آشنایی با فرایند آبکاری الکترولس نیکل - فسفر یا همان نیکل سخت

الکترولس چیست؟


نیکل فلزی است سفید که سختی آن در حدود فولاد است و مقاومت آن در برابر خوردگی هم در محیط های آبی و هم در اتمسفر بالا است . آبکاری نیکل برای کاربرد های تزئینی ، مهندسی و شکل دهی به کار می رود . تقریبا حدود 80% آبکاری نیکل برای اهداف تزئینی و 20 % آن برای اهداف شکل دهی و اهداف مهندسی است .
از روش الکترولس می توان برای پوشش فلزاتی نظیر مس،آهن ، کبالت ، نقره ، طلا ، پلاتین و پالادیم استفاده کرد که در این بین پوشش های الکترولس نیکل و مس کاربرد زیادی دارد ( که در این پروژه نیز از این دو پوشش پر کاربرد برای ایجاد پوسته مناسب بر روی تیتانیوم استفاده شده است ). رسوب الکترولس نیکل یک پوشش مهندسی است که معمولا به علت مقاومت سایش و خوردگی خوبی که دارد مورد توجه است . یک کاربرد صنعتی آن ایجاد این پوشش بر روی سطوح آلمینیوم است که برای تامین سطح قابل لحیم کاری و روی قالب ها و سنبه ها برای بهبود روان کاری و جدا شدن آسان قطعه به کار می رود .
آبکاری الکترولس که در دهه ی 1950 انجام گرفت ، خیلی سریع رشد کرد و حالا یکی از فرآیند های مهم صنعتی است . برای آبکاری یا رسوب دادن نیکل روی فولاد و سایر فلزات همچون تیتانیوم می توان از حمام های اسیدی هیپو فسفیت و برای آبکاری غیر فلزات و پلاستیک می توان از حمام های قلیایی هیپو فسفیت استفاده کرد .
پوشش الکترولس نیکل :
پوشش الکترولس نیکل به وسیله ی احیای شیمیایی یون های نیکل روس یک سطح فعال ایجاد می شود . از آنجا که این پوشش بدون اعمال جریان الکتریکی ایجاد می شود ضخامتش یکسان و یکنواخت است . محلول های الکترولس نیکل ترکیبی از محلول های شیمیایی مختلف اند که هر کدام نقش مهمی در ایجاد پوشش دارند و شامل ترکیب های زیر هستند :
منبع یون نیکل که معمولا سولفات نیکل یا کلرید نیکل است ، عاملی برای تهیه ی الکترون های لازم برای احیای یون نیکل ، انرژی ( گرما ) ، عامل کمپلکس کننده برای کنترل نیکل آزاد قابل مصرف برای واکنش ، عامل بافر برای کنترل PH ، شتاب دهنده یا تسریع کننده برای کمک به افزایش سرعت واکنش و ممانعت کننده یا پایدار کننده برای کمک به کنترل احیا .
بعضی مزایا و معایب پوشش الکترو لس به شرح زیر است :
مزایا :
1 . مقاومت خوردگی و سایشی مناسب
2 . یکنواختی خیلی خوب پوشش
3 . این پوشش دارای قابلیت پذیرفتن لحیم کاری و زرد جوش است .
4 . هزینه ی نیروی کار کم و
معایب :
1 . نسبت به آبکاری الکتریکی هزینه ی مواد شیمیای بیشتر است .
2 . این پوشش عمدتا ترد و شکننده است .
3 . به علت احتمال آلودگی پوشش با سایر اجزا محلول همچو تشکیل رسوب نیکل-فسفر مشخصات جوشکاری این پوشش ضعیف است .
4 . در مقایسه با روش های الکترولیتی سرعت آن پایین تر است .
نمک های نیکل :
از نمک های سولفات ، کلرید ، فلورید ، برومید ، یدید ، فورمات ، استات ،سولفات آمونیوم ، فلوئوبرات و برات می توان برای ایجاد پوشش الکترولس نیکل استفاده کرد . سرعت آبکاری برای نمک های سولفات،کلرید و سولفات آمونیوم تقریبا برابر است و تنها برات دارای سرعت بیشتری است که احتمالا به دلیل بافر بودن آن است . پوششی که در حمام فلورید نیکل ایجاد می شود مقاومت به خوردگی بیشتری در برابر اسید نیتریک دارد و سختی آن بیشتر است . تمامی پوشش ها جز فورمات نیکل براق هستند و استات نیکل هم کمترین مقاومت به خوردگی را در برابر اسید نیتریک دارد . به طور عموما از نمک های کلرید و سولفات استفاده می شود
خواص پوشش الکترولس :
خواص پوشش الکترو لس نیکل با پوششی که از طریق جریان الکتریکی تولید شده بسیار متفاوت است که دلیل آن مکانیزم ایجاد پوشش و وجود فسفر و یا بور در پوشش می باشد .
مقاومت به خوردگی خوب ، سختی زیاد ، ضریب اصطکاک کم ، مقاومت به سایش مناسب ، غیر مغناطیس بودن ، قابلیت لحیم کاری و یکنواخت بودن پوشش های الکترولس نیکل باعث شده است که کاربرد وسیعی در رشته های مهندسی داشته باشد .
ظاهر و درخشندگی :
بر خلاف پوشش های نیکل حاصل از از روش جریان الکتریکی که دارای رنگ زرد ملایمی هستند ، پوشش الکترولس نیکل شبیه به فولاد براق اند و رنگی تقریبا نقره ای دارند . به دلیل مقاومت مطلوبی که در مقابل تیره شدن دارند ، نسبت به پوشش های الکتریکی به مدت طولانی تری براق باقی می مانند . انواع پوشش های الکترولس نیکل تقریبا همرنگ هستند .
چسبندگی :
چسبندگی پوشش های الکترولس نیکل بر روی بیشتر فلزات فوق العاده خوب است . واکنش هایی که در طول پوشش دادن بین محلول الکترولس نیکل و فلز پایه رخ می دهد باعث می شود که باند های فلزی یا مکانیکی با فلز پایه به وجود آید . با انجام عملیات حرارتی چسبندگی پوشش افزایش می یابد که به دلیل ایجاد باند های شیمیایی بین فلز پایه و پوشش می باشد . گرمایش و سرمایش را باید به آهستگی انجام داد تا از به وجود آمدن ترک های ریز جلوگیری شود . چسبندگی پوشش به کیفیت تمیز کردن سطح و عملیات قبل از پوشش دادن بستگی دارد .
چگالی پوشش :
چگالی فلز نیکل در دمای اتاق 8.9 گرم بر ساتی متر مکعب است و چگالی پوشش نیکل که از روش الکتریکی ایجاد شده با استفاده از حمام وات بین 8.89 تا 8.391 است . در حالی که چگالی پوشش الکترولس نیکل به میزان فسفر پوشش بستگی دارد و با افزایش میزان فسفر پوشش چگالی پوشش کاهش می یابد
تخلخل :
در پوشش هایی که نسبت به فلز پایه نجیب ترند تخلخل بسیار مهم است و تاثیر زیادی روی مقاومت به خوردگی پوشش و فلز پایه دارد . خواص دیگری همچون چگالی ، قابلیت لحیم کاری و چکش خواری وابستگی زیادی به میزان تخلخل پوشش دارند . ذرات روی ، کادمیم و آلمینیوم فعال تر از آهن و قلع ، مس و نقره ، نیکل و کبالت نجیب تر از آهن اند.. در پوشش های الکترولس نیکل ضخامت های کمتر از 25 میکرو متر معمولا متخلخلند و مقاومتشان در برابر خوردگی کم است . با افزایش ضخامت میزان تخلخل ها هم کم می شودو مقاومت به خوردگی افزایش می یابد .
نقطه ی ذوب :
نقطه ی ذوب پوشش الکترولس نیکل – فسفر به درصد فسفر بستگی دارد . با افزایش میزان فسفر پوشش ، دمای ذوب کاهش می یابد . در حالی که دمای ذوب نیکل خا لص 1450 درجهی سانتیگراد است . پوشش الکترولس نیکل- فسفر با مقدار 7 تا 9 درصد فسفر دارای دمای ذوب 800 درجه سانتیگراد می باشد .
خواص حرارتی و الکتریکی :
خواص حرارتی و الکتریکی پوشش الکترولس نیکل با تغییر ترکیب حمام عوض می شود و در ترکیبات مختلف خواص متفاوتی به دست می آید . برای پوشش های تجارتی مقاومت الکتریکی و هدایت حرارتی به ترتیب برابر با 50 تا 90 میکرو اهم بر سانتیمتر و 0.01 تا 0.013 کالری بر سانتیمتر ثا نیه می باشد . این پوشش ها معمولا هدایت الکتریکی کمتری نسبت به مس و نقره دارند .با انجام عملیات حرارتی بر روی پوشش ، هدایت الکتریکی 3 تا 4 برابر خواهد شد . مقدار فسفر همچنین اثر زیادی روی انبساط حرارتی الکترولس دارد . پوشش با نیکل بیش از 10% فسفر کاملا غیر مغناطیس و پوشش با فسفر کمتر از 10% کمی مغناطیسی است . عملیات حرارتی در دمای بیش از 200 درجه ی سانتیگراد باعث افزایش خاصیت مغناطیسی پوشش الکترولس نیکل می شود.
تنش های داخلی :
تنش داخلی در پوشش های الکترولس نیکل به ترکیب پوشش وابسته است . در پوشش های الکترولس نیکل نیکل با فسفر بیشتر از 10.5 % تنش به صورت فشاری و در کمتر از آن تنش کششی است . شرایط پوشش و عمر حمام تاثیر مهمی روی تنش پوشش خواهد داشت و با افزایش عمر حمام میزان تنش هم زیاد خواهد شد .
انعطاف پذیری :
انعطاف پذیری یکی از خواص مهم مکانیکی پوشش الکترولس نیکل است . انعطاف پذیری به میزان فسفر پوشش بستگی دارد . با افزایش فسفر به حدود 5% انعطاف پذیری کاهش می یابد و تا 9% نیز ثابت می ماند و سپس با افزایش میزان فسفر ، انعطاف پذیری بیشتر می شود . شکل زیر اثر میزان فسفر را روی انعطاف پذیری نشان می دهد:
قابلیت لحیم کاری :
پوشش های الکترولس نیکل خاصیت لحیم کاری مطلوبی دارند و اگر از روانساز مناسب استفاده شود ، کار آسانتر خواهد شد . پیشگرم کردن هم باعث افزایش سهولت و سرعت کار می شود .
استحکام کششی :
استحکام کششی پوشش الکترولس نیکل به مقدار فسفر پوشش بستگی زیادی داد . برای پوششی با مقدار فسفر کم استحکام کششی بین 45 تا 50 کیلیوگرم بر میلی متر مربع می باشد . بعد از عملیات حرارتی در دمای 300 تا 600 درجه سانتی گراد استحکام کششی کاهش خواهد یافت . شکل زیر اثر میزان فسفر را روی استحکام کششی نشان می دهد
سختی و مقاومت سایشی :
سختی و مقاومت سایشی مهمترین ویژگی های پوشش الکترولس نیکل اند که باعث کاربرد وسیع این پوشش شده اند. میکرو سختی پوشش تقریبا برابر 500 الی 600 است که تقریبا برابر با 48 تا 52 راکول سی است و با سختی فولاد الیاژی برابر است . عملیات حرارتی باعث افزایش سختی تا حدود 1100 می شود که با پوشش کروم سخت برابر است .
بهترین سختی در دمای 400 در جه سانتیگراد و در مدت 1 ساعت به دست آمده است . بعضی اوقات که به علت احتمال تاب خوردن قطعه نمی توان از دما های زیاد استفاده کرد ، از دما های کم و زمان های طولانی برای عملیات حرارتی استفاده می شود . عملیات حرارتی به علت ایجاد ذرات سرامیکی بسیار سخت Ni-P در ساختار ، سختی پوشش را افزایش می دهد . با افزایش میزان فسفر سختی پوشش هم کاهش می یابد .
با توجه به سختی زیاد پوشش الکترولس نیکل میزان سایش هم کم است . این ویژگی موجب کاربرد وسیع پوشش های الکترولس نیکل در مواردی شده است که مقاومت سایشی زیاد مورد نیاز است .
با انجام عملیات حرارتی میزان مقاومت به سایش هم افزایش می یابد و لی بیشترین مقاومت سایشی در دمای 600 درجه سانتیگراد حاصل می شود . یعنی بیشترین مقاومت سایشی در بیشترین سختی به دست نیامده است . مقاومت سایشی فلزات بستگی به سختی ، چقرمگی شکست و میکرو ساختار دارد . بنابر این چون میزان سایش علاوه بر سختی به انعطاف پذیری هم بستگی دارد و بهینه ی سختی و انعطاف پذیری در دمای 600 درجه ی سانتیگراد ظاهر می شود ، بنابر این کمترین سایش در دمای 600 درجه ی سانتیگراد دیده می شود .
استحکام خستگی :
از آنجا که پوشش الکترولس نیکل تحت بار های سیکلی دچار ترک می شود ، موجب ککاهش استحکام خستگی فلز پایه می شود . میزان کاهش استحکام خستگی به ترکیب محلول ، نوع عملیات حرارتی و ضخامت پوشش بستگی دارد. پوشش الکترولس نیکل معمولا باعث کاهش 10 تا 50 درصدی از استحکام خستگی و حد تحمل فاز پایه می شود. در پوشش هایی که بیشتر از 10% فسفر دارند مشکلی دیده نمی شود و در برابر ایجاد ترک مقاوم اند .