رسوب الکتروشيميايي پوشش کامپوزيتي برنز-گرافيت

مجيد اسناوندي[1]، محمد قرباني[2]

چکيده

برنز به دليل مقاومت سايش، اکسيداسيون و  خوردگي بالا کاربرد فراواني در صنعت دارد. اما آبکاري مس-قلع (برنز) از حمام سيانيدي به دليل مسائل زيست محيطي محدود شده است. مشکلات حمام هاي غيرسيانيدي نيز مانع گسترش اين نوع حمام ها بوده است. در اين تحقيق رسوب همزمان ذرات گرافيت در فرآيند آبکاري آلياژي از حمام کلريدي مورد بررسي قرار گرفت. مشخص شد با افزايش غلظت ذرات گرافيت در حمام، درصد گرافيت و قلع در پوشش افزايش مي يابد. افزايش دانسيته جريان الکتريکي نيز موجب افزايش مقدار قلع و کاهش درصد گرافيت در پوشش مي شود. نشان داده شد که نحوه رسوب ذرات در پوشش از مدل گاگليلمي پيروي مي کند. حضور 6% گرافيت ضريب اصطکاک برنز را از 73/0 به 25/0 کاهش داد. نتايج نشان دادند که حضور ذرات گرافيت مقاومت به خوردگي رسوب به دست آمده را افزايش مي دهد.

کلمات کليدي: آبکاري آلياژي، پوشش کامپوزيتي، خواص سايشي، مقاومت خوردگي، خودروانکار

1- مقدمه

مقاومت به خوردگي و سايش مناسب، انتقال حرارت و جريان الکتريکي خوب و شکل پذيري عالي از جمله خواص منحصر به فرد مس هستند. اما سختي کم مس باعث شده است همواره براي بهبود خواص مکانيکي مس تلاش هايي صورت گيرد. از جمله کارهاي صورت گرفته در اين راستا مي توان به آلياژسازي مس با ديگر عناصر مانند قلع اشاره کرد. برنز خواص مکانيکي، سايشي و خوردگي مطلوبي داشته و در صنايع مختلف به وفور به کار مي رود. علاوه بر آن برنز با درصدهاي قلع متفاوت، کاربرد تزييني نيز دارد]1-4[. يکي از روش هاي ساخت برنز آبکاري است. در آبكاري برنز همانند آبكاري آلياژهاي ديگر يكي از مهمترين مسائل رسوب هم­زمان دو فلز است. تحقيقات در مورد آبكاري برنز به سال 1842 بر مي گردد كه از حمام­هاي سيانيدي جهت آبكاري برنز استفاده گرديد و اين تحقيقات تا سال 1970 ادامه پيدا كرد. با وجود مضرات زياد حمام هاي سيانيدي براي محيط زيست، اما به علت خواص بهتر پوشش ايجاد شده از حمام سياندي مانند چسبندگي، استحکام و براقيت بيشتر، هنوز از آن استفاده مي شود]5[. امروزه کمپلکس کننده هاي فراواني براي جايگزيني سيانيد معرفي شده است. پرکاربردترين اين کمپلکس کننده ها پيروفسفات بوده است که خود آلوده کننده محيط زيست است]6[. بنابراين به نظر مي رسد آبکاري برنز همواره با آلودگي همراه باشد. اما اخيراً آبکاري برنز بدون استفاده از کمپلکس کننده و مطالعه براي بهبود خواص رسوب حاصله مورد توجه قرار گرفته است]7[.

از دهه 1980، به دليل نياز روز افزون صنعت به مواد ضد سايش و با اصطكاك كم، حجم تحقيقات در زمينه پوشش هاي كامپوزيتي افزايش چشمگير يافت و خواص تريبولوژيكي كامپوزيت هاي با پايه نيكل و مس به همراه ذرات روانكار از جمله گرافيت، سولفيد موليبدن و تفلون مورد بررسي قرار گرفت.مهمترين ويژگي روانكارهاي جامد ساختار لايه لايه اي آنها  و در نتيجه کاهش ضريب اصطکاک است. پيوند اتم­ها بين لايه­ها واندروالس و بين اتم­ها در هر لايه كووالانت يا يوني مي باشد. ياتاقان ها و بوش ها بالاترين حجم قطعات توليد شده توسط روش متالوژي پودر مي باشند.  قبلاً اكثر اين قطعات از جنس مس – گرافيت (G-Cu) ساخته شده و شامل زمينه مسي با حدود 10% گرافيت بودند. عليرغم داشتن ضريب اصطكاك پايين، به خاطر استحكام و مقاومت به سايش پائين ناشي از زمينه نرم مسي و همچنين ورود گرافيت به زمينه سعي شده است از زمينه آلياژي برنزي به جاي مس استفاده شود. هم اكنون ياتاقان ها و بوش ها اكثراً داراي يك زمينه برنزي حاوي Sn10% و مقدار گرافيت در آن از 1% تا 25% متغير مي باشد. با تغيير زمينه از مس به برنز، نرخ سايش در سرعت هاي بالاي لغزش چهار برابر كمتر مي شود]8[. در مقايسه با روش متالورژي پودر،  آبکاري کامپوزيتي مي تواند روشي اقتصادي براي ساخت پوشش هاي حاوي ذرات جامد خودروانکار محسوب شود.

در اين تحقيق، آبکاري آلياژي-کامپوزيتي برنز-گرافيت از يک حمام اسيدي و اثر برخي متغيرها بر رسوب ايجاد شده بررسي شده است. در ادامه خواص سايشي و خوردگي پوشش رسوب داده شده مورد مطالعه قرار گرفت.

2- مواد و روش تحقيق

از نمک هاي کلريد مس و کلريد قلع در خلوص آزمايشگاهي به عنوان منبع يون هاي فلزي و از اسيد کلريدريک براي تنظيم pH استفاده شد. جدول 1 ترکيب شيميايي حمام مورد استفاده و شرايط آبکاري را نشان مي دهد. تمامي محلول ها با آب مقطر تهيه شدند. ابعاد ذرات گرافيت به طور متوسط10 ميکرون و تهيه شده از شرکت Merck بود. اين ذرات در غلظت هاي مشخص10، 20، 30، 40 و 50 گرم بر ليتر به محلول آبکاري اضافه شدند. حمام آبکاري شامل cc 250 محلول بود که به وسيله همزن مغناطيسي در دماي محيط و سرعت ثابت rpm 300 هم زده مي شد.

آند از مس و کاتد از فولاد ساده کربني انتخاب شد. فاصله آند و کاتد در تمامي آزمايش ها 7 سانتي متر بوده و از جريان الکتريکي مستقيم استفاده شد. قبل از هر آزمايش کاتد تا شماره 600 سنباده زده شده و سپس با استون شستشو و خشک شد. ترکيب شيميايي پوشش ها از طريق حل سازي آن ها در محلول رقيق شده اسيد نيتريک و سپس آناليز جذب اتمي (AAS) و نيز آزمون EDX تعيين شد. تخمين درصد ذرات در پوشش به وسيله نرم افزار تصويري Clemex صورت گرفت.

مقاومت سايش توسط دستگاه پين-ديسک در شرايط خشک و بر اساس استاندارد آزمايش pin-on-disk به شماره G99-95a ASTM اندازه گيري شد. بر اساس تحقيقات صورت گرفته قبلي ]9و10[هر نمونه تحت بار 2 کيلوگرم و سرعت چرخش rpm 100 قرار گرفت.

جهت بررسي مقاومت به خوردگي پوشش ها آزمايش پلاريزاسيون خطي به وسيله دستگاه Autolab PGSTAT 302N در محلول HCl 2/0 مولار بر ليتر انجام شد. بدين منظور ابتدا هر نمونه به مدت 25 دقيقه در محلول خورنده قرار گرفت و پس از آن در محدوده 2/0 ولت از پتانسيل مدار باز آزمايش انجام شد. الکترود شمارنده از جنس فولاد زنگ نزن بوده و از الکترود مرجع کالومل اشباع استفاده شد. هر آزمون 2 بار و با  نرخ روبش پتانسل mV/S 1 انجام شد.

3- نتايج و بحث

3-1- اثر دانسيته جريان بر مقدار قلع و گرافيت در پوشش

برای کسب اطلاعات بیشتر با صاحبان مقاله تماس حاصل فرمایید

3-2- اثر غلظت ذره بر درصد ذره در پوشش

3-3- اثر غلظت گرافيت بر ترکيب شيميايي پوشش

3-4- بررسي رفتار خوردگي

3-4- بررسي مقاومت سايشي

نتيجه گيري

آبکاري برنز از حمام کلريدي بدون حضور هيچ گونه کمپلکس کننده اي به طور موفقيت آميز انجام شد. از اين حمام براي آبکاري کامپوزيتي نيز استفاده شد. برنز رسوب داده شده از اين حمام در مقايسه با رسوب به دست آمده از حمام سيانيدي ضريب اصطکاک مناسبي نداشت اما پوشش کامپوزيتي به دست آمده از هر دو حمام داراي خواص سايشي يکسان بود. مشخص شد حضور ذرات گرافيت در حمام، موجب افزايش قلع در پوشش مي شود. افزايش دانسيته جريان الکتريکي نيز بر ترکيب شيميايي پوشش اثري مشابه داشت. حضور ذرات گرافيت در پوشش موجب بهبود رفتار خوردگي و سايشي برنز شد.

مراجع

1. B. Subramanian, S. Mohan, Sobha Jayakrishnan, “Structural, microstructural and corrosion properties of brush plated copper–tin alloy coatings”, Surface & Coatings Technology 201 (2006) 1145–1151

2. Fu-Sheng Ke, Ling Huang, Jin-Shu Cai, Shi-Gang Sun, “Electroplating synthesis and electrochemical properties of macroporous Sn–Cu alloy electrode for lithium-ion batteries”, Electrochimica Acta 52 (2007) 6741–6747

3. E. Bernardi, D.J. Bowden, P. Brimblecombe, H. Kenneally, L. Morselli, “The effect of uric acid on outdoor copper and bronze”, Science of the total environment 407 (2009) 2383–2389

4. L. Rapoport, V. Leshchinsky, M. Lvovsky, I. Lapsker, Yu Volovik, R. Tenne, “Load bearing capacity of bronze, iron and iron–nickel powder composites containing fullerene-like WS₂ nanoparticles”, Tribology International 35 (2002) 47–53

5. F. Campbell, J.A. Fraunhofer, “Some uses of pyrophosphate in metal finishing part І: Bismuth to copper-tin alloys” Surface & Coatings Technology 4 (1976) 303-330

6. A.N. Correia, M.X. Facanha, P. Lima-Neto, “Cu-Sn coatings obtained from pyrophosphate-based electrolytes”, Surface & Coatings Technology 201 (2007) 7216–7221

7. Motohiro Yuasa, Kota Kajikawa, Masataka Hakamada, Mamoru Mabuchi, “A superelastic nanocrystalline Cu–Sn alloy thin film processed by electroplating”, Materials Letters 62 (2008) 4473–4475

8. A. W. Batchelor, G. W. Stanchowiak, “Tribology in materials processing”, Journal of Materials Processing Technology 48 (1995) 503-515

9. T. Nickchi, M. Ghorbani, “Pulsed electrodeposition and characterization of bronze-graphite composite coatings”, Surface & Coatings Technology 203 (2009) 3037–3043

10. M. Ghorbani, M. Mazaheri, K. Khangholi, Y. Kharazi, “Electrodeposition of brass- graphite composite and characterization of the tribological properties” Surface & Coatings Technology, 148 (2001) 71-76

11. M. Ghorbani, M. Mazaheri, A. Afshar, “Electrodeposition of graphite-bronze composite coatings and study of electroplating characteristics”, Surface & Coatings Technology 187 (2004) 293– 299

12. Yavuz Sürme, A. Ali Gürten, Emel Bayol, Ersay Ersoy, “Systematic corrosion investigation of various Cu–Sn alloys electrodeposited on mild steel in acidic solution: Dependence of alloy composition”, Journal of Alloys and Compounds 485 (2009) 98–103

13.Z.Abdel Hamid, M.T. AbouElkhair, “Development of electroless nickel–phosphorous composite deposits for wear resistance of 6061 aluminum alloy”, Materials Letters 57 (2002) 720–726

14. M. Ghorbani, M. Mazaheri, A. Afshar, “Wear and friction characteristics of electrodeposited graphite–bronze composite coatings”, Surface & Coatings Technology 190 (2005) 32– 38

جدول، نمودار و شکل

جدول 1- ترکيب شيميايي حمام و شرايط آبکاري

جدول 2- پتانسيل و جريان خوردگي پوشش با درصد هاي گرافيت مختلف

شکل 1- نحوه تغيير مقدار قلع و گرافيت پوشش با دانسيته جريان الکتريکي اعمالي

شکل 2- اثر غلظت گرافيت در حمام بر درصد گرافيت محصور شده در پوشش

شکل 3- پيروي رسوب ذرات گرافيت در پوشش برنزي از مدل گاگليلمي

شکل 4- افزايش درصد قلع برنز با افزايش مقدار ذرات گرافيت در حمام

شکل 5- تصوير ميکروسکوپي و آناليز شيميايي EDX از پوشش حاوي الف) 5/4 درصد حجمي گرافيت

 ب) 7/6 درصد حجمي گرافيت

شکل 6-  مقايسه رفتار خوردگي زيرلايه فولادي با پوشش برنزي

شکل 7- ضريب اصطکاک هاي به دست آمده از پوشش برنزي و پوشش کامپوزيتي برنز-گرافيتي رسوب داده شده