SUPERVISOR
Mahmood Monir-vaghefi,Mohammad Hossei Enayati
سیدمحمود منیرواقفی (استاد راهنما) محمدحسین عنایتی (استاد راهنما)
STUDENT
Sayede razieh Anvari
سیده راضیه انوری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1389
TITLE
Deposition, Investigation and Comparison of Mechanical Properties of Nanostructured-Amorphous Ni-P Electroless Hybrid (Functionally Graded and Multilayer) and Monolayer Coatings
In this research, novel multilayer and functionally graded Ni-P coatings were deposited with electroless process. The content of phosphorus was controlled to change stepwise and gradual through the thickness of the coatings. Each of the hybrid coatings were deposited by using only a single electroless bath. During the plating, bath temperature and pH were changed at specified intervals to obtain hybrid structure. To compare the properties of hybrid coatings with Ni-P monolayer coatings, three types of coatings with different phosphorus contents were also deposited. Annealing of coatings were performed at 400?C for 1 h. Microstructure and phase composition of coatings were studied by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) and X-ray diffractometry (XRD). The mechanical properties and tribological behavior of coatings were also investigated. Low phosphorus and medium phosphorus monolayer coatings had fully crystalline and amorphous-crystalline structures, respectively. While high phosphorus coating appeared to have a fully amorphous structure which crystallized upon annealing. Annealing led to formation of a nano crystalline structure containing particles of different nickel phosphides. As a result hardness and wear resistance of coatings increased. The results showed that the high phosphorus coatings had the minimum crack resistance, due to their amorphous structure. Medium phosphorus coatings had maximum crack resistance, due to their amorphous-crystalline structure. Hybrid coatings had more crack resistance than monolayer coatings. For hybrid coatings, top layer had a significant effect on crack propagation. Functionally graded coatings had the most crack resistance among hybrid coatings. According to the wear test data, medium phosphorus coating had minimum wear resistance. Hybrid coatings had better wear resistance than monolayer coatings. For hybrid coatings, cracks were effectively prevented due to the gradual changes in composition and structure through the thickness of coatings. Relatively fine cracks were propagated on the wear track of the graded coating, inhibiting catastrophic failure under heavy load. Annealing increased the wear resistance of coatings. High temperature wear (300°C) tests were done for annealed coatings. The results showed that low phosphorus coating had the maximum wear volume so that this coating had the minimum hot wear resistance. Functionally graded coating had the maximum hot wear resistance. These results were similar to wear resistance of annealed coatings at ambient temperature. Keywords : Electrole Nickel-phosphorus; Hybrid coating; Nano-indentation; Fracture toughness, Wear resistance, Hot wear. c
در پژوهش حاضر پوشش های نوین هیبریدی نیکل- فسفر به صورت چندلایه و تدریجی به روش الکترولس ایجاد شدند، بگونه ای که میزان فسفر در ضخامت این پوشش ها به صورت پله ای و تدریجی تغییر کند. هر یک از پوشش های هیبریدی تنها با استفاده از یک حمام الکترولس ایجاد شدند و در مدت زمان پوشش دهی دما و pH حمام الکترولس در بازه های زمانی معین تغییر داده شدند تا اینکه ساختار هیبریدی حاصل شود. استفاده از تنها یک حمام برای ایجاد هر یک از پوشش ها علاوه بر کاهش هزینه ها باعث ایجاد فصل مشترک مناسب بین لایه های مختلف پوشش شد. برای مقایسه خواص این پوشش ها با پوشش های تک لایه، سه نوع پوشش با مقادیر فسفر کم، فسفر متوسط و فسفر زیاد ایجاد شدند. عملیات حرارتی بر روی کلیه پوشش ها در دمای C°400 به مدت یک ساعت انجام شد. ریزساختار و فازهای موجود در پوشش ها توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی، آنالیز طیف سنج توزیع انرژی، میکروسکوپ الکترونی عبوری و آنالیز پراش پرتوی ایکس مورد بررسی قرار گرفت. خواص مکانیکی پوشش ها توسط آزمون ریزسختی و نانوفرورونده مورد بررسی قرار گرفت. جهت بررسی مقاومت پوشش ها به رشد ترک و بدست آوردن تافنس شکست آنها از آزمون فرورونده ویکرز استفاده شد. در میان پوشش های تک لایه، پوشش های کم فسفر و با فسفر متوسط به ترتیب دارای ساختارهای کریستالی و نیمه کریستالی بودند. پوشش کم فسفر قبل و بعد از عملیات حرارتی دارای بافت {111} بود. پوشش با فسفر متوسط پس از عملیات حرارتی به ساختار کاملا کریستاله با بافت {111} تبدیل شد. پوشش با فسفر زیاد دارای ساختار آمورف بود و پس از عملیات حرارتی به ساختار کریستاله با بافت {100}تبدیل شد. عملیات حرارتی پوشش ها با ایجاد ذرات مختلف فسفید نیکل و ساختار نانومتری منجر به افزایش سختی آنها شد. نتایج آزمون فرورونده ویکرز نشان داد در میان پوشش های تک لایه، پوشش هایی با فسفر زیاد دارای کمترین مقاومت به رشد ترک بودند، علت آن ساختار آمورف این پوشش ها و عدم حضور مرزدانه ها به عنوان یک عامل محدودکننده رشد ترک بود. پوشش هایی با فسفر متوسط به دلیل داشتن ساختار دوفازی بیشترین مقاومت به رشد ترک و بیشترین میزان تافنس شکست را از خود نشان دادند. با مقایسه نتایج طول ترک بین پوشش های تک لایه و هیبریدی می توان دریافت پوشش های هیبریدی که لایه فوقانی آنها مشابه پوشش تک لایه است در مقایسه با همان پوشش تک لایه مقاومت بیشتری به رشد ترک دارند. که علت آن تغییرات ساختار و سختی در ضخامت پوشش های هیبریدی است. لایه فوقانی پوشش در پوشش های هیبریدی نقش بسزایی را در اشاعه ترک ایفا می کند. در میان پوشش های هیبریدی، پوشش های تدریجی مقاومت بیشتری به رشد ترک دارند. بگونه ای که در این تحقیق تحت آزمون فرورونده ویکرز حتی تا بار 900 نیوتن هیچ گونه ترکی در سطح یکی از این نوع پوشش ها ایجاد نشد. در این پژوهش برای اولین بار با استفاده از نتایج آزمون فرورونده ویکرز، روابط جدیدی برای تعیین تافنس شکست پوشش های نیکل– فسفر قبل و پس از عملیات حرارتی ارائه شد. در این روابط تافنس شکست پوشش ها بر اساس درصد وزنی فسفر آنها قابل تعیین است. مطابق نتایج آزمون سایش در میان پوشش های تک لایه پوشش با فسفر متوسط کمترین مقاومت به سایش را داشت هر چند که این پوشش کمترین سختی را ندارد. مهمترین دلیل می تواند نسبت سختی به مدول الاستیک ( H/E ) باشد که در مورد این پوشش از سایر پوشش های تک لایه کمتر بود. در واقع در مورد پوشش ها نسبت سختی به مدول الاستیک پارامتر مناسبتری در مقایسه با سختی تنها برای پیش بینی مقاومت به سایش است. در این میان پوشش تک لایه با فسفر کم و با داشتن بیشترین نسبت سختی به مدول الاستیک بیشترین مقاومت به سایش را در میان پوشش های تک لایه داشت. پوشش های هیبریدی مقاومت به سایش بهتری نسبت به پوشش های تک لایه از خود نشان دادند. در پوشش های هیبریدی بدلیل تغییرات ترکیب شیمیایی در ضخامت، در حین آزمون سایش از رشد ترک به طور موثری جلوگیری شد و تنها ترک های نسبتا کوچکی در مسیر سایش این پوشش ها ایجاد شد. بر اساس نتایج در میان پوشش های هیبریدی پوشش هایی که لایه فوقانی آنها از نوع کم فسفر بود، دارای بالاترین مقاومت به سایش بودند. به این دلیل که در این دو نوع پوشش لایه فوقانی دارای بیشترین نسبت H/E در مقایسه با دیگر پوشش های هیبریدی بود. در نتیجه سطح این پوشش ها مقاومت بیشتری در برابر سایش داشت. انجام آزمون سایش بر روی پوشش های عملیات حرارتی شده نشان داد در میان پوشش های تک لایه با افزایش درصد فسفر مقاومت به سایش افزایش می یابد. در واقع با افزایش فسفر پوشش ها به دلیل افزایش تعداد و مقدار فازهای سخت فسفید نیکل مقاومت به سایش روند افزایشی داشت. پس از عملیات حرارتی پوشش های هیبریدی با لایه فوقانی کم فسفر تنها در مقایسه با پوشش کم فسفر دارای مقاومت به سایش بیشتری بودند. درحالی که پوشش های هیبریدی با لایه فوقانی فسفر زیاد نسبت به تمامی پوشش های تک لایه دارای مقاومت به سایش بیشتری هستند. بنابراین می توان نتیجه گرفت نقش لایه فوقانی در پوشش های هیبریدی در تعیین مقاومت به سایش کل پوشش بسیار مهم است. آزمون سایش دمای بالا (C°300) بر روی پوشش های عملیات حرارتی شده انجام شد. نتایج این آزمون نشان داد که بیشترین عمق و پهنای سایش و در نتیجه بیشترین میزان تخریب مربوط است به پوشش کم فسفر و کمترین میزان تخریب مربوط به پوشش هیبریدی تدریجی با لایه فوقانی فسفر زیاد است. این نتیجه مشابه رفتار سایش در دمای محیط برای پوشش های عملیات حرارتی بود. کلمات کلیدی: الکترولس، نیکل– فسفر، پوشش هیبریدی، پوشش تک لایه، عملیات حرارتی، نانو فرورونده، خواص مکانیکی، تافنس شکست، مقاومت به سایش، سایش دمای بالا.