Akımsız NiP/NiB Dubleks Kaplamanın Korozyon Direnci ve Sertlik Özellikleri

1. Giriş Akımsız nikel kaplama, nikel atomlarının indirgeyici madde içeren sulu bir çözeltiden, otokatalitik kimyasal indirgenme yöntemi ile elde edilerek malzeme yüzeyine kaplanması tekniğidir [1]. Akımsız nikel kaplamalar lehimlenebilirlik, yüksek sertlik, aşınma ve korozyon dirençleri nedeniyle havacılık, otomotiv, kimya ve elektronik endüstrisinde geniş bir uygulama alanı bulmaktadır [2,3]. Akımsız kaplama yöntemi ile saf metal kaplamaların yanı sıra ikili ve çoklu alaşım yapısına sahip kaplamalarda elde edilebilir. Kaplamadan beklenen özellikler doğrultusunda aynı veya farklı alaşım yapısına sahip kaplamalar tek katmanlı, iki katmanlı veya çok katmanlı olarak uygulanabilir. Akımsız kaplama yöntemi metal yüzeyler dışında cam, seramik ve plastik gibi farklı şekil ve boyuttaki malzemeler üzerine de uygulanabilir [4]. Sahip oldukları üstün özellikler nedeniyle, özellikle akımsız NiP ve NiB kaplamalar yaygın olarak uygulanmaktadır. Akımsız NiP alaşım kaplamalar yüksek korozyon ve aşınma direnci, iyi yağlama ve yüksek sertlik gibi mükemmel özellikleri nedeniyle birçok alanda uygulanmaktadır [5]. NiB alaşım kaplamalar ise, yüksek sertlikleri ve üstün aşınma dirençleri nedeniyle tercih edilmektedir [6,7]. Ancak akımsız kaplamalar ısıl etkilere karşı duyarlı olup, ısıl işlemler kaplamaların yapısal özellikleri başta olmak üzere sertlik ve korozyon dirençleri üzerinde güçlü bir etkiye sahiptir. Yapılan çalışmalar özellikle 400°C’de uygulanan ısıl işlemin akımsız kaplamaların yapısında dolayısıyla da özelliklerinde kayda değer bir değişim meydana getirdiğini göstermektedir.

2. Deneysel

Deneysel çalışmada altlık malzeme olarak demir esaslı toz metal (TM) parçalar kullanıldı. TM parçalar kompozisyonu ve çalışma parametreleri Tablo 1 ve Tablo 2’de verilen akımsız NiP ve NiB kaplama banyolarında kaplandı. Demir esaslı toz metal kompaktların servis şartları dikkate alındığında sertlik ve aşınma dayanımı önem kazanmaktadır. Bu sebeple sertlik ve aşınma direnci ile ön plana çıkan NiB kaplama filmi kalın bir üst katman olarak, korozyon direnci ile ön plana çıkan NiP kaplama filmi ise ince ve ara katman oluşturacak şekilde kaplama yapısı dizayn edildi. Tablo 1. Ni-P kaplama banyosu ve çalışma parametreleri Tablo 2. Ni-B kaplama banyosu ve çalışma parametreleri Kaplamaların yapısı, morfolojisi ve kimyasal kompozisyonları taramalı elektron mikroskobu (SEM/EDX) ile analiz edildi. Kaplamaların faz yapıları X-ışını kırınım analizi (XRD) uygulanarak tespit edildi. Sertlik değerleri kaplama kesitine uygulanan mikrosertlik testleri ile belirlendi. Korozyon dayanımı %3,5’luk NaCl çözeltisi içerisinde Parstat 4000 potentiostat/galvanostat sistem kullanılarak belirlendi.

3. Deneysel Sonuçlar ve Tartışma

3.1. Kaplama Morfolojisi ve Yapısı

TM parçalar üzerine uygulanan akımsız NiP/NiB dubleks kaplamanın kesit görünümleri Şekil 1’de görülmektedir. NiP ince filmi (<500 nm) TM kompakt ile NiB arasında uyumlu bir ara yüzey oluşturmuştur. Sütunsal bir büyüme gösteren NiB kaplamanın 20 μm kaplama kalınlığına sahip olduğu tespit edildi. Şekil 2’de NiP/NiB kaplama filminin kesit ve yüzey morfololijini gösteren SEM imajı yer almaktadır. Akımsız NiB kaplama iyi bilinen ve karnabahara benzeyen yüzey morfolojisine sahiptir. Sürtünme koşullarında, karnabahar benzeri yüzey yapısı kaplamanın temas alanını azaltarak aşınma mukavemetini artıran doğal bir kayganlık özelliği sağlar. Yapılan kimyasal kompozisyon analizlerinde, Ni-P kaplamanın ağırlıkça %4,8 P ve %95,2 Ni içerdiği, Ni-B kaplama ağırlıkça %5,7 B ve %94,3 Ni içerdiği tespit edildi.

Şekil 1. NiP/NiB kaplamanın kesit morfolojisi.

Şekil 2. NiP/NiB kaplama filminin yüzey ve kesit morfolojisi.

Şekil 3’te kaplanmış halde ve 400 ºC’de ısıl işlem uygulanmış numunelerin XRD kırınım desenleri gorünmektedir. Kaplanmış haldeki kaplamanın XRD kırınım deseni amorfsu bir fazın karakteristik geniş bir tepe şeklindeki pik elde edildi. 400°C'de 1 saatlik ısıl işlem sonrası, NiB kaplama kristalleşti ve NiB kaplama da Ni, Ni2B ve Ni3B fazları oluştu (Şekil 3). Nikel matris içerisinde çökelen Ni3B ve Ni2B fazları kaplamanın sertliğinde kayda değer bir artışa neden olmaktadır. XRD analizlerinde NiP alt katmanına ait herhangi bir faz tespit edilemedi.

3.2. Kaplamanın Sertliği

Kaplanmış halde 668 HV100 olan sertlik değeri ısıl işlem sonucu Ni3B and Ni2B intermetalik faz oluşumlarının neden olduğu çökelme sertleşmesi ile 1143 HV100 değerine ulaşmıştır (Şekil 4). TM kompaktların yüzey sertliğindeki bu artış aşınma dayanımlarını da olumlu yönde etkileyecektir.

Şekil 4. TM kompakt ve kaplamaların mikrosertliği.

3.3. NiP/NiB kaplamanın korozyon dayanımı

Kaplanmamış TM kompakt ile akımsız NiP/NiB kaplanmış ve ısıl işlem uygulanmış kompaktlara ait polarizasyon eğrileri Şekil 5’te verilmiştir. Eğrilerden de anlaşılacağı üzere kaplanmış halde NiP/NiB kaplamanın Tafel çizgisi, TM kompakt ve kaplanıp ısıl işlenmiş numuneye göre daha düşük polarizasyon akım yoğunluk değerinde elde edilmiştir. Bu sonuç, NiP/NiB kaplamanın korozyon direncinin TM kompakt ve NiP/NiB kaplanıp ısıl işlem uygulanmış numuneye göre daha yüksek olduğunu göstermektedir. XRD sonuçlarından da anlaşılacağı üzere ısıl işlem sonucu amorfsu yapının kristalize olması kaplamanın korozyon direncinin düşmesine sebebiyet vermiştir.

Sonuçlar

Bu çalışmada, akımsız NiP / NiB dubleks kaplamalar mikroyapı analizi, mikrosertlik, SEM, XRD ve korozyon test teknikleri ile incelenmiştir. NiP/NiiB dubleks kaplama akımsız kaplama yöntemi ile başarıyla uygulanmıştır. Isıl işlem, nikel matriste Ni3B ve Ni2B faz oluşumlarının neden olduğu çökelme sertleşmesi nedeniyle kaplamaların mikro sertliğinde kayda değer bir artış meydana getirmektedir. Isıl işlemin neden olduğu yapısal değişiklikler kaplamanın korozyon direncini azaltmaktadır.   Dr. Ögretim Üyesi Ulaş Matik Karabük Üniversitesi  Makine ve Metal Teknolojileri Bolümü Metallurgical Program      

Kaynaklar  [1] Kılıçarslan A, Toptan F and Kerti I 2010 Akımsız nikel kaplama yöntemi ve seramik partiküllerine uygulanması 33–7. [2] Matik U 2016 Structural and wear properties of heat-treated electroless Ni-P alloy and Ni-P-Si3N4 composite coatings on iron based PM compacts Surf. Coatings Technol. 302 528–34. [3] Abdel-Gawad S A, Sadik M A and Shoeib M A 2019 Preparation and properties of a novel nano Ni-B-Sn by electroless deposition on 7075-T6 aluminum alloy for aerospace application J. Alloys Compd. 785 1284–92. [4] Delaunois F, Petitjean J P, Lienard P and Jacob-Duliere M 2000 Autocatalytic electroless nickel-boron plating on light alloys Surf. Coatings Technol. 124 201–9. [5] Hsu C I, Hou K H, Ger M Der and Wang G L 2015 The effect of incorporated self-lubricated BN(h) particles on the tribological properties of Ni-P/BN(h) composite coatings Appl. Surf. Sci. 357 1727–35. [6] Bekish Y N, Poznyak S K, Tsybulskaya L S and Gaevskaya T V. 2010 Electrodeposited Ni-B alloy coatings: Structure, corrosion resistance and mechanical properties Electrochim. Acta 55 2223–31. [7] Matik U 2018 Akımsız Ni-B kaplama ile demir esaslı toz metal kompaktların yüzey özelliklerinin geliştirilmesi Gazi Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Derg. 2018 1603–10.