Grafen nano partikül ilavesinin akımsız nikel bor kaplamaya etkisi
Effect of graphene nanoplatelets addition on electroless nickel boron coating
Yazar: ÇAĞDAŞ ÇAY
Danışman: DOÇ. DR. TURGUT GÜLMEZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde teknolojinin hızla gelişmesi üstün özelliklere sahip malzemelere olan ihtiyacı arttırmıştır. Malzemelerin bütün kütlesinin iyileştirilmesi ise sınırlı ve maliyetli bir işlemdir. Malzemenin bütün kütlesini değiştirmek yerine yalnızca yüzey özelliklerini değiştirerek  malzemeye istenilen üstün kimyasal ve fiziksel özellikler kazandırılabilmektedir.
Akımsız kaplama işlemi herhangi bir harici enerji kaynağına ihtiyaç duyulmadan numunelerin; metalik iyon, indirgeyici, dengeleyici ve diğer bileşenlerin yer aldığı kaplama banyosuna daldırılmasıyla, çözeltide gerçekleşen kimyasal tepkimelerden elektron sağlanarak metale ait iyonların numune yüzeylerine çökelmesiyle gerçekleşir. Brinnel ve Riddel tarafından keşfedilen akımsız  kaplamanın sunmuş olduğu avantajlar son 70  yılda gelişiminin devam etmesini sağlamış ve  kullanımını yaygınlaştırmıştır. 
Akımsız nikel kaplamanın yüksek derecede sertlik, aşınma ve korozyona karşı direnç, yağlayıcılık gibi üstün özellikler sağlamasının yanı sıra en önemli avantajı parça geometrisine bağlı olmaksızın uniform halde kaplama ve her bir yüzeyde direkt çökelme gerçekleştirmesidir. Çeşitli ön işlemler uygulandığında ise yalnızca metal parçalara değil ametallere, plastiklere ve daha pek çok farklı malzeme türlerine de uygulanabilirliği akımsız nikel kaplamaların kullanımının çok geniş bir alana yayılmasını sağlamıştır. Otomotiv, petrol, kimya, plastik, optik, uçak-uzay, elektronik, bilgisayar vb. birçok alanda akımsız nikel kaplama uygulamaları yürütülmektedir.
Akımsız kaplama çeşitlerinden Ni-P ve Ni-B kaplamalar en bilinenlerdir. Hipofosfitle akımsız nikeli indirgemek yaygın olarak kullanılsa da yakın zamanda borohidrit ile akımsız nikeli indirgemek dikkat çekmeye başlamıştır çünkü diğer indirgen maddelerle kıyaslandığında borohidrit iyonu en güçlü indirgendir ve borohidritin indirgediği akımsız nikel kaplamaların sertlik ve aşınma direnci daha yüksektir. Borun  muhteşem yağlayıcı ve genel ısıl tolerans açısından özelliklerinin, akımsız yöntem ile kaplamanın fiziksel açıdan yararları ve çevre dostu özelliklerinin birleştirilebilirliği araştırmacılar için ilgi kaynağı olmuş, kaplama özelliklerinin geliştirilmesi ile ilgili çalışmalar önem kazanmaya devam etmiştir.
Nanoteknoloji son yıllarda en çok ilgi gören bilimlerdendir. Malzeme bileşenlerinin nano boyutta olması malzemenin mekanik, kimyasal, optik, manyetik, elektrik özelliklerinde ciddi değişimlerin meydana gelmesini sağlamaktadır. Nanokompozit kaplamalar yüksek sertlikleri ve aşınmaya karşı daha dirençli yapısıyla günümüz teknolojisinin gelişen ihtiyacını karşılayabilecek potansiyele sahiptir.
Grafen karbon elementinin tek atom kalınlığındaki iki boyutlu (2D) allotropudur. İlk olarak 2004'te Manchester Üniversitesi'nde Prof. Dr. Andre Geim ve Prof. Dr. Konstantin Novoselov tarafından keşfedilmiştir. Yüksek mekanik, elektriksel, optik ve termal özellikleri yönüyle ilgi odağı oluşturmuştur. Sahip olduğu çok özel kristal yapısı ve üstün özellikleri sayesinde grafen ve türevleri, özellikle malzeme bilimi olmak üzere mühendislik ve fen bölümlerindeki çalışmalarda da çok geniş bir alana yayılmıştır. 
Bu çalışmada, grafen nanopartikül ilavesinin akımsız Ni-B kaplama özellikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Başarılı bir Ni-B kaplama yapıldıktan sonra nano boyuttaki grafen partüküllerin takviyesiyle gelişmiş sertlik, aşınma direnci ve yağlayıcılık özelliği elde edilmeye çalışılmıştır. Deney numune malzemesi 316 L paslanmaz çelik seçilmiştir. Aynı şartlar altında elde edilen akımsız Nİ-B ile grafen nanopartikül ilaveli akımsız Ni-B kaplanmış numunelerin kaplama kalınlığı, sertliği ve aşınma direnci gibi özellikleri deneysel olarak incelenmiş ve  değerlendirilmiştir.
Yedi bölümden oluşmakta olan yüksek lisans tezimin ilk bölümünde; tez konusu, akımsız kaplamanın tarihçesi, tezin amacı ve kapsamı hakkında bilgi verilmiştir.
İkinci bölüm, akımsız nikel kaplama özelliklerine, banyo bileşenlerine ve görevlerine ayrılmıştır. Ek olarak kaplama prosesini etkileyen faktörler ve akımsız nikel kaplamanın uygulama alanlarından bahsedilmiştir.
Üçüncü bölümde, bu çalışmada üstün özelliklerinden dolayı tercih edilen akımsız Ni-B kaplamanın mikro yapısı, fiziksel ve mekanik özellikleri, özellikle sertlik ve aşınma direnci üzerinde durulmuştur. Bununla birlikte akımsız nikel bor kaplamalarda birikme mekanizmaları anlatılmıştır.
Dördüncü bölümde, parçacıkların akımsız kaplama banyosuna eklenmesinin yarattığı etkiler anlatılmıştır. Daha sonra tez çalışmasında kullanılan grafenin sahip olduğu özel kristal yapısı ve üstün özellikleri incelenerek grafenin üretim yöntemleri ve kullanım alanlarından bahsedilmiştir.  Son kısmında ise akımsız kaplamalarda nanopartikül ilavesinin ve surfactant kullanımının öneminden bahsedilmiştir.
Beşinci bölüm, akımsız Ni-B ve nano kompozit banyoların kurulumu, banyo bileşimleri ve konsantrasyonları, kaplama öncesi numune malzemelerine yapılan ön işlemlere ayrılmıştır.
Altıncı bölüm, oluşturulan akımsız Ni-B ve grafen ilaveli Ni-B kaplamaların deneysel olarak incelenmesini kapsamaktadır.
En son bölümde ise, elde edilen deneysel sonuçların genel bir değerlendirmesi yapılmış ve literatürdeki değerlerle karşılaştırılarak sonuçlar üzerinde tartışılmıştır.
Yapılan deneyler sonucu numunelerin tüm yüzeylerinde homojen kaplama tabakası elde edilmiştir. Grafen nanopartikül ilaveli numunelerde kaplama kalınlıklarının Ni-B'lu kaplamaların kalınlıklarına oranla daha düşük olduğu, Akımsız Ni-B kaplamaların kaplama hızı 10 μm/saat iken akımsız Ni-B-GNPs kaplamaların hızının 7.5 μm/saat olduğu belirlenmiştir. Kaplama sertlik değerlerinde ise grafen partikül ilavesi ile ciddi bir artış elde edilmiştir. Akımsız Ni-B kaplamalarda kaplama sertliği 800 HV100 iken akımsız Ni-B-GNPs kaplamalarda 1100 HV100 sertlik değerlerine ulaşılmıştır. Bununla birlikte akımsız Ni-B kaplamalara grafen nanopartikül ilavesi aşınma özellikleri üzerindeki olumlu etkisi elde edilen tüm verilerde açıkça görülmüştür. Aynı koşullar altında yapılan deneylerde Ni-B ve Ni-B-GNPs kaplı numunelerin yüzey aşınma miktarları kıyaslandığında grafen nanopartikül ilaveli numunelerde bu değerlerin daha düşük olduğu, grafen nanopartikül katkısının sürtünme katsayısı değerlerinde düşüşe neden olduğu  diğer bir deyişle yağlayıcılık görevi üstelendiği sonucu çıkarılmıştır.

Abstract:
Nowadays, the rapid development of technology has increased the need for materials with superior properties. Since the improvement of the whole mass is costly, physical and chemical properties can be given to the material by simply changing the surface properties, in order to give these materials superior properties.
The electroless plating process takes place by immersing the metallic ion in the plating bath containing the reducer, stabilizer, and other components, and by providing electrons from the chemical reactions in the solution, Without the need for any external energy source, the metal ions are deposited on the sample surfaces. The advantages of the electroless coating which is discovered by Brinnel and Riddel have continued its development in the last 70 years and have spread its use.
In addition to providing superior properties such as electroless nickel coating, a high degree of hardness, resistance to wear and corrosion resistance, and lubricity, the most important advantage is the uniform coating and direct deposition on each surface regardless of the part geometry. When various pretreatments are applied, their applicability not only to metal parts but also to nonmetals, plastics and many other types of materials has allowed the use of electroless nickel coatings to spread over a wide area. Automotive, chemical, petroleum, plastic, optics, computers, electronics, aerospace and defence etc. Electroless nickel coating applications are carried out in many areas.
Ni-P and Ni-B coatings are the most known among the electroless coating types. Although it is widely used to reduce electroless nickel with hypophosphite, it has recently begun to draw attention to reduce electroless nickel with borohydride because the borohydride ion is the strongest reducing agent compared to other reducing agents and the hardness and wear resistance of electroless nickel coatings that borohydride reduces. The combination of properties of boron in terms of excellent lubricant and general thermal tolerance, physical benefits and environmentally friendly properties of coating with electroless method has been a source of interest for researchers, and studies on the development of coating properties have continued to gain importance.
Nanotechnology is one of the most popular sciences in recent years. The nanoscale of the material components enables serious changes in the chemical, mechanical, magnetic, electrical, and optical properties of the material. Nanocomposite coatings have the potential to meet the developing needs of today's technology with their high hardness and more resistance to wear.
Graphene is a single-atom-thick two-dimensional (2D) allotrope of the element carbon. It was discovered by Prof. Dr. Andre Geim and Prof. Dr. Konstantin Novoselov at the University of Manchester, in 2004. It has attracted attention with its high mechanical, electrical, optical and thermal properties. Thanks to its very special crystal structure and superior properties, graphene and its derivatives have spread over a wide area in studies in engineering and science departments, especially in materials science.
In this study, the effects of graphene nanoparticle addition on electroless Ni-B coating properties were investigated. After a successful Ni-B coating, improved hardness, wear-resistance and lubricity properties were obtained by addition nano-sized graphene particles. 316 L stainless steel was chosen for the test material. The properties such as coating thickness, hardness and abrasion resistance of electroless Ni-B coated samples with graphene nanoparticle added electroless Ni-B obtained under the same conditions were examined and evaluated experimentally.
In the first part of this master's thesis, the thesis topic, the history of electroless coating, the aim and the scope of the thesis are given.
The second chapter is devoted to electroless nickel plating properties, bath components and tasks. In addition, factors affecting the coating process and application areas of electroless nickel coating are mentioned.
In the third chapter, microstructure, physical and mechanical properties, especially hardness and wear resistance of electroless Ni-B coating, which is preferred due to its superior properties, are emphasized in this study. In addition, deposition mechanisms in electroless nickel boron coatings are described.
In the fourth chapter, the effects of particles addition on the electroless plating bath are explained. Then, the special crystal structure of graphene used in the thesis and its superior properties were examined and the production methods and usage areas of graphene are mentioned. Finally, the importance of nanoparticle addition and surfactant used in electroless coatings is mentioned.
The fifth chapter is devoted to the setup of electroless Ni-B and nanocomposite baths, bath compositions and concentrations, pre-treatment of sample materials before coating.
The sixth section covers the experimental investigation of electroless Ni-B and graphene addition on Ni-B coatings.
In the last section, a general evaluation of the obtained experimental results is made and the results are discussed and compared with the values in the literature.
As a result of the experiments, a homogeneous coating layer was obtained on all surfaces of the samples. It was determined that the coating thickness of graphene nanoparticle added samples was lower than that of Ni-B coatings, while the coating speed of electroless Ni-B coatings was 10 μm / hour, while the speed of electroless Ni-B-GNPs coatings was 7.5 μm / hour. A serious increase was obtained in the coating hardness values with the addition of graphene particles. While the coating hardness is 800 HV 100 in electroless Ni-B coatings, it has reached 1100 HV 100 in electroless Ni-B-GNPs coatings. However, the positive effect of the addition of graphene nanoparticles on electroless Ni-B coatings on wear properties was clearly seen in all data obtained. In the experiments conducted under the same conditions, it was concluded that these values were lower in the graphene nanoparticle added samples when the surface abrasion amounts of the Ni-B and Ni-B-GNPs coated samples were compared, and the graphene nanoparticle additive caused a decrease in the friction coefficient values, in other words, it assumed the role of lubrication. In addition, it caused a decrease in the friction coefficient values of the graphene nanoparticle addition.