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

Il rame è un metallo su cui gli ingegneri fanno affidamento da secoli perché trasporta l'elettricità e il calore con straordinaria facilità. È la spina dorsale del cablaggio elettrico e dei sistemi di raffreddamento nei motori, apprezzato per la sua capacità di condurre l'energia in modo efficiente. Tuttavia, il rame ha un punto debole significativo: è relativamente tenero. In ambienti in cui le parti sfregano l'una contro l'altra o affrontano condizioni difficili, il rame puro si usura rapidamente, limitandone la durata. Per risolvere questo problema, gli scienziati spesso cercano di rinforzare il rame mescolando piccole particelle dure, creando un materiale composito che mantiene la conduttività del rame acquisendo al contempo la tenacità delle ceramiche. Una di queste ceramiche è il biossido di zirconio, una sostanza nota per la sua durezza e stabilità. La sfida consiste nel capire esattamente come mescolare questi due materiali. Il processo di unione prevede una corrente elettrica che attira il metallo e le particelle da una soluzione liquida verso una superficie, ma la velocità di tale corrente e la quantità di particelle nel liquido possono cambiare drasticamente il risultato finale. Se la miscela è errata, le particelle potrebbero agglomerarsi o non aderire, lasciando il rivestimento debole e irregolare.

I ricercatori dell'Amity University e della Gayatri Auto Industries si sono posti l'obiettivo di trovare la ricetta perfetta per questa miscela. Si sono concentrati sul rivestimento di piastre di acciaio inossidabile con uno strato di rame rinforzato con nanoparticelle di biossido di zirconio. Il loro obiettivo era vedere come cambiando due variabili specifiche — la quantità di biossido di zirconio nel bagno liquido e l'intensità della corrente elettrica utilizzata per depositare il rivestimento — influenzassero il prodotto finale. Hanno preparato un bagno liquido contenente solfato di rame e hanno aggiunto particelle di biossido di zirconio a quattro diverse concentrazioni: 25, 50, 75 e 100 milligrammi per litro. Per ciascuna di queste concentrazioni, hanno eseguito il processo di elettrodeposizione a due diverse intensità di corrente: 3 e 4 ampere per decimetro quadrato. Hanno mantenuto identiche tutte le altre variabili, come la temperatura e il tempo di permanenza delle parti nel bagno. Testando i rivestimenti risultanti, potevano osservare come la struttura interna, la durezza, la resistenza all'usura e l'adesione del rivestimento al metallo cambiassero in base a questi aggiustamenti.

Quando il team ha esaminato la superficie dei rivestimenti sotto un potente microscopio, ha notato una chiara differenza basata sulla quantità di particelle aggiunte. I rivestimenti realizzati con la quantità più bassa di biossido di zirconio apparivano come cristalli ruvidi a forma di piramide con ampi spazi tra loro. All'aumentare della quantità di particelle a 50 e 75 milligrammi per litro, la superficie è diventata molto più liscia e compatta, con i grani di metallo che diventavano significativamente più piccoli e stretti. Le particelle agivano come minuscole ancore che impedivano ai grani di metallo di crescere troppo, creando una struttura più densa. Tuttavia, quando hanno spinto la concentrazione a 100 milligrammi per litro, le particelle hanno iniziato ad agglomerarsi, creando piccole irregolarità sulla superficie. Anche la forza della corrente elettrica giocava un ruolo; la corrente più alta generalmente aiutava a richiamare più particelle nel rivestimento e creava una struttura a grana più fine, ma solo se le particelle erano ben disperse nel liquido.

I test fisici hanno confermato che questi cambiamenti strutturali erano importanti. I ricercatori hanno misurato la durezza dei rivestimenti premendo una punta di diamante minuscola sulla superficie. Hanno scoperto che l'aggiunta di più biossido di zirconio rendeva il rivestimento più duro, con il campione più duro che raggiungeva 125 sulla scala della durezza con 100 milligrammi di particelle e la corrente più alta. Tuttavia, la durezza non era l'unico obiettivo. Hanno anche testato quanto bene i rivestimenti resistessero all'usura sfregando un perno d'acciaio contro di essi sotto un carico specifico. In questo caso, i risultati hanno mostrato un punto di equilibrio ottimale. Sebbene il rivestimento più duro fosse quello realizzato con il maggior numero di particelle, il rivestimento che ha perso meno materiale durante il test di sfregamento è stato quello realizzato con 75 milligrammi di biossido di zirconio alla corrente più alta di 4 ampere. Questo campione ha perso solo 2,17 millimetri cubi di materiale, il valore più basso registrato. I ricercatori hanno notato che il rivestimento con 100 milligrammi di particelle si è effettivamente consumato leggermente di più rispetto alla versione da 75 milligrammi, probabilmente perché l'agglomerazione delle particelle ha creato punti deboli che si sono staccati durante il test.

Infine, il team ha controllato quanto fortemente il rivestimento aderisse all'acciaio inossidabile sottostante. Un rivestimento duro ma che si stacca facilmente è inutile. Hanno tirato il rivestimento finché non si è staccato per misurare la forza necessaria per l'adesione. L'adesione è stata più forte alla concentrazione di 75 milligrammi, dove il rivestimento ha resistito con una forza di 26,8 megapascal. Alla concentrazione massima di 100 milligrammi, la forza di adesione è scesa leggermente, suggerendo ancora una volta che l'agglomerazione delle particelle ha creato punti deboli dove il rivestimento poteva separarsi dal metallo. Lo studio ha concluso che, sebbene l'aumento della quantità di particelle renda generalmente il rame più duro, la migliore prestazione complessiva deriva da un approccio equilibrato. La condizione ideale per creare un rivestimento di rame-biossido di zirconio che sia duro, resistente all'usura e fortemente legato al metallo è stata individuata in una concentrazione di 75 milligrammi di biossido di zirconio per litro combinata con una densità di corrente di 4 ampere per decimetro quadrato. Questa specifica combinazione ha fornito la distribuzione più uniforme delle particelle, la struttura a grana più stretta e la migliore protezione contro l'usura, offrendo una via chiara per migliorare la durata dei componenti in rame in applicazioni impegnative.