مقالات علمی فرآیندهای آبکاری

نگارش :  دکتر محمد قربانی

(استاد دانشکده مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی شریف)

وحید نیک‌صفت

(فارغ‌التحصیل کارشناسی ارشد گرایش خوردگی و حفاظت از مواد، دانشگاه صنعتی شریف)

1         پوشش‌های الکترولس نیکل-بور

الکترولس یک روش رسوب شیمیایی است که به‌طور خودبه‌خودبر روی سطح فلزات اعمال می‌شود و ضخامت پوشش به‌طور خطی مادامی‌که ترکیب شیمیایی محلول تغییر نکرده است، اضافه می‌شود. در آبکاری الکترولس هیچ‌گونه جریان خارجی وجود ندارد و الکترون‌های مورد نیاز توسط واکنش شیمیایی در محلول تأمین می‌شود [1].

در حقیقت روش الکترولس جهت ایجاد پوشش، یک فرآیند احیاء شیمیایی خودکاتالیستی[2].

فلزاتی که می‌توان آن‌ها را به‌صورت خودبه‌خود پوشش داد عبارت‌اند از : نیکل، کبالت، مس، کادمیم، سرب، آنتیموآن، بیسموت، نقره، طلا، پلاتین، پالادیم، رودیم، روتنیوم، قلع، کروم و ایندیوم

از میان فلزات بالا، مس و نیکل از کاربرد بیشتری برخوردارند.

عناصری که به‌عنوان عنصر ثانویه به الکترولس نیکل اضافه می‌شوند و پوشش آلیاژی تولید می‌کنند نیز عبارت‌اند از : فسفر، بور، وانادیوم، تنگستن، منگنز، آهن، روی و تالیوم [3].

روش الکترولس روش مناسبی به‌منظور پوشش دادن قطعات پیچیده است. در شکل زیر مزیت روش الکترولس در مقایسه با روش رسوب الکتروشیمیایی مشاهده می‌شود. ازآنجاکه در تولید پوشش، جریان الکتریکی مورد استفاده قرار نمی‌گیرد؛ بنابراین دانسیته جریان الکتریکی روی سطح، اثری بر پوشش ندارد و پوشش حاصله دارای ضخامت یکنواختی خواهد بود. از دیگر مزایای روش الکترولس نسبت به روش احیا الکتروشیمیایی، قابلیت ایجاد پوشش بر روی زیرلایه‌های مختلف رسانا و نارسانا (پلاستیک و سرامیک‌ها) است. روش الکترولس در کاربردهای مهندسی به‌صورت روزافزون استفاده شده و به دلیل خصوصیات فیزیکی و شیمیایی منحصربه‌فرد، در بسیاری از مواقع جایگزین پوشش کروم سخت شده است [4].

?

شکل 1: شکل پایینی یکنواختی ضخامت پوشش الکترولس نیکل را نسبت به پوشش رسوب الکتروشیمیایی شده نیکل (شکل بالا) نشان می‌دهد [5].

علاوه بر خواص ذکر شده در بالا، پوشش الکترولس نیکل-بور داری قابلیت‌های ضد سایشی، مقاومت به خوردگی، قابلیت جوشکاری، هدایت حرارتی و الکتریکی خوب و خصوصیات مغناطیسی قابل کنترل به کمک عملیات حرارتی است (جدول 1). این پوشش به‌عنوان پوشش محافظ در صنایع مختلف ازجمله صنایع نفت، شیمیایی، پلاستیک، نوری، چاپ، الکترونیک و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین آزاد شدن هیدروژن در پوشش‌دهی به روش الکترولس نیکل ناشی از اکسید شدن عامل کاهنده است که تأثیری بر روی سرعت رسوب ندارد و بر روی تمامی سطوح از جمله فلزات و پلاستیک‌ها قابل اعمال است [6]. همچنین از کاربردهای صنعتی پوشش نیکل-بور می‌توان به بهبود خواص زیرلایه‌های نظیر فولاد، آلومینیوم، مس، آلیاژهای منیزیم، پلاستیک و دیگر مواد اشاره کرد. به همین علت از این پوشش‌ها در صنایع هواپیما‌سازی و خودروسازی نیز استفاده می‌شود [7].

پوشش الکترولس نیکل-بور نسبت به پوشش الکترولس نیکل-فسفر دارای سختی و مقاومت به سایش بالاتر است اما در اکثر مواقع، مقاومت به خوردگی آن نسبت به پوشش الکترولس نیکل-فسفر کمتر گزارش شده است که توسط پوشش‌دهی دوگانه[8]:

پوشش‌های آلیاژی الکترولس نیکل-بور (Ni-B-Tl، Ni-B-Mo، Ni-B-Sn)
پوشش‌های کامپوزیتی الکترولس نیکل-بور (Ni-B-SiC، Ni-B-Al2O3، Ni-B-BN، Ni-B-Diamond، Ni-B-TiO2)
پوشش‌های دوگانه حاوی پوشش الکترولس نیکل-بور (Ni-P/Ni-B)
 

?

شکل2:  کاربردهای پوشش الکترولس نیکل [9]

جدول 1: خواص کلی پوشش‌های الکترولس نیکل-بور [9]

2         انواع حمام‌های الکترولس نيکل-بور

پوشش‌های الکترولس نیکل-بور مشابه نیستند. انواع مختلفی از پوشش الکترولس نیکل-بور برای به دست آوردن خواص به خصوص گسترش یافته است؛ بسته به نوع حمام مورد استفاده، خواص نهایی و ضخامت پوشش تغییر می‌کند. در جدول 2 مشخصات و ویژگی‌های حمام‌های اسیدی و بازی الکترولس نیکل-بور آورده شده است [8].

جدول 2:  مشخصات حمام‌های الکترولس نیکل-بور [8]

2-1     حمام‌های اسيدی الکترولس نيکل-بور
این حمام‌ها به‌عنوان عامل کاهنده از آمینو بوران‌ها  استفاده می‌کنند. میزان بود در پوشش نهایی تولید شده توسط این حمام‌ها در بازه 0.1 تا 4 درصد وزنی قرار دارد. مهم‌ترین مزیت این حمام‌ها پایداری حمام و بالا بودن نقطه ذوب (1350 درجه سانتی‌گراد) پوشش نهایی این‌گونه حمام‌هاست. استفاده از آمینو بوران در محلول‌های آبکاری تجاری الکترولس نیکل محدود به دو ترکیب می‌باشد: اِن دی متیل آمینو بوران و اِچ دی متیل آمینو بوران [10, 11]

2-2     حمام‌های قليايی الکترولس نيکل-بور
حمام‌های قلیایی، به‌عنوان عامل کاهنده از اِن آلکیل آمینوبوران‌ها  یا بوروهیدریدها استفاده می‌کنند. یون‌های بوروهیدرید قوی‌ترین عامل احیاکننده برای آبکاری الکترولس نیکل می‌باشند. در صورت استفاده از آمینوبوران به عنوان کامل کاهنده، میزان بور در پوشش نهایی 0.2 تا 4 درصد وزنی خواهند بود. در حمام‌هایی که از سدیم بوروهیدرید به عنوان عمل کاهنده استفاده کنند میزان بود در پوشش نهایی بین 4 تا 7 درصد وزنی خواهد بود [10, 11].

2-3     اجزاء تشکیل‌دهنده حمام الکترولس نيکل-بور
پوشش الکترولس نیکل بدون شک مهم‌ترین روش پوشش‌دهی کاتالیستی است که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرد. دلیل اصلی گستردگی کاربردهای تجاری و صنعتی این پوشش، خواص منحصربه‌فرد آن می‌باشد. خواص شیمیایی و فیزیکی این پوشش به ترکیب شیمیایی آن بستگی دارد که خود تابعی است از ترکیب، فرمولاسیون و شرایط کاری حمام پوشش‌دهی. اجزا اصلی پوشش الکترولس نیکل عبارت‌اند از [12]:

v     منبع يون نيکل در حمام الکترولس نيکل-بور

v     عوامل احیاکننده در حمام الکترولس نيکل-بور 

v     عوامل کمپلکس‌کننده در حمام الکترولس نيکل-بور

v     عوامل پايدارکننده در حمام الکترولس نيکل-بور

v     عوامل بافرکننده در حمام الکترولس نيکل-بور

v     عوامل شتاب‌دهنده در حمام الکترولس نيکل-بور

3         خواص پوشش‌های الکترولس نیکل-بور

جدول 3: خواص فیزیکی و شیمیایی پوشش‌های الکترولس نیکل-بور دارای 0.5 تا 1 % و 3 تا 5 % وزنی بور [8]

3-1     مقاومت به خوردگی پوشش‌های الکترولس نیکل-بور دارای 4 تا 5 درصد وزنی بور در محیط‌های مختلف

جدول 4: نرخ خوردگی پوشش‌های الکترولس نیکل-بور دارای 4 تا 5 درصد وزنی بور در محیط‌های مختلف در دمای 20 درجه سانتی‌گراد [8]

3-2     خواصی مکانیکی و شیمیایی پوشش کامپوزیتی الکترولس نیکل-بور-تیتانیا
جدول 5: سختی، ضریب اصطکاک و خواص خوردگی (محلول کلرید سدیم 3.5 درصد وزنی) پوشش کامپوزیتی الکترولس نیکل-بور-تیتانیا در دمای محیط [13]

3-3     ساختار کریستالی پوشش نیکل-بور قبل و بعد از عملیات حرارتی
 

?

شکل 3: الگوی پراش اشعه‌ی X مربوط به پوشش نیکل-بور قبل از عملیات حرارتی [13]

?

شکل 4: الگوی پراش اشعه‌ی X مربوط به پوشش نیکل-بور بعد از عملیات حرارتی [13]

3-4     تصاویر میکروسکوپ الکترونی مربوط به پوشش الکترولس نیکل-بور
 

?

شکل 5:  تصاویر SEM پوشش نیکل-بور در بزرگنمایی 1000، 5000 و 20000 [13]

مراجع

[1]     م. قربانی, پوشش دادن فلزات, مؤسسه انتشارات علمی دانشگاه صنعتی شریف, 2006.

[2]     R. Taheri, Evaluation of Electroless Nickel-Phosphorus (EN) Coating, PhD Thesis, University of Saskatchewan, 2002.

[3]     W. Riedel, Electroless Nickel Plating, 2 ed., ASM International, 1991.

[4]     J.R. Davis, Surface engineering for corrosion and wear resistance, ASM international, 2001.

[5]     W. Sha, X. Wu, K.G. Keong, Electroless copper and nickel-phosphorus plating: processing, characterisation and modelling, Woodhead Pub.

[6]      S. Djoki, Modern Aspects of Electrochemistry, Springer, 2010.

[7]     R. Shakoor, R. Kahraman, W. Gao, Y. Wang, Synthesis, Characterization and Applications of Electroless Ni-B Coatings-A review, INTERNATIONAL JOURNAL OF ELECTROCHEMICAL SCIENCE 11

[8]     J. Sudagar, J. Lian, W. Sha, Electroless nickel, alloy, composite and nano coatings–A critical review, Journal of Alloys and Compounds 571 (2013) 183-204.

[9]     P. Sahoo, S.K. Das, Tribology of electroless nickel coatings–a review, Materials & Design 32 (2011) 1760-1775.

[10]    C. Cotell, J. Sprague, F. Smidt, ASM Metals HandBook (Surface Engineering), ASM International, 1994.

[11]    J. Sudagar, J. Lian, W. Sha, Electroless Nickel, Alloy, Composite and Nano Coatings-A Critical Review, Journal of Alloys and Compounds 571 (2013) 183–204.

[12]    G.O. Mallory, J.B. Hajdu, Electroless plating: fundamentals and applications, American Electroplaters and Surface Finishers Society, 1990.

[13]    V. Niksefat, M. Ghorbani, Mechanical and electrochemical properties of ultrasonic-assisted electroless deposition of Ni–B–TiO2 composite coatings, Journal of Alloys and Compounds 633 (2015) 127-136.