Meningkatkan Performa Legium Magnesium: Lapis Komposit Ni‑P‑Al₂O₃ Tanpa Listrik—Deposi, Sifat, dan Masa Pakai

Abstrak

Legium magnesium menarik untuk penerbangan, otomotif, dan elektronik karena densitas rendah dan rasio kekuatan‑berat yang tinggi. Namun, korosi dan aus yang cepat dalam kondisi operasional membatasi penggunaan yang luas. Lapis nikol‑fosfor (Ni‑P) tanpa listrik menyediakan permukaan tahan korosi hemat biaya, dan penyertaan partikel nano‑Al₂O₃ lebih meningkatkan performa mekanik dan elektrokimia. Dalam studi ini, lapis komposit Ni‑P‑Al₂O₃ di-deposit dari kamar plating yang terkontrol dengan baik pada legium magnesium AZ91D. Muatan Al₂O₃ optimal, kecepatan pengadukan, pH, dan suhu ditentukan dengan memantau laju depoisi dan komposisi lapis. Mikroskopi elektron pemindai (SEM) mengungkapkan bahwa tahap depoisi awal dilambatkan oleh Al₂O₃, tetapi laju pertumbuhan matriks Ni‑P secara keseluruhan tetap terjaga. Diffraksi sinar X (XRD) menunjukkan bahwa penyertaan Al₂O₃ mereduksi ukuran butiran Ni (111) sekitar 8 % dan mengurangi spasi antar‑lapisan sekitar 3 %. Uji elektrokimia dalam NaCl 3,5 wt % menunjukkan bahwa lapis 3,6 wt % Al₂O₃ memberikan tahan korosi terbaik (E_corr = −0,35 V, i_corr = 4,5 × 10⁻⁷ A cm⁻²) dan kekerasan mikro (638 HV). Siklus shock termal (20 × 250 °C) mengonfirmasi adhesi yang baik, dan uji siklus periodik menunjukkan metal turnover (MTO) sebesar 4,2 untuk kamar komposit, yang menunjukkan masa pakai yang viable. Temuan ini memberikan rute praktis untuk rekayasa permukaan legium magnesium yang berkinerja tinggi dan awet.

Latar Belakang

Legium magnesium menggabungkan densitas rendah dengan kekuatan spesifik tinggi, menjadikannya calon utama untuk aplikasi yang kritis berat di penerbangan, otomotif, dan elektronik konsumen. Namun, kerentanan intrinsiknya terhadap korosi dan aus yang cepat memerlukan strategi perlindungan permukaan yang kuat. Pendekatan konvensional—oxidasi mikro‑ark, konversi kimia, sinar termal, depoisi uap fisik, plating listrik, dan plating tanpa listrik—semua telah dieksplorasi, namun tidak ada yang sepenuhnya mengatasi tuntutan ganda dari tahan korosi dan daya tahan aus.

Lapis Ni‑P tanpa listrik menonjol karena biaya rendah, ketebalan seragam, dan properti korosi serta tribologi yang sangat baik. Kemajuan terbaru melibatkan dispersi nanofiller seperti SiC, ZrO₂, TiO₂, SiO₂, dan Al₂O₃ ke dalam kamar plating untuk menciptakan komposit Ni‑P‑nanopartikel. Sementara komposit ini mengalahkan lapis Ni‑P polos, tantangan tetap ada: pengaglomerasi nanopartikel mengurangi stabilitas kamar, parameter proses mengatur distribusi nanopartikel, dan mekanisme co‑deposisi mempengaruhi karakteristik lapis akhir. Nano‑Al₂O₃ sangat menarik karena kekerasan, ketahanan kimia, dan kemudahan dispersi dalam kamar plating tanpa listrik.

Meskipun janji dari lapis Ni‑P‑Al₂O₃ pada substrat baja dan tembaga, literatur tentang aplikasinya pada legium magnesium masih langka. Selain itu, dinamika pertumbuhan komposit tersebut pada Mg, dan stabilitas jangka panjang kamar plating, belum diteliti secara sistematis. Pekerjaan ini mengatasi kesenjangan ini dengan mengoptimalkan kimia kamar untuk legium magnesium AZ91D, memproses karakterisasi proses depoisi, dan mengevaluasi korosi, kekerasan, adhesi, dan ketahanan kamar.

Metode

Penyediaan Lapis Komposit

Sampel cetak mati AZ91D (2 × 1 × 0,5 cm) dengan komposisi 8,5 wt % Al, 0,34 wt % Zn, 0,1 wt % Si, 0,03 wt % Cu, 0,002 wt % Ni, 0,005 wt % Fe, 0,02 wt % lainnya dan sisa Mg dipolesir (500–1000 SiC), dicuci, dan kemudian diobati berurutan: rendaman alkaline (5 min, 65 °C), pelapisan asam krom (60 s, 200 g L⁻¹ CrO₃), dan aktivasi HF (10 min, 380 mL L⁻¹). Kamar plating terdiri dari 35 g L⁻¹ NiSO₄·6H₂O, 35 g L⁻¹ asam laktat, 30 g L⁻¹ Na₂H₂PO₂·H₂O, 10 g L⁻¹ NH₄HF₂, 3 mg L⁻¹ stabilisator, pH 4,5–7,0, dan suhu 70–90 °C. Nano‑Al₂O₃ (rata-rata 50 nm) didisperse ultrasonis sebelum plating. Pengadukan disediakan oleh pengaduk magnetik (350 rpm) dan kamar dipertahankan dalam kolam air termostat.

Uji Laju Depoisi dan Stabilitas Kamar Plating

Laju depoisi (μm h⁻¹) dihitung sebagai v = (Δw × 10⁴)/(ρ S t), di mana Δw adalah perubahan bobot lapis, ρ ≈ 7,9 g cm⁻³, S adalah luas sampel, dan t adalah waktu depoisi. Kandungan Al₂O₃ diukur oleh neraca massa. Stabilitas kamar dievaluasi melalui uji siklus periodik (metal turnover, MTO): satu MTO sama dengan massa Ni yang dit deposit ketika konsentrasi Ni²⁺ kamar telah habis sepenuhnya. Untuk kamar 1 L (C_Ni²⁺ ≈ 7,8 g L⁻¹), MTO = M/m, di mana M adalah kumulatif Ni yang dit deposit dan m adalah konsentrasi Ni²⁺ yang tersisa. Ketika laju depoisi jatuh di bawah ambang yang ditetapkan, Ni²⁺/H₂PO₂²⁻ segar (rasio mol 1:3) ditambahkan. Uji dilanjutkan hingga kamar terdekomposisi.

Karakterisasi Bahan

Morfologi lapis diperiksa dengan SEM (Hitachi S‑4800). Analisis fasa menggunakan XRD (D/Max‑2200) dengan radiasi Cu Kα (λ = 0,154 nm).

Pengukuran Elektrokimia

Polarisasi potensiodinamik (CHI800) dilakukan dalam NaCl 3,5 wt % pada 25 °C menggunakan sel tiga elektroda (luas kerja 1 cm², elektrode nganti Pt, referensi kalomel jenuh). Setelah istirahat 30 min, laju saringan 5 mV s⁻¹. Parameter korosi (E_corr, i_corr) diekstraksi dari ekstrapolasi Tafel. Kekerasan mikro (HXD‑1000, Vickers) diukur pada beban 100 g, waktu tinggal 15 s. Adhesi shock termal diuji dengan 20 siklus pemanasan hingga 250 °C (20 °C min⁻¹) diikuti dengan perebusan air.

Hasil dan Pembahasan

Optimisasi Parameter Proses—Gambar 1 menggambarkan bagaimana muatan Al₂O₃, kecepatan pengadukan, pH, dan suhu mempengaruhi laju depoisi dan penyertaan Al₂O₃. Peningkatan modest pada Al₂O₃ (0–10 g L⁻¹) sedikit mengurangi laju depoisi (18 μm h⁻¹ pada 300–400 rpm) sambil meningkatkan kandungan Al₂O₃ secara bertahap hingga 3,6 %. Di atas 10 g L⁻¹, pengaglomerasi partikel menyebabkan penurunan baik laju maupun penyertaan. Kondisi kamar optimal adalah 35 g L⁻¹ NiSO₄·6H₂O, 35 g L⁻¹ asam laktat, 30 g L⁻¹ Na₂H₂PO₂·H₂O, 10 g L⁻¹ NH₄HF₂, 10 g L⁻¹ nano‑Al₂O₃, 3 mg L⁻¹ stabilisator, pH 6,0–6,5, T = 85 °C, dan pengadukan 350 rpm.

Morfologi Depoisi—Citra SEM (Gambar 2) mengungkapkan bahwa rendaman awal (0,5 menit) menghasilkan kubus MgF₂; kehadiran Al₂O₃ mengurangi kepadatan mereka dan memperkenalkan partikel Al₂O₃ yang tersebar. Setelah 5 menit, matriks Ni‑P sepenuhnya melapisi substrat dalam kamar polos, sedangkan dalam kamar komposit permukaan masih sebagian tidak tertutup, yang menunjukkan laju co‑depoisi yang lebih lambat. Pada 30 menit, lapis Ni‑P menunjukkan nodul padat 3 μm; komposit Ni‑P‑Al₂O₃ menunjukkan nodul yang lebih kecil dengan Al₂O₃ yang tertanam, mengonfirmasi struktur butiran yang disempurnakan.

Struktur Fasa—XRD (Gambar 3) mengonfirmasi puncak Ni kubus‑berpusat muka (111) (≈44,7°) dalam Ni‑P polos. Dalam komposit, puncak tambahan pada 25,6°, 43,5°, dan 73,2° sesuai dengan Al₂O₃. Puncak Ni (111) bergeser menjadi 45,2°, yang menunjukkan pengurangan spasi antar‑lapisan sebesar 3 % dan pengurangan ukuran butiran sebesar 8 %, seperti yang diukur oleh analisis Scherrer.

Performa Tahan Korosi—Kurva polarisasi (Gambar 4) menunjukkan pergeseran positif E_corr dari −1,47 V (Mg polos) menjadi −0,51 V (Ni‑P) dan lebih lanjut menjadi −0,35 V (Ni‑P‑Al₂O₃, 3,6 wt %). Nilai i_corr turun dari 1,4 × 10⁻⁴ menjadi 3,1 × 10⁻⁶ A cm⁻² (Ni‑P) dan 4,5 × 10⁻⁷ A cm⁻² (Ni‑P‑Al₂O₃). Muatan Al₂O₃ yang lebih tinggi (4,2 wt %) sedikit menurunkan performa karena porositas yang meningkat.

Kekerasan—AZ91D polos memiliki 120 HV; Ni‑P mencapai 520 HV, sementara Ni‑P‑Al₂O₃ (3,6 wt %) mencapai puncak 638 HV. Melebihi 3,6 wt % mengurangi kekerasan menjadi 576 HV, kemungkinan dari kandungan nanopartikel berlebihan yang mengganggu matriks Ni.

Adhesi—Siklus shock termal (20 siklus) dan citra penampang SEM (Gambar 6) tidak menunjukkan retak, gelembung, atau pengelupasan untuk kedua lapis, mengonfirmasi bahwa inklusi Al₂O₃ tidak mengurangi adhesi.

Stabilitas Kamar—Uji siklus periodik mengungkapkan MTO sebesar 5,6 untuk kamar Ni‑P polos dan 4,2 untuk kamar komposit, yang menunjukkan pengurangan sekitar 25 % dalam masa pakai karena Al₂O₃, namun masih cukup untuk aplikasi industri.

Kesimpulan

Kami telah mendirikan sistem plating Ni‑P‑Al₂O₃ tanpa listrik yang kuat untuk legium magnesium AZ91D, dengan kimia kamar: 35 g L⁻¹ NiSO₄·6H₂O, 35 g L⁻¹ asam laktat, 30 g L⁻¹ Na₂H₂PO₂·H₂O, 10 g L⁻¹ NH₄HF₂, 10 g L⁻¹ nano‑Al₂O₃, 3 mg L⁻¹ stabilisator, pH 6,0–6,5, T = 85 °C, pengadukan 350 rpm. Lapis komposit mendapat manfaat dari ukuran butiran Ni yang disempurnakan, kekerasan mikro yang ditingkatkan (hingga 638 HV), dan tahan korosi yang unggul (E_corr = −0,35 V, i_corr = 4,5 × 10⁻⁷ A cm⁻²) pada 3,6 wt % Al₂O₃. Adhesi tetap terjaga, dan kamar memiliki MTO praktis sebesar 4,2. Hasil ini menunjukkan bahwa lapis Ni‑P‑Al₂O₃ tanpa listrik adalah solusi yang viable dan berkinerja tinggi untuk memperpanjang masa pakai legium magnesium.

Singkatan

E₀

Potensi sirkuit terbuka

i_corr

Kepadatan arus korosi

Mg

Magnesium

MTO

Metal turnover

Ni‑P

Nikol‑fosfor

SEM

Mikroskopi elektron pemindai

XRD

Diffraksi sinar X