مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی تجربی و عددی سایش در پوشش نانوساختار تیتانیوم نیتراید TiN بر پایه فولادی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران
چکیده
سایش از جمله مکانیزم‌های مخربی است که می‌تواند عملکرد بسیاری از سیستم‌های صنعتی را تحت‌الشعاع قرار دهد. پوشش نیترید تیتانیوم (TiN) به دلیل داشتن خواص منحصر به‌ فردی همچون مقاومت به حرارت و اکسیداسیون بالا و مقاومت زیاد به سایش، در بسیاری از قطعات صنعتی به‌منظور تقویت مقاومت به خوردگی، اکسیداسیون و سایش مورد استفاده قرار می‌گیرد. در کار حاضر پوشش نانوساختار TiN با روش رسوب‌دهی فیزیکی بخار روی پایه‌ای فولادی نشانده شده است. خواص پوشش با استفاده از آزمون نانوفروبرش به دست آمده است و آزمون سایش پین روی دیسک روی سه نمونه متفاوت در بارگذاری و سرعت‌های مختلف انجام شده است که در نتیجه آن، نمونه با ضخامت پوشش بالاتر، مقاومت به سایش بالاتری را از خود نشان می‌دهد. فرآیند سایش به دلیل ماهیت غیرقابل بازگشت آن باعث افزایش آنتروپی سیستم می‌شود. در قسمت تحلیلی کار حاضر با استفاده از دمای به دست آمده از روش المان محدود، ارتباط بین دما و نرخ سایش و همینطور نرخ تولید آنتروپی و نرخ سایش مطالعه شده است. مشاهده شد که پوشش با ضخامت بالاتر مقاومت به سایش بهتری نشان می‌دهد. در این پژوهش، ارتباط بین سایش و آنتروپی بررسی شده است که بتوان برای مواد مختلف با پیش‌بینی دما میزان سایش را نیز پیش‌بینی کرد. همچنین به کمک روش اجزای محدود، تغییرات دما با زمان در دو سطح با پوشش و بدون پوشش نیز پیش‌بینی شد. یکی از نوآوری‌های این تحقیق، در قابلیت ارتباط بین میزان سایش و حرارت تولید شده است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Numerical and Experimental Investigation of Wear in Nanostructured Tin Coating on Steel Substrate

نویسندگان English

A. Nikueimanesh
S. Akbarzadeh
Mechanical Engineering Department, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
چکیده English

Wear is one of the most detrimental mechanisms which can affect the performance of many industrial systems. TiN coating due to its unique properties such as resistance to wear, oxidation, and heat is widely used in mechanical elements. In this research, TiN coating has been coated on steel substrate using a physical vapor deposition method. The coating’s properties have been obtained using nano-indentation test. Pin on disk wear test has been conducted while the disks are coated. The tests are conducted under three different loads and different speeds. It was shown that the samples with thicker coating show a better tribological performance. In this study, the relationship between wear and entropy has been investigated in order to predict the wear rate for different materials by predicting temperature. Also, temperature changes over time were predicted in two states of with and without coating. It was also shown that the samples with thicker coating have better wear resistance. One of the innovations of this research is the ability to establishing a correlation between the wear rate and produced temperature.

کلیدواژه‌ها English

Wear Temperature Relation
Pin On Disk Test
Tin Coating
wear
Finite element analysis
Rigney DA. Some thoughts on sliding wear. Wear. 1992;152(1):187-192. [Link] [DOI:10.1016/0043-1648(92)90214-S]
Mehdizadeh M, Akbarzadeh A, Shams K, Khonsari MM. Experimental investigation on the effect of operating conditions on the running-in behavior of lubricated elliptical contacts. Tribology Letters. 2015;59:6. [Link] [DOI:10.1007/s11249-015-0538-x]
Podra P, Andersson S. Simulating sliding wear with finite element method. Tribology International. 1999;32(2):71-81. [Link] [DOI:10.1016/S0301-679X(99)00012-2]
Benabdallah H, Olender D. Finite element simulation of the wear of polyoxymethylene in pin-on-disc configuration. Wear. 2006;261(11-12):1213-1224. [Link] [DOI:10.1016/j.wear.2006.03.040]
Rezaei A, Van Paepegem W, De Baets P, Ost W, Degrieck J. Adaptive finite element simulation of wear evolution in radial sliding bearings. Wear. 2012;296(1-2):660-671. [Link] [DOI:10.1016/j.wear.2012.08.013]
Hegadekatte V, Huber N, Kraft O. Finite element based simulation of dry sliding wear. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. 2005;13(1):57-75. [Link] [DOI:10.1088/0965-0393/13/1/005]
Hegadekatte V, Huber N, Kraft O. Modeling and simulation of wear in a pin on disc tribometer. Tribology Letters. 2006;24(1):51-60. [Link] [DOI:10.1007/s11249-006-9144-2]
Hegadekatte V, Huber N, Kraft O. Development of a simulation tool for wear in microsystems. In: Löhe D, Hausselt J. Microengineering of metals and ceramics, Part I. 3rd Volume. Weinheim: Wiley-VCH; 2005. [Link]
Lovell MR, Khonsari MM, Marangoni RD. A finite element analysis of the frictional forces between a cylindrical bearing element and MoS2 coated and uncoated surfaces. Wear. 1999;194(1-2):60-70. [Link] [DOI:10.1016/0043-1648(95)06708-6]
De Pellegrin DV, Stachowiak GW. Assessing the role of particle shape and scale in abrasion using 'sharpness analysis': Part I. Technique development. Wear. 2002;253(9-10):1016-1025. [Link] [DOI:10.1016/S0043-1648(02)00232-6]
De Pellegrin DV, Stachowiak GW. Simulation of three-dimensional abrasive Particles. Wear. 2005;258(1-4):208-216. [Link] [DOI:10.1016/j.wear.2004.09.040]
Woldman M, Ven Der Heide E, Tinga T, Masen MA. A finite element approach to modeling abrasive wear modes. Tribology Transaction. 2017;60(4):711-718. [Link] [DOI:10.1080/10402004.2016.1206647]
Hegadekatte V, Kurzenhäuser S, Huber N, Kraft O. A predictive modeling scheme for wear in tribometers. Tribology International. 2008;41(11):1020-1031. [Link] [DOI:10.1016/j.triboint.2008.02.020]
Ghatrehsamani S, Akbarzadeh S. Predicting the wear coefficient and friction coefficient in dry point contact using continuum damage mechanics. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. 2018:233(3):447-455. [Link] [DOI:10.1177/1350650118785045]
- Martínez FJ, Canales M, Izquierdo S, Jiménez MA, Martínez MA. Finite element implementation and validation of wear modelling in sliding polymer-metal contacts. Wear. 2012;284-285:52-64. [Link] [DOI:10.1016/j.wear.2012.02.003]
Bortoleto EM, Rovani AC, Seriacopi V, Profito FJ, Zachariadis DC, Machado IF, et al. Experimental and numerical analysis of dry contact in the pin on disc test. Wear. 2013;301(1-2):19-26. [Link] [DOI:10.1016/j.wear.2012.12.005]
Gerbig YB, Ahmed SU, Chetwynd DG, Haefke H. Topography-related effects on the lubrication of nanostructured hard surfaces. Tribology International. 2006;39(9):945-952. [Link] [DOI:10.1016/j.triboint.2005.09.005]
Iglesias P, Bermudez MD, Moscoso W, Rao BC, Shankar MR, Chandrasekar S. Friction and wear of nanostructured metals created by large strain extrusion machining. Wear. 2007;263(1-6):636-642. [Link] [DOI:10.1016/j.wear.2006.11.040]
Amiri M, Khonsari MM, Brahmeshwarkar S. On the relationship between wear and thermal response in sliding systems. Tribology Letters. 2010;38(2):147-154. [Link] [DOI:10.1007/s11249-010-9584-6]
Amiri M, Khonsari MM, Brahmeshwarkar S. An application of dimensional analysis to entropy-wear relationship. Journal of Tribology. 2012;134(1):011604. [Link] [DOI:10.1115/1.4003765]
Tavoosi H, Ziaei-Rad S, Karimzadeh F, Akbarzadeh S. Experimental and finite element simulation of wear in nanostructured NiAl coating. Journal of Tribology. 2015;137(1):041601. [Link] [DOI:10.1115/1.4030683]