Akımsız Ni-B kaplama sistemlerine W ilavesinin kaplama özellikleri üzerindeki etkisinin incelenmesi
Investigation of the effects of W addition on deposit properties of electroless Ni-B coating systems
Yazar: SİNEM ERASLAN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ÜRGEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Aşınma = Wear ; Nikelbor = Nickelboron

Özet:
İlk olarak 1946 yılında Brinnel ve Riddel tarafından ortaya konulan akımsız kaplamalar araştırmacılar için ilgi uyandırmış, kaplamaların özellikleri ve uygulama alanlarındaki çalışmalar gittikçe önem kazanmaya başlamıştır. Akımsız kaplama prosesinde herhangi bir harici elektrik kaynağına gerek duyulmaz. Kaplama işlemi metalik iyonlar, redükleyici, stabilazör ve diğer bileşenlerin yer aldığı kaplama banyosuna daldırılan numune üzerinde otokatalitik olarak gerçekleşir ve banyodaki her bileşenin proses içerisindeki spesifik rolü ve kaplama özellikleri üzerindeki etkisi farklılık gösterir. Akımsız nikel kaplama ile parça geometrisine bağlı olmaksızın tüm yüzeyde eş kalınlıkta kaplamalar elde etmek mümkündür. Bunun yanında bu kaplamalar yüksek sertlik, çok iyi aşınma, korozyon ve elektrik direnci gibi üstün özellikler gösterirler. Aynı zamanda gerçekleştirilecek ısıl işlem uygulamaları ile sertlik değerlerinde artış sağlanabilir. Bu proses ile sadece iletken yüzeyler değil, aynı zamanda seramik ve plastik gibi yalıtkan malzemeler de kaplanılabilir. Tüm bu avantajlarına bağlı olarak özellikle son yıllarda akımsız kaplama prosesine olan ilgi oldukça artmıştır. Otomotiv, petrol, kimya, plastik, optik, uçak-uzay, elektronik, bilgisayar vb. birçok alanda akımsız nikel kaplama uygulamaları yürütülmektedir. Akımsız nikel kaplamların en yaygın kullanım şekli akımsız Ni-P ve Ni-B şeklindedir. Akımsız Ni-P kaplamalar genel olarak bakıldığı zaman Ni-B kaplamalara oranla çok daha yaygın olarak çalışılmıştır ve akımsız kaplama prosesleri içerisinde en fazla ilgiyi gören kaplamalardır. Ancak son yıllarda Ni-B kaplamalar da özellikle yüksek sertlik ve aşınma dirençlerine bağlı olarak önem kazanmaktadırlar. Akımsız kaplamlara üçüncü bir elementin katılabileceğinin gösterilmesi akımsız nikel alaşım kaplamalar başlığıyla yeni bir sayfa açılmasına neden olmuştur. Yapıya katılacak olan alaşım elementi genellikle üstün spesifik özellikler gösteren W, Co, Mo, Mn, Re gibi geçiş grubu elementlerinden seçilir. Böylece kaplamalarda istenilen spesifik özelliklerin elde edilmesi bileşime katılacak olan elementlerle daha kolay bir biçimde sağlanabilir.Bu çalışmada amaçlanan akımsız Ni-B kaplama sistemlerinde W katkısının kaplama özellikleri üzerindeki etkisini incelemektir. Akımsız Ni-B ve Ni-W-B kaplamaları hazırlamak için ticari bir akımsız nikel kaplama banyosu, tungsten kaynağı olarak da sodyum tungstat (Na2WO4.2H2O) kullanılmıştır. Yapıya W katkısının kaplama bileşiminde % B miktarında azalmaya neden olduğu gözlenmiştir. Ni-B ve Ni-W-B kaplamalar üzerinde banyo pH ve sıcaklık değerlerinin etkisi bu parametrelerde yapılan değişikliklerle elde edilen kaplamalar yardımıyla incelenmiş, böylece aynı zamanda W katkısının da bu parametreler üzerindeki etkisi gözlemlenmiştir. Akımsız kaplamalar ve bu kaplamların ısıl işlem görmüş örneklerinin yapı, bileşim, sertlik ve aşınma dirençleri XRD, EDS, GDO-ES, SEM, mikrosertlik cihazı ve disk üzeri top aşınma cihazları yardımı ile incelenmiştir. Elde edilen XRD paternlerinde kaplamların amorf bir yapıda olduğu, ısıl işlem uygulamaları ile birlikte bu amorf yapının kristalin nikel ve nikel borürler oluşturarak faz dönüşümü gösterdiği görülmüştür. Sertlik konusunda W katkısı ile beklenen artış literatürdeki çalışmaların genelinin aksine gözlenememiştir. Uygulanan aşınma testleri sonucunda üçlü Ni-W-B kaplamanın Ni-B kaplamaya oranla daha iyi aşınma direnci gösterdiği, W katkısının sürtünme katsayısı değerlerinde düşüşe neden olduğu ve ısıl işlem uygulanmamış numunelerin uygulananlara oranla sürtünme katsayılarının daha düşük değerlerde karşımıza çıktığı görülmüştür.

Abstract:
Since the beginning of electroless coating by Brenner & Riddell in 1946, it has been the subject of research interest and significance has tended to the studies of its properties and applications. In electroless metal deposition process, no external current supply is required to deposit material on a substrate. Electroless plating is an autocatalytic process where the substrate develops a potential when it is dipped in electroless solution bath that contains a source of metallic ions, reducing agent, stabilizers and other components. Each process parameter has its specific role on the process and influence the deposit properties. With electroless plating, high degree of deposit uniformity can be obtained regardless of part geometry, also the coatings show excellent deposit properties such as hardness, wear, corrosion and electrical resistance. The hardness values can be also increased with suitable heat treatment applications. Not only electrically conductive materials but also ceramics, insulators like plastics, rubber etc. can be coated by this valuable process. For last few years, considerable attention is being given towards metal deposition processes using electroless depositions due to these advantages. The applications of electroless nickel have been reported in many industries like automotive, petroleum, chemical, plastics, optics, aerospace, electronics, computer, etc. Phosphorus and boron are the two most extensively used elements along with nickel to form electroless Ni?P and Ni?B coatings, respectively. Electroless Ni-P has gained maximum attention among the electroless plating processes and has been studied more extensively than Ni-B. Recently, electroless Ni-B plating is emerging as an important topic of research among electroless coatings. The co-deposition of other third elements within the growing film has led to a new generation of electroless alloy coatings. The co-deposited metal is mainly chosen from transition metals such as W, Co, Mo, Mn, Re because of their superior specific properties. By the way, coatings can be customized for desired properties by selecting the composition of the coating to obtain specific requirements.In this work, it is aimed to study the effects of W addition on deposit properties of electroless Ni-B coatings. A commercial electroless nickel plating solution was used to prepare the electroless coatings and sodium tungstate (Na2WO4.2H2O) was used as the source of tungsten in Ni-W-B coatings. It was seen that W incorporation has resulted in reduction of coating's % B content. The influence of bath pH and temperature on the plating rate and hardness of the both resultant Ni-B and Ni-W-B coatings were examined. Thus, the effect of W addition on these properties was also observed. The structure, composition, hardness and wear resistance of electroless Ni?B and Ni-W-B coatings, both in as-plated and heat-treated conditions, were evaluated using XRD, EDS, GDO-ES, SEM, microhardness tester and a ball-on-disc wear test apparatus. XRD patterns reveal that electroless coatings are amorphous in as-plated condition and undergo phase transformation to crystalline nickel and nickel borides upon heat-treatment. The incorporation of tungsten into the nickel matrix did not bring the expected improvement in microhardness. The wear tests showed that ternary Ni-W-B alloy coatings had a good wear resistance and more superior than Ni-B coatings. It was seen that W addition has caused a decrease in coefficient of friction values and also obtained coefficient of friction numbers are less for as-plated deposits compared to heat-treated ones.