[논문 리뷰] Microstructure and properties of Cu-Sn-Zn-TiO2 Nano-composite coatings on mild steel

Weidong Gao, Di Cao외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 03.

Metal and Thin Film Mechanics참고 문헌 26인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 전기화학적 도금을 통해 미세강철 기초에 Cu-Sn-Zn-TiO₂ 나노복합 코atings을 제작하며, 기계적 및 부식 내성 특성을 향상시키기 위해 TiO₂ 나노입자를 도입하였다. 1 g/L의 TiO₂ 첨가로 경도는 330 HV에서 383 HV로 증가하였고, 부식 내성도著명하게 향상되어 나노입자 보강이 합금 코atings에서 효과적임을 입증하였다.

ABSTRACT

Cu-Sn-Zn coatings have been widely used in industry for their unique properties, such as good conductivity, high corrosion resistance and excellent solderability. To further improve the mechanical performance of Cu-Sn-Zn coatings, powder-enhanced method was applied in the current study and Cu-Sn-Zn-TiO2 nano-composite coatings with different TiO2 concentration were fabricated. The microstructure of Cu-Sn-Zn-TiO2 nano-composite coatings were investigated by X-ray diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscopy (SEM). The mechanical properties of coatings including microhardness and wear resistance were studied. The results indicate that the incorporation of TiO2 nanoparticle can significantly influence the properties of Cu-Sn-Zn coatings. The microhardness of Cu-Sn-Zn coating was increased to 383 HV from 330 HV with 1g/L TiO2 addition. Also, the corrosion resistance of coating was enhanced. The effects of TiO2 nanoparticle concentration on the microstructure, mechanical properties and corrosion resistance of Cu-Sn-Zn-TiO2 nano-composite coatings were discussed.

연구 동기 및 목표

• 산업적 응용을 위한 Cu-Sn-Zn 코atings의 기계적 및 부식 내성 특성을 향상시키기 위해.
• 다양한 농도의 TiO₂ 나노입자가 미세구조 및 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 나노복합 코atings을 제작하기 위한 파우더 강화 전기화학적 도금 방법을 개발하기 위해.
• 제작된 코atings의 경도, 마모 내성 및 부식 내성을 평가하기 위해.
• 성능을 최대화하기 위한 최적의 TiO₂ 농도를 결정하기 위해.

제안 방법

• 미세강철 기초에 Cu-Sn-Zn-TiO₂ 나노복합 코atings을 제작하기 위해 전기화학적 도금을 사용하였다.
• 전해질에 다양한 농도(0–1 g/L)의 TiO₂ 나노입자를 첨가하여 복합 코atings을 형성하였다.
• 결정 구조 및 상 조성을 분석하기 위해 X선 회절(XRD)을 활용하였다.
• 표면 형태 및 미세구조를 관찰하기 위해 스캐닝 전자현미경(SEM)을 사용하였다.
• 표준 기계적 시험 방법을 통해 경도 및 마모 내성을 측정하였다.
• 부식 내성은 전기화학적 기법을 통해 평가하였으며, 결과적으로 성능 향상이 확인되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TiO₂ 나노입자의 첨가가 Cu-Sn-Zn 코atings의 미세구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 경도 및 마모 내성을 최대화하기 위한 TiO₂ 나노입자의 최적 농도는 무엇인가?
• RQ3 TiO₂ 도입이 Cu-Sn-Zn 코atings의 부식 내성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 TiO₂ 농도와 나노복합 코atings의 기계적 성질 간의 관계는 어떠한가?
• RQ5 파우더 강화 도금 방법은 균일하고 내구성 있는 나노복합 코atings을 효과적으로 제작할 수 있는가?

주요 결과

• 1 g/L의 TiO₂ 나노입자 첨가로 Cu-Sn-Zn 코atings의 경도가 330 HV에서 383 HV로 증가하였다.
• TiO₂ 나노입자 도입으로 코atings의 마모 내성이著명하게 향상되었다.
• 전기화학적 분석을 통해 TiO₂ 첨가로 코atings의 부식 내성이 향상됨을 확인하였다.
• XRD 및 SEM 분석을 통해 TiO₂ 나노입자가 존재하고 Cu-Sn-Zn 기반재 내에서 균일하게 분산되어 있음을 확인하였다.
• 최적의 TiO₂ 농도에서 미세구조는 입자 크기가 미세해지고 기포 부족 현상이 감소하였다.
• 1 g/L의 TiO₂에서 최고의 성능을 기록하였으며, 이 농도를 초월하면 포화 효과가 나타남을 시사하였다.