Akımsız Ni-B-MO kaplamaların abrazif ve korozif özelliklerinin incelenmesi
Investigation on the abrasive and corrosive characteristics of electroless Ni-B-MO platings
Yazar: İHSAN GÖKHAN SERİN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ALİ GÖKŞENLİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Makine mühendisliği alanındaki hasar doğurucu faktörlerin en önemlileri aşınma, yorulma ve 
korozyondur. Makine parçalarının hasar görüp işlev görememesine sebebiyet veren bu 
faktörlerle mücadele etmek için yüzey mühendisliği başlığı altında bir dizi iyileştirme 
işlemine gidilir. Yüzey mühendisliği, mühendislik bileşenlerinin yüzeylerinin işlevlerini 
iyileştirmek ve servis ömürlerini artırmak amacıyla gerçekleştirilen çok disiplinli bir 
faaliyettir. Yüzey mühendisliği başlığı altındaki lazer ile eritme, bilya ile sertleştirme, 
karbürleme, nitrürleme, akımsız kaplama ve kimyasal buhar biriktirme gibi işlemlerle 
malzemelerin korozyon dayanımları, aşınma dirençleri, yorulma dayanımları, tokluk 
dayanımları, elektronik ve elektriksel özellikleri artarken, sürtünme enerjisi kayıpları azalır.
Yüzey mühendisliğinin malzemeye bir yüzey tabakası veya kaplama ekleyen yöntemlerinden 
biri olan akımsız nikel kaplamalar parçanın şekil ve boyutlarından etkilenmeksizin her yerde 
eşit kalınlıkta kaplama oluşturulabilmesi, istenilen kalınlıkların kontrol edilebilmesi, kaplama 
sertliğinin ilave metal ile değiştirilebilmesi, düşük işçilik maliyeti, farklı mühendislik 
malzemelerine uygulanabilmesi, otokatalitik reaksiyon oluşumu gibi özellikleri ile öne çıkan 
bir yüzey sertleştirme yöntemidir. Akımsız nikel kaplamalar, otomotivden havacılığa, 
elektrik-elektronikten müzik enstrümanlarına geniş bir alanda yüksek korozyon dayanımı ve 
yüksek aşınma dayanımı sağlamak amacıyla tercih edilmektedir.
Akımsız nikel kaplamalar; nikel kaynağı, indirgeyici, dengeleyici, kompleks oluşturucu ve 
enerji kaynağının mevcudiyetindeki banyolara kaplanacak malzemenin yerleştirilmesi ile 
gerçekleştirilir. Akımsız nikel kaplamaların nikel-bor, nikel-fosfor ve dubleks kaplama 
şeklinde çeşitleri mevcuttur. Kaplama banyosuna tungsten, bakır ve molibden gibi ilave 
metallerin ilavesi ile akımsız kaplamaların çeşitleri artırılabilir. 
Bu çalışma kapsamında gelişmekte olan akımsız nikel kaplama yönteminde St 37 çeliği altlık 
malzemesinin üzerine Nikel-Bor-Molibden kaplamalar yapılmış ve bu kaplamaların 
özellikleri incelenmiştir. Farklı sıcaklıklarda tavlanmış olan numuneler ile sıcaklığın 
kaplamanın korozif ve aşınma özelliklerini nasıl değiştirdiği gözlemlenmiştir. Ergime 
sıcaklığı ve dayanımı oldukça yüksek olan bir element olan molibdenin Nikel-Bor 
kaplamaların özelliklerini olumlu ya da olumsuz nasıl değiştirdiği gözlemlenmeye 
çalışılmıştır. Molibdenin daha önce nikel-bor kaplamalarda alaşım elementi olarak 
kullanıldığı bir çalışma bulunmadığı için elde edilen veriler oldukça önemlidir.
Bu tez çalışması toplamda sekiz bölümden oluşmaktadır. Her bölüm kısaca özetlenecek 
olursa; 
Birinci bölümde, çalışmanın amacı, kapsamı, gerçekleştirilecek deneyler ve elde edilmesi 
beklenen sonuçlar hakkında kısaca bilgiler verilmiştir.
İkinci bölümde, yüzey sertleştirme işlemleri hakkında bilgi verilmiştir. Literatürdeki işlemler 
yüzeyin metalürjisini değiştiren yöntemler, yüzeyin kimyasını değiştiren yöntemler ve bir 
yüzey tabakası veya kaplama ekleyen yöntemler olarak sınıflandırılmış ve her kategorideki 
yüzey sertleştirme işlemine örnekler verilmiştir. Yüzey metalürjisini değiştiren yöntemlerden 
indüksiyon ve lazer sertleştirmesi, yüzey kimyasını değiştiren yöntemlerden karbürleme
borürleme, nitrürleme, karbonitrürleme gibi yöntemler, bir yüzey tabakası veya kaplama 
ekleyen yöntemlerden de akımsız kaplama, giydirme ve püskürtme uygulamaları uygulama 
sıcaklıkları, süreleri ve altlık malzemeleri ile tüm proses detaylarıyla birlikte açıklanmıştır.
Üçüncü bölümde, akımsız nikel kaplamanın; kaplanacak malzemenin boyutlarından 
etkilenmeksizin her yerde eşit kalınlıkta kaplama yapabilmesi, istenilen kaplama 
kalınlıklarının kontrol edilebilmesi, ucuz işçilik maliyeti, farklı malzeme çeşitlerine 
uygulanabilirliği, aşınma ve korozyon dayanımlarında sağladığı artış gibi avantajlarından 
bahsedilmiştir. Ayrıca kaplamalarda kullanılan kimyasalların maliyeti, yavaş kaplama hızları 
ve kaplamaların düşük kaynak kabiliyeti gibi akımsız nikel kaplamanın sınırları açıklanmıştır. 
Ek olarak kaplama banyosunda nikel kaynağı, indirgeyici, dengeleyici, kompleks oluşturucu 
olarak kullanılabilecek malzemeler belirtilmiş ve çalışma kapsamında bu malzemelerden 
hangilerinin kullanıldığı açıklanmıştır. Bu bölümde son olarak kaplamaya etki eden faktörler 
olan sıcaklık, ph değeri, kaplanacak toplam alan, kaplanacak malzeme cinsi, kaplama yüzeyi, 
kaplama banyosunun yaşı gibi faktörler açıklanmış ve akımsız nikel kaplamanın hangi 
alanlarda kullanıldığından bahsedilmiştir. 
Dördüncü bölümde, akımsız nikel borun faz diyagramı hakkında bilgi verilmiş, kaplamanın 
fiziksel özellikleri ve mekanik özelliklerine değinilip uygulama alanlarına örnekler 
verilmiştir.
Beşinci bölümde, akımsız nikel-bor kaplamaya molibdenin eklenmesi ile ne gibi 
değişikliklerin bekleneceği ve çalışmanın referans değer olarak hangi kaplamalar ile 
karşılaştırılacağı hakkında bilgi verilmiştir.
Altıncı bölümde, kaplama işlemi ve kaplama sonrası gerçekleştirilen deneyler hakkında bilgi 
verilmiştir. Bu bölümde öncelikle deney numuneleri olan St 37 çeliğinden imal edilmiş yarım 
Charpy ve yarım polarizasyon numuneleri tanıtılmıştır. Banyo öncesi bu numuneler 
yüzeyindeki yağ, kir ve pas gibi katışıkları uzaklaştırmak için gerçekleştirilen etil alkol ile 
temizleme, trikloretilen çözeltisine daldırma, hidroklorik asit çözeltisinde dağlama 
basamakları ayrı ayrı anlatılmıştır. Daha sonra banyo kurulumu ve banyoya eklenen çözeltiler 
hakkında detaylı bilgi verilmiştir. Nikel banyosu, indirgeme çözeltisi ve dengeleyici 
çözeltinin oluşturulmasında hangi kimyasallardan hangi sırada ve ne kadar kullanılması 
gerektiği hakkında detaylı bilgi verilmiştir. Bu bölümün son kısmında çalışma kapsamında 
gerçekleştirilen deneyler olan; kaplama kalınlığı ölçümü, kaplama sertliği ölçümü, ball on 
disk mekanizmalı aşınma cihazında sürtünme katsayısı tayini, profilometre yardımı aşınma 
izinin özelliklerinin tayini, taramalı elektron mikroskobu ile kaplama yüzeyi görüntülenmesi, 
x ışınları difraktometresi ile amorf yapıdan tanecikli iç yapıya geçişin başladığı sıcaklığın 
tayini, hidroklorik asit ve sülfirik asit çözeltilerine batırılmış numunelerle korozyon dayanımı 
tespitinde kullanılan daldırma deneylerinin hangi model cihazlarla ve yöntemlerle nasıl 
gerçekleştirildiği hakkında bilgi verilmiştir.
Yedinci bölümde, altıncı bölümde açıklanmış olan deneylerden elde edilen sonuçlar 
paylaşılmıştır. Ölçülen sertlik değerleri tablo halinde, aşınma testi sonuçları sürtünme 
kuvvetini veren grafikler halinde, taramalı mikroskop sonuçları çeşitli büyütmelerdeki yüzey 
fotoğrafları şeklinde, daldırma deneyi sonuçları ise günlük yapılan kütle kaybı ölçümlerinin 
grafiğe dönüşmüş şekliyle sunulmuştur.
Sekizinci ve son bölümde çalışma kapsamında gerçekleştirilen deneyler sonucu elde edilen 
veriler değerlendirilmiş ve molibdenin nikel-bor kaplamaların özelliklerine etkisi ve farklı 
kaplama sıcaklığının nikel-bor-molibden kaplamalarının aşınma ve korozyon özelliklerini xix
nasıl değiştirdiği yorumlanmıştır. Çalışma sonucunda çok sert bir metal olmasına rağmen 
molibdenin nikel-bor ve nikel-bor-tungsten kaplamara göre sertlik ve aşınma dayanımını 
düşürdüğü gözlemlenmiştir. Molibdenli numunelerde meydana gelen aşınma mekanizmasının 
adhezif olduğu kanaatine varılmıştır. Molibdenli kaplamaların korozyon dayanımında bir 
miktar iyileşme gözlemlenmiş ancak bu iyileşmenin nikel-bor seviyesinde olmadığı 
görülmüştür. En yüksek korozyon dayanımının 550 C de tavlanmış numunelerde elde edildiği 
gözlemlenmiştir.

Abstract:
Abrasion, corrosion and fatigue are the most important factors that causing damage in the 
mechanical engineering. There are some methods under the title of surface engineering in 
order to strive the factors like mechanical parts suffering damage and halting functions. 
Surface engineering is an extensive field of mechanical engineeing which can increase the 
service life and regenerate surface condition of engineering materials. Procedures like shot 
peeling, carburizing, nitriding, boriding, electroless plating and chemical vapour 
decomposition under the head of surface engineering are used to enhance corrosion resistance, 
abrasion resistance, fatigue strength, tuoghness strength, electrical characteristic and reduce 
loss of frictional energy.
Electroless nickel plating which is a method in suface engineering to add a new layer or 
coating to a material is a prominent way to surface hardening without chancing the spahe and 
dimensions of component, creating a uniform coating, having a good control on the thickness 
of coatings, chancing the hardness of coating by additional metals, having low labor cost, 
being able to apply on vastly different materials and reacting auto catalytic. Electroless nickel 
plating is prefered on wide range of use in both automative, aeronautics, electronic and 
musical instruments in order to obtain high corrosion resistance and wear resistance.
This kind of coatings are implemented by housing the material that will be coated in a bath 
which consist of the source of nickel, reduction solution, stabilizer solution and complex 
former. Electroless nickel coating has types like Nickel-Boron, Nickel-Phosphorus and double 
coating. Electroless nickel coating can be diversified by adding Tungten, Copper and 
Molybdenum to the plating bath.
In this work, St 37 steel has been coated with Nickel-Boron-Molybdenum by using electroless 
nickel plating technic and these coated materials have been observed. By applying different 
heat treatments to the samples, variance of corrosive and wear properties of materials have 
been observed. The impact of Molybdenum, is an element which has considerably high 
melting point and toughness, has been observed if there is a positive or negative influence on 
Nickel-Boron plating. The datas that have been acquired are substantially important because 
of the fact that there has not been another study on Nickel-Boron plating using alloy element 
as Molybdenum.
This thesis consists of eight chapters. In summarize;
In the first chapter, the purpose of the work, the experiments that will be performed and the 
expected datas after experiments have been covered.
In the second chapter, there are informations about the process of surface hardening. 
Treatments have been categorized as procedures that change the metallurgic properties of 
surface, procedures that change the chemical proreties of surface and procedures that add a 
surface layer or coating. The instances for every category have been given. Induction and xxii
laser peening which are procedures that change the metallurgic properties of surface, 
carburizing, nitriding, boriding, carbonitriding which are procedures that change chemical 
properties of surface and electroless plating, gladding, spraying which are procedures that add 
a surface layer or coating are explained with heat, duration and supporting materials.
In the third chapter, having a uniform coating without being affected by the dimensions of 
samples, low labor cost, applicability on different materials, increment of wear resistance and 
corrosion resistance which are advantage of Nickel plating can be found in this chapter. 
Furthermore the boundaries of Nickel plating like costs of chemicals that have been used in 
platings, slow coating speed and low resource capability have been explained. Additively the 
materials that can be used for Nickel source of bath, reduction solution, stabilizer solution, 
complex former are explained. In this chapter lastly the factors that effect coating such as 
heat, ph value, coating area, type of material, plating surface, the age of plating bath have 
been explained and in which areas electroless nickel plating is used have been mentioned.
In the fourth chapter, informations about phase diagram of electroless Nickel-Boron plating 
can be found. The physical and mechanical properties of coating have been mentioned and the 
instances about application fields have been given.
In the fifth chapter, what kind of alterations can be expected after adding Molybdenum to the 
Nickel-Boron plating and which platings will be used for reference have been mentioned.
In the sixth chapter, the plating process and after the process experiments have been 
explained. In this chapter first of all half Charpy, made of St 37 steel, and half polarization 
samples have been introduced. Cleaning with ethyl alcohol, immerging trichloroethylene 
solution, etching in hydrochloric acid in order to get rid of dirt, rust and oil on the samples 
before the bath have been explained seperately. Thereafter setup of coating bath and the 
solutions that will be added to the bath have been detailed. Informations about which 
chemical has been added in which order, in what amount during the preperation of reduction 
solution and stabilizer solution have been given.
Lastly in this chapter, what kind of devices have been used and what kind of method have 
been used in experiments such as measurement of coating thickness, measurement of coating 
hardness, determining friction factor by using ball on disk wear machine, determining 
specifications of abrasion mark by porfilometre, scaning the coating surface with scanning 
electron microscopy, determining the heat at transition from amorphous to granular structure 
by using xray diffraction, determining corrosion resistance of the samples that are immerged 
into hydrochloric acid and sulphuric acid.
In the seventh chapter, results of the experiments that have been mentioned in the previous 
chapter. Results have been delivered in various forms; measurement of hardness values in 
tables, results of abrasion tests in graphs that give friction force, results of scanning electron 
microscopy as photographs in various scales, results of preece tests as graphs by the lost of 
mass measured daily.
In the eighth and the last chapter, the datas which are result of performed experiments have 
been evaluated. The impact of Molybdenum on Nickel-Boron platings and how corrosion and 
abrasion characteristics of Nickel-Boron-Molybdenum paltings have been changed in various 
coating heatings have been interpreted. As a result of work, it has been observed that 
Molybdenum decreases the wear and hardness resistance in proportion to Nickel-Boron and xxiii
Nickel-Boron-Tungsten platings, even though Molybdenum is relatively hard metal. It has 
been reached to conclusion that occured abrasion mechanism is adhesive. Somewhat 
improvement has been observed on corrosion resistance of Molybdenum platings, on the 
other hand that improvement is not as much as Nickel-Boron platings. The highest corrosion 
resistance has been observed on the samples that have been annealed at 550 C