پوشش که در آن یک واکنش شیمیایی بین یون های نیکل (منبع فلزی) و عامل کاهش دهنده موجود در محلول شیمیایی شکل گرفته است، به عنوان پوشش الکترولس نیکل شناخته می شود. پوششهای الکترولس نیکل به چهار گروه تقسیم می شوند: نیکل خالص، آلیاژ آلومینیوم، کامپوزیت و پوشش نانو کامپوزیت [1]. ترکیب ذرات فاز دوم ساکن (سخت / نرم) در لایه الکترولس Ni-P به عنوان پوشش کامپوزیت الکترولس نیکل (EN) شناخته شده است. به علت ویژگی های سایش شناختی عالی، پوشش های کامپوزیتی EN به طور گسترده در خودرو، هواپیما، هوا فضا، پارچه های شیمیایی و صنایع الکترونیکی استفاده می شود. این پوشش ها به علت ضخامت پوشش یکنواخت حتی در شکل های پیچیده و توانایی آنها برای پوشش دادن غیر رساناها محبوب تر هستند. خصوصیات مکانیکی و سایش شناختی پوششهای کامپوزیتی EN عمدتا به پراکندگی پایدار ذرات فاز دوم بستگی دارد [2]. پوشش های پوشیده شده با ذرات توزیع شده غیریکسان دارای نقایص متعددی هستند. پوششها با ذرات نرم (PTFE، MoS2، HBN و گرافیت) داراي خواص خوردگی و سایش شناختی فوق العاده ای هستند و با ذرات سخت (Al2O3، B4C ، TiO2، SiC، WC و Si3N4) دارای خواص مکانیکی و سایش شناختی هستند [3]. مقاومت سایش پوشش کامپوزیت در حضور ذرات فاز دوم سخت (B4C)  به طور قابل توجهی بهبود یافته است [4]. کارایی پوششی پوشش کامپوزیت EN بستگی به مقدار (درصد حجمی) ذرات در لایه پوشش دارد [5]. برای افزایش عملکرد پوششی پوشش کامپوزیت، پوشش کامپوزیتی با ترکیب یکنواخت ذرات فاز دوم در ماتریکس Ni-P بسیار ضروری است. با استفاده از تکنیک پیشرفته امکان پذیر است که اتصال ذرات را یکنواخت کرد(با کاهش تراکم ذرات). پوشش کامپوزیتی Ni-P-TiO2  که با استفاده از تکنیک های سل-ژل پوشیده شده است، دارای ریزسختی عالی و مقاومت به سایش نسبت به پوشش کامپوزیت Ni-P-TiO2 است. خصوصیات سایش شناختی پوششهای کامپوزیتی EN پس از عملیات حرارتی (400 درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت) به طور قابل توجهی افزایش می یابد [7، 8]. به طور کلی، پوشش به وسیله ی کاهش وزن پوشش و یا عمق پوشیدن مسیر پوشش تولید شده بر روی سطح پوشش کامپوزیتی اندازه گیری می شود. همچنین با استفاده از روش پراش اشعه ایکس اندازه گیری می شود [9]. پوشش های کامپوزیتی Ni-P-Al2O3  که با ذرات نانو آلومینیوم اکسید پوشیده شده اند، مقاومت بسیار زیادی در برابر سایش Ni-P و Ni-P-micro-Al2O3 دارند [10]. تحقیق حاضر به بررسی میزان پوششی پوشش های کامپوزیتی Ni-P-TiO2  می پردازد. لازم است که میزان سایش و ضریب اصطکاک پوشش های کامپوزیت کاهش یابد. از بررسی گسترده مواد چاپی نشان داده شده است که میزان سایش، ضریب اصطکاک و سختی بستگی به مقدار ذرات فاز دوم و دمای عملیات حرارتی دارد. از این رو، در حال حاضر کار مربوط به پارامترهای پوشش (سولفات نیکل، هیپوفسفیت سدیم و ذرات تیتانا) و درجه حرارت حرارت برای بهبود مقاومت به سایش پوشش کامپوزیت است. روش تاگوچی برای بهینه سازی پارامترهای فرایند پوشش استفاده می شود [11، 12] به منظور پیدا کردن ترکیبی بهینه از پارامترهای پوشش که حداقل پوششی پوشش کامپوزیت Ni-P-TiO2 را به دست می دهد. پارامترهای مهم و تعاملات آنها با استفاده از تجزیه و تحلیل واریانس (ANOVA) یافت می شود. مشخصه پوشش کامپوزیتی Ni-P-TiO2  با کمک میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، تجزیه و تحلیل  طیف سنجی تفکیک انرژِی پرتوی ایکس (EDXA) و آنالیز پراش اشعه ایکس (XRD) انجام می شود.

جدول 1: پارامتر­های طراحی و سطوح آنها

جدول 2: نتایج ANOVA برای پوشش.

شکل 1: طرح­های طیف سنجی تفکیک انرژی پرتوی ایکس پوشش­های کامپوزیت Ni-P-TiO2 (a) در  g/L 5؛ (b) در 10 g/L.

شکل2: میکروگرافهای میکروسکوپ الکترونی روبشی از پوشش کامپوزیت Ni-P-TiO2 (a) به عنوان رسوب؛ (b) حرارت عملیاتی در دمای 400 درجه سانتیگراد؛ (c) سطح ساییده.

شکل 3: طرحهای پراش پرتوی ایکس برای پوشش های کامپوزیت Ni-P-TiO2 (a) به عنوان رسوب شده؛ (b) حرارت عملیاتی در دمای 400 درجه سانتیگراد.

References

[1] 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.

[2] P Sahoo, S K Das. Tribology of electroless nickel coatings – A review. Materials and Design 32(2011)1760-1775. s

[3] Sharma A, Singh AK. Electroless Ni-P and Ni-P-Al2O3 nano-composite coatings and their corrosion and wear resistance. Journal of Materials Engineering and Performance.22 (2013) 176-183.

[4] A Araghi, M H Paydar. Electroless deposition of Ni-P-B4C composite coating on AZ91D magnesium alloy and investigation on its wear and corrosion resistance. Materials and Design.3 (2010) 3095-3099.

[5] O A Leon, M H Satia, H E Hintermann. High temperature wear of an electroless Ni-P-BN(h) composite coating. Surface and Coatings Technology. 163 (2003) 578-584.

[6] W Chen, W Gao, Y He. A novel electroless plating of Ni-P-TiO2 nano-composite coatings. Surface and Coatings Technology.204 vol. 15. (2010) 2493-2498.  

[7] I Apachitei, F D Tichelaar, J Duszczyk, L Katgerman. Solid-state reactions in low-phosphorus autocatalytic Ni-P-SiC coatings. Surface and Coatings Technology. 148 (2001) 284-295.

[8] P Gadhari, P Sahoo. Improvement in tribological performance of Ni-P-TiO2 composite coatings using Taguchi Technique with grey relational analysis.IndianJournal of Material Science. Volume 2015Article ID               (2015) 104187:1-10.

[9] J W Jappes, B Ramamoorthy, P K Nair. Novel approaches on the study of wear performance of electroless Ni-P/diamond composite deposits. Journal of Materials Processing Technology.209 (2009) 1004-1010.

[10] G H Zhou, H Y Ding, F Zhou, Y Zhang. Structural and mechanical properties of Ni-P-Al2O3 composite coatings synthesized by electroless plating. International Journal of Iron and Steel Research15 (2008) 65-69.

[11] P Gadhari, P Sahoo. Optimization of coating process parameters to improve microhardness of Ni-P-TiO2 composite coatings, Materials Today: Proceedings. 2 (2015) 2367-2374.

[12] P Gadhari, P Sahoo. Effect of process parameters on microhardness of Ni-P-Al2O3 composite coatings, Procedia Materials Science.6 (2014) 623 - 632.

پوشش کامپوزیت Ni–P–SiC با ذرات ریز

از زمان، اختراع تکنولوژی پوشش الکترولس در سال 1946 توسط A. Brenner و G. Riddell، پوشش های الکترولس نیکل به علت ویژگی های منحصر به فرد آن در بسیاری از زمینه ها استفاده شده است. ساختار الکترولس Ni-P به عنوان پوششی با محتوای فسفر زیاد است. با این حال، این ساختار آمورف متاستاز است و با افزایش درجه حرارت  یک گذار بلوری را تحت تاثیر قرار می دهد[1-6]. پس از عملیات حرارتي مناسب، پوشش به كريستال تبديل شد و توانايي سختي و ضد سايش آن به شدت بهبود يافت. ذرات ضخیم در فلزات رسوبی الکترولس یک روش مناسب برای تهیه پوشش های کامپوزیتی است و ذرات خواص مکانیکی و فیزیکی آن را افزایش می دهند [7]. پوشش های کامپوزیت مقاوم در برابر سایش با SiC، Al2O3 و غیره وجود دارد. SiC یک نوع مواد الکترونیکی مفید و دارای مواد سرامیکی قوی با مقاومت خوردگی عالی و فرسایش است. بنابراین پوشش های کامپوزیتی الکترولس (نیکل فسفر کاربید سیلیسیوم) Ni-P-SiC جذاب و قبلاًمورد بررسی قرار گرفته اند[8.9].

تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نانوذرات کاربید سیلیسیوم

نمودار پراش پرتوی ایکس پوشش

جدول سختی پوشش (HV₅₀)

References

[1] T.H. Hentschel, et al., Acta Mater. 48 (2000) 933.

[2] B. Farber, et al., Acta Mater. 48 (2000) 789.

[3] R.C. Agarwala, S. Ray, Z. Metallkde. 83 (1992) 199.

[4] R.N. Duncan, Plat. Surf. Finish. 83 (1996) 65.

[5] Kwang-Lung Lin, Po-Jen Lai, J. Electrochem. Soc. 136 (1989) 3803.

[6] K.G. Keong, W. Sha, S. Malinov, J. Alloy Compd. 334 (2002) 192.

[7] G.O. Mallory, J.R. Hajdu, Electroless Plating, AESF, USA, 1990.

[8] C.K. Chen, H.M. Feng, H.C. Lin, M.H. Hon, Thin Solid Films 416 (2002) 31.

تاثیر عملیات حرارتی بر خواص پوشش نانو کامپوزیتی Ni - P – SiO₂

آلیاژ آلومینیوم 7075-T6، که در این تحقیق مورد استفاده قرار می گیرد، دارای خاصیت وزن کم، نسبت استحکام به وزن و هدایت الکتریکی و حرارتی بالا است. این آلیاژ به طور گسترده ای در صنایع، به ویژه در سازه های هواپیما و مخازن تحت فشار استفاده می شود [1]. با این وجود وجود یک اکسید آلومینیوم طبیعی متخلخل بر روی سطح آن را به خوردگی محلی تبدیل می کند [2].

بهبود پوشش سختی و مقاومت در برابر سایش با افزودن ذرات سخت (کاربید بور، کاربید سیلیکون، الماس، اکسید آلومینیوم و غیره) در پوشش ها و درمان گرمائی می تواند بهبود یابد [3-7]. درمان حرارتي عامل مهمي است كه ضخامت، سختي، ساختار و مورفولوژي رسوبات را تحت تأثير قرار مي دهد، بخصوص هنگامي كه با توجه به خواص مقاومت سايش [8]. علاوه بر این، با درمان گرما، مقاومت خوردگی پوشش به علت انتشار میکروارگانیسم ها کاهش می یابد [9]. در این مطالعه، مورفولوژی سطح پوشش کامپوزیتی Ni - P – SiO2 با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل می‌دانی (fesem) بررسی شد. مقدار SiO2 در پوشش با استفاده از آنالیز تفرق انرژی اشعه ایکس (edx)و رفتار خوردگی پوشش با روش‌های طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS)و تکنیک‌های پلاریزاسیون بررسی شد و مقاومت خوردگی Ni - P - SiO2   بعد از عملیات حرارتی کاهش یافت. نتایج نشان داد که در پوشش با ۱۲.۵ گرم در لیتر [SiO2]، سختی پوشش از ۴۵۳ نانومتر به ۹۸۰ VH قبل و بعد از عملیات حرارتی افزایش یافت. علاوه بر این، رفتار سایشی پوشش‌ها قبل و بعد از عملیات حرارتی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.

ترکیب شیمیایی بستر آلومینیوم 7075

مقدار سختی پوشش در مقادیر مختلف SiO₂ در دمای 350 درجه سانتیگراد به مدت 1 ساعت

نمودار پلاریزاسیون پوشش در محلول 3.5 درصد کلرید سدیم

تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی پوشش

 REFERENCES

1. Ahmed Sarhan, A.D., Zalnezhad, E., and Hamdi, M., Mater. Sci. Eng., A, 2013, vol. 560, p. 377.
2. Paloumpa, I., Yfantis, A., Hoffmann, P., et al., Surf. Coat. Technol., 2004, vols. 180–181, p. 308.
3. Zhu, H., Niu, Y., Lin, Ch., et al., Ceram. Int., 2013, vol. 39, p. 101.
4. Apachitei, I., Duszczyk, J., Katgerman, L., and Overkamp, P.J.B., Scr. Mater., 1998, vol. 38, p. 1347.
5. Grosjean, A., Rezrazi, M., Takadoum, J., and Bercot, P., Surf. Coat. Technol., 2001, vol. 137, p. 92.
6. Balaraju, J.N., Kalavati, K., and Rajam, K.S., Surf. Coat. Technol., 2006, vol. 200, p. 3933.
7. Chen, C.K., Feng, H.M., Lin, H.C., and Hon, M.H., Thin Solid Films, 2002, vol. 416, p. 31.
8. Ashassi-Sorkhabi, H. and Rafizadeh, S.H., Surf. Coat. Technol., 2004, vol. 176, p. 318.
9. Sahoo, P. and Das, S.K., Mater. Des., 2011, vol. 32, p. 1760.
10. Palaniappa, M. and Seshadri, S.K., Alloy Coat., 2008, vol. 265, p. 735.
11. Lari Baghal, S.M., Heydarzadeh Sohi, M., and Amadeh,
A., Surf. Coat. Technol., 2012, vol. 206, p. 4032.
12. Sadreddini, S. and Afshar, A., Appl. Surf. Sci., 2014, vol. 303, p. 125.
13. Novak, M., Vojtěch, D., Novak, P., and Vitů, T., Appl. Surf. Sci., 2011, vol. 257, p. 9982.
14. Liu, Y., Yu, S., Liu, J., et al., Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 2011, vol. 21, p. 483.
15. Dong, D., Chen, X.H., Xiao, W.T., et al., Appl. Surf. Sci., 2009, vol. 255, p. 7051.
16. Rabinowicz, E., Friction and Wear of Materials, New York: Wiley, 1995.
17. Balaraju, J.N., Ezhil Selvi, V., and Rajam, K.S., Mater. Chem. Phys., 2010, vol. 120, p. 546.