SUPERVISOR
Mahmood Monir-vaghefi
سیدمحمود منیرواقفی (استاد راهنما)
STUDENT
Sajjad Touri
سجاد طوری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Fabrication and Evaluation of the Properties of Functionally Graded Ni-P Electroless Coating on Low Carbon Steel Substrate
As the industry progresses, the need for advanced engineering coatings has also increased, among which electroless Ni-P coatings are among the candidate for advanced coatings. In this research, new hybrid coatings were created with gradient properties of Ni-P by electroless process on the steel substrate, so that the thickness and amount of phosphorus along these coatings gradually change. In general, the present study can be classified into two parts, in the first part, the creation of coatings with a thickness gradient, and in the second part, to create coatings with thickness gradient and phosphorus along the coat. In the first section, coatings with thickness gradient were deposited by experimental design data by RSM method. To create a thick gradient coating, the method of taken out the sample from the electroless bath during the process was used continuously and at specified intervals. In the second part, hybrid coatings were created by gradually changing the phosphorus along the coating surface only using one electroless bath. During the coating changed the temperature and pH of the electroless bath at specified time intervals, while taken out the sample from the electroless bath. According to studies, the Fabrication of a coating with a gradient change in properties along the coating has not been reported to date. For Evaluate the properties of the FGC coating, the heat treatment was used for a temperature of 400 ? for one hour. optical microscope, SEM, EDS and XRD were used to study the microstructure and phases in the coatings. Also, metallography was used to measure the thickness of coatings. To experimental design, the response surface method (RSM) and the analysis of the results, Minitab and MATLAB software were used. The wear properties of the coatings were studied using a pin-on-disc method, and the hardness of the coatings was determined by micro-hardness test. The results of variance analysis of the models indicated that the models are highly valid and the correlation coefficient (R2) of over 99% for both models confirms this issue. The results of the models showed that the plating bath pH will have the greatest effect on the hardness, while the effect of the temperature in this case is negligible. Also, the effect of pH on the gradient thickness is about 1.5 times the rate of Sample exit rate from the bath and 2.5 times the temperature. Investigating the phases in the coating by X-ray diffraction showed that there is a nano-crystalline gradient structure in the direction of the amorphous along the coat, which after heat treatment, created of the various phases of nickel phosphide with different amounts in different coating portions, creates different properties along the coat. Evaluated the wear properties of the FGC coating, the profile of the depth of the wear tracks has shown that wear resistance is different in different parts of the FGC coating. For different parts of the coatings, was observed Adhesive and Abrasive wear mechanisms, in which the amount of each of these mechanisms varies in different parts of the coatings.
همزمان با پیشرفت صنایع مختلف، نیاز به پوششهای مهندسی پیشرفته نیز افزایش پیدا کرده است که در این میان پوششهای الکترولس نیکل- فسفر جزء گزینههای مهم برای ساخت پوششهای پیشرفته هستند. در پژوهش حاضر پوششهای نوین هیبریدی با تغییر گرادیانی خواص، از جنس نیکل- فسفر به روش الکترولس بر روی زیرلایه فولادی ایجاد شدند، بهگونهای که ضخامت و میزان فسفر در امتداد این پوششها به صورت تدریجی تغییر کند. بهطور کلی پژوهش حاضر را میتوان به دو بخش طبقهبندی کرد که در بخش اول به ایجاد پوششهای با گرادیان ضخامت و در بخش دوم به ایجاد پوششهای با گرادیان ضخامت و فسفر در امتداد پوشش پرداخته شده است. در بخش اول، پوششهای با گرادیان ضخامت توسط دادههای طراحی آزمایش توسط روش سطح پاسخ ) RSM ( پوششدهی شدند. به منظور ایجاد پوشش با گرادیان ضخامت، از روش بیرون آوردن نمونه از حمام آبکاری در حین فرآیند، بهصورت پیوسته و در بازههای زمانی معین استفاده شد. در بخش دوم، پوششهای هیبریدی با تغییر گرادیانی فسفر در امتداد سطح پوشش تنها با استفاده از یک حمام آبکاری الکترولس ایجاد شدند و در مدت زمان پوششدهی، دما و pH حمام الکترولس در بازههای زمانی مشخص، همزمان با بیرون آوردن نمونه از حمام الکترولس، تغییر داده شد تا اینکه پوشش FGC با تغییر گرادیانی ضخامت و میزان فسفر در امتداد پوشش حاصل شود. مطابق مطالعات و بررسیها، ایجاد پوشش با تغییر گرادیانی خواص در امتداد پوشش تا به امروز گزارش نشده است. به منظور بررسی خواص پوشش FGC عملیات حرارتی شده از فرآیند عملیات حرارتی در دمای 400? به مدت یک ساعت استفاده شد. جهت بررسی ریزساختار و فازهای موجود در پوششها از میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی ) SEM (، آنالیز تفکیک انرژی ) EDS ( و آنالیز پراش پرتو ایکس ( XRD ( استفاده شد. همینطور به منظور اندازهگیری ضخامت پوششها از روش متالوگرافی بهره گرفته شد. برای طراحی آزمایش به روش سطح پاسخ ) RSM ( و تحلیل نتایج، نرمافزارهای Minitab و MATLAB مورد استفاده قرار گرفتند. برای مطالعهی خواص سایشی پوششها از روش پین روی دیسک استفاده شد، به علاوه سختی پوششها نیز توسط آزمون ریزسختی سنجی تعیین شد. نتایج تحلیل واریانس مدلهای بدست آمده برای پیشبینی سختی و گرادیان ضخامت پوششها نشانداد که مدلها از اعتبار بالایی برخوردار هستند؛ بدست آمدن ضریب همبستگی ) 2R( بالای 99 % برای هر دو مدل تأیید کننده این موضوع است. با بررسی تأثیر پارامترهای حمام الکترولس روی خروجیهای مدل، مشاهده شد که pH حمام آبکاری بیشترین تأثیر را بر روی سختی پوشش میگذارد در حالی که تأثیر دما در این مورد ناچیز است. همچنین تأثیر pH بر مقدار گرادیان ضخامت حدود 5 / 1 برابر نرخ بیرون آوردن نمونه از حمام الکترولس و 5 / 2 برابر دما بدست آمد. طبق بررسیهای سطح مقطع پوشش توسط میکروسکوپ نوری، مشاهده شد که افزایش ضخامت در امتداد پوشش خطی نبوده و با افزایش زمان آبکاری، سرعت رسوبگذاری کاهش پیدا میکند. با بررسی مورفولوژی سطحی پوششهای با گرادیان فسفر در امتداد سطح، مشاهده شد که شکل و اندازه برآمدگیهای سطحی پوشش تحت تأثیر پارامترهای حمام آبکاری هستند و در پوشش FGC با گرادیان فسفر در امتداد پوشش، وجود تغییر گرادیانی اندازه برآمدگیهای سطحی در امتداد پوشش دیده شد. همچنین عملیات حرارتی باعث افزایش اندازه برآمدگیها و یکنواختتر شدن سطح پوشش شد. بررسی فازهای موجود در پوشش توسط پراش پرتو ایکس نشان داد که ساختار گرادیانی نانوکریستالی به سمت آمورف در امتداد پوشش وجود دارد که بعد از عملیات حرارتی فازهای سخت فسفید نیکل با مقادیر متفاوت در قسمتهای مختلف پوشش ایجاد شده و باعث ایجاد خواص مختلفی در امتداد پوشش شدهاند. نتایج ریزسختی سنجی، وجود سختی متفاوت را در قسمتهای مختلف سطح نشان داد. با توجه به اینکه مقدار سختی پوششهای الکترولس نیکل- فسفر وابسته به مقدار فسفر آنها است لذا وجود مقدار فسفر گرادیانی در امتداد سطح موجب بدست آمدن سختی گرادیانی در امتداد سطح شده است. بعد از عملیات حرارتی مشاهده شد قسمتی از پوشش که دارای فسفر بیشتری است، افزایش سختی بیشتری داشته و به دلیل وجود ساختار گرادیانی در ضخامت پوشش، سختی بالای HV1290 در این قسمت بدست آمده است. در بررسی خواص سایشی پوشش FGC ، بررسی پروفیل عمق شیارهای سایش نشانداد که مقاومت به سایش در قسمتهای مختلف پوشش FGC متفاوت است و بطور کلی پوشش عملیات حرارتی شده مقاومت به سایش بهتری از خود نشان داد. برای قسمتهای مختلف پوششها دو مکانیزم سایش خراشان و چسبان مشاهده شد که مقدار غالب بودن هرکدام از این مکانیزمها در قسمتهای مختلف پوششها متفاوت است.