرق 10 دقيقة

تُعتبر هندسة الأسطح إحدى الموضوعات المتخصصة في الهندسة وعلم المواد. ألقِ نظرة على المكان الذي تتواجد فيه الآن؛ هل ترى أي أجسام تمتلك سطحًا مُعالَج هندسيًا؟

في الحقيقة، من الصعب ألا تجد سطحًا مُعالَجًا. إليك قطعة الكيك التي كنتَ على وشك أن تأكلها من الطبق المُجاور لك؛ تلك القطعة تمتلك سطحًا -معالج هندسيًا- من الزينة الوردية بالسكر، والطبق أيضًا له سطح مطليّ بطبقة سيراميكية ملساء.

لا يمكننا أن نغفل أيضًا هندسة السطح البيولوجية لبعض عناصر الطبيعة؛ فبعض تلك الأسطح تمتلك خواصًا كالإصلاح الذاتي والتنظيم الحراري، وأيضًا هناك الأسطح المُحمّلة بالعديد من المستشعرات وهذا على سبيل المثال لا الحصر.

ما هي هندسة الأسطح

هي ببساطة عملية إجراء تغييرات على أسطح المواد.

الغرض

الحصول على الخصائص السطحية المرغوبة من المواد وتحسين كل من المكونات، الأداء، العمر الافتراضي، والشكل والحصول على فوائد اقتصادية.

عمليات هندسة الأسطح

هناك العديد من العمليات التي يُمكِن أن تُجرَى على الأسطح، ويمكننا تقسيمها إلى ثلاث مجموعات: الأولى: معالجة السطح بدون تغيير مكونات السطح كيميائيًا، وهنا تتم عملية المعالجة بوسائل حرارية أو ميكانيكية، مع حدوث تغيرات للمادة وبنية السطح. الثانية: معالجة السطح بتغيير مكوناته كيميائيًا، وتتضمن هذه العملية حدوث انتشار diffusion لعناصر جديدة على سطح المادة، وهنا تلعب المواد الأساسية المكونة للسطح دورًا رئيسيًا في عملية معالجة السطح. والثالثة: معالجة السطح بإضافة مادة جديدة (التغطية)، وهذه العملية تتم عن طريق طلاء السطح بمادة جديدة، وهي لا تتضمن دخول المواد الأساسية المكونة للسطح في التفاعل.

في الواقع، قد تتضمن بعض العمليات أكثر من نوع من الأنواع السابق ذكرها خلال معالجة السطح هندسيًا؛ وفي هذه الحالات يتم تحديد نوع العملية عن طريق عقد مقارنة بين السطح النهائي والسطح الأساسي للمادة. مثال: قطعة من الصلب تم تنظيفها بالسفع الرملي grit blasting (النوع الأول)، ثم تم رشها حراريًا بالألومنيوم (النوع الثالث)، وأخيرًا تم معالجتها حراريًا لتكوين ألومينيدات مع مكونات المادة الأصلية (النوع الثاني). وهنا نلاحظ أنه يتم استخدام النوع الثالث من العمليات كتمهيد للنوع الثاني.

مثال آخر: قطعة من الصلب تم تنظيفها بالسفع الرملي (النوع الأول)، ثم رشها حراريًا بسبيكة من النيكل-كروم (النوع الثالث)، بعد ذلك تم تسخينها لصهر الطلاء فيحدث ذوبانٌ جزئيٌّ للمادة الأساسية، مما يتيح حدوث انتشار العناصر وتكوين سبيكة بين المادتين، ولكن هذا الانتشار ليس كافيًا لتدخل المادة الأساسية في مادة الطلاء السطحي، لذلك يمكن اعتبار العملية من النوع الثالث. إن الكثير من عمليات اللحام تشبه هذه العملية.

أولًا: معالجة السطح بدون تغيير المادة كيميائيًا

1. المعالجات الحرارية

تستجيب بعض المواد للمعالجات الحرارية التي تُجرَى على سطحها، خصوصًا تلك التي تخضع لعمليات التحول الطوري مثل تفاعل المارتنسيت بالنسبة للصلب أو الحديد الزهر. تعد عمليات التخسين السريع بالحث أو الليزر أو الشعاع الإلكتروني تقنيات جيدة للمعالجة الحرارية المركزة للسطح، وهي تُغير السطح فقط بينما تبقى خصائص الجسم كما هي، فالمتانة toughness تظل كما هي ويُمكن تجنب اعوجاج العنصر.

2. المعالجات الميكانيكية

على جانب آخر، تستجيب بعض المواد للتشغيل على البارد، كتشغيل السطح عن طريق الطرق أو السفع (شكل 1) أو الصدمات، أو طُرق التشغيل المتخصصة في تكوين الضغوط التي من شأنها أن تزيد الصلابة ومقاومة الكلال fatigue.

هندسة الأسطح
شكل 1: السفع Peening، أي رش السطح بالهواء المضغوط المحمل بالرمل أو حبيبات صلبة من شأنها أن تزيد من صلابة السطح. مصدر الصورة: LSP Technologies

3. معالجات أخرى

يتضمن هذا النوع معالجات كالتنميش الكهروكيميائي (etching) والنقش بالليزر والمواد الكيميائية المختلفة، وكذلك عمليات التنظيف بالمذيبات والموجات فوق الصوتية.

ثانيًا: معالجة السطح بتغييرات كيميائية

1. عملية الانتشار الكيميائي الحراري

يمكن أن تنتشر العناصر المُضافة في المواد بهيئتين (شكل 2): أولهما هو الانتشار البيني للعناصر
interstitial diffusion، وهو انتشار العنصر المُضاف في المسافات الموجودة داخل البنية البلّورية للعنصر المَضيف. وطاقة التنشيط اللازمة لهذه العملية صغيرة، ومن هذه العناصر: الكربون والنيتروجين والبورون في الصلب.

العمليات الشائعة:

  •  الكربنة Carburizing الكربونيتردة Carbonitriding
  • النتردة Nitriding
  •  النيتروكربدة Nitrocarburising
  •  التغليف بالبورون Boronising

وتشير عملية الترسيب الكيميائي للبخار عادة إلى معالجة عالية التقنية يمكن من خلالها ترسيب غشاء رفيع على سطح المواد. وفي الحقيقة، معظم العمليات المذكورة أعلاه هي أنواع لعمليات الترسيب الكيميائي للبخار، لأن المواد تنتشر وتنتقل إلى سطح المواد عن طريق غاز متواجد مسبقًا في الوسط، حينها يحدث تفاعل كيميائي ليطلق تلك الغازات للسطح.

الفراغات البينية
شكل 2: الفرق بين انتشار ذرات العنصر المستضاف كذرات بينية (على اليمين) أو ذرات استبدالية (على اليسار). حقوق الصورة: Callister.

 

والهيئة الأخرى هي الانتشار الاستبدالي substitutional diffusion للعناصر (شكل 2)، وفي هذا النوع تقوم ذرات العناصر المُضافة بإحلال ذرات العنصر المَضِيف في البنية البلورية. وطاقة التنشيط لهذه العملية كبيرة، ومن أمثلة هذه العملية يمكننا أن نأخذ الألومنيوم والكروم والسيليكون في الصلب السبائكي.

  • العمليات الشائعة:
  •  المعالجة بالألومنيوم Aluminizing
  •  المعالجة بالكروم Chromizing
  •  المعالجة بالسيليكون Siliconizing
  • عملية تويوتا Toyota التي ينتشر فيها الفاناديوم والنيوبيوم في الصلب.

يتم الدمج أحيانًا بين أكثر من عملية، وفي تلك الحالات تُتبَع عملية الطلاء بمعالجات حرارية؛ فعملية واحدة يمكن أن تشمل الترسيب الكهربي للقصدير على بعض المواد الحديدية، ثم يتبع ذلك عملية انتشار حراري لتكوين مركب من الحديد والقصدير والذي بدوره يقاوم الخدش والتآكل. طلاء الألومنيوم أيضًا، والذي يتم تطبيقه بالرش الحراري، ويُعالَج بعد ذلك بالانتشار لتكوين ألومينيدات لزيادة مقاومة التآكل والخدش وزيادة المقاومة للأكسدة في درجات الحرارة العالية.

2. العمليات الكهربية الكيميائية (كهروكيميائية): وهي تتم بالتحليل الكهربي للعناصر، مثل أنودة (Anodizing) الألومنيوم والتيتانيوم.

3. التغطية بالتحويل الكيميائي: وهنا يتم ترسيب طبقة من الأكسيد الذي يحمي المادة، ومن الأنواع
الشائعة:

  •  التغطية بالفوسفات (Phosphating)
  • التسويد الكيميائي (chemical blacking)
  •  التغطية بالكرومات (chromating)

4. عملية غرس الأيونات:

وتقوم على أساس إنتاج أيونات ذات سرعة عالية داخل معجل وإطلاقها كحزمة على سطح المادة المراد معالجة سطحها. تلك الأيونات ذات الطاقة الحركية العالية والتي تفوق طاقة الترابط بين جزيئات المادة تقوم بتكوين سبيكة مع جزيئات السطح عند الاصطدام. عمليًا، يمكن حقن أي عنصر بالقرب من سطح أي مادة صلبة، ومن الأسطح الشائع معالجتها بهذه العملية: الفلزات والبوليمرات والسيراميك. يبلغ متوسط عمق اختراق الأيون للمادة عادة 10 نانومتر إلى 1 ميكرومتر.

 

ثالثًا: معالجة السطح بإضافة مادة جديدة، مثل:

  • بعض عمليات اللحام
  •  عمليات الرش الحراري
  •  الطلاء الكهربي
  •  الطلاء اللاكهربي
  •  الطلاء الميكانيكي
  •  الترسيب الفيزيائي للبخار PVD
  •  الترسيب الكيميائي للبخار CVD
  •  الطلاء بالبويات
  •  الطلاء بالمساحيق
  •  التشحيم
  •  القرمدة
  •  التصفيح

وفي الشكل الموضح أدناه ملخص للعمليات السابقة.

 

هندسة الأسطح
ملخص يوضح العمليات على الأسطح

 


المصدر

تعليقات الفيسبوك

تعليقات

المساهمون في المقال

كتابة: حسن بدر

مراجعة: متطوعة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *