ايجاد پوشش كامپوزيتي نيكل- بور-كاربيد تنگستن نانوكريستالي به روش الكترولس و بررسي خواص تريبولوژيكي آن

محمد حسن بيدرام*1، كامران اميني2، علي شفيعي3،محمد حسين بينا4
كارشناس ارشد، دانشكده مواد، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد نجف آباد، اصفهان، ايران
استاديار، دانشكده مواد، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد تيران، تيران، ايران
دانشيار، دانشكده مواد، دانشگاه صنعتي اصفهان، اصفهان، ايران
دانشجوي دكتري، سازمان پژوهشهاي علمي و صنعتي ايران، دانشكده مواد پيشرفته و انرژيهاي نو، تهران، ايران
* Mh.bidram@yahoo.com
(تاريخ دريافت: 17/10/91، تاريخ پذيرش: 17/11/91)

چكيده
در اين تحقيق، پوشش كامپوزيتي نيكل- بور- كاربيدتنگستن با استفاده از روش الكترولس ايجاد و تأثير عمليات حرارتي بر ساختار، سختي و رفتار سايشي آن بررسي شده است. به اين منظور، پوشش الكتـرولس نيكـل – بـور – كاربيدتنگسـتن بـا ضـخامت 30 ميكـرون روي سـطحنمونههايي از جنس فولاد Ck45 اعمال شد. جهت ارزيابي خواص پوشش ايجاد شده، پوشـش الكتـرولس نيكـل- بـور بـا ضـخامت يكسـانايجاد و با اين پوشش مقايسه شد. سپس برخي از نمونههاي پوشش داده شده تحت عمليات حرارتـي بـه مـدت يـك سـاعت در دمـاي 400 درجه سانتيگراد قرار گرفتند. مشخصه يابي پوشش به كمك آناليز پراش پرتو ايكس و ميكروسكوپ الكترونـي روبشـي صـورت پـذيرفت. رفتار سايشي پوششهاي حاصل توسط آزمون پين بر روي ديسك در دماي محـيط و سـختي آنهاتوسـط دسـتگاه ريزسـختي سـنج و يكـرز اندازه گيري شد. نتايج آزمونها نشان دادكه ذرات كاربيد تنگستن توانستهاند به خوبي در زمينه Ni-B جاي بگيرنـد و بـه صـورت همگـن درپوشش توزيع شوند. اضافه كردن ذرات كاربيد تنگستنبه پوشش الكترولس نيكل- بور، باعث افزايش سختي و مقاومـت بـه سـايش پوشـش گرديد. همچنين عمليات حرارتي در دماي 400 درجه سانتيگراد به مدت 1 ساعت باعث ايجاد ساختار نانوكريستالي شده و بنابراين سـختيو مقاومت به سايش پوشش به دليل تغيير ساختار از آمورف بـه كريسـتالي و ايجـاد فـاز سـختNi3B افـزايش مـييابـد . پوشـش الكتـرولسكامپوزيتي Ni-B-WC عمليات حرارتي شده در دماي 400 درجه سانتيگراد به مـدت 1 سـاعت ، بـالاترين سـختي و مقاومـت بـه سـايش راداشت.
واژههايكليدي:
الكترولس نيكل- بور، كاربيد تنگستن، عمليات حرارتي، سختي، مقاومت به سايش.

1- مقدمه
فرايند الكترولس نيكل جهـت پاسـخ گـويي بـه نيازهـاي صـنعتيدرسال 1946 توسط برنر و ريدل1 اختراع شـد [1]. پوشـش هـايالكترولس نيكل به دليل داشتن خـواص منحصـر بـه فـردي نظيـرچسبندگي بسيار خوب به زيرلايه، يكنـواختي ضـخامت، سـختيومقاومت به سايش بالا جايگاه مهم و وسـيعي را در كاربردهـايصنعتي به خـود اختصـاص دادهانـد . امـروزه آبكـاري الكتـرولسنيكل- بور به دليل ايجاد سختي و مقاوم به سايش بـالا محبوبيـت
زي ادي را ب ه دس ت آورده اس ت [2-3]. خ واص پوش شه اي الكترولس نيكل- بور به شدت تحت تأثير انـدازه، مقـدار، نحـوهتوزيع و سـختي ذرات اضـافه شـده بـه پوشـش قـرار دارد [4-5].
ذرات كاربيد تنگستن به دليل سختي و نقطه ذوب بـالا مـيتوانـدســختي و خــواص تريبولــوژيكي پوشــش را بهبــود بخشــد [5].
همچنين تحقيقات دانشمندان نشان داده است كه انجـام عمليـاتحرارتي در دماي 400 درجه سانتيگراد بـه مـدت يـك سـاعت، باعث نانوكريستاله شدن و ايجاد فازهاي سـخت در پوشـش هـايالكترولس نيكل ميشود. ايـن امـر سـختي و مقاومـت بـه سـايشپوشش را بهطور چشـمگيري افـزايش مـيدهـد [6-7]. بـه همـين منظ ور، ه دف از تحقي ق حاض ر بررس ي اف زودن ذرات كاربي د تنگستن به پوشش الكترولس نيكل- بور و تأثير عمليات حرارتي بر خواص آن است.

2- مواد و روش تحقيق
نمونـه هـاي ديسـكي شـكل بـا ضـخامتmm 5 و قطـرmm 50 ازجنس فولاد Ck45 تهيه و توسط ذرات سيليس با اندازه متوسط 100 ميكرون ماسهپاشي شدند. عمليات ماسه پاشي نمونهها قبل از اجراي مرحله پوششدهي، بهمنظور افزايش چسبندگي پوشش به زيرلايه صـورت گرفـت. پـس از عمليـات ماسـه پاشـي، بـرروينمونــههــا پوشــش هــاي الكتــرولس نيكــل – بــور و كــامپوزيتي نيكل- بور- كاربيد تنگستن داده شـد . بـه منظـور ايجـاد پوشـشالكترولس نيكـل – بـور، حمـامي مطـابق بـا جـدول (1) سـاخته وعمليات پوشش دهي در pH، 5/12 و دماي 85 درجه سانتيگراد صورت گرفت.

جدول (1): تركيب شيمياي حمام الكترولس نيكل-بور

نام ماده غلظت (گرم بر ليتر) كلريد نيكل 20 بورهيدريد سديم 1 اتيلن دي آمين 64 هيدروكسيد سديم 40
نيتريد سرب (2+pb) 01/0

جهت تشكيل پوشش كامپوزيتي نيكـل – بـور -كاربيـد تنگسـتن، ابتدا پودر كاربيد تنگستن در محلولي شامل اسيد فلوئوريـدريك(cc/lit30) و اســ يد نيتريــ ك (cc/lit20) و فلوئوريــ دآمونيوم
( g/lit3) فعالسازي شد. پس از آن پودر فعال شده دومرتبه با آب مقط ر شستش و و ب ه حم ام الكت رولس نيك ل- ب ور اض افه ش د.
بهمنظور بررسي تأثير عمليات حرارتي روي پوشـش كـامپوزيتي،برخي نمونههاي پوشـش داده شـده، تحـت عمليـات حرارتـي دردماي 400 درجه سانتيگـراد بـه مـدت يـك سـاعت در اتمسـفرخنثي قرارگرفتند.
بــراي بررســي مورفولــوژي ســطوح نمونــههــا ازميكروســكوپ الكتروني روبشي(SEM) و براي تحليل فازي درسـطح نمونـه هـا نيزازدس تگاه پ راش پرت و ايك س (XRD) اس تفاده ش د. س ختي نمونهها نيز در مقياس ميكرو بـه روش ويكـرز بـا وزن اوليـه 100 گرم انـدازه گيـري شـد. بـه منظـور افـزايش دقـت و اعتبـار نتـايج آزمايش ميكروسختي، اين آزمـون 5 مرتبـه بـر روي نمونـههـاي مشابه تكرار و ميانگين نتايج مورد استفاده واقع شد. براي ارزيابي و مقايسه رفتار تريبولوژي نمونهها، از ماشين سايش پـين بـر رويديسك استفاده گرديد. در همه آزمونهاي سايش از پين فولادي 52100 با سختي حدود RC65 و قطر mm5 به عنوان ماده ساينده اس تفاده ش د. آزم ايش س ايش در اتمس فر ه وا تح ت س رعتلغزش1-m.s1/0 تحت نيروري 4 نيوتن و مسافت لغـزش حـداكثر1000 متر انجام گرفت.

نتايج و بحث
3-1- بررسي مورفولوژي پوشش
مورفولوژي پوششهاي ايجاد شده بر زير لايه فولادي در شـكل (1) آورده شده است. اين شكل نشان مـي دهـد كـه مورفولـوژي اين پوشش ها به صورت گلكلمي3 است كه بـراي پوشـشهـايالكترولس نيكل- بور كاملاً متداول اسـت [8-9].شـكل (1- ب)، مورفولوژي پوشش كامپوزيتي Ni-B-WC را نشان ميدهـد . ايـنشكل نشان ميدهد كه ذرات كاربيد تنگستن توانستهاند به خوبي در زمينه Ni-B جاي بگيرند.
ميدهد همانطوري كه در اين شكل مشخص است اين پوششهـا كـهروي زير لايه رسوب كردهاند، بسيار يكنواخت بوده و اتصـال خـوبيرا ب ه زي ر لاي ه نش ان م يدهن د. در روش الكت رولس از جري ان
خارجي استفاده نميشود در نتيجـه ضـخامت پوشـش يكنواخـتشده و تمام گوشهها، زاويهها و حفرات نيز شامل ايـن ي كنـواختيميشوند [12]. شكل (2) نشان ميدهد كه ضخامت پوشـش هـايايجاد شده حـدود 30 ميكـرون اسـت. در شـكل (2- ب) توزيـع همگ ن ذرات كاربي د تنگس ـتن در سراس ر پوش ـش ب هوض وح مشخص است. درصد حجمي پـودرWC موجـود در پوشـش بـهكمك نـرم افـزارClemex بـر اسـاس اسـتانداردASTME2109 محاسبه شد و برابر با 18% بود.

3299460-4874086

الف
ب

الف

ب

شكل (1): تصوير گرفته شده توسط ميكروسكوپ الكتروني روبشي از پوشش: الف) نيكل- بور و ب) كامپوزيتي Ni-B-WC

شكل (1- الف) نشـان مـيدهـد كـه تخلخـل پوشـش هـاي الكتـرولس Ni-B زياد است. وجود ذرات WC باعث بوجود آمدن مناطق جديـدجوانه زني شده كه اين امر سبب ريزتر شدن ساختار و كاهش تخلخـلپوشش نسبت به حالت بدون ذره ميشود (شكل 1- ب). اين پديده در تحقيقات محققين ديگر نيز گزارش شده است [10-11].
3-2-بررسي سطح مقطع پوشش
شكل (2) سطح مقطع پوششهاي ايجاد شـده در ايـن تحقيـق را نشـان

شكل (2): تصاوير گرفته شده توسط ميكروسكوپ الكتروني روبشي از سطح مقطع پوشش الكترولس: الف)Ni-Bب)Ni-B-WC
3-3- بررسي ساختار پوشش
شكل (3) الگوي پراش پرتو ايكس پوشـش هـاي ايجـاد شـده دراي ن تحقي ق را نش ان م ي ده د. اي ن ش كل نش ان م ي دهدك ه پوششهاي ايجاد شده داراي مخلوطي از ريز ساختار آمـورف وكريستالي است [12].
الگ وي مرب وط ب ه پوش ش الكت رولس نيك ل – ب ور – كاربي د تنگستن علاوه بر حضور فاز آمورف و نانوكريستالي نشان دهنده حضور ذرات كاربيد تنگستن در پوشش اسـت . نتـايج حاصـل ازميكروسكوپ الكتروني روبشي با نتايج حاصـل از الگـوي تفـرقاشعه ايكس تطابق خوبي دارد.

شكل (3):الگوي پراش پرتو ايكس پوششهاي ايجاد شده در اين تحقيق

شكل (4) الگوي XRD پوششهاي حاصل شـده در ايـن تحقيـقرا پس از عمليات حرارتي در دمـاي 400 درجـه سـانتيگـراد بـهمدت 1 ساعت نشان ميدهد. اين شكل بيانگر تغيير كامل ساختار نسبت به حالت خام ميباشد، بدين معني كه به جاي فاز آمورف، پي كه اي واض حي از دو ف از س خت كريس تاليNi3B و Ni2B تشـ كيل شـ ده اسـ ت. در الگـ وي XRD پوشـ ش كـ امپوزيتي نيكل- بور- كاربيد تنگستن علاوه بر اين فازها، پيكهاي كاربيد تنگستن نيز كاملاً مشخص هستند.

شكل (4): الگوي پراش پرتو ايكس از پوشش Ni-Bو Ni-B-WC عمليات حرارتي شده در دمايC˚400 به مدت 1 ساعت

ان دازه دان ه كريس تاله ا ب ا اس تفاده از روش اص لاح ش ده ش رر اندازگيري شد. نتايج بيانگر اين مطلب اسـت كـه عـلاوه براينكـهعمليــات حرارتــي در دمــاي 400 درجــه ســانتي گــراد باعــث نانوكريستاله شدن ساختار ميشود حضور ذرات كاربيـد تگسـتنني ز ب ه عن وان ف از دوم در زمين ه ب ه ري ز ش دن س اختار پوش ش الكترولس كامپوزيتي كمك كرده و تاثير به سزايي داشته اسـت .
پوشش حاصله پس از عمليات حرارتي داراي اندازه متوسط دانـه
35 نانومتر است.
3-4- بررسي سختي پوشش
جدول (2) سختي پوششهاي ايجاد شده در اين تحقيق را قبـل وبعد از عمليات حرارتي در دماي 400 درجه سانتيگراد به مـدت1 ساعت نشان ميدهد. همانطوري كه در ايـن جـدول مشـخصاست، پوششهـاي ايجـاد شـده در حالـت خـام سـختي كمتـرينسبت به حالت عمليات حرارتـي شـده دارنـد . ايـن امـر بـه دليـل نيمهآمورف بودن پوشش در حالت خام اسـت . هـم چنـين اضـافهكردن ذرات كاربيد تنگستن بـه پوشـش الكتـرولس نيكـل- بـورباعث افزايش سختي اين پوشش شده است.
عمليــات حرارتــي در دمــاي 400 درجــه ســانتي گــراد ســبب نانوكريستاله شدن پوشش و ايجاد فازهاي سختي همچـون Ni3B در ساختارشده است كه اين امر سختي اين پوشـش هـا را تـا حـدزيادي افزايش ميدهد [13].
جدول (2): سختي پوششهاي ايجاد شده در اين تحقيق قبل و بعد از عمليات حرارتي در دماي 400 درجه سانتيگراد به مدت 1 ساعت
ميانگين سختي(ويكرز) عمليات حرارتي پوشش
675 – نيكل- بور
1080 C˚400 – 1ساعت نيكل- بور
810 – نيكل- بور- كاربيد تنگستن
1456 C˚400 – 1ساعت نيكل- بور- كاربيد تنگستن

جدول (2) نشان ميدهد كه بيشـترين سـختي مربـوط بـه پوشـشالكترولس كامپوزيتي Ni-B-WC عمليات حرارتي شده در دماي 400 درجه سانتيگراد به مدت 1 ساعت است. علت اين افـزايشسختي دو عامل است: اولا تشكيل و رسوب فازهـاي پايـدار بـينفلـ زيNi2B و Ni3B در طـ ي كريستاليزاسـ يون فـ از آمـ ورف (فاز Ni3B اسـتحكام و مـدول برشـي بـالايي دارد) وثانيـا وجـودذرات سخت WC توزيع شده در پوشش Ni-B ميباشد.
اين ذرات سخت موجود در زمينه سبب مي شود كـه ميـزان تغييـرفرم پلاستيكي زمينـه پوشـش كمتـر شـده و سـاختار پوشـش نيـزريزتر شود لذا سختي پوشش افـزايش چشـمگيري پيـدا مـيكنـد [14].

3-5- بررسي رفتار سايشي پوشش شكل (5) نمودارهاي كاهش وزن بـر حسـب مسـافت طـي شـدهپوششهاي ايجاد شده در ايـن تحقيـق را قبـل و بعـد از عمليـاتحرارتي نشـان مـيدهـد . ايـن شـكل نشـان مـيدهـد كـه پوشـش كامپوزيتي، مقاومت بـه سـايش بسـيار بهتـري نسـبت بـه پوشـش
الكترولس نيكل- بـور دارد . همـان طـور كـه درايـن شـكل د يـده ميشود نمونههايي كه عمليات حرارتي شدهاند، كمترين كـاهشوزن و بيشترين كاهش وزن مربوط به نمونـه هـاي بـدون عمليـاتحرارتي (خـام ) اسـت . در كـل بيشـترين كـاهش وزن مربـوط بـهپوشش الكترولس نيكل- بور در حالت خـام و كمتـرين كـاهشوزن مربوط به پوشش الكترولس كامپوزيتي Ni-B-WC عمليات حرارتي شده در دماي 400 درجه سانتيگراد به مـدت 1 سـاعتاس ت. اي ن ام ر نش انگر تش كيل و رس وب فازه اي پاي دا ر ب ين فلزيNi3B وNi2B در طي كريستاليزاسيون فاز آمورف مـي باشـدكه قبلا در الگوهاي پراش پرتو ايكس نيز مشاهده شد. اين نتـايجبا نتايج حاصل از آزمون سختي تطابق خوبي دارد.

شكل (5): نمودارهاي كاهش وزن بر حسب مسافت طي شده پوششهاي ايجاد شده در اين تحقيق

تصاوير گرفتـه شـده توسـط ميكروسـكوپ الكترونـي روبشـي ازس طوح س ايش پوش ش ك امپوزيتي Ni-B-WC قب ل و بع د از عمليات حرارتي درشكل (6) ارائه شده است.
شكل (6- الف) نشان ميدهد كه در سطح سايش پوشـش نمونـهخام مناطقي ايجادشده كه به دليل سـختي پـايين پوشـش و عـدمتشكيل فاز نانوكريستالي، تغيير شـكل پلاسـتيكي در آن رخ داده كه نتيجه اين تغييرشكل پلاستيكي، ايجاد اتصـالات موضـعي درنواحي تماس و از هم گسيختگي ايـن اتصـالات در ادامـه لغـزشاست. از اين رو ميتوان نتيجه گرفـت مكـانيزم غالـب در سـايشاين نمونه، مكانيزم سايش چسبان است [15].
شكل (6- ب) نشان دهنده سطح سايش نمونـه عمليـات حرارتـيشده در دماي 400 درجه سانتيگراد به مدت 1 ساعت مـي باشـد .
عمليات حرارتي در اين دما سبب ميشود كه ساختار آمورف بـهساختارنانوكريس تالي تب ديل ش ده و در نتيج ه س طح س ايش آن نسبت به حالت خام كاهش يابد. با توجه به اين تصـوير مـيتـوانگف ت ك ه پ س ازط ي مس افت لغ زش 1000 مت ر هن وز قس مت عمدهاي از اين پوشـش درسـطح ديـده مـيشـود . ايـن امـر نشـاندهنده مقاومت به سايش بالاي ايـن پوشـش اسـت. ايـن نتـايج بـانتايج حاصل از آزمون كاهش وزن تطابق خوبي دارد.

شكل (6): تصاويرگرفته شده توسط ميكروسكوپ الكتروني روبشي از سطح سايش پوشش الكترولس كامپوزيتي :Ni-B-WCالف) قبل از عمليات حرارتي، ب) بعد از عمليات حرارتي در دماي C˚400 به مدت يك ساعت

4- نتيجه گيري
مورفولوژي پوششهـاي ايجـاد شـده بـه صـورت گـلكلمـيشكل است. همچنين پوششهـاي ايجـاد شـده بسـيار يكنواخـتبوده و اتصال خوبي را به زير لايه نشان دادند.
ذرات كاربيد تنگسـتن توانسـتهانـد بـه خـوبي در زمينـهNi-B جاي بگيرند و به صورت همگن در پوشش توزيع شوند. 3- اض افه ك ردن ذرات كاربي د تنگس تن ب ه پوش ش الكت رولس نيكل- بور باعث افـزايش سـختي و مقاومـت بـه سـايش پوشـش ميگردد.
عمليــات حرارتــي در دمــاي ºC400 باعــث ايجــاد ســاختار نانوكريستالي شده و بنابراين سختي و مقاومت به سـايش پوشـشبه دليل تغيير ساختار از آمورف به كريستالي و ايجاد فـاز سـخت
Ni3B افزايش مييابد.
بيشـترين سـختي و مقاوم ت بـه سـايش مربـوط بـه پوش شالكترولس كامپوزيتي Ni-B-WC عمليات حرارتي شده در دماي 400 درجه سانتيگراد به مدت 1 ساعت است.

مراجع
J. N. Balaraju, T. S. N. Sankara Narayanan, S. K. Seshadri, “Proceedings of the International Conference on Advanced Surface Science Engineering”, Indian Society of
Analytical Scientists, 2002, Vol. 6, pp. 135-154.

K. Krishnaveni, T.S.N. Sankara Narayanan, “Electroless Ni–B Coatings: Preparation and Evaluation of Hardness and Wear Resistance”, Surface & Coatings Technology, 2005, Vol. 190, pp. 115– 121.

K. Parker, “The Formation of Electroless Nickel Baths”, Plating and Surface Finishin, Vol. 74, No. 2, pp. 60-63, 2001.

G. Laitinen, “Electroless Nickels and Their Applications in the Aircraft Industry”, Metal Finishing, Vol. 90, pp. 13-15, 1998.

A. B. Drovosekov, M. V. Ivanov, V. M. Krutskikh, E. N. Lubnin, and Yu. M. Polukarov, ” Chemically Deposited Ni–W–B Coatings: Composition, Structure, and Properties “, Institute of Physical Chemistry, Russian Academy of Sciences, Vol. 37, pp. 61- 65, 2005.

V. Gawne, D.T. Malo, “Engineering Properties of Chromium Plating and Electroless and Electroplate Nickel”, Surface Engineering, Vol. 4, No. 3, pp. 239-244, 1988.

D. Baudrand, ASM Metals Handbook, Surface
Engineering, Vol. 5, pp. 401- 460, 1992.

S. H. Park, D. N. Lee, “Improving Hardness of Electroless
Ni–B Coatings Usingoptimized Deposition Conditions and Annealing “, Materials and Design, Vol. 29, pp.1412– 1418, 2008.

R. Parkinson, “Properties Andapplications of Electroless Nickel”, Surface & Coatings Technology, Vol. 8, pp. 1-37, 1997.

L. Guang-yu, “Deposition of Electroless Ni-P/Ni-W-P Duplex Coatings on AZ91D Magnesium Alloy “, Metal Finishing, Vol. 18, pp. 323-328, 2008.

R. Juskenas, I. Valsiunas, V. Pakstas, R. Giraitis, ” On the State of Win Electrodeposited NiW Alloys”,
Electrochimica Acta, Vol. 54, pp. 2616–2620, 2009.

E. Williams, C. Davison, “Review of the Capabilities and properties of Electroless Plated Thin Film Media for Rigid Memory Disks”, Electrochemical Society, Vol. 13, pp.
3260-3269, 2001.

A. Araghi, M.H. Paydar, “Electroless deposition of
Ni–P–B4C Composite Coating on AZ91D Magnesiumalloy and Investigation on Its Wear and Corrosion Resistance”, Materials and Design Vol. 31, pp.
3095–3099, 2010.

M. Ebrahimian-Hosseinabadi, K. AzariDorcheh, S.M. MoonirVaghefi, “Wear Behavior of Electroless Ni–P–B4C Composite Coatings”, Wear, Vol. 260, pp. 123–127, 2006.

W. Chen, W.Gao, Y. He, “A Novel Electroless Plating of Ni–P–TiO2 Nano-Composite Coatings”, Surface & Coatings Technology, Vol. 204, pp. 2493–2498, 2010.

پينوشت
Brenner
Riedel
Cauliflower



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید