SUPERVISOR
Mahmood Monir-vaghefi
سیدمحمود منیرواقفی (استاد راهنما)
STUDENT
Amir Tohidi moghadam
امیر توحیدی مقدم
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
Investigation of the surface properties of single layer and hybrid Ni-P/Ni-B electroless coatings on martensitic stainless steel with the aim of optimizing the tribological properties
In this research, surface properties of different types of single layer and hybrid Ni-P/Ni-B coatings prepared by electroless plating were investigated with the aim of optimizing their tribological properties. Martensitic stainless steel type 410 which has received a lot of interest in petroleum and power applications was used as substrate material. Acidic bath was used in order to deposit single layer Ni-P coatings including low, medium and high phosphorous coatings; By varying the pH of the bath in the range of 4.3-6.7, aforementioned coatings were formed with a thickness of 30 ?m. To obtain a single layer Ni-B coating, basic bath with a pH of 13 was used and a 30 ?m thick coating was deposited on the substrate. In order to obtain hybrid coatings, surface preparation was done on substrates. First, substrates were immersed in electroless Ni-P bath and remained until formation of a 20 ?m thick coating. Then they were plunged in nickel strike bath in order to improve the adhesion of Ni-B coating to the intermediate layer. Finally, samples were put in an electroless Ni-B bath and kept until the deposited coating reached a thickness of 10 ?m. In order to investigate and compare the tribological properties of coatings in as-deposited and heat treated conditions, heat treatment was done on each coating for 1 hour at 400 °C. Evaluated surface properties include morphology, roughness, hardness, wear and friction coefficient which were studied using scanning electron microscope, X-ray diffraction analysis, optical microscope, vickers microharness testing machine, surface profilometry and pin on disc wear test machine. The results of evaluating the morphology of Ni-P coatings indicated that higher phosphorous content in coating results in finer morphology and lower roughness. Also, obtained results showed the similarity between Ni-B and Ni-P morphologies; However, Ni-B coating had relatively higher porosity content and roughness due to high deposition rate. Heat treatment on electroless Ni-P and Ni-B coatings lead to an increase in hardness and wear resistance and also a decrease in friction coefficient. Therefore, heat treated high phosphorus coating had the highest hardness value (about 1010 HV) and wear resistance and the lowest friction coefficient (about 0.44) among all heat treated and as-deposited single layer Ni-P coatings. For single layer Ni-B coatings, heat treated coating showed the highest hardness value (about 1130 HV) and wear reasistance and the lowest friction coefficient (0.44) among as-deposited and heat treated single layer Ni-B coatings. Evaluation of the morphology of hybrid coatings showed that Ni-High P/Ni-B hybrid coating has finer morphology and lower roughness compared to Ni-medium P/Ni-B and Ni-low P/Ni-B. Also, Ni-low P/Ni-B coating despite of the lower hardness gradient, has lower hardness and wear resistance. Among as-deposited and heat treated electroless hybrid coatings, Ni-high P/Ni-B coating had the highest hardness value (about 1320 HV) and wear resistance and the lowest friction coefficient (0.37). Weight loss results of heat treated Ni-high P/Ni-B electroless coating, as the best hybrid coating, indicated an 85% improvement in wear resistance compared to heat treated Ni-B electroless coating as the best single layer coating. So, Ni-high P/Ni-B electroless coating showed the best tribological properties among different single layer and hybrid coatings. Key words : Electroless coating, Hybridic, Ni-P, Ni-B, Wear, Friction coefficient
در پژوهش حاضر خواص سطحی انواع پوشش های الکترولس تک لایه و هیبریدی نیکل- فسفر/ نیکل- بور با هدف بهینه سازی خواص تریبولوژیکی آن ها مورد بررسی قرار گرفت. به منظور ایجاد پوشش از زیرلایه هایی از جنس فولاد زنگ نزن مارتنزیتی گروه 410 که از جمله فولادهای پرمصرف در صنایع نیروگاهی و نفت هستند، استفاده گردید. جهت ایجاد پوشش های تک لایه نیکل- فسفر که شامل پوشش های کم فسفر، فسفر متوسط و فسفر بالا هستند از حمام اسیدی استفاده شد و با تغییر pH حمام در محدوده 3/4 تا 9/6 پوشش های ذکر شده با ضخامت حدود 30 میکرومتر روی زیرلایه اعمال گردیدند. همچنین جهت ایجاد پوشش تک لایه نیکل- بور از حمام بازی با pH حدود 13 استفاده شد و این پوشش نیز با ضخامت حدود 30 میکرومتر روی زیرلایه ایجاد گردید. به منظور ایجاد پوشش های هیبریدی، ابتدا زیرلایه هایی که فرایند آماده سازی سطحی روی آن ها انجام گرفته است، داخل حمام الکترولس نیکل- فسفر شدند و بعد از رسیدن به ضخامت تقریبی 20 میکرومتر داخل حمام استریک نیکل جهت بهبود چسبندگی پوشش نیکل- بور به لایه میانی گردیدند و در انتها داخل حمام الکترولس نیکل- بور تا رسیدن به ضخامت تقریبی 10 میکرومتر شدند. عملیات حرارتی در دمای ?C400 به مدت 1 ساعت روی تمامی پوشش ها نیز انجام پذیرفت تا خواص تریبولوژیکی پوشش ها در حالت های خام و عملیات حرارتی شده مورد بررسی و مقایسه قرار گیرد. خواص سطحی مورد بررسی شامل مورفولوژی، زبری، سختی، سایش و ضریب اصطکاک پوشش ها می باشد که در طی آن از تجهیزات میکروسکوپ الکترونی روبشی، دستگاه پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ نوری، سختی سنج ویکرز، زبری سنج و دستگاه آزمون سایش پین روی دیسک استفاده گردید. نتایج ارزیابی مورفولوژی پوشش های نیکل- فسفر نشان داد که پوشش با درصد فسفر بالا دارای مورفولوژی کوچکتر و زبری کمتری در مقایسه با پوشش های با درصد فسفر متوسط و پایین است. همچنین نتایج، دربرگیرنده شباهت مورفولوژی پوشش نیکل- بور با پوشش های نیکل- فسفر است اما پوشش نیکل- بور به دلیل نرخ رسوب دهی بالا تخلخل و زبری نسبتا بیشتری دارا می باشد. عملیات حرارتی روی پوشش های الکترولس نیکل- فسفر و نیکل- بور منجر به افزایش سختی و مقاومت به سایش پوشش و کاهش ضریب اصطکاک شد. به طوری که پوشش فسفر بالا عملیات حرارتی شده بالاترین سختی (حدود 1010 ویکرز) و مقاومت به سایش و کمترین ضریب اصطکاک (حدود 44/0) را از میان پوشش های تک لایه نیکل- فسفر در شرایط خام و عملیات حرارتی شده به دست آورد. در رابطه با پوشش های تک لایه نیکل- بور نیز پوشش بور عملیات حرارتی شده بالاترین سختی (حدود 1130 ویکرز) و مقاومت به سایش و کمترین ضریب اصطکاک (حدود 4/0) را از میان پوشش های تک لایه نیکل- بور در شرایط خام و عملیات حرارتی شده به دست آورد. نتایج مورفولوژی پوشش های هیبریدی نیز نشان داد پوشش هیبریدی نیکل- فسفر بالا/ نیکل- بور دارای مورفولوژی ریزتر و زبری کمتری در مقایسه با پوشش هیبریدی نیکل- فسفر متوسط/ نیکل- بور و پوشش هیبریدی نیکل- فسفر پایین/ نیکل- بور است. همچنین پوشش نیکل- فسفر پایین/ نیکل- بور با وجود شیب سختی کمتر نسبت به سایر پوشش های هیبریدی از سختی و مقاومت به سایش کمتری برخوردار است. از میان پوشش های الکترولس هیبریدی در شرایط خام و عملیات حرارتی شده، پوشش الکترولس نیکل- فسفر بالا/ نیکل- بور بالاترین سختی (حدود 1320 ویکرز) و مقاومت به سایش و کمترین ضریب اصطکاک (حدود 37/0) را به دست آورد. نتایج کاهش وزن پوشش الکترولس نیکل- فسفر بالا/ نیکل- بور عملیات حرارتی شده به عنوان بهترین پوشش هیبریدی نشان از بهبود حدود 85 درصدی مقاومت به سایش آن در مقایسه با پوشش الکترولس نیکل- بور عملیات حرارتی شده به عنوان بهترین پوشش تک لایه دارد. بنابراین پوشش الکترولس نیکل- فسفر بالا/ نیکل- بور به عنوان بهترین پوشش از نظر خواص تریبولوژیکی از میان پوشش های تک لایه و هیبریدی انتخاب گردید. کلمات کلیدی: پوشش الکترولس، هیبریدی، نیکل- فسفر، نیکل- بور، سایش، ضریب اصطکاک