SUPERVISOR
Mahmood Monir-vaghefi
سيدمحمود منيرواقفي (استاد راهنما)
STUDENT
Amir Tohidi moghadam
امير توحيدي 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
چکيده در پژوهش حاضر خواص سطحي انواع پوشش هاي الکترولس تک لايه و هيبريدي نيکل- فسفر/ نيکل- بور با هدف بهينه سازي خواص تريبولوژيکي آن ها مورد بررسي قرار گرفت. به منظور ايجاد پوشش از زيرلايه هايي از جنس فولاد زنگ نزن مارتنزيتي گروه 410 که از جمله فولادهاي پرمصرف در صنايع نيروگاهي و نفت هستند، استفاده گرديد. جهت ايجاد پوشش هاي تک لايه نيکل- فسفر که شامل پوشش هاي کم فسفر، فسفر متوسط و فسفر بالا هستند از حمام اسيدي استفاده شد و با تغيير pH حمام در محدوده 3/4 تا 9/6 پوشش هاي ذکر شده با ضخامت حدود 30 ميکرومتر روي زيرلايه اعمال گرديدند. همچنين جهت ايجاد پوشش تک لايه نيکل- بور از حمام بازي با pH حدود 13 استفاده شد و اين پوشش نيز با ضخامت حدود 30 ميکرومتر روي زيرلايه ايجاد گرديد. به منظور ايجاد پوشش هاي هيبريدي، ابتدا زيرلايه هايي که فرايند آماده سازي سطحي روي آن ها انجام گرفته است، داخل حمام الکترولس نيکل- فسفر شدند و بعد از رسيدن به ضخامت تقريبي 20 ميکرومتر داخل حمام استريک نيکل جهت بهبود چسبندگي پوشش نيکل- بور به لايه مياني گرديدند و در انتها داخل حمام الکترولس نيکل- بور تا رسيدن به ضخامت تقريبي 10 ميکرومتر شدند. عمليات حرارتي در دماي ?C400 به مدت 1 ساعت روي تمامي پوشش ها نيز انجام پذيرفت تا خواص تريبولوژيکي پوشش ها در حالت هاي خام و عمليات حرارتي شده مورد بررسي و مقايسه قرار گيرد. خواص سطحي مورد بررسي شامل مورفولوژي، زبري، سختي، سايش و ضريب اصطکاک پوشش ها مي باشد که در طي آن از تجهيزات ميکروسکوپ الکتروني روبشي، دستگاه پراش پرتو ايکس، ميکروسکوپ نوري، سختي سنج ويکرز، زبري سنج و دستگاه آزمون سايش پين روي ديسک استفاده گرديد. نتايج ارزيابي مورفولوژي پوشش هاي نيکل- فسفر نشان داد که پوشش با درصد فسفر بالا داراي مورفولوژي کوچکتر و زبري کمتري در مقايسه با پوشش هاي با درصد فسفر متوسط و پايين است. همچنين نتايج، دربرگيرنده شباهت مورفولوژي پوشش نيکل- بور با پوشش هاي نيکل- فسفر است اما پوشش نيکل- بور به دليل نرخ رسوب دهي بالا تخلخل و زبري نسبتا بيشتري دارا مي باشد. عمليات حرارتي روي پوشش هاي الکترولس نيکل- فسفر و نيکل- بور منجر به افزايش سختي و مقاومت به سايش پوشش و کاهش ضريب اصطکاک شد. به طوري که پوشش فسفر بالا عمليات حرارتي شده بالاترين سختي (حدود 1010 ويکرز) و مقاومت به سايش و کمترين ضريب اصطکاک (حدود 44/0) را از ميان پوشش هاي تک لايه نيکل- فسفر در شرايط خام و عمليات حرارتي شده به دست آورد. در رابطه با پوشش هاي تک لايه نيکل- بور نيز پوشش بور عمليات حرارتي شده بالاترين سختي (حدود 1130 ويکرز) و مقاومت به سايش و کمترين ضريب اصطکاک (حدود 4/0) را از ميان پوشش هاي تک لايه نيکل- بور در شرايط خام و عمليات حرارتي شده به دست آورد. نتايج مورفولوژي پوشش هاي هيبريدي نيز نشان داد پوشش هيبريدي نيکل- فسفر بالا/ نيکل- بور داراي مورفولوژي ريزتر و زبري کمتري در مقايسه با پوشش هيبريدي نيکل- فسفر متوسط/ نيکل- بور و پوشش هيبريدي نيکل- فسفر پايين/ نيکل- بور است. همچنين پوشش نيکل- فسفر پايين/ نيکل- بور با وجود شيب سختي کمتر نسبت به ساير پوشش هاي هيبريدي از سختي و مقاومت به سايش کمتري برخوردار است. از ميان پوشش هاي الکترولس هيبريدي در شرايط خام و عمليات حرارتي شده، پوشش الکترولس نيکل- فسفر بالا/ نيکل- بور بالاترين سختي (حدود 1320 ويکرز) و مقاومت به سايش و کمترين ضريب اصطکاک (حدود 37/0) را به دست آورد. نتايج کاهش وزن پوشش الکترولس نيکل- فسفر بالا/ نيکل- بور عمليات حرارتي شده به عنوان بهترين پوشش هيبريدي نشان از بهبود حدود 85 درصدي مقاومت به سايش آن در مقايسه با پوشش الکترولس نيکل- بور عمليات حرارتي شده به عنوان بهترين پوشش تک لايه دارد. بنابراين پوشش الکترولس نيکل- فسفر بالا/ نيکل- بور به عنوان بهترين پوشش از نظر خواص تريبولوژيکي از ميان پوشش هاي تک لايه و هيبريدي انتخاب گرديد. کلمات کليدي: پوشش الکترولس، هيبريدي، نيکل- فسفر، نيکل- بور، سايش، ضريب اصطکاک