نمایش موارد بر اساس برچسب: الکترولس نیکل بور
الکترولس نیکل بهبود خواص
بهینه‌سازی خواص تریبولوژی پوشش نیکل الکترولس به کمک تغییر ترکیب شیمیایی حمام
چکیده
پوشش نیکل-بور الکترولس پوششی سخت و مقاوم به سایش است که در سال‌های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته و به‌طور ویژه در صنایع دفاع ایالات متحده به‌کار گرفته‌شده‌است. در تحقیق حاضر اثر غلظت اتیلن‌دی‌آمین، آمونیاک و محلول پایدارکننده‌ای حاوی تنگستات سرب و اتیلن‌دی‌آمین تترا استیک اسید روی ساختار و میکروسختی پوشش نیکل-بور الکترولس مطابق طرح مرکب مرکزی در دو شرایط پس از آبکاری و پس از عملیات حرارتی مورد بررسی قرار گرفت. مطابق نتایج به‌دست آمده، مورفولوژی سطحی اغلب این پوشش‌ها برخلاف همتاهای دیگر خود دارای ساختار قلوه‌سنگی می‌باشند. این در حالی است که مقالات پیش از این ساختار گل‌کلمی را برای این پوشش معرفی کرده‌اند. علت تشکیل چنین ساختاری به حضور آمونیاک در محلول آبکاری نسبت داده‌شد. بررسی میکروسختی برای پوشش‌ها در شرایط صرفا آبکاری شده، نتوانست منجر به تعریف یک مدل از سختی نسبت به متغیرهای فوق‌الذکر شود، اما به‌طور کلی میکروسختی به دست آمده برای پوشش‌های صرفا آبکاری شده 50HV26±825 بود. در شرایط پس از عملیات حرارتی، غلظت پایدارکننده و اثر متقابل آمونیاک و پایدارکننده به عنوان عوامل تاثیرگذار در میکروسختی پوشش در شرایط پس از عملیات حرارتی شناخته شدند به‌طوری که استفاده از غلظت‌های بهینه از این متغیرها توانست میکروسختی را از مقدار حداقلی 50HV52±1072به مقدار حداکثری 50HV26±1371برساند. بر این اساس بیشینه میکروسختی زمانی به دست می‌آید که مقدار پایدارکننده و آمونیاک بیشینه باشند. بالاترین میکروسختی به‌دست آمده برای این پوشش 50HV1371 بود. مشاهده گردید که در برخی از غلظت‌های متغیرهای پوشش‌دهی، پوشش ترد می‌گردد. مشخص شد که کمترین تردی مربوط به نمونه‌هایی است که بیشینه آمونیاک و پایدارکننده در آبکاری آن‌ها به‌کار رفته است. بررسی سایش پوشش‌ها نشان داد که علاوه بر میکروسختی، تردی و مورفولوژی سطحی پوشش‌ها نیز در کاهش میزان سایش مؤثر هستند و کمترین سایش متعلق به پوششی است که علاوه بر میکروسختی بالا، زبری بالایی داشته و ترد نباشد.
واژه‌های کلیدی: نیکل-بور الکترولس؛ مورفولوژی، توپوگرافی، میکروسختی، سایش، بهینه‌سازی.
فهرست مطالب
صفحه
فصل اول: مقدمه
فصل دوم: مروری بر منابع
2-1- آشنایی با آبکاری الکترولس نیکل
2-2- مشخصات آبکاری نیکل-بور الکترولس
2-2-1- منبع نیکل
2-2-2- عامل احیاکننده
2-2-3- عوامل کمپلکس‌ساز ...
2-2-4- عوامل تسریع‌کننده
2-2-5- عوامل پایدارکننده
2-2-6- عامل تنظیم‌کننده pH
2-2-7- مواد افزودنی
2-2-8- تلاطم
2-2-9- دما
2-3- سازوکار تشکیل پوشش نیکل-بور الکترولس
2-3-1- چگونگی تشکیل فیلم آمورف
2-3-2- چگونگي شكل‌گيري و رشد پوشش Ni-B الكترولس
2-3-3- عمليات حرارتي پوشش نيكل-بور الكترولس
2-4- خصوصيات و ويژگيهاي پوشش‌هاي نيكل-بور الكترولس
2-4-1- خصوصيات فيزيكي
2-4-2- ويژگيهاي شيميايي
2-4-3- خواص مكانيكي
2-5- به‌سازی خواص پوشش نیکل-بور الکترولس
2-5-1-کامپوزیتی کردن پوشش
فصل سوم: روش تحقیق ........................................................................................................................................... 42
3-1- مقدمه
3-2- آماده‌سازی زیرلایه
3-3- انجام آبکاری
3-3-1- آبکاری نمونه‌های مرتبط با طرح عاملی
3-3-2- انجام آبکاری برای نقاط محوری
3-4- جدول آزمون‌ها
3-5- عملیات حرارتی پوشش‌ها
3-6- بررسی متالوگرافی
3-7- بررسی میکروسختی
3-8- بررسی تردی نمونه‌ها
3-9- بررسی‌های XRD
3-10- بررسی سایش پوشش‌ها
فصل چهارم: نتایج
فصل پنجم: سگالش
5-1- بررسی نتایج متالوگرافی سطحی
5-2- بررسی الگوی پراش اشعه ایکس
5-3- بررسی سختی پوشش نیکل-بور الکترولس
5-2-1- بررسی اثرات اصلی و متقابل
5-2-2- بهینه‌سازی
5-4- بررسی تردی
فصل ششم: جمع‌بندی
6-1- نتیجه‌گیری
6-2- پیشنهاد‌ها
مراجع و منابع
فصل اول:
مقدمه
در سال 1844م، ـ«ورتز[1]» پی‌برد که فلز نیکل می‌تواند از محلول آبیِ حاوی نمک آن به‌وسیله احیاشدن توسط هیپوفسفیت رسوب کند. با این حال رسوب نیکل به‌دست‌آمده در آن موقع بهصورت پودر بود. فرايند آبكاري پوشش نيكل الكترولسی که امروزه رایج است، توسط برنر[2] و ريدل[3] كشف گرديد. پوششي كه توسط اين دو ابداع شد در حقيقت پوشش Ni-P الكترولس بود. وجه نام‌گذاری پوشش Ni-P الکترولس به‌علت وجود فسفر در کنار نیکل در پوشش می‌باشد که منشا آن، فسفر موجود در عامل احیاکننده یعنی سدیم‌هیپوفسفیت است. پوشش‌هاي الكترولس داراي برخي خواص مشتركند. از جمله اين موارد مي‌توان به قابليت اين پوشش‌ها در آبكاري زيرلايه‌هاي غيرهادي و نيز ايجاد پوششي يكنواخت روي انواع زيرلايه‌ها با هندسه پيچيده اشاره‌داشت. پوشش‌هاي الكترولس نيكل با داشتن خواص فيزيكي، شيميايي و مكانيكي خاص، كاربرد ويژه‌اي در صنايع مختلف پيدا کرده‌اند.
يكي از انواع پوشش‌هاي نيكل الكترولس پوشش Ni-B الكترولس است. تركيب شيميايي اين پوشش علاوه بر نيكل حاوي مقداري بور مي‌باشد كه منشاء آن عامل احياكننده‌ای حاوي بور است. اين پوشش داراي قابليت‌هاي ويژه‌اي است. خواص سايشي و مكانيكي اين پوشش و نيز عدم داشتن مشكلات زيست‌محيطي همچون كروم سخت، منجر به آن شده‌است كه اين پوشش در مصارف سايشي به‌كار گرفته‌شود. بر این اساس، اين پوشش به‌عنوان پوشش مقاوم به‌سايش قابليت به‌كارگيري در صنايع دفاع، نفت و گاز، صنايع هوا فضا، صنايع خودرو و... را داراست.
كاربرد پوشش نيكل-بور الكترولس تنها به مصارف سايشي محدود نمي‌شود، بلكه اين پوشش قابليت به‌كارگيري در صنايع الكترونيكي به‌عنوان جايگزين طلا و نقره در اتصالات و نيز مانع نفوذ مس را داراست. افزودن كبالت به اين پوشش منجر به تقويت خواص مغناطيسي آن گرديده و دريچه كاربرد آن را در حافظه‌هاي مغناطيسي همچون ديسك سخت مي‌گشايد. ديگر كاربرد اين پوشش قابليت آن در انواع مصارف كاتاليزوري است كه در آنجا به‌عنوان يك كاتاليزور فاز جامد منجر به تسريع انواع واكنش‌هاي شيميايي مي‌گردد.
آبكاري نيكل-بور الكترولس در عين ظاهر ساده پيچيدگي‌هاي خاصي در بطن خود دارد. اين پوشش نسبت به همتاي نيكل-فسفر خود داراي هزينه‌بري بيشتري مي‌باشد كه باعث محدود شدن كاربرد آن گرديده‌است. عوامل مختلفي خواص پوشش نيكل-بور الكترولس را تحت تاثير قرار می‌دهد. از جمله اين موارد باید به تركيبات حمام آبكاري، نوع زيرلايه، دماي انجام آبكاري و نيز عمليات تكميلي همچون انجام عمليات حرارتي روي پوشش اشاره داشت. تعداد متغيرهايي كه براي رسيدن به يك پوشش بهينه بايد محسوب شوند شامل ده‌ها مورد است كه بسياري از آن‌ها ناشناخته مي‌باشند.
برای دستیابی به نمونه تجاری پوشش نیکل-بور الکترولس، نسل‌های مختلفی از این پوشش ارائه شده‌اند که هر یک دارای نقاط قابل بهبود زیادی از حیث خواص و مسائل محیط زیست بودند. یک دستاورد ویژه راجع به پوشش نیکل-بور الکترولس، نسل پنجم این پوشش می‌باشد که تحت نام تجاری اولتراسم[4] شناخته می‌گردد. برای این پوشش ویژگی‌های خاصی علاوه بر سختی و مقاومت به‌سایش ذکر شده‌است که در این باره می‌توان به ضریب اصطکاک پایین و خودروغن‌کاری اشاره نمود.
فناوری تولید پوشش فوق با هدایت «مک‌کوماس[5]» شکل گرفت. ایشان اختراعات بسیاری را در رابطه با پوشش نیکل-بور الکترولس به ثبت رسانده‌است. وی در برجسته‌ترین اختراع ثبت‌شدة خویش به ساختار سطحی متفاوتی نسبت به پوشش‌های Ni-Bالکترولس معمول دست یافت. مطابق این ثبت اختراع، ساختار سطحی پوششی که ایشان به آن دست‌یافت، دانه‌دانه‌ای است. این امر برخلاف ساختار سطحی مطرح برای پوشش نیکل-بور الکترولس یعنی ساختار گل‌کلمی شکل می‌باشد. همچنین وی در حمام آبکاری خود از ترکیبات ویژه‌ای استفاده نمود که در حمام‌های آبکاری معمولی نیکل-بور الکترولس دیده‌نمی‌شود.
تفاوت محلول آبکاری ایشان با سایر محلولهای آبکاری که سایر محققان مورد بررسی قرار داده‌اند از قرار زیر است:
1- افزودن هیدروکسید آمونیوم به محلول به مقدار قابل توجه؛
2- افزایش دوبرابری در مقدار اتیلن‌دی‌آمین به‌عنوان عامل کمپلکس‌کننده؛
3- استفاده از محلول پایدارکننده حاوی تنگستات سرب، اتیلن‌دی‌آمین تترا استیک اسید، اتیلن دی‌آمین و سورفکتانت و عدم افزودن تنگستات سرب به محلول آبکاری بهصورت جامد.
4- افزودن مقدار کمی از تنگستات سرب (به‌طور محلول) به حمام آبکاری نسبت به سایر محققان و افزودن مکرر عامل پایدارکننده به حمام آبکاری.
5- استفاده از pHنسبتا بالا
در رابطه با تغییراتی که مک‌کوماس در حمام آبکاری ابداعی خویش بدان مبادرت نموده‌است ابهامات علمی جدی وجود دارد و عملا در مقالات علمی به آن پرداخته نشده‌است. از آنجا که کار ایشان به‌طور عملی و گسترده در صنایع دفاع ایالات متحده آمریکا به کار گرفته شده‌است و شواهدی نیز برای استفاده از این پوشش در صنایع هوایی وجود دارد تحقیق روی حمام آبکاری ابداعی ایشان جالب توجه می‌باشد.
مطابق مطالب اشاره‌شده در فوق، لازم دانسته‌شد که دلیل تفاوت محلول ایشان با محلول‌هایی که اکثر محققان از آن استفاده میکنند و اثری که این تفاوت روی خواص مکانیکی پوشش می‌گذارد مورد بررسی قرار گیرد.
در تحقیق حاضر از میان موارد فوق اثر غلظت اتیلن‌دی‌آمین، آمونیوم هیدروکسید و محلول پایدارکننده (با فرمولاسیون مشابه محلول ابداعی مک‌کوماس) روی ساختار سطحی، ضخامت و سختی پوشش مورد بررسی قرار گرفت تا مزیت تغییرات فوق در حمام آبکاری آشکار گردد. همچنین از چند نمونه انتخابی آزمون‌های سایش و XRDبه عمل آمد.
برای بررسی اثر متغیرهای مذکور، طرحی مبتنی بر روش مرکب مرکزی مورد استفاده قرار گرفت. بر اساس این طرح میان متغیرهای مورد بحث و متغیرهای پاسخ یک رابطه ریاضی برقرار می‌گردد و بنابراین می‌توان فرایند ساخت پوشش را برای رسیدن به خواص مطلوب بهینه نمود.
خواص مورد بررسی در تحقیق حاضر ساختار سطحی، میکروسختی و تردی بودند. همچنین خواص سایشی چند نمونه‌ای که میکروسختی بالا و تردی کمی داشتند مورد بررسی قرار گرفت. در کنار موارد فوق از برخی از نمونه‌ها الگوی پراش اشعه ایکس تهیه گردید و همچنین در رابطه با نرخ آبکاری پوشش تحلیل‌هایی ارائه شد.
فصل دوم:
مروری بر منابع
2-1- آشنایی با آبکاری الکترولس نیکل
آبکاری الکترولس، یک روش پوشش‌دهی الکتروشیمیایی است که طی آن، الکترون‌های مورد نیاز برای شکل‌گیری پوشش، از طریق وقوع واکنش‌های شیمیایی در حمام آبکاری و نه از طریق اعمال جریان خارجی تامین می‌گردد [1-3]. اگرچه انواع مختلفی از آبکاری الکترولس وجود دارد، عنوان آبکاری الکترولس عمدتا برای حالتی از این آبکاری به‌کار می‌رود که طی آن یون‌های فلز تشکیل‌دهنده پوشش و یون‌های عامل احیاکننده (تولیدکننده الکترون) هر دو بهصورت محلول در حمام آبکاری حضور داشته و واکنش آن‌ها روی یک سطح کاتالیزگر منجر به تشکیل پوشش می‌گردد. واکنش های 2-1 و 2-2، واکنش‌های اصلی در آبکاری الکترولس هستند [2 و 3]:
|
(2-1) |
واکنش آندی: |
Rn+ → R(n+z) + ze- |
|
(2-2) |
واکنش کاتدی: |
Mz+ + ze- → M |
فلزات مختلفی را همچون نیکل، مس، کبالت، پالادیوم، نقره، طلا پلاتین و... را می‌توان به روش الکترولس آبکاری نمود [1]. در رابطه با فلزات نیکل، کبالت و پالادیوم ثابت شده‌است که آبکاری الکترولس این عناصر با عوامل احیاکنندهای همچون سدیم هیپوفسفیت، دی‌متیل‌آمین‌بوران و سدیم بوروهیدرید، پوششهایی را حاصل می‌دهد که حاوی فسفر و بور هستند [1]. این امر سبب شده‌است که بسته به نوع عامل احیاکننده مصرفی سه نوع مختلف از پوشش الکترولس نیکل وجود داشته باشد:
1- پوشش نیکل-فسفر الکترولس حاصل از عامل احیاکننده هیپوفسفیت؛
2- پوشش نیکل-بور الکترولس حاصل از عامل احیاکننده بورهیدرید یا ترکیبات آمین‌بوران؛
3- پوشش نیکل الکترولس خالص که حاصل از عوامل احیاکنندهای مبتنی بر هیدرازین است [2].
2-2-مشخصات آبکاری نیکل-بور الکترولس
پوشش‌های نیکل-بور الکترولس را می‌توان براساس نوع عامل احیاکنندة استفاده شده در آبکاریِ آن‌ها به دو دستة مختلف تقسیم کرد: پوششهایی که در آبکاری آن‌ها از عامل احیاکننده سدیم‌بوروهیدرید استفاده می‌گردد و پوششهایی که در آبکاری آن‌ها از عوامل احیاکنندة حاوی آمین‌بوران استفاده میشود [1 و 2]. خواص این دو گروه از عوامل احیاکننده منجر به آن شده‌است که اساسا دو نوع حمام آبکاری برای پوشش نیکل-بور الکترولس وجود داشته باشد. یون بوروهیدرید در محیط‌های بازی با pHبین 14-12 قابل استفاده است [2 و 4] و در محیط‌های اسیدی و خنثی تجزیه می‌گردد [5]. در مقابل ترکیبات آمین‌بوران در محیط‌های خنثی یا اسیدی ضعیف کاربرد دارند [2]. در ادامه به معرفی اجزای حمام آبکاری نیکل-بور الکترولس می‌پردازیم.
2-2-1- منبع نیکل
اشاره شده‌است که هر نمک قابل حل نیکل در حمام آبکاری می‌تواند جهت رسوب‌نشانی الکترولس نیکل-بور مورد استفاده قرار گیرد، اما این امر نیازمند آن است که جزء آنیونی نمک مورد نظر نسبت به سایر اجزای حمام آبکاری خنثی بوده و با آن‌ها وارد واکنش بی‌مورد نشود [1 و 6]. تاکنون استفاده از کلرید نیکل، سولفات نیکل و استات نیکل برای آبکاری پوشش‌های نیکل-بور الکترولسی که در آن‌ها از عامل احیاکننده آمین‌بوران استفاده شده، گزارش گردیده‌است [6-8]، اما در رابطه با حمام آبکاری الکترولسی که عامل احیاکننده آن سدیم بورهیدرید می‌باشد، استفاده از کلرید نیکل گزارش شده‌است [6].
2-2-2- عامل احیاکننده
همانطور که بدان اشاره رفت، استفاده از دو نوع عامل احیاکننده؛ یعنی سدیم بورهیدرید و ترکیبات آمین‌بوران برای آبکاری نیکل-بور الکترولس متداول هستند. در میان ترکیبات آمین‌بوران همچون دی‌اتیل‌آمین‌بوران، مونومتیل‌آمین‌بوران، دی‌متیل‌آمین‌بوران و تری‌اتیل‌آمین‌بوران، استفاده از دی‌متیل‌آمین بوران (DMAB) متداول‌تر بوده و نشان‌داده‌شده‌‌است که این ترکیب نسبت به سایر ترکیبات آمین‌بوران پایداری بیشتری دارد و عامل احیاکننده قوی‌تری است [2 و 9].
یون‌بورهیدرید عامل احیاکننده قوی‌تری نسبت به ترکیبات آمین‌بوران است و آن را می‌توان بهصورت هر نمک پایدار و قابل حل در حمام آبکاری همچون سدیم‌بوروهیدرید یا پتاسیم‌بورهیدرید به حمامی با pHبین 14-12 اضافه کرد [2، 4 و 10].
2-2-3- عوامل کمپلکس‌ساز
استفاده از عوامل كمپلكس‌كننده در حمام آبكاري براي جلوگيري از رسوب خودبه‌خودي هيدروكسيد نيكل و نيز كنترل واكنش‌هايي است كه روي سطح كاتاليزگر (زیرلایه) انجام مي‌گيرد. به‌عنوان مثال حمام آبكاري بازي با عامل احياكننده 4NaBH را در نظر بگيريد. در نبود عامل كمپلكس‌كننده‌اي همچون اتيلن‌دي‌آمين، يون نيكل در حمام آبكاري بلافاصله از حالت كمپلكس آبي خارج شده و به‌شكل هيدروكسيد نيكل رسوب مي‌كند كه اين امر امكان تشكيل رسوب نيكل را از بين مي‌برد. براي غلبه بر اين مشكل هر يون +2Niكمپلكس‌شده با آب مي‌تواند با يك، دو يا سه مولكول EDAواكنش داده و كمپلكس‌هاي ديگري تشكيل دهد كه در حمام آبكاري به صورت محلول قرار مي‌گيرند. عوامل كمپلكس‌كننده مي‌توانند به‌عنوان بافر نيز عمل كرده و از تغيير ناگهاني pH ناشي از توليد هيدروژن جلوگيري نمايند [2، 7، 11 و 12]. در مورد محلول آبكاري پوشش Ni-Bالکترولس با عامل احیاکننده بوروهيدريدي، علاوه بر اتيلن‌دي‌آمين، تركيبي از آمونياك، تارتاريك اسيد و نمك قابل حل تارتاريك اسيد، عوامل كمپلكس‌ساز پايه سيترات و تارتارات [13] و پلي‌آمين [5] را مي‌توان به‌عنوان عامل کمپلکس‌کننده به‌كار برد. همچنين در حمام آبكاري با عامل احياكننده DMABاز COOH2HOCH [1]، سدیم تارتارات (O2H.6O4H4C2Na)، سدیم سیترات (O2H4O2H3C3Na)، سدیم مالونات (O2H.4O2H3C3Na) و ساکسینیک اسید (6O4H4C) [14] مي‌توان به‌عنوان عامل کمپلکس‌کننده استفاده نمود.
2-2-4- عوامل تسریع‌کننده
این عوامل ترکیباتی هستند که جهت افزایش سرعت آبکاری الکترولس و به میزان ناچیز به آن اضافه می‌گردند [7]. استفاده از آرسنیک اسید به‌عنوان عامل تسریع‌کننده در حمام‌های بازی آبکاری حاوی یون بورهیدرید گزارش شده‌است [1].
2-2-5- عوامل پایدارکننده
هدف از استفاده از این ترکیبات جلوگیری از تجزیه ناگهانی حمام آبکاری، ایجاد ممانعت از رسوب پوشش روی دیواره حمام و انجام عملیات رسوب‌دهی در سرعتی قابل پیش‌بینی می‌باشد. تجزیه ناگهانی حمام آبکاری معمولا در اثر ورود ذرات کلوئیدی به‌موجب مواد بیگانه‌ای همچون گرد و غبار و... رخ می‌دهد [2، 4، 12، 15، 16]. عنوان گردیده‌است که سازوکار پایدارکنندگی توسط این عامل، جذب آن‌ها روی سطوح کلوئیدی و جلوگیری از رسوب نیکل روی آن‌هاست [10].
از جمله مواد پایدارکننده‌ای که در حمام‌های بورهیدریدی نیکل الکترولس استفاده می‌گردد می‌توان به نیترات تالیم [5، 13 و 17]، استات تالیم [13]، سولفات تالیم [1]، نیترات سرب [4 و 5]، تنگستات سرب [17 و 18] و 2-مرکاپتوبنزوتیازول[6] [5] اشاره کرد.
2-2-6- عامل تنظیم‌کننده pH
در حمام‌های آبکاری بورهیدریدی استفاده از سود برای ایجاد pHبالاتر از 12 گزارش گردیده‌است [1، 2، 13 و 19]. در رابطه با حمام‌های آبکاری حاوی DMABنیز استفاده از استات سدیم به‌عنوان بافر عنوان شده‌است [20].
2-2-7- مواد افزودنی
مواد افزودنی برای دستیابی به اهداف خاصی به این حمام اضافه می‌گردند. به‌عنوان مثال استفاده از 2-مرکاپتوبنزوتیازول برای کاهش تنش در پوشش حاصله در حمام آبکاری نیکل –بور الکترولس حاوی DMABگزارش گردیده است [1]. در برخی از موارد استفاده از مواد افزودنی برای حمام آبکاری الکترولس گزارش شده‌است. در این بین می‌توان به آمونیاک و اتیلن‌دی‌آمین تترا استیک اسید اشاره نمود که تا این لحظه تاثیر آن مسکوت مانده‌است [21].
2-2-8- تلاطم
در فرایند آبکاری نیکل-بور الکترولس ایجاد تلاطم برای رساندن محلول تازه به سطح زیرلایه و حذف حباب‌های هیدروژن از سطح لازم است. چنانچه این حذف حباب صورت نگیرد، ممکن است در برخی مناطق شاهد حضور یکسری حفره ناشی از قطع رشد پوشش به‌موجب حضور حباب در آنجا باشیم [10].
حمام الکترولس نیکل- بور
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.
فرایند اجرایی
حمام های نیکل الکترولس باید شامل یک منبع یون نیکل و یک عامل کاهنده باشد.
غلظت یون نیکل در محدوده 4-10 گرم بر لیتر است که به طور معلول از نوع نمک کلرید نیکل و یا سولفات نیکل می باشد سولفات نیکل در کار برد های مقاومت به خوردگی به کار گرفته میشود.
عامل احیا کننده
در حمام های الکترولس نیکل عامل احیا کننده منبع تهیه الکترون برای احیای یون نیکل است می تواند برای پوشش نیکل- فسفر هیپوفسفیت سدیم و برای پوشش نیکل - بور از بور هیدرید سدیم یا آمینو بوران مثل دی متیل آمین بوران استفانده کرد. البته هیدرازین احیا کننده دیگری است که برای هر دودسته استفاده میشود.
حمام بورو هیدرید سدیم
این حمام بازدهی عمل احیای بیشتری نسبت به دی متیل آمین بوران و هیپوفسفیت سدیم دارد چرا که توانایی احیای چهار یون نیکل را دارد.
از نظر هزینه هم این عامل احیا کننده نسبت به دیمتیل امینو بوران بهای کمتری دارد.
پوشش این نوع حمام از نظر مقاومت به سایش، خاصیت روانکاری، سختی نسبت به حمام های سایر احیا کننده ها بالاتر است.
ولی به دلیل پی اچ کاری 12-14 برای کاهندگی بور هیدرید، مناسب زیر لایه آلومینیوم نیست.
4H2O+4Ni+B(OH)4-è8OH- +BH4- +4Ni+2
خواص متالورژیکی نیکل –بور
سختی آلیاژهای نیکل –بور بسیار بالاست و قابلیت عملیات حرارتی تا حد بالاتری از کروم سخت را دارند. این پوشش ها همچنین مقاومت به سایش عالی دارند، هررچندکه بر خلاف آلیاژهای الکترولس نیکل فسفر بالا، رسوبات کاملا آمورف ندارند و در عوض رسوب آن شامل مخلوطی از ساختار آمورف نیکل- بور و مقدار کمی نیکل کریستالی است. این پوشش ها به طور معمول ساختارستونی دارند و میزان بور در نزدیک زیر لایه بسیار کم است و با افزایش عمق زیاد میشود. سخت شدن نیکل- بور مشابه نیکل – فسفر است و در دمای بیشتر از 200 درجه سانتی گراد ذرات متمایز نیکل- بور شروع به شکل گیری میکنند و در دمای 300 درجه سانتی گراد، پوشش، کریستاله می شود. تنش داخلی رسوبات نیکل- بور به شدت کششی است. میزان حضور بور در پوشش که بوسیله عامل احیا کننده بور هیدرید بوجود آمده، به شدت روی تنش داخلی این رسوبات تاثیر گذار است. با افزایش غلظت بور، تنش کاهش می یابد. دانسیته پوشش نیکل- بور(25/8 گرم بر سانتی متر مکعب) مشابه دانسیته نیکل- فسفر است.اگرچه بر خلاف پوشش نیکل- فسفر این پوشش دچار انقباض در حین عملیات حرارتی نمی شوند و دانسیته آن در حالت رسوب اولیه و سخت شدگی یکسان است.
آنالیز محلولهای نیکل الکترولس
آنالیز Ni :
1. 2ml نمونه از وان بردارید
2. 100 سی سی آب مقطربه آن اضافه کنید
3. 10 سی سی NH4OH غلیظ و پودر موروکساید به نمونه بیفزایید
4. محلول را با EDTA 0.1 مولار تیتر کنید
5. تا محلول از نارنجی به ارغوانی تغییر رنگ دهد
6. با استفاده از فرمول زیر غلظت Ni را محاسبه کنید:
Ni(oz/gal)= (ml EDTA for Ni-ml EDTA for Zn)*3.914*M
آنالیز NaH2PO2.H2O :
1. 2ml نمونه از وان بردارید
2. نمونه وان را همراه با 5 سی سی سولفوریک اسید غلیظ و 50 سی سی محلول ید 0.1 نرمال را داخل ظرف ید بادرپوش شیشه ای بریزید
3. مجموعه را تکان دهید تا خوب همزده شود
4. سپس به مدت 30 دقیقه در یک جای تاریک قرار دهید
5. در آخر محلول نشاسته را اضافه کنید
6. محلول را با Na2S2O3 0.1 نرمال تیتر کنید
7. تا محلول از رنگ آبی به بیرنگ تغییر رنگ دهد
8. با استفاده از فرمول زیر غلظت NaH2PO2.H2O را محاسبه کنید:
NaH2PO2.H2O (oz/gal)= (ml I2*N-I2-ml Na2S2O3*N- Na2S2O3)*1.413
نکات آنالیز:
- توجه: در فرمولهای فوق پارامترهای ml ,N, M به ترتیب عبارتند از:
- حجم مصرفی تیترانت= ml،
- مولاریته تیترانت= M
- نرمالیته تیترانت= N
-توجه: جهت تبدیل واحد (oz/gal) به gr/lit عدد بدست آمده را در 7.5 ضرب نمایید.
-توجه: جهت تبدیل واحد (oz/gal) به ml/lit عدد بدست آمده را در 7.8 ضرب نمایید.
- برای تهیه محلول 0.1 مولارEDTA ، 0 گرم،Na2EDTA.2H2O در یک لیتر آب مقطر حل کنید.
- برای تهیه Na2S2O31 نرمال ،25 گرم Na2S2O3.5H2O در یک لیتر آب مقطرحل کنید.
- برای تهیه موروکساید، 2.0 گرم موروکساید، 198 گرم NaCl حل کنید
- محلول نشاسته ، 10 گرم نشاسته، 1000 سی سی آب داغ، 0.5 سی سی فرم آلدهید حل کنید.
- برای تهیه ید 0.1 نرمال، 12.7 گرم ید، 24.0 گرم KI در یک لیتر آب مقطر حل کنید.
ترجمه : تحقیق و توسعه جلاپردازان
مراجع و منابع: کتاب متال فنیشینگ 2013 Metal finishing
حمام الکترولس نیکل- بور
در سال 1844 ورتز 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 و ریدل 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 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.
حمام الکترولس نیکل- بور
حمام های نیکل الکترولس باید شامل یک منبع یون نیکل و یک عامل کاهند ه باشد.
غلظت یون نیکل در محدوده 4-10 گرم بر لیتر است که به طور معلول از نوع نمک کلرید نیکل و یا سولفات نیکل می باشد سولفات نیکل در کار برد های مقاومت به خوردگی به کار گرفته میشود.
عامل احیا کننده
در حمام های الکترولس نیکل عامل احیا کننده منبع تهیه الکترون برای احیای یون نیکل است می تواند برای پوشش نیکل- فسفر هیپوفسفیت سدیم و برای پوشش نیکل - بور از بور هیدرید سدیم یا آمینو بوران مثل دی متیل آمین بوران استفانده کرد. البته هیدرازین احیا کننده دیگری است که برای هر دودسته استفاده میشود.
حمام بورو هیدرید سدیم
این حمام بازدهی عمل احیای بیشتری نسبت به دی متیل آمین بوران و هیپوفسفیت سدیم دارد چرا که توانایی احیای چهار یون نیکل را دارد.
از نظر هزینه هم این عامل احیا کننده نسبت به دیمتیل امینو بوران بهای کمتری دارد.
پوشش این نوع حمام از نظر مقاومت به سایش، خاصیت روانکاری، سختی نسبت به حمام های سایر احیا کننده ها بالاتر است.
ولی به دلیل پی اچ کاری 12-14 برای کاهندگی بور هیدرید، مناسب زیر لایه آلومینیوم نیست.
4H2O+4Ni+B(OH)4-è8OH- +BH4- +4Ni+2
خواص متالورژیکی نیکل –بور
سختی آلیاژهای نیکل –بور بسیار بالاست و قابلیت عملیات حرارتی تا حد بالاتری از کروم سخت را دارند. این پوشش ها همچنین مقاومت به سایش عالی دارند، هررچندکه بر خلاف آلیاژهای الکترولس نیکل فسفر بالا، رسوبات کاملا آمورف ندارند و در عوض رسوب آن شامل مخلوطی از ساختار آمورف نیکل- بور و مقدار کمی نیکل کریستالی است. این پوشش ها به طور معمول ساختارستونی دارند و میزان بور در نزدیک زیر لایه بسیار کم است و با افزایش عمق زیاد میشود. سخت شدن نیکل- بور مشابه نیکل – فسفر است و در دمای بیشتر از 200 درجه سانتی گراد ذرات متمایز نیکل- بور شروع به شکل گیری میکنند و در دمای 300 درجه سانتی گراد، پوشش، کریستاله می شود. تنش داخلی رسوبات نیکل- بور به شدت کششی است. میزان حضور بور در پوشش که بوسیله عامل احیا کننده بور هیدرید بوجود آمده، به شدت روی تنش داخلی این رسوبات تاثیر گذار است. با افزایش غلظت بور، تنش کاهش می یابد. دانسیته پوشش نیکل- بور(25/8 گرم بر سانتی متر مکعب) مشابه دانسیته نیکل- فسفر است.اگرچه بر خلاف پوشش نیکل- فسفر این پوشش دچار انقباض در حین عملیات حرارتی نمی شوند و دانسیته آن در حالت رسوب اولیه و سخت شدگی یکسان است.
مقایسه خواص پوشش اکترولس نیکل- فسفر و نیکل- بور
به منظور مطالعه ادامه مقاله به سایت نویسنده مقاله مراجعه نمایید
پوشش‌های الکترولس نیکل-بور
نگارش :
دکتر محمد قربانی
(استاد دانشکده مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی شریف)
وحید نیک‌صفت
(فارغ‌التحصیل کارشناسی ارشد گرایش خوردگی و حفاظت از مواد، دانشگاه صنعتی شریف)
1 پوشش‌های الکترولس نیکل-بور
الکترولس یک روش رسوب شیمیایی است که به‌طور خودبه‌خودبر روی سطح فلزات اعمال میشود و ضخامت پوشش به‌طور خطی مادامی‌که ترکیب شیمیایی محلول تغییر نکرده است، اضافه میشود. در آبکاری الکترولس هیچ‌گونه جریان خارجی وجود ندارد و الکترون‌های مورد نیاز توسط واکنش شیمیایی در محلول تأمین میشود [1].
در حقیقت روش الکترولس جهت ایجاد پوشش، یک فرآیند احیاء شیمیایی خودکاتالیستی[2].
فلزاتی که می‌توان آن‌ها را بهصورت خودبه‌خود پوشش داد عبارت‌اند از : نیکل، کبالت، مس، کادمیم، سرب، آنتیموآن، بیسموت، نقره، طلا، پلاتین، پالادیم، رودیم، روتنیوم، قلع، کروم و ایندیوم
از میان فلزات بالا، مس و نیکل از کاربرد بیشتری برخوردارند.
عناصری که به‌عنوان عنصر ثانویه به الکترولس نیکل اضافه می‌شوند و پوشش آلیاژی تولید میکنند نیز عبارت‌اند از : فسفر، بور، وانادیوم، تنگستن، منگنز، آهن، روی و تالیوم [3].
روش الکترولس روش مناسبی به‌منظور پوشش دادن قطعات پیچیده است. در شکل زیر مزیت روش الکترولس در مقایسه با روش رسوب الکتروشیمیایی مشاهده میشود. ازآنجاکه در تولید پوشش، جریان الکتریکی مورد استفاده قرار نمی‌گیرد؛ بنابراین دانسیته جریان الکتریکی روی سطح، اثری بر پوشش ندارد و پوشش حاصله دارای ضخامت یکنواختی خواهد بود. از دیگر مزایای روش الکترولس نسبت به روش احیا الکتروشیمیایی، قابلیت ایجاد پوشش بر روی زیرلایه‌های مختلف رسانا و نارسانا (پلاستیک و سرامیک‌ها) است. روش الکترولس در کاربردهای مهندسی بهصورت روزافزون استفاده شده و به دلیل خصوصیات فیزیکی و شیمیایی منحصربه‌فرد، در بسیاری از مواقع جایگزین پوشش کروم سخت شده است [4].
?
شکل 1: شکل پایینی یکنواختی ضخامت پوشش الکترولس نیکل را نسبت به پوشش رسوب الکتروشیمیایی شده نیکل (شکل بالا) نشان می‌دهد [5].
علاوه بر خواص ذکر شده در بالا، پوشش الکترولس نیکل-بور داری قابلیت‌های ضد سایشی، مقاومت به خوردگی، قابلیت جوشکاری، هدایت حرارتی و الکتریکی خوب و خصوصیات مغناطیسی قابل کنترل به کمک عملیات حرارتی است (جدول 1). این پوشش به‌عنوان پوشش محافظ در صنایع مختلف ازجمله صنایع نفت، شیمیایی، پلاستیک، نوری، چاپ، الکترونیک و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین آزاد شدن هیدروژن در پوشش‌دهی به روش الکترولس نیکل ناشی از اکسید شدن عامل کاهنده است که تأثیری بر روی سرعت رسوب ندارد و بر روی تمامی سطوح از جمله فلزات و پلاستیک‌ها قابل اعمال است [6].
همچنین از کاربردهای صنعتی پوشش نیکل-بور می‌توان به بهبود خواص زیرلایه‌های نظیر فولاد، آلومینیوم، مس، آلیاژهای منیزیم، پلاستیک و دیگر مواد اشاره کرد. به همین علت از این پوشش‌ها در صنایع هواپیما‌سازی و خودروسازی نیز استفاده میشود [7].
پوشش الکترولس نیکل بور
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-B الکترولس 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
محصولاتی که در این مقاله مورد استفاده قرار گرفت