ایجاد پوشش الکترولس Ni-P با ضخامت متغیر و ارزیابی تغییرات ضخامت و سختی پوشش توسط روش سطح پاسخ (RSM)

عمده خسارت های صنعت ناشی از پدیده های سایش و خوردگی قطعات و مواد است که پمپ های سانتریفیوژ هم از این امر مستثنی نیستند. پمپ های سانتریفیوژ دارای قسمت ها و قطعات متنوعی هستند که بسته به نوع کاربرد و سیال پمپ از جنس های مختلفی ساخته می شوند. برخی از قسمت های این پمپ ها همواره در خطر سایش و خوردگی قرار دارند و برای مقابله با آنها باید تمهیدات مناسبی رعایت گردد. روش های مختلفی برای مقاوم نمودن مواد در برابر خسارت های ناشی از سایش و خوردگی وجود دارد که یکی از این روش ها اعمال پوشش های سطحی مهندسی بر روی قطعات می باشد.

در سال 1944 روشی نوین در فرآیندهای پوشش‌دهی توسط برنر و ریدل توسعه پیدا کرد و به دلیل بی‌نیاز بودن به جریان الکتریکی، الکترولس نامیده شد. پوشش‌دهی الکترولس، یک روش بر پایه‌ی احیای شیمیایی یک یون فلزی از محلول آبی آن و رسوب‌گذاری روی زیرلایه، بدون استفاده از جریان الکتریکی می‌باشد. در بین انواع مختلف پوشش‌های الکترولس، پوشش الکترولس نیکل از عمومیت و محبوبیت بالاتری برخوردار است. یکنواختی ضخامت پوشش، سختی بالا، چسبندگی بالا، مقاومت به خوردگی و مقاومت به سایش از مزیت‌های این پوشش‌ها است. در سال‌های اخیر پوشش‌های با تغییرات تدریجی به دلیل خواص منحصربفردشان مورد توجه بسیاری از محققان و صنایع قرار گرفته‌اند. Functionally Graded Coating (FGC)  زیر مجموعه‌ای از پوشش‌های هیبریدی است که خواص آن به صورت تدریجی تغییر می‌کند. این تغییر خواص می‌تواند تغییر تدریجی در سختی، مقاومت به خوردگی، مقاومت الکتریکی، مقاومت به سایش، خاصیت مغناطیسی و یا ضخامت پوشش باشد که در این مطالعه به بررسی تأثیر پارامترهای حمام الکترولس بر سختی و تغییرات تدریجی ضخامت پوشش در امتداد سطح پرداخته شده است. در پژوهش حاضر پوشش‌‌های نوین هیبریدی نیکل- فسفر با تغییر تدریجی ضخامت، به روش الکترولس بر روی زیرلایه فولادی ایجاد شدند. جهت هدفمند کردن آزمایش‌ها از روش مدلینگ سطح پاسخ (RSM) استفاده شد. برای مشخصه یابی پوشش‌ها از میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM)، آنالیز تفکیک انرژی (EDS) و سختی‌سنجی ویکرز استفاده شده است. نتایج تحلیل واریانس مدل‌های بدست آمده برای پیش‌بینی سختی پوشش ها نشان‌داد که مدل‌ها از دقت و اعتبار بالایی برخوردار هستند.

با توجه به اینکه قطعاتی مثل Shaft Sleeve ها و Wear Ring ها عمدتاً تحت سایش و خوردگی قرار دارند از این رو تحقیق و توسعه در مورد روش های افزایش مقاومت به سایش و خوردگی در این قطعات همواره مورد نیاز صنعت پمپ سازی می باشد. طبق استاندارد API 610 (Annex H) سخت کردن سطح این نوع قطعات به منظور افزایش مقاومت به سایش توصیه شده است.

در پژوهش حاضر از فولاد ساده کربنی به عنوان زیرلایه استفاده شد و به منظور آبکاری الکترولس نیکل- فسفر از حمام تجاری 4 جزئی SLOTONIP 70A ساخت شرکت اشلوتر آلمان استفاده گردید که دارای سولفات نیکل به عنوان منبع یون نیکل و هیپوفسفیت سدیم به عنوان عامل احیاکننده می‌باشد. جهت ایجاد پوشش با ضخامت متغیر از روش بیرون آوردن تدریجی قطعه از داخل حمام آبکاری طی فرآیند پوشش‌دهی استفاده گردید. به منظور پیش‌بینی و بدست آوردن رابطه‌ی ریاضی برای سختی و تغییرات ضخامت پوشش و بررسی تأثیرگذاری هر یک از پارامترها از روش طراحی آزمایش RSM توسط نرم‌افزار Minitab استفاده شده است.

مدل بدست آمده جهت پیش بینی سختی این پوشش ها با دو متغیر pH و دمای حمام آبکاری در رابطه ی ذیل آورده شده است که طبق این مدل pH حمام آبکاری (با واحد تغییرات حدوداً 35/0) بیشترین تأثیر را بر روی سختی پوشش می‌گذارد، درحالی که تأثیر دما در این مورد ناچیز است.

Hardness (Vickers) = 3915+ 203pH - 99.1T - 13.20pH2 + 0.597T2 + 0.31(pH)T

نتایج نشان داد که پوشش ایجاد شده در pH  برابر 5/4 و دمای 84  دارای بیشترین سختی حدود 650HV معادل 58HRC می‌باشد و در برابر سایش مقاومت بالایی از خود نشان می دهد. رویه تغییرات سختی این پوشش ها با متغیرهای pH و دما در شکل زیر آورده شده است.

مدل بدست آمده جهت پیش بینی تغییرات ضخامت در امتداد سطح این پوشش ها با سه متغیر pH، دمای حمام آبکاری و سرعت خارج نمودن قطعه از حمام آبکاری در رابطه ی ذیل آورده شده است.

Thickness gradient (μm/mm) = -153.8 + 11.64P + 2.732T + 54.0 R - 0.5887 P2 - 0.01471 T2 - 124.3 R2 - 0.0313 PT - 14.58 PR + 0.417 TR

T: دما   ،   P: pH    ،   R: سرعت خارج کردن قطعه از حمام آبکاری

بررسی سطح مقطع پوشش‌ها نشان داد که پوشش‌های با تغییر تدریجی ضخامت از یکنواختی و پیوستگی مناسبی برخوردار هستند.

تصاویر سطح مقطع پوشش الکترولس  نیکل- فسفر با ضخامت متغیر: (الف) تصویر میکروسکوپ نوری ایجاد شده از ترکیب 4 تصویر پیوسته (ب) تصویر میکروسکوپ نوری از پوشش و زیرلایه‌ی اچ شده در نایتال 2% (ج) تصویر میکروسکوپ الکترونی.

منبع:

ایجاد پوشش الکترولس Ni-P با ضخامت متغیر و ارزیابی تغییرات ضخامت و سختی پوشش توسط روش سطح پاسخ (RSM)، سجاد طوری، سید محمود منیرواقفی و علی اشرفی، نشریه دوره 15، شماره 41 علوم و مهندسی سطح

نویسنده: سجاد طوری- واحد کنترل کیفی و تحقیق و توسعه امور فنی – مهندسی شرکت دانش بنیان پمپ و توربین (پتکو)