Studio sull'elettrodeposizione di rivestimenti nano strutturati di nichel e leghe di nichel come possibili sostituti del cromo duro

The aim of this study was to investigate the electrodeposition of nanocrystalline pure Ni and Ni-Zn alloy coatings on mild steel. A Watts type bath, with and without saccharine, and/or sodiumdodecilsulfate (SDS), and a sulfamate bath, with and without SDS, were used. The study was performed by means of cyclic voltammetry and potentiostatic electrodepositions. The effect of electrodeposition parameters, such as temperature, zinc concentration in the bath and the deposition potential, on coating morphology, structure, grain size, hardness and corrosion resistance was studied. The experimental results show that with sulfamate bath homogeneous deposits can be obtained and that zinc content in the deposits can be better controlled than with a Watts bath. With the sulfamate bath, at 50°C and with 1 gdm-3 of SDS, alloys containing up to 25% wt Zn of 15 nm grain size and micro-hardness of 550 HV were obtained.

La ricerca svolta durante il dottorato ha riguardato lo studio dell’elettrodeposizione su substrato d’acciaio di rivestimenti nanocristallini di nichel puro e di lega Ni-Zn. I materiali nanocristallini, con dimensioni del grano cristallino di 1-100 nm, hanno assunto negli ultimi anni notevole importanza per le loro peculiari proprietà, superiori a quelle dei materiali policristallini convenzionali. Tra i diversi metodi utilizzati per produrre questi materiali, l’elettrodeposizione è uno dei più semplici ed economici e permette inoltre di utilizzare impianti già esistenti. L’elettrodeposizione della lega Ni-Zn è interessante perché questi materiali possono essere usati per diverse applicazioni, come la protezione dalla corrosione e l’elettrocatalisi, in cui vengono utilizzati come strato attivo degli elettrodi per lo sviluppo di idrogeno. I rivestimenti nanocristallini elettrolitici di nichel e delle sue leghe vengono studiati inoltre come possibili sostituti di quelli di cromo duro, destinati a scomparire per i problemi ambientali causati da questo elemento. Come bagno base di elettrodeposizione è stato scelto il bagno di Watts (300 g dm-3 di NiSO46 H2O, 40 g dm-3 di NiCl26 H2O e 40 g dm-3 di H3BO3), attualmente usato nell'industria galvanica per la nichelatura, a cui è stato aggiunto ZnSO4•7H2O a varie concentrazioni (1, 5 e 10 mM). Alcune prove sono state effettuate aggiungendo additivi (1 g dm-3 di SDS o 5 g dm-3 di saccarina). Sono state eseguite voltammetrie cicliche ed elettrodeposizioni potenziostatiche, utilizzando una cella a tre elettrodi. La temperatura è stata fatta variare tra 30 e 50°C. La morfologia dei depositi ottenuti è stata studiata tramite osservazioni al microscopio ottico ed al microscopio elettronico a scansione (SEM), la loro composizione è stata determinata tramite analisi EDX. La dimensione dei grani è stata calcolata sottoponendo i depositi a diffrattometria a raggi X ed applicando poi ai picchi ottenuti la formula di Scherrer, che permette di ricavare la grandezza del grano cristallino dall’ampiezza del picco a mezza altezza. La durezza dei depositi è stata valutata tramite un microdurometro Vickers. I risultati mostrano che è possibile ottenere con il bagno di Watts, a 50 °C e con aggiunta di SDS, depositi compatti, privi di porosità, contenenti fino a circa il 7 % di Zn, con dimensione del grano cristallino intorno a 40 nm e durezza di circa 450 HV. Il bagno al solfammato ha dato risultati migliori, perché permette di controllare meglio la quantità di zinco depositata e di ottenere depositi più omogenei rispetto al bagno di Watts. Con il bagno al solfammato sono stati ottenuti, a 50 °C e con l'aggiunta di SDS, depositi contenenti fino a circa il 25 % di Zn, con dimensione del grano cristallino intorno a 15 nm e durezza di circa 550 HV. I rivestimenti ottenuti non hanno valori di durezza abbastanza elevati da renderli possibili sostituti del cromo duro, ma sono tuttavia sufficientemente duri da poter sostituire quelli a base di cromo in diverse altre applicazioni.