Sacrificial metallic coatings, such as those based on Zn and Cd are used to protect steel components against corrosion. Growing environmental and health concerns have limited the use of Cd in any form since Cd plating bath is cyanide based and Cd compounds are carcinogenic. This thesis investigates Zn-Ni as a potential replacement for Cd and Cd based alloy coatings used in aerospace industries and Zn in automotive industries with respect to their tribological, corrosion and tribocorrosion resistance and hydrogen embrittlement susceptibility. In situ tribometry and additional ex situ analyses revealed that Zn-Ni coatings had superior resistance to adhesive wear compared to cadmium coatings. The microhardness of Zn-Ni coatings was higher than Zn and Cd coatings. Hardness on the wear track of Zn-Ni coatings showed the formation of strain hardened tribo layer. Zn-Ni coatings had higher polarization resistance after wear testing as compared to zinc and cadmium coatings. The mass loss due to wear enhanced corrosion was less with Zn-Ni than with Zn and Cd coatings. Zn-Ni coatings are a suitable replacement to Cd coatings when the surfaces are subjected to simultaneous wear and corrosion. Zn-Ni coatings had higher polarization resistance after the 24 hour immersion tests compared to zinc and cadmium coatings. Zn-Ni coatings offer better sacrificial corrosion protection because of low corrosion rates, and are a suitable replacement for Cd coatings. The Passivated Zn-Ni coatings showed lower corrosion resistance when heat treated due to localized damage of passive films while there was no effect of heat treatment on corrosion resistance of as plated Zn-Ni coatings. During the electrodeposition of metals, hydrogen is evolved due to electrolysis. The evolved hydrogen may diffuse outward and become trapped in the substrate/coating interface or migrate inward into the steel lattice causing delayed embrittlement when the component is subjected to stress. This study reports two principal variables for Zn, Zn-Ni, and Cd coatings: (i) quantity of hydrogen absorbed by the coating and substrate, by vacuum thermal desorption (ii) permeability of the coating material to hydrogen, by electrochemical permeation. The findings were analyzed in correlation with microstructural characteristics of both the coating material and the coating/substrate interface. With Zn-Ni, both coating process and coating material combined to significantly reduce the risk of internal hydrogen embrittlement by: (i) introducing the least amount hydrogen during the electrodeposition process, and (ii) by the ease with which hydrogen can be extracted by baking due to the presence of cracks in the coating.Keywords: Zn-Ni, Cd, Cd-Ti, Zn, EIS, insitu tribology, tribocorrosion, hydrogen permeation, TDS / Les revêtements métalliques sacrificiels à base de zinc et cadmium sont utilisés pour protéger les composants en acier contre la corrosion. Les préoccupations environnementales et de la santé ont limité l'utilisation du cadmium car les bains de d'électrodéposition au Cd sont normalement à base de cyanure et en plus le Cd est cancérigène. Cette thèse examine le revêtement Zn-Ni pour remplacer le Cd et les revêtements à base de Cd pour utilisation dans l'industrie aérospatiale, ainsi que pour remplacer le Zn dans l'industrie automobile. Les caractéristiques étudiées sont les propriétés tribologique, la résistance à la corrosion et la tribocorrosion, ainsi que la susceptibilité à la fragilisation par l'hydrogène.La tribométrie in situ a révélé que les revêtements Zn-Ni on une résistance supérieure à l'usure adhésive par rapport aux revêtements cadmium. La micro-dureté des revêtements Zn-Ni était plus élevé que les celle des revêtements Zn et Cd. La dureté de la piste d'usure des revêtements Zn-Ni témoigne la formation d'une tribo-couche écrouie.Les revêtements Zn-Ni ont une plus grande résistance à polarisation après l'essai d'usure comparés aux revêtements Zn et Cd. La perte de masse due à l'usure améliorée à la corrosion était moins que pour les revêtements Zn et Cd. Les revêtements Zn-Ni sont un substitut approprié pour les revêtements Cd lorsque les surfaces sont soumises à l'usure et la corrosion simultanée. L'effet du traitement thermique et de la passivation au chrome trivalent sur la corrosion des revêtements Zn-Ni est également décrit. Les revêtements Zn-Ni démontrent une plus grande résistance à la polarisation lors des essais d'immersion comparés aux revêtements Cd. Les revêtements Zn-Ni offrent une meilleure protection à la corrosion sacrificielle en raison des faibles taux de corrosion, et sont de ce point de vue un substitut approprié de revêtements Cd.Au cours de l'électrodéposition de métaux, l'hydrogène se dégage par électrolyse. L'hydrogène peut soit diffuser vers l'extérieur et se piéger à l'interface entre le substrat en acier et le revêtement, soit migrer vers l'intérieur dans l'acier provoquant une fragilisation retardée lorsque le composant est soumis à une contrainte. Cette étude rapporte deux variables principales pour le Zn, Zn-Ni, et les revêtements Cd: (i) la quantité d'hydrogène absorbé par le revêtement et le substrat, mesurée par désorption thermique sous vide, et (ii) la perméabilité du matériau de revêtement à l'hydrogène, mesurée par perméation électrochimique. Les résultats sont analysés en corrélant les caractéristiques de la microstructure du matériau de revêtement et de l'interface entre le revêtement et le substrat en acier. Pour le Zn-Ni, le procès de revêtement ainsi que le matériau de revêtement, ensemble diminuent le risque de fragilisation par l'hydrogène en: (i) introduisant une quantité minimum d'hydrogène lors du processus d'électrodéposition, et (ii) par la facilité avec laquelle l'hydrogène peut être extrait par traitement thermique grâce à la présence de fissures dans le revêtement.Mots-clés: Zn-Ni, Cd, Cd-Ti, Zn, tribologie in situ, tribocorrosion, perméation de l'hydrogène.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.114352 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Kankoduthavanitham Rajagopalan, Sriraman |
| Contributors | Stephen Yue (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Mining and Materials) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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