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Scientific Reports volumen 6, número de artículo: 22285 (2016) Citar este artículo

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El recubrimiento de cromo duro galvanizado se usa ampliamente como recubrimiento resistente al desgaste para prolongar la vida útil de los componentes mecánicos. Sin embargo, el proceso de galvanoplastia genera iones de cromo hexavalente, que se conoce como carcinógeno. Por lo tanto, existe un gran esfuerzo en toda la industria de la galvanoplastia para reemplazar el recubrimiento de cromo duro. El recubrimiento compuesto se ha identificado como materiales adecuados para reemplazar el recubrimiento de cromo duro, mientras que el recubrimiento por deposición preparado usando técnicas tradicionales de codeposición tiene un contenido de partículas relativamente bajo, pero el contenido de partículas incorporadas en un recubrimiento puede afectar fundamentalmente sus propiedades. En el presente trabajo, se prepararon recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante mediante coelectrodeposición de sedimentos a partir de un baño de revestimiento de Ni-W, que contenía partículas de diamante suspendidas. Este estudio indica que se podrían codepositar y distribuir uniformemente con éxito mayores contenidos de diamantes en la matriz de aleación de Ni-W. La dureza máxima de los recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante es 2249 ± 23 Hv debido al mayor contenido de diamante del 64% en peso. La dureza podría mejorarse aún más hasta 2647 ± 25 Hv con tratamiento térmico a 873 K durante 1 h en gas Ar, que es comparable a los recubrimientos de cromo duro. Además, la adición de partículas de diamante podría mejorar significativamente la resistencia al desgaste de los recubrimientos.

El revestimiento compuesto es una técnica que implica la coelectrodeposición de partículas inertes con metal/aleación para promover las propiedades de dureza, desgaste y corrosión de los recubrimientos, que tiene una gran aplicación en las industrias. Los recubrimientos compuestos se preparan mediante electrodeposición conjunta de partículas de la segunda fase en una matriz de metal/aleación, que muestra excelentes propiedades de mayor dureza, lubricidad y desgaste1,2,3,4,5. El contenido de partículas incorporadas a un recubrimiento puede afectar fundamentalmente a sus propiedades. Si bien los recubrimientos de deposición fabricados utilizando técnicas tradicionales de codeposición tienen un contenido de partículas relativamente bajo6, el uso de métodos de galvanoplastia compuesta de bajo costo continúa expandiéndose y aborda el principal desafío de lograr altos niveles de partículas codepositadas. Por otro lado, la dureza de los recubrimientos compuestos está controlada no sólo por el contenido de partículas incorporadas, sino también por la dureza de la matriz7. Ogihara et al.7 informaron que la dureza de los recubrimientos de Ni-B/diamante era de 1940 Hv. La dureza del recubrimiento compuesto aumentó de 1940 Hv a 2494 Hv mediante tratamiento térmico a 673 K durante 1 h en aire, comparable a los recubrimientos de cromo duro y los recubrimientos duros preparados mediante procesos secos. Por ejemplo, la dureza del recubrimiento de cromo duro es de 850 a 1100 Hv8, y la dureza de los recubrimientos de TiN depositados mediante proceso de pulverización en seco o pulverización de plasma supersónico es de 2000 a 2700 Hv. Además, Ogihara et al.9 también prepararon recubrimientos compuestos duros de Ni-B/diamante (microdureza 1248 Hv) mediante electrodeposición en un solo paso. La dureza de los recubrimientos compuestos se mejoró aún más hasta 2310 Hv mediante tratamientos térmicos, comparables con el recubrimiento de cromo duro galvanizado, los recubrimientos de TiN preparados mediante un proceso seco y los recubrimientos compuestos de Ni-B/diamante preparados mediante un proceso húmedo de dos pasos.

Recientemente se desarrollaron aleaciones electrodepositadas de Ni-W como candidatas para reemplazar los recubrimientos de cromo duro hexavalente, peligrosos para el medio ambiente. La dureza del Ni-W puede alcanzar hasta 700 Hv controlando el tamaño de su grano en el régimen nanocristalino10. Además, la dureza de los recubrimientos de Ni-W se puede mejorar de 700 Hv a 1050 Hv mediante tratamiento térmico11. De acuerdo con estos resultados, se sugiere que las aleaciones de Ni-W podrían ser buenas candidatas a matriz para recubrimientos compuestos de diamante. Hou et al.12 y Wang et al.12 prepararon con éxito los recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante mediante electrodeposición. La microdureza alcanzó un máximo (1205 Hv) después del recocido a 600 °C debido a la precipitación de la fase Ni4W. Zhang et al.13 también prepararon recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante mediante electrodeposición por corriente pulsada. La dureza máxima de los recubrimientos depositados fue de 988 Hv. La dureza de Ni-W/diamante, sin embargo, no se puede comparar con la de los recubrimientos compuestos de Ni-B/diamante, lo que podría deberse al contenido relativamente bajo de partículas de diamante en los depósitos. En consecuencia, en el presente estudio, informamos un proceso simple de coelectrodeposición de sedimentos (SCD) de un solo paso para preparar recubrimientos compuestos duros de Ni-W/diamante.

Los recubrimientos de Ni-W y Ni-W/diamante se han preparado convencionalmente mediante el método de electrodeposición12,14. Sin embargo, es difícil co-depositar partículas de diamante en la matriz formada con el método de electrodeposición convencional. Por lo tanto, el contenido de diamante en los recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante preparados usando la electrodeposición convencional es bajo, de modo que la dureza de las partículas de diamante contribuiría sólo en pequeña medida a la dureza de los recubrimientos obtenidos. Anteriormente hemos demostrado la preparación de recubrimientos compuestos utilizando el método SCD15. La Figura 1 (a) muestra la configuración de SCD. La Figura 1 (b) muestra la representación esquemática del proceso de formación de recubrimientos compuestos de diamante Ni-W mediante el método SCD. En el proceso típico, las partículas de diamante quedarán suspendidas en la solución electrolítica durante la deposición. Por lo tanto, las partículas de diamante podrían coelectrodepositarse fácilmente con iones metálicos sobre el sustrato debido a la gravedad de las partículas de diamante. Este proceso de fabricación de SCD puede mejorar significativamente el contenido de partículas de diamante en los depósitos. En este estudio, la coelectrodeposición de Ni-W y diamante se realizó en un baño de revestimiento de 200 ml con química de baño acuosa. El compuesto del baño y las condiciones de recubrimiento se enumeran en la Tabla 1. Se usaron reactivos analíticos y agua desionizada para preparar la solución de recubrimiento. Se eligieron partículas de diamante de tamaño medio de 0,8 y 3 μm para depositarlas conjuntamente con níquel en los presentes experimentos. Se empleó acero al carbono como cátodo. Antes del revestimiento, los sustratos de acero se lavaron sucesivamente con jabón, se enjuagaron con NaOH, HCl y agua destilada y se activaron en HCl al 14%. Los sustratos de acero se enmascararon con cinta aislante dejando 4 cm2 de área expuesta. El sustrato de acero y la placa de malla recubierta de Pt-Fe con una distancia de 35 mm entre ellos se sumergieron horizontalmente en 200 ml de los baños de electrodeposición. La electrodeposición se llevó a cabo bajo una densidad de corriente constante (0,05, 0,1, 0,15 y 0,2 A cm-2) y se electrodepositaron con éxito recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante sobre las placas de acero.

(a) La configuración de deposición, 1 placa calefactora magnética, 2 agitadores, 3 vasos de precipitados, 4 electrolitos, 5 partículas de diamante, 6 cátodos de acero, 7 ánodos. (b) La representación esquemática del proceso de formación de recubrimientos compuestos mediante el método SCD.

Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante se muestran en la Fig. 2, donde las Fig. 2 (a-e) muestran la morfología de la superficie de recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante fabricados mediante codeposición de sedimentos. técnica con densidad de corriente de 0,1 A cm-2, temperatura del baño de 75 °C y diferente concentración de diamante en el baño, 1 g L-1, 3 g L-1, 5 g L-1, 10 g L-1 y 20 g L−1, respectivamente. Las partículas de la Fig. 2 representan el diamante codepositado en una matriz de Ni-W. Se puede ver que las partículas de diamante están incrustadas en la matriz de Ni-W y están presentes de manera uniforme y fina, lo que indica que las partículas de diamante se depositaron conjuntamente en la matriz de Ni-W una por una. Esto se puede ver claramente en la Fig. 2 (f), que es el área ampliada de la Fig. 2 (d). Además, se puede ver que se depositaron conjuntamente más partículas de diamante en la matriz presentada en la Fig. 2 (c – e) que en las que se muestran en la Fig. 2 (a, b). Estas micrografías SEM indican que la distribución uniforme de las partículas de diamante en todos los depósitos y el contenido de diamantes en los depósitos aumentaron con la concentración de diamantes en el baño de 1 a 5 g L-1, mientras que por encima de 5 g L-1 el contenido de diamantes en los depósitos se mantuvo. casi constante.

Los recubrimientos se prepararon con una densidad de corriente de deposición de 0,1 A/cm2, una temperatura del baño de 75 °C y diferentes concentraciones de diamante en solución, (a) 1 g L-1, (b) 2 g L-1, (c) 5 g. L-1, (d) 10 g L-1, (e) 20 g L-1. (f) el área ampliada de (d).

En la Fig. 3 también se muestran imágenes SEM transversales de recubrimientos de Ni-W/diamante preparados mediante el método SCD. La Figura 3 (a – d) presenta la sección transversal de un recubrimiento de Ni-W/diamante fabricado mediante la técnica SCD con densidad de corriente de 0,1 A cm-2, temperatura del baño de 75 °C y diferente concentración de diamante en el baño, 1 g L-1, 5 g L-1, 10 g L-1 y 20 g L-1, respectivamente. Los resultados revelan que el espesor de los recubrimientos se ve fuertemente afectado por la concentración de diamante en el baño. A medida que aumenta la concentración de diamante, disminuye el espesor de los recubrimientos. También se examinó el espesor de los recubrimientos para diferentes densidades de corriente (0,05 A cm-2, 0,1 A cm-2 y 0,2 A cm-2), como se muestra en la Fig. 3 (b, e, f), respectivamente. Se puede observar que el espesor aumenta con la densidad de corriente. El espesor del revestimiento es de ca. 25–70 μm con diferentes condiciones de deposición. Las imágenes insertadas muestran imágenes SEM de sección transversal ampliadas, que sugieren que el recubrimiento está compuesto de densas partículas de diamante con diámetros de ca. 2 a 4 µm. Los resultados confirman que las partículas de diamante se distribuyen uniformemente en la matriz de Ni-W, como se esperaba.

(a) concentración de diamante de 1 g L-1 y densidad de corriente de 0,1 A cm-2, (b) concentración de diamante de 5 g L-1 y densidad de corriente de 0,1 A cm-2, (c) concentración de diamante de 10 g L-1 y densidad de corriente de 0,1 A cm-2, (d) concentración de diamante de 20 g L-1 y densidad de corriente de 0,1 A cm-2, (e) densidad de corriente de 0,05 A cm-2 y concentración de diamante de 5 gramo L-1. (f) densidad de corriente de 0,2 A cm-2 y concentración de diamante de 5 g L-1.

La composición química de los recubrimientos compuestos depositados se examinó mediante análisis de espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS). El contenido de W es ~41–45% en peso, como se muestra en la Tabla 2. Para determinar la interfaz del enlace químico y la distribución de la composición entre las partículas de diamante y la matriz de Ni-W, también se llevaron a cabo la línea EDS y el mapeo elemental de rayos X. , como se presenta en la Fig. 4. La Figura 4 (a, b) muestra el análisis EDS para la superficie y la sección transversal, respectivamente. Aquí, se realizó un escaneo lineal EDS a través de la zona de partículas de diamante y la matriz de Ni-W. Los resultados implican que la matriz de Ni-W mostró el espectro de Ni y W y la zona de partículas de diamante que solo presentó el espectro de carbono. Por lo tanto, indica que las partículas de diamante se incrustaron en la matriz de Ni-W mediante enclavamiento mecánico con galvanoplastia de Ni-W. Además, en la Fig. 4 (d – f) se muestran los mapeos elementales de rayos X de Ni, W y C junto con la imagen SEM de los recubrimientos compuestos de Ni-W / diamante. El mapeo elemental de rayos X de C confirma aún más la distribución uniforme de las partículas de diamante en la matriz de Ni-W.

(a) alinee EDS a través de partículas de diamante y matriz de Ni-W en la superficie, (b) alinee EDS a través de partículas de diamante y matriz de Ni-W en la sección transversal, (c) área de imagen SEM de mapeo elemental, (d) mapeo de elementos C , (e) Mapeo de elementos Ni, (f) Mapeo de elementos W.

El contenido de diamante en los recubrimientos compuestos se evaluó mediante el método gravimétrico. La Figura 5 (a) muestra el contenido de diamante en los recubrimientos preparados con diferente concentración de diamante, tamaño de partículas y densidad de corriente. Los resultados revelan que, a medida que la concentración de diamantes en el baño aumenta de 0 a 5 g L-1, el contenido de partículas de diamante en los depósitos aumenta rápidamente, mientras que la concentración de diamantes en el baño es superior a 5 g L-1, el contenido de diamantes en los recubrimientos mantuvo casi constante. Esto podría deberse al efecto de bloqueo del polvo en la superficie disponible para el recubrimiento16. Además, las partículas de diamante más grandes incrustadas en la matriz de Ni-W son mejores que las partículas de diamante más pequeñas (Fig. 5 (a)). Durante el proceso SCD, las partículas se adsorben sobre la superficie de la película en crecimiento en dos pasos sucesivos y luego se incrustan dentro de la matriz metálica electrodepositada. Probablemente, las partículas de diamante de 0,8 μm eran demasiado livianas para caer sobre la superficie del sustrato, lo que resultó en que menos partículas de diamante más pequeñas se incrustaran en la matriz metálica. Por el contrario, se depositaron uniformemente 3 μm de partículas de diamante en la matriz de Ni-W, lo que está asociado con las condiciones en las que las partículas de diamante se dispersaron uniformemente en el baño y se dejaron caer y adsorbieron constantemente en la superficie del cátodo.

(a) El contenido de partículas de diamante en los depósitos aumentó rápidamente al aumentar la concentración de diamante de 0 a 5 g L-1, mientras que por encima de 5 g L-1, el contenido de diamante se mantuvo constante, (b) La rugosidad de la superficie (Ra) aumenta con el diamante. La concentración aumenta, mientras que el Ra es casi el mismo para los recubrimientos compuestos depositados con diferente densidad de corriente.

La rugosidad de la superficie de los recubrimientos de Ni-W y Ni-W / diamante se examinó mediante un perfilómetro de superficie como se muestra en la Fig. 5 (b). La rugosidad superficial (Ra) de los recubrimientos de Ni-W es de 1,06 μm. Mientras que el Ra de los recubrimientos de Ni-W/diamante (3 μm) aumenta de 1,19 a 2,09 μm con la concentración de diamante en el baño de 1 a 20 g L-1. Además, como la concentración de diamante en el baño es de 5 g L-1, el Ra de los recubrimientos de Ni-W/diamante es 1,41, 1,54, 1,34 y 1,34 μm con una densidad de corriente de 0,05, 0,10, 0,15 y 0,20 A cm-2. , respectivamente. Aunque Ra es de 1 a 2 µm, los recubrimientos compuestos tienen una superficie relativamente plana.

Los patrones de difracción de rayos X (XRD) de los recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante se presentaron como en la Fig. 6, donde la Fig. 6 (a) muestra la XRD de los recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante obtenidos con una concentración de diamante de 1, 2. , 5, 10, 20 g L-1, en su estado enchapado. Se produjeron tres picos en un ángulo 2theta de ~44°, ~75,3° y ~91,5° que están indexados al diamante (archivo JCPDS n.° 06-0675). Y los picos ampliados en el centro ~44° y ~76° podrían coincidir con el Ni (Archivo JCPDS No. 04-0850). Esto significa la formación de una solución sólida de W en Ni y los picos se pueden atribuir a (111) y (200) del Ni cúbico centrado en las caras (FCC). Además, en la Fig. 6 (b) se muestran los patrones XRD de recubrimientos compuestos de Ni-W y Ni-W/diamante con una concentración de diamante de 5 g L-1 a una densidad de corriente de 0,1 A cm-2. Se puede ver que el pico agudo del diamante (111) aparece en un difractograma XRD de recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante (Fig. 6 (a, b)). Los resultados de XRD podrían demostrar aún más que los recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante se fabricaron con éxito utilizando el método SCD.

(a) Patrones de DRX de recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante obtenidos con una concentración de diamante de 1, 2, 5, 10, 20 g L-1, en su condición de revestimiento, (b) Patrones de DRX de Ni-W depositado Recubrimientos de diamante W y Ni-W, (c) patrones XRD de tratamiento térmico de recubrimientos de Ni-W y Ni-W/diamante.

Se ha informado que las propiedades de los recubrimientos de Ni-W pueden mejorarse mediante tratamiento térmico11,17. El tratamiento térmico puede cambiar la estructura amorfa a una estructura de aleación cristalina, como Ni4W, NiW, como se muestra en la Fig. 6 (c), que tiene mayor dureza que los recubrimientos amorfos de Ni-W. Wang et al.12 informaron que el tratamiento térmico puede mejorar la dureza del Ni-W/diamante, que puede alcanzar hasta 1205 Hv desde 800 Hv (tal como se deposita). En el presente trabajo, el tratamiento térmico también se realizó a 873 K en gas Ar. La Figura 6 (c) muestra los patrones de XRD del recubrimiento de Ni-W/diamante fabricado con una densidad de corriente de 0,10 A cm-2, con un tamaño de diamante de 3 μm y 5 g L-1. El recubrimiento preparado tiene un pico de difracción amplio alrededor de 2θ = 30–55 ° (Fig. 6 (a)), lo que indica una estructura amorfa. Los picos agudos se produjeron en un ángulo 2theta de ~44°, que está indexado al diamante (archivo JCPDS n.° 06-0675). Después del tratamiento térmico a 873 K durante 1 h en gas Ar, el pico ancho ha desaparecido y aparecen picos de difracción correspondientes a Ni, diamante, WC, Ni4W y NiW12. También implica que el crecimiento y el engrosamiento del grano se promueven con un aumento en la temperatura del tratamiento térmico. El tamaño de grano de los recubrimientos obtenidos se calculó a partir del ancho de los picos de Ni (111) observados en los patrones XRD utilizando la ecuación de Scherrer. Los tamaños de grano antes y después del tratamiento térmico para la aleación de Ni-W y el recubrimiento compuesto de Ni-W/diamante se muestran en la Tabla 2. Observamos que en el presente sistema de recubrimientos compuestos y de aleación W es un elemento de refinación de grano, debido a su tendencia sutil. para segregación de límites de grano18,19,20; en consecuencia, en todas las muestras de la Tabla 2, el tamaño de grano está de acuerdo con el trabajo anterior20.

La Figura 7 presenta los resultados de la medición de dureza de los recubrimientos Ni-W y Ni-W/diamante. Como se ve, sin adiciones de diamante, las aleaciones electrodepositadas de Ni-W fabricadas con una densidad de corriente de 0,1 A cm-2 exhiben una dureza de 810 ± 32 Hv, lo que concuerda bien con el valor informado21. Los recubrimientos compuestos preparados con concentraciones de partículas de diamante en baño de 1, 2, 5, 10, 20 g L-1, exhiben durezas de 916 ± 20, 1370 ± 41, 2060 ± 52, 2076 ± 59 y 2249 ± 23 Hv. , respectivamente. En la Fig. 7 (a), se puede ver que las incorporaciones de diamante pueden dar como resultado una marcada mejora de la dureza. La dureza aumentó con la concentración de partículas de diamante en el baño de 0 a 5 g L-1, mientras que por encima de 5 g L-1 la dureza no provocó diferencias significativas. A partir de los resultados del SEM (Fig. 2) y del contenido de diamantes (Fig. 5(a)), el contenido de diamantes en los depósitos aumentó rápidamente al aumentar la concentración de diamantes de 0 a 5 g L-1, mientras que el contenido de diamantes fue muy estable. por encima de 5 g L-1. Los resultados pueden deberse al efecto de bloqueo del polvo sobre la superficie disponible para el recubrimiento16. Teniendo en cuenta las propiedades mecánicas de los materiales, la dureza de los recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante está controlada por tres factores: la codeposición de partículas de diamante, el contenido de W y el tamaño de grano de la matriz metálica. Según los resultados de EDS y XRD (Tabla 2), el contenido de W (~40–44% en peso) y el tamaño de grano de la matriz metálica (~1,1 nm) no tuvieron un cambio significativo. Por lo tanto, la dureza de los recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante se debe principalmente al contenido de diamante en los depósitos. Para comprender cómo el contenido de diamante en los depósitos afecta la dureza de los recubrimientos, es útil representar la dureza de las aleaciones Ni-W sin diamante y con diamante incorporado en función del contenido de diamante en los depósitos, como se muestra en Figura 7(b). De esta figura se puede observar que el contenido de diamantes en los depósitos influye fuertemente en la dureza. La dureza aumentó rápidamente con el contenido de diamantes. La Figura 7 (a) también muestra el efecto del tamaño del diamante y la densidad de corriente sobre la dureza de los recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante. La dureza de los recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante (3 μm) es aproximadamente 2,5 veces mayor que la de los recubrimientos de Ni-W/diamante (0,8 μm), lo que sigue la misma tendencia que el contenido de diamante en los depósitos (Fig. 5( a)). El contenido de diamante de los recubrimientos de Ni-W/diamante (0,8 μm) fue menor que el de los recubrimientos de Ni-W/diamante (3 μm). Consideramos que la sedimentación contribuye a estos resultados. Como la sedimentación tiene una fuerte influencia en las partículas grandes, las partículas más grandes podrían desprenderse fácilmente y codepositarse en la aleación de Ni-W, lo que da como resultado una reducción del contenido de diamante en partículas de diamante de 0,8 μm. Con el aumento de la densidad de corriente, la dureza del Ni-W/diamante aumentó de 1663 ± 19 a 2193 ± 46 Hv, mientras que la dureza disminuyó ligeramente por encima de 0,15 A cm-2. También se observó una tendencia similar en otro sistema de electrodeposición (Ni-B/diamante)22. Hasta donde sabemos, el recubrimiento de Ni-W/diamante es el más duro entre los recubrimientos fabricados mediante un proceso químico húmedo. Además, la dureza de los recubrimientos de Ni-W/diamante es mayor que la del recubrimiento de cromo duro (850-1100 Hv)8 y la del recubrimiento de Ni-B/diamante (1940 Hv, carga 50 gf)7,9, que es incluso en el mismo rango que los recubrimientos duros preparados por proceso seco (p. ej., TiN, 2000–2700 Hv).

(a) Dureza de los recubrimientos con diferentes condiciones de deposición y tratamiento térmico, (b) dureza de las aleaciones Ni-W y recubrimientos compuestos Ni-W/diamante presentados en función del contenido de diamante en los recubrimientos.

También se examinó la dureza con diferentes condiciones de deposición después del tratamiento térmico, como se muestra en la Fig. 7a. Los resultados implican que la dureza de los recubrimientos de Ni-W/diamante aumentó de 2060 ± 52, 2076 ± 59 y 2249 ± 23 Hv a 2263 ± 37, 2437 ± 41, 2647 ± 25 Hv con una concentración de diamante de 5, 10, 20. g L−1, respectivamente, con tratamiento térmico a 873 K durante 1 h en gas Ar. Para examinar el cambio estructural de los recubrimientos de Ni-W/diamante durante el tratamiento térmico, se midieron los patrones de XRD, como se muestra en la Fig. 6 (c). El tratamiento térmico del recubrimiento dio como resultado el crecimiento de cristales y la formación de una fase dura de WC y una aleación de Ni4W, NiW. Sin incorporación de diamante, se ha detectado óxido según los resultados de XRD, que coincidieron con el trabajo anterior17. Sin embargo, no se pudo realizar una identificación precisa de la fase, pero sí podrían ser posibles las fases Ni-O, WO o Ni-WO. Mientras que los resultados de XRD revelan que no se formó óxido durante el tratamiento a alta temperatura para los recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante (Fig. 6 (c)). Según los presentes resultados, la formación de la fase dura de WC en la matriz de Ni-W y el precipitado de la aleación NiW y Ni4W provocaron el endurecimiento del recubrimiento de Ni-W/diamante.

El rendimiento de muchos productos y componentes de ingeniería depende fundamentalmente de las propiedades tribológicas de las superficies, como el desgaste y la fricción. Aquí la prueba de desgaste también se realizó utilizando un tribómetro de deslizamiento alternativo para Ni-W (preparado con una densidad de corriente de 0,1 A/cm2) y recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante (depositados con una densidad de corriente de 0,1 A/cm2 y una concentración de diamante de 2, 5 y 10 g/L). La Figura 8 muestra los datos correspondientes del coeficiente de fricción (CoF) para recubrimientos compuestos de Ni-W y Ni-W/diamante, respectivamente. Para el recubrimiento de Ni-W, el coeficiente de fricción es siempre mayor que el de los recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante. Durante la prueba de desgaste, si la fuerza de fricción máxima es mayor que 10 N, es decir, el CoF es mayor que 1 en el presente caso con la carga de 10 N, la función de protección del equipo detendrá la prueba. Para los recubrimientos de Ni-W, una prueba se detuvo cuando la distancia de deslizamiento alcanzó los 42 m y se detuvo nuevamente a 200 m en otra prueba porque el CoF se volvió mayor que 1. Para los recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante, sin embargo, el CoF se mantuvo casi constante ~0,2–0,45 para una distancia de deslizamiento de 300 mo incluso más. Por ejemplo, el coeficiente de fricción de los recubrimientos obtenidos preparados con una concentración de diamante de 5 g/L puede mantenerse ~0,4 hasta que la distancia de deslizamiento se acerca a los 600 m. El CoF revela que la adición de diamante podría reducir significativamente el coeficiente de fricción. La observación de las huellas de desgaste generadas en las muestras tratadas puede proporcionar información sobre el rendimiento del desgaste y la mecánica del deslizamiento alternativo de bola sobre placa; de particular interés son los cambios inducidos por la adición del diamante.

Con la incorporación de diamantes, el coeficiente de ficción disminuye.

En la Fig. 8 se puede ver que el coeficiente de fricción disminuye bruscamente durante el rodaje y luego se estabiliza hasta alcanzar el estado estable. Durante el proceso de prueba de desgaste, tiene lugar cuando las dos superficies se mueven entre sí y se producen cambios tanto físicos como químicos. En función del tiempo, el proceso de desgaste cambia tanto en la geometría como en la composición del material. Para los recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante, en la fase inicial del proceso de desgaste, la bola abrasará tanto la matriz de Ni-W como las partículas de diamante, lo que dará como resultado un mayor coeficiente de fricción. Luego, las partículas de diamante podrían exponerse y aplicarse como microcortador. A pesar de ser duras, se sabe que las partículas de diamante tienen un bajo coeficiente de fricción. Por tanto, el coeficiente de fricción disminuye y se mantiene estable en todos los recubrimientos compuestos obtenidos. La reducción de los coeficientes de fricción puede explicarse por la formación de micropuntos de bajo cizallamiento en el recubrimiento o quizás solo en las puntas de aspereza de los recubrimientos23. Mientras que con los recubrimientos de Ni-W, el coeficiente de fricción aumenta ligeramente y alcanza hasta 1 a una distancia de deslizamiento de aproximadamente 40 m (una prueba) y 200 m (otra prueba).

La Figura 9 (a) presenta la perfilometría de la superficie 2D de las cicatrices de desgaste. Las marcas de desgaste pueden demostrar claramente que los recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante presentan una mejor resistencia al desgaste. A partir de las cicatrices de desgaste 2D, se pudo estimar el volumen de desgaste para los recubrimientos de Ni-W (0,55 mm3). Sin embargo, la medición del volumen de desgaste para recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante es difícil debido a que se eliminan muy pocos recubrimientos.

(a) Escaneos de perfilometría de pistas de desgaste para recubrimientos de Ni-W y recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante. (b) vista general SEM de la pista de desgaste de los recubrimientos de Ni-W, (c) dentro de la pista de desgaste de los recubrimientos de Ni-W, (d) vista general SEM de la pista de desgaste de los recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante, (e) dentro de la pista de desgaste de los recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante.

También se realizó SEM para estudiar las pistas de desgaste internas de los recubrimientos compuestos Ni-W (distancia de deslizamiento 42 m) y Ni-W/diamante preparados con una concentración de diamante de 5 g/L (distancia de deslizamiento 600 m), como se muestra en la Fig. 9(b-e). En la Fig. 9(b,c) se puede observar que la huella de desgaste de los recubrimientos de Ni-W es clara y la apariencia manchada de la superficie es típica de material desconchado, muchos rayones y deformación plástica extensa. La morfología de la superficie desgastada de los recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante se muestra en la Fig. 9 (d, e). Se puede observar que la huella de desgaste no es clara. No se desprendió ninguna partícula de diamante durante la prueba de desgaste de la superficie desgastada SEM magnificada de los recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante (Fig. 9(e)) debido a la fuerte adherencia entre las partículas de diamante y la matriz de Ni-W.

Debido a la alta dureza de los recubrimientos depositados, las bolas utilizadas para las pruebas también estaban desgastadas. La morfología de la cicatriz de desgaste SEM se ha atribuido en parte a la adhesión de los materiales de las bolas a la superficie desgastada. Esto también se confirma mediante el mapeo elemental, como se muestra en la Fig. 10, que indica el mapa elemental que muestra la distribución de los elementos N, Si, C, Ni, W en la superficie desgastada de los recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante. Se puede observar que la posición concentrada de la mancha roja contiene una proporción mayor y uniforme de elementos C. Muestra que las partículas de diamante tienen una amplia distribución en la superficie desgastada de los recubrimientos compuestos de Ni-W/diamante. Las partículas de diamante reforzadas redujeron el contacto directo entre la matriz de Ni-W y la contrabola durante la prueba de desgaste, lo que también redujo el coeficiente de fricción y resultó en una mayor resistencia al desgaste. La Figura 10 (b, c) muestra que los elementos N y Si se distribuyen uniformemente sobre la superficie desgastada, sugiere que las partículas de diamante más duras podrían eliminar fácilmente los materiales de las bolas durante la prueba de desgaste, y los materiales de las bolas eliminados se adhieren a la superficie desgastada.

(a) Imagen SEM, (b) Mapeo de elementos N, (c) Mapeo de elementos Si, (d) Mapeo de elementos C, (e) Mapeo de elementos Ni, (f) Mapeo de elementos W.

En resumen, se realizó una coelectrodeposición de sedimentos para preparar recubrimientos compuestos duros de Ni-W/diamante. Estos recubrimientos exhibieron una dureza extremadamente alta y una resistencia al desgaste superior. La dureza de los recubrimientos compuestos aumentó al aumentar la concentración y el tamaño de las partículas de diamante en el presente estudio porque las partículas de diamante con mayor concentración y mayor tamaño tienden a codepositarse en la matriz de Ni-W más fácilmente. Además, se mejoró la dureza mediante el tratamiento térmico de los recubrimientos. El recubrimiento compuesto de Ni-W/diamante más duro en el presente trabajo fue incluso mayor que el de los recubrimientos de Ni-B/diamante preparados mediante proceso húmedo y comparable a los recubrimientos duros preparados mediante procesos secos.

Sulfato de níquel (II) hexahidrato NiSO4·6H2O(Carlo), Tungstato de sodio dihidrato Na2WO4·2H2O(Carlo), Citrato trisódico dihidrato Na3C6H5O7·2H2O(Carlo), Cloruro de amonio NH4Cl(Carlo), Bromuro de sodio NaBr(Carlo) utilizado en el presente estudio fueron de grado reactivo analítico. El polvo de diamante era de Huanghe Xuanfeng Co. Ltd., China. Todas las soluciones acuosas se prepararon usando agua bidestilada.

La coelectrodeposición de Ni-W y diamante se realizó en un baño de recubrimiento de 200 ml con química de baño acuosa. El compuesto del baño y las condiciones del revestimiento se enumeran en la Tabla 1. Anteriormente hemos demostrado la preparación de recubrimientos compuestos utilizando el método SCD15. La Figura 1 (a) muestra la configuración de SCD. La Figura 1 (b) muestra la representación esquemática del proceso de formación de recubrimientos compuestos de diamante Ni-W mediante el método SCD. Se utilizaron reactivos analíticos y agua desionizada para preparar la solución de recubrimiento. Se eligieron partículas de diamante con un tamaño medio de partículas de 0,8 y 3 μm para codepositar con níquel en los presentes experimentos. La concentración de partículas de diamante en el baño es 1, 2, 5, 10, 20 g L-1. La temperatura del baño se mantuvo a 75 °C. El pH del electrolito era 8,9 y no se vio afectado por las adiciones de diamantes. Se empleó acero al carbono como cátodo. Antes del revestimiento, los sustratos de acero se lavaron con jabón, se enjuagaron con NaOH, HCl y agua destilada y se activaron en HCl al 14%. Los sustratos de acero se cubrieron con cinta aislante para dejar 4 cm2 de área expuesta.

El sustrato de acero y la placa de malla recubierta de Pt-Fe con una distancia de 35 mm se sumergieron horizontalmente en 200 ml de los baños de electrodeposición. La electrodeposición se llevó a cabo bajo densidad de corriente constante (0,05, 0,1, 0,15 y 0,2 A cm-2). Se galvanizaron revestimientos compuestos de Ni-W/diamante sobre las placas de acero. Los recubrimientos se lavaron con agua y se secaron al aire a temperatura ambiente. Además, SCD también obtuvo un recubrimiento de aleación de Ni-W utilizando la configuración desarrollada.

Antes del análisis de la superficie, todos los recubrimientos se lavaron en agua desionizada y se sometieron a ultrasonidos en acetona durante 5 minutos. Se utilizó un microscopio óptico (OM) para determinar el espesor del recubrimiento. Se realizó microscopía electrónica de barrido (SEM, Hitachi, S4800) para observar la superficie de los recubrimientos. El contenido de partículas en los recubrimientos compuestos se evaluó mediante el método gravimétrico. Los depósitos se eliminaron con ácido nítrico, que se filtró, y se estimó gravimétricamente la masa de polvo de diamante en el depósito. Las fases de los recubrimientos compuestos se detectaron mediante difracción de rayos X utilizando un difractómetro X'Pert Pro (Panalytical). Se utilizó el perfil de superficie (Gauges, Ambs, EE. UU.) para medir la rugosidad de la superficie. La microdureza Vickers para la superficie de los recubrimientos se midió usando un probador de microdureza bajo una carga de indentación de 100 gf durante 15 s en siete ubicaciones diferentes de una muestra, y el valor promedio de las cinco mediciones (excepto los valores máximo y mínimo) se cita como la dureza de la película.

Las pruebas de desgaste se realizaron utilizando un tribómetro de deslizamiento alternativo CSM, conectado a una computadora que monitorea el coeficiente dinámico de fricción (en ambas direcciones de deslizamiento), la humedad relativa y la temperatura. Las pruebas se realizaron aplicando una carga normal de 10 N a una bola estacionaria de 6 mm de diámetro. Los materiales de las bolas utilizados fueron Si3N4. La máquina de bolas sobre placa se configuró para funcionar a 100 mm/s con una amplitud de movimiento alternativo de 10 mm y sin lubricación. Las pruebas se realizaron a temperaturas entre 20 y 25 °C. Antes de cada prueba, tanto la muestra como la contracara de la bola se limpiaron ultrasónicamente en acetona durante 10 minutos y se secaron con aire caliente. El comportamiento antidesgaste de las películas se estimó a partir de la pérdida de peso de las muestras. Después de las pruebas de desgaste, se observó mediante SEM la morfología de cada cicatriz de desgaste. También se utilizaron SEM y EDS para obtener información sobre la morfología y composición química de los residuos de desgaste.

Cómo citar este artículo: Zhang, X. et al. Coelectrodeposición de recubrimientos nanocompuestos duros de Ni-W/diamante. Ciencia. Rep. 6, 22285; doi: 10.1038/srep22285 (2016).

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Esta investigación cuenta con el apoyo del Fondo de Investigación de Tailandia (TRG5780222). JQ desea agradecer el apoyo del Consejo Nacional de Investigación de Tailandia (NRCT, 183299), el Fondo de Dotación Ratchadaphisek somphoch (2013), la Universidad de Chulalongkorn (CU-56-805-FC) y el Laboratorio Clave de Ciencia y Tecnología de Materiales Metastables, Yanshan. Universidad. XZ, MM y RL desean agradecer el apoyo de NBRPC (subvención 2013CB733000), NSFC (subvenciones 51571174/51531005).

Laboratorio estatal clave de ciencia y tecnología de materiales metaestables, Universidad de Yanshan, Qinhuangdao, 066004, República Popular China

Xinyu Zhang, Ruru Hao, Hua Zhong, Mingzhen Ma y Riping Liu

Instituto de Investigación en Metalurgia y Ciencia de Materiales, Universidad de Chulalongkorn, Bangkok, 10330, Tailandia

Jiaqian Qin, Malay Kumar Das, Adisak Thueploy, Sarintorn Limpanart y Yuttanant Boonyongmaneerat

Programa Internacional de Posgrado en Nanociencia y Tecnología, Universidad Chulalongkorn, Bangkok, 10330, Tailandia

Malasia Kumar Das

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JQ, XZ y RL diseñaron y coordinaron la investigación. JQ, XZ, MD, RH, HZ, AT, SL, YB y MM hicieron los experimentos y analizaron todos los datos. JQ y XZ escribieron el manuscrito.

Correspondencia a Jiaqian Qin o Riping Liu.

Los autores no declaran tener intereses financieros en competencia.

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Reimpresiones y permisos

Zhang, X., Qin, J., Das, M. et al. Coelectrodeposición de recubrimientos nanocompuestos duros de Ni-W/diamante. Representante científico 6, 22285 (2016). https://doi.org/10.1038/srep22285

Descargar cita

Recibido: 30 de noviembre de 2014

Aceptado: 11 de febrero de 2016

Publicado: 29 de febrero de 2016

DOI: https://doi.org/10.1038/srep22285

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