Síntesis electroquímica y caracterización de recubrimientos de zinc reforzados con nanopartículas de TiO2 con potencial alto desempeño ante la corrosión

Abstract

Los recubrimientos zinc son ampliamente empleados para proteger piezas a base de acero de bajo carbono contra la corrosión debido a que pueden actuar como barrera y ánodo de sacrificio. Sin embargo, el zinc es un metal relativamente blando por lo que su resistencia a la abrasión debe ser mejorada si se desea prolongar el tiempo de vida útil. Los recubrimientos compuestos consisten de una matriz metálica con micro/nano partículas de segunda fase dispersas. Son una alternativa prometedora para mejorar las propiedades anticorrosivas y las propiedades mecánicas (dureza, abrasión). El método de de la electro codeposición consiste en depositar electrolíticamente un recubrimiento compuesto a partir de un baño de deposición que contiene partículas de segunda fase en dispersión. La morfología, estructura cristalina, dureza y de resistencia a la corrosión estarán en relación a la cantidad y naturaleza de las partículas incorporadas, así como a su distribución en la matriz metálica. En esta investigación se estudió la electrodeposición del recubrimiento compuesto de Zn-TiO2 a partir de baños basados en ZnCl2 con nanopartículas de TiO2 en dispersión. Para mejorar el porcentaje de incorporación partículas se propuso el uso de aditivos tiolados como L-cisteína, Nacetilcisteína como posibles moléculas de anclaje entre la matriz metálica y las nanopartículas. La tiourea también fue estudiada como aditivo para fines comparativos. Se estudió la deposición galvanostática de Zn y Zn-TiO2 sin y con aditivos en una celda electrolítica con condiciones hidrodinámicas controladas. Se estudió la influencia de la variación de densidad de corriente, así como de la concentración de los aditivos de baño. Los recubrimientos Zn-TiO2 con L-cisteína y N-acetilcisteína eran más compactos en comparación con los recubrimientos sin aditivos o con tiourea. Por otro lado, los mayores porcentajes de incorporación de partículas fueron de 1,15% p/p (con L-cisteína) y 1,00% p/p (con Nacetilcisteína) a una concentración de aditivo en el baño de 1,00 g/L y con una densidad de corriente baja (2 A/dm2). Para estos recubrimientos, la orientación cristalina preferente (textura) de zinc fueron hacia los planos piramidales (101) y (102); mientras que para el depósito con tiourea la textura preferente era la del plano(112), similar al observado en los depósitos preparados sin aditivos de baño. El recubrimiento de Zn-TiO2 con aditivo de N-acetilcisteína 1,00 g/L presentó una menor velocidad de corrosión en NaCl 3,5% (1,10 μA/cm2). Esto puede deberse a un mayor grado de compactación en la morfología del recubrimiento y/o a diferencias presentes en la microestructura como consecuencia del uso de dicho aditivo.

Zinc coating technology is widely used to protect low carbon steel pieces as it is used as a corrosion protection coating because its role as a sacrificial anode when zinc is in contact with steel and a corrosive medium is present. However, zinc is a relatively soft metal, so its abrasion resistance must be improved if its service life is to be prolonged. Composite coatings consist of a metal matrix with dispersed second phase micro/nano particles. They are a promising alternative to improve anticorrosive properties and mechanical properties (hardness, abrasion). The electro codeposition method consists of electrolytically depositing a composite coating from a deposition bath that contains second phase particles in dispersion. The morphology, crystalline structure, hardness and corrosion resistance will be in relation to the quantity and nature of the incorporated particles, as well as their distribution in the metal matrix. In this research, the electrodeposition of Zn-TiO2 composite coating was studied from ZnCl2-based electrolytes with TiO2 nanoparticles in dispersion. With the aim of improving the particle incorporation in the coating, it was proposed to use thiolated bath additives such as L-cysteine, Nacetylcysteine as possible anchor molecules between the metal matrix and the nanoparticles. Thiourea was also studied as an additive for comparative purposes. The galvanostatic deposition of Zn and Zn-TiO2 without and with additives was studied in an electrolytic cell with controlled hydrodynamic conditions. The influence of the variation in current density and concentration of the bath additives were studied. Zn-TiO2 coatings with L-cysteine and N-acetylcysteine additives were more compact and lacked porosities compared to coatings without additives or with thiourea additive. On the other hand, the highest percentages of incorporation of particles 1.15 wt% (with L-cysteine) and 1.00 wt% (with N-acetylcysteine) were obtained with 1.00 g/L additive concentration in the bath and a low current density (2 A/dm2). Also, the coatings with a higher percentage of particle incorporation showed preferential crystalline orientation (texture) of zinc in the pyramidal planes (101) and (102). However, deposition with thiourea additive showed the (112) plane as the preferred one. The latter has similar texture as the coating prepared without bath additives. Zn-TiO2 coating with 1.00 g/L N-acetylcysteine additive showed a minor corrosion rate in 3.5 % NaCl (1.10 μA/cm2). This may be due to a greater grade of compaction in the coating morphology and/or developed microstructure as a consequence of the use of this type of additive.