نشریه پیام آبکار – بهار ۱۳۹۴
پوششهاي کامپوزيت نيکل الکترولس
(قسمت اول)
تهيه و تنظيم:
حامد رحماني
دانشجوي کارشناسي مهندسي متالورژي صنعتي، دانشگاه خواجه نصيرالدين طوسي
شيرين بقايي
دانشجوي کارشناسي ارشد مهندسي مواد، دانشگاه خواجه نصيرالدين طوسي
محمود علي اف خضرايي
نويسنده مسوول، استاديار خوردگي و حفاظت از مواد
دانشگاه تربيت مدرس، دانشكده فني و مهندسي
فرآيندهاي رسوب فلز بر پايه پوشش آلياژي وکامپوزيتي نيکل الکترولس، در سطوح مختلف علاقه محققان را به خود جلب کرده و امکان ساخت آنها با خواص مطلوب از وجوه قابل اشاره در اين زمينه است. اين پوششها مقاومت به خوردگي و سايش خوبي دارند و کاربردهاي آنها در سطوح محتلف توسعه يافته است. اين مقاله در مورد جزييات کامپوزيتها، ساختار و ويژگي هاي سطحي، خصوصيات وکاربردهاي جديد و مختلف پوششهاي کامپوزيتي نيکل الکترولس بحث مي کند.
هم رسوبي مواد (ذرات سخت يا غير فلزي) با پوششهاي الکترولس، به عنوان پوششهاي کامپوزيت الکترولس نامگذاري مي شود.کامپوزيتهاي مقاوم به سايش مي توانند با استفاده از هم رسوبي مواد با اندازه ريز و يکنواخت توليد شوند.
ذرات سخت مثل، الماس – کاربيد سيليسيم، آلومينيم اکسيد، روغن و روان کننده جامد هايي مثل ذرات پلي تترا فلور و اتيلن هم رسوبي شده اند. ذرات ريز ديگر اجزاء بين فلزي و کربن مي توانند در زمينه نيکل - فسفر و نيکل - بور الکترولس پخش شوند.
پوششهاي کامپوزيت الکترولس در ابتدا به راحتي رسوب نمي کردند و معمولاً موجب تجزيه ي حمام مي شدند. پخش شدن ذرات ريز سطح تماس حمام الکترولس را حدود 800-700 بار بيش تر از حمام الکترولس نرمال مي کند که اين باعث ناپايداري حمام مي شود.
با کمک پايدار سازهاي مناسب، پوشش کامپوزيت نيکل الکترولس تهيه شد. بر خلافِ رسوب همزمان الکتروليتي، پوشش هاي الکترولس، سطح زيرلايه را منعکس مي کنند و احتياجي به عمليات آماده سازي بعدي قطعه ندارند.[1.2]
اين پوشش با استفاده از ضربه و قرار دادن ذرات روي سطح قطعه کار ايجاد شده است و محيط ثانويه اين ذرات، با زمينه نيکل- فسفر، هيچ پيوند مولکولي بين زمينه فلزي و ذرات ريز غير مرتبط ايجاد نمي کند.گاگليلمي، يک مدل رياضي براي پردازش رسوب الکتروليتي پوششهاي کامپوزيتي پيشنهاد داد. نتايج تجربي با مکانيزم پيشنهادي گاگليلمي، همخواني دارند. [3] گروسجين و همکاران، از تنظيمات تجربي براي توليد پوششهاي کامپوزيت نيکل - سيليسيم استفاده کردند که در شکل 1 نشان داده شده است. [4]
در اين روش مخلوط کردن از طريق يک جريان مايع با يک پمپ گريز از مرکز به وجود مي آيد و از يک سيستم آبشاري استفاده شده است. سپس، مسير گردش حمام از بالا تا پايين يک جريان افقي مايع را روي سطح نمونه ايجاده کرده است. اين نمونه ازجريان، با مسير گردش به بالا هم زدن را انجام مي دهد و مزيت نگه داشتن ذرات به صورت معلق در محلول را دارد. ترکيبات نوعيِ نيکل الکترولس -پلي تترافلورواتيلن و نيکل الکترولس-کاربيد و نيکل الکترولس-تيتانيا و سيليکات نيکل الکترولس- حمام کامپوزيت و شرايط آبکاري در جدول 1 آورده شده است. محدوده ابعاد ذرات از زير ميکرون آلومينا و پلي تترا فلور و اتيلن تا الماسهاي µm 5 است.[5] براي بدست آوردن بهترين اختلاط بين ذرات و زمينه ي نيکل- فسفر الکترولس، اندازه ذرات بايد کوچک باشد، در اين صورت زمينه به طور محکم مي تواند آنها را در خود نگه دارد. [6]
آپاچيتي [7] نشان داد که ذرات آلومينيم فسفيد به شکل کروي اختلاط بهتري نسبت به شکلهاي بي قاعده دارند. تفاوت شکل ذرات همچنين به جهت نوع نهايي رسوب بستگي دارد. سطح هاي بسيار خشن و بسيار صاف به ترتيب در نتيجه ذرات با زاويه زياد و گرد ايجاد شده اند. ذراتي مثل کاربيد سيليسيم [8،7] و کاربيد کروم، زيرکنيا و آلومينيا، گرافيت و پلي تترا فلور و اتيلن [9] توسط محققان بررسي شده اند. نيازهاي اساسي پوششهاي کامپوزيت نيکل الکترولس در زير خلاصه شده اند:
پايداري حمام
پخش شدن ذرات ظريف، سطح تماس را افزايش مي دهد و باعث تجزيه ي حمام مي شود. [6]
تلاطم
ذرات سخت مثل الماس، کاربيد سيليسيم و آلومينا با استفاده از هم زدن معلق نگه داشته مي شوند و در رسوب پنهان مي شوند. توصيه مي شود که اشيايي که چرخيده يا وارونه شده اند به گونه اي قرار گيرند که همه قسمتهاي سطح به طور منظم رو به بالا باشند. هم زدن و مخلوط کردن يک فاکتوري کليدي در آبکاري است. [11 و 10]
اندازه ذرات
ذرات با شکل و اندازه مناسب بايد در حلا، غير قابل حل باشند و مستقل از آلودگي هاي سطحي و به طور معلق در حمام نگه داشته مي شوند. اندازه ذرات نقشي حياتي در رسوب بازي مي کند. [7]
غلظت ذرات
در غلظت هايي فراتر از غلظت هاي بحراني، امکان آگلومراسيون ذرات فاز ثانويه به خاطر کاهش فاصله جزيي بين آنها، و در نتيجه جدايش بين ذرات به وجود آمده، موجب اشباع يا کاهش ناچيز در ميزان اختلاط مي شود. غلظت در پراکندگي ذرات در رسوب خيلي مهم است. [31-12 ]
مواد فعال در سطح
اين مواد افزودني مخصوصاً دراختلاط ذرات نرم مثل پلي تترا فلورو اِتيلن (پلي تترا فلور و اتيلن ) گرافيت و دي سولفيد موليبدن، مهم هستند. مواد فعال در سطح در اختلاط ذرات فاز دوم، نقشي اساسي بازي مي کنند. [15 و 14]
همانگونه که در بالا ذکر شد، غلظت ذرات پراکنده شده در حمام نيکل الکترولس در تأثير ميزان اختلاط نقش اساسي ايفا مي کنند. هر کامپوزيتي خواص خاص خودش را دارد. 25-20 درصد حجمي سيليسيم کاربيد مي تواند منجر به ماکزيمم سختي شود که از سختي پوشش آلياژ نيکل- فسفر بيشتر است که 25-20 درصد حجمي پلي تترا فلور و اتيلن مي تواند باعث کاهش اصطکاک بين قطعات مهندسي آبکاري شده شود. اين کامپوزيتها، از نوع استانداردهاي تجاري هستند، مخصوصاً وقتي که مقاومت به سايش يا ضريب اصطکاک کم لازم باشد.
گرافيت، جايگزيني مناسب براي پلي تترا فلور و اتيلن است، اما به نظر مي رسد که پلي تترا فلور و اتيلن کاربرد صنعتي دارد [16]. سديم دودسيل سولفات براي افزايش پراکندگي و خاصيت تر شوندگي ذرات سيليسيم کاربيد استفاده شده است.گروسجن و همکاران نشان دادند که با افزودن ماده Foraface 500، حجم هم رسوبي ذرات سيليسيم کاربيد مي توانند از 19 به 53 درصد برسد.[17]
گر وهونگ پيشنهاد کردند که، افزايش مواد فعال سازسطحي، ميزان اختنلاط بيشتري از ذرات پلي تترا فلور و اتيلن را امکان پذير مي کند و غلظت آنها در حمام بحراني است. [15]
از مطالب بالا به اين نکته پي برده مي شود که چندين فاکتور در اختلاط ذرات فاز دوم در زمينه فسفر- بور نيکل الکترولس، تحت شرايط واقعي، تأثير مي گذارد.گر و همکاران [18] دو نوع مواد فعال سطح، يعني ستيل تري متيل آمونيوم بروميد و FC134 در آبکاري نيکل- فسفر - پلي تترا فلور و اتيلن را مورد مقايسه قرار دارند. تغيير ترکيب پوشش شديداً به واکنش پذيري کاتدي ذرات فعال در سطح که به زير لايه ها در مراحل اوليه بستگي دارد، مربوط مي شود.
وقتي که واکنش پذيري کاتدي مواد فعال در سطح بيشتر است، در يک زمان ذرات پلي تترا فلور و اتيلن به راحتي در محلول، نشانده مي شوند. ظرفيت حجمي پلي تترا فلور و اتيلن با رشد محلول پوشش افزايش مي يابد.
وقتي که واکنش پذيري کاتدي مواد فعال سطح روي يک لايه کمتر از آن روي لايه رسوب يافته است افزايش ظرفيت کسر حجمي پلي تترا فلور و اتيلن با رشد لايه هم رسوبي، مي تواند چسبندگي خوبي بين زير لايه و لايه هاي هم رسوبي تأمين کند.
افزودن پلي تترا فلور و اتيلن و نوع مناسب و غلظت مواد فعال سطح پراکندگي يکنواخت ذرات پلي تترا فلور و اتيلن را در زمينه نيکل- فسفر ايجاد کرده است.
ستيل تري متيل آمونيوم بروميد و پلي و نيل پرو و ليدون موجب پراکندگي همگن براي ذرات پلي تترا فلور و اتيلن در پوشش مي شوند، در حالي که سديم دودسيل سولفات، اين کار را نمي کند [19].
درصد وزني ذرات نرم و سخت هم رسوبي در نيکل- فسفر يا بورالکترولس مي تواند از طريق حل کردن يک وزن مشخص از رسوب در نيتريک اسيد و سپس فيلتر کردن ذرات از طريق يک غشاءِ 0.1 ميکرومتري تعيين شود.[20]
روشهاي بسيار ديگري براي تعيين سطح اختلاط ذرات فاز دوم در زمينه هاي نيکل / فسفر / بور الکترولس مثل آناليزور ريز کاوشگر الکتروني براي اختلاط اکسيد کروم (Cr2O3 )[21] و سطح مقطع پوشش با استفاده از آناليز تصوير توسط بوزيني و توسط بنا- مانوز و استرافيلين و همکاران پيشنهاد شده است[22و27و24].
يو و ژانگ، پيشنهاد استفاده از آناليزور يا تجزيه و تحليل نشر طيف را که به طور مستقيم، پوشش سطح را تعيين کند، مطرح کردند. همچنين لوسيوکز و همکاران روش شمارش ذره را توسط مورفولوژي سطح پوشش پلي تترا فلور و اتيلن / نيکل الکترولس-تيتانيا استفاده کرده اند[25] اين روش مي تواند براي تشخيص ميزان اختلاط ذرات در پوششهاي کامپوزيت الکترولس مفيد باشد.
ساختار
اختلاط ذرات سريا و نيتريد سيليسيم و تيتانيا، ساختار زمينه رسوب نيکل- فسفر الکترولس را تغيير نمي دهد[26]. اما، اختلاط ذرات بور کاربيد، بر جهت بلورهاي نيکل بدون تأثير بر ابعاد بلور، تأثير مي گذارد. نيکل در لايه هايي با ذرات بور کاربيد، تمايل به جهت گيري کمتري دارد. [22]
بالا راجو و رجم [27] مشاهده کردند که اختلاط ذرات نيتريد سيليسيم در زمينه نيکل- فسفر، ساختار پوشش کامپوزيتي را تحت تأثير قرار نمي دهند.
آپاچيتي و همکاران بازتاب سيليسيم کاربيد را در الگوي پراش اشعه ايکس پوشش کامپوزيت الکترولس نيکل- فسفر- سيليسيم کاربيد رسوب اوليه مشاهده کردند که مي تواند به خاطر مقدار بيشتر ذرات رسوب اوليه باشد(تقريبا 7 درصد وزني). جياقيانگ و همکاران، اختلاط ذرات سيليسيم کاربيد را در زمينه نيکل- فسفر الکترولس جايي که پوشش به صورت بلور نيکل، نيکل فسفيد و نيکل سيليسيد متبلور مي شود را مشاهده کردند. همچنين بعد از عمليات حرارتي به مدت 1 ساعت در دماي C˚400 پس از عمليات حرارتي در دماي C˚600، هيچ پيک پراش خاصي براي سيليسيد نيکل وجود ندارد. مگر سيليسيد نيکل که به شبکه نيکل خيلي نزديک باشد. [29]
محصولات نهايي تبلور، واکنش پوششهاي کامپوزيتي نيکل و نيکل فسفيد و نيکل سولفيد و کربن آزاد بودند.
سختي، اصطکاک، مقاومت به سايش و خراش
ادعا شده که اين دسته از پوششهاي کامپوزيتي، براي وسايل و ابزار استفاده شده در دماهاي محيط، مثل قالبها، اکسترودهاي تغيير شکل پلاستيک، الگوهاي مواد، جعبه هاي ريخته گري، قالبهاي آهنگري و قالب ريخته گري آلياژهاي روي، از نظر خواص سختي پيشرفتهاي بسياري داشته اند. سختي متوسط پوششهاي کامپوزيتي نيکل- فسفر در جدول 2 ارائه شده است.
ميزان ذرات هم رسوبي، مقدار فسفر زمينه و عمليات حرارتي، سختي اين پوشش ها را تعيين مي کنند. سختي پوشش، با افزايش ذرات سختي مثل (سيليسيم کاربيد و سليسيم نيتريد) افزايش مي يابد [22.27.29] اگرچه سختي با ذرات نرم مثل پلي تترا فلور و اتيلن کاهش مي يابد [30]. در اصل ذرات سخت مسئول افزايش سختي، در همه مقادير فسفر [14-2] هستند.
تأثير عمليات حرارتي روي سختي در پوشش کامپوزيتي، روندي شبيه به رسوب معمولي الکترولس نيکل- فسفر دارد. افزايش سختي تا دمايC˚400 به خاطر رسوب سختي و تشکيل فاز ميان فلزي نيکل فسفيد است. در بالاي C˚410 سختي به خاطر کاهش عيوب شبکه و درشت شدن ذرات نيکل فسفيد کاهش مي يابد[31].
دانگ و همکاران گزارش مي دهند که ذرات نانو سيليکا باعث ارتقا محسوسي در خواص مکانيکي پوشش الکترولس نيکل- فسفر و عمدتاً باعث افزايش زياد در سختي (در دماي C ˚400) و مقاومت سايشي شدند. [32]
چن و همکاران [20] روش جديدي براي پوشش کامپوزيتي نيکل -فسفر-تيتانيا از طريق اضافه کردن سل تيتانيا به محلول آبکاري الکترولس قراردادي ايجاد کردند. ريز سختي به طور مشخص از HV 710 پوشش قراردادي نيکل -فسفر -تيتانيا به HV1025 ارتقا پيدا کرد.(جدول 2)
پوششهاي کامپوزيتي TiO2-Ni-Zn-P ، ريز سختي بيشتري نسب به آلياژ نيکل- فسفر- روي خالص نشان مي دهند.[ 33]
اصطکاک، مقاومت در مقابل حرکت است، وقتي که قطعات روي هم مي لغزند [34] به وسيله پوششها، سطح مي تواند روان سازي خشک شود. در رسوب الکترولس نيکل- فسفر خاصيت روان سازي طبيعي فسفر، يک خاصيت خوب روانسازي را تعيين مي کند.
با اين حال تحت شرايط غير روان کاري شده، اصطکاک طولاني مدت باعث شکست در اثر سائيدگي در رسوب هاي الکترولس نيکل- فسفر مي شوند. اما رسوب هاي کامپوزيتي نيکل الکترولس مي توانند چنين شکست هايي را کاهش دهند. ذرات سخت مثل سيليسيم کاربيد، در رسوب الکترولس نيکل- فسفر خاصيت روانکاري ضعيفي از خود نشان مي دهد.
اين به خاطر زبري بالاي صفحه و نيروهاي در هم پيچيده مکانيکي ذرات سخت است [62] . از طرف ديگر زمينه هم رسوبي ؛ نيکل- فسفر الکترولس با ذرات نرم مثل پلي تترا فلور و اتيلن و گرافيت، روانکاري خوبي را تحت شرايط روانسازي شده به خاطر جلوگيري از سايش بين صفحات مجاور، تأمين مي کنند.
ابدون [36، 35] گزارش داد که ضريب اصطکاک کم به خاطر انتقال پلي تترا فلور و اتيلن به سطح مواد است. رسوب هاي نيکل- فسفر-پلي تترا فلور و اتيلن [38-37] ميانگين ضريب اصطکاک کمتري در مقايسه با رسوب هاي الکترولس نيکل- فسفر دارند. در هر دو شرايط رسوب اوليه و عمليات حرارتي شده (C˚400/ 1 ساعت) ضريب اصطکاک متوسط، تابع عکس مقدار پلي تترا فلورواتيلن است.
رسوب هاي داراي خواص روانکاري عالي از محدوده دماي خيلي پايين تا C˚290 هستند. اگر چه، رسوب هاي نيکل- فسفر-گرافيت الکترولس (6 درصد حجمي)، در تأمين روانسازي مؤثردر مقابل سطح فولادي با شکست رو به رو مي شوند. [16]، ضريب اصطکاک متوسط وقتي کم است که رسوب کامپوزيتي نيکل- فسفر-گرافيت الکترولس در مقابل خودش مي لغزد.
بور نيتريد هگزاگونال، دي سولفيد موليبدن، فولدين- سولفيدتنگستن و نانو لوله هاي کربن، ديگر اجزايي هستند که در ارتباط با زمينه نيکل- فسفر الکترولس، ضريب اصطکاک متوسط را تعيين مي کنند [39و14]. استفاده ي اوليه از رسوب کامپوزيتي نيکل- فسفر الکترولس براي کاربردهايي است که به بيشترين مقاومت به سايش و خراش نيازمندند. [12]
متزگر و فلوريان [40]، پارکر [41] و فلدستين و همکاران، مقاومت سايش رسوب هاي کامپوزيتي نيکل- فسفر الکترولس را با ذرات سخت مختلف بررسي کردند. (شکل2)
مشاهده شده است، که مقاومت سايش رسوب کامپوزيت الکترولس مانند کروم سخت است. همانند سختي، مقاومت سايشي رسوبهاي کامپوزيتي نيکل- فسفر الکترولس همچنين تحت تأثير انواع ذرات سخت هم رسوبي و ميزان اختلاط و اندازه قرار است.
استرافليتي و همکاران [24] پيشنهاد کردند که سايش رسوبهاي کامپوزيتي نيکل- فسفر الکترولس در 2 مرحله اتفاق مي افتد. در مرحله اول، رسوبهاي سايش خراشان کمي را تحمل مي کنند. اما در مرحله دوم، سايش بسيار شديد است. مقاومت سايش رسوبهاي کامپوزيتي الکترولس نيکل- فسفر- سيليسيم کاربيد توسط بسياري از محققان مطالعه شده و گزارش شده است که مقاومت سايشي با افزايش درصد سيليسيم کاربيد، افزايش پيدا مي کند.
اثر استحکام بخشي توزيع ذرات سيليسيم کاربيد و زمينه نيکل- فسفر، موجب مقاومت سايشي به اين پوشش مي شود. علاوه بر اين، زمينه نيکل- فسفر بايد مقادير بيشتري از فسفر ( >7درصدوزني) را دارا باشد، تا ذرات سيليسيم کاربيد را در هر دو شرايط هم رسوبي و عمليات حرارتي شده براي تأمين مقاومت سايشي عالي حمايت کند . اثر عمليات حرارتي بر رسوبهاي کامپوزيتي الکترولس نيکل- فسفر- سيليسيم کاربيد موجب افزايش مقاومت سايشي با افزايش دماي عمليات حرارتي تا C˚350 مي شود. [42] افزايش بيشتر در دما تا C˚600 باعث افزايش نرخ کرنش با تخريب بيشتر در دماهاي بالاتر (C˚800 ) مي شود. امکان واکنش بين نيکل و سيليسيم کاربيد، در حدود C˚580 و ذوب جزيي يوتکتيک نيکل- فسفر در C˚880، باعث مقاومت سايش ضعيف در دماهاي بالاست.
تشکيل سيليسيد نيکل متأثر از نفوذ اتم هاي نيکل در شبکه سيليسيم کاربيد است و در سطح مشترک زمينه نيکل- فسفر/ سيليسيم کاربيد با عمليات حرارتي در دماي C˚500 و به مدت 1 ساعت اتفاق مي افتد. تشکيل Ni3Si، چسبندگي بين ماده تقويت کننده و زمينه را افزايش مي دهد، اما مقاومت سايشي کاهش مي يابد[43، 63] هم رسوبي ذرات اکسيد کروم (27درصد حجمي) در زمينه نيکل- فسفر مقاومت سايشي را افزايش مي دهند. عمليات حرارتي در C˚500 براي 1 ساعت، مقاومت سايشي رسوبها را افزايش مي دهد.
رسوبهاي کامپوزيتي رسوب اوليه الکترولس نيکل- فسفر- بور نيتريد هگزاگونال مقاومت سايشي بيشتري از رسوب عمليات حرارتي شده در C˚400 و زمان 1 ساعت دارند.[44] وقتي که ذرات 33 درصد حجمي بور نيتريد هگزاگونال، در زمينه ي نيکل- فسفر اختلاط يافتند، سايش نزديک به نصف کاهش يافت[45].
در C˚400، يک مکانيزم مختلط از خستگي و سايش همراه با تغيير شکل پلاستيک شديد رسوبها و انتقال رسوب به سطح مواد، مورد توجه قرار گرفت[46].
رفتار تريبولوژيکي رسوب هاي کامپوزيتي در دماهاي بالا مربوط به خواص مکانيکي زمينه نيکل- فسفر است و به رفتار آن در تنش هاي اعمال شده با افزايش دما بدون در نظر گرفتن ماهيت و خواص ذرات تقويت کننده باز مي گردد.
ردي و همکاران [6] مقاومت سايشي زمينه نيکل- فسفر الکترولس با ذرات الماس را در اندازه هاي مختلف (40-3 ميکرون) گزارش کردند. پوششهايي با ذرات ظريف تر الماس، (6-3 ميکرون) مقاومت سايشي بهتري در مقايسه با پوششهايي که ذرات بزرگتر الماس (40-20 ميکرون) در آنها پخش شده است، نشان مي دهند. [60].
اين برتري تابع درجه هم رسوبي ذرات کربن براي يک ضخامت خاص پوشش است که براي ذرات ظريف تر، بالاتر است. در مطالعه ي اخير باز هم اين مطلب تاييد شده است. اين پوششها مقاومت به سايش بهتري (براي 8-4 ميکرون) نسبت به زماني که پوشش با ذرات درشت تري از الماس پخش شده است، دارند.
برای اشنایی بیشتر با ارسال کننده مقاله به سایت نشریه پیام آبکار مراجعه نمایید
