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

Kupfer ist ein Metall, auf das Ingenieure seit Jahrhunderten vertrauen, da es Elektrizität und Wärme mit bemerkenswerter Leichtigkeit leitet. Es bildet das Rückgrat der elektrischen Verkabelung und der Kühlsysteme in Motoren und wird für seine Fähigkeit geschätzt, Energie effizient zu leiten. Kupfer hat jedoch eine erhebliche Schwäche: Es ist relativ weich. In Umgebungen, in denen Teile aneinander reiben oder extremen Bedingungen ausgesetzt sind, nutzt sich reines Kupfer schnell ab, was seine Lebensdauer begrenzt. Um dieses Problem zu lösen, versuchen Wissenschaftler oft, Kupfer durch das Beifügen winziger, harter Partikel zu verstärken, wodurch ein Verbundwerkstoff entsteht, der die Leitfähigkeit von Kupfer beibält und gleichzeitig die Zähigkeit von Keramiken gewinnt. Eine solche Keramik ist Zirkoniumdioxid, ein Stoff, der für seine Härte und Stabilität bekannt ist. Die Herausforderung besteht darin, genau herauszufinden, wie man diese beiden Materialien miteinander vermischt. Der Prozess der Verbindung dieser Stoffe beinhaltet einen elektrischen Strom, der Metall und Partikel aus einer flüssigen Lösung herauszieht und auf eine Oberfläche ablagert, wobei die Geschwindigkeit dieses Stroms und die Menge der Partikel in der Flüssigkeit das Endergebnis drastisch verändern können. Wenn die Mischung nicht stimmt, können die Partikel verklumpen oder nicht haften, was die Beschichtung schwach und ungleichmäßig hinterlässt.

Forscher der Amity University und der Gayatri Auto Industries machten sich daran, das perfekte Rezept für diese Mischung zu finden. Sie konzentrierten sich darauf, Edelstahlplatten mit einer Schicht aus Kupfer zu beschichten, die mit Zirkoniumdioxid-Nanopartikeln verstärkt ist. Ihr Ziel war es zu sehen, wie die Veränderung zweier spezifischer Variablen – der Menge an Zirkoniumdioxid in der Flüssigkeit und der Stärke des verwendeten elektrischen Stroms zur Abscheidung der Beschichtung – das Endprodukt beeinflusst. Sie bereiteten ein Flüssigbad mit Kupfersulfat vor und fügten Zirkoniumdioxid-Partikel in vier verschiedenen Konzentrationen hinzu: 25, 50, 75 und 100 Milligramm pro Liter. Für jede dieser Konzentrationen führten sie den Elektroabscheidungsprozess bei zwei verschiedenen Stromstärken von 3 und 4 Ampere pro Quadratdezimeter durch. Sie hielten alles andere, wie etwa die Temperatur und die Zeit, die die Teile im Bad verbrachten, exakt gleich. Durch das Testen der resultierenden Beschichtungen konnten sie beobachten, wie sich die interne Struktur, die Härte, die Verschleißfestigkeit und die Haftung der Beschichtung am Metall durch diese Anpassungen veränderten.

Als das Team die Oberflächen der Beschichtungen unter einem leistungsstarken Mikroskop untersuchte, sahen sie einen deutlichen Unterschied basierend auf der Menge der hinzugefügten Partikel. Die Beschichtungen, die mit der geringsten Menge an Zirkoniumdioxid hergestellt wurden, sahen wie raue, pyramidenförmige Kristalle mit großen Lücken zwischen ihnen aus. Als sie die Partikelmenge auf 50 und 75 Milligramm pro Liter erhöhten, wurde die Oberfläche viel glatter und kompakter, wobei die Metallkörner deutlich kleiner und dichter wurden. Die Partikel wirkten wie winzige Anker, die das Wachstum der Metallkörner stoppten und so eine dichtere Struktur schufen. Als sie jedoch die Konzentration auf 100 Milligramm pro Liter erhöhten, begannen die Partikel zu verklumpen, was kleine Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche erzeugte. Auch die Stärke des elektrischen Stroms spielte eine Rolle; ein höherer Strom half im Allgemeinen dabei, mehr Partikel in die Beschichtung einzuziehen und eine feinere Kornstruktur zu erzeugen, aber nur, wenn die Partikel in der Flüssigkeit gut dispergiert waren.

Die physikalischen Tests bestätigten, dass diese strukturellen Veränderungen von Bedeutung waren. Die Forscher maßen die Härte der Beschichtungen, indem sie eine winzige Diamantspitze in die Oberfläche drückten. Sie fanden heraus, dass das Hinzufügen von mehr Zirkoniumdioxid die Beschichtung härter machte, wobei die härteste Probe eine Härte von 125 auf der Härteskala erreichte, als sie mit 100 Milligramm Partikeln und dem höheren Strom hergestellt wurde. Härte war jedoch nicht das einzige Ziel. Sie testeten auch, wie gut die Beschichtungen dem Verschleiß standhielten, indem sie einen Stahlstift unter einer bestimmten Last gegen sie rieben. Hier zeigten die Ergebnisse einen optimalen Mittelpunkt. Während die härteste Beschichtung mit den meisten Partikeln hergestellt wurde, war die Beschichtung, die beim Reibungstest am wenigsten Material verlor, diejenige, die mit 75 Milligramm Zirkoniumdioxid bei der höheren Stromstärke von 4 Ampere hergestellt wurde. Diese Probe verlor nur 2,17 Kubikmillimeter Material, was der niedrigste gemessene Wert war. Die Forscher stellten fest, dass die Beschichtung mit 100 Milligramm Partikeln tatsächlich etwas mehr verschliss als die 75-Milligramm-Version, wahrscheinlich weil das Verklumpen der Partikel Schwachstellen schuf, die während des Tests abbrachen.

Schließlich prüfte das Team, wie stark die Beschichtung an dem darunter liegenden Edelstahl haftete. Eine Beschichtung, die zwar hart ist, aber leicht abblättert, ist nutzlos. Sie zogen an der Beschichtung, bis sie sich löste, um die erforderliche Kraft zu messen. Die Haftung war bei der 75-Milligramm-Konzentration am stärksten, wo die Beschichtung mit einer Kraft von 26,8 Megapascal hielt. Bei der höchsten Konzentration von 100 Milligramm sank die Haftfestigkeit leicht ab, was erneut darauf hindeutete, dass das Verklumpen der Partikel Schwachstellen schuf, an denen sich die Beschichtung vom Metall trennen konnte. Die Studie kam zu dem Schluss, dass die Erhöhung der Partikelmenge die Kupfer zwar generell härter machte, die beste Gesamtleistung jedoch durch einen ausgewogenen Ansatz erzielt wurde. Die ideale Bedingung für die Herstellung einer Kupfer-Zirkoniumdioxid-Beschichtung, die hart, verschleißfest und fest mit dem Metall verbunden ist, war eine Konzentration von 75 Milligramm Zirkoniumdioxid pro Liter in Kombination mit einer Stromdichte von 4 Ampere pro Quadratdezimeter. Diese spezifische Kombination bot die gleichmäßigste Verteilung der Partikel, die dichteste Kornstruktur und den besten Schutz gegen Verschleiß und bot somit einen klaren Weg zur Verbesserung der Haltbarkeit von Kupferkomponenten in anspruchsvollen Anwendungen.