نشریه پیام آبکار – بهار ۱۳۹۵
اصول آبکاري الکترولس
(قسمت دوم)
حامد رحماني
دانشجوي کارشناسي مهندسي مواد
دانشگاه خواجه نصيرالدين طوسي
شيرين بقايي
دانشجوي کارشناسي ارشد مهندسي مواد
دانشگاه خواجه نصيرالدين طوسي
محمود علي اف خضرايي
استاديار خوردگي و حفاظت از مواد
حمام قليايي آلياژ نيکل- بور
هنگامي که بور موجود در رسوب الکترولس نيکل -بور قليايي در محدوده 0/2-4 درصد وزني باشد عامل کاهش آمينو بوران(N -آلکيل آمينو بوران) است و زماني که 4-7 درصد وزني بور باشد سديم بوروهيدرايد عامل کاهنده است.
آنها معمولا در دمايي در محدوده 20-90 درجه سانتيگراد عمل مي کنند که در اين حالت حمام سرد قليايي نيکل- بور ترجيح داده مي شود. در درجه حرارت بالا، حمام ناپايدار و مصارف صنعتي آن محدود مي شود.
اين حمام آلکيل آمين بوران به طور کلي داراي يک نرخ رسوب بسيار آهسته است که براي کنترل رسوب نيکل هيدروکسيد عوامل کمپلکس مانند اتيلن آمين استفاده مي شوند [60]. ترکيب معمولي حمام داغ قليايي شامل گرم بر ليتر 30 نيکل کلريد، 60 گرم بر ليتر اتيلن، 2/1 گرم بر ليتر سديم بوروهيدرايد، 007/0گرم بر ليتر تاليم نيترات و40 گرم بر ليتر سديم هيدروکسيد است. شرايط عملياتي pH برابر 14، درجه حرارت90 درجه سانتيگراد و نرخ رسوب 25 – 20 ميکرومتر بر ساعت است و ترکيب معمولي حمام سرد قليايي شامل 30 گرم بر ليتر نيکل سولفات، 3 گرم بر ليتر دي متيل آمين بوران، 15 گرم بر ليتر آمونيوم سيترات، 15 گرم بر ليتر آمونيوم کلريد و 0002/0 گرم بر ليتر مرکپتوبنزا تيازول مي باشد.
شرايط عملياتي آن، pH بيشتر از 5/7، درجه حرارت 35-25 درجه سانتيگراد و نرخ رسوب 12-7 ميکرومتر بر ساعت است. مزاياي اصلي بروهيدرايد حاصل از کاهش رسوب نيکل الکترولس مقاومت در برابر سختي و سايش است.
درووس و همکاران. يک روش گرمايش خلاء پيشنهاد دادن که در مدت کمتر از نيم ساعت منجر به ايجاد سختي سطحي برابر با فرايند چند ماهه با روش هاي متداول ، يعني حرارت در جو خنثي [61] است. 5 دقيقه عمليات حرارتي در محيط خلاء معادل سختي سطح کروم ،که در برخي از موارد به2000 ويکرز مي رسد و بدون خطرناک زيست محيطي و فاضلاب حاصل از آبکاري کروم سخت مي باشد.
اين روش را مي توان براي انواع صنايع بکار برد ، مثلا جايي که در آنجا نياز به جايگزين هاي آبکاري کروم سخت است.کانتا و همکاران، نيکل- بور الکترولس را بر روي فولاد نرم عمليات حرارتي شده مورد بررسي قرار دادند، از جمله عمليات حرارتي در 95 درصد آرگون و 5 درصد هيدروژن در400 درجه سانتيگراد براي 1 ساعت وعمليات حرارتي شيميايي در جو نيتروژن در500 درجه سانتيگراد به مدت 2 ساعت ،که توسط عمليات بر پايه آمونياک ادامه پيدا مي کند.
پس ازعمليات حرارتي- شيميايي، پوشش متبلور نيکل و نيکل بوريد توليد مي شود[62]. محققان مشابه نيز مطالعاتي بر روي سيستم نيکل- فسفر و سيستم هاي نيکل– بور روي، زمينه فولاد و به خصوص تهيه زمينه آلومينيم که توسط يک لايه بيروني از رسوب نيکل- فسفر محافظت مي شد انجام دادند که منجر به سطحي صاف وترکيب الکتروشيميايي نجيب تر نسبت به نيکل- بور مي شد [63] .
علاوه بر اين رسوب نانو بلوري نيکل - بور الکترولس بر روي سطح فولاد نرم به منظور بهبود سايش و خواص مکانيکي رسوب ترکيب مي شود.
چند آلياژي ها
روش الکترولس يکي از فرآيندهاي بسيار خوب براي پوششهاي آلياژي است. آلياژهاي سه تايي و چهار تايي نوشته شده به چند آلياژي ها معروف هستند[65] برخي از آلياژهاي نيکل-کبالت- فسفر، نيکل- کبالت-آهن- فسفر به دليل خواص مغناطيسي عالي مورد استفاده قرار مي گيرند. آلياژ سه تايي نيکل – مس- فسفر (1درصد مس) مقاومت در برابر خوردگي بالا و شکل پذيري بالايي در مقايسه با آلياژ استاندارد نيکل- فسفر [67،66] دارد.
آلياژ سه تايي حاوي موليبدن (نيکل - موليبدن- بور) لحيم پذيري خوبي دارد (17درصد موليبدن،0.3درصد بور) و خواص غير فرومغناطيس، آن را در صنعت الکترونيک بسيار مفيد مي سازد. آلياژهاي سه تايي تنگستن (10درصد تنگستن) افزايش در سختي و مقاومت در برابر خوردگي نشان مي دهند و آلياژ قلع(40درصد قلع) به عنوان ماده مقاوم به خوردگي اضافه مي شود. به طور کلي، چند آلياژها در جايي که مواد شيميايي منحصر به فرد و مقاومت در برابر دماي بالا و يا خواص الکتريکي، مغناطيسي و غير مغناطيسي مورد نياز است استفاده مي شوند .
آلياژهاي مختلف براي پوشش بر روي کاربردهاي فيزيکي و مکانيکي موردنظر و انتخاب آلياژ بستگي به نوع کاربردها و مسائل اقتصادي دارد.مشخصه رسوب آلياژ الکترولس و نوع پوشش آلياژ فلزي در جدول 1 خلاصه شده است.عنصر سوم در رسوب مشترک آبکاري نيکل- فسفر الکترولس تحت تاثير خواص پوشش است. گنجاندن مس يا قلع در نيکل- فسفر الکترولس شرايط پايدار حرارتي آمورف را افزايش مي دهد و هنگامي که مقدار مس در پوشش 2/17 درصد وزني است موجب حفظ يک رفتار پارامغناطيسي و بهبود مقاومت در برابر خوردگي [68] مي شود، رسوب نيکل - مس- فسفر بهترين عملکرد ضد خوردگي [69] را دارد. علاوه بر اين مس درسيستم نيکل - مس- فسفر انحلال نيکل را تسريع مي بخشد و در نتيجه در غني سازي لايه سطحي از عناصر فسفر و مس در پوشش اثرناپذير نيکل و نفوذ Ni+2 به سوي محلول حجمي جلوگيري مي کند و در نتيجه باعث افزايش مقاومت خوردگي پوشش نيکل - مس- فسفر مي شود. اين پوشش نه تنها براي تراکم گاز خروجي بلکه براي کاربرد بالقوه در مبدل حرارتي نيز استفاده مي شود [70].
علاوه بر اين، رسوبات چند لايه هيبريدي در روي فولاد نرم نيکل - مس- فسفر- تيتانيم خواص مکانيکي از جمله ضريب اصطکاک و نانو سختي را در مقايسه با آلياژ نيکل – مس- فسفر افزايش مي يابد. از اين رو، اين نوع از پوشش هاي چند لايه هيبريدي مي تواند آينده خوبي براي بهبود همزمان مقاومت مکانيکي و خواص خوردگي [71] داشته باشد.
همچنين افزودن قلع (2-1 درصد درصد وزني ) يا مس(4-3 درصد درصد وزني ) به فسفر درصد بالا دماي تبلور رسوب نيکل- فسفر الکترولس آمورف را افزايش مي دهد. يوان و همکاران [72] موفق به ساخت نانوسيم آلياژي نيکل- تنگستن- فسفر الکترولس در مقياس بزرگ و يکنواخت در يک غشاي آلوميناي آندي براي گزارش تراکم مغناطيسي شدند. علاوه بر اين، اضافه کردن تنگستن به پوشش نيکل- فسفر به طور موثري پايداري حرارتي و خواص مکانيکي را افزايش مي دهد.
همچنين مس يا قلع در حمام نيکل- تنگستن-فسفر منجر به رسوب چهارتايي نيکل- تنگستن- مس- فسفر و نيکل-تنگستن- قلع- فسفر با افزايش تبلور [75-73] مي شود. سيستم پوشش الکترولس نيکل- تنگستن- فسفر مي تواند به عنوان يک ماده مطرح در مخزن ذخيره سازي که از حمله خورنده توسط بيوديزل محافظت مي کند[76] استفاده شود. در مطالعه ديگري، عمليات سطحي ليزر بر روي سيستم هاي نيکل- تنگستن-فسفر انجام شد که توليد يک فاز نيکل نانو بلوري و رسوب نيکل فسفيد با ساختار آمورف مي کرد. عملکرد خوردگي رسوبها تا حد زيادي با عمليات سطحي ليزر بهبود مي يابد. انتخاب پارامترهاي ليزر بستگي به ضخامت پوشش و خواص آلياژ و غيره دارد [77].
وانگ [78] با استفاده از بوريک اسيد و سديم سيترات به عنوان عامل کمپلکس آلياژهاي نيکل- آهن- فسفر را رسوب داد، او متوجه شدکه حضور آهن سولفات در حمام اثر مهارکننده بر روي رسوب آلياژ دارد و درصد آهن در رسوب هرگز افزايش نمي يابد. در واقع، مشاهده شد همواره کمتر از 6/15 درصد آهن موجود است که خواص مکانيکي پوشش را بهبود داده و درصد فسفر را کاهش مي دهد. پوشش آلياژ الکترولس سه تايي نيکل- روي- فسفر به عنوان نوع جديدي از فلز پوشاني تحت ضربه استفاده مي شود براي واکنش با لحيم بدون سرب و Ni–8Zn–8P پايداري حرارتي بهتري از لايه پوشش نيکل- فسفر نشان مي دهند.
اين لايه سه تايي نيکل-روي- فسفر ممکن است يک جايگزين مرسوم به جاي استفاده از لايه نيکل- فسفر و يا طلا يا نيکل فسفيد براي کاربرد [UBM] به کار رود[79]. دوهين و همکاران يک روش جديد به منظور تماس نيکل سيليسيد با آبکاري الکترولس ، آلياژهاي نيکل(نيکل- فسفر، نيکل- تنگستن- فسفر، نيکل - تنگستن- بور) در نوع p سيليس(100) با استفاده از آمينو پروپايل تري توکسي سالين فعال شده با پالاديم سيترات پيشنهاد دادند.آبکاري نيکل الکترولس مي تواند براي توسعه نيکل سيليسيد (NiSi) اين لايه ها استفاده شود.
رسوب الکترولس وسيلان مرتبط با فعاليت APTES مي تواند از فاز مايع باشد، اين فرايند نسبتا ساده است و نيازي به سيستم رسوب خلاء پيچيده ندارد در نتيجه راحت تر است و هزينه پايين تري نسبت به هنگامي که تبخير و روش کندوپاش باشد دارد.
با اين وجود، بهينه سازي بيشتري براي به دست آوردن لايه با خواص بهبود يافته مورد نياز است [80] پانگ و همکاران يک فرايند براي پوشش نيکل- فسفر-کبالت الکترولس با استفاده از c - آمينو پروپايل تري توکسي سالين (APTES) محيا کردندکه تداوم و يکنواختي پوششهاي آلياژي را بطور قابل توجهي بهبود مي دهد.
نرخ رسوب بستگي به نسبت غلظت نيکل سولفات به کبالت سولفات و غلظت سديم هيپوفسفيت و pH حمام آبکاري دارد و مشخص شد که ميزان آبکاري رسوب الکترولس نيکل-کبالت- فسفر نسبت به نرخ غلظت CO+2 / Ni+2 افزايش مي يابد.
افزايش غلظت سديم هيپوفسفيت و pH همچنين مي تواند نرخ آبکاري را بالا ببرد و رسوب اوليه فاز آمورف نيکل-کبالت- فسفر با افزايش دماي بازپخت تبديل به فاز بلوري شود. علاوه بر اين، خاصيت مغناطيسي کامپوزيت بهتر از درصد کبالت در رسوب ها و افزايش درجه حرارت تصفيه است[81].
روشي جديد به منظور کاهش هسته از دست رفته در آهن- 3 درصد سيليس در فولاد الکتريکي با آبکاري الکترولس ابداع شده است. اين روش شامل آبکاري الکترولس يک لايه نازک مغناطيسي بر روي سطح فولاد الکتريکي است اين لايه آمورف بي نظم بوده و متشکل از 59-56 درصد نيکل، 35-32 درصد کبالت و 10-8 درصد فسفر است.
با استفاده از پوشش الکترولس نيکل-کبالت- فسفر با ضخامت 1 ميکرو متر در0.3 تسلا (چگالي شار مغناطيسي) کاهش هسته از دست رفته مجددا به دست مي آيد[82].
چشم انداز آينده و نتايج
اين مقاله مروري بر جنبه هاي کلي پوششهاي نيکل الکترولس دارد و به طور خاص، روشهاي تشکيل نيکل- فسفر يا بور الکترولس، چند آلياژها و تاثير آنها روي ويژگيهاي پوشش، کاربردها و پيشرفتهاي اخير را بررسي کرده است. در آينده، آلياژ جديد اضافه شده با پوشش نيکل الکترولس قادر به ايجاد خواص و مزاياي جديد مي شوند وهمچنين براي پيشرفت آبکاري روي لايه هاي سخت (به عنوان مثال آلومينيم و منيزيم) به پوششهاي ضخيم و نيز سازگار با محيط زيست براي برخي از کاربردها و کاهش استفاده مواد شيميايي نيازمند کار بيشتر است.
علاوه بر اين،گرفتن حداکثر بهره وري از حمام اهميت زيادي دارد وکاهش هزينه آبکاري الکترولس روي پلاستيکهاي استفاده شده براي صنايع خودرو و به حداقل رساندن ضايعات حمام، فن آوري آبکاري زيست محيطي تر مهم خواهد بود. خواص پوششهاي نيکل الکترولس توسط عمليات سطحي مناسب بهبود مي يابد (گرما، ليزر، و غيره) و با اختلاط عناصر مختلف (مس، تنگستن، و غيره) و ذرات (سيليسيم کاربيد، تيتانيا و غيره) توسط محققان اين پوششها براي کاربردهاي مختلف مناسب مي گردند.
به عنوان سخن پاياني، آينده آبکاري الکترولس وابسته به نيازها و کاربردهاي جديدتر هم زمان با تغيير در فنآوريهاي آبکاري است.
برای اشنایی بیشتر با ارسال کننده مقاله به سایت نشریه پیام آبکار مراجعه نمایید
