Codeposició electroless de NiP amb micro- i nanopartícules ceràmiques

Abstract

L’obtenció de recobriments compòsits mitjançant la incorporació de partícules en una matriu determinada ha conduit a una nova generació de materials amb unes propietats particulars, depenent tant de la naturalesa de la matriu com de les partícules emprades. En els darrers anys ha sorgit un gran interes en l’obtenció de compòsits amb partícules nanomètriques, ja que s’ha constatat que la reducció de la mida de la partícula pot modificar substancialment les propietats del dipòsit i permet la reducció de la mida del suport, tot obrint un nou ventall d’aplicacions. L’aplicació de la tecnologia electroquímica a l’obtenció d’aquests recobriments té dues etapes de difícil control: l’obtenció de les dispersions de les partícules i el propi procés de codeposició. La disminució de la mida de les partícules exalta els problemes d’agregació a les dispersions, donant lloc a la formació d’agregats de mida sub-micromètrica.

El sistema NiP/X, format per una matriu de níquel i partícules ceràmiques, es escollit pel seu interès tecnològic, cercant analitzar l’efecte de la mida de les partícules sobre les propietats dels compòsits obtinguts per incorporació de nanopartícules de SiC i Si3N4 dins una matriu de níquel, mantenint en tot moment la referència al comportament de les micropartícules i emprant la via electroless. Segons això, la tesi s'estructura en tres parts:

1. Caracterització de les nanopartícules de SiC i Si3N4 i de les seves dispersions: la distribució de mida de partícula (PSD) i el potencial zeta (ζ) són dos paràmetres importants per caracteritzar el comportament de les partícules suspeses en un medi i relacionats amb les caracteristiques de la seva superfície. Es detalla el treball fet sobre la caracterització de l'estructura i composició superficial de les nanopartícules, l'estudi del seu comportament en suspensió i de l'efecte dels diferents components d'un bany electroquimic sobre aquestes propietats, amb especial èmfasi en les determinacions efectuades sobre electròlits concentrats i a temperatura relativament elevada i amb la presencia de fluorosurfactants fins ara no estudiats.

2. Obtenció de compòsits per electroless i la seva caracterització: es tracta el procés de deposició i la caracterització dels dipòsits obtinguts. S'estudia la morfologia, composició i estructura així com les propietats de resistència a la corrosió, duresa i resistència al desgast dels recobriments. Buscant l'aplicació directa dels compòsits obtinguts, es treballa amb un bany comercial que proporciona recobriments amb propietats contrastades. D'altra banda, per a l'estudi de l'efecte dels fluorosurfactants s'utilitza un bany de composició més simple.

3. Anàlisi comparativa de la duresa, la resistència al desgast i la fricció: el principal objectiu de la incorporació de partícules ceràmiques a un dipòsit de matriu metàl.lica és l’augment de la seva duresa i resistència al desgast. Existeixen molts mètodes d'assaig d'aquest tipus de propietats i se'n pot obtenir informació molt diversa, encara que els més habituals estan dimensionats per l’avaluació de materials màssics. En aquest capítol es discuteix la seva aplicació a l'avaluació de recobriments compòsits, fent una anàlisi comparativa global de tota la tecnologia avaluada.

Quan es va comencar aquest treball, es va considerar interessant dur a terme un estudi final comparatiu dels sistemes NiP/X obtinguts per electrodeposició. Pel seu interès tecnològic es va escollir un bany de sulfamat de nóquel com a electròlit de treball. Però la manca de dades de referéncia sobre el comportament electroquímic d'aquest bany (no es troben referencies bibliogràfiques sobre l'estudi de l'electrodeposició de Ni a partir d'aquest tipus d'electròlits ni de l'obtenció de NiP i els seus composits), ha reduït aquesta part a l’estudi inicial del comportament del bany, l’anàlisi del procés d’electrodeposició i la caracterització dels dipòsits obtinguts.

NiP electroless is widely used because of its corrosion and wear resistances and its uniform coating thickness. Moreover, it is known that the incorporation of particles onto this NiP matrix provides enhanced surface properties, depending on the particle nature.

Hard particle-containing deposits have been developed when the main requirement for the composite coating is wear resistance. Among these coatings, the combination NiPSiC has proved to be the most cost-effective and best-performing combination. The final properties of these coatings depend on the phosphorous content of the NiP matrix, which determines the structure of the coatings, and on the characteristics of the embedded particles such as type, shape and size. Most studies concerning NiP-hard particle systems are performed using micron-sized particles and some commercial processes exist to obtain such composites. However, the development of nanotechnologies has raised the interest on the metal matrix nano-composite coatings because of their unique mechanical, magnetic and optical properties.

With the commercial NiP electrolyte and the ceramic particles used in this study, two different patterns have been observed when trying to obtain composite coatings. In the range between 0.6 and 2 ,m, no significant differences have been observed between the SiC and Si3N4 particles. In both cases, the amount of embedded particles increases with particle size and their incorporation modifies neither the phosphorous content nor the deposition rate of the process. The composite coatings show uniformly distributed particles and the hardness and wear resistance are improved, particularly with the SiC particles and after annealing.

However, when nano-sized particles are used, the behaviour of the two ceramics diverges: SiC is incorporated to a relatively high amount, while Si3N4 is not. At this size level, the nature of the particle seems to be the most important factor in determining its incorporation into the metallic matrix. The presence of SiC nano-particles reduces the rate and modifies the coating morphology, altering NiP growth to a much greater extent than do micro-sized ones. Nano-composites show excellent properties, even better than those of micro composites, as lower amounts of embedded particles are needed to obtain the same response.