МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЯ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ Cr-Cr3P IN STATU NASCENDI ИЗ ЭЛЕКТРОЛИТОВ ТРЕХВАЛЕНТНОГО ХРОМИРОВАНИЯ

  • Evgeny G. Vinokurov Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
  • Tatiana F. Burukhina Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
  • Ekaterina Yu. Napedenina Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова
Ключевые слова: аморфные, нанокристаллические, планирование эксперимента, покрытия композиционные, сплав, сульфат хрома, хром, фосфид, фосфор, оптимизация, хромирование, электролит хромирования, электроосаждение, in statu nascendi

Аннотация

В работе исследовано влияние таких параметров, как концентрация сульфата хрома и гипофосфита натрия, рН электролита, температура и плотность тока на процесс электроосаждения сплава хром-фосфор. Химический состав покрытий оценивали методами рентгеновского микроанализа (JSM-6490LV) и рентгенофазового анализа. Дробный план 25–1 ротатабельного центрального композиционного планирования был использован для получения математических моделей и многопараметрической оптимизации процесса с применением обобщенной функции желательности Харрингтона. Установлен разнонаправленный характер воздействия указанных факторов на параметры оптимизации. По результатам моделирования и анализа математического описания процесса предложен оптимальный состав электролита (в г/л) и условия электролиза: Cr2(SO4)3·6H2O – 285, Al2(SO4)3·12H2O – 120, Na2SO· – 50, NaH2PO2·H2O – 20, CO(NH2)2 – 70, рН – 1,3, температура – 35 ºС, плотность тока – 46 А/дм2. Результаты определения химического состава покрытий подтвердили образование сплава хром-фосфор. В зависимости от условий эксперимента наблюдались различные содержание фосфора в покрытии, выход по току и качество покрытий. Сплавы проявляли рентгеноаморфный характер при содержании фосфора около 6 мас.% и становились нанокристаллическими при содержании фосфора 16 мас.%. При этом происходило выделение фазы фосфида хрома – Cr3P, зафиксированное на рентгеновских дифрактограммах, что свидетельствует об образовании нанокристаллических композиционных покрытиях Cr-Cr3P в условиях зарождения (In Statu Nascendi). Полученные результаты относились к нетермообработанным образцам. Приемлемый выход по току наблюдался для сплава, полученного в оптимальных условиях 46 А/дм2, 35 °С и рН 1,3 из электролита оптимального состава и был равен 13-14%. В этих условиях покрытие содержало 16 мас.% фосфора. Результаты данной работы также показывают важность использования методов оптимизации для получения металлических покрытий с контролируемыми свойствами для различных применений. Предложенная методика – один из инструментов поиска оптимальных возможных условий электроосаждения сплавов.

Литература

Vinokurov E.G., Kudryavtsev V.N., Bondar V.V. Certain Laws of the Electrodeposition of a Chromium-Phosphorus Alloy. Protect. Met. 1992. V. 27. N 3. P. 363-367.

Vinokurov E.G., Kudryavtsev V.N., Bondar' V.V., Borsh E. Corrosion and Protective Properties of the Cr-P Metal Coatings. Protect. Met. 1992. V. 28. N 4. P. 659-664.

Zeng Z., Liang A., Zhang J. Electrochemical Corrosion Behavior of Chromium-Phosphorus Coatings Electrodeposited from Trivalent Chromium Baths. Electrochim. Acta. 2008. V. 53. N 24. P. 7344-7349. DOI: 10.1016/j.electacta.2008.03.081.

Kuznetsov V.V., Vinokurov E.G., Telezhkina A.V., Fila-tova E.A. Electrodeposition of Corrosion-Resistant Cr–P and Cr–P–W Coatings from Solutions Based on Compounds of Trivalent Chromium. J. Solid State Electrochem. 2019. V. 23. N 8. P. 2367-2376. DOI: 10.1007/s10008-019-04347-w.

Li B., Lin A., Gan F. Preparation and Characterization of Cr-P Coatings by Electrodeposition from Trivalent Chromium Electrolytes using Malonic Acid as Complex. Surf. Coat. Technol. 2006. V. 201. N 6. P. 2578-2586. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2006.05.001.

Zhang J., Gu C., Tong Y., Gou J., Wang X., Tu J. Mi-crostructure and Corrosion Behavior of Cr and Cr-P Alloy Coatings Electrodeposited from a Cr(III) Deep Eutectic Sol-vent. RSC Advances. 2015. V. 5. N 87. P. 71268-71277. DOI: 10.1039/c5ra13056e.

Suarez O.J., Olaya J.J., Suarez M.F., Rodil S.E. Corrosion Resistance of Decorative Chromium Films obtained from Trivalent Chromium Solutions. J. Chilean Chem. Soc. 2012. V. 57.

N 1. P. 977-982. DOI: 10.4067/S0717-97072012000100005.

Mahdavi S., Allahkaram S.R., Heidarzadeh A. Characteristics and Properties of Cr Coatings Electrodeposited from Cr(III) Baths. Mater. Res. Express. 2019. V. 6. N 2. P. 026403. DOI: 10.1088/2053-1591/aaeb4f.

Ramezani-Varzaneh H.A., Allahkaram S.R., Isakhani-Zakaria M. Effects of Phosphorus Content on Corrosion Behavior of Trivalent Chromium Coatings in 3.5 Wt.% NaCl Solution. Surf. Coat. Technol. 2014. V. 244. P. 158-165. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2014.02.002.

Kuznetsov V.V., Telezhkina A.V., Demakov A.G., Batalov R.S. Electrodeposition of Corrosion-Resistant Cobalt-Chrome-Tungsten Alloy from Dimethylformamide Bath. Galvanotekh. Obr. Pov. 2017. V. 25. N 1. P. 16–22 (in Rus-sian). DOI: 10.47188/0869-5326_2017_25_1_16

Telezhkina A.V., Kuznetsov V.V., Filatova E.A., Nekrasova N.E., Zhulikov V.V., Kolesnikov V.A. Corrosion and Physical-Mechanical Properties of Cr–P–W Alloy obtained by Electrodeposition from Water–Dimethylformamide Electrolytes. Protect. Met. Phys. Chem. Surf. 2019. V. 55. N 6. P. 1134-1141. DOI: 10.1134/S2070205119060315.

Demaree J.D. Chemical and Structural Effects of Phospho-rus on the Corrosion Behavior of Ion Beam Mixed Fe-Cr-P Alloys. J. Electrochem. Soc. 1993. V. 140. N 2. P. 331-343. DOI: 10.1149/1.2221047.

Chanda U.K., Padhee S.P., Pathak A.D., Roy S., Pati S. Effect of Cr Content on the Corrosion Resistance of Ni–Cr–P Coatings for PEMFC Metallic Bipolar Plates. Mater. Renewabl Sustainable Energy. 2019. V. 8. N 4. 20. DOI: 10.1007/s40243-019-0158-8.

Chanda U.K., Behera A., Roy S., Pati S. Evaluation of Ni-Cr-P Coatings Electrodeposited on Low Carbon Steel Bipolar Plates for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell. Internat. J. Hydrogen Energy. 2018. V. 43. N 52. P. 23430-23440. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.10.218.

Bakanov V.I., Nesterova N.V., Yakupov A.A. Features of Electroplating of Nanocrystalline Chromium Coatings from Electrolytes Based on Cr(III). Protect. Met. Phys. Chem. Surfaces. 2017. V. 53. N 3. P. 426-432. DOI: 10.1134/S2070205117030054.

Vinokurov E.G., Kuznetsov V.V., Bondar' V.V. Aqueous Solutions of Cr(III) Sulfate: Modeling of Equilibrium Composition and Physicochemical Properties. Rus. J. Coord. Chem. 2004. V. 30. N 7. P. 496-504. DOI: 10.1023/B:RUCO.0000034791.29424.1b.

Vinokurov E.G., Demidov A.V., Bondar' V.V. Physico-chemical Model for Choosing Complexes for Chromium-Plating Solutions Based on Cr(III) Compounds. Rus. J. Coord. Chem. 2005. V. 31. N 1. P. 14-18. DOI: 10.1007/s11173-005-0027-0.

Vinokurov E.G. Thermodynamic Probability Model of Ligand Selection in Solutions Designed for Electrodeposition of Alloys and Multivalent Metals. Protect. Met. Phys. Chem. Surfaces. 2010. V. 46. N 5. P. 615-619. DOI: 10.1134/S2070205110050205.

Leimbach M., Tschaar C., Schmidt U., Bund A. Electro-chemical Characterization of Chromium Deposition from Trivalent Solutions for Decorative Applications by EQCM and Near-Surface pH Measurements. Electrochim. Acta. 2018. V. 270. P. 104-109. DOI: 10.1016/j.electacta.2018.03.011.

Ziyadullaev M.E., Karimov R.K., Zukhurova G.V., Ab-durazakov A.S., Sagdullaev S.S. Synthesis Optimization of 6-Nitro-3,4-Dihydroquinazoline-4-One. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. [ChemChemTech]. 2020.

V. 63. N 7. P. 48-53. DOI: 10.6060/ivkkt.20206307.6145.

Gokzhaev M.B., Morgunov A.V., Skopintsev V.D. Opti-mizing Solution Composition for the Chemical Deposition of Nickel-Copper-Phosphorus Alloys. Inorg. Materials. 2008. V. 44. N 12. P. 1319-1321. DOI: 10.1134/S0020168508120108.

Myasnikov S.K., Kulov N.N. Modeling the Separation of Oil Sand. Theor. Found. Chem. Eng. 2017. V. 51. N 1. P. 1-11. DOI: 10.1134/S0040579517010146.

Katirci R. Statistical Optimisation of Trivalent Chromium Bath and Characterisation of Coating Defects. Surf. Eng. 2015. V. 31. N 6. P. 465-471. DOI: 10.1179/1743294415Y.0000000013.

Oliveira J.A.M., Raulino A.M.D., Raulino J.L.C., Cam-pos A.R.N., Prasad S., de Santana R.A.C. Effect of Current Density and pH in Obtaining the Ni-Fe Alloy by Elec-trodeposition. Revista Materia. 2017. V. 22. № 1. P. e11773. DOI: 10.1590/S1517-707620170001.0105.

Poroch-Seritan M., Cretescu I., Cojocaru C., Amariei S., Suciu C. Experimental design for modelling and multi-response optimization of Fe-Ni electroplating process. Chem. Eng. Res. Design. 2015. V. 96. P. 138-149. DOI: 10.1016/j.cherd.2015.02.014.

De J., Biswas N., Rakshit P., Sen R. S., Oraon B., Majumdar G. Computation and Optimisation of Electroless Ni-Cu-P Coating using Evolutionary Algorithms. ARPN J. Eng. Appl. Sci. 2015. V. 10. N 5. P. 2273-2283.

Oliveira J.A.M., de Almeida A.F., Campos A.R.N., Prasad S., Alves J.J.N., de Santana R.A.C. Effect of Current Density, Temperature and Bath pH on Properties of Ni–W–Co Alloys obtained by Electrodeposition. J. Alloys Comp. 2021. V. 853. P. 157104. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.157104.

Oliveira A.L.M., Costa J.D., de Sousa M.B., Alves J.J.N., Campos A.R.N., Santana R.A.C., Prasad S. Studies on electrodeposition and characterization of the Ni-W-Fe alloys coatings. J. Alloys Comp. 2015. V. 619. P. 697-703. DOI: 10.1016/j.jallcom.2014.09.087.

Vinokurov E.G., Kudryavtsev V.N. Features of the Preparation of Chromium-Plating Electrolytes Based on Compounds of Chromium(III). Protect. Metals. 1992. V. 28. N 2. P. 255-258.

Vinokurov E.G., Kudryavtsev V.N. Procedure Peculiarities in Preparing Electrolyte on Cr(III) Base. Zashchita Metallov. 1992. V. 28. N 2. P. 331-334 (in Russian).

Midi H., Aziz N.A. Augmented Desirability Function for Multiple Responses with Contaminated Data. J. Eng. Appl. Sci. 2018. V. 13. N 16. P. 6626-6633. DOI: 10.3923/jeasci.2018.6626.6633.

Muradova P.A., Zul’fugarova S.M., Shakunova N.V., Guseinova E.M., Askerova A.I., Litvishkov Y.N. Evalua-tion of the Performance of Catalysts for Joint Deep Oxidation of Hydrocarbons and Carbon Monoxide Under the Ac-tion of UHF Radiation. Rus. J. Appl. Chem. 2017. V. 90. N 7. P. 1130-1135. DOI: 10.1134/S1070427217070163.

Опубликован
2021-03-22
Как цитировать
Vinokurov, E. G., Burukhina, T. F., & Napedenina, E. Y. (2021). МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЯ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ Cr-Cr3P IN STATU NASCENDI ИЗ ЭЛЕКТРОЛИТОВ ТРЕХВАЛЕНТНОГО ХРОМИРОВАНИЯ. ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СЕРИЯ «ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ», 64(3), 73-81. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216403.6341
Раздел
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ неорг. и органических веществ, теоретические основы