Tribological behaviour of Cd and Al coatings on steel substrates

Sacrificial Cd and Al coating on steel substrate are subjected to sliding contact in industrial and aerospace application, making it necessary to evaluate the tribological and wear properties of the coating and the substrate. Low hydrogen embrittling (LHE Cd), Ion Vapor deposited (IVD) Al and Electrodeposited Al are studied for the modification of the friction and wear on AISI 1018 steel substrate. A coating thickness of 10-25 µm is deposited on steel substrate and evaluated for change in average, instantaneous coefficient of friction and its effect on mitigating substrate wear.Carcinogenic properties of Cd metal and cyanide plating bath used for coating faces environmental and work hazardous regulations. Al coating, which are also sacrificial to steel substrate can be a viable replacement for Cd coating. The difference in chemical structure, hardness and plating procedure between Cd and Al can lead to different tribological properties. The surface morphology of the coatings studied by SEM has more porosity present for Cd as compared to IVD and electrodeposited Al. The cross-section of the coating has more through thickness cracks present for Cd and IVD Al coating as compared to electrodeposited Al. Combining different tribometry method, third body morphology change was correlated with changes in friction coefficient. The change in transfer film and wear track morphology is associated with signature change in instantaneous coefficient of friction change. Tribological evaluation of uncoated low carbon steel with a 440C steel countersphere (blind test) is evaluated as reference study. SEM analysis of the wear track at varying relative humidity is carried out to observe the change in third body morphology. The average coefficient of friction for cold-rolled steel and grit blast steel at steady state is similar at same relative humidity. With increase in relative humidity, the average coefficient of friction decreases. The wear debris formation for both cold-rolled and grit blast steel decreases with increase in humidity. The friction coefficient of steel substrate is modified with application of Cd and Al coating. With increase in relative humidity, the number of steady state friction coefficient regimes increases for Cd coated steel. At lower humidity, the fluctuation in average coefficient of friction for IVD Al coating is observed to be more frequent, which decreases with increase in relative humidity as compared to electrodeposited Al coating. This change in average coefficient of friction is associated with difference in wear debris morphology with change in relative humidity.The wear rate of steel substrate with and without Cd and Al coating were studied and correlated with the change in relative humidity. The presence of coating and difference in third body morphology with change in relative humidity, compared to uncoated steel modifies the wear rate of substrate. The wear rate of steel substrate decreases with increase in relative humidity. LHE Cd has a beneficial effect in reducing the wear rate of steel substrate, whereas Al coatings increases the substrate wear at low humidity.Le revêtement sacrificiel de Cd et Al sur un substrat en acier est soumis à un contact glissant dans une application industrielle et aérospatiale, ce qui nécessite d'évaluer les propriétés tribologiques et d'usure du revêtement et du substrat. Du Cd fragilisé par hydrogène (LHE Cd), des dépôts de vapeur d’ions d’Al (IVD) et de l’Al électrodéposé sont étudiés pour la modification du frottement et de l'usure sur le substrat en acier AISI 1018. Une épaisseur de revêtement de 10 à 25 μm est déposée sur un substrat en acier et évaluée pour modifier le coefficient de frottement moyen et instantané et son effet sur l'atténuation de l'usure du substrat.Les propriétés cancérogènes du Cd métallique et du bain de cyanure utilisés pour le revêtement font face à des réglementations environnementales et sur le travail dangereux. Le revêtement d’Al, qui est également sacrificiel sur le substrat en acier, peut être un remplacement viable pour le revêtement de Cd. La différence dans la structure chimique, la dureté et la procédure de placage entre le Cd et l’Al peut conduire à différentes propriétés tribologiques. La morphologie de surface des revêtements, étudiés par SEM, montre plus de porosité pour le Cd que pour le dépôt de vapeur d’ions d’Al (IVD) et l’Al électrodéposé. La section transversale du revêtement montre plus de fissures d'épaisseur pour le revêtement de Cd et le dépôt de vapeur d’ions d’Al que l’Al électrodéposé.En combinant différentes méthodes de tribométrie, le changement de morphologie du troisième corps était corrélé aux changements du coefficient de frottement. Le changement de la pellicule de transfert et de la morphologie de la trace d'usure est associé à un changement de signature dans le changement instantané du coefficient de frottement. L'évaluation tribologique de l'acier à faible teneur en carbone non revêtu avec une contre-sphère en acier 440C (test aveugle) est évaluée comme référence. L'analyse SEM de la piste d'usure à une humidité relative variable est effectuée pour observer la modification de la morphologie du troisième corps. Le coefficient de frottement moyen en régime permanent pour l'acier laminé à froid et l'acier sablé avec des particules est similaire à la même humidité relative. Avec une augmentation de l'humidité relative, le coefficient de friction moyen diminue. La formation de débris d'usure pour l'acier laminé à froid et l'acier sablé avec des particules diminue avec l'augmentation de l'humidité. Le coefficient de frottement du substrat en acier est modifié avec l'application du revêtement Cd et Al. Avec une augmentation de l'humidité relative, le nombre de régimes de coefficient de frottement en régime permanent augmente pour l'acier revêtu de Cd. À une humidité faible, les fluctuations du coefficient de frottement moyen pour le revêtement par dépôt de vapeur d’ions d’Al (IVD) sont fréquents, ce qui diminue avec l'augmentation de l'humidité relative comparé au revêtement Al électrodéposé. Cette variation du coefficient de frottement moyen est associée à la différence de morphologie des débris d'usure avec un changement de l'humidité relative.Le taux d'usure du substrat avec et sans revêtement Cd et Al a été étudié et corrélé avec la variation de l'humidité relative. La présence de revêtement et la différence dans la morphologie du troisième corps avec variation de l'humidité relative, par rapport à l'acier non revêtu, modifie le taux d'usure du substrat. Le taux d'usure du substrat en acier diminue avec l'augmentation de l'humidité relative. Le Cd fragilisé par hydrogène (LHE Cd) a un effet bénéfique pour réduire le taux d'usure du substrat en acier, tandis que les revêtements d’Al augmentent l'usure du substrat à faible humidité