نانوپوشش‌ها، ماشین‌آلات صنایع کشاورزی را مقاوم‌تر می‌کنند

محسن معصومی: بر اساس یافته‌های جدید، نانوپوشش‌ها، صنایع کشاورزی، مواد غذایی، ماشین‌آلات را سخت‌تر و مقاوم‌تر می‌کنند. با توسعه و گسترش دانش و فناوری نانو، این فناوری کاربردهای گسترده‌ای در صنایع کشاورزی، مواد غذایی، ماشین‌آلات و صنایع وابسته آن یافته است.

گذشته از محصولات ارائه شده با توجه به ظرفیت فوق‌العاده کاربرد فناوری نانو در صنایع غذایی و کشاورزی انتظار می‌رود در دو دهه آینده انقلاب بزرگی در این صنایع پدید‌‌اید به گونه‌ای که اثرات آن بسیار فراتر از کشاورزی مکانیزه خواهد بود. با توجه به پیشرفت چشمگیر فناوری نانوپوشش‌ها در کشور امیدواریم‌ بتوانیم با بهره‌گیری از این فناوری مشکلات موجود در رویارویی با سایش، فرسایش و ضربه در صنعت کشاورزی، مواد غذایی، ماشین‌آلات و صنایع وابسته را رفع کنیم.
صنایع کشاورزی و مواد غذایی از جمله صنایع فعال در کشور هستند که به دلیل شرایط کاری شدید و محیط عملکرد برخی از قطعات و تجهیزات مورد تخریب قرار گرفته‌اند که در نهایت هزینه‌های بالایی برای این صنایع داشته است.
بیش از ۱۰۰ سال است که از عملیات سطحی و استحکام‌بخشی موضعی سطح، به عنوان راهکاری عملی برای بهبود عملکرد و افزایش عمر قطعات استفاده می‌شود. در دو دهه گذشته با ظهور فناوری‌های نوین، فرآیندهای سنتی گذشته یا با این فناوری تکمیل و اصلاح شده ‌یا اینکه جایگزین مناسبی برای آنها معرفی شده است. برای مثال، سختی و مقاومت به سایش پایین، زبری سطح بالا و مضرات زیست‌محیطی، در فرآیند آب‌کاری کروم سخت، از جمله این عیوب است، ضمن اینکه بهبود خواص سطحی حاصل از روش‌های نوین بسیار بیشتر از فرآیندهای سنتی است.
حفظ، نگهداری و تعمیرات تجهیزات در صنایع کشاورزی، مواد غذایی، ماشین‌آلات و صنایع وابسته آن در برابر سایش، خوردگی و مقاومت به ضربه از موارد مهم است. در سال‌های گذشته با گسترش فناوری نانو، شرکت‌های بزرگ دنیا سعی در بهره‌گیری از این فناوری در بخش‌های مختلف این صنایع از جمله تجهیزات دارند.


چالش‌های جدی و روش رفع آنها
در عین حال، تجهیزات صنایع کشاورزی، مواد غذایی، ماشین‌آلات و صنایع وابسته آن با چالش‌های جدی همراه هستند. از چالش‌های مطرح در صنعت کشاورزی می‌توان به تخریب سطوح موتورها، چرخ‌دنده‌ها و بلبرینگ‌های ماشین‌آلات و همچنین تیغه‌های برش کمباین‌های مورد استفاده در این صنعت(‌به موجب عواملی مانند اصطکاک، سایش و خوردگی) و همچنین شرایط محیطی اشاره کرد. قالب‌های تزریق پلاستیک، غلتک‌های شکل‌دهی ورق‌های آلومینیومی، تیغ‌های خرد‌کننده مواد گوشتی و چرخ‌های برنده دانه‌های گیاهی به کار رفته در صنعت فرآوری مواد غذایی به دلیل سایش، خوردگی و زبری سطح بالا از جمله چالش‌های مطرح در این حوزه هستند. از این رو، برای حل این چالش‌ها، طراحان با استفاده از «مهندسی سطح» و اعمال فرآیندهای پوشش‌دهی مانند نیتروژن‌دهی، آبکاری کروم سخت و فرآیند PVD و PACVD توانسته‌اند‌ درصد تخریب قطعات را کاهش دهند اما به دلیل حساسیت تجهیزات این صنعت و لزوم افزایش بازده قطعات در ۳ دهه گذشته، فناوری نانوپوشش به کمک حل این موضوع آمده است. در فناوری نانوپوشش به دلیل ماهیت نانویی بودن پوشش، خواص متفاوت و منحصر به فردی به قطعه خواهد بخشید. افزایش فوق‌العاده سختی تا محدوده ۵۰ گیگاپاسکال، ضریب اصطکاک ۰/۰۱، کاهش زبری سطح، بهبود مقاومت به سایش و خوردگی از جمله این خواص است تا در نهایت یک ساختار سطحی هموار‌‌ روی قطعات ایجاد تا موجب بالا رفتن عمر کاری، بازدهی و توان بالاتر در قطعات شود.


انواع نانوپوشش‌های سخت و مقاوم
نانوپوشش‌ها به دسته‌ای از روکش‌ها اطلاق می‌شود که دارای دو ویژگی باشند؛ نخست آنکه در یکی از اجزای آن (ساختار یا اجزای سازنده) دارای ابعاد بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر باشند و دیگر آنکه نسبت به حالت متداول دارای خواص ویژه و منحصر به فردی باشند. مانند خواص مطلوب مقاوم به سایش، فرسایش و خوردگی.


اعمال پوشش روی اجزای موتورها
 به دلیل شرایط کاری موتورها(اصطکاک، سایش و خراش بالا) بیشتر اجزای این موتور از جمله چرخ‌دنده‌ها، یاتاقان‌ها، رینگ‌ها و... برای بهبود خواص سطحی پوشش‌دهی می‌شوند. یکی از راه‌های برآورد کردن مقررات سختگیرانه و بهبود عملکرد موتورها، بکارگیری پوشش‌های PVD و PACVD روی اجزای موتورهاست. با بهره‌گیری از نانوپوشش‌های ایجاد شده به کمک پلاسما روی اجزای موتورها می‌توان به خواص روانکاری، مقاومت به سایش بالا، افزایش عمر کاری و عملکرد موتور و اجزای آن به ‌واسطه کاهش اصطکاک و سایش، افزایش سرعت چرخش‌ و کاهش تولید و انتشار گاز۲‌CO دست یافت. در خودروهای معمولی، حدود ۱۰ تا ۱۵ درصد از انرژی به دلیل اصطکاک هدر می‌رود. از این رو، پوشش DLC لایه‌نشانی شده روی قطعات موتور موجب کاهش۴۰ درصد ضریب اصطکاک می‌شود که در نتیجه این موضوع مصرف سوخت کاهش می‌یابد و میزان گاز ۲‌CO حدود یک تا ۲ درصد کاهش خواهد یافت. از این رو، ترکیبی از سختی، چقرمگی و سهولت در بکارگیری این پوشش‌ها در محیط‌های خشن موتورها، آنها را برای این کاربردها مناسب کرده است.


اعمال پوشش روی ابزارآلات
دقت و کیفیت ماشین‌آلات مورد استفاده اصلی‌ترین نقش را در تولید محصول مرغوب ایفا می‌کند. از این رو، لازم است تا با بهره‌گیری از فناوری نانوپوشش به حل برخی مشکلات موجود در صنعت کشاورزی پرداخت. پره‌ها، صفحه‌های سایشی، ابزارهای برنده و نگهدارنده‌های ابزارهای برنده به کار رفته در ماشین‌آلات کشاورزی تحت نیروهای پیوسته و تصاعدی قرار دارند و بر اثر برخورد با ذرات رس، ریگ‌ها و پسماندهای گیاهی در خاک و گل، سطوح آنها دچار سایش می‌شوند که از نوع سایش خراشیدگی است. به دلیل تقاضای زیاد برای افزایش مقاومت به سایش این قطعات، راهکارهایی از جمله، استفاده از مواد سخت، عملیات حرارتی و پوشش‌دهی سطوح با مواد سخت ارائه شده است. بنابر‌این، به موجب بهره‌گیری از فناوری نانوپوشش‌ها، افزایش کارآیی و بازده در ماشین‌آلات کشاورزی مشاهده می‌شود که به دلیل افزایش مقاومت به سایش و افزایش عمر کاری این قطعات در شرایط کاری سخت است.
همچنین دیسک‌ها و درام‌های تیغه‌های ماشین‌های چمن‌زنی با ضربه زدن به محصول، آن را می‌برد. در این ماشین‌ها تعدادی دیسک چرخشی وجود دارد که به هر کدام از این دیسک‌ها دو تیغه کوچک متصل شده است. برای بریدن محصولات این دیسک‌ها با سرعت بالا می‌چرخند که ممکن است برخی مواقع با سنگ‌ها، کلوخه‌ها و غیره که در داخل محصول باقی مانده‌اند برخورد کنند. در این صورت نیاز به لایه‌نشانی این قطعات با پوشش‌های PVD با سختی بالا و بیشینه چقرمگی و چکش‌خواری وجود دارد.
از قطعات دیگری که در صنعت کشاورزی نیاز به پوشش‌دهی دارند گاوآهن است. این قطعه به دلیل شرایط کاری به‌شدت تحت سایش قرار دارد. با توجه به مطالعات انجام‌شده، پوشش نیترید تیتانیوم لایه‌نشانی‌شده به روش PVD بهترین عملکرد را در رویارویی با پدیده سایش از خود نشان می‌دهد.
مشکلات سایش به چند طریق به صنعت کشاورزی آسیب می‌رساند. اجزای گاوآهن که در معرض سایش شدید به دلیل تماس خاک هستند بر اثر سایش اندازه این اجزا و کیفیت خاک‌ورزی کاهش یافته و در نتیجه بازدهی تولید محصول پایین خواهد آمد. فرسوده شدن ابزار سبب کاهش کارآمدی و به موجب آن، افزایش در میزان کار و مصرف سوخت ماشین کشنده خواهد شد. افزایش عمر ابزارآلات به کار رفته در صنعت کشاورزی، سبب این عوامل‌ خواهد شد:
• کاهش در زمان کار و منجر به افزایش بهره‌وری
• کاهش نرخ سایش، نیاز به تیزکاری کمتر، کاهش مصرف انرژی و در نتیجه کاهش هزینه
• کاهش در سایش ابزار که در عمق زیاد به مدت طولانی کار می‌کنند و همچنین بهبود فرآیند خاک‌ورزی
• کاهش هزینه تعمیر و نگهداری


کاربردهای مهم نانوپوشش‌ها در صنعت مواد غذایی
اجزای ماشین‌آلات فرآوری غذا به طور معمول‌ در محیط‌های خورنده و ساینده کار می‌کنند. در مواردی از فولادهای ضدزنگ «آستنیتی» برای مقابله با پدیده خوردگی بهره گرفته می‌شود اما به دلیل نرم بودن (۳۰۰ ویکرز) این فولادها، در هنگام کار ساییده می‌شوند. برخی شرکت‌ها، با اعمال پوشش CrN به روش «اسپاترینگ»، سختی سطح و همچنین مقاومت به سایش آنها را افزایش داده است. مزایای بهره‌گیری از پوشش‌های CrN در پوشش‌دهی این اجزا‌ منجر به سختی بالا و در نتیجه کاهش سایش به ‌وسیله ذرات شده و سمیت بر اثر استفاده از پوشش‌های سرامیکی را کاهش می‌دهد. همچنین تمیز کردن بدون آسیب ناشی از سختی سطحی بالاتر را میسر کرده و در نهایت منجر به دریافت تاییدیه FDA برای این پوشش‌ها می‌شود.
از سوی دیگر، پوشش‌های پاشش حرارتی لایه‌نشانی‌شده روی تجهیزات فرآیندهای تهیه مواد غذایی مقاومت به سایشی و خوردگی عالی نشان می‌دهند. برای مثال، در تولید سوسیس و کالباس از تیغه‌های برش برای خرد کردن مواد اولیه استفاده می‌شود. این تیغه‌ها به دلیل بکارگیری پیوسته کند می‌شود. از این رو، برای افزایش عمر کاری تیغه‌ها، کاهش هزینه تعمیر و نگهداری و بالا بردن بازدهی کاری این قطعات پوشش‌دهی می‌شوند. از پوشش‌های متداولی که برای لایه‌نشانی این قطعات استفاده می‌شود، پوشش نیترید تیتانیوم است.
قطعات و تجهیزات درگیر در فرآوری مواد غذایی باید بازدهی بالا و از لحاظ هزینه به‌صرفه باشد. فرآوری مواد غذایی به طور معمول‌ به صورت کاملا خودکار در شرایط عملیاتی دقیق انجام می‌شود. از این رو، قطعات و تجهیزات به کار رفته در این صنعت ‌باید‌ از لحاظ امنیت و اطمینان در درجه بالایی قرار داشته باشند. برای نمونه، بلبرینگ‌های قوی باید مقاومت به خوردگی بالا و سیل‌های مورد استفاده باید خواص روانکاری داشته باشند تا بتوانند در شرایط کاری پیوسته کار کنند. برای این منظور این قطعات در عملیات حرارتی یا پوشش‌دهی قرار می‌گیرند.


 شفت‌ها، آسترها و پروانه‌ای‌های پمپ‌ها
می‌توان شفت‌ها، آسترها و پروانه‌ای‌های پمپ‌های مورد استفاده در فرآوری مواد غذایی را برای بهبود خواص سایشی‌شان پوشش‌دهی کرد. سطوح شفت‌ها، آسترها‌ یا حتی سیل‌ها و بلبرینگ‌ها به طور معمول‌ پوشش‌دهی می‌شوند. سطوح پوشش داده شده ‌روی سطوح پرداخت‌شده با زبری سطح در حدود ۱۰ تا ۱۶ میکرون-اینچ سوار شوند که این عمل موجب روانکاری سطوح سیل‌ها خواهد شد. پروانه‌ای‌ها به طور معمول‌ به وسیله پوشش‌های حاوی کاربید برای محافظت در برابر سایش و فرسایش لایه‌نشانی می‌شوند. تمامی این پوشش‌ها جایگزین مناسبی برای آبکاری کروم سخت هستند. همچنین، پوشش DLC به دلیل سختی بالا از ۷۰۰۰-۲۰۰۰ ویکرز و چسبندگی عالی برای لایه‌نشانی ‌روی قطعات عنوان‌شده بسیار مناسب است.


کاربرد نانوپوشش‌ها در صنعت بسته‌بندی مواد غذایی
از نانوپوشش‌های سخت برای جلوگیری از سایش اجزای ماشین‌آلات بسته‌بندی استفاده می‌شود. سایش در این ماشین‌آلات به طور معمول‌ به دلیل تماس فلز با فلز است. پدیده سایش موجب تعطیلی خط خواهد شد تا صفحه‌های سایشی جایگزین شود. از نانوپوشش‌های TiN و CrN برای پوشش‌دهی این صفحه‌ها استفاده می‌شود. به عنوان یک شاخص هنگامی که زیر لایه فلزی نقره‌ای تحت سایش از نیترید کروم برای پوشش‌دهی آن استفاده می‌شود در این صورت عمر کاری این صفحه‌ها از ۸ هفته به ۶ ماه افزایش می‌یابد.


مرکز توسعه نانوپوشش ستاد فناوری نانو
مرکز توسعه نانوپوشش یکی از زیر‌مجموعه‌های کارگروه صنعت و بازار ستاد ویژه توسعه فناوری نانو در سال ۱۳۹۲ با هدف رسوخ فناوری نانوپوشش‌ها در صنایع و شرکت‌های متقاضی و همچنین هدایت و حمایت شرکت‌های فناور در حوزه نانوپوشش تشکیل شد. درحال‌حاضر این مرکز با ارائه خدماتی همچون مشاوره و عارضه‌یابی، مهندسی، تحقیق‌و‌توسعه، آموزش تخصصی و حمایت‌های مالی ویژه درصدد بهره‌مندی صنایع و شرکت‌های متقاضی از این فناوری به شمار می‌رود. اهداف مهم این مرکز به این شرح‌ است:
• آشنایی صنایع با ظرفیت‌های بالقوه و بالفعل فناوری نانوپوشش
• ارائه خدمات فنی، مشاوره‌ای، تحقیق‌و‌توسعه‌ای به صنایع
• حل مشکلات صنعتی موجود با تکیه بر توانمندی فناوری
• رسوخ، بکارگیری و توسعه فناوری نانوپوشش در صنایع
• کمک به فناوران برای عرضه فناوری به صنعت
• بازارسازی و بازاریابی فناوری نانوپوشش
• کمک به افزایش بهره‌وری صنایع از طریق بکارگیری فناوری نانوپوشش
• رصد آخرین تحولات جهانی در حوزه پژوهشی و صنعتی فناوری نانوپوشش
صنایع علاقه‌مند به آشنایی با خدمات این مرکز و نیز بهره‌مندی از آن می‌توانند به وب‌سایت مرکز توسعه نانوپوشش ایران به نشانی www.NanoCoating.ir مراجعه کنند.


چاپ