Jak elektroosadzone powłoki kompozytowe Ni-ZrO2-TiO2 na stalach miękkich wpływają na strukturę i właściwości powierzchniowe?

W procesie elektroosadzania na stalach miękkich uzyskano powłokę kompozytową Ni-ZrO2-TiO2, której proszek przedstawiono na rysunku 5.1(b). Do analizy wykorzystano mikroskopię skaningową (SEM) oraz dyfrakcję rentgenowską (XRD). Powłokę na stali miękkiej naniesiono za pomocą układu dwuelektrodowego, stosując prostokątne oraz trójkątne impulsy prądowe. Przed rozpoczęciem procesu osadzania, powierzchnie podłoży stalowych zostały poddane wieloetapowemu szlifowaniu papierami ściernymi o gradacji 320, 800, 1/0, 2/0 i 3/0, a następnie polerowaniu metalograficznemu aż do uzyskania powierzchni o lustrzanym połysku. Po czyszczeniu ultradźwiękowym w wodzie destylowanej i acetonie (w stosunku 1:1), próbki zostały wysuszone na powietrzu przed procesem osadzania.

Zestawienie do analizy składu chemicznego elektrod zostało przedstawione w Tabeli 5.1. Eksperymentalny układ został zaprezentowany na rysunku 5.3. W procesie elektroosadzania użyto zasilacza prądu stałego GW INSTEK 3030D, a impulsy prostokątne i trójkątne generowane były za pomocą modulatora szerokości impulsu Arduino. Skład kąpieli elektrolitowej oraz parametry procesu osadzania zostały określone w Tabelach 5.2 i 5.3. Powłoki Ni-50% ZrO2-TiO2 były wyżarzane w piecu muflowym w temperaturze 700°C przez 2 godziny.

Analiza morfologii powierzchni proszków oraz osadów została przeprowadzona przy użyciu SEM. Wyniki pokazują, że cząsteczki ZrO2-TiO2 mają głównie kulisty kształt i rozmiar poniżej 100 nm, co może być korzystne dla poprawy właściwości mechanicznych i fizycznych osadzonych powłok. Powierzchnia stali miękkiej bez powłoki oraz powłoki Ni-50% ZrO2-TiO2 naniesionej przy użyciu impulsów prostokątnych i trójkątnych są przedstawione na rysunkach 5.5(b) oraz 5.5(c).

Stwierdzono, że zastosowanie prostokątnych impulsów prądowych skutkuje większą aglomeracją cząsteczek kompozytu, co prowadzi do zwiększenia gęstości porów i struktury łuskowatej w powłoce. Z kolei trójkątne impulsy prądowe powodują mniejszą gęstość porów i drobniejszą strukturę ziaren. Zjawisko to wynika z różnic w energii powierzchniowej, które powodują selektywny wzrost ziaren o najniższej energii powierzchniowej. Wpływ rodzaju impulsów na morfologię powierzchni powłok może mieć istotne znaczenie w kontekście ich zastosowań w przemyśle, gdzie gładkość i jednolitość powierzchni są kluczowe.

Analiza dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) wykazała, że przygotowany proszek ZrO2-TiO2 posiada strukturę ortorombiczną, co zostało potwierdzone na podstawie wzorca JCPDS nr 01-080-1783. Rozmiar krystalitów wynosił około 20 nm, co potwierdzono przy użyciu wzoru Debye'a-Scherrera. Warto zauważyć, że brak znaczącego poszerzenia szczytów w XRD, mimo ultradrobnej wielkości cząsteczek, sugeruje, że poszerzenie szczytów wynika głównie z udoskonalenia struktury ziaren, a nie ze wstrząsów chemicznych podczas przygotowania proszku nanokompozytowego.

Wzorce XRD dla osadów na stalach miękkich wykazują, że za pomocą impulsów prostokątnych i trójkątnych możliwe jest osadzenie powłok o różnej intensywności szczytów ZrO2-TiO2. W przypadku impulsów prostokątnych, intensywność szczytów ZrO2-TiO2 była niższa, natomiast impulsy trójkątne spowodowały wyraźne powiększenie intensywności tych szczytów, zwłaszcza na płaszczyźnie (002). Może to wskazywać, że większe ilości cząsteczek ZrO2-TiO2 gromadzą się na powierzchni katodowego podłoża stalowego podczas stosowania prostokątnych impulsów prądowych.

Powłoki kompozytowe Ni-ZrO2-TiO2 wykazują znaczne zmiany w strukturze i właściwościach powierzchniowych w zależności od zastosowanego rodzaju impulsów prądowych. Te różnice mogą mieć kluczowe znaczenie przy doborze odpowiednich parametrów procesu elektroosadzania, w zależności od pożądanych właściwości mechanicznych, twardości oraz odporności na korozję. Stosowanie trójkątnych impulsów prądowych może być korzystne w zastosowaniach wymagających mniejszych porów i drobniejszej struktury ziaren, co poprawia odporność powłok na zużycie oraz zwiększa ich trwałość.

Jak fale trójkątne wpływają na mikrohartowanie i odporność na korozję powłok Ni-ZrO2-TiO2?

Badania korozji wżerowej przeprowadzono przy użyciu konwencjonalnej komórki trójelektrodowej w roztworze NaCl o stężeniu 3,5% w temperaturze pokojowej. Krzywe Tafela dla stali niepowlekanej i pokrytej przedstawiono na rysunku 5.8. Porównanie pokrytej stali węglowej z próbką niepowlekaną wykazuje wyraźne przesunięcie krzywych Tafela ku niższym gęstościom prądowym oraz przesunięcie potencjału korozji ku wartościom dodatnim. Wartości parametrów korozji, takich jak potencjał, gęstość prądu, a także efektywność ochrony, zostały obliczone i przedstawione w tabeli 5.5. Czyste powłoki niklowe zaczynają wykazywać wzrost gęstości prądu powyżej -690 mV (względem SCE), w miarę wzrostu potencjału. Dodatek kompozytów ZrO2–TiO2 w układzie elektrolitu niklowego może wpływać na mechanizm nukleacji i wzrostu osadów niklowych poprzez elektrolityczne osadzanie. Zastosowane pole elektryczne i dodane nanokompozyty w układzie elektrolitu niklowego sprzyjają transportowi niklu wraz z nanocząstkami na powierzchnię katody, gdzie są one silnie adsorbowane. Aktywuje to powierzchnię, tworząc liczne miejsca nukleacji dla redukcji jonów Ni2+.

Podczas stosowania fali trójkątnej, odporność na korozję powłok Ni–50% ZrO2–TiO2 jest wyraźnie większa niż w przypadku fali prostokątnej. Zjawisko to jest zgodne z niższą średnią gęstością prądu impulsowego generowaną przez falę trójkątną, co skutkuje mniejszą gęstością porów, a także gładką i jednorodną powierzchnią o mniejszym rozmiarze ziaren niż w przypadku osadzania przy użyciu fali prostokątnej. Odporność na korozję powłok kompozytowych jest uzależniona od jednorodności warstwy, rozmiaru i gęstości porów, gładkości, wielkości ziaren matrycy, a także wzmocnienia kompozytów powłokami metalicznymi.

Wnioski płynące z badań nad powłokami niklowymi wzmocnionymi kompozytami ZrO2–TiO2, osadzanymi przy użyciu prądu impulsowego o kształcie prostokątnym i trójkątnym, wskazują, że fala trójkątna, przy cyklu pracy 10% i częstotliwości 10 Hz, prowadzi do uzyskania bardziej jednorodnych powłok z mniejszymi ziarnami niż w przypadku fali prostokątnej. Powłoki osadzone przy użyciu fali trójkątnej wykazują wyższą efektywność ochrony przed środowiskiem korozyjnym NaCl 3,5% niż powłoki osadzone za pomocą fali prostokątnej. Czynnikami odpowiedzialnymi za tę poprawę są mniejsze ziarna, gładkie i jednorodne warstwy oraz mniejsza gęstość porów.