اصول آبکاری الکترولس
(قسمت دوم)
حامد رحمانی
دانشجوی کارشناسی مهندسی مواد
دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی
شیرین بقایی
دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مواد
دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی
محمود علی اف خضرایی
استادیار خوردگی و حفاظت از مواد
حمام قلیایی آلیاژ نیکل- بور
هنگامی که بور موجود در رسوب الکترولس نیکل -بور قلیایی در محدوده 0/2-4 درصد وزنی باشد عامل کاهش آمینو بوران(N -آلکیل آمینو بوران) است و زمانی که 4-7 درصد وزنی بور باشد سدیم بوروهیدراید عامل کاهنده است.
آنها معمولا در دمایی در محدوده 20-90 درجه سانتیگراد عمل می کنند که در این حالت حمام سرد قلیایی نیکل- بور ترجیح داده می شود. در درجه حرارت بالا، حمام ناپایدار و مصارف صنعتی آن محدود می شود.
این حمام آلکیل آمین بوران به طور کلی دارای یک نرخ رسوب بسیار آهسته است که برای کنترل رسوب نیکل هیدروکسید عوامل کمپلکس مانند اتیلن آمین استفاده می شوند [60]. ترکیب معمولی حمام داغ قلیایی شامل گرم بر لیتر 30 نیکل کلرید، 60 گرم بر لیتر اتیلن، 2/1 گرم بر لیتر سدیم بوروهیدراید، 007/0گرم بر لیتر تالیم نیترات و40 گرم بر لیتر سدیم هیدروکسید است. شرایط عملیاتی pH برابر 14، درجه حرارت90 درجه سانتیگراد و نرخ رسوب 25 – 20 میکرومتر بر ساعت است و ترکیب معمولی حمام سرد قلیایی شامل 30 گرم بر لیتر نیکل سولفات، 3 گرم بر لیتر دی متیل آمین بوران، 15 گرم بر لیتر آمونیوم سیترات، 15 گرم بر لیتر آمونیوم کلرید و 0002/0 گرم بر لیتر مرکپتوبنزا تیازول می باشد.
شرایط عملیاتی آن، pH بیشتر از 5/7، درجه حرارت 35-25 درجه سانتیگراد و نرخ رسوب 12-7 میکرومتر بر ساعت است. مزایای اصلی بروهیدراید حاصل از کاهش رسوب نیکل الکترولس مقاومت در برابر سختی و سایش است.
درووس و همکاران. یک روش گرمایش خلاء پیشنهاد دادن که در مدت کمتر از نیم ساعت منجر به ایجاد سختی سطحی برابر با فرایند چند ماهه با روش های متداول ، یعنی حرارت در جو خنثی [61] است. 5 دقیقه عملیات حرارتی در محیط خلاء معادل سختی سطح کروم ،که در برخی از موارد به2000 ویکرز می رسد و بدون خطرناک زیست محیطی و فاضلاب حاصل از آبکاری کروم سخت می باشد.
این روش را می توان برای انواع صنایع بکار برد ، مثلا جایی که در آنجا نیاز به جایگزین های آبکاری کروم سخت است.کانتا و همکاران، نیکل- بور الکترولس را بر روی فولاد نرم عملیات حرارتی شده مورد بررسی قرار دادند، از جمله عملیات حرارتی در 95 درصد آرگون و 5 درصد هیدروژن در400 درجه سانتیگراد برای 1 ساعت وعملیات حرارتی شیمیایی در جو نیتروژن در500 درجه سانتیگراد به مدت 2 ساعت ،که توسط عملیات بر پایه آمونیاک ادامه پیدا می کند.
پس ازعملیات حرارتی- شیمیایی، پوشش متبلور نیکل و نیکل بورید تولید می شود[62]. محققان مشابه نیز مطالعاتی بر روی سیستم نیکل- فسفر و سیستم های نیکل– بور روی، زمینه فولاد و به خصوص تهیه زمینه آلومینیم که توسط یک لایه بیرونی از رسوب نیکل- فسفر محافظت می شد انجام دادند که منجر به سطحی صاف وترکیب الکتروشیمیایی نجیب تر نسبت به نیکل- بور می شد [63] .
علاوه بر این رسوب نانو بلوری نیکل – بور الکترولس بر روی سطح فولاد نرم به منظور بهبود سایش و خواص مکانیکی رسوب ترکیب می شود.
چند آلیاژی ها
روش الکترولس یکی از فرآیندهای بسیار خوب برای پوششهای آلیاژی است. آلیاژهای سه تایی و چهار تایی نوشته شده به چند آلیاژی ها معروف هستند[65] برخی از آلیاژهای نیکل-کبالت- فسفر، نیکل- کبالت-آهن- فسفر به دلیل خواص مغناطیسی عالی مورد استفاده قرار می گیرند. آلیاژ سه تایی نیکل – مس- فسفر (1درصد مس) مقاومت در برابر خوردگی بالا و شکل پذیری بالایی در مقایسه با آلیاژ استاندارد نیکل- فسفر [67،66] دارد.
آلیاژ سه تایی حاوی مولیبدن (نیکل – مولیبدن- بور) لحیم پذیری خوبی دارد (17درصد مولیبدن،0.3درصد بور) و خواص غیر فرومغناطیس، آن را در صنعت الکترونیک بسیار مفید می سازد. آلیاژهای سه تایی تنگستن (10درصد تنگستن) افزایش در سختی و مقاومت در برابر خوردگی نشان می دهند و آلیاژ قلع(40درصد قلع) به عنوان ماده مقاوم به خوردگی اضافه می شود. به طور کلی، چند آلیاژها در جایی که مواد شیمیایی منحصر به فرد و مقاومت در برابر دمای بالا و یا خواص الکتریکی، مغناطیسی و غیر مغناطیسی مورد نیاز است استفاده می شوند .
آلیاژهای مختلف برای پوشش بر روی کاربردهای فیزیکی و مکانیکی موردنظر و انتخاب آلیاژ بستگی به نوع کاربردها و مسائل اقتصادی دارد.مشخصه رسوب آلیاژ الکترولس و نوع پوشش آلیاژ فلزی در جدول 1 خلاصه شده است.عنصر سوم در رسوب مشترک آبکاری نیکل- فسفر الکترولس تحت تاثیر خواص پوشش است. گنجاندن مس یا قلع در نیکل- فسفر الکترولس شرایط پایدار حرارتی آمورف را افزایش می دهد و هنگامی که مقدار مس در پوشش 2/17 درصد وزنی است موجب حفظ یک رفتار پارامغناطیسی و بهبود مقاومت در برابر خوردگی [68] می شود، رسوب نیکل – مس- فسفر بهترین عملکرد ضد خوردگی [69] را دارد. علاوه بر این مس درسیستم نیکل – مس- فسفر انحلال نیکل را تسریع می بخشد و در نتیجه در غنی سازی لایه سطحی از عناصر فسفر و مس در پوشش اثرناپذیر نیکل و نفوذ Ni+2 به سوی محلول حجمی جلوگیری می کند و در نتیجه باعث افزایش مقاومت خوردگی پوشش نیکل – مس- فسفر می شود. این پوشش نه تنها برای تراکم گاز خروجی بلکه برای کاربرد بالقوه در مبدل حرارتی نیز استفاده می شود [70].
علاوه بر این، رسوبات چند لایه هیبریدی در روی فولاد نرم نیکل – مس- فسفر- تیتانیم خواص مکانیکی از جمله ضریب اصطکاک و نانو سختی را در مقایسه با آلیاژ نیکل – مس- فسفر افزایش می یابد. از این رو، این نوع از پوشش های چند لایه هیبریدی می تواند آینده خوبی برای بهبود همزمان مقاومت مکانیکی و خواص خوردگی [71] داشته باشد.
همچنین افزودن قلع (2-1 درصد درصد وزنی ) یا مس(4-3 درصد درصد وزنی ) به فسفر درصد بالا دمای تبلور رسوب نیکل- فسفر الکترولس آمورف را افزایش می دهد. یوان و همکاران [72] موفق به ساخت نانوسیم آلیاژی نیکل- تنگستن- فسفر الکترولس در مقیاس بزرگ و یکنواخت در یک غشای آلومینای آندی برای گزارش تراکم مغناطیسی شدند. علاوه بر این، اضافه کردن تنگستن به پوشش نیکل- فسفر به طور موثری پایداری حرارتی و خواص مکانیکی را افزایش می دهد.
همچنین مس یا قلع در حمام نیکل- تنگستن-فسفر منجر به رسوب چهارتایی نیکل- تنگستن- مس- فسفر و نیکل-تنگستن- قلع- فسفر با افزایش تبلور [75-73] می شود. سیستم پوشش الکترولس نیکل- تنگستن- فسفر می تواند به عنوان یک ماده مطرح در مخزن ذخیره سازی که از حمله خورنده توسط بیودیزل محافظت می کند[76] استفاده شود. در مطالعه دیگری، عملیات سطحی لیزر بر روی سیستم های نیکل- تنگستن-فسفر انجام شد که تولید یک فاز نیکل نانو بلوری و رسوب نیکل فسفید با ساختار آمورف می کرد. عملکرد خوردگی رسوبها تا حد زیادی با عملیات سطحی لیزر بهبود می یابد. انتخاب پارامترهای لیزر بستگی به ضخامت پوشش و خواص آلیاژ و غیره دارد [77].
وانگ [78] با استفاده از بوریک اسید و سدیم سیترات به عنوان عامل کمپلکس آلیاژهای نیکل- آهن- فسفر را رسوب داد، او متوجه شدکه حضور آهن سولفات در حمام اثر مهارکننده بر روی رسوب آلیاژ دارد و درصد آهن در رسوب هرگز افزایش نمی یابد. در واقع، مشاهده شد همواره کمتر از 6/15 درصد آهن موجود است که خواص مکانیکی پوشش را بهبود داده و درصد فسفر را کاهش می دهد. پوشش آلیاژ الکترولس سه تایی نیکل- روی- فسفر به عنوان نوع جدیدی از فلز پوشانی تحت ضربه استفاده می شود برای واکنش با لحیم بدون سرب و Ni–8Zn–8P پایداری حرارتی بهتری از لایه پوشش نیکل- فسفر نشان می دهند.
این لایه سه تایی نیکل-روی- فسفر ممکن است یک جایگزین مرسوم به جای استفاده از لایه نیکل- فسفر و یا طلا یا نیکل فسفید برای کاربرد [UBM] به کار رود[79]. دوهین و همکاران یک روش جدید به منظور تماس نیکل سیلیسید با آبکاری الکترولس ، آلیاژهای نیکل(نیکل- فسفر، نیکل- تنگستن- فسفر، نیکل – تنگستن- بور) در نوع p سیلیس(100) با استفاده از آمینو پروپایل تری توکسی سالین فعال شده با پالادیم سیترات پیشنهاد دادند.آبکاری نیکل الکترولس می تواند برای توسعه نیکل سیلیسید (NiSi) این لایه ها استفاده شود.
رسوب الکترولس وسیلان مرتبط با فعالیت APTES می تواند از فاز مایع باشد، این فرایند نسبتا ساده است و نیازی به سیستم رسوب خلاء پیچیده ندارد در نتیجه راحت تر است و هزینه پایین تری نسبت به هنگامی که تبخیر و روش کندوپاش باشد دارد.
با این وجود، بهینه سازی بیشتری برای به دست آوردن لایه با خواص بهبود یافته مورد نیاز است [80] پانگ و همکاران یک فرایند برای پوشش نیکل- فسفر-کبالت الکترولس با استفاده از c – آمینو پروپایل تری توکسی سالین (APTES) محیا کردندکه تداوم و یکنواختی پوششهای آلیاژی را بطور قابل توجهی بهبود می دهد.
نرخ رسوب بستگی به نسبت غلظت نیکل سولفات به کبالت سولفات و غلظت سدیم هیپوفسفیت و pH حمام آبکاری دارد و مشخص شد که میزان آبکاری رسوب الکترولس نیکل-کبالت- فسفر نسبت به نرخ غلظت CO+2 / Ni+2 افزایش می یابد.
افزایش غلظت سدیم هیپوفسفیت و pH همچنین می تواند نرخ آبکاری را بالا ببرد و رسوب اولیه فاز آمورف نیکل-کبالت- فسفر با افزایش دمای بازپخت تبدیل به فاز بلوری شود. علاوه بر این، خاصیت مغناطیسی کامپوزیت بهتر از درصد کبالت در رسوب ها و افزایش درجه حرارت تصفیه است[81].
روشی جدید به منظور کاهش هسته از دست رفته در آهن- 3 درصد سیلیس در فولاد الکتریکی با آبکاری الکترولس ابداع شده است. این روش شامل آبکاری الکترولس یک لایه نازک مغناطیسی بر روی سطح فولاد الکتریکی است این لایه آمورف بی نظم بوده و متشکل از 59-56 درصد نیکل، 35-32 درصد کبالت و 10-8 درصد فسفر است.
با استفاده از پوشش الکترولس نیکل-کبالت- فسفر با ضخامت 1 میکرو متر در0.3 تسلا (چگالی شار مغناطیسی) کاهش هسته از دست رفته مجددا به دست می آید[82].
چشم انداز آینده و نتایج
این مقاله مروری بر جنبه های کلی پوششهای نیکل الکترولس دارد و به طور خاص، روشهای تشکیل نیکل- فسفر یا بور الکترولس، چند آلیاژها و تاثیر آنها روی ویژگیهای پوشش، کاربردها و پیشرفتهای اخیر را بررسی کرده است. در آینده، آلیاژ جدید اضافه شده با پوشش نیکل الکترولس قادر به ایجاد خواص و مزایای جدید می شوند وهمچنین برای پیشرفت آبکاری روی لایه های سخت (به عنوان مثال آلومینیم و منیزیم) به پوششهای ضخیم و نیز سازگار با محیط زیست برای برخی از کاربردها و کاهش استفاده مواد شیمیایی نیازمند کار بیشتر است.
علاوه بر این،گرفتن حداکثر بهره وری از حمام اهمیت زیادی دارد وکاهش هزینه آبکاری الکترولس روی پلاستیکهای استفاده شده برای صنایع خودرو و به حداقل رساندن ضایعات حمام، فن آوری آبکاری زیست محیطی تر مهم خواهد بود. خواص پوششهای نیکل الکترولس توسط عملیات سطحی مناسب بهبود می یابد (گرما، لیزر، و غیره) و با اختلاط عناصر مختلف (مس، تنگستن، و غیره) و ذرات (سیلیسیم کاربید، تیتانیا و غیره) توسط محققان این پوششها برای کاربردهای مختلف مناسب می گردند.
به عنوان سخن پایانی، آینده آبکاری الکترولس وابسته به نیازها و کاربردهای جدیدتر هم زمان با تغییر در فنآوریهای آبکاری است.
