آبکاری پوشش نیکل-بور الکترولس و بررسی خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی آن پس از آبکاری و عملیات حرارتی
چکیده
در تحقیق حاضر اثر غلظت عامل احیاکننده (یون بوروهیدرید) در حین آبکاری بر روی خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی پوشش نیکل-بور الکترولس بر روی زیرلایه فولادی قبل از عملیات حرارتی پوشش و بعد از آن مورد بررسی قرار گرفت. جهت بررسی خواص فیزیکی پوشش Ni-Bالکترولس پوششهای اعمال‌شده بر روی فولاد از سطح و از مقطع مورد متالوگرافی قرار گرفتند. بررسی‌های متالوگرافی نشان‌دهنده درشت‌شدن ساختار کلوخه‌ای سطح و نیز افزایش ضخامت پوشش به دنبال افزایش درصد عامل احیاکننده در حمام آبکاری بودند. برای بررسی اثر عملیات حرارتی بر روی تبلور پوشش نیکل-بور الکترولس با درنظر گرفتن یکی از غلظت‌های عامل احیاکننده، آنالیز پراش اشعه X روی دو مورد از نمونهها که یکی در شرایط قبل از عملیات حرارتی و دیگری در وضعیت بعد از عملیات حرارتی قرار داشت به عمل آمد. همچنین به منظور شناسایی عناصر حاضر در پوشش از دو مقطع همان دو پوششی که مورد آنالیز XRD قرار گرفته‌بودند آنالیز EDS به عمل آمد. بر اساس این آنالیز حضور عناصر نیکل، بور، آهن و سرب در این پوشش‌ها به اثبات رسید. جهت بررسی خواص مکانیکی، پوشش‌ها مورد آزمون میکروسختی قرار گرفتند. نتایج آزمون میکروسختی نشان‌داد که میکروسختی پوشش Ni-B الکترولس بعد از عملیات حرارتی بیشتر از میکروسختی این پوشش قبل از عملیات حرارتی است. در مورد پوششهای صرفا آبکاری‌شده افزایش غلظت سدیم بوروهیدرید حمام آبکاری منجر به کاهش میکروسختی گردیده است اما در مورد نمونه‌های عملیات حرارتی شده این روال برعکس میباشد یعنی افزایش غلظت عامل احیاکننده در حین آبکاری منجر به افزایش میکروسختی در شرایط پس از عملیات حرارتی میگردد. در نهایت برای بررسی خواص شیمیایی پوشش نیکل-بور الکترولس، آزمون پتانسیل مدار باز به عمل آمد. اثر غلظت عامل احیاکننده در حین آبکاری بر روی پتانسیل مدار باز پوشش در زمان‌های مختلف بسیار پیچیده بود و نیاز هرچه بیشتر به آزمونهای XRD، EDS و XPS را برای دستیابی به تحلیلی درست در این خصوص را مستلزم می‌شد که در مطالعه حاضر استفاده از این ابزارها میسر نگردید.
کلید واژه: پوشش نیکل-بور الکترولس، آبکاری الکترولس، عملیات حرارتی پوشش، سختی، مقاومت به‌خوردگی
فهرست مطالب
فصل اول: مقدمه
فصل دوم: مروری بر منابع
2-1-معرفی آبکاری الکترولس نیکل-بور
2-1-1- آشنایی با آبکاری الکترولس
2-1-2- آبکاری الکترولس نیکل
2-1-3- اجزای حمام آبکاری نیکل-بور الکترولس
2-2- مکانیزم تشکیل رسوب Ni-B الکترولس
2-3- تبلور پوشش Ni-B الکترولس طی عملیات حرارتی
2-4- ویژگی‌های پوشش Ni-B الکترولس
2-4-1- ویژگی‌های فیزیکی
2-4-2- ویژگی‌های شیمیایی
2-4-3- خواص مکانیکی و خواص مرتبط با تریبولوژی پوشش Ni-B الکترولس
2-4-4- خاصیت اتصال‌دهی پوشش Ni-B الکترولس
2-5- عوامل مؤثر بر آبکاری نیکل-بور الکترولس
2-5-1- اثر غلظت منبع نیکل
2-5-2- اثر غلظت عامل احیاکننده
2-5-3- اثر غلظت عوامل کمپلکس‌ساز
2-5-4- اثر غلظت عوامل پایدارکننده
2-5-5- اثر دما
2-5-6- اثر عملیات حرارتی و دمای آن
2-5-7- اثر بازیابی یا شارژ مجدد حمام
2-5-8- اثر انجام عملیات ترموشیمیایی
2-5-9- اثر کامپوزیتی نمودن پوشش Ni-B
2-6- آبکاری زیرلایه‌های مختلف
2-6-1- فولاد
2-6-2- آلومینیم
2-6-3- منیزیم
2-6-4- مس
2-6-5- تیتانیم
2-6-6- مواد پلیمری
2-6-7- فیبرهای کربنی
2-6-8- n-سیلیکون
2-7- افزودن سایر اتم‌ها به پوشش Ni-B
2-7-1- پوشش Ni-Co-B
2-7-2- پوشش Ni-Cu-B
در سال 1844 ورتز[1] پی‌برد که فلز نیکل میتواند از محلول آبی حاوی نمک آن به وسیله احیا شدن توسط هیپوفسفیت رسوب کند. با این حال رسوب نیکل به‌دست‌آمده در آن موقع بهصورت پودر بود. اختراع فناوری نیکل الکترولس که امروزه مستعمل است در سال 1946 در پی دو سال کارِ برنر[2] و ریدل[3] اختراع‌گردید.
کاربرد پوششهای نیکل الکترولس را میتوان در موارد ذیل خلاصه کرد:
1- هادی‌سازی مواد نارسانا با اعمال پوشش نیکل الکترولس بر روی آن‌ها
2- افزایش سختی و مقاومت به سایش زیرلایه‌های نرم و ضعیف در برابر سایش
3- محافظت زیرلایه‌های فعال در برابر خوردگی
4- قابلیت جایگزینی به جای فرایند کروم سخت با ارائه مقاومت به خوردگی، مقاومت به سایش، عدم ایجاد آلودگی زیست‌محیطی و قابلیت پوشش‌دهی اشکال پیچیده
5- بهبود لحیم‌کاری برخی از زیرلایه‌ها.
آبکاری پوشش نیکل-بور الکترولس فرایندی است که در آن از ترکیبات حاوی بور به عنوان عامل احیاکننده در حمام آبکاری استفاده شده و ترکیب شیمیایی پوشش آن علاوه بر نیکل، مقداری بور دارد. پوشش‌هایی که در آبکاری آن‌ها از NaBH4 استفاده‌شده‌است خواص سایشی و سختی بالاتری را ارائه میدهند.
نسل‌های مختلفی از پوششهای نیکل-بور الکترولس با استفاده از پایدارکننده و کاتالیزورهای مختلف ایجاد شدهاند. در سال 1970 مک‌کوماس[4] اولین فرایند تولید مقیاس‌پذیر، تکرارپذیر و قابل انتقال پوشش نیکل الکترولس که حاوی wt% 6-5 بور بود را ایجاد نمود. با این حال این فرایند به علت استفاده از پایدارکننده‌های بسیار سمی، فقدان در چگالی فضایی، وجود ترک‌هایی در بین دانه‌های ستونی پوشش و در معرض قرار گرفتن سطح ماده زیرلایه، کمبود مقاومت به سایش و خوردگی و ناکارآمدی و ناسازگاری برای تولید انبوه نیازمند بهبود بود.
آخرین نسل پوشش Ni-B الکترولس، نسل پنجم این پوشش‌ها است که تحت عنوان تجاری اولتراسم[5] شناخته‌می‌شود. در نسل پنجم پوشش Ni-B الکترولس؛ اولتراسم، ضمن رفع مشکلات فوق قابلیت‌هایی مانند پیوند قوی با انواع زیرلایه‌ها همچون فولاد کربنی،فولاد زنگ‌نزن، چدن، آلیاژهای آلومینیم، منیزیم، مس، ایجاد عملکرد شبه‌‌چکش‌خوار، قابلیت هم‌رسوبی با ذرات کاربردی و... به پوشش اضافه‌‌گردیده‌است.
نسل جدید پوششهای نیکل-بور در پوشش‌دهی انواع مختلف قطعات صنعتی قابل استفاده‌است. چند مثال عبارتند از:
· قطعات دستگاه‌های تولید مواد غذایی: با به کارگیری این پوشش کاهش سایش و افزایش عمر خدمت‌رسانی در وسایلی همچون تسمه‌نقاله‌ها و چاقوهای اتوماتیک به دست آمدهاست.
· صنایع نفت و گاز: افزایش هزینه استخراج نفت در چاه‌های نفت قدیمی ناشی از محتوای بالای شن در آن است که برای بهبود عملکرد، این چاه‌ها دوباره شیر و پمپ‌گذاری میشوند. چرخه عمر اجزای پمپی که در معرض چنین محیط ساینده هستند با استفاده از این فناوری پوشش‌دهی افزایش یافته است.
· قالب‌های صنعتی: به کمک پوشش نیکل- بور الکترولس نسل پنجم، دوام این قالب‌ها بهبودیافته و کیفیت و چرخه عمر این تجهیزات قیمتی افزون گردیدهاست.
· لوله تفنگ بدون روانکار: لوله تفنگ یک محیط پویا و پرتنش است و قبلا جهت کاهش اصطکاک نیازمند گریس‌کاری بوده که این نیاز با استفاده از پوشش اولتراسم مرتفع گردیده است.
· صنایع خوردو: با استفاده از این پوشش در دیفرانسیل و چرخ‌دنده‌های قوای محرکه کاهش چشمگیری در اتلاف توان موتوری رویت گردیدهاست. این پوشش قابل به کارگیری در دنده‌پینیون، رینگ پیستون، شغالدست، کمک‌فنر و برخی سوپاپ‌ها میباشد.
پوشش Ni-B الکترولس بوروهیدریدی نسبت به کروم سخت و فولاد ابزار مقاومت به سایش بیشتری ارائه‌می‌دهدو میتواند در صنایع الکترونیک جایگزین طلا گردد. به علاوه این پوشش لحیم‌پذیری خوبی نیز دارد.
عوامل مختلفی بر خواص پوشش Ni-B الکترولس اثر می‌گذارند. از جمله این موارد میتوان به نوع اجزای حمام آبکاری همچون نوع عامل احیاکننده، عامل کمپلکس‌کننده و عامل پایدارکننده، غلظت اجزای حمام آبکاری، دمای حمام آبکاری، راکد بودن یا هم‌خوردن محلول حمام آبکاری، استفاده از مواد افزودنی همچون براق‌کننده‌ها و یا ذرات معلق در حمام (جهت کامپوزیتی‌کردن پوشش)، نوع زیرلایه مورد آبکاری، انجام عملیات حرارتی روی پوشش و به دنبال آن دما، محیط و فشار محیطی حین عملیات حرارتی و... اشاره‌کرد. تغییر هر کدام از این عوامل علاوه بر اینکه میتواند خوصیاتی همچون سختی، مقاومت به‌سایش، زبری، ریزساختار، ترکیب، مقاومت به‌خوردگی و... را در پوشش دستخوش دگرگونی‌سازد، قادر است که بر روی اثر سایر عوامل نیز اعمال تغییر نماید. به عنوان مثال اگر عامل احیاکننده از دی‌متیل‌آمینوبوران به سدیم‌بوروهیدرید تغییر یابد برای پایداری حمام آبکاری لازم است تا pH حمام آبکاری را با افزودن عامل بازی‌کننده حمام آبکاری همچون هیدروکسید سدیم تا حداقل 12 برسانیم.
در تحقیق حاضر با توجه به موارد ذکر شده اهداف پروژه را میتوان در موارد ذیل خلاصه‌نمود:
1- یافتن محلول مناسب برای فعال‌نمودن سطح فولاد st37 جهت انجام آبکاری پوشش Ni-B الکترولس
2- دستیابی به پوششی یکنواخت طی انجام عمل آبکاری
3- بررسی اثر غلظت عامل احیاکننده در حمام آبکاری بر روی ضخامت، میکروسختی، توپوگرافی سطحی پوشش، مقاومت به خوردگی پوشش قبل و بعد از انجام عملیات حرارتی بر روی پوشش
4- بررسی اثر عملیات حرارتی بر خصوصیات مذکور
5- مطالعه فازها و عناصر حاضر در پوشش پس از آبکاری و عملیات حرارتی
فصل دوم:
مروری بر منابع
2-1- معرفی آبکاری الکترولس نیکل-بور
2-1-1- آشنایی با آبکاری الکترولس
فرایند آبکاری الکترولس یا غیرالکتریکی فرایندی است که در آن نیازی به منبع جریان خارجی نیست و الکترون‌های لازم برای احیای یونهای فلزی به وسیله واکنش شیمیایی در حمام آبکاری تولید میشوند [1 و 2]. به طور کلی سه نوع فرایند برای رسوب‌دهی الکترولس وجود دارد:
1- رسوب‌دهی به وسیله مبادله بار یا یون؛ که در آن زیرلایه فلزی در محلولی محتوی نمک یون فلز دیگر فروبرده‌شده و با انحلال جزئی زیرلایه فلزی، فلز دوم بر روی زیرلایه می‌نشیند. واکنش کلی این فرایند را میتوان به صورت زیر نوشت:
|
واکنش آندی:
|
M1→ M1Z++Ze
|
|
واکنش کاتدی:
|
M2Z+ + Ze → M2
|
2- رسوب‌دهی به وسیله اتصال دو فلز در محلولی حاوی نمک فلز پوشش؛ که طی این فرایند زوجی گالوانیکی میان فلز زیرلایه که نجیب‌تر است و فلز متصل‌شده به آن شکل‌گرفته و درنتیجه فلز فعالتر در محلول حل‌شده و بر روی فلز نجیب‌تر می‌نشیند.
3- رسوب فلز از طریق محلولی حاوی یون فلز پوشش و عوامل احیاکننده؛ این روش که قادر به ایجاد پوششهای رسوبی ضخیم فلزی است تنها میتواند روی سطوحی که از نظر کاتالیتیکی فعال هستند انجام‌گیرد. الکترون‌های لازم برای احیای یونهای فلزی از طریق عوامل احیاکننده Rn+ تامین‌شده که z الکترون آزاد می‌نمایند. واکنش کلی این نوع رسوب به صورت زیر است:
|
واکنش آندی:
|
Rn+→ R(n+z) + ze-
|
|
واکنش کاتدی:
|
Mz++ ze-→ M
|
این روش پوشش‌دهی که بیشترین توجه را به خود جلب‌کرده است برای آبکاری الکترولس نیکل مورد استفاده قرار میگیرد [1].
2-1-2- آبکاری الکترولس نیکل
فناوری پوشش‌دهی الکترولس نیکل که امروزه از آن استفاده‌می‌شود توسط برنر[6] و ریدل[7] در سال 1946 کشف‌شد [1]. برای آبکاری نیکل الکترولس از محلولهای شیمیایی مختلفی استفاده میشود. این محلولها شامل ترکیباتی از جمله منبع نیکل، عامل یا عوامل احیاکننده، عامل کمپلکس‌ساز، عامل پایدارکننده، عامل تنظیم‌کننده pH و برخی مواد افزودنی هستند [1-3]. حمام‌های الکترولس را میتوان برپایه نوع عامل احیاکننده، pH و یا دمای آبکاری تقسیم‌بندی نمود. مهم‌ترین روشی که حمام‌های الکترولس را بر پایه آن تقسیم‌بندی میکنند بر اساس نوع عامل احیاکننده است [1]. لذا بر اساس نوع عامل احیاکننده سه نوع حمام نیکل الکترولس وجود دارد: حمام‌های هیپوفسفیتی، حمام‌های حاوی ترکیبات بور و حمام‌های پایه هیدرازین [1]. پوششهای حاصل از حمام‌های هیپوفسفیتی علاوه بر نیکل حاوی مقادیری فسفر و پوششهای حاصل از حمام‌های حاوی ترکیبات بور دارای مقادیری بور هستند، بنابراین پوشش حاصل از این فرایندها بهطور اختصار بترتیب Ni-P و Ni-B مینامند. در مقابل پوششهای حاصل از حمام‌های پایه هیدرازین حاوی 97 تا 99 درصد وزنی نیکل میباشند [1].
2-1-3- اجزای حمام آبکاری نیکل-بور الکترولس
در حمام آبکاری نیکل-بور الکترولس اجزای مختلفی با کارکردهای متفاوت حضور دارند. این اجزا علاوه بر ترکیبات محلول آبکاری که در فوق به آن اشاره‌شد شامل مواردی همچون منبع تامین انرژی حرارتی، عامل ایجاد تلاطم در حمام و... میباشند. [1-4].
2-1-3-1- منبع نیکل
برای تامین نیکل حمام از هر نمک قابل حل نیکل میتوان استفاده کرد. در حمام‌های آلکالین استفاده از کلرید نیکل مطلوب‌تر است زیرا آنیون آن نسبت به اجزای محیط خنثی است [5]. بعلاوه از نمک سولفات نیکل نیز میتوان استفاده‌‌نمود [4].
2-1-3-2- عامل احیاکننده
برای آبکاری پوشش نیکل-بور الکترولس دو نوع عامل احیاکننده وجود دارد. اولی ترکیبات نیتروژن-بور میباشند که عبارتند از: دی‌اتیل‌آمینوبوران، مونومتیل‌آمینوبوران، دی‌متیل‌آمینوبوران و تری‌اتیل‌آمینوبوران. عامل احیاکننده دیگر یون بوروهیدرید است که معمولا بهصورت نمک سدیم بوروهیدرید یا پتاسیم بورهیدرید به حمام اضافه میگردد [1]. بوروهیدریدها عوامل احیاکننده قوی‌تری نسبت به آمینوبوران‌ها هستند [1 و 6]. سدیم بوروهیدرید میتواند 8 الکترون را برای احیای برخی فلزات مهیا سازد در حالی که عامل احیاکننده هیپوفسفیت تنها قادر به تهیه 2 الکترون میباشد [7 و 8، 9]. سدیم بوروهیدرید در محیط‌های بازی با pH 14- 12 قابل استفاده است [1 و 6 ] و در محیط‌های اسیدی و خنثی تجزیه‌می‌شود [8]. در حالی که آمینوبوران‌ها در محیط‌های خنثی یا اسیدی ضعیف کاربرد دارند [1]. مزیت عمده رسوب نیکل الکترولس تهیه‌شده با سدیم بوروهیدرید سختی و مقاومت به سایش بیشتر آن است [8 و 10].
2-1-3-3- عوامل کمپلکس‌ساز
عوامل کمپلکس‌کننده به منظور جلوگیری از تجزیه خود‌به‌خود محلول آبکاری و رسوب هیدروکسید نیکل و نیز کنترل واکنش‌هایی که روی سطح زیرلایه انجام‌می‌گیرد، به کار میروند. این عوامل میتوانند به عنوان عامل بافری نیز عمل نمایند و از تغییر ناگهانی pH ناشی از تولید هیدروژن جلوگیری نمایند [4]. در عدم حضور عامل کمپلکس‌ساز یون نیکل توسط مولکول‌های آب احاطه‌می‌شود. عوامل کمپلکس‌ساز جای مولکول‌های آب را گرفته و غلظت یون نیکل آزاد را در حمام کاهش میدهند [1 و 2]. از جمله عوامل کمپلکس‌سازی که برای آبکاری Ni-B الکترولس با عامل احیاکننده بوروهیدرید به کار میروند میتوان اتیلن دی‌آمین، ترکیبی از آمونیاک،تارتاریک اسید و نمک قابل حل تارتاریک اسید، عوامل کمپلکس‌ساز پایه سیترات و تارتارات [7]، و پلی‌آمین [8] را نام برد.
2-1-3-4- عوامل تسریعکننده
عوامل کمپلکس‌ساز باعث کاهش سرعت رسوب‌می‌شوند. برای جلوگیری از این مشکل مقدار کمی افزودنی تحت عنوان عامل تسریعکننده به محلول اضافه میگردد تا سرعت رسوب افزایش‌یابد [4].
2-1-3-5- عامل پایدارکننده
حمام‌های الکترولس نیکل-بور ممکن است پس از مدتی به صورت ناگهانی تجزیه‌شده و طی آن همراه با آزادشدن بیشتر گاز هیدروژن، هیدروکسید نیکل و بورید نیکل بهصورت رسوبی سیاه‌رنگ ته‌نشین‌گردند. این تجزیه ناگهانی معمولا ناشی از حضور ذرات کلوئیدی جامد است که میتواند ناشی از مواد بیگانه‌ای چون گرد و غبار باشد. به علاوه در حین آبکاری لازم است تا فرایند رسوب با سرعتی قابل تعیین فقط روی سطح مورد نظر انجام گیرد. برای دستیابی به موارد فوق از مواد پایدارکننده استفاده‌می‌گردد [1، 4 و 6]. از جمله مواد پایدارکننده مورد استفاده در حمام‌های بوروهیدریدی نیکل الکترولس میتوان به نیترات تالیم [7، 8، 11]، استات تالیم [7]، نیترات سرب [6، 8]، تنگستات سرب [12، 11] و مرکاپتوبنزوتیازول[8] [8] اشاره‌کرد. البته استفاده از یون تالیم بعنوان پایدارکننده به علت اثرات سمی آن نامناسب است [12 و 11]. تالیم نیترات در براق‌ساختن پوشش مؤثر است [11] و علاوه بر پایدارسازی حمام نرخ آبکاری را افزایش میدهد [8].
2-1-3-6- عامل تنظیم‌کننده pH
همان‌طور که عنوان‌شد یون بوروهیدرید در محیط‌های خنثی یا اسیدی هیدرولیز میشود درنتیجه لازم است تا با استفاده از عاملی pH محیط را به بالای 12 رسانید [1]. ماده‌ای که در اکثر تحقیقات برای این کار از آن استفاده‌شده است هیدروکسید سدیم میباشد [6 و 7].
2-2- مکانیزم تشکیل رسوب Ni-B الکترولس
رسوب الکترولس نیکل با استفاده از عامل احیاکننده بوروهیدرید در pH بالای 12 میتواند بهصورت واکنش زیر نوشته‌شود:
4Ni2+ + BH4- + 8OH- → 4Ni + BO2- + 6H2O
و همچنین
4Ni2+ + 2BH4- + 6OH- → 2Ni2B + 6H2O + H2 [1]
مکانیزم رسوب نیکل بر روی زیرلایه فولادی در ابتدای فرو بردن زیرلایه در حمام‌های بوروهیدریدی بر اثر واکنش جابجایی نیست بلکه براساس اثر کاتالیکی میباشد. در ابتدا یک مرحله کوتاه القا وجود دارد که طی آن کمی نیکل روی سطح تشکیل میشود اما به شکل جوانه نیست. پس از مرحله القا جوانه‌های اولیه ترجیحا روی ناهمواری‌‌ها و عیوب سطح جوانه می‌زنند. در ابتدا کل سطح از جوانه‌ها پوشیده‌نمی‌شود اما پس از مدتی این اتفاق می‌افتد. با توجه به اینکه هر جوانه توسط جوانه‌های همجوار خود محاصره گردیدهاست، فلذا رشد این جوانه‌ها ستونی میباشد.
زمانی که جوانه‌ها سطح زیرلایه را پوشانده و به صورت یک لایه پیوسته در می‌آیند چگال شدن پوشش آغازگردیده و تخلخل‌ها پر میشوند. در این مرحله ممکن است طی یک برهه زمانی ضخامت پوشش افزایش نیابد اما رسوب انجام‌می‌پذیرد [13].
همراه با رشد جوانه‌ها یک محدوده با غلظت یونی کم، مشابه لایه نفوذی در مجاورت سطح رسوب به وجود می‌آید که علت آن مصرف یون قابل ملاحظه است. این لایه نفوذی کم‌غظت از سرعت واکنش رسوبی و رشد جوانه‌ها می‌کاهد. شکل 2-1 شمایی از مراحل رشد پوشش Ni-B را نشان میدهد. در موقعیت C و D نشان‌داده‌شده در تصویر کمی تفاوت وجود دارد، زیرا که جریان جابجایی طبیعی که لایه نفوذی را تخریب میکند به‌سختی به گوشه‌ها می‌رسد. این امر باعث‌می‌شود که در نقطه D نسبت به C سرعت رشد بیشتری داشته‌باشیم. با گذر زمان و رشد دانهها (و کاهش غلظت حمام)، لایه نفوذی ضخیم‌تر میگردد. با وجود اینکه لایه نفوذی از رشد دانهها ممانعت میکند در مناطقی که لایه نفوذی توسط خروج H2 همراه با واکنش اکسایش-کاهش تخریب میشود، جوانه‌های جدیدی تشکیل‌شده و شروع به رشد میکنند [14].
شکل 2-1- شمای مرحله جوانه‌زنی و رشد دانه‌های نیکل در آبکاری نیکل-بور الکترولس [14].
کیون-لی رائو[9] و همکارانش [14] بیان‌کردند تعداد جوانه‌هایی که در این مرحله تشکیل‌می‌شوند کم است و بنابراین جوانه‌ها میتوانند در همه جهات رشد کرده و ساختاری هم‌محور را ایجادکنند. اما ویتری و همکارانش [13] نشان‌دادند که در این مرحله نیز رشد ستونی است اما اندازه ستون‌ها کوچکتر است. ستون‌ها الگویی در حال تکسیر را نشان‌می‌دهند و ستون‌های اولیه میتوانند به چندین ستون ریزتر تبدیل‌شوند و این ستون‌ها نیز کماکان تقسیم‌شده و ریزتر می‌گردند. با این حال ستون‌های کوچکتر ممکن‌است بخاطر چگال‌شدن در حال پیشرفت پوشش قابل تشخیص نباشند.
ساختار کریستالی در فصل‌مشترک پوشش و زیرلایه ترکیبی از فاز آمورف و بلوری است اما هر چه که از این فصل مشترک به سمت سطح پوشش حرکت کنیم ساختار بی‌نظم‌تر میگردد. کیون-لی رائو وهمکارنش [24] بیان‌داشتند که در حمام بوروهیدریدی ساختار باید کاملا بی‌نظم (آمورف) باشد ولی بهموجب رسوب ترجیحی نیکل بر روی زیر لایه فولادی و بهموجب اعوجاع شبکه میان آن‌ها همانند آنچه که در رشد هم‌محور[10] اتفاق می‌افتد فیلم رسوب در ابتدای شکل‌گیری‌اش ساختاری را تشکیل‌می‌دهد که بیشتر بلوری است تا بی‌نظم. اما رفته‌رفته با رشد این لایه رسوب ساختار بی‌نظم میگردد [14].
همچنین غلظت بور در ضخامت‌های مختلف پوشش متفاوت است. در فصل‌مشترک پوشش و زیرلایه کمترین مقدار بور را داریم و هر چه که از فصل‌مشترک به سمت سطح پوشش می‌رویم غلظت بور افزایش مییابد. علت این امر اینگونه توجیه میشود که در ابتدای رسوب پوشش، وجود غلظت بالای نیکل و مقدار pH بالای محلول که مصرف یون نیکل را سرعت میبخشد باعث میگردد که احیای نیکل فرایند اصلی رسوب‌دهی باشد اما با گذر زمان و کاهش pH محلول، هیدرولیز و تجزیه بوروهیدرید طی واکنش زیر انجام میگیرد:
2BH4-+ 2H2O → 2B + 2OH- + 5H2
این واکنش محتوی عمده بور واکنش را تامین می‌نماید. اگر طیف تغییر غلظت از فصل‌مشترک به سطح پوشش و طیف تغییر ساختار بلوری را در این محدوده در کنار هم قرار دهیم به‌نظر می‌رسد که ساختار بلورین در فصل مشترک پوشش و زیرلایه ناشی از غلظت زیاد نیکل و ساختار آمورف در نواحی دورتر از فصل‌مشترک پوشش ناشی از غلظت نسبتا بیشتر بور است [14].
2-3- تبلور پوشش Ni-B الکترولس طی عملیات حرارتی
در تحقیقی که توسط بسکاران[11] و همکارانش [7] انجام‌گرفت جهت بررسی چگونگی اثر دما بر تبلور پوشش موردنظر آنالیز DSC بکار‌گرفته‌شد. نمودارهای DSC دو پیک گرماده یکی در حدود دمای °C 300 و دیگر در حدود دمای °C 410 داشتند که البته پیک‌دوم در پوششهای با درصد بور کم قابل‌مشاهده‌نبود. بسکاران بیان‌داشت که پیک اول در دمای °C 300 متعلق به شکل‌گیری فاز فلزی نیکل و ارتورومبیک B3Ni و پیک دوم متعل به‌شکل‌گیری فاز B3Ni از ترکیبات فلزی بالاتر مثلا B2Ni میباشد [7].
از طرفی سانکارا نارایانان[12] و همکارانش [8] بیان داشتند که با انجام آزمون DSC بر روی پوشش خود دو پیک در دمای °C 306 و °C 420 مشاهده‌کرده‌اند که پیک اول متعلق به تبلور فاز نیکل فلزی و رسوب فاز B3Ni و پیک دوم متعلق به تشکیل فاز B2Ni است. به علاوه ایشان ابراز نمودند که با افزایش دمای عملیات حرارتیB2Ni ناپایدار به فاز پایدارتر B3Ni تبدیل میگردد و بلورهای نیکل نیز رشد می‌نمایند[8].
عملیات حرارتی پوشش در دمای بالا منجر به رشد بلورهای نیکل و تبدیل در طی عملیات حرارتی ذرات ریز نیکل درشت میشوند [8]. شکل 2-2 نمودار فازی دوجزئی نیکل و بور را نشان میدهد [15 و 16]. درووس[13] [10] در مقاله خود بيان داشت كه طبق نمودار فازي نيكل و بور، عمليات حرارتي (در اين مقاله در دماي °C 800 و در محيط خلا) براي محتواي بور wt% 5 بايد فازهاي Ni و B3Ni تشكيل‌گردد. اما بهطور ناحيه‌اي، ممكن است نواحي كوچكي وجود داشته باشد كه از wt% 6 فراتر رفته و تشكيل فار نيمه‌پايدار B2Ni مطابق آنچه كه عملا از آناليز XRD به‌دست‌آمده امكان‌پذير گردد [10].
شکل 2-2- نمودار فازی دو جزئی Ni-B [15 و 16].
2-4- ویژگی‌های پوشش Ni-B الکترولس
2-4-1- ویژگی‌های فیزیکی
همان‌طور که گفته‌شد پوشش Ni-B الکترولس پس آبکاری ساختاری نیمه‌آمورف دارد [14]. دانه‌های این پوشش ستونی است (شکل 2-3) [13] و میکروساختار سطح آن به شکل گل‌کلم میباشد (شکل 2-4) [9، 10، 12، 17، 18، 19، 20]. بهعلاوه ماهیت الکترولس این پوشش منجر به این میگردد که برخلاف پوششهای حاصل از آبکاری الکتریکی ضخامت پوشش در تمامی نواحی زیرلایه به‌ویژه در گوشه‌ها یکسان باشد [1].
شکل 2-3- مقطع پوشش Ni-B الکترولس[13].
ترکیب شیمیایی پوشش حاوی نیکل، بور و متناسب با ترکیب حمام آبکاری بورهیدریدی کم‌وبیش حاوی مقادیری تالیم [17] (درصورت استفاده از عامل پایدارکننده تالیم‌دار)، سرب (درصورت استفاده از عامل پایدارکننده سرب‌دار [13]، اکسیژن بهعلت اکسیدشدن پوشش [14]، هیدروژن [8]، مقادیری از عنصر زیرلایه و احتمالا برخی عوامل ناخالصی دارد [22]. ساختار پوشش حاوی میکروبلورهای نیکل و فاز Ni-B آمورف است. مقدار فاز آمورف با افزایش محتوی بور افزایش مییابد [11]. برخی تخلخل‌های موجود در پوشش ناشی از متصاعدشدن 2H در رسوب الکترولس است [ 23 و 24].
نقطه ذوب پوشش با 5% بور نسبتا زیاد است (◦C1080 برای Ni-B در مقایسه با ◦C 890 برای Ni-P). در شرایط پس از رسوب‌دهی مقاومت الکتریکی آن مشابه آلیاژهای Ni-P (μΩ 89) است و پوششهای Ni-B بهطور ضعیفی فرومغناطیس هستند [11].
2-4-2- ویژگی‌های شیمیایی
مقاومت به خوردگی پوشش Ni-B کمتر از Ni-P است. گفته میشود که لایه غیرفعال آمورف روی پوشش Ni-B به اندازه لایه غیرفعال آمورف روی Ni-P شیشه‌ای ومحافظت‌کننده نیست. بهعلاوه ناپیوستگی فیلم غیرفعال ممکن است ناشی از مرزهای فاز حاضر در پوشش Ni-B باشد. مضاف بر اینها غیریکنواخت‌بودن توزیع بور و تالیم (در صورت وجود) در سرتاسر پوشش منجر به بهوجود آمدن نواحی با پتانسیل خوردگی متفاوت روی سطح میشود که باعث تشکیل سلولهای خوردگی فعال/غیرفعال (سلولهای گالوانیکی) ریز شده و خوردگی را شتاب میبخشد [17].
شکل 2-4- ساختار گل‌کلمی سطح پوشش نیکل- بور الکترولس [13].
شکل 2-5- الگویی کلی برای یک پوشش تولیدشده به‌وسیله فرایند آبکاری الکترولس نوعی که نشان‌دهنده ضخامت یکسان این پوشش در نواحی مختلف زیرلایه به‌ویژه نقاط گوشه‌ای و نوک‌تیز است [1].
شکل 2-6- الگویی کلی برای یک پوشش تولیدشده به‌وسیله فرایند آبکاری الکتریکی نوعی که نشان‌دهنده ضخامت غیریکنواخت این پوشش در نواحی مختلف زیرلایه بویژه نقاط گوشه‌ای و نوک‌تیز بهطور اغراق‌آمیز است [1].
بررسی تصاویر حاصل از میکروسکوپ الکترونی عبوری حضور میکروترک‌هایی را در سراسر پوشش بویژه در لبه‌ها نشان میدهد. آنالیز صورت‌گرفته در این نواحی (ترکها) حضور بلوره‌های بسیار کوچکی را تایید میکند که از نظر اندازه نانو کریستال هستتند [8].
2-4-3- خواص مکانیکی و خواص مرتبط با تریبولوژی پوشش Ni-B الکترولس
باوجود اینکه سختی مواد بهطور دقیق تعریف نشده‌است، بهطور کلی سختی بهعنوان مقاومت دربرابر تغییرشکل و برای مواد فلزی این کمیت برابر مقاومت در برابر تغییر شکل دائمی یا مومسان تعریف‌می‌گردد [25]. مقدار میکروسختی نوعی پوشش Ni-B الکترولس پس از آبکاری برابر 650 تا 750 در مقیاس ویکرز با نیروی اعمال‌شده برابر g 100 میباشد. پس از عملیات حرارتی این پوشش بین دمای ◦C 500-300 مقدار میکروسختی به‌حدود 100HV 1200 می‌رسد. همچنین انجام عملیات رسوب‌سختی در دمای پایین بین ◦C 300-200 منجر به ایجاد مقادیر سختی 100 HV 2000-1700 میگردد [18].
تریبولوژی عبارت است از علم و فناوری مربوط به دو سطح جامد در حال تماس که نسب به هم دارای حرکت هستند. بهینه نمودن مصرف مواد و انرژی، هدف اصلی علم تریبولوژی میباشد [26]. سایش مفهومی در علم تریبولوژی است و بهعنوان فرایند کنده‌شدن ماده از سطح یک یا دو ماده جامد در نتیجه حرکت یکی از سطوح در حال تماس روی دیگری تعریف میگردد [ 27، 28]. سایش را میتوان به انواع سایش چسبان، سایش خراشان، سایش خستگی، سایش ناشی از خوردگی، سایش فرسایشی و سایش ناشی از قوس الکتریکی تقسیم‌بندی‌نمود [27]. فرایند سایش چسبان به‌وسیله اتصال چسبان بین دو سطح، زمانی که دو ماده جامد در تماس هستند و در مقیاس اتمی شروع میگردد. چنانچه نیروی عمودی نیز اعمال شود فشار در نقاط برجستگی افزایش مییابد. حرکت نسبی و مماسی این سطوح منجر به جداشدن برجستگی درماده نرم‌تر گردیده و ماده کنده میشود [27، 28]. سایش خراشان در سطوح در حال تماس زمانی حادث میگردد که یکی از سطوح بهطور قابل ملاحظه‌ای از دیگری سخت‌تر باشد یا ذرات سخت در محل تماس وارد شده‌باشند. در طی سایش خراشان برجستگی سطح سخت‌تر به درون سطح نرم‌تر فشار داده میشود که منجر به سیلان مومسان ماده نرم‌تر حول ماده سخت‌تر میگردد. زمانی که سطح سخت‌تر بهطور مماس حرکت میکند سایش‌دادن و کندن ماده نرم‌تر با ایجاد شیارها و خراش‌هایی در ماده بهوقوع می‌پیوندد [28].
شکل 2-7- تصویری الگووار از سایش چسبان [1].
بهمنظور بررسی مکانیزم سایش پوشش Ni-B الکترولس، چندین محقق از دستگاه پین-روی-دیسک استفاده‌کرده‌اند. در این روش پین و دیسک بهگونهای قرار میگیرند که دیسک چرخان بهعنوان ساینده[14] و پین بهعنوان نمونه پوشش‌داده‌شده بکار میرود. [9، 29، 17].
شکل 2-8- تصویری الگووار از سایش خراشان [1].
شکل 2-9- الگویی از چگونگی عمل دستگاه پین-روی-دیسک [1].
مشاهده پوشش Ni-B الکترولس صرفا آبکاری‌شده پس از آزمون، حضور وصله‌های پارگی و در برخی مناطق جداشدن پوشش را نشانمیدهد که این امر نشان‌دهنده سایش چسبان است. این موضوع با وجود حلالیت متقابل آهن و نیکل محتمل است. [17].
اصطکاک، نیروی مخالف حرکت است، که زمانی که یک جسم نسبت به دیگری حرکت می‌نماید متحمل‌می‌شود [28]. همان‌طور که قبلا به آن اشاره گردید فرایند آبکاری نیکل-بور الکترولس با عامل احیاکننده بوروهیدرید منجر به شکل‌گیری دانه‌های ستونی و ساختار سطحی گل‌کلمی‌شکل میگردد [9، 10، 12، 17، 18، 19، 20، 21] که این ساختار سطحی گل‌کلمی شکل تماس سطحی را باندازه 70% کاهش میدهد واین امر منجر به ایجاد اصطکاک بسیار کم و نیز حرارت کمتر تولیدشده ناشی از آن و نیز افزایش عمر سایشی قطعه میگردد [12، 20]. بهعلاوه زمانی که روانکار مرطوب مورد استفاده است نواحی فرورفتگی بین برآمدگی‌های شبیه نیم‌کره سطح پوشش، ماده روانکار را حتی پس از کمبود زیاد روانکار نگه می‌دارند [12، 19].
در رابطه با سایر خواص مکانیکی پوشش Ni-B الکترولس عنوان گردیدهاست که استحکام و چکش‌خواری پوششهای B%5Ni- تقریبا یک پنجم رسوب با محتوی فسفر زیاد میباشد [11]. شکل 2-10 نمودارهای تنش-کرنش یک پوشش ترد و یک پوشش چکشخوار را نشانمیدهد. یک پوشش چکشخوار باید این قابلیت را داشته‌باشد که بهطور مومسان تغییر شکل یابد یا بهعبارتی تغییر شکل مومسان آن در برابر تغییر شکل کشسان آن قابل ملاحظه باشد که این امر در مورد پوششهای ترد برعکس میباشد [1].
شکل 2-10- الگوی منحنی تنش-کرنش، سمت راست پوششهای ترد، سمت چپ پوششهای چکشخوار [1].
2-4-4- خاصیت اتصال‌دهی پوشش Ni-B الکترولس
پوشش Ni-B الکترولس در مقایسه با پوشش Ni-P الکترولس قابلیت لحیم‌کاری بهتری‌دارد زیرا لایه اکسید روی آن‌ها نازک‌تر است و بنابراین پوشش میتواند به‌وسیله ماده پرکننده لحیم‌کاری مورد نفوذ قرار گیرد. مقدار فسفر و بور پوشش موجود در پوشش نیکل الکترولس حائز اهمیت است زیرا خواص پوشش تحت کنترل این مقدار میباشد. در اتصال‌دهی قطعات الکترونیکی، لایه‌های نیکل الکترولس را معمولا به‌وسیله لحیم‌های پایه قلع به‌هم متصل میکنند، بنابراین واکنش فصل‌مشترکی بین لحیم و لایه نیکل الکترولس مهم است. یون[15] و همکارانش [30] دوام اتصالات لحیمی wt%5/3-Sn را روی 4 نوع لایه آبکاری B1-Ni، B3-Ni، P7-Ni و P10-Ni در حالت جامد و طی پیرسازی هم‌دما مورد مطالعه قرار دادند. آزمونهای برش ساچمه[16] صورت گرفته جهت ارزیابی دوام مکانیکی اتصالات Ag5/3-Sn/Ni-B نشانمیدهد که در اتصالات تازه شکل‌گرفته نیروی برشی برای لایه‌های آبکاری Ni-B اندکی بیشتر از Ni-P است و در مورد لایه‌های Ni-B، دوام مکانیکی پوشش B1-Ni بیشتر از B3-Ni-3Bاست [30].
پس از 24 ساعت عملیات پیرسازی در دمای ◦C 150 نیروی برشی برای همه پوشش‌ها بهسرعت کاهش مییابد. علت این کاهش سریع به نرم‌شدن ماده لحیم حین عملیات لحیم‌کاری نسبت‌داده‌شده است. طی این مدت همه شکست‌ها از داخل حجم لحیم بوده‌است. جالب توجه است که تنش برشی لایه‌های Ni-B که تا 15 روز ابتدا پیرسازی از لایه‌های Ni-P بیشتر بود پس از 45 روز پیرسازی کمتر از لایه‌های Ni-P میگردد. به‌ویژه تنش برشی برای پوششهای B1-Ni و B3-Ni در زمان‌های به‌ترتیب 30 و 45 روز بهطور ناگهانی کاهش مییابد چیزی که برای پوششهای Ni-P مشاهده نشده است [30].
بهطور کلی تصور میگردد که در زمان درست پس از لحیم‌کاری و پیرسازی اولیه، شکست از طریق زمینه صورت‌‌می‌گیرد درحالی که پس از پیرسازی طولانی مدت شکست بین لحیم و لایه ترکیبات بین‌فلزی رخ میدهد. ذرات بین‌فلزی معمولا ترد و سخت هستند ولی آلیاژهای لحیم نرم و چکشخوار میباشند. بعد از انجام لحیم‌کاری تشکیل ترکیبات بین‌فلزی اجتناب‌ناپذیر است. بنابراین تشکیل لایه‌ای تا اندازه ممکن نازک جهت اتصال متالورژیکی خوب جهت تضمین دوام اتصال در دراز مدت مطلوب است زیرا رشد بیش از حد ترکیبات بین‌فلزی دوام مکانیکی اتصالات لحیم را کاهش میدهد [30].
در مورد اتصالنیکل-فسفر و نیکل-بور با لحیم Ag5/3-Sn در زمان‌های کوتاه پیرسازی، شکست درحجم لحیم و در مدت‌زمان طولانی، شکست در فصل مشترک پوشش و لحیم رخ میدهد. شکست فصل‌مشترکی در هر دو پوشش به‌دلیل تشکیل فاز 4Sn3Ni در فصل‌مشترک است و اتصال ضعیف بین لحیم و این ترکیب بین‌فلزی حساسیت به تنش در آزمون برش ساچمه را افزایش داده‌است. با این حال تمایل به شکست ترد برای اتصالات Ni-B/Ag5/3-Sn سریع‌تر از اتصال Ni-P/Ag5/3-Sn رخ میدهد و برای دو اتصال B1-Ag / Ni5/3-Sn و B3-Ni/Ag5/3-Sn تغییر مدل شکست از حجمی به فصل‌مشترکی در اولی زودتر صورت می‌پذیرد. ضخامت لایه ترکیبات بین‌فلزی به محتوای نیکل پوشش بستگی دارد و بنابراین ضخامت این لایه بین‌فلزی برای اتصال لحیم B1-Ni/Ag5/3-Sn بیشتر از B3-Ni/Ag5/3-Sn است و ضخامت‌های لایه بین‌فلزی اتصالات P7Ni-/ Ag5/3-Sn و P10Ni-/Ag5/3-Sn به‌ترتیب کمتر از دو مورد قبلی است که این امر میتواند شاهدی بر دوام مکانیکی بیشتر اتصالات لحیمی پوششهای Ni-Pدارای فسفر بالا نسبت به پوشش Ni-B زمانی که از پرکننده Ag5/3-Snاستفاده میگردد باشد [30].
شکل 2-11- تصاویری الگووار از تغییر مدل شکست طی آزمون برش ساچمه براساس زمان پیرسازی [30].
2-5- عوامل مؤثر بر آبکاری نیکل-بور الکترولس
2-5-1- اثر غلظت منبع نیکل
در حمام بوروهیدریدی نیکل، با افزایش غلظت کلریدنیکل در محلول درصد نیکل پوشش ابتدا افزایش و سپس کاهش مییابد. علت این امر این است که پس از گذر از جایی که با افزایش غلظت کلرید نیکل، درصد نیکل در پوشش حداکثر میگردد، غلظت اتیلن‌دی‌آمین محلول آبکاری جهت تشکیل کمپلکس نیکل، و جلوگیری از تشکیل 2Ni(OH) در محلول کافی نیست که منجر به کاهش درصد وزنی نیکل در لایه رسوب میشود [31].
پروینی احمدی و همکارانش [31] گزارش دادهاند که هر جا که تغییر غلظت اجزای حمام نیکل-بور الکترولس مثلا منبع نیکل منجر به افزایش درصد نیکل پوشش میگردد شاهد کاهش درصد بور و تالیم (بهعلت استفاده از عامل پایدار کننده نیترات تالیم) در پوشش هستیم و بالعکس، لکن تغییر درصد برای تالیم و بویژه بور کم است.
شکل 2-12- تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از مقطع فصل مشترک الکترولس نیکل/Ag5/3-Sn که بهمدت 28 روز در دمای ◦C 150 مورد پیرسازی قرار گرفته‌اند. الف) اتصالP7-Ni/Ag5/3-Sn. ب) اتصال P10Ni-/Ag5/3-Sn ج)B1-Ni/Ag5/3-Snد) B3-Ni/Ag5/3-Sn [30].
بهعلاوه چنانچه ضمن ثابت نگه‌داشتن سایر اجزای حمام آبکاری، نرخ رسوب با افزایش غلظت کلرید نیکل، در ابتداا افزایش و سپس کاهش مییابد. علت این کاهش این است نیز همانند فوق ناشی از کمبود اتیلن‌دی‌آمین برای تشکیل کمپلکس با یون نیکل تفسیر شده‌است [32].
2-5-2- اثر غلظت عامل احیاکننده
در حمام بوروهیدریدی با افزایش غلظت عامل احیاکننده نرخ آبکاری افزایش مییابد که این امر ناشی از افزایش قدرت کاهندگی محلول است [31 و 7 و 32]. با این حال رابطه نرخ آبکاری (ضخامت آبکاری‌شده) و زمان آن رابطهای خطی نیست که علت احتمالی آن کاهش غلظت عامل احیاکننده به موجب اکسیدشدن آن میباشد [7].
چنانچه غلظت سدیم بوروهیدرید در حمام آبکاری نیکل-بور الکترولس افزایش یابد، درصد نیکل پوشش در ابتدا افزایش یافته ولی سپس منجر به افزایش نسبی بور (و تالیم) و کاهش نسبی نیکل پوشش میگردد زیرا که با این افزایش بیشتر غلظت عامل احیاکننده، به تدریج پایداری حمام کاهش‌پیدا‌می‌کند[31].
در شکل 2-3 اثر غلظت سدیم‌بوروهیدرید بر مورفولوژی سطحی پوشش نمایش‌یافته‌است. همان‌طور که ملاحظه میگردد با افزایش غلظت سدیم-بوروهیدرید ساختار گل‌گلمی سطح پوشش درشت‌تر میشود [7].
شکل 2-13- اثر غلظت عامل احیاکننده بر اندازه ساختار گل‌کلمی سطح پوشش نیکل-بور الکترولس. الف) غلظت عامل بوروهیدرید برابر g/l 4/0، ب) غلظت عامل احیاکننده برابر g/l 0/1 [7].
افزایش مقدار بور پوشش با افزایش غلظت سدیم بورهیدرید منجر به نمایان شدن هر چه بیشتر پیک مربوط ذرات بورید نیکل در ساختار پوشش نیکل-بور الکترولس پس از عملیات حرارتی (در دمای بالای ◦C 400) در نتایج آزمون XRD و نیز پیک مربوط به تشکیل بورید نیکل در افتراق‌سنجی حرارتی ([17]DSC) میگردد که نشان از افزایش درصد فاز بورید نیکل در زمینه دارد [7].
خاصیت مغناطیسی پوشش Ni-B الکترولس نیز تابعی از مقدار بور پوشش است. نمودارهای حلقه پسماند مغناطیسی برای پوششهای آبکاری‌شده در دمای ◦C 45 نشانمیدهد که پوشش حاوی بور بیشتر، حد اشباع مغناطیسی کمتری دارد. علت این امر به تغییر اندازه دانهها با افزایش مقدار بور پوشش نسبت‌داده‌شده‌است. عملیات حرارتی در دمای ◦C 400 به مدت 1 ساعت علاوه بر اینکه منجر به افزایش حد اشباع مغناطیسی پوششهای Ni-B الکترولس میگردد منجر میگردد که با افزایش درصد بور پوشش میزان اشباع مغناطیسی نیز افزایش یابد [7].
2-5-3- اثر غلظت عوامل کمپلکس‌ساز
با افزایش غلظت اتیلن‌دی‌آمین نخست محتوای نیکل پوشش افزایش مییابد اما در پی گذر از حد بیشینه شاهد کاهش پایداری و تجزیه حمام هستیم. در نتیجه درصد وزنی نیکل در رسوب کاهش مییابد. تشکیل ذرات Ni(OH)2 در فراتر از غلظت بهینه اتیلن‌دی‌آمین احیای یونهای نیکل را درون حمام تسهیل می‌نماید و تجزیه حمام به این دلیل اتفاق می‌افتد که ذرات ریز محل‌های مناسبی برای جوانه‌زنی یون نیکل هستند [31]. علاوه بر تغییر ترکیب پوشش، افزایش غلظت اتیلن دی‌آمین بیش از مقدار بهینه -که در آن بیشینه نرخ آبکاری رخ میدهد- نرخ آبکاری را بهعلت کاهش پایداری حمام کاهش‌می‌دهد [8 و 32]. بیشینه نرخ آبکاری مربوط به زمانی است که یک کمپلکس میان اتیلن‌دی‌آمین و یونهای 2+Ni تشکیل‌شده و حمام را پایدار نگه دارد [32].
2-5-4- اثر غلظت عوامل پایدارکننده
افزایش غلظت عامل پایدارکننده نیترات تالیم ابتدا سرعت رسوب را افزایش‌داده اما پس از آن بهسبب اثر آن روی پایین‌آوردن سرعت واکنش اکسایش-کاهش در فصل مشترک بین جامد و مایع نرخ رسوب کاهش مییابد [31]. در تحقیق صورت گرفته توسط زیوان[18] و همکارانش [32] که از 2)3Pb (NOبعنوان عامل پایدارکننده استفاده گردید نیز این موضوع مورد تایید قرار گرفت.
مک‌کوماس پی‌برد که پوشش با پایدارکننده یون تالیم حاوی %10-5/0 بور و %8- 1 یون تالیم فلزی است. زمانی که تنگستات سرب پایدارکننده میباشد پوشش فاقد یا دارای مقدار کمی سرب و %10-5/2 بور است. توزیع تالیم در پوشش با عملیات حرارتی در ◦C400 تغییر پیدا نمی‌کند. در پوشش Ni-B-(Pb) شکل گل‌کلمی سطح پوشش ریزتر است و تخلخل باز کمتری نسبت به پوشش Ni-B-(Tl) دارد ساختار Ni-B-(Pb) دارای بلورهای نیکل در ابعاد نانو است. هر دو پوشش Ni-B-(Pb) و Ni-B-(Tl) چسبندگی خوبی با زیرلایه دارند [11].
2-5-5- اثر دما
پوشش Ni-Bالکترولس آبکاری شده در زیر دمای ◦C 85 پوشش ظاهر خارجی مناسبی ندارد. بین دمای 88 و ◦C 92 کیفیت پوشش بهبود می یابد و بالای ◦C 92 نمود خارجی پوشش عالی است. دمای ◦C 95 دمای بهینه برای آبکاری این پوشش میباشد، البته در دمای بالای ◦C 98 حمام ناپایدار شده و بهسرعت تجزیه میگردد [20]. در تحقیقی که توسط عبدالحمید [19] [24] و همکارانش با استفاده از عامل احیاکننده آمینوبوران انجام گرفت، مشاهده گردید که با افزایش دمای آبکاری از ◦C 60 به ◦C80 درصد بور پوشش 1% افزایش یافته‌است. همچنین با افزایش دما نرخ آبکاری افزایش مییابد [8]. نرخ خوردگی نمونه آبکاری‌شده در دمای پایینتر بیشتر میباشد. علت آن به ریزتربودن ساختار در نمونه‌های آبکاری‌شده در دمای کمتر نسبت داده شده‌است [24].
2-5-6- اثر عملیات حرارتی و دمای آن
اثر عملیات حرارتی بر روی پوشش بستگی به دمای عملیات حرارتی دارد [11]. عملیات حرارتی در دمایی بین °C 210-190 میتواند چسبندگی پوشش به زیرلایه را بهبود بخشد. اما سختی رسوب را تغییر نمی‌دهد [31 و 11]. عملیات حرارتی در °C 260-250 بهطور قابل ملاحظه‌ای میکروسختی رسوب را تحت تاثیر قرار میدهد این امر به‌دلیل تشکیل فاز B2Ni شبه‌پایدار و ذرات بلوری B3Ni در دمای بالای °C 250میباشد [31 و 11].
بالای دمای °C380-370 پوشش کاملا متبلور میگردد. ساختار نهایی پوشش پس از عملیات حرارتی شامل فازهای B2Ni، B3Ni و نیکل فلزی است. بهطور کلی عملیات حرارتی در دماهای 280 تا °C 600 خواص سایشی و تریبولوژیکی پوشش Ni-B را بهبود میبخشد. در دمای °C 500 و بالاتر بهعلت رشد ذرات بورید نیکل، کاهش در سختی رخ‌می‌دهد [11] و همچنین ذرات B3Ni کلوخه‌شده که این امر منجر به کاهش محل‌های سخت میگردد [17]. عملیات حرارتی در دمای °C300-200 بهمدت طولانی 40 هفته مقادیر سختی تا HV2000-1800 را ممکن ساخته‌است. دلیل این اتفاق توزیع ریزتر بورید نیکل در مقایسه با دماهای بالاتر و یا تشکیل بورید آهن زمانی که زیرلایه فولادی مورد استفاده‌قرارمی‌گیرد، میباشد[11]. کریشناونی [17] در مقاله خود بیان‌داشت که منحنی سختی در مقابل عملیات حرارتی دو ماکزیمم را نشان میدهد، یکی در دمای °C 350 و دیگری °C 450، که سختی در دمای °C 450 بالاترین و تا HV1200 است. همان‌طور که عنوان‌گردید این افزایش سختی بهعلت رسوب بریدهای نیکل میباشد [17].
برخلاف پوششهای صرفا آبکاری‌شده پوشش Ni-B الکترولس که در آن مکانیزم سایش چسبان است سطح سایش پوشش Ni-B الکترولس عملیات حرارتیشده یک سطح صاف و براق را با شیارهای ریز در امتداد جهت سایش نشانمیدهد و روی نمونه دیسک ساینده چسبندگی زیادی دیده نمی‌شود. زیرا که عملیات حرارتی مقاومت به پلاستیسیته را افزایش داده وسطح درگیری پوشش را کاهش میدهد [17].
انجام عملیات حرارتی باعث کاهش نرخ سایش مخصوص پوشش Ni-B الکترولس نسبت به پوشش آبکاری‌شده میگردد. علت این امر تشکیل فازهای سخت برید نیکل بهدنبال عملیات حرارتی است که یک سطح واقعا ناسازگار را برای دیسک ساینده (در اینجا فولاد کاملا سخت‌شده) ارائه‌می‌دهد. علت این موضوع آن است که حلالیت کمی میان آهن و این فازهای سخت (بوریدهای نیکل) وجود دارد [17].
عملیات حرارتی ضریب اصطکاک پوشش Ni-B الکترولس را نیز کاهش میدهد. عملیات حرارتی در دمای °C 450 بهمدت یک ساعت منجر به ایجاد ضریب اصطکاک کمتری نسبت به عملیات در دمای °C 350 در نمونه‌های پوشش داده شده میگردد [17].
مقاومت به خوردگی پوشش Ni-B پس از عملیات حرارتی کمتر از پس از آبکاری است. زیرا خاصیت آمورف پوشش (پس از آبکاری) مقاومت به‌خوردگی بیشتری را نسبت به پوشش متبلورشده نشانمیدهد. بهعلاوه تبلور صورت گرفته ناشی از عملیات حرارتی با افزایش مرز دانهها که محل فعال برای خوردگی میباشند، مقاومت به‌خوردگی را کاهش میدهد [17].
آنالیز خروج گاز[20] (EGA) به‌روشنی آزادشدن هیدروژن را طی فرایند آنیل‌کردن نشان میدهد. زیرا که هیدروژن واردشده به نمونه حین آبکاری باید قبل از تشکیل فازهای جدید خارج گردد. منحنی EGA درست در زیر دو دمایی که B3Ni و B2Ni تشکیل‌می‌شوند خروج بیشتر هیدروژن را نشان میدهد [8].
مطالعه [21]VSM صورت‌گرفته روی پوششهای Ni-Bنشان میدهد که پوشش پس از آبکاری، غیرمغناطیسی است اما پس از عملیات حرارتی بهدنبال تبلور پوشش رفتار مغناطیسی نشانمیدهد [8]. افزایش زمان عملیات حرارتی نیز میتواند در افزایش سختی پوشش مؤثر باشد [11].
نفوذسنجی نانو[22] ابزاری برای سختی‌سنجی در مقیاس نانو است که در آن نیروی وارد شده کمتر از آزمون میکروسختی و درحد چندهزارم نیوتن است و سختی ماده از جابجایی نفوذکننده طی بارگذاری و باربرداری محاسبه میشود. به علاوه از این روش میتوان اطلاعاتی راجع به مدول یانگ به‌دست آورد. مقادیر نانوسختی در طول ضخامت پوشش پس از آبکاری بهعلت ناهمگنی در پوشش پراکنده است اما پس از عملیات حرارتی مقادیر نانوسختی در طول پوشش تقریبا یکنواخت و نیز بالاتر است[33].
از رابطه زیر میتوان به‌وسیله دستگاه نفوذسنجی نانو مدول یانگ پوشش را به‌دست‌آورد:
که در آن
|
 : نسبت پواسون نفوذکننده
|
 : نسبت پواسون ماده
|
|
 : مدول یانگ نفوذکننده
|
 : مدول یانگ ماده
|
|
|
 : مدول یانگ کلی
|
که از رابطه زیر محاسبه میگردد:
که شیب منحنی باربرداری در بار ماکزیمم و سطح تماس نفوذکننده میباشد.
نانوسختی پوششهای Ni-B الکترولس عملیات حرارتی شده در طول پوشش نسبتا یکنواخت است. با این وجود درحالی که مقدار میانگین نسبتا ثابت است یک غیریکنواختی سختی مشاهده میگردد زیرا که پوشش به خودی‌خود غیر همگن است و نیز خطای تجربی در سختی‌سنجی نانو به موجب زبری نمونهها، هندسه نوک نفوذکننده و خزش محسوس میباشد [33].
بهعلت غیرهمگن بودن پوشش مقدار مدول یانگ نقطه به نقطه متفاوت است. پس از عملیات حرارتی پوشش در دمای °C 180اندازه مدول یانگ کمی بهبود مییابد، در حالی که تبلور فاز B3Ni در پوشش بعد از عملیات حرارتی در °C 400 منجر به افزایش بیشتری در مدول یانگ میشود [33].
نسبت سختی به مدول یانگ میتواند جهت ارزیابی مقاومت به سایش پوشش بهکار گرفته شود. در مورد موادی که سختی یکسانی دارند بهترین مقاومت به‌سایش متعلق به ماده‌ای است که مدول یانگ کمتر و درنتیجه بیشتری دارد. نسبت پس از عملیات حرارتی در دمای °C 180 بهمدت 4 ساعت بهطور قابل توجهی افزایش مییابد که نشان میدهد که عملیات حرارتی در این دما احتمالا مقاومت به‌سایش را بهبود میبخشد [33]. در تحقیق انجام‌شده توسط ویتری[33] و همکارانش نمونه‌عملیات حرارتیشده در دمای°C 400 بهمدت یک ساعت نسبت تقریبا برابری را دربرابر نمونه قبلی که در دمای °C 180 بهمدت 4 ساعت عملیات حرارتیشده بود نشان میدهد اما سختی آن بیشتر است.
2-5-7- اثر بازیابی یا شارژ مجدد حمام
بازیابی یا شارژ مجدد حمام باعث ظهور یک ناپیوستگی در پوشش میگردد. زیرا که این شارژ مجدد منجر به جوانه‌زنی فاز جدید همانند آنچه که در شکل‌گیری پوشش برروی زیرلایه در ابتدا اتفاق می‌افتد، میشود [19]. با شارژ کردن مجدد یا بردن در حمام‌های مختلف بهطور متوالی میتوان پوشش Ni-Bالکترولس با ضخامت زیادی به‌دست آورد. بهعنوان مثال در یک آبکاری 1ساعته با استفاده از 6 حمام، ضخامت μm 130 از پوشش Ni-Bالکترولس به‌دست آمدهاست [31].
2-5-8- اثر انجام عملیات ترموشیمیایی
در تحقیق صورت‌گرفته توسط کانتا[23] و همکارانش [23] اثر انجام عملیات نفوذدهی نیتروژن در دو محیط مختلف یکی در محیط دارای فشار کم حاوی گاز نیتروژن بهمدت 2 ساعت در دمای C◦500 (TCTN) و دیگری در محیطی صنعتی برپایه آمونیاک (TCTA) بر روی خواص پوشش نیکل-بور الکترولس مورد بررسی قرار گرفت و نتایج آن با نمونه عملیات حرارتی شده در دمای C◦400بهمدت 1 ساعت (HT)در محیط کنترل شده حاوی 95% آرگون و 5% گاز هیدروژن مقایسه شد. مشاهده‌گردید که پس از انجام عملیات HT و TCTN ساختار چگال‌تر شده‌است. عملیات TCTA ساختاری را نشان میدهد که متشکل از یک لایه چگال داخلی و یک ساختار متخلخل در لایه بیرونی و در سطح یک لایه چگال‌تر سفید میباشد و به‌وسیله عملیات نیتروژن‌دهی بهوجود آمدهاست. در الگوهای پراش اشعه X نمونه‌های عملیات ترموشیمیایی‌شده TCTN و TCTA و نمونه عملیات حرارتیشده HT حضور فازهای B3Ni و B2Ni مشاهده‌شد اما در نمونه‌های TCTA به‌نظر می‌رسد که فاز B3Ni کمتر غالب بوده و حضور پیک 3B4Ni مشاهده گردیده است.
آزمون منحنی پلاریزاسیون این پوشش‌ها در محلول M 1/0 کلرید سدیم نشان میدهد که عملیات تکمیلی (HT، TCTA و TCTN) همگن منجر به افزایش پتانسیل خوردگی بهصورت ETCTA>ETCTN>EHT شده‌است. همچنین قسمت کاتدی منحنی پلاریزاسیون نشان میدهد جریان پلاریزاسیون کاتدی واکنش احیای اکسیژن محلول روی نمونه‌های پوششداده شده بیشتر از نمونه‌هایی است که تحت عملیات تکمیلی HT، TCTN و TCTA قرار گرفته‌اند. قسمت آندی این منحنی وجود شیب جریان مشابه را برای نمونه‌های مختلف عملیات تکمیلی‌شده نشان میدهد که بیانگر برخی اثرات محافظت‌کننده پوشش روی سطح نمونهها میباشد. برآورد اولیه برپایه پتانسیل و جریان خوردگی نشان از بهبود مقاومت به خوردگی پوشش Ni-B بهدنبال عملیات تکمیلی دارد. بهبود در مقاومت به خوردگی به‌دست آمده برای نمونه‌های عملیات ترموشیمیایی شده بیش از نمونه صرفا عملیات حرارتی شده است. اندکی بیشتر بودن مقاومت به خوردگی نمونه قرار گرفته تحت عملیات TCTA دربرابر TCTN بهعلت حضور لایه متخلخل و لایه سفید در سطح TCTA است [23].
شکل 2-14- ظهور ناپیوستگی در پوشش Ni-B الکترولس به دنبال شارژ مجدد حمام آبکاری [19].
2-5-9- اثر کامپوزیتی نمودن پوشش Ni-B
بهمنظور ایجاد خواص مختلف در پوشش نیکل-بور الکترولس میتوان انواع نانوذرات را جهت ایجاد پوششهای نانوسایش، نانواصطکاک، پوششهای مقاوم به خوردگی نانوکامپوزیت، مقاوم در برابر اکسیداسیون دمای بالا و... به حمام آبکاری آن داخل نمود [34]. بهطور كلي پيوستن ذرات فاز دوم در پوشش كامپوزيت به دو عامل بستگي دارد.
1- هجوم ذرات روی سطح زيرلايه
2- مدت زمان باقي‌ماندن (نگهداري) ذره روي سطح زيرلايه [9].
شکل 2-15- تصاویر پوششهای مختلف نیکل-بور الکترولس قبل و بعد از عملیات تکمیلی HT، TCTA و TCTN [23].
حمله ذرات روي زيرلايه به‌وسيله شار ذرات در فصل مشترك تعيين مي‌گردد. شار ذرات در فصل‌مشترك از طریق غلظت، اندازه و چگالي ذرات تعيين مي‌گردد و زمان نگهداري تابعي از وضعيت آشفتگي و سرعت و شكل ذرات است [9]. کامپوزیتی‌‌شدن پوشش نیکل الکترولس بهطور کاملا مکانیکی توسط برخورد و رسوب ذرات در سطح و احاطه‌شدن آن توسط پوشش شکل‌می‌گیرند و پیوند شیمیایی بین ذره و زمینه پوشش وجودندارد [35].
از جمله دیگر عوامل مؤثر در مشارکت ذرات در پوششهای کامپوزیت میتوان به شکل و اندازه ذرات، چگالی نسبی ذرات، بار الکتریکی ذرات، غلظت ذرات درون محلول آبکاری، روش و میزان همزدن حمام، سازش‌پذیری ذرات با ماتریس و جهت گیری قطعه درون حمام، اشاره نمود [35]. در مورد پوششهای كامپوزيت Ni-B اگرچه شار ذرات با افزايش غلظت نانو ذرات افزايش‌مي‌يابد، اما زمان نگهداري بهعلت تشكيل هيدروژن زياد روي سطح زيرلايه كم است. آزادشدن زياد هيدروژن روي سطح زيرلايه تمايل دارد ذرات معلق در حمام را به كنار براند [9].
هنگام کامپوزیت‌کردن پوشش با ذراتی با ابعاد نانو لازم است که از مواد فعالساز سطحی جهت ایجاد پراکندگی پایدار در ذرات معلق در حمام استفاده گردد. درصورت عدم استفاده از این مواد شاهد کلوخه‌شدن مواد نانو و توزیع غیریکنواختی آن‌ها در حمام و پوشش خواهیم بود. ماده فعال‌کننده سطحی عاملی مهم در مشارکت ذرات نانو در پوشش است. افزودن ماده فعال‌کننده سطحی تا یک حد بحرانی باعث افزایش مشارکت ذرات در پوشش‌شده اما در فراتر از آن حد، میزان رسوب همزمان ذرات نانو در زمینه پوشش کاهش مییابد [35].
2-3-8-1- کامپوزیتی کردن با نانوذرات نيتريد سيليكون
نيتريد سيليكون يك ماده خيلي سخت است كه استحكام دماي اتاق خود را تا دماي °C1200 حفظ مي‌كند و پايداري ابعاد و مقاومت به اكسيداسيوني عالي دارد [9].
پوششهاي نانوكامپوزيتي 4N3Ni-B-Si به علت استحكام‌‌يابي از توزيع يكنواخت فاز سخت داراي ميكروسختي و مقاومت به سايش بيشتري هستند. ضريب اصطكاك پوشش كامپوزيت 4N3Ni-B-Si بهموجب زبري سطح و نيروي قفل‌كننده مكانيكي بالا نسبت به پوشش عادي در شرايط بارگذاري و دماي مشابه بيشتر است. حجم سايش پوشش 4N3Ni-B-Si در اثر عمليات حرارتي كمتر نيز مي‌گردد [9].
2-3-8-2- کامپوزیتی کردن با نانو الماس
کایا[24] [5] و همکارانش اثر افزودن نانو الماس را به پوشش Ni-B بررسی کردند. نانوالماس مورد استفاده در این پژوهش دارای قطر nm 5 بود. با این حال استفاده از این نانوذرات همراه با مشکلات زیادی است سطح ویژه زیاد ذرات 800 برابر بارگیری حمام‌های الکترولس عادی میباشد [5]. این سطح ویژه فوقالعاده و مشکلات ترشوندگی ذرات نامحلول به‌وسیله اضافه‌نمودن مواد فعالساز سطحی EDA و EDTA مورد غلبه واقع‌شد.
با افزایش مقدار ذرات نانوالماس در داخل حمام آبکاری نرخ آبکاری کاهش مییابد. در تحقیق صورت گرفته توسط کایا [5] در حالت درست پس از آبکاری افزایش میکرو سختی در اثر حضور نانوالماس ها چندان محسوس نبود اما بعد از عملیات حرارتی افزایش میکروسختی در اثر حضور ذرات نانو نسبت نسبت به پوشش فاقد این ذرات واضح و میزان افزایش حدود %6-4 است.
در پوششهای کامپوزیت افزودن ذرات نانو باعث درشت‌تر شدن ساختار در تصویر سطح پوشش میگردد. دلیل این امر زمان طولانی‌تر رسوب کامپوزیت عنوان‌شده‌است زیرا با افزودن ذرات نانو فرایند رسوب پیچیده‌تر شده و درنتیجه نرخ رسوب کاهش مییابد [5].
مطالعه کایا [5] در مورد پوشش کامپوزیتی مذکور نشان‌داد که ذرات نانو در داخل پوشش بهصورت غیرهمگن توزیع‌شده‌اند و نیز در برخی جاها به‌شکل کلوخه در ساختار حضور دارند که این امر میتواند دلیل کم بودن افزایش میکروسختی پوشش در اثر افزودن نانوذرات الماس باشد [5].
2-3-8-3- کامپوزیت نمودن پوشش با نانوذرات 60C
تحقیق صورت‌گرفته توسط شی[25] و همکارش [34] نشان‌داد که افزودن نانوذرات 60C به حمام آبکاری نیکل-بور الکترولس و وارد کردن آن در پوشش منجر به افزایش زبری پوشش، کاهش قطر کلوخه‌ها (سر گل‌کلم‌ها) و دانه‌های آن گردیده است. علت این امر اینگونه عنوان‌شده که ذرات نانو 60C در حمام آبکاری معلق‌شده و با هم بهعنوان هسته پوشش Ni-B رسوب میکنند که این امر از سازماندهی سلولی Ni-B برای رشد باهم جلوگیری به‌عمل می‌آورد. همچنین حضور ذرات نانو 60C منجر به کاهش سختی پوشش شده‌است [34].
الف ب
شکل 2-16- مقایسه زبری دو پوشش الف) 60Ni-B-C و ب) Ni-B [34].
سطح اثر ساییده شده در آزمون فرتینگ[26] برای پوشش نانوکامپوزیت 60Ni-B-C بهطور قابل ملاحظه‌ای کمتر از پوشش Ni-B است زیرا ذرات 60C حاضر در پوشش خاصیت خودروانکاری دارند، ذرات ریز میتوانند طی پدیده اصطکاک بهراحتی از مسیر خارج شده و جسم سومی تشکیل دهد که از تماس مستقیم دو سطح بهطور مستقیم جلوگیری نماید. بهعلاوه ذرات 60C نقش یک «توپ» را ایفا میکند که اصطکاک سرشی[27] را به اصطکاک غلتشی[28] تبدیل کرده که این امر ضریب اصطکاک پوشش را کاهش و عملکرد سایش فرتینگ را بهطور قابل ملاحظه‌ای بهبود میبخشد [34].
2-3-9- اثر دوگانه نمودن پوشش Ni-B با پوشش Ni-P
از آنجا که بوروهیدرید تنها تحت شرایط آلکالین پایدار است، رسوب آلیاژ Ni-P-B معمولا تحت شرایط افزودن هیپوفسفیت در حمام نیکل الکترولس با عامل احیاکننده بوروهیدرید آماده میشود. چون بوروهیدرید عامل احیاکننده قدرتمندتری از هیپوفسفیت بوده و حمام آبکاری آلکالین میباشد. مقدار فسفر در رسوب آلیاژی نهایی کم میشود. حالت مشابه رسوبهای آلیاژی یعنی Ni-Cu-P و Ni-W-P و... هستند که در آنجا الحاق (ترکیب) مس و تنگستن موجب کاهش فسفر میگردد. در نهایت بهبود مقاومت به خوردگی در پوشش نهایی با این روش چندان مشخص نیست. در سال‌های اخیر، پوششهای چند لایه حاصل از حمام‌های تکی یا دوتایی توجه خاصی را برای حل معضل فوق دریافت کرده‌اند [29].
در تحقيق صورت گرفته توسط سانكارا نارايانان [29] مشاهده گرديد كه لايه‌‌هاي پوشش دوگانه Ni-P و Ni-B يكنواخت هستند و حتي پس از عمليات حرارتي در دماي °C 450 بهمدت 1 ساعت سازگاري خوبي بين دو لايه وجود دارد. با اين حال بهعلت شكننده بودن پوشش Ni-B پس از عمليات حرارتي، ترك‌هايي در پوشش دوگانه ديده‌شده‌است [29].
با مقايسه ميكروسختي پوششهاي Ni-P، Ni-B، و پوششهاي دوگانه Ni-P/Ni-B و Ni-B/Ni-P كه همگي داراي ضخامت تقريبي μm 20 بودند مشاهده‌گرديد كه ميكروسختي پوششهاي دوگانه هم پس از آبكاري و هم پس از عمليات حرارتي يادشده نسبت به پوشش های يگانه بيشتر است. بین این دو نوع از پوششهای دوگانه، پوششی که دارای لایه بیرونی Ni-B است، سختی و مقاومت به‌سايش بیشتری را از خود نشان میدهد [29].
در تحقیقی دیگر که توسط ونکسو[29] و همکارش [36] انجام گرفت پوشش دوگانه Ni-W-P/Ni-B الکترولس بر روی آلیاژ منیزیم 91AZ اعمال‌گردید. بررسی پوشش Ni-W-P و Ni-W-P/Ni-B به‌وسیله آزمون پلاریزاسیون در محلول wt% 3 کلرید سدیم، انتقال مثبت بزرگی را در پتانسیل خوردگی نسبت به زیرلایه نشانمیدهد و جریان خوردگی در مقایسه با زیرلایه آلیاژ منیزیم کاهش مییابد. در مورد این دو دو پوشش، پوشش دوگانه پتانسیل خوردگی مثبت‌تر و جریان خوردگی کمتری نسبت به پوشش Ni-W-P دارد. بهعلاوه تشکیل لایه غیرفعال[30] در مورد پوشش Ni-W-P در شاخه آندی منحنی پلاریزاسیون مذکور مشاهده‌گردید.
در همین مطالعه بهمنظور بررسی اثر دوگانه‌نمودن بر روی خواص خوردگی پوششهای Ni-W-P و Ni-W-P/Ni-B که بر روی آلیاژ منیزیم 91AZ اعمال‌شده‌بودند؛ این پوشش‌ها در محلول HCl %10 در دمای اتاق قرار گرفتند. در مورد ضخامت‌های یکسان پوشش Ni-W-P و Ni-W-P/Ni-B برابر μm 35 سرعت کاهش ضخامت پوشش در اثر خوردگی برای پوشش دوگانه کمتر است. بهعلاوه زمان لازم برای خورده‌شدن این پوشش دوگانه بیشتر از زمان لازم برای خورده‌شده پوشش Ni-W-P با ضخامت μm 50 میباشد که این امر نشان‌دهنده اثر حمایتی دوگانه نمودن پوشش Ni-W-P با اعمال پوشش Ni-B بر روی آن در مقابل خوردگی در محلولهای اسیدی است [36].
2-6- آبکاری زیرلایه‌های مختلف
2-6-1- فولاد
آبکاری فولاد میتواند مستقیما بعد از چربی‌زدایی و اسیدشویی صورت گیرد و نیز میتوان یک لایه پوشش نیکل فلزی را بهعنوان آستر[31] از طریق حمام‌های وات یا وود روی فولاد نشاند و آبکاری را روی آن‌ها انجام‌داد [7]. اسیدشویی به‌معنی استفاده از اسید معدنی، اسید آلی یا نمک اسیدی جهت حذف اکسیدهای سطحی، گردوغبار کارگاه، چربی گریس و... از سطح زیرلایه با و یا بدون حرارت‌دادن است. اسید سولفوریک و به‌ویژه اسید کلریدریک معمولا بهعنوان ماده اسیدشویی بهکار میروند[37].
2-6-2- آلومینیم
آلومینیم فلزی فعال میباشد و درصورت تماس داشتن با محیط یا آب بهسرعت لایه نازکی از اکسید روی آن بهوجود می‌آید که این لایه نازک اکسید مانع از بهوجود آمدن پیوند فلزی بین پوشش و زیرلایه میگردد. بدین منظور معمولا یک لایه تبدیلی روی، برای بهبود چسبندگی پوشش به زیرلایه آلومینیمی اعمال میگردد. با این حال برای فعال‌شدن سطح زیرلایه در حمام آبکاری Ni-B الکترولس با عامل احیاکننده بوروهیدریدی این کار کافی نبوده و لازم است یک آستر از جنس نیکل مثلا Ni-P روی پوشش روی اعمال گردد [11 ، 35].
2-6-3- منیزیم
چون منیزیم یکی از فلزات فعال از نظر الکتروشیمیایی است، پوشش آلیاژ نیکل نسبت به زیرلایه منیزیم کاتدی است و تنها میتواند بهعنوان یک مانع فیزیکی در برابر محیط خورنده قرار گیرد. چنانچه زیرلایه منیزیمی پوشش داده‌شده با آلیاژ نیکل بهطور موضعی در برابر محیط خورنده قرار گیرد حفره خوردگی روی فلز شکل گرفته و منجر به ظاهر غیرجذاب و کاهش خواص مکانیکی آن میگردد. استفاده از پوششی چند لایه که لایه‌هایش پتانسیل خوردگی متفاوتی داشته باشند یک راه مؤثر جهت بهبود مقاومت به خوردگی زیرلایه آندی است [38].
بهعلت فعال بودن سطح منیزیم از لحاظ الکتروشیمیایی، زمانی که این فلز در تماس با هوا یا آب قرار میگیرد، لایه اکسید یا هیدروکسید بهسرعت روی آن شکل میگیرد. این لایه تنها مقاومتی اندک در برابر خوردگی حفره‌دار شدن برای منیزیم مهیا می‌سازد [38]. بهعبارتی لایه شبه‌غیرفعال[32] روی منیزیم خیلی کمتر از لایه‌های غیرفعال عادی که روی فلزاتی همچون فولاد ضد زنگ و آلومینیم تشکیل میشود پایدار است. این لایه بهطور الکتروشیمیایی تمایل دارد که در محلولهایی حاوی کلرید، سولفات و برومید شکسته شود که این امر اثر مخربی روی چسبندگی و یکنواختی پوشش دارد [38].
برای آماده‌سازی سطح منیزیم برای پوشش‌دادن با نیکل-بور الکترولس، ابتدا باید برای چربی‌زدایی آن را وارد محلول آلکالین‌کرده و سپس در محلول کرومات و اسید نیتریک جهت حذف هرگونه لایه اکسید یا هر پوشش شیمیایی دیگر برده شود. سپس لازم است که منیزیم در محلول HF فرو برده شود تا لایه تبدیلی 2MgFروی سطح منیزیم تشکیل گردد. با این حال ترکیبات کروم 6 ظرفیتی بسیار سمی هستند و HF نیز بسیار خورنده است و بهراحتی قابل کنترل نیست [38].
بر همین اساس زینگ[33] [38] وهمکارانش برای بهبود مقاومت به خوردگی پوشش Ni-B روی زیرلایه آلیاژ منیزیم 91AZ یک لایه میانی Ni-P را که نسبت به پوشش Ni-B دارای پتانسیل نجیب‌تری است رسوب دادند. در تحقیق انجام‌گرفته توسط این افراد مشخص شد که پوشش Ni-P و Ni-P/Ni-B در محلول 3% کلرید نیکل نسبت به زیرلایه منیزیمی پتانسیل خوردگی مثبت‌تری دارند و نیز چگالی جریان خوردگی آن‌ها نسبت به زیرلایه آلیاژ منیزیمی از کاهش قابل توجهی برخوردار است. زمانی که خوردگی روی لایه خارجی پوشش؛ Ni-B الکترولس رخ‌می‌دهد برخی حفرات سطحی منجر به موضعی‌شدن خوردگی می‌گردند. زمانی که بهدنبال خوردگی حفره‌ای، حفره سطحی به لایه Ni-P می‌رسد، سازوکار خوردگی از خوردگی حفره‌ای به خوردگی عرضی گسترده تغییر مییابد، چون لایه خارجی پوشش که از جنس Ni-B است پتانسیل خوردگی کمتر و جریان خوردگی بالاتری دارد و راحت‌تر از Ni-P خورده میشود. با این حال باید یادآوردی کرد که پوشش دوگانه نیز نسبت به آلیاژ منیزیم 91AZ کاتدی است وتنها یک مانع فیزیکی در برابر حمله خوردگی به منیزیم پدید می‌آورد.
2-6-4- مس
خواص هدایت الکتریکی و حرارتی مس باعث شده است که این فلز به طور گسترده در اپتیک و الکترونیک بهکار گرفته شود. با این‌حال به علت استحکام کم و مقاومت به سایش ضعیف قطعات مسی نمی‌توانند برای مصارف ویژه‌ای که نیازمند استحکام عالی و مقاومت به سایش خوب است بکار روند [32].
برخی روشها برای افزایش مقاومت به سایش مس از جمله اکسیداسیون داخلی، رسوب شیمیایی بخار، آبکاری و... ایجاد شدهاند. از بین این روشها رسوب الکترولس مزایایی چون سادگی و امکان‌پذیری بیشتر نسبت به سایر روشها در خصوص سطح مس خالص دارد و پوشش آمورف حاوی بور جهت افزایش چسبندگی بین زیرلایه و پوشش استفاده میگردد [32].
بررسی اثر ضخامت پوشش Ni-B بر روی مقاومت ویژه الکتریکی زیرلایه مسی نشان میدهد که افزودن پوشش Ni-B الکترولس به مس موجب تغییر چندانی در مقامت ویژه الکتریکی آن نمیگردد. نتایج عملی نشان داده است که پوشش Ni-B الکترولس بر روی سطح مس علاوه بر داشتن میکروسختی بالا هدایت الکتریکی خوبی نیز دارد [32].
برای برخی فناوری‌های تولید نیمه‌هادی‌ها، لازم است تا جهت کاهش تاخیر میان سیگنال گیت[34] و اتصال، بجای اتصالات آلومینیمی پوشش‌داده‌شده با 2SiO، از مواد فلزی که دارای مقاومت الکتریکی کمتر از آلومینیم هستند و عایق‌کننده‌هایی که ضریب دی‌الکتریک کمتری نسبت به 2SiO دارند و یا هر دو استفاده نمود. بهعلاوه محدودیت اصلی تِرک[35]های آلومینیمی با سطح مقطع بسیار کوچک در ابتدا مقاومت الکتریکی بالای آن‌هاست که منجر به تاخیر در انتشار سیگنال و تلفات مقاومتی و اتلاف حرارتی میگردد و سپس باعث حساسیت به مهاجرت الکتریکی و خرابی میشود. مقاومت الکتریکی مس کمتر از آلومینیم است و نیز مس نقطه ذوبی بالاتر از آلومینیم دارد که منجر به مهاجرت الکتریکی کمتر میگردد. بهعلاوه خودنفوذی مس در مقایسه با سه عنصر آلومینیم، نقره و طلا از همه پایینتر است که بهبود دوام را موجب میشود. با این حال مس از داخل 2SiO نفوذ کرده که منجر به کاهش عملکرد الکتریکی قطعه میگردد. بهعلاوه مس به اکسید سیلیسیم نمی‌چسبد و تشکیل یک اکسید خودغیرفعال‌شونده[36] برای کنترل خوردگی نمی‌دهد. متعاقبا لازم است تا با استفاده از لایه میانی همچون نیکل الکترولس، که به مس و دی‌اکسید سلیسیم بچسبد این مشکلات اتصالات مسی را مرتفع‌نمود [39].
در تحقیق صورت گرفته توسط وونگ[37] و همکارانش [39] تحول فازی لایه‌های Ni-P و Ni-B که بهطور غیرالکتریکی روی یک اتصال مسی رسوب‌داده‌شده‌بودند بهمنظور جلوگیری از نفوذ مس مورد بررسی قرار گرفتند. در پوشش Ni-B الکترولس، B3Niمتبلورشده در دمایی بالای ◦C 400 و در محیط حاوی گاز آرگون و مقدار کمی اکسیژن به نیکل و 3O2B تجزیه میگردد و در مقابل تجزیه P3Ni متبلورشده در پوشش Ni-P الکترولس در دمایی بالاتر از ◦C 600 و در محیط مذکور به نیکل و 5O2P بهوقوع می‌پیوندد. بهعلاوه در محیط متشکل از گاز هیدروژن، تجزیه B3Ni به نیکل و بور در دمایی بالاتر از ◦C 400 و تجزیه B3Ni به نیکل و فسفر در دمایی بالاتر از ◦C 600 مشاهده گردید. با این حال زمانی که آلیاژ نیکل-بور و نیکل-فسفر در عدم حضور مس بهصورت پودر رسوب‌داده‌شدند تجزیه این آلیاژها در اثر حرارت‌دادن رخ‌نداد، که این تفاوت در تحول فازی به نقش کاتالیزوری فلز مس یا اکسید مس نسبت داده شده‌است. با توجه به این که تجزیه پوشش Ni-P الکترولس در دمایی بالاتر از پوشش Ni-B الکترولس صورت‌می‌پذیرد، پوشش Ni-P الکترولس مانعی نفوذی مؤثرتری دربرابر پوشش Ni-B الکترولس میباشد.
2-6-5- تیتانیوم
تیتانیوم و آلیاژهایش بهعلت داشتن خواص عالی آن در صنایع هوایی کاربرد گسترده‌ای دارند. استفاده از این آلیاژها تحت شرایط اصطکاکی و سایش شدید بهعلت مقاومت به سایش کم آن‌ها محدود میباشد [40]. برونلی[38] و همکارانش [40] بهمنظور بهبود خواص آلیاژ تیتانیوم V4-Al6-Ti پوشش Ni-B را بر روی آن رسوب‌داده و سپس آن را تحت عملیات حرارتی نفوذی قرار دادند؛ بدین‌ترتیب که با روش حرارت‌دهی القایی حرارت لازم برای این عملیات را ایجاد کردند. دمای سطح در این روش به °C 1200 و دمای مرکز نمونه بیلت‌‌شکل آن به °C 890 رسید. این دمای بالا و زمانی برابر تنها 100 ثانیه، اجازه مهاجرت اتم‌ها به درون زیرلایه را میدهد. علت استفاده از این روش دست‌نخورده نگه‌داشتن زیرلایه میباشد. باید متذکر شد که قرار دادن آلیاژ V4-Al6-Ti در محدوده دمایی از °C 990 تا °C1010 منجر به یک استحاله آلوتروپیک از ساختار hcp (فاز α) به bcc (β) میگردد [40].
در تصاویر SEM نمونه‌های پوشش‌داده‌شده و عملیات حرارتیشده یک لایه واکنش پهن قابل مشاهده‌است (شکل 2-16ب)، که در آن غلظت Ni، Ti، V و Al به طور ناهمگنی درطول این لایه تغییر میکند. باید اشاره‌داشت که غلظت نیکل در جایی که به زیرلایه میرسیم به سرعت کاهش مییابد. ساختار لایه واکنش شامل فازی از جنس محلول جامد تیتانیم با نیکل، وانادیوم و آلومینیم (فاز سفید رنگ در شکل 2-16الف) میباشد که توسط فاز 2NiTi(فاز تیره رنگ در شکل 2-16الف) احاطه‌شده‌است. در داخل فاز محلول جامد حضور دندریت‌هایی مشاهده میگردد که نشان از وقوع ذوب در طی عملیات حرارتی‌است. این امر به‌دلیل تشکیل فاز یوتکتیکی از فاز 2NiTiو تیتانیم است که در دمای °C 942 ذوب‌می‌گردد. همچنین متالوگرافی پوشش حضور یک لایه نفوذی نازک را در فصل‌مشترک زیرلایه-پوشش آشکار می‌سازد که از طریق حضور نیکل در فاز β ساختار ویدمن‌اشتاتن –βαتیتانیم مشخص‌می‌گردد (شکل 2-16ب)، زیرا که نیکل پایدارکننده فاز β است. حلالیت بور در تیتانیوم بسیار محدود است (wt% 02/0) و چون در مطالعه صورت گرفته [40] مقدار بور از این حد بیشتر است (wt% 05/0) فلذا فاز TiB بهصورت ویسکرهایی با طول بین μm 4 تا mμ20 در محدوده واکنش حضور مییابد [40].
الف ب
شکل 2-17- الف) تصویر سطح مقطع تیتانیوم پوششداده شده با Ni-B الکترولس بعد از عملیات حرارتی القایی ب) تصویر فصل‌مشترک زیرلایه و لایه واکنشی [40].
میکروسختی سطح نمونه آلیاژ تیتانیوم پوششداده شده با Ni-B الکترولس پس از عملیات حرارتی نفوذی (بیش از HV 900)، بیشتر از میکروسختی سطح نمونه‌های تیتانیومی بدون پوشش پس از همین عملیات است. علت این امر حضور فازهای بین فلزی 2NiTi و NiB و نیز حضور عناصر نیکل و بور است که نیکل و بور میتوانند به‌ترتیب بهصورت محلول جامد در تیانیوم قرار گیرند.. عملیات حرارتی نفوذی صورت‌گرفته در مقایسه با عملیات حرارتی عادی در دمای °C 800 بهمدت 4 ساعت روی نمونه تیتانیمی سختی سطحی کمتری دارد، اما ضخامت لایه سخت بیشتر است. علت سختی کمتر سطح نمونه عملیات حرارتی نفوذی شده بهعلت این واقعیت است که ترکیب بین‌فلزی 2NiTi لایه سطحی فشرده‌ای را تشکیل نمی‌دهد بلکه در ناحیه نفوذی پراکنده است. علت عمق سختی بیشتر در نمونه‌های عملیات حرارتی نفوذی‌شده، ضریب‌نفوذ بیشتر نیکل و بور در فاز β نسبت به فاز α آلیاژ تیتانیم است. توجه شود که دمای عملیات حرارتی نفوذی بالاتر از دمای استحاله β و دمای عملیات حرارتی معمولی زیر این دما بوده‌است [40]. بهعلاوه انجام عملیات حرارتی در دمای °C 900 بهمدت 30 دقیقه در محیط خنثی روی نمونه‌های عملیات حرارتی نفوذی‌شده، کوئنچ کردن آن‌ها در آب و سپس عملیات پیرسازی در دمای °C 500 بهمدت 4 ساعت (تحت محیط خنثی)، منجر به نفوذ بیشتر عناصر، رسوب 2NiTiو افزایش کم میکروسختی ضخامت سخت‌شده گردیدهاست [40].
2-6-6- مواد پلیمری
آبکاری الکترولس مواد پلیمری با نیکل یا مس در شرایطی امکانپذیر است که نواحی کاتالیک جهت متالیزه‌شدن روی سطح ایجاد شود. این نواحی را میتوان توسط جوانه‌های پالادیوم که بهطور شیمیایی از محلول جذب میشوند، ایجاد کرد. روشهای مختلفی جهت انجام این جذب شیمیایی پیشنهاد‌شده‌اند. روش دومرحله‌ای که بهطور موفقیت‌آمیزی مورد استفاده قرار گرفته است شامل استفاده متوالی از محلولهای رقیق 2SnCl و 2PdCl میباشد و فرایند یک مرحله‌ای ،شامل فروبردن زیرلایه پلیمری در محلولی حاوی 2PdCl و 2SnCl میباشد.
2-6-7- فیبرهای کربنی
گرافیته‌شدن، استحاله مواد کربنی بی‌شکل و بی‌نظم به گرافیت سه‌بعدی تحت دمای کاری بالا معمولا بالای ◦C 3000 است. افزایش فشار و افزودن برخی کاتالیزورها میتواند گرافیته‌شدن کربن را شتاب‌بخشد که به ترتیب گرافیته کردن تحت تنش یا گرافیته‌کردن کاتالیزوری نامیده‌می‌شوند. نیکل، کبالت، آهن، پلاتین، مولیبدن، کروم و بور در کاتالیزه‌کردن گرافیته‌کردن بسیار مؤثر هستند. بور و ترکیباتش بهعنوان کاتالیزورهای مؤثر برای گرافیته‌کردن کربن‌ها بهکار میرود. نیکل نیز به عنوان یکی از کاتالیزورهای کارآمد برای گرافیته‌کردن کربن‌های آمورف شناخته‌می‌شود. بنابراین میتوان برای گرافیته‌کردن کربن آمورف، پوشش Ni-B الکترولس اعمال و عملیات حرارتی مذکور انجام گیرد. مکانیزم عمل اینگونه عنوان‌شده که باند کربن-کربن در ابتدا به‌وسیله فلز کاتالیزور در فصل مشترک کربن آمورف پاره گردیده سپس کربن در فلز مایع یا جامد حل‌شده و به صوت کربن گرافیتی رسوب میکند. بور بهعنوان یک کاتالیزور مخصوص شناخته‌می‌شود زیرا که فرایند پیوسته و همگن گرافیته‌شدن کل کربن را بدون تشکیل اجزای کربن مجزا و متمایزشتاب‌می‌بخشد. این امر به‌دلیل این است که بور میتواند بهطور جایگزین وارد محل‌های بین‌شبکه‌ای ساختار لایه‌ای گرافیت‌شود زیرا که شعاع اتمی بور خیلی نزدیک شعاع کربن است. سرعت نفوذ اتم بور در کربن سریع است و اتم بور میتواند شبکه بلوری را به‌وسیله جایگزینی اتم کربن بآزآرایی‌کند. در این فرایند وسعت گرافیته‌شدن افزوده‌شده‌است. بور دمای ذوب ◦C 2300 دارد و در دمای پایینتر اثر کاتالیکی نشان‌نمی‌دهد اما پوشش نیکل بور با B% 4-0 دمای ذوبی حدود ◦C1400 دارد و بور در فرم B2Ni و B3Ni در پوشش حاضر است. با این‌حساب با پوشش‌دادن گرافیت با Ni-Bگرافیته‌شدن بهتر در دمای کمتر میسر میباشد [42].
2-6-8- n-سیلیکون
پس از آن‌که پوشش نیکل-بور الکترولس با موفقیت به روی سیلسیم رسوب‌داده‌شد استفاده از پوشش نیکل الکترولس در کنتاکت‌ها الکتریکی رواج‌یافت. متالیزه‌کردن با نیکل الکترولس یک روش ارزان برای ساخت کنتاکت‌های الکتریکی برای سلولهای خورشیدی سیلیکونی است. استفاده از این روش برای تولید سلولهای خورشیدی با کنتاکت خاردارشده با راندمان بالا منجر به تفکر مجدد برای استفاده از فناوری آبکاری برای سلولهای خورشیدی سیلیکونی تخت تجاری حاضر گردید که میتواند هزینه فراوری را به مقدار قابل‌توجهی کاهش دهد. رسوب نیکل-فسفر روی سیلیسیم با استفاده از حمام هیپوفسفیت که به‌وسیله رسوب الکترولس یا الکتروشیمیایی مس دنبال میشود بهطور گسترده مورد مطالعه‌قرار گرفته‌است. نیکل مانعی مناسب در برابر نفوذ مس و بعلاوه یک فلز کنتاکت مطلوب دربرابر سیلیکون تشکیل‌می‌دهد. سیلیسید نیکل میتوان در دماهای پایین ◦C600 – 400 شکل‌بگیرد که چسبندگی مکانیکی مطلوب کنتاکت و مقاومت کم آن را مهیا می‌سازد.
اخیرا نتایجی عالی برای سلولهای خورشیدی سیلیسیمی تخت با کنتاکت آبکاری Ni-P الکترولس‌شده و متالیزه‌شده با مس توسط آبکاری الکتریکی به‌دست‌آمده‌است. با این حال محدودیت محلول هیپوفسفیت این است که تنها میتواند برای رسوب نیکل کنتاکت جلویی بهکار رود. استفاده از آن برای کنتاکت پشتی منجر به ایجاد کنتاکت غیراهمی میگردد.
برای کنتاکت پشتی یک محلول نیکل حاوی بور به‌جای هیپوفسفیت میتواند مفید باشد، زیرا که بور داخل رسوب نیکل جای میگیرد و این بور طی آنیل‌شدن ممکن است به‌داخل سطح پشتی سیلیسیم نفوذ کند و منجر به تشکیل لایه پشتی از سیلیکون P+ گردد که این امر میتواند یک کنتاکت اهمی برای نیکل باشد [43].
2-7- افزودن سایر اتم‌ها به پوشش Ni-B
2-7-1- پوشش Ni-Co-B
کبالت مفیدترین عنصر افزودنی جهت بهره‌مند ساختن پوششهای آلیاژ نیکل از خواص مغناطیسی است. بهمنظور تولید پوشش Ni-Co-B میتوان به حمام آبکاری بوروهیدریدی مقداری 4CoSO افزود. نسبت غلظت یون نیکل به یون کبالت در حمام بر روی نرخ آبکاری پوشش تاثیر می‌گذارد، به طوری که با کاهش آن نرخ آبکاری کاهش مییابد. پتانسیل احیای +2Co به Co منفی‌تر از پتانسیل احیای +2Ni به Ni است. بنابراین، غلظت بیشتر 4CoSO در حمام آبکاری باعث کاهش نرخ آبکاری میگردد [22].
در تحقیق صورت گرفته توسط ونگ [39] [22] حضور پیک مرتبط با آهن در طیف EDS پوشش Ni-Co-B مشاهده‌گردید. ونگ اینگونه برداشت کرد که انجام عملیات آبکاری بر روی زیرلایه فولادی منجر به حل‌شدن مقداری از زیرلایه آهنی طی واکنش جابجایی یون نیکل II یا کبالت II با آهن زیرلایه گردیده و در طول انجام آبکاری این آهن احیا‌شده و وارد پوشش گردیدهاست.
نسبت 4CoSO/4NiSO در حمام آبکاری بر ترکیب شیمیایی پوشش نیز اثر می‌گذارد. کاهش این نسبت منجر به منجر به کاهش درصد نیکل و آهن پوشش و افزایش کبالت پوشش بهطوری قابل ملاحظه میگردد. لازم به توجه است که با درنظر گرفتن نسبت 4CoSO/4NiSO در حمام آبکاری، درصد کبالت پوشش بیشتر از درصد نیکل پوشش است. این امر غیرعادی حاکی از این است که کبالت فعالتر تمایل بیشتری نسبت به نیکل نجیب‌تر برای احیاشدن و حضور در پوشش نشان میدهد. در این رابطه عنوان‌شده که ولتاژ اضافی[40] برای رسوب کبالت دلیل این رسوب ترجیحی در پوشش Ni-Co-B الکترولس است.
بررسی الگوی پراش اشعه X پوشش Ni-Co-B الکترولس نشان میدهد که این پوشش پس از آبکاری ساختاری آمورف دارد اما چنانچه این پوشش در دمای ◦C 350 بهمدت یک ساعت مورد عملیات حرارتی قرار بگیرد فازهای B3Ni مکعبی و فازهای Ni-Co تشکیل می‌گردند. حرارت دادن این پوشش در دمای بالاتر منجر به تشکیل فاز جدیدتری نمیگردد [22].
در تحقیق صورت‌گرفته توسط ونگ [22] عدد میکروسختی پوشش Ni-Co-Bپس از آبکاری برابر HV 601 به‌دست آمد. این مقدار با انجام عملیات حرارتی بهبود یافت بهطوری که با انجام عملیات حرارتی در دمای ◦C 350 مقدار سختی به بیشینه مقدار خود یعنی HV 950 رسید ولی افزایش بیشتر دما منجر به کاهش عدد میکروسختی میگردد. علت افزایش سختی طی عملیات حرارتی در دمای ◦C 350 تشکیل فازهای B3Ni و Ni-Coو علت کاهش سختی در اثر عملیات حرارتی در دمایی بالاتر از ◦C 350 نسبت به مقدار سختی بیشینه، رشد دانه‌های بلوری B3Ni و Ni-Co عنوان گردیدهاست [22].
شکل 2-17 ریز ساختار سطح پوشش Ni-Co-B الکترولس را بعد از آبکاری (الف) و بعد از عملیات حرارتی در دمای ◦C 600 بهمدت 1 ساعت (ب) نشانمیدهد. رسوب پس از آبکاری دارای ذراتی فشرده با قطر nm 0/2 هستند در حالی که اندازه ذرات پس از انجام عملیات حرارتی مذکور به‌حدود nm 0/5 افزایش مییابد و نیز شکل ذرات با شکل ذرات رسوب تنها آبکاری‌شده متفاوت است [22].
شکل 2-18- ریزساختار سطح پوشش Ni-Co-Bالف) بعد از آبکاری ب) بعد از عملیات حرارتی در دمای ◦C 600 بهمدت 1 ساعت [22].
با انجام عملیات حرارتی خواص مغناطیسی پوشش Ni-Co-B الکترولس نیز تحت تاثیر قرار میگیرد. بهطوری که با افزایش دمای عملیات حرارتی حد اشباع مغناطیسی و پسماند مغناطیسی برای این پوشش‌ها افزایش مییابد [22].
2-7-2- پوشش Ni-Cu-B
در تحقیق صورت گرفته توسط خانم رحمانی [35] بهمنظور وارد مس در پوشش مقدار mmol/l 4-1 کلرید مس در مقابل mol/l 1/0 وارد حمام آبکاری شده و مقداری KNaC4H4O6.4H2O نیز به آن اضافه‌گردید. بررسی صورت گرفته روی غلظت عناصر مس، نیکل و بور پوشش نشانمیدهد که با افزایش مقدار کلرید مس در حمام آبکاری، مقدار مس پوشش افزایش یافته و در مقابل مقدار نیکل پوشش کاهش مییابد اما مقدار بور تقریبا ثابت باقی‌می‌ماند. افزودن بیش از mmol/l 3 کلرید مس به حمام آبکاری منجر به بالاتر رفتن درصد وزنی مس پوشش نسبت به نیکل میگردد. گرچه با افزایش مقدار کلرید مس در حمام آبکاری، نرخ رسوب پوشش کاهش مییابد اما مقدار این کاهش کم و در تحقیق حاضر حداکثر 3% است.
مورفولوژی سطحی پوشش Ni-Cu-B پس از آبکاری ساختاری گل‌کلمی است که هر چه درصد مس افزایش مییابد ساختار گل‌کلمی درشت‌تر میگردد [35].
افزایش درصد مس پوشش میکروسختی پوشش را افزایش میدهد، بهطوری که افزودن mmol/l 4 مس به پوشش باعث بالا رفتن میکروسختی پوشش از 730 به 800 گردیدهاست [35].
بررسی منحنی پلاریزاسیون پوششهای Ni-B و Ni-Cu-B الکترولس در محلول % 5/3 نشانمیدهد که افزودن مس به پوشش منجر به کاهش سرعت خوردگی و پتانسیل خوردگی میگردد. کاهش سرعت خوردگی پوشش در اثر افزایش درصد مس در پوشش به افزایش مقاومت به خوردگی لایه پسیو شکل‌گرفته روی سطح پوشش نسبت داده شده‌است [35].
همچنین در تحقیق صورت‌گرفته توسط خانم رحمانی [35] اثر افزودن نانولوله‌های کربنی به پوشش Ni-Cu-B مورد بررسی قرار گرفت. مورفولوژی سطحی پوشش Ni-Cu-B/CNT نیز مانند پوشش Ni-Cu-B گل‌کلمی است.
با افزودن نانونوذارت CNTبه حمام آبکاری میکروسختی پوشش در ابتدا بهعلت افزایش میزان نانولوله‌های کربنی در پوشش افزایش و سپس کاهش مییابد. علت این کاهش کلوخه‌شدن نانوذرات داخل حمام و کاهش درصد وزنی حضور آن‌ها در پوشش عنوان گردیدهاست. نانولوله‌های کربنی در داخل پوشش میتوانند بهصورت مانعی دربرابر تغییرشکل مومسان پوشش عمل‌کرده و موجب افزایش مقاومت به‌تغییر شکل مومسان یا سختی گردند [35].
بررسی منحنی پلاریزاسیون پوشش‌ها Ni-Cu-B/CNT نشانمیدهد که افزودن این نانوذرات منجر به کاهش پتانسیل خوردگی و جریان خوردگی میگردد. در مورد کاهش سرعت خوردگی پوشش عنوان‌گردیده که با حضور نانولوله‌های کربنی در پوشش تخلخل‌های کمتری در پوشش وجود خواهدداشت که این از بین رفتن تخلخل‌ها منجر به کاهش سطح مؤثر خوردگی و درنتیجه کاهش سرعت خوردگی خواهد گردید [35].
[2] Brenner
[3] Riddell
[4] McComas
[5] UltraCemTM
[6] Brenner
[7] Riddell
[8] mercaptobenzothiazole
[9] Qun-li Rao
[10] Epitaxial Growth
[11] Baskaran
[12] Sankara Narayanan
[13] Dervos
[14] counterface
[15] Yoon
[16] Ball Shear Tests
[17] Differential scanning calorimetry
[18] Ziyuan
[19] Z.Abdel Hamid
[20] Evolved Gas Analysis
[21] Vibrating Sample Magnetometer
[22] Nanoindentation
[23] Kanta
[24] B. Kaya
[25] Shi
[26] Fretting
[27] Sliding Friction
[28] Rolling Friction
[29] Wnxue
[30] passive
[31] Strike
[32] quassi-passive
[33] Zhang
[34] gate
[35] track
[36] self –passiving oxide
[37] woong
[38] Brunelli
[39] Wang
[40] Over-Voltage
منابع:
Wolfgang Riedel, “Electroless Nickel Electroplating”, ASM International, First Edition, 1991, pp 5-11, 26-32, 81-82, 115-116, 122-129.
Mordechay Schlesinger,Milan Paunonic, “Modern Electroplating”, A Wiley-Interscience Publication, Fourth Edition, 2000, pp 673 -678
محمد قربانی، «پوشش‌دادن فلزات»، جلد دوم، مؤسسه انتشارات علمی دانشگاه صنعتی شریف، چاپ دوم، 1385، صفحات172- 169
اسرافیل بشارت، «مهندسی آبکاری فلزات»، طراح، چاپ دوم، 1383،صفحات 180 - 173
B.Kaya, T. Gulmez, M.Demirkol, “Preparation and Properties of Electroless Ni-B and Ni-B Nanocomposite Coatings”, Proceeding of the World Congress on Engineering and Computer science 2008, October 22-24, 2008, san Francisco, USA .
C.T. Dervosa, J. ovakovica, P. Vassilioub, “Vacuum heat treatment of electroless Ni–B coatings”, Materials Letters, No 58,2004 , pp 619-623.
Proceedings of the 50th IEEE Holm conference on electrical contacts and the 22nd international conference on electrical contacts, 20–23 September; 2004. pp. 281–88.
Yancy W. Riddle, C.Edward McComas, “Advances in Electroless Nickel Boron Coatings: Improvements to lubricity and Wear Resistance on Surface of Automotive Components”, 2005 SAE World Congress, April 11- 14, 2005, Detroit, Michigan.
V.Vitry, A.-F. kanta, F. Delaunois, “Initiation and formation of electroless nickel-boron coatings on mild steel: Effect of substrate roughness”, material science and engineering B, No. 175, 2010, pp 266–273.
Qun-li Rao, Gang Bi, Qing-hua Lu, Hao-wei Wang, Xiao-lan Fan, “Microstructure evolution of electroless Ni-B film during its depositing process” Applied Surface Science, No 240. 2005 pp 28-33.
Joseph R. Davis “Nickel, cobalt, and their alloys” ,ASM International. Handbook Committee, First printing,December 2000, pp 332
Thaddeus B. Massalski, Joanne L. Murray, "Binary Alloy Phase Diagrams", Vol 1, American Society of Metals, First Printing, 1986, pp 370
Y.W.Riddle, T.O. Bailler, “Friction and Wear Reduction via an Bi-B Electroless Bath Coating for Metal Alloys”, JOM, No. 57, April 2005, pp 40-45.
“Nodular Nickel Boron Coating”, US Patent, 6,782,650 B2, Agust 31 2004.
Sen-lin Wang, “Electroless Deposition of Ni-Co-B Alloy films and influence of heat treatment on the substrate and the magnetic performance of the film”, The Solid Films, No. 515, 2007, pp 8419-8423.
Z. Abdel Hamid, H.B. Hassan, A.M.Attyia, "Influence of Deposition temperature and heat treatment on the performance of electroless Ni-B films", Surface & coatings Technology, No. 205, 2010, pp 2348–2354
George E. Dieter, “Mechanical Metallurgy”, Mc Grow Hill, third edition, 1986, pp 325
یوسف حاج‌کریم خرازی، «تریبولوژی علم سایش و فرسایش»، دانشگاه علم‌وصنعت ایران چاپ اول، 1285، صفحه 3
27.Baharat Bhushan, B.K. Gupta, “Handbook of Tribology”, Mc Grow-Hill, First Edition, 1991, pp 2.10 – 2.16
KENNETH HOLMBERG, ALLAN MATTHEWS, “Coatings tribology, Properties, Technique and Applications in Surface Engineering”, Elsevier science.B.V, First Edition, 1994, pp37, 45-48
T.S.N. Sankara Narayanan, K. Krishnaveni, S.K. Seshadri, “Electroless Ni–P/Ni–B duplex coatings: preparation and evaluation of microhardness, wear and corrosion resistance”, Materials Chemistry And physics, No. 82, 2003, pp 771-779.
Jeong-won Yoon, Bo-In Noh, Seung-Boo jung, “Mechanical Reliability of Sn-Ag BGA Solder Joints with Various Electroless Ni-P and Ni-B plating Layers”, IEEE Transactions on components And Packaging Technologies, Vol. 33, N0.1 , March 2010, pp 222 -228.
N. Parvini Ahmadi, R. A. Khosroshai, M. Abdeli, "A Study of The Chemical Composition and Heat Treatment Of Electroless Ni-B-Tl Alloy Coating on AISI 316 Stainless Steel", International Journal of ISSI, Vol.2 (2005), No.2, pp19-23.
Shi Ziyuan, Wang Deqing, Ding Zhimin, “Surface strengthening pure copper by Ni-B coating”, Applied Surface Science, No. 221, 2004, pp 62–68.
Xiao Shi, Danlu Song, “Study on Alleviating Fretting Damage Properties of Ni-B-C60 Nano-Composite on Titanium Alloy”, International Conference on E-Product, E-Service and E-Entertainment (ICEEE), 7-9 Nov, 2010, Henan, Chaina, pp 1-4.
ساره رحمانی، «الکترولس کامپوزیت Ni-Cu-B و بررسی افزودن نانوتیوب‌های کربنی بر روی آن»، پروژه کارشناسی ارشد رشته شیمی، دانشگاه علم و صنعت ایران، اسفند ماه 1388.
Wenxue Zhang, Cheng He, “Electroless Ni-W-P/Ni-B duplex coatings on Az91 Alloy”, International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering (MACE), 2010, Wuhan, China, pp 3895 - 3899
”ASM Metals Handbook”, Vol 5, ASM International Handbook Committee, 1994 PP 108-109.
Jae Woong Choi, Gil Ho Hwang, Won Kyu Han, Sung Goon Kang, “Phase transformation of Ni-B, Ni-P diffusion barrier deposited electrolessly on Cu interconnect”, Applied Surface Science, No.253, 2006, pp 2171-2178.
Haihui Zhou, Qiang Yu, Qiling Peng, Hua Wang, Jinhua Chen, Yafei Kuang, “Catalytic graphitization of Carbon Fibers with electrodeposited Ni-B alloy coating”, Materials Chemistry and Physics, No. 110, 2008, pp 434-439.
Anup Mondal, Sabyashchi Nath, Ashok Mondal, Silkha Bandopadhyay, Utpal Gangopadhyay, Hiranmay Saha, “Growth of Ni-B Films on n-silicon”, Physica Status solidi, 202 No 9. 2005, pp 1786-1792
Michael Harold Freeman, C. C. Hull, “Optics”, ButterWorth-HeINEMAN, 11 edition, 2003, pp 11-12 .1
محصولاتی که در این مقاله مورد استفاده قرار گرفت
