بررسی تا ثیر عملیات حرارتی بر سختی و مقاومت خوردگی پوشش نانوکامپوزیتی الکترولس نیکل فسفر نانوالماس اعمال شده بر روي زیرلایه فولادي

Transcript

1 بررسی تا ثیر عملیات حرارتی بر سختی و مقاومت خوردگی پوشش نانوکامپوزیتی الکترولس نیکل فسفر نانوالماس اعمال شده بر روي زیرلایه فولادي محمد نیکنژاد مسعود میرجانی سعید برجی دانشگاه صنعتی مالکاشتر تهران چکیده یکی از روشهاي اصلاح خواص شیمیایی و مکانیکی سطوح زیرلایه فولادي روش الکترولس است. در این تحقیق پوشش نانوکامپوزیتی نیکل فسفر نانوالماس از محلولی حاوي 0/6 گرم بر لیتر نانوالماس ایجاد شده و تحت عملیات حرارتی در دماهاي و 600 درجه سانتیگراد قرار گرفت. تغییرات مورفولوژي ساختار کریستالی سختی و مقاومت خوردگی پوششها به ترتیب با روشهاي FESEM XRD سختیسنج ویکرز و روش پلاریزاسیون تافلی بررسی شد. نتایج نشان داد که با عملیات حرارتی در دماي 400 º C سختی به حداکثر مقدار 266 ویکرز رسیده و مقاومت به خوردگی در مقایسه با پوشش نیکل فسفر معمول همچنان بالا است. این پوشش براي افزایش سختی و مقاومت خوردگی زیرلایههاي فولادي گزینه مناسبی خواهد بود. کلمات کلیدي: الکترولس سختی مورفولوژي پلاریزاسیون عملیات حرارتی. hamidnik4u@gmail.com

2 سمپوزیوم فولاد مقدمه نقش مهندسی سطح در مساي ل سایشی زیرلایه و اصلاح خواص شیمیایی و مکانیکی سطح از جمله سختی مقاومت به سایش و خوردگی است. یکی از روشهاي اصلاح سطوح زیرلایه فولادي به منظور افزایش خواص شیمیایی و تریبولوژیکی آن پوششدهی توسط روش الکترولس است. این روش پوششدهی خود فعال است به این صورت که لایهاي اولیه از عنصر نیکل بر روي زیرلایه تشکیل شده و این پوشش به عنوان کاتالیست عمل نموده و باعث میشود که فرآیند به طور پیوسته ادامه یابد.[] این پوششها به میزان وسیعی به عنوان پوششهاي محافظتی و تزي ینی در صنایع مختلف از جمله نفت شیمیایی پلاستیک اپتیک چاپ معدن هوافضا هستهاي اتومبیل الکترونیک و غیره استفاده میشوند.[2] مجموعا در حدود %55 این پوششها در مقاصد افزایش سختی سطح و مقاومت به خوردگی به کار برده میشوند [3]. با همرسوبی ذرات فاز ثانویه در زمینه پوششهاي کامپوزیتی ایجاد میشوند. موفقیت همرسوبی ذرات بستگی به توزیع اندازه نسبی ذرات غلظت ذرات در حمام آبکاري روش و میزان تلاطم ترکیب محلول و غیره دارد. از طرف دیگر مقاومت سایشی پوشش نیز به اندازه ذرات و درصد حجمی ذرات در پوشش بستگی دارد.[4] میزان مشارکت ذرات محتواي فسفر زمینه و عملیات حرارتی تعیینکننده سختی این پوششها هستند. مقاومت در برابر حمله شیمیایی انواع محیطهاي خورنده به حفرههاي ذاتی کم این رسوبات و تغییر در خواص شیمیایی نیکل به علت حضور فسفر نسبت داده شده است.[5] پوششهاي نیکلی محتوي ذرات نانو براي ایجاد خواص ویژه همچون خودروانکاري مقاومت سایشی و خوردگی و سازگاري شیمیایی و بیولوژیکی خوب به کار میروند. نانوذرات به عنوان فاز استحکام بخش زمینه به علت انرژي سطحی بالایشان باعث اصلاح رشد کریستالهاي نیکل شده و خواص پوشش را بهبود میدهند [6-8]. براي داشتن حداکثر خواص از پوششهاي نانوکامپوزیتی الکترولس دو راه حل مشارکت ذرات سخت و یا نرم در زمینه Ni-P و انجام فرآیند عملیات حرارتی وجود دارد. از میان ذرات فاز ثانویه الماس داراي سختی بسیار بالا مقاومت به اکسیداسیون خوب مقاومت سایشی عالی و پایداري شیمیایی بالا بوده و باعث بهبود بیشتر خواص پوشش خواهد شد.[9] با توجه به مطالب ذکر شده هدف از این تحقیق ایجاد پوشش کامپوزیتی الکترولس نیکل فسفر نانوالماس بر روي زیرلایه فولادي و تاثیر عملیات حرارتی بر تغییرات سختی مقاومت خوردگی ساختار کریستالی و مورفولوژي پوشش میباشد. روش تحقیق با توجه به کاربردي بودن این روش در پوششدهی لایه داخلی فولادها زیرلایه لوله فولادي کمکربنSt37 انتخاب شد. زیرلایه با سمباده کاربید سیلیسیمی تا شماره 000 مورد آمادهسازي قرار گرفت سپس با محلول صنعتی فروکلین تمیزکاري شده و با آب مقطر شستشو داده شد. در انتها نیز به

3 73 بررسی تا ثیر عملیات... منظور حساسسازي سطح زیرلایه در محلول %0 اسید سولفوریک به مدت سه ثانیه قرار گرفته و مجددا با آب مقطرشستشو داده شد. ترکیب حمام انتخاب شده در جدول مشاهده میشود. نانوالماس مورد استفاده در این تحقیق ساخت شرکت سینتا کشور روسیه بود. طبق کار صورت گرفته توسط عبدي [0] براي به حداقل رساندن اندازه کلوخههاي نانوذرات با مشخصات شدت موج %25 زمان 25 دقیقه سیکل کاري 0/5 تحت عملیات التراسونیک در دستگاه گرفت. با توجه به تحقیق صورت گرفته Heilscher UP400 مدل ساخت کشور آلمان قرار قبلی [] محلول حاوي 0/6 گرم بر لیتر نانوالماس بیشترین مشارکت را در بین پوششهاي کامپوزیتی داشته است بدین منظور پوشش نانوکامپوزیتی نیز از محلول حاوي 0/6 گرم بر لیتر نانوالماس ایجاد شد. با توجه به استاندارد ASTM B فسفر براي داشتن حداکثر سختی پوشش ایجاد شده تحت عملیات حرارتی در دماه يا و میزان تغییرات و 600 º C و به مدت یک ساعت در لولهاي کوارتزي و تحت گاز محافظ آرگون قرار گرفت. در ادامه نمونهها در دماي محیط خنکسازي شدند. براي بررسی مورفولوژي سطح پوششها قبل و بعد از عملیات حرارتی از دستگاه FESEM مدل MIRA\\ESCAN از دستگاه XRD STOE مدل STIDY-MP روي الگوهاي به دست آمده توسط نرمافزار پوششها از استاندارد استفاده شد. ساختار کریستالی پوششها با استفاده ساخت کشور آلمان تعیین شدند آنالیزهاي انجام شده بر Highscore ASTM B استفاده شد. از Xpert صورت گرفت. براي بررسی سختی 2 ریزسختیسنج ویکرز کوپا مدل MH3 تحت بار 00 گرم استفاده شد. از هر نمونه پنج سختی گرفته شده و میانگین آنها گزارش شد. براي بررسی مقاومت خوردگی پوششها نمونههایی تخت از زیرلایه فولادي تهیه شده و پوششهاي Ni-P و Ni-P- ND بر روي آنها اعمال شد. براي تعیین جریان و پتانسیل خوردگی پوششها از روش پلاریزاسیون استفاده شد. آزمون خوردگی نیز با دستگاه الکتروآنالیزر سما با سه الکترود شامل الکترود مرجع (Ag/AgCl) الکترود پلاتین و الکترود کار در محلول %3/5 NaCl و به روش تافل انجام شد. نتایج و بحث شکل الگوي XRD از پوششهايNi-P قبل و بعد از عملیات حرارتی در 400ºC را نشان میدهند. همانگونه که مشخص است در پوشش Ni-P بعد از عملیات حرارتی نسبت به حالت قبل از آبکاري با افزایش ارتفاع پیک شدت پیک افزایش یافته و از پهناي آن کاسته شده است. پوشش باتوجه به Ni-P میزان فسفر موجود در پوشش (%4P) ساختاري نیمه کریستالی دارد. بعد از عملیات حرارتی شدت پیک حاصله افزایش یافته وساختار کاملا کریستالی شده و میزان کمی از فازهاي میانی در Ni 5 P 2 و Ni 3 P SINTA 2 Koopa 3 sama-500

4 سمپوزیوم فولاد ساختار تشکیل شده است. ژانگ [2] نیز با انجام عملیات حرارتی در دماي 400ºC به مدت یک ساعت در پوششهاي Ni-.5%P نشان داد که ساختار پوشش بعد از عملیات حرارتی کریستالی میشود. علت کم بودن شدت پیک هاي حاصل از فازهاي میانی کم بودن فسفر موجود درون پوشش است. براي تشکیل میزان بیشتر و انواع دیگر فازهاي میانی فسفید نیکل باید درصد فسفر پوشش افزایش یابد. شکل 3 تغییرات مورفولوژي پوشش کامپوزیتی را قبل و بعد از عملیات حرارتی در بزرگنماییهاي و برابر نشان می دهد. همانگونه که مشخص است عملیات حرارتی باعث درشت شدن دانهها و به هم پیوستن مرزدانهها شده است [3]. در بزرگنمایی بالا مشخص است که خوشههاي نیکل تشکیل شده رشد کردهاند. ذرات روشن در بزرگنمایی بالا فازهاي میانی فسفید نیکل تشکیل شده هستند. شکل 4 نمودار تغییرات سختی پوشش و Ni-P پوششهاي Ni-P-ND معمول و عملیات حرارتی شده را در دماهاي و 600ºC نشان میدهد. سختی پوشش کامپوزیتی 324 ویکرز بیشتر از پوشش نیکل فسفر معمول است. علت این موضوع سخت شدن حرکت نابجاییها با ذرات درون پوشش و قفل شدن آنها توسط مکانیزم اوراوان [ 3-7 و 4 ] نسبت داده میشود. مشخص است که با عملیات حرارتی در دماي 200ºC به علت تشکیل شدن بسیار کم فازهاي میانی [5] و در عین حال تبدیل فاز سخت بتا به آلفا سختی به میزان کمی بالارفته است. طبق مطالب ذکر شده در استاندارد عملیات حرارتی در این دما باعث بهبود چسبندگی پوشش به زیرلایه و آزادسازي تنشهاي درونی پوشش خواهد شد. با افزایش دما به 400ºC سختی به حداکثر مقدار خود رسیده است علت این موضوع با توجه به نتایج الگوي کریستالی شدن کامل ساختار و تشکیل فازهاي میانی XRD Ni 3 P و Ni 5 P 2 Ni 3 P مدول برشی و استحکام بالایی دارد [6] است. براساس گزارشات موجود در نتیجه این فازهاي میانی مانع حرکت و گسترش نابجاییها شدهاند[ 7-5 و 8 ]. با انجام عملیات حرارتی در دماي بالاتر سختی به شدت کاهش یافته است. علت این موضوع افزایش انرژي تحرك اتمها و افزایش جاهاي خالی و سرعت نفوذ درشت [8] شدن دانهها و ذرات فازهاي میانی تردشدگی سطح کاهش نواقص شبکه وایجاد شدن فصل مشترکی غیر همدوس با زمینه است در نتیجه نابجاییها به جاي برش فازهاي میانی آنها را به راحتی دور میزنند [ 8-4 و 9 ]. شکل 4 نتایج آزمایش پلاریزاسیون پوشش Ni-P و Ni-P-ND را قبل و بعد از عملیات حرارتی نشان میدهد همچنین جدول 2 نیز مقادیر سرعت خوردگی جریان خوردگی و پتانسیل خوردگی نمودارهاي پلاریزاسیون را نشان میدهد. با انجام فرآیند عملیات حرارتی جریان خوردگی ) corr I) افزایش یافته است که این موضوع به کریستالی شدن کامل ساختار نسبت داده میشود زیرا یونهاي خورنده راحتتر به سطح زیرلایه میرسند [20] همچنین رسوب فازهاي میانی باعث خالی شدن زمینه از فسفر و افزایش سرعت خوردگی میشوند ولی پتانسیل خوردگی هر دو پوشش بعد از عملیات حرارتی افزایش zhang

5 733 بررسی تا ثیر عملیات... یافته است در نتیجه فعالیت شیمیایی پوششها کاهش یافته است. این افزایش احتمالا به از بین رفتن فصل مشترك پوشش و زیرلایه آزاد شدن تنش داخلی آنها و همچنین کمتر شدن مرزدانهها بر اثر رشد دانهها مربوط باشد. همچنین به علت زمان کم عمیات حرارتی احتمال تشکیل تركها کاهش یافته است [2]. با توجه به نتایج حاصل شده مشخص است که با انجام عملیات حرارتی در پوشش Ni-P-ND علاوه بر رسیدن به سختی بسیار بالا میتوان به مقاومت خوردگی نسبتا خوبی نیز دست پیدا کرد. نتیجهگیري - با انجام عملیات حرارتی در دماي 400ºC ساختار نیمه کریستالی به کریستالی تبدیل شده و میزان کمی از فازهاي میانی Ni 3 P و Ni 5 P 2 در ساختار تشکیل شد. 2- سختی پوشش کامپوزیتی نیکل فسفر نانوالماس بعد از عملیات حرارتی در دماي 400ºC از 884 به 266 ویکرز افزایش یافت. 3- بعد از انجام عملیات حرارتی در پوشش کامپوزیتی جریان خوردگی افزایش یافته و پتانسیل خوردگی کاهش یافت ولی در مقایسه با پوشش نیکل فسفر معمول مقاومت خوردگی همچنان بالاتر است. 4- با انجام عملیات حرارتی در پوشش نیکل فسفرنانوالماس میتوان سختی و مقاومت خوردگی زیرلایههاي فولادي را به طور همزمان افزایش چشمگیري داد. مراجع [] G. O Mallory, J. B Hajdu, Electroless plating fundamentals and applications, 990, American Electroplaters and surface finishers society, New york, Noyes publications. [2] K.H Krishnan, S John, An overall aspect of electroless Ni-P depositions A review article, Metallurgical and materials transactions, 2006, 37, pp [3] S.H Park, D.N Lee, A study on the microstructure and phase transformation of electroless nickel deposits, Journal of mater science, 988, 23,pp [4] J.N Balaraju, T.S.N Sankara Narayanan, Electroless Ni P composite coatings, Journal of applied electrochemistry, 2003, 33, pp [5] M.D Feldstein, Surpassing chrome plating with composite electroless nickel coatings, Presented at conference on chrome and cadmium alternatives, Pittsburgh, [6] Y De Hazan, Homogeneous electroless Ni P/SiO 2 nanocomposite coatings with improved wear resistance and modified wear behavior, 200, Surface & coatings technology, 204, pp [7] Y Yang, Fabrication and characterization of electroless Ni P ZrO 2 nanocomposite coatings, 20, Applied nanoscience,, pp [8] A Zarebidaki, S.R Allahkaram, Effect of heat treatment on the properties of electroless Ni P carbon nanotube composite coatings 202, Micro & nano letters, 7, pp [9] H Matsubara, Co-deposition mechanism of nanodiamond with electrolessly plated nickel films, 2007, Electrochimica acta, 52, pp

6 سمپوزیوم فولاد مسعود عبدي الماس" "بررسی تا ثیر پارامترهاي آبکاري بر خواص نانوکامپوزیت الکتروفرمشده مس پایاننامه کارشناسی ارشد دانشگاه مالکاشتر تهران 389. محمد نیکنژاد "بررسی تا ثیر افزودن نانوالماس به حمام الکترولس نیکل فسفر بر میزان مشارکت نانوالماس و سختی پوششهاي حاصل" چهاردهمین سمینار ملی مهندسی سطح اردیبهشت 392. [] Y.Z Zhang, M Yao, Studies of electroless nickel deposit with low phosphorus content, 999, Trans IMF, 77, pp [2] Y.Y Liu, Synthesis and tribological behavior of electroless Ni P WC nanocomposite coatings, 2007, Surface & coatings technology, 20, pp [3] J.N Balaraju, K.S Rajam, Electroless deposition and characterization of high phosphorus Ni-P-Si 3 N 4 composite coatings, 2007, International Jornal electrochem science., 2,pp [4] C.K Chen, The effect of heat treatment on the microstructure of electroless Ni P coatings containing SiC particles, 2002, Thin solid films, 46, pp [5] F Masoumi, Tribological characterization of electroless Ni 0% P coatings at elevated test temperature under dry conditions, 202, International Journal Advanced Manufacturing Technology, 62, pp [6] M Ebrahimian, Wear behavior of electroless Ni P B 4 C composite coatings, 2006, Wear, 260 pp [7] Sh Alirezaeih, Effect of alumina content on surface morphology and hardness of Ni-P Al 2 O 3 (α) electroless composite coatings, 2004, Surface and coatings technology, 84, pp [8] P Liu, Effect of thermal treatment on composite coatings of electroless Ni-P/nanodiamond on pure aluminum substrate, 202, Key engineering materials, 499, pp [9] V.V.N Reddy, A study on the wear resistance of electroless Ni P/Diamond composite coatings, 2000, Wear, 239, pp -6. [20] J Novakovic, P Vassiliou, Electroless NiP TiO 2 composite coatings: Their production and properties, 2006, Surface & coatings technology, 20, pp [2] Electroplating engineering handbook, fourth edition, 984. جدول. ترکیب شیمیایی حمام الکترولس نیکل فسفر [22]. [9] [0] غلظت (g/l) / ترکیب کلراید نیکل سدیم هیپوفسفیت اسید بوریک آمونیوم بی فلوراید ph دما ) درجه سانتیگراد)

7 735 بررسی تا ثیر عملیات... جدول 2. پارامترهاي الکتروشیمیایی نمودار پلاریزاسیون قبل و بعد از عملیات حرارتی. نوع پوشش Ni-P 0.6 g/l Ni-P (HT) 0.6 g/l (HT) Icorr (µa/cm 2 ) /899 0 /936 3 /764 /555 Ecorr(mV) Corrosion rate (mpy) 0 /244 0 /20 0 /484 0 /73 شکل 2. تغییرات مورفولوژي پوشش الف) و ب) کامپوزیتی و کامپوزیتی عملیات حرارتی شده در دماي 400ºC در بزرگنمایی پ) و ت) در بزرگنمایی شکل. الگوي XRD از الف) پوشش Ni-P ب) Ni-P عملیات حرارتی شده در دماي 400 درجه سانتیگراد. شکل 3. تغییرات سختی پوشش Ni-P-ND Ni-P معمول و عملیات حرارتی شده در دماهاي مختلف. شکل 4. نتایج آزمایش پلاریزاسیون پوشش Ni-P و ). 400ºC قبل و بعد از عملیات حرارتی (دما Ni-P-ND