بخشی از مقاله
چکیده
آلومینیوم و آلیاژهای آنبه خاطر سختی نسبتاً پایین و ضریب اصطکاک بالا، مشخصات تریبولوژیکی ضعیفی دارند و باید پوششدهی شوند، اما پوششهای نازک سخت را بطور مستقیم نمیتوان روی آنها اعمال نمود. در این تحقیق قبل از اعمال پوشش سخت نیتریدی روی آلیاژ آلومینیوم، از پوشش نیکل- فسفر به عنوان لایه میانی استفاده شده است. لایه میانی به روش الکترولس در دو ضخامت 10 و 20 میکرومتر روی آلیاژ آلومینیوم 6061 ایجاد و سپس پوشش نیتریدی چندلایه نیترید تیتانیوم- کروم رسوب فیزیکی بخار با فرایند قوس کاتدی در دو ضخامت 2 و 4 میکرومتر رسوب داده شد. سختی نمونهها پس از رسوب پوشش میانی بهبود یافت و به حدود 600 ویکرز و بعد از رسوب پوشش نیتریدی به بیش از 2000 ویکرز رسید. شناسایی فازهای موجود در پوششها توسط پراش پرتو ایکس - XRD - انجام شد و سختی آنها بوسیله میکروسختی سنجی اندازهگیری شد. چسبندگی پوشش نیتریدی توسط آزمونهای خراش و فروروش و رفتار سایشی و اصطکاکی نمونهها توسط دستگاه پین روی دیسک ارزیابی شد. یافتههای آزمایشگاهی حاکی از بهبود سختی زیرلایه آلومینیومی با اعمال لایه میانی و چسبندگی بیشتر نمونه حاوی نیکل- فسفر نسبت به نمونه بدون لایه میانی بود. با قرار گرفتن لایه میانی بین پوشش و زیرلایه آلومینیومی، ضریب اصطکاک در آزمون سایش بیشتر شد.
واژههای کلیدی: آلومینیوم؛ لایه میانی؛ پوشش نیکل- فسفر؛ پوشش سخت نیتریدی، تریبولوژی.
مقدمه
با توجه به نیاز به ساختارهای سبک و مستحکم، امروزه آلیاژهای آلومینیوم در بسیاری از فرایندهای تولید مطرح میشوند. آلیاژهای آلومینیوم سری 6000 با توجه به نسبت استحکام به وزن بالا، خواص مکانیکی مطلوب و مقاومت به خوردگی عالی، در صنایع هوا فضا و خودروسازی کاربرد فراوانی دارند. با وجود مزایای ذکر شده، این آلیاژها دارای معایبی مانند ضریب اصطکاک بالا در بعضی کاربردها، رفتار سایشی ضعیف و پایداری حرارتی کم هستند. تقاضای رو به رشد برای بهبود عملکرد این آلیاژها موجب تلاش برای افزایش بیشتر خواص سطحی آنها شده است .[1] ایجاد پوششها در حالت کلی ارتقای خصوصیات سطح با کارایی و کیفیت برتر را به همراه دارد .[2]
در میان روشهای مختلف اصلاح سطح، رسوب فیزیکی بخار - PVD - به طور موفقیت آمیزی برای گسترش استفاده از آلیاژهای گوناگون مورد استفاده قرار گرفته است. به عنوان مثال، لایههای مختلف نیترید برای بهبود خواص سطح زیرلایه مورد استفاده قرار میگیرند. فرایند قوس کاتدی، یکی از این روشهای PVD است که به دلیل بالا بودن میزان سرعت رسوب و قدرت چسبندگی خوب، به طور گستردهای مورد استفاده قرار گرفته است .[3] پوششهای نیترید فلزات دارای خواص فیزیکی شیمیایی منحصر به فرد هستند. خواص سایشی، مغناطیسی، الکترونیک، مکانیکی، شیمیایی و ... این پوششها را برای کاربردهای صنعتی مانند ماشینکاری با سرعت بالا، ابزار دقیق، کاربرد اپتیک و دستگاه های ذخیره سازی مغناطیسی جذاب میسازد. نیتریدهای فلزات مانند نیترید تیتانیوم - TiN - ، نیترید کروم - CrN - و نیترید تیتانیوم-کروم - TiCrN - به طور گستردهای به عنوان پوشش محافظ فوقالعاده سخت برای افزایش عمر و عملکرد ابزار برش و قالبگیری بکار میروند .[4]
پوششهای PVD به تنهایی نازک هستند و ضخامت آنها بطور معمول در گستره یک تا چند میکرومتر است، به این دلیل بارپذیری کمی روی زیرلایههای با سختی پایین دارند. به همین دلیل برای بهبود خواص این نوع پوشش و جهت پیوند قویتر بین پوشش و زیرلایه استفاده از لایه میانی که با روشهای مختلفی تولید میشود، ضرورت دارد. برقراری چسبندگی مناسب بین پوشش و زیرلایه نقش تعیین کنندهای در خواص مکانیکی و عملکرد قطعات دارد. رسوب لایه میانی قبل از پوشش نیتریدی رسوب فیزیکی بخار، چسبندگی و عملکرد آن را بهبود میبخشد. رسوب الکتریکی و الکترولس نیکل - فسفر از جمله روشهایی است که برای ایجاد لایه میانی بکار گرفته شدهاند. انتظار میرود استفاده از این پوششها به عنوان لایه میانی باعث بهبود خواص چسبندگی و بارپذیری گردد 5] و .[6
نتایج تحقیقاتی نشان میدهد که در پوششهای PVD استفاده از لایه میانی باعث بهبود خواص سطحی میشود. اما پژوهشهایی که در سالهای اخیر انجام شده است،غالباً به موضوع مقاومت خوردگی و سایشی پوششها پرداخته و چسبندگی و بارپذیری بسیار محدودتر مطرح شده است .[7] از این رو مطالعه مکانیزم بهبود بارپذیری و چسبندگی قطعه پوششداده شده، تحقیقات بیشتری را میطلبد. در این تحقیق تأثیر لایه میانی Ni-P بر چسبندگی و بارپذیری پوشش نیترید تیتانیوم- کروم روی آلیاژ آلومینیوم مورد ارزیابی قرار گرفته است.
مواد و روش تحقیق
نمونه های دیسکی شکل از آلیاژ 6061 آلومینیوم انتخاب و به قطر 5 سانتیمتر آمادهسازی شد. ترکیب آلیاژ در جدول 1 آمده است. به منظور ایجاد پوشش نیکل- فسفر از حمام با 4/5 -4/8 pH و دمای 85- 90 درجه سانتیگراد استفاده شد. در این تحقیق از محلول تجاری الکترولس SLOTONIP 70A ساخت شرکت اشلوتر آلمان برای ایجاد پوشش بر سطح زیرلایهها استفاده گردید. این محلول ویژه فلزات و غیرفلزات بوده و سرعت رسوب در این حمام 18-22 میکرون در ساعت است. جهت ساخت حمام به حجم یک لیتر، اجزای حمام با هم مخلوط گردیده و با افزودن آب مقطر حجم محلول به یک لیتر رسانده شد. روی سطح نمونهها آمادهسازی اولیه انجام شد و نمونه ها قبل از قرارگرفتن در حمام به مدت 10 دقیقه با آلتراسونیک چربیزدایی شدند.
در مرحله بعد، نمونهها به مدت 3 دقیقه برای حذف فیلمهای اکسیدی سطح در دمای 80 درجه سانتیگراد در محلول 10 درصد حجمی هیدروکسید سدیم قرار گرفتند و ادامه کار با مخلوطی از اسیدها شامل 55 ml HNO3 - ، 20 ml H2SO4 ، - 25 ml HF به مدت 1 دقیقه انجام شد . در انتها در محلول 30 درصد حجمی هیدروکلریک اسید به مدت 30 ثانیه فعال شدند و درون حمام الکترولس قرار گرفتند. برای بهبود چسبندگی از محلول زینکاته استفاده شد. زمان آبکاری 1 ساعت در نظر گرفته شد و بین هر مرحله، نمونهها در آب مقطر شسته شدند و وارد حمام الکترولس شدند.
اعمال پوشش PVD به روش قوس کاتدی صورت گرفت. برای بررسی سختی، از دستگاه سختی سنج ویکرز و برای ارزیابی کیفیت سطح از دستگاه زبریسنج استفاده شد. چسبندگی پوششها به وسیله ایجاد اثر فرورونده راکول روی سطح پوشش مطابق استاندارد VDI 3198 توسط دستگاه سختیسنج به کمک فروروندهای به قطر 200 میکرون انجام گرفت.
رفتار سایشی و ضریب اصطکاک نمونهها توسط دستگاه پین روی دیسک در بار اعمالی 50، 100 و 200 گرم ارزیابی شد. ضریب اصطکاک در هر مورد اندازهگیری شده و به صورت نمودار ضریب اصطکاک- مسافت ارایه شده است. برای مطالعه ساختار نمونهها از میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM و برای تحلیل فازی از دستگاه پراش پرتو ایکس XRD استفاده شد.
