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

Koper is een metaal waar ingenieurs al eeuwenlang op vertrouwen omdat het elektriciteit en warmte met opmerkelijke gemak geleidt. Het vormt de ruggengraat van elektrische bedrading en de koelsystemen in motoren, gewaardeerd om zijn vermogen om energie efficiënt te geleiden. Koper heeft echter een aanzienlijk zwak punt: het is relatief zacht. In omgevingen waar onderdelen tegen elkaar aan wrijven of te maken krijgen met zware omstandigheden, slijt puur koper snel, wat de levensduur beperkt. Om dit op te lossen, proberen wetenschappers koper vaak te versterken door er minuscule, harde deeltjes aan toe te voegen, waardoor een composietmateriaal ontstaat dat de geleidbaarheid van koper behoudt terwijl het de taaiheid van keramiek wint. Eén dergelijke keramiek is zirkoniumdioxide, een stof die bekend staat om zijn hardheid en stabiliteit. De uitdaging ligt in het uitzoeken van precies hoe je deze twee materialen met elkaar mengt. Het proces van het samenvoegen van deze stoffen omvat een elektrische stroom die metaal en deeltjes uit een vloeibare oplossing naar een oppervlak trekt, maar de snelheid van die stroom en de hoeveelheid deeltjes in de vloeistof kunnen het eindresultaat drastisch veranderen. Als het mengsel niet goed is, kunnen de deeltjes samenklonteren of niet goed hechten, waardoor de coating zwak en ongelijkmatig wordt.

Onderzoekers van de Amity University en Gayatri Auto Industries gingen op zoek naar het perfecte recept voor deze mengeling. Ze richtten zich op het coaten van roestvrijstalen platen met een laag koper die versterkt is met zirkoniumdioxide-nanodeeltjes. Hun doel was om te zien hoe het veranderen van twee specifieke variabelen — de hoeveelheid zirkoniumdioxide in het vloeibare bad en de sterkte van de elektrische stroom die wordt gebruikt om de coating aan te brengen — het eindproduct zou beïnvloeden. Ze bereidden een vloeibaar bad voor met koper sulfaat en voegden zirkoniumdioxide-deeltjes toe in vier verschillende concentraties: 25, 50, 75 en 100 milligram per liter. Voor elke van deze concentraties voerden ze het elektrodepositieproces uit bij twee verschillende stroomsterktes: 3 en 4 ampère per vierkante decimeter. Ze hielden alles wat overig was, zoals de temperatuur en de tijd die de onderdelen in het bad doorbrachten, exact hetzelfde. Door de resulterende coatings te testen, konden ze observeren hoe de interne structuur, de hardheid, de weerstand tegen slijtage en de hechting van de coating aan het metaal veranderden door deze aanpassingen.

Toen het team de oppervlakte van de coatings onder een krachtige microscoop onderzocht, zagen ze een duidelijk verschil op basis van de toegevoegde hoeveelheid deeltjes. De coatings die gemaakt waren met de laagste hoeveelheid zirkoniumdioxide zagen eruit als ruwe, piramidevormige kristallen met grote openingen tussen de delen. Naarmate ze de hoeveelheid deeltjes verhoogden naar 50 en 75 milligram per liter, werd het oppervlak veel gladder en compacter, waarbij de korrels van het metaal aanzienlijk kleiner en dichter werden. De deeltjes fungeerden als kleine ankers die voorkwamen dat de metaalkorrels te groot werden, wat zorgde voor een dichtere structuur. Echter, wanneer ze de concentratie opdreven naar 100 milligram per liter, begonnen de deeltjes samen te klonteren, wat kleine onregelmatigheden op het oppervlak veroorzaakte. De sterkte van de elektrische stroom speelde ook een rol; de hogere stroom hielp over het algemeen om meer deeltjes in de coating te trekken en creëerde een fijnere korrelstructuur, maar alleen als de deeltjes goed verdeeld waren in de vloeistof.

De fysieke tests bevestigden dat deze structurele veranderingen ertoe deden. De onderzoekers maten de hardheid van de coatings door een minuscule diamantpunt in het oppervlak te drukken. Ze ontdekten dat het toevoegen van meer zirkoniumdioxide de coating harder maakte, waarbij de hardste monster een waarde van 125 op de hardheidsschaal bereikte wanneer deze werd gemaakt met 100 milligram deeltjes en de hogere stroom. Hardheid was echter niet het enige doel. Ze testten ook hoe goed de coatings bestand waren tegen slijtage door een stalen pen onder een specifieke belasting tegen hen te wrijven. Hier toonden de resultaten een ideaal punt (sweet spot). Hoewel de hardste coating werd gemaakt met de meeste deeltjes, was de coating die het minste materiaal verloor tijdens de wrijftest degene die gemaakt was met 75 milligram zirkoniumdioxide bij de hogere stroom van 4 ampère. Dit monster verloor slechts 2,17 kubieke millimeter materiaal, wat de laagste gemeten hoeveelheid was. De onderzoekers merkten op dat de coating met 100 milligram deeltjes eigenlijk iets meer versleet dan de versie met 75 milligram, waarschijnlijk omdat het klonteren van de deeltjes zwakke plekken creëerde die tijdens de test loskwamen.

Ten slotte controleerde het team hoe sterk de coating hechtte aan het roestvrij staal eronder. Een coating die hard is maar gemakkelijk loslaat, is nutteloos. Ze trokken aan de coating tot deze losliet om de kracht te meten die nodig was voor loslating. De hechting was het sterkst bij de concentratie van 75 milligram, waar de coating standhield met een kracht van 26,8 megapascal. Bij de hoogste concentratie van 100 milligram daalde de hechtingsterkte licht, wat opnieuw suggereerde dat het klonteren van deeltjes zwakke plekken creëerde waar de coating van het metaal kon scheiden. De studie concludeerde dat hoewel het verhogen van de hoeveelheid deeltjes de koper over het algemeen harder maakte, de beste algehele prestaties voortkwamen uit een gebalanceerde aanpak. De ideale conditie voor het creëren van een koper-zirkoniumdioxide coating die hard, slijtvast en sterk aan het metaal gebonden is, werd gevonden bij een concentratie van 75 milligram zirkoniumdioxide per liter in combinatie met een stroomdichtheid van 4 ampère per vierkante decimeter. Deze specifieke combinatie bood de meest uniforme verdeling van deeltjes, de dichtste korrelstructuur en de beste bescherming tegen slijtage, wat een duidelijk pad biedt voor het verbeteren van de duurzaamheid van koperen componenten in veeleisende toepassingen.