7/29/2019 Electrodeposited Cr-Ai203 Composite Coatings

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S u r f a c e T e c h n o l o g y , 1 6 (19 82) 227 - 234 227

E L E C T R O D E P O S I T E D C r - A I 2 0 3 C O M P O S I T E C O A T I N G S

RAJ NARAYAN and S . CHATTOPADHYAY*D e p a r t m e n t o f M e ta llu rg ic al E n g in e e ri n g, I n d i a n I n s t it u t e o f T e c h n o l o g y , K a n p u r 2 0 8 0 1 6(India)(Received January 4, 1982)

S u m m a r yE l e c t r o d e p o s i t e d C r - A 1 2 0 3 c o m p o s i t e c oa t i n gs c o u ld b e p r o d u c e d o n l y

w h e n t h e A 1 2 03 p a r t ic l e s w e r e e it h e r c o a t e d w i t h n ic k e l o r d r y g r o u n d b e -f o r e m i x in g in th e c o n v e n t i o n a l h e x a v a l e n t c h r o m i u m p l a ti n g b a t h . T h en i c k e l - c o a t e d A I 2 0 3 p a rt i c le s w e r e , h o w e v e r , u n s t a b l e i n t h e p l a t in g b a t h .U s i n g d r y g r o u n d A 1 2 03 p o w d e r it w a s s h o w n t h a t i n c re a s in g t h e b a t h l o a do f A 1 2 0 3 i n c r e a s e d i ts c o n t e n t i n t h e c o a t i n g a t a ll c u r r e n t d e n s it i es . A t a llb a t h l o a ds , m a x i m u m c o d e p o s i t i o n t o o k p l a c e a t 3 5 A d m - 2 . W h e n th e b a t ht e m p e r a t u r e w a s i n c re a s e d a b o v e 4 0 C t h e A 1 2 0 3 c o n t e n t o f th e c o a t i n gd e c r e a s e d . A t 4 0 C t h e c o a t i n g w a s v e r y u n e v e n a n d c r a c k e d . T h e m i c r o -h a r d n e s s o f th e c o m p o s i t e c o a t i n g i n c r e a se d w i t h i n c r ea s in g A 1 2 03 c o n t e n ta n d i t w a s a l w a y s l ar g er th a n t h a t o f t h e p u r e c h r o m i u m c o a t i n g . T h e tw o -s t e p a d s o r p t io n m e c h a n i s m p r o p o s e d b y G u g l ie lm i d o e s n o t h o l d in t h iss y s t e m . I t is p r o p o s e d t h a t t h e m e c h a n i s m o f c o d e p o s i t i o n c o n s is t s o f t h r e ep r o c e s s e s , i . e . a d s o r p t i o n , t r a n s p o r t a t i o n b y h y d r o d y n a m i c a n d el e ct ro -p h o r e t i c f o r c e s a n d e n t r a p m e n t in t h e c h r o m i u m m a t r i x .

1 . I n t r o d u c t i o nP a r t i c l e s o f m a t e r i a l s s u c h a s b o r i d e s , e . g . T i B 2 [ 1 ] a n d Z r B 2 [ 2 , 3 ] ,c a r b i d e s , e . g . B 4 C [ 1 , 4 ] , B e C [ 1 , 4 ] , C r a C 2 [5 ] a n d T i C [ 1 ] , s u l p h i d e s , e . g .M o S 2 [ 1 ] , o x i d e s , e . g . S iO 2 [ 5 , 6 ] a n d Z r O 2 [ 6 ] , a n d g r a p h i t e [ 7 ] h a v eb e e n c o d e p o s i t e d w i t h c h r o m i u m . V e r y l it tl e w o r k h a s b e e n r e p o r t e d o n t h ec o d e p o s i t i o n o f A 1 20 3 p a r ti c le s w i t h c h r o m i u m . E a r ly a t t e m p t s t o c o d e p o s i tA 1 2 0 3 w i t h c h r o m i u m f r o m c o n v e n t i o n a l h e x a v a l e n t a n d t r i v a le n t b a t h sw e r e u n s u c c e s s f u l [ 1 , 8 , 9 ] . S k o m i n a s e t a l . [ 6 ] r e p o r t e d t h a t c o d e p o s i t i o no f A 1 2 0 3 w i t h c h r o m i u m w a s p o ss ib l e. H o w e v e r , A d d i s o n a n d K e d w a r d[ 5 ] r e p o r t e d t h a t c o d e p o s i t i o n o f A 1 20 3 w a s p o s s ib l e o n l y f r o m t r iv a l en t

c h r o m i u m b a t h s . T h e r e w a s a s e v e re l i m i t a t i o n o n t h e t h i c k n e s s a n d*Present address: D epa rtm ent o f Metallurgical Engineering, U niversity o f BritishColumbia, Vancouver, Canada.

0376 -4583 /82/00 00-00 00/$0 2.75 Elsevier Sequoia/Prin ted in The Netherlands

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228u n i f o r m i t y o f c o a t in g s p r o d u c e d f r o m t h e se b at h s . Y o u n g [ 1 ] s h o w e d th a tb y t h e a d d i t i o n o f T 1N O 3 t o t h e h e x a v a l e n t c h r o m i u m b a t h , c o d e p o s i t i o n o fA 1 20 3 w a s p o ss ib l e. H o w e v e r , C r - A 1 2 0 3 c o m p o s i t e c o a t in g s p r o d u c e d i nt hi s m a n n e r h a d p o o r w e a r r e si s ta n c e c o m p a r e d w i t h o r d i n a r y h a r dc h r o m i u m .T h e p r e s e n t i n v e s t i g a ti o n w a s u n d e r t a k e n t o e x p l o r e t h e p o s s i b i l i t y o fe l e c t r o d e p o s i ti n g C r - A 1 2 0 3 c o m p o s i t e c o a ti n g s f r o m c o n v e n t i o n a lh e x a v a l e n t c h r o m i u m p l a t i n g b a t h s w i t h o u t a n y a d d i t i o n a g e n t s .2 . E x p e r i m e n t a l d e t a i l s

A 1 20 3 p o w d e r p a r t ic l es w e r e a d d e d t o a c h r o m i u m p l a ti n g b a t h o f t h ef o l l o w i n g c o m p o s i t i o n : 2 5 0 ( g c h r o m i c a c i d ) 1 - 1 ; 2 . 5 ( g s u l p h u r i c a c i d ) 1-1 .T h e c o n d i t i o n s w e r e a s f o l l o w s : t e m p e r a t u r e , 5 0 C; c u r r e n t d e n s i t y , 5 0 Ad m - 2 ; p l a t i n g t i m e , 1 0 h u n l e ss o t h e r w i s e s t a t e d .

T h e s o l u t i o n c o n t a i n in g t h e A 1 2 0 ~ p o w d e r w a s b l e n d e d f o r a b o u t 3 -4 h t o e n s u r e g o o d w e t t i n g a n d u n i f o r m d i s t r ib u t i o n o f th e p o w d e r p a r t i c le si n t h e b a t h . W a t e r w a s a d d e d t o m a k e u p f o r e v a p o r a t i o n l o s s d u r i n g p l a t i n g .T h e A 1 2 03 c o n t e n t o f th e c o a t i n g w a s d e t e r m i n e d g r a vi m e t ri c al ly b yd i s so l v in g i t in c o n c e n t r a t e d s u l p h u r ic a c i d (w h i c h w a s d i l u t e d t o a p p r o x -i m a t e l y 4 : 1 t o p r e v e n t i t f r o m a t t a c k i n g t h e f i l t e r p a p e r ) c o n t a i n i n g a f e wd r o p s o f f o r m a l d e h y d e , f i l t er i n g i t t h r o u g h W h a t m a n f i lt e r p a p e r n o . 4 0 a n dd r y i n g a n d r e w e i g h i n g it .T h e m i c r o h a rd n e s s o f t h e c o a t i n g w a s m e a s u r e d o n a T u k o n m i c r o h a r d -n e ss t e st e r b y u s i ng a d i a m o n d p y r a m i d i n d e n t e r w i t h a n o p e n a n gl e o f 1 3 6 a t a l o a d o f 1 k g f .

3 . R e s u l t sI n i ti a l ly , a t t e m p t s w e r e m a d e t o c o d e p o s i t a s - re c e iv e d A 1 2 03 w i t hc h r o m i u m f r o m a c o n v e n t i o n a l h e x a v a l e n t b a t h . H o w e v e r , v a r ia t io n i n t h ep a r t i c le s iz e b e t w e e n 0 . 3 a n d 3 7 / ~ m , i n t h e A 1 2 0 3 c o n t e n t i n t h e b a t h a n di n t h e c u r r e n t d e n s i t y d id n o t p r o d u c e a n y c o m p o s i t e c o a t in g s .F o s t e r a n d K a r i a p p e r [ 1 0 ] s h o w e d t h a t t h e c o n c e n t r a t i o n o f n i ck e li o n s i n t h e b a t h a f f e c t s t h e c o d e p o s i t i o n o f N i - A l z O s c o m p o s i t e c o a t in g s .C h a n g i n g t h e C r O a c o n c e n t r a t i o n f r o m 1 5 0 t o 4 0 0 g 1-1 , h o w e v e r , d i d n o tp r o d u c e a n y C r - A 1 2 0 a c o m p o s i t e c o a ti n gs .I t h as b e e n c l a i m e d [ 3 ] t h a t c o d e p o s i t i o n o f b a t h - i n s o l u b l e p a r t ic l e so c c u r s o n l y a f t er t h e p l at i n g b a t h h a s b e e n p r e w o r k e d u s in g d u m m y e le c-t r o d es . P r e w o r k i n g t h e b a t h f o r 8, 1 6 a n d 2 4 h , h o w e v e r , d id n o t p r o d u c ea n y C r - A l z O 3 c o m p o s i t e c o a t in g s.F r o m t h e a b o v e e x p e r i m e n t s i t b e c a m e e v i d e n t t h a t c o d e p o s i t i o n o f as-r e c e iv e d A 12O a w i t h c h r o m i u m f r o m t h e c o n v e n t i o n a l h e x a v a l e n t c h r o m i u mb a t h w a s n o t p o s s i b l e . T h e s u r f a c e p r o p e r t i e s o f A 1 20 3 h a d t o b e a l te r e d b e -f o r e i t c o u l d b e c o d e p o s i t e d w i t h c h r o m i u m .

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229Y o u n g [ 1 ] s h o w e d th a t c o d e p o s i t i o n o f d i a m o n d p a r ti c le s w i thc h r o m i u m b e c a m e p o s s ib l e w h e n t h e y w e r e c o v e r e d w i t h a n ic k e l c o a ti n g .A 1 2 0 a p a r t i c le s w e r e , t h e r e f o r e , c o a t e d w i t h n i c k e l u s in g a n e l e c t r o l e s sn i c k e l p l a ti n g b a t h . I t w a s o b s e r v e d t h a t i t w a s p o s s i b l e t o c o d e p o s i t n i c k el -c o a t e d Al203 w i t h c h r o m i u m . T h e a m o u n t o f A 1 20 3 in t h e c o m p o s i t e c o a t-i n g i n c r e a s e d w i t h i n c r e a s i n g AI2O3 c o n t e n t i n t h e b a t h ( F ig . 1 ). T h e h a rd -n e ss o f t h e c o m p o s i t e c o a t i n g i n c r e a se d w i t h i n c r ea s i ng A12O3 c o n t e n t( F ig . 2 ). T h e e x p e r i m e n t s w e r e , h o w e v e r , d i s c o n t i n u e d b e c a u s e i t w a so b s e r v e d t h a t n i c k e l - c o a te d AI203 p a r t i c l e s w e r e n o t s t a b l e i n t h ec h r o m i u m p l a t in g b a t h a n d i t w a s n o t p o s s i b l e t o c o d e p o s i t t h e s e p a r t ic l e s ift h e y w e r e l e f t i n t h e b a t h o v e r l o n g p e r i o d s . T h is , t h e r e f o r e , c o u l d n o t b e av i a bl e c o m m e r c i a l m e t h o d .E l e c t r o p h o r e t i c s t u d i e s on AI203 p a r t ic l e s i n d i f f e r e n t e l e c t r o l y t e s i no u r l a b o r a t o r y s h o w e d t h a t o n d r y g ri n di n g, A 1 2 0 3 p o w d e r p ar t ic l e s a t t a i n a

c h a rg e a n d t e n d t o m o v e t o w a r d s t h e c a t h o d e w h e n a p o t e n t i a l i s a p p li e d .A1203 p o w d e r t h a t h a d b e e n d r y g r o u n d i n a b a l l m i l l f o r 1 2 h w a s u s e d i nf u r t h e r e x p e r i m e n t s . T h e a v e r a g e p a r t i c le s iz e a s d e t e r m i n e d b y t h e F i s h e rs u b s i e v e s iz e r m e t h o d w a s f o u n d t o b e 1 . 7 p m . X - r a y d i f f ra c t i o n a n a ly s i ss h o w e d t h a t i t was ~-A1203. T h i s d r y g r o u n d A1203, h e r e i n a f t e r r e f e r r e d t oas A1203 p o w d e r , c o u l d b e c o d e p o s i t e d w i t h c h r o m i u m .V a r i a t i o n i n t h e A1203 c o n t e n t in t h e p l a t in g b a t h s h o w e d t h a t a t 2 0 Ad m - 2 c o d e p o s i t i o n t o o k p l a c e o n ly w h e n t h e A1203 c o n t e n t in t h e b a t h w a sm o r e t h a n 6 0 g 1-1 ; b e y o n d t h is v a l u e i ts a m o u n t i n t h e c o m p o s i t e c o a t i n gi n c r e a s e d w i t h i n c r e a s i n g b a t h l o a d o f AI203. S i m i l a r b e h a v i o u r w a s o b s e r v e da t h i g he r c u r r e n t d e n s i t i e s e x c e p t t h a t c o d e p o s i t i o n s t a r t e d a t m u c h l o w e rb a t h l o a d s ( F i g . 3 ) .

1 6

; l Z

gu 8.E