Effect of Current Density and ZrO 2 Concentration on the Microstructure, Mechanical and Tribological Properties of Electro- co-deposited Cu-ZrO 2 Composite Coatings

تعد النحاس معدناً اعتمد عليه المهندسون لقرون لأنها تنقل الكهرباء والحرارة بسلاسة فائقة. فهي العمود الفقري للأسلاك الكهربائية وأنظمة التبريد في المحركات، وتُقدر لقدرتها على توصيل الطاقة بكفاءة. ومع ذلك، فإن للنحاس نقطة ضعف كبيرة: فهي لينة نسبياً. وفي البيئات التي تحتك فيها الأجزاء ببعضها البعض أو تواجه ظروفاً قاسية، يتآكل النحاس النقي بسرعة، مما يحد من مدة بقائه. ولحل هذه المشكلة، يحاول العلماء غالباً تقوية النحاس عن طريق خلط جزيئات صلبة صغيرة به، مما يخلق مادة مركبة تحافظ على موصلية النحاس وتكتسب في الوقت نفسه صلابة السيراميك. أحد هذه المواد السيراميكية هو ثاني أكسيد الزركونيوم، وهي مادة معروفة بصلابتها واستقرارها. ويكمن التحدي في معرفة كيفية خلط هاتين المادتين معاً بدقة. تتضمن عملية ربطهما تياراً كهربائياً يسحب المعدن والجزيئات من محلول سائل إلى سطح ما، ولكن سرعة هذا التيار وكمية الجزيئات في السائل يمكن أن تغير النتيجة النهائية بشكل جذري. فإذا كان الخليط خاطئاً، فقد تتكتل الجزيئات معاً أو تفشل في الالتصاق، مما يترك الطلاء ضعيفاً وغير مستوٍ.

وضع باحثون من جامعة أميتي وصناعات غاياتري أوتو (Gayatri Auto Industries) هدفهم لإيجاد الوصفة المثالية لهذا الخليط. فقد ركزوا على طلاء ألواح من الفولاذ المقاوم للصدأ بطبقة من النحاس المعزز بجسيمات ثاني أكسيد الزركونيوم النانوية. وكان هدفهم هو معرفة كيف يؤثر تغيير متغيرين محددين — كمية ثاني أكسيد الزركونيوم في الحمام السائل وقوة التيار الكهربائي المستخدم لترسيب الطلاء — على المنتج النهائي. قاموا بتجهيز حمام سائل يحتوي على كبريتات النحاس وأضافوا جزيئات ثاني أكسيد الزركونيوم بأربعة تركيزات مختلفة: 25، 50، 75، و100 مليجرام لكل لتر. ولكل تركيز من هذه التركيزات، أجروا عملية الترسيب الكهربائي عند قوتي تيار مختلفتين: 3 و4 أمبير لكل ديكامتر مربع. وحافظوا على بقية العوامل، مثل درجة الحرارة والوقت الذي قضته الأجزاء في الحمام، متطابقة تماماً. ومن خلال اختبار الطبقات الناتجة، تمكنوا من ملاحظة كيف يتغير الهيكل الداخلي، والصلابة، والقدرة على مقاومة التآكل، ومدى جودة التصاق الطلاء بالمعدن مع هذه التعديلات.

عندما فحص الفريق أسطح الطلاء تحت مجهر قوي، رأوا فرقاً واضحاً بناءً على كمية الجزيئات المضافة. بدت الطبقات المصنوعة من أقل كمية من ثاني أكسيد الزركونيوم مثل بلورات خشنة على شكل هرمي مع وجود فجوات كبيرة بينها. ومع زيادة كمية الجزيئات إلى 50 و75 مليجرام لكل لتر، أصبح السطح أكثر نعومة وتماسكاً، حيث أصبحت حبيبات المعدن أصغر وأكثر ضيقاً بشكل ملحوظ. عملت الجزيئات مثل مراسٍ صغيرة منعت حبيبات المعدن من النمو بشكل كبير، مما خلق بنية أكثر كثافة. ومع ذلك، عندما دفعوا التركيز إلى 100 مليجرام لكل لتر، بدأت الجزيئات في التكتل، مما أدى إلى ظهور نتوءات صغيرة على السطح. كما لعبت قوة التيار الكهربائي دوراً أيضاً؛ حيث ساعد التيار الأعلى عموماً في سحب المزيد من الجزيئات إلى الطلاء وخلق بنية حبيبية أدق، ولكن فقط إذا كانت الجزيئات منتشرة جيداً في السائل.

أكدت الاختبارات الفيزيائية أن هذه التغييرات الهيكلية كانت مهمة. قام الباحثون بقياس مدى صلابة الطلاء عن طريق الضغط برأس ماسي صغير على السطح. ووجدوا أن إضافة المزيد من ثاني أكسيد الزركونيوم جعلت الطلاء أكثر صلابة، حيث وصلت أقسى عينة إلى 125 على مقيض الصلابة عند صنعها بـ 100 مليجرام من الجزيئات وبالتيار الأعلى. ومع ذلك، لم تكن الصلابة هي الهدف الوحيد. فقد اختبروا أيضاً مدى مقاومة الطلاء للتآكل عن طريق حك دبوس فولاذي فوقها تحت حمل معين. وهنا، أظهرت النتائج "نقطة مثالية". فبينما كان الطلاء الأكثر صلابة مصنوعاً من أكبر كمية من الجزيئات، فإن الطلاء الذي فقد أقل قدر من المواد أثناء اختبار الحك كان هو المصنوع من 75 مليجرام من ثاني أكسيد الزركونيوم عند التيار الأعلى البالغ 4 أمبير. فقد فقدت هذه العينة 2.17 ملم مكعب فقط من المواد، وهي أقل كمية مسجلة. وأشار الباحثون إلى أن الطلاء الذي يحتوي على 100 مليجرام من الجزيئات تآكل بالفعل أكثر قليلاً من نسخة الـ 75 مليجرام، ويرجع ذلك على الأرجกฏ إلى أن تكتل الجزيئات خلق نقاط ضعف تكسرت أثناء الاختبار.

أخيراً، فحص الفريق مدى قوة التصاق الطلاء بالفولاذ المقاوم للصدأ الموجود تحته. فالطلاء الذي يكون صلباً ولكنه يتقشر بسهولة لا فائدة منه. لقد قاموا بسحب الطلاء حتى انفصل لقياس القوة المطلوبة للالتصاق. كان الالتصاق أقوى عند تركيز 75 مليجرام، حيث صمد الطلاء بقوة بلغت 26.8 ميجاباسكال. وعند أعلى تركيز (100 مليجرام)، انخفضت قوة الالتصاق قليلاً، مما يشير مرة أخرى إلى أن تكتل الجزيئات خلق نقاط ضعف أدت إلى انفصال الطلاء عن المعدن. خلصت الدراسة إلى أنه بينما أدت زيادة كمية الجزيئات عموماً إلى جعل النحاس أكثر صلابة، فإن الأداء الأفضل جاء من نهج متوازن. إن الظروف المثالية لإنشاء طلاء نحاس مع ثاني أكسيد الزركونيوم يكون صلباً، ومقاوماً للتآكل، وملتصقاً بقوة بالمعدن، تم العثور عليها في تركيز 75 مليجرام من ثاني أكسيد الزركونيوم لكل لتر بالتزامن مع كثافة تيار تبلغ 4 أمبير لكل ديكامتر مربع. وفر هذا المزيج المحدد التوزيع الأكثر تجانساً للجزيئات، وأضيق بنية حبيبية، وأفضل حماية ضد التآكل، مما يوفر مساراً واضحاً لتحسين متانة مكونات النحاس في التطبيقات المتطلبة.