-۱ مقدمه

دو روش کلی برای اعمال پوششهای نیکل بر روی سطوح فلزی، فرایندهـای الکتـرولس و آبکـاری الکتریکـی هسـتند. تکنولوژی الکترولس در سال ۱۹۴۶ ابداع شد. آبکاری الکترولس یک روش رسوب شـیمیایی اسـت و در آن هـیچ گونـه جریـان خارجی وجود ندارد و الکترون های مورد نیاز توسط واکنش شیمیایی در محلول تأمین مـیشـوند.[۱] پوشـشهـای الکتـرولس نیکل به دلیل داشتن خواص منحصر به فردی نظیر چسبندگی بسیار خوب به زیرلایه، یکنواختی ضخامت، سختی ومقاومت بـه سایش بالاجایگاه مهم و وسیعی را در کاربردهای صنعتی به خود اختصـاص دادهانـد. رسـوب هـای حاصـل از الکتـرولس دارای سختی، مقاومت به سایش و خوردگی بالاتری نسبت به رسوبهای آبکاری الکتریکی هستند، اما در عوض تردتر هستند.[۱]

یکی از مهمترین پوششهای ایجاد شده به روش الکترولس، پوشش نیکل-فسفر است. پوشش الکترولس نیکل ‐فسفر به دلیل ساختار آمورف و سختی بالا، دارای قابلیت ماشینکاری خوبی بوده که سبب استفاده گسترده آن در صنایع گونـاگون شـده است.[۳] پوششهای دارای فسفر بالا مقاومت به خوردگی بهتری دارند، اما سختی و مقاومـت بـه سـایش آنهـا کمتـر اسـت.[۴] جدیدترین روش در زمینه پوشش الکترولس نیکل ‐فسفر، رسوبدهی همزمان ذرات جامد در طول پوششدهی است. این ذرات جامد میتوانند ذرات سـخت ( از قبیـل SiC، Al2O3، ZrO2، B4C و المـاس) و یـا روانکـارهـای خشـک( ماننـد MoS2 و (PTFE باشند.[۵] از جمله کاربردهای مهم پوشش های کامپوزیتی الکترولس نیکل، پوشش دادن ولوهای فشار بالا در صنایع نفت و گـاز، سیلندرهای موتور، لوازم اتومبیل، ابزارهای هوا فضا و صنایع دریایی است که باعث افزایش مقاومت به سـایش و خـوردگی آنهـا میشود.[۶]

خواص نهایی پوشش های کامپوزیتی وابسته به خواص ذرات است که شامل نوع، شـکل و سـایز ذرات مـیشـود. بیشـتر مطالعات انجام شده روی این پوششها با کاربرد ذرات میکروسایز همراه بوده است. با این وجود به دلیل خواص مغناطیسی، نوری و مکانیکی منحصر به فرد ذرات نانوسایز کاربرد این ذرات در پوششهای کامپوزیتی به تازگی مورد توجه قرار گرفته است.[۷] در مورد پوششهای کامپوزیتی نیکل ‐فسفر و اثر ذرات افزوده شده بر مقاومت به خوردگی و سایش پوشـش، در سـال هـای اخیـر تحقیقاتی صورت گرفته است. با این وجود هنوز نمیتوان در مورد مقاومت به خوردگی کلیه پوششهـای کـامپوزیتی و مقایسـه آنها با پوشش نیکل ‐فسفر به طور قطعی نظر داد. نواکویچ۱ و همکارانش ملاحظـه کردنـد کـه پوشـش Ni-P-TiO2 نسـبت بـه پوشش Ni-P ساده مقاومت به خوردگی کمتری دارد.[۸] الهکرم و همکارانش ملاحظه کردند که افزودن نانوذرات SiC به حمـام آبکاری، مقاومت به خوردگی پوشش نیکل -فسفر را افزایش میدهد.[۹] ذرات اکسید زیرکونیوم به دلیـل سـختی و نقطـه ذوب بالا میتواند سختی و خواص تریبولوژیکی پوشش را بهبود بخشد .[۱۰] همچنین تحقیقـات دانشـمندان نشـان داده اسـت کـه انجام عملیات حرارتی در دمای ۴۰۰ درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت، باعث نانوکریستاله شـدن وایجـاد فازهـای سـخت در پوششهای الکترولس نیکل میشود. این امرسختی و مقاومت به سایش پوشش را بهطور چشمگیری افزایش میدهد ۱۱]و.[۱۲

به همین منظور، هدف از تحقیق حاضر بررسی تأثیر افزودن نانوذرات اکسید زیرکونیوم بـه پوشـش الکتـرولس نیکـل-فسفر و تأثیر عملیات حرارتی بر خواص آن است.

-۲ مواد و روش تحقیق

جهت انجام این پروژه، زیر لایه های مورد استفاده از جنس فولاد St14 با ابعاد ۳×۴ سانتیمتر برای بررسـی مقاومـت بـه خوردگی و با ابعاد ۴×۵ سانتیمتر برای بررسی مقاومت به سایش تهیه شدند. قطعات فولادی تا سمباده ۱۰۰۰ پـولیش شـدند و در نهایت تحت عملیات آمادهسازی با محلول چربیگیری به مدت ۱۵ دقیقـه در دمـای ۷۰-۸۰ درجـه سـانتیگراد، شستشـوی

۱ – Novakovic

دومین همایش ملی هیدرات گازی ایران ۲۵-۲۶ اردیبهشت ۱۳۹۲، دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز دانشگاه سمنان

نمونهها با آب مقطر، اسید شویی با اسیدسولفوریک %۱۰ وزنی به مدت ۳۰ ثانیه و شستشوی مجدد نمونهها با آب مقطر جهـت پوششدهی الکترولس نیکل((Ni-P، قرار گرفتند. ترکیب حمام پوشش دهی در جدول ۱ آورده شده است. جهـت بررسـی تـأثیر افزایش نانوذرات زیرکونیا، پوششهای کامپوزیتی Ni-P-nanoZrO2 با افزودن غلظتهای ۱، ۳ و ۵ گرم بر لیتر نـانوذرهی ZrO2 به حمام پوششدهی اعمال شدند. دمای پوششدهی در محدوده ۸۰-۸۵ درجه سانتیگراد و pH محلـول در محـدودهی ۶/۵-۷ بوده است. از نانوذرات ZrO2 با اندازه ذرات ۲۰ نانومتر برای ایجاد پوشش کامپوزیتی استفاده شد. حجـم حمـام مـورد اسـتفاده ۲۵۰ میلی لیتر بوده و از یک همزن مغناطیسی با سرعت ۵۰۰ rpm برای چـرخش محلـول اسـتفاده شـد. مـدت زمـان اعمـال پوشش برای پوشش Ni-P، ۱ساعت و ۴۵ دقیقه و بـرای پوشـشهـای Ni-P-nanoZrO2 ، ۲ سـاعت و ۱۵ دقیقـه(۳۰ دقیقـهی ابتدایی فقط پوشش Ni-P اعمال شد) تعیین شد. پس از اتمام مدت زمان پوششدهی، نمونهها از محلول پوششدهی خـارج و بـا آب مقطر شسته شدند. آزمایشهای متالوگرافی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشـی۲ مـدل ۹HJD 7HVFDQ مجهـز بـه آنالیز EDX انجام شد.برای انجام عملیات حرارتی بر روی نمونهها از کوره ی تیـوپی مجهـز بـه سیسـتم خـلاء کـه بـا سیسـتم × گرمایشی ×لامپهای ×مادون کار میکند استفاده شد. نمونهها به مدت ۱h و در دمای ۴۰۰ œc تحت شرایط خلاء عملیـات حرارتـی شدند. جهت تعیین مقاومت به سایش پوششها، آزمون سایش پین روی دیسک۳ تحت شرایط رطوبت % ۵۰ و دمـای ۲۳ c بـر روی نمونهها اعمال شد. جنس پین مورد استفاده از فولاد سخت شده با سختی ۵۰HRC، نیروی اعمالی ۵N و سـرعت حرکـت پین بر روی دیسک ۰/۱ m/s بوده است. به منظور تعیین مقاومت به خوردگی پوششها آزمون سالتاسپری۴ بـر روی نمونـههـا انجام شد. آزمایش سالت اسپری در محلول استاندارد NaCl 5%wt، در دمای ۳۴ ۱ C و بـا pH در محـدودهی ۶/۵-۷/۲ انجـام شد. آزمون سالت اسپری تا شروع خورده شدن نمونهها بر روی آنها اعمال شد.

جدول :۱ ترکیب حمام الکترولس نیکل

Ni-P-ZrO2(g/l) Ni-P(g/l) ترکیب

۵۰ ۵۰ NiSO4.6H2O
25 25 NaH2PO2.H2O

۶۰ ۶۰ C6H5Na3O7.2H2O
40 40 CH3COONH4

۱،۳ و ۵ – Nano ZrO2

-۳ نتایج و بحث

-۱-۳ ریزساختار و مورفولوژی پوشش:

شکل ۱ (الف، ب، ج و د) تصاویر SEM سطح پوششهای الکترولس اعمالی بر روی نمونـه هـای Ni-P و Ni-P-ZrO2 را نشان میدهد. نانوذرات کامپوزیتی در پوشش و همچنین تغییرات مورفولوژی سطح پوششها در اثر حضور غلظتهای مختلـف نانوذرات کامپوزیتی در حمام الکترولس در این تصاویر به وضوح دیده میشود؟ شکلهای-۱الـف، -۱ب، -۱ج و -۱د بـه ترتیـب مربوط به پوششهای Ni-P، Ni-P-1g/l ZrO2، Ni-P-3g/l ZrO2 و Ni-P-5g/l ZrO2 میباشند. ملاحظـه مـیشـود کـه پوشـش

– SEM – Pin on disk – Salt spray

۲

۳

۴

ایجاد پوشش نانوکامپوزیتی Ni-P-ZrO2 به روش الکترولس …

الکترولس نیکل دارای سطحی صاف است، در حالی که با ورود ذرات ZrO2 به پوشش، سطوح تا حـدودی ناصـاف مـیشـوند. از مقایسه شکلهای -۱ب، -۱ج و -۱د مشاهده میشود که در پوشش حاوی یک گرم بر لیتر نانو ذرهی زیرکونیا، نانو ذرات توزیع نسبتاً خوبی در پوشش دارند به طوری که با افزایش غلظت نانو ذرات زیرکونیا در حمام آبکاری، نـانو ذرات تمایـل بـه اگلـومره شدن در پوشش دارند.

ترکیب پوششهای حاصل از فرایند الکترولس توسط آنالیز EDX تعیین گردید. نتایج این آنالیز در شـکل ۲و جـدول ۲ آورده شده است. مطابق با جـدول ۲، درصد وزنی فسفر در پوشش نیکل -فسفر حـدود ۱۱/۵ درصـد اسـت. حضـور نـانوذرات در پوششهای کامپوزیتی تأثیر چندانی بر ترکیب پوشش نداشته و درصد فسفر در پوشش ها را بطور جزئی کاهش میدهداصـولاً. حمام پوششهای الکترولس باید عاری از هرگونه ناخالصی و ذرات ثانویه باشد و افزودن نانو ذرات به عنوان فاز ثانویه منجـر بـه تجزیهی حمام میشود چون نانو ذرات خود، به مکانهایی برای نشستن پوشش تبدیل میشوند.[۱۳ ]