نشریه علوم و مهندسی سطح

نشریه علوم و مهندسی سطح

تأثیر زمان نیتروژن‌دهی پلاسمایی بر رفتار سایشی پوشش‌های الکترولس خود روانکار نیکل-بور-گرافیت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر
چکیده
هدف از انجام این پژوهش تولید پوشش کامپوزیتی نیکل-بور-گرافیت (Ni-B-Gr) نیتروژن‌دهی پلاسمایی شده با خواص خود روانکاری و بررسی رفتار سایشی آن است. بدین منظور از یک حمام کامپوزیتی الکترولس نیکل بر پایه بوروهیدرید سدیم برای رسوب‌دهی پوشش‌های Ni-B-Gr روی فولاد AISI 4140 استفاده شد. زمینه Ni-B با شاخص لوچگی 12/0- به‌عنوان یک ماتریس سخت با قابلیت حفظ مواد روانکار و ذرات گرافیت (با اندازه کمتر از 20 میکرومتر) با غلظت 275/0 گرم در لیتر به‌عنوان جزء روانکار جامد عمل می‌کنند. پوشش‌های کامپوزیتی در دمای 400 درجه سانتیگراد در مدت‌زمان‌های 30، 60، 120، 180 و 240 دقیقه در معرض نیتروژن‌دهی پلاسمایی در مخلوط گازی 25 درصد نیتروژن و 75 درصد هیدروژن قرار گرفتند. مشخصه‌یابی پوشش‌های کامپوزیتی Ni-B-Gr توسط بررسی ریزساختاری توسط آزمون پراش اشعه ایکس (XRD)، ریخت‌شناسی توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی (FE-SEM)، آزمون ریزسختی، زبری‌سنجی و ‌ارزیابی سایش توسط آزمون پین روی دیسک (Pin-on-Disk) انجام شد. پوشش‌های الکترولس نیکل-بور-گرافیت 60 دقیقه نیتروژن‌دهی پلاسمایی شده، به سختی HV0.11060 رسیدند. در مقایسه با پوشش‌های نیکل-بور-گرافیت خام (as-plate)، پوشش کامپوزیتی نیکل-بور-گرافیت 60 دقیقه نیتروژن‌دهی پلاسمایی شده، کاهش 75 درصدی در نرخ سایش ویژه و کاهش 31 درصدی در ضریب اصطکاک را نشان داد. علاوه بر این، وجود گرافیت به‌عنوان خود روانکار با توجه به کاهش سطح تماس بین پین فولادی و پوشش، با محدود کردن سایش چسبان و اکسیداسیون مقاومت سایشی کامپوزیت را افزایش می‌دهد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]         Menezes, P.L.; P.K. Rohatgi; E. Omrani; Self-Lubricating Composites,  Springer, 2022.
[2]         Rahman, M.M.; M. Islam; R. Roy; H. Younis; M. AlNahyan; H. Younes; "Carbon Nanomaterial-Based Lubricants: Review of Recent Developments", Lubricants,  10(11) (2022)  281.
[3]         Zhang, Z.J.; D. Simionesie; C. Schaschke; "Graphite and hybrid nanomaterials as lubricant additives", Lubricants,  2(2) (2014)  44-65.
[4]         Wang, H.-d.; Graphite Solid Lubrication MaterialsEncyclopedia of Tribology, Springer US: Boston, MA,  1550-1555, 2013.
[5]         Xu, X.; Z. Cui; S. Zhu; Y. Liang; X. Yang; "Preparation of nickel-coated graphite by electroless plating under mechanical or ultrasonic agitation", Surface and Coatings Technology,  240 (2014)  425-431.
[6]         Wu, L.; H. Yang; J. Cheng; C. Hu; Z. Wu; Y. Feng; "Review in preparation and application of nickel-coated graphite composite powder", Journal of Alloys and Compounds,  862 (2021)  158014.
[7]         Gudala, S.; M. Ramesh; N.S. Shanmugam; "Influence of Solid Lubricants on Microstructure and Tribological Performance of Nickel-Based Composite Coatings", Metallography, Microstructure, and Analysis,  11(2) (2022)  281-292.
[8]         وتوت, ف.م.ز.; "تأثیر نیتروژن‌دهی پلاسمایی و غلظت اکسیدگرافن کاهش‌یافته بر رفتار سایشی پوشش‌های الکترولس Ni-B-rGO", علوم و مهندسی سطح,  57 (1402)  29-41.
[9]         Khatkar, S.; N. Suri; S. Kant; "A review on mechanical and tribological properties of graphite reinforced self lubricating hybrid metal matrix composites", Reviews on Advanced Materials Science,  56(1) (2018)  1-20.
[10]      Ebersbach, F.G.; G. Mônego; M.H. Cornelsen; J.D.B. de Mello; G. Hammes; C. Binder; A.N. Klein; "Effect of reaming on surface properties of self-lubricating composites", Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering,  45(3) (2023)  1-14.
[11]      Chen, Z.; H. Fan; H. Tan; W. Chen; S. Zhu; J. Cheng; Y. Zhang; J. Yang; "Effects of graphite contents on the microstructure evolution, mechanical properties and high temperature tribological behavior of Cu–Ni–Al/Gr solid-lubricating composites", Tribology International,  179 (2023)  108193.
[12]      Patil, N.A.; S.R. Pedapati; R.V. Marode; "Wear Analysis of Friction Stir Processed AA7075-SiC-Graphite Hybrid Surface Composites", Lubricants,  10(10) (2022)  267.
[13]      Khatkar, S.K.; R. Verma; S. Kant; N.M. Suri; "Effect of reinforcements on the sliding wear behavior of self-lubricating AZ91D-SiC-Gr hybrid composites", International Journal of Surface Engineering and Interdisciplinary Materials Science (IJSEIMS),  10(1) (2022)  1-19.
[14]      Thakur, I.; V. Pandey; P. Rao; S. Tyagi; D. Goyal; "Tribological study of mechanically milled graphite nanoparticles codeposited in electroless Ni-P coatings", Metal Powder Report,  (2020)  344-349.
[15]      He, M.-f.; W.-b. Hu; C. Zhong; J.-f. Weng; S. Bin; Y.-t. Wu; "Effect of wear conditions on tribological properties of electrolessly-deposited Ni-P-Gr-SiC hybrid composite coating", Transactions of Nonferrous Metals Society of China,  22(10) (2012)  2586-2592.
[16]      Pinate, S.; C. Zanella; "Wear behavior of Ni-based composite coatings with dual nano-SiC: graphite powder mix", Coatings,  10(11) (2020)  1060.
[17]      Lu, J.; S. Yang; J. Wang; Q. Xue; "Mechanical and tribological properties of Ni-based alloy/CeF3/graphite high temperature self-lubricating composites", Wear,  249(12) (2001)  1070-1076.
[18]      Zhen, J.; J. Cheng; H. Tan; Q. Sun; S. Zhu; J. Yang; W. Liu; "Investigation of tribological characteristics of nickel alloy-based solid-lubricating composites at elevated temperatures under vacuum", Friction,  9(5) (2021)  990-1001.
[19]      Nartu, M.; T. Torgerson; S. Mantri; R. Banerjee; T. Scharf; "Directed energy deposition of Ni-Al-Cr-C composites: Microstructural evolution during solidification and wear", Additive Manufacturing,  42 (2021)  102000.
[20]      Shi, X.; D. Song; "Study on Alleviating Fretting Damage Properties of Ni-B-C60 Nano-Composite Coating on Titanium Alloy"2010 International Conference on E-Product E-Service and E-Entertainment. IEEE, 2010.
[21]      Delaunois, F.; V. Vitry; L. Bonin; Electroless Nickel Plating: Fundamentals to Applications,  CRC Press, 2019.
[22]      Han, Y.; M. Ma; G. Li; J. Yu; G. Liu; Q. Jing; X. Chen; Q. Wang; R. Liu; "(Ni–P)/graphite composite film plated on bulk metallic glass", Materials Letters,  62(10) (2008)  1707-1710.
[23]      Mirhosseini, S.S.; F. Mahboubi; M. Azadfalah; "Effect of different plasma nitriding durations on the tribological characteristics of nickel-boron-nanodiamond electroless nanocomposite coatings", Surface and Coatings Technology,  476 (2024)  130181.
[24]      Yazdani, S.; R. Tima; F. Mahboubi; "Investigation of wear behavior of as-plated and plasma-nitrided Ni-B-CNT electroless having different CNTs concentration", Applied Surface Science,  457 (2018)  942-955.
[25]      Tima, R.; F. Mahboubi; "Ability of plasma nitriding to improve tribological behavior of medium and high boron electroless nickel coatings", Tribology International,  156 (2021)  106822.
[26]      Delaunois, F.; J. Petitjean; P. Lienard; M. Jacob-Duliere; "Autocatalytic electroless nickel-boron plating on light alloys", Surface and Coatings Technology,  124(2-3) (2000)  201-209.
[27]      Mirhosseini, S.S.; F. Mahboubi; "Effect of plasma nitriding on tribological properties of nickel‑boron-nanodiamond electroless coatings", Surface and Coatings Technology,  435 (2022)  128216.
[28]      Stachowiak, G.; A. Batchelor; Engineering Tribology,  Elsevier, 2013.
[29]      Bayer, R.G.; T.-C. Ku; Handbook of analytical design for wearHandbook of Analytical Design for Wear, Springer,  1-97, 1964.
[30]      Hwang, B.; J. Ahn; S. Lee; "Correlation of microstructure and wear resistance of ferrous coatings fabricated by atmospheric plasma spraying", Metallurgical and Materials Transactions A,  33 (2002)  2933-2945.
[31]      Gültekin, D.; E. Duru; H. Akbulut; "Improved Wear Behaviors of Lead-Free Electroless Ni-B and Ni-B/CeO2 Composite Coatings", Surface and Coatings Technology,  (2021)  127525.
[32]      Pal, S.; N. Verma; V. Jayaram; S.K. Biswas; Y. Riddle; "Characterization of phase transformation behaviour and microstructural development of electroless Ni–B coating", Materials Science and Engineering: A,  528(28) (2011)  8269-8276.
[33]      Dong, C.X.; W.C. Sun; J. Zhang; H. Cai; L.B. Niu; "Effects of NaBH4 and Heat-Treat on Corrosion Resistance of Electroless Plating Ni-B Coating"Materials Science Forum. Trans Tech Publ, 2015.
[34]      Madah, F.; C. Dehghanian; A.A. Amadeh; "Investigations on the wear mechanisms of electroless Ni-B coating during dry sliding and endurance life of the worn surfaces", Surface and Coatings Technology,  282 (2015)  6-15.
[35]      Sürdem, S.; C. Eseroğlu; R. Çitak; "A parametric study on the relationship between NaBH4 and tribological properties in the nickel-boron electroless depositions", Materials Research Express,  6(12) (2019)  125085.
[36]      Arias, S.; J.G. Castaño; E. Correa; F. Echeverría; M. Gómez; "Effect of heat treatment on tribological properties of Ni-B coatings on low carbon steel: wear maps and wear mechanisms", Journal of Tribology,  141(9) (2019)  091601.
[37]      Vitry, V.; A.F. Kanta; F. Delaunois; "Application of nitriding to electroless nickel-boron coatings: Chemical and structural effects; mechanical characterization; corrosion resistance", Materials & Design,  39 (2012)  269-278.
[38]      Fazel, M.; M.G. Jazi; S. Bahramzadeh; S. Bakhshi; M. Ramazani; "Effect of solid lubricant particles on room and elevated temperature tribological properties of Ni-SiC composite coating", Surface and Coatings Technology,  254 (2014)  252-259.
[39]      Yan, L.; S. Yan; Y. He; Y. He; H. Li; R. Song; H. Zhou; X. Cheng; "Preparation, corrosion resistance and mechanical properties of electroless Ni-B/α-ZrP composite coatings", Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects,  654 (2022)  130132.
[40]      Nishira, M.; K. Yamagishi; O. Takano; "Formation and Characteristics of Electroless Ni-B-Graphite Composite Coatings", Journal of The Surface Finishing Society of Japan,  44(11) (1993)  961-965.
[41]      Bayatlı, A.; E.F. Şahin; M. Kocabaş; "Effect of boron carbide reinforcement on surface properties of electroless Ni-B and Ni-B-W coatings", Materials Chemistry and Physics,  305 (2023)  127899.
[42]      Aydeniz, A.I.; A. Göksenli; G. Dil; F. Muhaffel; C. Calli; B. Yüksel; "Electroless Ni-BW coatings for improving hardness, wear and corrosion resistance", Materiali in tehnologije,  47(6) (2013)  803-806.
[43]      Nemane, V.; S. Chatterjee; "Nanomechanical, Tribological, and Scratch Properties of Electroless Ni-B-W Alloy and Ni-BW-SiC Composite Coatings", Journal of Tribology,  144(5) (2022)  051402.