Sliding wear and fretting behaviour of electrodeposited γ-phase zinc-nickel coatings as a replacement for electrodeposited cadmium coatings

Electrodeposited Zn-Ni coatings is used as a sacrificial corrosion protective coating for steel in the automotive industry. Recently, the aerospace industry has taken an interest in these coatings due to the increasing restrictions on cadmium. Many studies have been made on improving the plating process and corrosion properties of Zn-Ni coatings. Although these coatings encounter tribological situations, there is still an information gap on their tribological behaviour. Therefore, the tribological behaviour of Zn-Ni coatings are studied in terms of fretting and sliding wear in this work and are compared with cadmium.Tribological studies of the fretting and sliding wear behaviour on Zn-Ni and Cd coatings were conducted. For Zn-Ni coating, studies showed that the surface morphology had a strong effect on the velocity accommodation mechanisms. In the stick or partial slip regime, the smoother and dense coating formed cracks on the surface in order to accommodate wear, whereas for the rougher coating, only asperities of the coating were deformed, as the morphology of the coating allowed some degree of elastic deformation. In the mixed slip and the gross slip regimes, shearing of the third bodies accommodated the velocity in both cases. When slipping occurred, the rougher coating also showed higher wear, as the morphology of the coating allowed easier detachment, as cracks and through thickness defects were present where the agglomerates of the coating meets. When compared with Cd coatings, the material properties affected the fretting behaviour strongly. Cadmium coating remained in the partial slip regime despite changing the displacement amplitude, due to the mechanical properties and crystal structure of cadmium. Plastic flow of the coating material accommodated the velocity for cadmium coating, as cadmium has a hexagonal crystal structure and is very ductile. Although cadmium remained in the stick and partial slip regime, increasing the displacement amplitude increased the friction and wear of the coating. When a high displacement amplitude was used, cadmium coating was removed from the center of the contact and the substrate was exposed.Sliding wear studies of the effect of normal load, surface morphology and humidity for Zn-Ni coatings were conducted and the results were compared with Cd. Formation of an oxide layer appeared to have a strong effect on the sliding wear behaviour, the smoother and dense coating was subjected to test performed in various humidity conditions. At high humidity, a continuous nanocrystalline ZnO film was formed on the surface of the wear track, which helped mitigate wear and stabilize the friction. This is because velocity was accommodated through shearing of the nanocrystalline film. In contrast, at zero humidity level, a prow formed due to adhesive wear behaviour. Velocity was accommodated by ploughing of the wear track and shearing of the particles. When tests were performed in high humidity, increasing the normal load caused breaking of the oxide layer that was formed on the wear track, which resulted in more adhesive wear. At low normal loads, the rougher coating showed more wear than the smoother coating. At the highest normal load, the wear of the smoother coating became more severe as the lack of a continuous oxide film caused more adhesive wear. The rougher coating was less sensitive to increase of initial Hertzian contact stress, as the surface morphology of the coating allowed some degree of elastic and plastic deformation. When compared to Cd, humidity also affected the sliding wear behaviour of Cd due to change in the composition of the third bodies. Decreasing the humidity was beneficial to cadmium but detrimental to Zn-Ni. Due to material properties, a lower CoF was observed for cadmium, while a higher wear resistance was observed in Zn-Ni coating.Des revêtements de Zn-Ni déposés par électrolyse sont utilisés par l'industrie automobile en tant que revêtements sacrificiels pour l'acier. Récemment, l'industrie aérospatiale a manifesté un intérêt pour le Zn-Ni, car les restrictions deviennent plus en plus rigoureuses pour le Cd. La plupart des recherches examinant le Zn-Ni sont faites sur le procédé de placage et corrosion. Tandis qu'il y a peu de recherche effectuée sur la tribologie de ces revêtements, bien qu'ils sont assujettis à des situations de tribologie. Donc, la tribologie des revêtements de Zn-Ni et de Cd est comparée dans cette étude.Des études de tribologie ont été menées sur le comportement d'usure par glissement et par fretting des Zn-Ni et Cd. Pour les études sur l'usure par fretting de Zn-Ni, le mécanisme d'accommodation de vitesses était influencé par la morphologie de la surface. Dans le régime d'adhérence, le Zn-Ni plus dense et lisse a formé des fissures pour accommoder la vitesse. Par contre, pour le Zn-Ni plus rugueux et poreux, les aspérités étaient déformées plastiquement. La morphologie du revêtement a permis un certain degré de déformation élastique. Dans le régime mixte et dans le régime de glissement, la vitesse était accommodée par le cisaillement du troisième corps dans les deux cas. Quand il y a eu du glissement dans le contact, le Zn-Ni plus rugueux présentait une usure plus agressive, car des défauts qui sont présentes où les agglomérés du revêtement se rencontrent permettaient le détachement du revêtement plus facile. En comparaison avec le Cd, les propriétés des matériaux ont influencé les caractéristiques d'usure par fretting. Malgré les changements de l'amplitude du déplacement, le Cd présente un comportement de glissement partiel à cause des propriétés mécaniques et de la structure cristalline du Cd. La vitesse était accommodée par l'écoulement plastique du Cd, car le Cd a une structure cristalline hexagonale très ductile. Même si le comportement de contact avec le Cd reste dans le régime de glissement partiel, l'augmentation de l'amplitude de déplacement a augmenté la friction et l'usure du revêtement. Quand l'amplitude de déplacement était haute, le Cd a été retiré du centre du contact exposant le substrat.Des études sur l'usure par glissement ont été effectuées pour analyser l'effet de la force normale, la morphologie de la surface et l'humidité sur le Zn-Ni. La formation d'une couche d'oxyde a influencé le comportement de l'usure par glissement. Le Zn-Ni plus dense et lisse a été sujet à différents niveaux d'humidité. Quand le niveau d'humidité était élevé, une couche continue nanocristalline de ZnO a été formée sur la surface de la trace. Cette couche a atténué l'usure et stabilisé la friction. La vitesse était accommodée par le cisaillement de la couche de ZnO nanocristalline. Quand le niveau d'humidité était presque zéro, l'usure adhésive a causé la formation d'un bourrelet. La vitesse était accommodée par la déformation plastique de la trace et le cisaillement des particules dans la trace. D'autres tests ont été effectués sur les niveaux d'humidité élevés, mais avec différentes forces normales. Quand la force normale était faible, le Zn-Ni plus rugueux présentaient plus d'usure que le Zn-Ni plus lisse. Quand la force normale était élevée, l'usure de Zn-Ni plus lisse était plus agressive puisque la couche de ZnO cristalline continue est fracturée causante plus d'usure adhésive. Le Zn-Ni plus rugueux était moins susceptible à l'effet d'augmentation de la force normale, car la morphologie de la surface a permis un certain degré de déformation élastique et plastique. Avec le Cd, l'humidité avait aussi affecté le comportement d'usure par glissement en raison du changement de la composition du troisième corps. La réduction du niveau d'humidité était avantageuse pour le Cd, mais désavantageuse pour le Zn-Ni. La friction pour le Cd était plus basse que pour le Zn-Ni, lorsque le Zn-Ni avait une résistance d'usure plus haute