Akımsız nikel fosfor/nikel bor dubleks kaplamaların korozyon ve aşınma dirençlerinin incelenmesi
Corrosion and wear resistance of electroless dublex ni-p/ni-b coatings
Yazar: GÖKÇE DİL
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ALİ GÖKŞENLİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Disiplinlerarası Ana Bilim Dalı / Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies
Dizin: Aşınma dayanımı = Wear resistance ; Korozyon = Corrosion ; Metal kaplama = Metal coating ; Nikel kaplama = Nickel plating ; Sertlik = Hardness ; Yüzey aşınması = Surface wear

Özet:
Son 60 yılda ortaya çıkan akımsız kaplamalar, alışıldık elektrolitik kaplamalara alternatif oluşturmaktadır. Dışarıdan herhangi bir elektrik ihtiyacına gerek duymadan gerçekleşen otokatalitik akımsız kaplamalar, içeriğindeki bileşenlerin değişmesiyle sonuçta elde edilen özelliklerin de değişmesini sağlamaktadır. Yüksek sertlik, iyi korozyon ve aşınma dirençleri, yorulmaya etkileri gibi gelişen malzeme teknolojisinde önemli özelliklerin sağlanmasıyla akımsız kaplamalar günümüzde geleceği açık bir yüzey mühendisliği konusudur. Sağladığı üstün mekanik ve elektrokimyasal özelliklerin yanı sıra elektrolitik kaplamalara göre bir diğer avantajı da yüzey geometrisinden bağımsız kaplama yapılabilmesidir. Yarı kapalı geometriler, borular ve karmaşık yüzey şekillerinin kaplama kalınlıkları her yüzeyde aynı olmaktadır. Bunun yanında uygun ön işlemler kullanıldığında sadece metallere değil plastiklere, ametallere ve farklı malzeme çeşitlerine de uygulanabilmektedir. Uygulama alanları uçak-uzay teknolojisinden dekorasyona kadar geniş bir yelpazeye yayılmıştır.En geniş kullanımlı olan akımsız kaplama çeşitleri Ni-P ve Ni-B kaplamalarıdır. Ni-P ticari şekilde yaygın kullanılsa da Ni-B üstün sertliğiyle krom kaplamaların alternatifi olarak gözükmektedir. Ni-B kaplamaların ticari bir bileşimi piyasada bulunmamasına rağmen malzeme mühendisliği alanında çok çeşitli indirgeyicilerle hazırlanan kaplama banyoları Ni-B kaplamaları her zaman göz önünde ve geliştirilmeye hazır tutmuştur. Her iki kaplamanın özellikleri alaşımlandırma yoluyla daha da iyileştirilebilir. Bunun yanında dubleks kaplama denilen iki farklı kaplama birbirinin üzerine de yapılabilir. Dubleks kaplama çok çeşitli şekillerde yapılabilir. İki farklı akımsız kaplama yöntemi birbirinin üstüne yapılabilirken farklı yüzdelik oranlarda yanı kaplama türü de üst üste kaplanabilir. Alternatif olarak püskürtmeli kaplama, akımsız kaplamanın üstüne yapılabilir. Olasılıkların çok olması, kaplamanın istenen özelliklerde olması ihtimalini daha da yükseltmektedir.Bu çalışmada akımsız Ni-P, Ni-B ve dubleks hazırlanan Ni-P/Ni-B kaplamalar incelenmiştir. Üç kaplamanın ayrı ayrı ve karşılaştırılmalı olarak sertlik, aşınma ve korozyon dirençleri araştırılmıştır. Kaplamalar faz değişimleri için çeşitli sıcaklıklarda tavlanmıştır ve boş çelik üzerine gerçekleştirilen kaplamalarla tavlanmış ve tavlanmamış numuneler deneylerde karşılaştırılmıştır. Ni-B kaplama banyosu literatürde belirtilen özelliklerde hazırlanmış, Ni-P banyosu ise ticari bir firmadan satın alınmıştır.Kaplama sonucunda korozyon deneyleri yapılmıştır. Kaplamaların korozyon dirençlerini tespit etmek amacıyla iki farklı deney uygulanmıştır. İlki asidik iki ayrı çözeltide (hacimce %10'luk HCl ve %5'lik H2SO4) numunelerin bekletilmesi, diğeri ise polarizasyon deneyleridir. Daldırma banyolarında 7 gün bekletilen numunelerin ağırlık kaybı üzerinden deney sonuçlanmıştır. Polarizasyon deneyinde ise iletilen akım miktarının değişimi korozyon direncini göstermektedir. İki deneyin sonucunda da çeliğe göre çok daha iyi koruma sağlayan kaplamalar kendi aralarında da mukayese edilmiştir.Aşınma deneylerinde ise düzlem üstü top deney düzeneği kullanılarak numunelerin sürtünme katsayıları ve kuvvetleri, aşınma yüzeyleri ve aşındırıcı alümina topta hem de numunelerin üzerinde yüzey aşınma profillerinin de incelenmesiyle aşınma mekanizmaları ve aşınmaya dirençleri araştırılmıştır.

Abstract:
An alternative way to conventional electrolitic coatings, electroless coatings has been in the industry for nearly 60 years. Without the need of outer source of electricity, electroless coatings happen autocatalytical. The ingredients of coatings baths affect almost all of the resulting coating specialties. High hardness, good wear and corrosion resistance, high fatigue life makes this coating type very popular amongst developing material science as a new branch in the surface engineering. Another advantage of electroless coatings over electrolitic ones is ability to coat the surfaces independent of surface geometry. Semi-closed shapes, pipes and complex surfaces can be coated as equal thickness. Also providing suitable pretreatment, electroless coating can be applied not only metals but plastics, ametals and other kind of materials. Wide area of application spreads from space-aircraft technologies to decoration.The most wide spread used electroless coatings are Ni-P and Ni-B types. Ni-P coatings are commercially used in the industry for its high corrosion resistance, shiny appereance and much more stable bath composition while Ni-B is preferred for its very high hardness values and due to this high hardness, its high wear resistance specialties. Even though there is no commercial coating bath of Ni-B, various types of reducing agents make it very popular to experiment at the material sciences area. Reducing agents let nickel ions to enter the reaction and insure the ions to becaome nickel element. These reducing agents create different types of baths and coating characteristics such as allowing different types of base material?s coatings or different pH values for baths which provides particular magnetic and electromagnetic properties. Also different reducing agents? coating bath working temperatures are highly different, too. Because the Ni-B bath is quite meta-stable, there should be added some chemicals like complexing agents, stabilizers and speeding agents. Complexing agents can be various but mainly its purpose is to provide to keep the bath from decomposing and protects it from nickel?s subsiding. Stabilizers also inhibit some homogenous reactions that causes the collapsing of the bath.Both types of coatings can be varied with adding extra metals resulting development in some specifications. Another way to vary these coatings is making two coatings on top of the other which is called duplex coating. Different kinds of electroless coatings can be duplex, as well as same type with varied ingredients are also possible. Moreover, sprayed coating can be included in to duplex coatings. More possibilities mean that more improved and innovative coatings can be achieved. To generate a duplex coating, at first Ni-P coating bath is used to form the first layer. Then the coated base material is put inside a Ni-B bath for the second layer. The coating thicknesses are managed by time because it is possible to predict the coating speed beforehand if necessary experiments were conducted. Both of the layers? adhesion is good with each other and in addition, their thermal elongation coefficients are similar so that applying heat treatment brings no obvious problems. Using Ni-B on the upper layer gives high hardness and wear resistance and Ni-P at the lower layer obtains high corrosion protection. Also Ni-B protects Ni-P at the first rate thus giving more protection.In this work, electroless Ni-P, Ni-B and duplex coatings of these are investigated and compared between each other and base steel material. Wear resistance, corrosion and hardness properties are studied with examining annealing at different temperatures for phase transformations. Plain steel was compared with annealed and as coated specimen. Ni-B coating bath was prepared according to previous studies and Ni-P was bought from a commercial brand. Coating thickness is approximately 20µm for single coating and 10+10 µm for duplex coatings. Coating time was arranged according to these thicknesses.Hardness values were obtained by microvickers. As before studies, very high hardness values can be achieved by electroless nickel coatings and the best result was Ni-B, then duplex coatings, Ni-P and lastly steel. After annealing, hardness values shows a peak at a certain temperature and when the coating is annealed higher values, then the hardness starts to decrease. The reason of this is while the coating is amorphous as it is, by annealing coatings they become crystalline. But after the peak temperature, the grain sizes get too big so the coatings? hardness get lower.Corrosion experiments were held after coating process. Two type of corrosion analyses was carried out. First type of the experiment was putting specimens into 2 different acidic corrosion baths which are %10 HCl and %5 H2SO4. This experiment lasted 7 days and before and after weight loss was measured. Other type of experiment was polarization which showed corrosion resistance according to current passed through of the specimens. Both experiments? results showed that coatings provided high protection from corrosion as well as different types of coatings can be compared to each other. To boot, both experiments support each other. The results showed that the highest corrosion protection is provided by Ni-P and dublex coatings. What is important at polarization experiment is potential difference between N-P and Ni-B at the dublex coatings should be more than 100mV because this difference gives galvanic protection from corrosion. In this study the difference is 130mV. In addition none of the coatings are worn through by corrosion. Ni-P coatings show uniform and planar progress besides at the Ni-B surfaces the progress is like pitting and vertical through coating.Wear resistance experiments were done on ?ball on plate? system. By this experiments, friction coefficient and forces were obtained and both alumina ball?s and specimen?s surfaces scratch geometry was analyzed to identify wear mechanism and wear resistance. When the scratches of alumina ball investigated at optical microscope it is seen that the smallest wear tracks are on the surface of dublex coatings without heat treatments. Also the same specimen has the highest wear resistance. Although the expected specimen should be heated dublex coating, the reason of this difference is most probably taking not enough track area for experiment. When the number of examined area is increased it is possible to see wear resistance gets higher. This conclusion is supported by heated dublex coating?s friction coefficient has is the least one. Ni-P coating surfaces show that there is abrasive wear because of its lower hardness. On the other hand Ni-B and dublex coating surfaces shows there is slicking traces.