کشاورزی در فضای نانو

بیش از یکصد سال است که از عملیات سطحی و استحکام‌بخشی موضعی سطح، به عنوان راهکاری عملی برای بهبود عملکرد و افزایش عمر قطعات استفاده می‌شود.

به گزارش پایگاه خبری گسترش، روزنامه صمت نوشت: در ۲دهه گذشته با ظهور فناوری‌های جدید، 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، ازجمله این عیوب است. ضمن اینکه بهبود ویژگی سطحی حاصل از روش‌های جدید 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 استفاده از این فناوری در بخش‌های مختلف این صنایع ازجمله تجهیزات است. با توجه به ظرفیت فوق‌العاده کاربرد فناوری نانو در صنایع غذایی و کشاورزی انتظار می‌رود در ۲دهه آینده انقلاب بزرگی در این صنایع پدیداید به‌گونه‌ای که اثرات آن بسیار فراتر از کشاورزی مکانیزه خواهد بود. در این گزارش به کاربردهای «فناوری نانوپوشش سخت و مقاوم» پرداخته می‌شود. به عنوان مثال ابزارآلات، قالب‌های تزریق پلاستیک و قالب‌های فورج، تیغه‌های برش در کمباین‌ها و موتورهای دیزلی مورداستفاده در این صنعت به شدت نیازمند فناوری نانوپوشش‌هاست. 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، غلطک‌های شکل‌دهی ورق‌های آلومینیمی، تیغ‌های خردکننده مواد گوشتی و چرخ‌های برنده دانه‌های گیاهی مورد استفاده در صنعت فرآوری مواد غذایی به دلیل سایش، خوردگی و زبری سطح بالا ازجمله چالش‌ها مطرح در این حوزه است. از این‌رو برای رفع 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، ولی به دلیل حساسیت تجهیزات این صنعت و لزوم افزایش راندمان قطعات در ۳دهه گذشته، فناوری نانوپوشش به کمک رفع این موضوع آمده است. در فناوری نانوپوشش به‌دلیل ماهیت نانویی بودن پوشش، ویژگی متفاوت و منحصربه‌فردی به قطعه خواهد بخشید. افزایش فوق‌العاده سختی تا محدوده ۵۰گیگا پاسکال، ضریب اصطکاک ۰۱/۰، کاهش زبری سطح، بهبود مقاومت به سایش و خوردگی ازجمله این ویژگی است تا درنهایت یک ساختار سطحی هموار روی قطعات ایجاد شود تا موجب بالا رفتن عمرکاری، بازدهی و توان بالاتر در قطعات شود. برای آشنایی بیشتر با نانوپوشش‌ها، در ادامه تعریف و سپس انواع آنها از نظر ساختاری آورده شده است. نانوپوشش‌ها به دسته‌ای از روکش‌ها اطلاق می‌شود که دارای ۲ویژگی زیر باشد: ۱- در یکی از اجزای آن (ساختار یا اجزای سازنده) دارای ابعاد بین ۱تا ۱۰۰نانومتر باشد. ۲- نسبت به حالت متداول دارای خواص ویژه و منحصربه‌فردی باشد. مانند ویژگی مطلوب مقاوم به سایش، فرسایش وخوردگی. اعمال پوشش بر روی قطعات و ابزارآلات مورد استفاده در صنعت کشاورزی دقت و کیفیت ماشین‌آلات مورد استفاده اصلی‌ترین نقش را در تولید محصول مرغوب ایفاء می‌کند. از این‌رو لازم است تا بهره‌گیری از فناوری نانوپوشش به رفع برخی مشکلات موجود در صنعت کشاورزی پرداخت. پره‌ها، صفحات سایشی، ابزارهای برنده و نگهدارنده‌های ابزارهای برنده مورد استفاده در ماشین‌آلات کشاورزی با نیروهای پیوسته و تصاعدی قرار دارند و در اثر برخورد با ذرات رس، ریگ‌ها و پسماندهای گیاهی در خاک و گل، سطوح آنها دچار سایش می‌شوند که از نوع سایش خراشان است. به دلیل تقاضای زیاد برای افزایش مقاومت به سایش این قطعات، راه‌کارهایی ازجمله، استفاده از مواد سخت، عملیات حرارتی و پوشش‌دهی سطوح با مواد سخت ارائه شده است. از این‌رو به موجب بهره‌گیری از فناوری نانوپوشش‌ها، افزایش کارآیی و راندمان در ماشین‌آلات کشاورزی مشاهده می‌شود که به دلیل افزایش مقاومت به سایش و افزایش عمرکاری این قطعات در شرایط کاری سخت است. شرکت کانادایی کمباین ازجمله شرکت‌های پیشتاز در تامین قطعات کشاورزی در دنیا است که برای بهبود کیفیت محصول نهایی خود اقدام به پوشش‌دهی آنها می‌کنند. شرکت کندکس با اعمال پوشش‌های سخت به روش پاشش حرارتی روی لبه‌های تیغه‌های ماشین‌آلات کشاورزی سبب افزایش عمرکاری آنها شده است. تیغه با پوشش پاشش حرارتی در مقایسه با نمونه بدون پوشش، بهبود ۲۰درصد در عملکرد خود نشان می‌دهد. در آزمونی دیگر به مطالعه میزان جرم از دست رفته در آزمون سایش تیغه‌های Kondex با ۳۰درصد کاربید تنگستن، ۵۰درصد کاربید تنگستن پرداخته شده است. مشاهده شد که تیغه Kondex با ۳۰درصد و۵۰درصد کاربید تنگستن در مقایسه با تیغه معمولی به ترتیب ۳۰درصد و ۴۰درصد افزایش عمرکاری از خود نشان می‌دهند. دیسک‌ها و درام‌های تیغه‌های ماشین‌های چمن‌زنی با ضربه زدن به محصول، آن را می‌برد. در این ماشین‌ها تعدادی دیسک چرخشی وجود دارد که به هرکدام از این دیسک‌ها ۲تیغه کوچک متصل شده است. برای بریدن محصولات این دیسک‌ها با سرعت بالا می‌چرخند که ممکن برخی مواقع با سنگ‌ها، کلوخه‌ها و... که در داخل محصول باقی‌مانده‌اند 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 به شدت تحت سایش قرار دارد. با توجه به مطالعات انجام شده، پوشش نیترید تیتانیوم لایه‌نشانی شده به روش (PVD) بهترین عملکرد در مواجهه با پدیده سایش از خود نشان می‌دهد. در صنعت کشاورزی، مشکلات سایش به چند طریق به این صنعت آسیب می‌رساند. اجزای گاوآهن که در معرض سایش شدید به دلیل تماس خاک است. در اثر سایش اندازه این اجزاء و کیفیت خاک‌ورزی کاهش‌یافته 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 مورد استفاده در صنعت کشاورزی، سبب عوامل زیر خواهد شد: -‌ کاهش در زمان کار و منجربه 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 فرآیند خاک‌ورزی بهبود خواهد یافت -‌ کاهش هزینه تعمیر نگهداری