بخشی از مقاله
بررسی تأثیر پارامترهای الکتروپولیش برصافی سطح فولاد و چسبندگی
پوشش کروم سخت روی آن
چکیده
الکتروپولیش علاوه بر این که یک روش تمام کاری و پرداخت مناسب سطح در بسیاری از کارهای آزمایشگاهی است، روش بسیار مناسبی برای آمادهسازی سطح برای نشاندن پوشش نیز میباشد. از مهمترین پارامترهای صـنعتی برای تعیین کیفیت و دوام پوششها، میزان چسبندگی آنهـا مـیباشـد. تـأثیر الکتروپـولیش در میـزان چـسبندگی پوشش کروم سخت بررسی و به منظور تعیین چسبندگی از آزمون خراش به همراه بررسیهـای براقیـت سـنجی و نیز میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی استفاده شـد. نتـایج آزمـایشهـای متعـدد نـشان داد کـه فراینـد الکتروپولیش موجب افزایش چشمگیر چسبندگی پوشش کروم سخت شد اما این میزان به نـوع محلـول مـصرفی، زمان و چگالی جریان بستگی دارد. نتایج نشان دادکه افزایش زمان الکتروپولیش نمونهها در چگـالی جریـانهـای بالای 25A/dm2 موجب کـاهش زبـری سـطح، افـزایش براقیـت و افـزایش چـسبندگی مـیگردیـد. رابطـه میـان چسبندگی و زبری سطح که با استفاده از الکتروپولیش حاصل میشود، نشانگر ایـن موضـوع اسـت کـه اسـتحکام اتصال جنبه قفل شدن مکانیکی کمی دارد و بیشتر تابع تئوریهای نفوذ و اتصال شیمیایی است.
واژههای کلیدی: الکتروپولیش، کروم سخت، چسبندگی، آزمون خراش
مقدمه
آبکاری کروم سخت به روش رسوب الکتریکـی یکـی از پرمـصرفتـرین پوشـشهـا بـه منظـور افـزایش مقاومت در برابر سـایش اسـت. بـا توجـه بـه کاربردهـای حـساس ایـن پوشـش در صـنایع خودروسـازی، هوا وفضا و … چسبندگی با زیرلایه یکی از پارامترهای مهم برای کیفیـت و افـزایش عمرکـاری قطعـات پوشــش شــده بــه حــساب مــیآیــد. یکــی از روشهــای مناســب افــزایش چــسبندگی اســتفاده از فراینــد الکتروپولیش قبل از آبکاری میباشد. در این فرایند با قرار گرفتن قطعه در محلول مناسب بهعنـوان آنـد و برقراری جریان، فیلم آندی بر روی قطعه تشکیل شده و موجب برداشت یکنواخت و کنترل شده از سطح میشود. الکتروپولیش سطح فلز را برای پـذیرش یـک پوشـش آبکـاری یکنواخـت بـا تخلخـل کـم و بـا بالاترین استحکام پیوندی (Adhesion) آماده میکند. این امر بهویژه برای پوششهای کروم و نیکـل کـه در معرض سایش یا خوردگی خستگی میباشند، اهمیت خاصی دارد و موجب کاهش گـره هـای پوشـش میگردد1]،2و.[3 روشهای آزمایش چسبندگی پوششها به دو نوع کمـی و کیفـی تقـسیم مـیشـوند. از میان این روشها اغلب محققان روش خراش (Scratch test) رابه عنوان یک روش کمی ترجیح میدهند
.[4] آزمایش خراش بهوسیله کشیدن یک قلم الماسه با نوک کروی تیز بر روی سـطح پوشـش داده شـده انجام میشود. بار اعمالی به صورت پیوسته یا پلهای افزایش مییابد تا به حـدی برسـد کـه تخریـب اتفـاق بیفتد. این بار عمودی بحرانی به عنوان معیار نیمه کیفی چسبندگی پوشش و زیر لایه بکار میرود و یـا بـه جای آن میتوان از کار چسبندگی به دست آمده از این بار عمودی بحرانی استفاده کـرد. لحظـه تخریـب پوشش میتواند به وسیله میکروسکوپ نوری، انتشار صوت (AE) و اندازهگیری ضریب اصطکاک پایش شود.[6] از آنجا که هیچکدام از این روشها به تنهایی به اثبات نرسیدهاند، لذا یک روش آزمایش دیگـر مانند بررسی با SEM نیز باید بر روی نمونهها انجام شود.[6] آسانترین روش بررسی کردن، آزمون خراش میکروسکوپ نوری است. مسافت بین نقطه شروع خراش و ایجـاد تخریـب انـدازهگیـری شـده و بـه نیـرو مرتبط میگردد.
مواد و روش تحقیق
نمونهها از جنس فولاد با استاندارد DIN 1.6959 با ضخامت 5 میلیمتر و بـه قطـر 90 میلیمتـر تهیـه شـدند.
سختی نمونهها حدود 40±1 Rc بود. پس از سنگ زدن سطح نمونهها به وسیله دستگاه سـنگ مغناطیـسی، صافی سطح آنها به وسیله دستگاه DIAVITE MT-3 در سه جهت موازی، عمود و بـا زاویـه 45 درجـه نسبت به خطوط ناشی از سنگ مغناطیسی قبل و بعد از الکتروپـولیش انـدازهگیـری شـد و میـانگین آنهـا بهعنوان صافی سطح نمونهها، Ra، در نظر گرفته شد. نمونهها در سه نوع محلول الکتروپولیش مختلف قرار گرفتند و مطابق شرایط درج شده در جدول 1 عمل الکتروپولیش بر روی آنها انجـام شـد. الکتروپـولیش
در هر یک از شرایط ذکر شده دو بار تکرار شد. برای آبکاری کروم سخت از محلول استاندارد با غلظت 250 g/lit با نسبت اسید سولفوریک به اسید کرومیک 1 به 100 استفاده شد. دمای آزمایشهـا 52±1°C و چگالی جریان اعمالی 40 Adm-2 بود. زمان پوشش دهی 3 ساعت در نظر گرفته شد. پس از پوشـشدهـی نمونهها به منظور هیـدروژنزدایـی بـه مـدت 1 سـاعت در دمـای 200 درجـه سـانتیگراد قـرار داده شـدند.
ضخامت سنجی نمونههـا بـه وسـیله ضـخامت سـنج اولتراسـونیک Sonatest مـدل C-Gage انجـام شـد.
براقیت نمونهها به وسیله دستگاه براقیت سنج Elcometer (Glossmeter)405 مـدل mirror-TRI-gloss
، در دو زاویه 20 و 60 درجه، چهار بار اندازه گیری شد که مقدار میانگین آن بـهعنـوان براقیـت نمونـه در هر زاویه در نظر گرفته شد. نمونهها پس از آبکاری به منظور تعیین چسبندگی تحت آزمایش خراش قـرار گرفتند. در این دستگاه افزایش پیوسته نیروی فشاری توسط دو فنر تأمین میشود کـه صـفحه قـرار گیـری نمونه به آن دو متصل شده است. برای حرکت رو به جلوی تیغه الماسه نیز دستگاه بـر روی یـک دسـتگاه تراش بسته شد و با حرکت دستگاه به سمت تیغه، این جابجایی نـسبی بـه دسـت آمـد. زاویـه صـفحه قـرار گرفتن نمونه 16 درجه و از دو فنر با ضریب ثابت 2/45 N/mm در آن استفاده شد. مقدار افزایش طـول فنرها به ازاء 49 نیوتن، برابر با 20 mm و طول اولیه فنرها 7/8 سانتیمتر بود. برای خراش از الماسـه قیراطـی با مشخصات 1/25 ct با زاویه رأس 124 درجه و شعاع0/2 میلیمتر استفاده شد. طول مسیر حرکـت تیغـه بر روی نمونهها 8 سانتیمتر و سرعت حرکت نیز 10 cm/min در نظر گرفته شد. با توجه بـه کـافی نبـودن میزان نیرو در دستگاه طراحی شده برای برداشتن پوشش کروم سخت از روی فلز پایه، هـر مـسیر بـر روی نمونهها سه بار توسط عبور الماسه خراش داده شد تا زیر لایه دیده شود. برای حـصول از نتـایج و بررسـی مقطع پوششها از میکروسکوپ الکترونی استفاده شد. میزان تخریـب در پوشـش بوسـیله دو نقطـه معـین شد.-1 شروع کنده شدن مقطعی و ناپیوسته از سطح، -2 برداشته شدن کامل پوشش و مشخص شدن زیـر لایه بطور یکنواخت. فاصله نقاط از شروع خراش به وسیله کولیس و به کمک میکروسکوپ نوری جهت تعیین دقیق محل برداشته شدن پوشش، اندازهگیری شـد. هـر آزمـون خـراش دو بـار تکـرار شـد و مقـدار میانگین به عنوان فاصله تخریب در نظر گرفته شد.
یافتهها
میانگین بهبود صافی سطح در محلول های مختلف در شکل1 آورده شده است. تأخیر در خروج نمونـه از محلول افزایش یـا کـاهش زمـان و عـدم شستـشوی سـریع محلـول از سـطح پـس از قطـع جریـان موجـب خوردگی یا اچ سطح شده و میزان Ra و کیفیت و براقیت سطح را تحت تأثیر قرار میدهد. تغییرات ولتاژ در هر محلول بر اساس تغییرات چگالی جریان که مشخص کننده نواحی الکتروپولیش و اچ مـیباشـد، در شکل 2 مشخص شده است. چگالی جریانهای مورد استفاده در محلول فاست در دماهای 70 و50 درجـه
سانتیگراد همگی در شرایط مناسب الکتروپولیش قرار دارند. در محلولهای 50-50 و مک کورمیـک بـه ترتیب چگالی جریان 11 و 22 آمپر بر دسیمتر مربع، قبـل از شـرایط الکتروپـولیش و در حالـت اچ کـردن میباشد(شکل.(2 در منابع [10-8] ذکر شده است کـه میـزان کـاهش Ra تـا حـد 50 درصـد بـه صـورت معمول توسط الکتروپولیش بدست میآید، در حالی که کاهش بیشتر Ra مستلزم برداشت بیـشتر از سـطح میباشد و زمان بسیار طولانی میباشد. در نمودار شکل 1 نیز مشاهده میشود که زمان بین 20 تا 30 دقیقـه در محلولهای مککورمیک و فاست اختلاف چنـدانی نداشـته و میـزان کـاهش Ra بـه عـدد 50 درصـد نزدیک میشود. با دو برابر شدن زمان در محلول 50-50 کاهش Ra نیز دوبرابـر شـده کـه نـشان مـیدهـد زمان الکتروپولیش در این محلول کافی نیست. در محلـول مـک کورمیـک بـا افـزایش 200درصـد زمـان الکتروپولیش درصد کاهش Ra نسبت به حالت اولیه سطح تنها 9/3درصد افزایش یافتـه اسـت. در نمـودار شکل 1 مشخص شده است که برای محلول مک کورمیک زمان 10 دقیقه زمان مناسبی از لحاظ عملکـرد کاهش زبری بوده و افزایش بیشتر لزومی ندارد. در محلـول فاسـت افـزایش زمـان بـه همـراه افـزایش دمـا موجب بهبود صافی سطح شده و دلیل آن فعالتر شدن محلول در دمای بالاتر میباشد. بعد از الکتروپولیش براقیت سنجی بر روی نمونهها انجام گردید که نتایج آن در شکل 3 آورده شده است. نتایج بدست آمـده نشان میدهد که براقیت با افزایش چگالی جریان افزایش یافتـه اسـت. براقیـت بـه ترتیـب در محلـولهـای
50-50، فاست و مک کورمیک افزایش یافته است. در فرایند الکتروپولیش با ایجـاد جریـان بـین کاتـد و آند بر روی آند که قطعه مورد آزمایش است، لایه دوبل تـشکیل مـیشـود. سـرعت برداشـت از سـطح و نحوه برداشت که منحصر به نقاط تیز و برجسته سطح میگردد. بسته به حد غلظتی ایـن لایـه ، ضـخامت و کمپلکسهایی دارد که در این لایه با توجه به محلول الکتروپولیش تشکیل میشود. شدت جریان مناسـب برای الکتروپولیش IL یا همان جریان حد غلظتی در لایه دوبل تشکیل شده بر روی سطح آند میباشد. در این صورت جریان مناسب برای الکتروپولیش تابعی از کمـپلکسهـای تـشکیل شـده در مجـاورت سـطح خواهد بود. این کمپلکسها در محلول 50-50 شامل آنیونهای فـسفات و سـولفات و ترکیبـات آنهـا بـا کاتیونهای جداشده از سطح Fe 2+ خواهد بود در حالیکه در محلول مک کورمیـک و فاسـت، وجـود یون کروم به صورت Cr3+ و Cr+6 در محلول و حضور آن در فیلم آندی موجب کاهش حد اشـباع یـون آهن در این لایه میگـردد و باعـث کـاهش سـرعت برداشـت از سـطح و همچنـین براقیـت بیـشتر آن در چگالی جریانهای استفاده شده، میشود (شکل 11] (3و.[12 با توجـه بـه نزدیـک بـودن ترکیـب محلـول مک کورمیک و فاست که تفاوت آن در عدم حضور آب میباشد میتوان نتیجه گرفت که سوختگیهـا و ترکیبهای سطحی اکسیدی به وجود آمده بین مرحله خروج از الکترولیت و شستشو بـه وسـیله آب در محلول فاست بـه علـت حـضور آب در محلـول مـیباشـد. ایـن حالـت در دمـای 70°C بـهعلـت افـزایش خورندگی تشدید شده است. در حالت الکتروشیمیایی و با اعمال جریان نیز حضور آب مهاجرت یـونهـا
را تسریع نمـوده و منجـر بـه افـزایش خـوردگی مـیشـود. افـزایش دمـا نیـز تـأثیر مـشابهی دارد. تغییـرات چسبندگی بر اساس تغییر شرایط الکتروپولیش و زیرلایه و با در نظر گرفتن دو مرحله تخریـب پوشـش در شکل 4 مشخص شده است. همانطور که در آزمایشهای انجام شده با دستگاه استاندارد بر روی پوشـش کروم با ضخامت 7 میکرون دیده شده [13]، ترکهایی به صورت عرضی با زاویه حدود 45 درجه در اثر عبور الماسه ایجاد شدهاست(شکل .(5 تعداد این ترک ها بهطور متوسط 500 /cm میباشد. در آنالیزهـای شیمیایی گرفته شده از مقطع پوشش مشاهده میشود که در مرز بین زیرلایه و پوشش مقداری نفوذ کـروم در زیرلایه بوجود آمده است. ضخامت این لایه نفوذی بین 1 تا 4 میکرون اندازهگیری شده اسـت (شـکل
(6 بر این اساس تئوری نفوذ نیز که بر اساس آن اسـتحکام چـسبندگی حاصـل از نفـوذ دو طرفـه اتمـی در عرض مرزلایه و ایجاد یک فاز میانی است نیز میتوانـد توجیـه کننـده چـسبندگی در ایـن پوشـش باشـد
.[14] نتایج عددی حاصل از این آزمـایشهـا نـشان مـیدهـد کـه مقـدار چـسبندگی در نمونـه بـا پـولیش مکانیکی به طور نسبی از نمونههایی که الکتروپولیش شدهاند کمتر اسـت. نمـودار چـسبندگی در محلـول
50-50 ،شکل 4، نشان میدهد که در نمونه چگالی جریان11 A/dm2 مقدار چسبندگی از سایر نمونـههـا کمتر است. این کاهش چسبندگی میتواند به علت اچ شدن سطح بجای الکتروپولیش و ایجاد یـک لایـه اکسیدی با چسبندگی ضعیفتر بر روی سطح باشد زیرا این نقطه در نمودار جریان – ولتاژ رسـم شـده در شکل 2 در قسمت اچ منحنی مربوطه قرار میگیرد. نتایج نشان میدهد کـه عمومـاً افـزایش زمـان موجـب افزایش چسبندگی شده است. این رفتار دو دلیل خواهد داشت، یکی اینکه افـزایش زمـان الکتروپـولیش موجب از بین رفتن بیشتر لایه دارای تنش در سطح میشود. وجود یـک لایـه تـنشدار کـه از نتـایج کـار مکانیکی مانند پولیش یا سنگ زنی آن میباشد در سطح در کنار پوشش بسیار پر تنش کروم و با توجه به عدم هماهنگی کامل شبکه اتمی زیرلایه و پوشش باعث ایجاد مرز لایه بسیار پر تنشی خواهد شد. دومـین دلیل این است که همانطور که از نتایج صافی سنجی نیز دیده میشود افزایش زمان همراه بـا کـاهش Ra
خواهد بود و این کاهش به همراه از بین رفتن نقاط تیز و حساس موجب افزایش چـسبندگی خواهـد شـد.
با صافتر شدن سطح، محلهای مناسب برای اتصال مکانیکی از بین میرود و با توجه بـه اینکـه ایـن امـر موجب افزایش چسبندگی گشته میتوان نتیجه گرفت که مکـانیزم چـسبندگی در ایـن حالـت قفـل شـدن مکانیکی نمیباشد زیرا در این مکانیزم افزایش زبری موجب افزایش چسبندگی خواهد بود.[15]
