Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Electrocodeposition of Ni composites and surface treatment of SiC nano-particles
Jönköping University, School of Engineering, JTH, Materials and Manufacturing.ORCID iD: 0000-0001-7228-1188
Technische Universität Ilmenau, Ilmenau, Germany.
Jönköping University, School of Engineering, JTH, Materials and Manufacturing.ORCID iD: 0000-0002-7095-1907
Jönköping University, School of Engineering, JTH, Materials and Manufacturing.ORCID iD: 0000-0003-2924-137X
2021 (English)In: Surface & Coatings Technology, ISSN 0257-8972, E-ISSN 1879-3347, Vol. 406, article id 126663Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

This work has explored the surface modification of SiC submicron- and nanoparticles, and its influence on the particles' chemical behaviour and deposition rate in the electroplating of composite Ni/SiC coatings. SiC particles with different sizes (50, 60, 300 and 500 nm) were codeposited in their “as-produced” state. The ζ-potential measurements and alkaline titration for the “as-produced” particles showed differences in chemical behaviour for particles of different sizes, reporting pH buffering effect, even though the particles were inert and chemically the same (SiC). A surface treatment (ST) based on nitric acid was developed in an attempt to set a similar surface state, therefore a similar chemical behaviour in all particles. The ζ-potential measurements and alkaline titration of the “surface treated” particles showed similar results, independently of the size of particles. The pH buffering effect also decreased considerably by the ST. The codeposition rate was modified by the ST differently for each size compared to their as-produced state. The content of SiC50 and SiC500 was doubled (≈2% and ≈19%), tripled for SiC300 (≈7%) and more than halved for SiC60 (≈2%). The microhardness of these composite deposits was linked to the changes in the SiC codeposition.

Place, publisher, year, edition, pages
Elsevier, 2021. Vol. 406, article id 126663
Keywords [en]
Dispersion coating, Surface treatment, ζ-Potential, Grain refinement, Microhardness
National Category
Mechanical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:hj:diva-43545DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.126663ISI: 000604750600023Scopus ID: 2-s2.0-85098481602Local ID: HOA;intsamOAI: oai:DiVA.org:hj-43545DiVA, id: diva2:1307362
Funder
Knowledge Foundation, 20310117
Note

Included in thesis in manuscript form as: Pinate, S., Ispas, A., Leisner, P., Bund, A., Zanella, C. Electrocodeposition of Ni composites and surface modification of SiC nanoparticles.

Available from: 2019-04-26 Created: 2019-04-26 Last updated: 2021-04-28Bibliographically approved
In thesis
1. Study of particle-current-electrocrystallization interactions in electroplating of Ni/SiC coatings
Open this publication in new window or tab >>Study of particle-current-electrocrystallization interactions in electroplating of Ni/SiC coatings
2019 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Composite coatings have great potential due to the possibility to combine properties of two different materials in one coating. This way, new surface properties can be tailored and applied to any material's surface. Among different manufacturing routes, electrodeposition has the biggest potential in creating composite metal matrix coatings, especially nanocomposites. Nevertheless, there is a knowledge gap between the deposition of composite coatings in laboratory conditions, described in the literature, and those that are now in place on an industrial level. While micro-composites have been industrialised for about ten years, the production of Ni/SiC nanocomposite coatings by electroplating is still far from an industrial manufacturing floor. This is due to the lack of understanding of the mechanisms of nanoparticles codeposition leading to scattering results.

The production of nanocomposite coatings is much more sensitive to the process parameters compared to microcomposite. The correlation between parameters and their influence on the codeposition are still not fully identified and understood. The codeposition models proposed in the literature are only valid in specific conditions, but composite depositions behave differently, or even opposite if some of the variables are modified.

The main objective of this work is to identify the particle-current-electrocrystallization interactions in the production of Ni/SiC nanocomposites. A series of experiments are designed to isolate single variables and identify the controlling parameters of these interactions and their impact on the final properties.

In this thesis, the effect of current density, type of current and particles size are identified as primary variables controlling the metal crystallisation and coatings properties.

Among many parameters, a specific current waveform in pulse reverse mode proved to increase the codeposition rate effectively, doubling the content of nanoparticles compared to other techniques. Ultrasound assistance is also considered as stirring method when particles are suspended in the deposition bath to increase their stability and dispersion. The effect of Ultrasound on the particles codeposition and metal crystallisation is studied and compared to silent condition.

Moreover, a surface treatment for the particle has been proven successful in making any particle to behave similarly in the Ni deposition bath. Furthermore, the codeposition rate doubled or tripled compared to untreated ones thanks to this treatment. Both ultrasonic agitation and surface treatment reduce the formation of aggregates, improving the particle dispersion and metal microstructure thus increasing the final hardness.

The work proved the synergistic effect between particle and metal microstructure which affected the final properties of the coating. Therefore, when tailoring the composite coating to improve hardness, it is not only the amount of the particles that should be considered but also their influence on the electrocrystallisation process.

Abstract [sv]

Kompositbeläggning har stort potential tack vare möjligheten att kombinera två material i samma ytskikt. På detta sätt kan nya ytegenskaper skräddarsys och appliceras på ett materials yta. Elektrodeposition är den tillverkningsmetod som har störst potential att uppnå kompositbeläggningar, i synnerhet nanokompositer. Ett kunskapsgap existerar mellan elektrodeposition under laboratorieförhållanden, som beskrivet i vetenskaplig litteratur, och hur processen går till i industriell miljö. Medan industriell tillämpning av mikrokompositer pågått ungefär tio år, så har produktion av Ni/SiC nanokompositbeläggningar fortfarande inte nått fabriksgolvet. Detta är en konsekvens av bristande förståelse kring mekanismer för samdeposition av nanopartiklar som leder till varierande resultat.

Produktion av nanokompositbeläggningar är mycket mer känslig för processparametrar jämfört med mikrokompositer. Korrelationer mellan parametrar och dess inverkan på samdeposition är fortfarande inte fullt identifierade och förstådda. Modeller för samdeposition som föreslås i vetenskaplig litteratur är endast giltiga under särskilda förhållanden. Kompositdeposition kan uppvisa avvikande eller till och med motsatt beteende om variabler förändras.

Huvudmålet med detta arbete är att identifiera interaktioner mellan partikel, ström och elektrokristallisering under tillverkning av Ni/SiC nanokompositer. En serie av experiment är utvecklade för att isolera variabler och identifiera de parametrarna som kontrollerar dessa interaktioner och dess inverkan på ytans egenskaper.

I denna avhandling identifieras strömtäthet, typ av ström, och partiklars storlek som primära variabler som kontrollerar metallkristallisering och beläggningens egenskaper.

Bland många parametrar, visades en specifik vågform på strömmen i omvänd pulsläge öka samdepositionen effektivt, ledande till en fördubbling av andelen nanopartiklar jämfört med andra tekniker. Ultraljud tillämpades som metod för omrörning av depositionsbadet för förbättrad stabilitet och fördelning. Effekten av ultraljud på samdepositionen av metallkristallisering studeras och jämfört med tyst tillstånd.

Dessutom har en ytbehandling för partiklarna visats framgångsrik för att få godtyckliga partiklar att bete sig likt Ni i depositionsbadet. Detta ledde till att samdepositionens takt ökade med en faktor av två till tre jämfört med obehandlade partiklar. Både ultraljud och ytbehandling av partiklarna ledde till minskad aggregation vilket förbättrade fördelningen av partiklar och metallstruktur och därigenom ökad hårdhet.

Arbetet bevisar synergieffekten mellan partiklar och metallstruktur vilket påverkar beläggningens slutliga egenskaper. Vid utveckling av nya ytbeläggningar ska därför inte bara mängden partiklar beaktas utan även dess interaktion med elektrokristalliseringsprocessen.

Place, publisher, year, edition, pages
Jönköping: Jönköping University, School of Engineering, 2019. p. 45
Series
JTH Dissertation Series ; 039
Keywords
Composite coatings; Nanoparticles; Electrocrystallisation; Microstructure; Surface treatment; Pulse plating; Ultrasound agitation, Kompositbeläggningar; Nanopartiklar; Elektrokristallisering; Mikrostruktur; Ytbehandling; Pulsplätering; Ultraljudsomrörning
National Category
Mechanical Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:hj:diva-43548 (URN)978-91-87289-41-5 (ISBN)
Supervisors
Available from: 2019-04-26 Created: 2019-04-26 Last updated: 2021-09-10Bibliographically approved
2. Control of particles codeposition and strengthening mechanisms in nickel based nanocomposite coatings
Open this publication in new window or tab >>Control of particles codeposition and strengthening mechanisms in nickel based nanocomposite coatings
2021 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Surface durability is a key factor in the service life of components. Depending on the aggressiveness of the environment, surface deterioration by wear or corrosion leads to failure of the bulk material and eventually to the loss of functionality of the component. Therefore, designing surfaces to withstand service requirements is a critical aspect for industrial product realisation.

Electroplating is an attractive technique to mass-produce affordable protective coatings due to its low cost and high performance, easy maintenance of the process, and adjustable production times. Producing nanocomposite coatings by electroplating has received significant attention for decades due to their potential to provide excellent wear and corrosion protection.

Nanocomposites provide the possibility of combining different materials to achieve multifunctionality and, due to the nanometer size of the reinforcer phase, promote additional strengthening effects in the matrix not present in microcomposites. Additionally, the reduction in the size of the reinforcer provides advantages in wear protection as the risk of third-body abrasion is reduced. However, the industrial applicability remains limited due to the lack of control in their production process.

The present work focuses on the relationship between the input parameters and the codeposition of SiC, MoS2 and graphite particles, identifying critical factors and providing methods to control the process better. Furthermore, a correlation between the nickel matrix microstructure and codeposition is established, linking them to the strengthening effects and final performance of the nanocomposite coating.

New methods were developed to provide a reproducible electroplating process. A surface treatment for the reinforcing powder minimised the differences between the particles surface state deriving from different batches, supplier or production routes. Composites produced with surface-treated nanoparticles showed reproducible results displaying similar codeposition rate andhardness values. Additionally, a pulse-reverse plating waveform, adapted to the SiC particles average size, was designed and optimised to deposit a reproducible and improved particles content even in the presence of anionic surfactants, typically used to reduce coatings porosity and defects.

The study of the impact of the reinforcer phase on the electrocrystallisation of the nickel matrix showed that the microstructure was significantly affected by the size, chemistry and dispersion of the particles, promoting changes in the preferred crystal orientation, grains morphology and size. The strengthening mechanisms were linked to the microstructural changes resulting from the process parameters, particles codeposition and the agitation mode. Different models were used to predict the hardness of the composites based on the contribution and combination of each strengthening factor: Hall-Petch, Orowan, enhanced dislocation density and particles incorporation, showing a good agreement with the experimental data.

Furthermore, the wear behaviour of the composites was analysed and connected to the hardening effects. The analysis highlighted how particles content, dispersion, type and size of the reinforcer contribute to the protection against wear.

A novel multifunctional composite coating based on a dual dispersion mix of hard SiC particles and self-lubricant MoS2 particles was designed, resulting in a surface with high hardness, low friction and low wear.

Abstract [sv]

Ytors robusthet är en nyckelfaktor för komponenters livslängd. I krävande applikationsmiljöer kan ytan skadas av korrosion eller nötning som fortplantar sig till basmaterialet vilket kan leda till att komponenten förlorar sin funktionalitet. Det är därför viktigt att under produktutveckling konstruera komponentytor som motstår tilltänkta driftsmiljöer.

Elektroplätering är en attraktiv metod for kostnadseffektiv volymtillverkning av skyddande funktionella beläggningar då processen är flexibel och enkel att underhålla. Därför har också möjligheten att elektroplätera nano-kompositbeläggningar med utmärkta nötnings- och korrosionsegenskaper uppmärksammats de senaste decennierna.

Nano-kompositer öppnar för möjligheten att kombinera olika material för att uppnå multifunktionalitet. Nano-partiklarna bidrar med en härdningseffekt utöver vad som kan uppnås med mikro-partiklar. Ytterligare är risken för nötningsskadar på grund av lösrivna partiklar mindre för nano-kompositer. Dock är den industriella användningen begränsat av att tillverkningsprocessen är svår att kontrollera.

Denna avhandling fokuserar på förhållandet mellan ingångsparametrar och inkorporering av SiC-, MoS2- och grafitpartiklar genom att identifiera kritiska faktorer och tillhandahåller metoder för bättre processkontroll. Dessutom har ett samband mellan nickelmatrisens mikrostruktur och inkorporerade partiklar identifierats som förklarar härdningseffekten och kompositbeläggningens egenskaper.

Nya metoder för att skapa en reproducerbar pläteringsprocess har utvecklats. En förberedande ytbehandling av partiklarna minskar skillnader i ytkemiska egenskaper härstammande från olika leveranser, producenter och tillverkningsmetoder. Kompositbeläggningar tillverkade med ytbehandlade partiklar var reproducerbara med avsikt på partikelhalt och hårdhet. Ytterligare designades en bipolär strömpuls anpassad efter SiC-partiklarnasgenomsnittliga storlek så att en reproducerbar ökad partikelmängd kan inkorporeras. Detta gäller även i närvaro av anjoniska ytaktiva medel, som vanligtvis används för att minska beläggningens porositet och defekter.

Studien av partiklarnas påverkan på elektrokristallisationen av nickelmatrisen visade att partiklarnas storlek, sammansättning och spridning hade en avsevärd effekt på mikrostrukturen. Partiklarna påverkade den föredragna kristallorienteringen samt kornens form och storlek. Härdningsegenskaperna kopplades till förändringar i mikrostrukturen beroende på processparametrar, partikelinkorporering och omrörningsläget. Olika modeller användes för att förutsäga kompositernas hårdhet baserat på bidrag från följande härdningsfaktor: Hall-Petch, Orowan, ökad dislokationstäthet och partikelinkorporering, vilka visade god överensstämmelse med experimentella data.

Slutligen undersöktes kompositbeläggningarnas nötningsegenskaper och kopplades till partikelhärdning. Särskild vikt lades på hur partikelhalten, -spridningen, -typen och -storleken bidrar till skyddet mot slitage.

En ny multifunktionell komposit baserad på en dubbel dispersionsblandning av hårda SiC-partiklar och självsmörjande MoS2-partiklar utvecklades och resulterade i en yta med hög hårdhet, låg friktion och lågt slitage.

Place, publisher, year, edition, pages
Jönköping: Jönköping University, School of Engineering, 2021. p. 110
Series
JTH Dissertation Series ; 063
Keywords
Dispersion coatings; nanocomposite; Controlled particles codeposition; Surface treatment; ζ-potentials; Pulse-reverse deposition; Ultrasound agitation; Electrocrystallisation; Microstructure; Strengthening mechanisms; Hardness; Wear, Dispersionsbeläggning; nanokomposit; kontrollerad inkorporering av partiklar; ytbehandling; zeta-potential; bipolär pulsplätering; ultraljudsomrörning; elektrokristallisation; mikrostruktur; härdningsmekanism; hårdhet; nötning
National Category
Metallurgy and Metallic Materials
Identifiers
urn:nbn:se:hj:diva-52335 (URN)978-91-87289-67-5 (ISBN)
Public defence
2021-05-31, Gjuterisalen (E1405), School of Engineering, Jönköping, 13:30 (Swedish)
Opponent
Supervisors
Funder
Knowledge Foundation, 20310117
Available from: 2021-04-28 Created: 2021-04-28 Last updated: 2021-09-10Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records

Leisner, PeterZanella, Caterina

Search in DiVA

By author/editor
Pinate, SantiagoLeisner, PeterZanella, Caterina
By organisation
JTH, Materials and Manufacturing
In the same journal
Surface & Coatings Technology
Mechanical Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 882 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf