- فرایند الکترولس نیکل-فسفر
آبکاري الکترولس نيکل، روشي براي ايجاد پوشش نيکل بدون اعمال جريان خارجي است و الکترون مورد نياز بوسيله واکنش‌هاي شيميايي درون حمام تامين ميشود. از فرايند الکترولس نيکل با هدف ايجاد پوشش فلزي پيوسته و يکنواخت استفاده ميشود. همچنين آبکاري الکترولس را تحت عنوان آبکاري خودکاتاليتيکی نيز مي‌نامند، زيرا قابليت تشکيل روي فلزات و موادي را دارد که از نظر کاتاليتيکي فعال هستند.
در فرايند آبكاري الکترولس، يون‌ها‌ي فلزي و عامل احيا کننده فقط در حضور کاتاليزور با يکديگر واکنش داده و بنابراين براي شروع واکنش احيا، مواد پايه بايد فعال باشند و يا اينکه سطح زيرلايه را بايد توسط کاتاليزورهاي مناسب فعال نمود. اين روش مخصوصاً در مواردي که غيرهادي‌ها (مانند پلاستيک) به عنوان زيرلايه استفاده مي‌شوند داراي اهميت است.
- مزاياي پوشش‌هاي الکترولس نیکل- فسفر نسبت به پوشش‌هاي رسوب الکتريکي نيکل
الف- در روش آبکاري الکتريکي، از آندهاي نيکلي براي انجام آبکاري استفاده ميشود. آندهاي مورد استفاده يکي از منابع ورود ناخالصي‌ها به داخل حمام بوده که در روش الکترولس، حذف خواهند شد.
ب- يکنواختي پوشش‌هاي الکترولس نيکل- فسفر بيشتر از پوشش‌هاي رسوب الکتريکي است به‌طوري‌که حتي اگر جسم آبکاري شده داراي شکل پيچيده و ناهموار باشد، پوشش بدست آمده در روش الکترولس داراي ضخامت يکسان در کليه قسمت‌ها است. در روش الکترولس، سطح نمونه به عنوان کاتاليزور عمل نموده و باعث خواهد شد که نيروي محرکه براي احيای شيميايي در کليه قسمت‌هاي جسم، يکسان باشد. در حالي‌که در روش آبکاري الکتريکي، ضخامت آبکاري شده توسط دانسيته جريان موضعي کنترل شده که اغلب از نقطه‌اي به نقطه ديگر تغيير مي‌کند.
ج- پوشش‌هاي الکترولس نيکل- فسفر داراي خواص مکانيکي و مغناطيسي يکنواخت‌تري نسبت به پوشش‌هاي رسوب الکتريکي هستند.
د- پوشش‌هاي الکترولس معمولا به صورت آمورف بوده و از خلل و فرج کمتري نسبت به پوشش‌هاي رسوب الکتريکي برخوردار هستند.
و- سختي و مقاومت سايشي بدست آمده از پوشش‌هاي الکترولس نيکل- فسفر بيشتر از پوشش‌هاي رسوب الکتريکي است.
ه- براي انجام آبکاري الکترولس، نيازي به استفاده از آند و منبع ولتاژ نيست.
ی- نتايج آزمایشهای خوردگي نشان مي‌دهد که پوشش‌هاي الکترولس نيکل- فسفر، مقاومت خوردگي بهتري نسبت به پوشش‌هاي رسوب الکتريکي نیکل دارند.
- دسته بندي پوشش‌هاي الکترولس نيکل- فسفر از لحاظ ميزان فسفر پوشش
ساختار، خصوصيات و کارايي پوشش‌هاي الکترولس نيکل- فسفر تا حد زيادي متاثر از مقدار فسفر موجود در آن‌ها است. (جدول) ميزان فسفر اين پوشش‌ها معمولا از ۱ تا ۱۳ درصد متغير است. در اين محدوده، پوشش‌هاي الکترولس نيکل به ۳ دسته پوشش‌هاي کم فسفر، متوسط و پر فسفر قابل تقسيم هستند. گرچه حد مرزي مقدار فسفر در پوشش‌هاي کم، متوسط و پر فسفر به‌طور دقيق مشخص نشده اما عموما بر اساس ساختار کريستالي پوشش حاصل (پيش از هرگونه عمليات حرارتي) بصورت زير تقسيم‌‌بندي مي‌‌گردند:
الف-پوشش‌هاي کم فسفر (۱ تا ۵ درصد وزني) با ساختار کريستالي.
ب-پوشش‌هاي متوسط فسفر (۵ تا ۸ درصد وزني) با مخلوطي از ساختارهاي کريستالي و آمورف.
ج-پوشش‌هاي فسفر زياد (بيش از ۹ درصد وزني) با ساختار آمورف.
- خواص پوشش‌های الکترولس نیکل-فسفر
۱٫ سختی
سختي پوشش‌هاي الكترولس نيكل يكي از مهم‌ترين عوامل در كاربردهاي صنعتي است. در شرايط بدون عمليات حرارتي سختي به شدت تحت تاثیر مقدار فسفر است كه در شکل نشان داده شده است. تمام رسوبات الكترولس نيكل- فسفر سختي بالاتري نسبت به پوشش‌هاي رسوب الكتريكي نيكل دارند. به عنوان مثال سختي پوشش‌هاي الكترولس نيكل- فسفر در حدود HV0.1 500 تا HV0.1 720 است، در صورتي‌كه سختي پوشش‌هاي رسوب الكتريكي نيكل بين HV0.1 150 تا HV0.1 400 است. عمليات حرارتي تاثیر بسيار زيادي بر سختي اين پوشش خواهد گذاشت.
سختي پوشش‌هاي رسوب الكتريكي نيكل در اثر عمليات حرارتي به دليل تبلور مجدد و رشد دانه كاهش يافته در صورتي كه در پوشش‌هاي الكترولس نيكل- فسفر، سختي تا حد پوشش‌هاي كروم سخت افزايش مي‌يابد.
۲٫ چسبندگي
چسبندگي پوشش‌هاي الکترولس نيکل- فسفر به اکثر فلزات بسيار عالي است. واکنش جانشيني اوليه که روي سطح اکتيو فلزات انجام مي‌گيرد به همراه توانايي حمام براي جداکردن ذرات ريز، امکان ايجاد پوششي با باند فلزي و مکانيکي خوب با زمينه را فراهم خواهد کرد. استحکام باند پوشش با فولاد و آلومينيوم در شرايط سطحي مناسب حداقل برابر با ۳۰۰ تا ۴۰۰ مگاپاسکال است. روي سطح فلزات پسيو نظير فولاد زنگ‌نزن واکنش جانشيني اوليه به‌وقوع نمي‌پيوندد و بنابراين چسبندگي کاهش خواهد يافت. با انجام عمليات آماده‌سازي سطح و نيز اکتيواسيون مناسب، استحکام باند پوشش معمولا از ۱۴۰ مگاپاسکال تجاوز مي‌کند. در فلزاتي نظير آلومينيوم پس از آبکاري، عمليات حرارتي به مدت ۱:۳۰ساعت در ۱۹۰ تا ۲۱۰ درجه سانتي‌گراد انجام مي‌گيرد. اين کار علاوه بر افزايش چسبندگي پوشش به زمينه باعث آزادشدن هيدروژن از سطح قطعه و رسوب ميشود و همچنين باعث انجام نفوذ بين پوشش و زمينه خواهد شد.
علاوه بر فولاد کم کربن و آلومينيوم، چسبندگي الکترولس نيکل به مس و آلياژهاي آن، کبالت و نيکل نيز بسيار عالي است به‌طوري که در آزمایشهای خمش، پوشش الکترولس نيکل با ضخامت ۱۰ تا ۲۰ ميکرون پوسته نمي‌شود. قابل ذکر است که عمليات حرارتي در مواردي که آماده‌سازي کافي نبوده و چسبندگي کم باشد، مورد استفاده قرار خواهد گرفت. با اعمال صحيح و درست عمليات آبكاري، آنيل‌کردن اثر کمي روي استحکام چسبندگي خواهد داشت.
۳٫يکنواختي پوشش
يکي از خواص پوشش‌هاي الکترولس نيکل- فسفر يکنواختي ضخامت پوشش است. در پوشش‌هاي رسوب الكتريكي بسته به شکل قطعه و نزديکي آن به آندها، ضخامت به مقدار زيادي تغيير خواهد کرد. اين تغييرات روي کارايي نهايي پوشش موثر است. در آبکاري الکترولس، سرعت آبکاري و ضخامت پوشش در کليه مقاطع موجود در مجاورت محلول يکسان است. شيارها و حفره‌هاي پنهان همانند نواحي خارجي داراي مقدار پوشش يکساني هستند. بر اساس بررسي‌هاي انجام شده، تغيير ضخامت براي پوششي با ضخامت ۲۵ ميکرون بيش از ۱۰ درصد ضخامت آن (۲/۵ ميکرون) نيست.
يکنواختي پوشش‌هاي الکترولس به حدي است که در اشکال پيچيده ميزان تلورانس ابعادي در محدوده استانداردها قابل قبول است و نياز به عمليات اضافي بعدي ندارد. این در حالي است که در پوشش‌هاي آبکاري شده به روش الکتريکي ممکن است براي دستيابي به ابعاد طراحي شده نياز به ماشينکاري داشته باشند.
۴٫مقاومت به خوردگی
يکي از مهم‌ترين ويژگي پوشش‌هاي الکترولس نيکل، مقاومت خوردگي آن‌ها است. به طور کلي سرعت خوردگي اين پوشش‌ها در تمامي آزمون‌هاي خوردگي به جز آزمون اسيد فسفريک ۷۵ درصد، با آلياژ Nickel 1200 و فولادهاي زنگ‌نزن آستنيتي قابل مقايسه است. در ضمن استفاده از اين پوشش‌ها خصوصا در صنايع شيميايي و صنعت نفت نسبت به مواد ديگر مزاياي اقتصادي عمده‌اي دارد. به عنوان مثال، والوهاي نفت با پوشش‌هايي به ضخامت ۷۵ ميکرون در اکثر محيط‌‌ها، حفاظتي معادل فولادهاي زنگ‌نزن ارایه مي‌دهند در حالي که هزينه صرف شده، يک سوم هزينه دريچه‌هاي مشابهي است که از فولاد زنگ‌نزن ساخته مي‌شوند.
متاسفانه اکثر پوشش‌هاي فلزي ذاتا متخلخل بوده و بنابراين نمي‌توان از آن‌ها به عنوان مانعي در برابر خوردگي استفاده کرد. با توسعه و پيشرفت پوشش‌هاي الکترولس نيکل- فسفر، اين مساله تا حدود زيادي برطرف شده است. به واسطه مقاومت شيميايي و کاهش ميزان تخلخل در اين پوشش‌ها، از آن‌ها استفاده‌هاي زيادي در محيط‌هاي خورنده ميشود.
۵٫مقاومت به سایش
رفتار تریبولوژی پوشش الکترولس را می‌توان با روش‌های مختلف نظیر پین روی دیسک، گلوله روی دیسک و غیره ارزیابی نمود. ضریب اصطکاک پوشش الکترولس نیکل فسفر با افزایش بار اعمالی کاهش می‌یابد. ضریب اصطکاک در دمای اتاق برای بارهای ۱۵ تا ۶۰ نیوتن در محدوده ۰٫۱۵ تا ۰٫۳۵ می‌باشد. مطالعات نشان می‌دهد پوشش با درصد فسفر بین ۹ تا ۱۳ با عملیات حرارتی در دمای بالای ۶۰۰C دارای بهترین مقاومت به‌سایش در دمای اتاق است؛ در صورتی که در این شرایط بالاترین سختی در پوشش ایجاد نمی‌شود. درشت شدن دانه‌ها در عملیات حرارتی با دماهای بالا، اثر بهبودی در سایش پوشش دارد. سایش خراشان و چسبان به‌عنوان دو مکانیزم اصلی سایش پوشش EN روی سطح خشک و بدون روان‌کاری تحت شرایط دمای اتاق شناخته شده است و سرعت سایش بستگی زیادی به‌مکانیزم غالب دارد. بهبود رفتار سایش خراشان پوشش نانو کریستالی EN با تشکیل رسوب فاز نیمه جامد پایدار Ni3P رابطه دارد. در دمای بالاتر از دمای بهینه عملیات حرارتی، یک تغییر مکانیزم (Orowan mechanism) توسط رسوب فاز Ni3P که با کاهش مقاومت به‌سایش خراشان در پوشش همراه است ایجاد می‌شود. شکل زیر مقایسه پوشش الکترولس نیکل، کروم سخت و نیکل الکتریکی را نشان می دهد.
