Reach regulation: alternative coatings to hexavalent chromium

Abstract

Após o regulamento REACH ser implementado na União Europeia, acelerou a necessidade de encontrar soluções alternativas para os processos de eletrodeposição do crómio hexavalente. Estes processos, amplamente usados na indústria devido às propriedades físicas e mecânicas dos produtos finais que permitem uma vida útil mais longa dos produtos. Revestimentos por eletrodeposição podem também ser encontrados na indústria automóvel ou eletrodomésticos nos quais um acabamento metálico é desejado pelo consumidor. Este trabalho pretendeu oferecer soluções para substituir a eletrodeposição de crómio hexavalente, quer para aplicações que exigem crómio duro ou acabamentos decorativos. Em primeiro lugar, estudou-se um revestimento alternativo ao crómio duro, com boas propriedades mecânicas, nomeadamente elevada resistência a cargas cíclicas, para cunhagem de moedas. Revestimentos de Cr(Al,Si)N foram depositados por pulverização reativa em magnetrão DC. Por solução sólida, a dureza destes revestimentos aumentou progressivamente com a adição de elementos na matriz base (CrN), passando de ≈10 GPa nos revestimentos de CrN para ≈17 GPa nos revestimentos de CrAlSiN. Para CrAlN, os testes de impacto demonstraram que uma dureza superior nem sempre garante um melhor desempenho em aplicações sujeitas a desgaste por impacto ou fadiga. Quando comparadas com as pressões de contato típicas de cunhagem (1,4 GPa), este estudo sugere aplicações práticas tanto para os revestimentos de CrAlN quanto para os revestimentos de CrAlSiN em cenários de alto impacto. Investigou-se ainda o uso decorativo de revestimentos de crómio em polímero (policarbonato, PC) para aplicações automóveis. Os maiores desafios foram conseguir revestimentos suficientemente espessos com aparência metálica em PC sem a necessidade de aplicar nenhuma camada de base. Foram depositados revestimentos de CrN e oxinitretos de crómio para aumentar a dureza e obter diferentes aparências sem defeitos. Todos os revestimentos, exceto gCrN, passaram no teste de deslizamento em seco de acordo com os padrões da indústria mostrando que poderiam ser usados em superfícies decorativas e propensas ao toque. Com este conhecimento, substratos de alumínio muito usado em automóveis, revestimentos de Cr(N,O) e CrN/CrO multicamadas, mais espessos, foram também depositados por meio de pulverização reativa por magnetrão. Testes de corrosão com suor artificial simularam a exposição de toque humano a longo prazo, com os revestimentos mostrando melhor resistência à corrosão do que o substrato. Os revestimentos de Cr e CrO demonstraram ser promissores para resistir ao toque humano em várias aplicações, como peças automóveis e eletrodomésticos.

Aiming to improve the protection of human health and the environment, REACH regulation was enforced across European Union, accelerating the need to find alternative solutions to the electrodeposition processes of hexavalent chromium employed in several industrial applications. Electroplated hard chromium coatings are widely used due to their physical and mechanical properties that allow a longer service life of products. In a similar way electroplated coatings can be found in the automotive industry and can be used in appliances where a metallic finish is desired by the consumer as a mainly decorative property. This work intends to offer solutions for replace electroplating in a broad spectrum of substrate materials, whether it's for applications requiring hard chromium or decorative finishes. First, we introduce an alternative coating to hard chromium, emphasizing remarkable mechanical properties, particularly high cyclic load resistance. Cr(Al,Si)N coatings were deposited via reactive DC magnetron sputtering. Focusing on mechanical aspects, hardness increased progressively with the addition of elements to the base matrix (CrN), going from ≈10 GPa in CrN coatings to ≈17 GPa for CrAlSiN coatings. The wear resistance of CrAlN coating under impact stress highlights that superior hardness doesn't always ensure better performance in impact or fatigue-related wear applications. Given typical minting contact pressures (1.4 GPa), this initial study suggests practical applications for both CrAlN and CrAlSiN coatings in high-impact scenarios. We investigated the decorative use of Cr-sputtered coatings on plastic (polycarbonate, PC) for automotive applications, focusing on the effects of O and N addition. The biggest challenges were achieving thick metallic-looking coatings on PC without requiring a base coat. We sputtered CrN and chromium oxynitrides to enhance hardness and achieve different appearances. All coatings, except gCrN, passed a dry sliding test typical for automotive components, meeting industry standards and demonstrating their suitability for use on decorative and touch-sensitive surfaces. Based on previous knowledge, we also developed hexavalent chromium-free coatings for frequently touched aluminium substrates. Thicker Cr(N,O) and multilayered CrN/CrO coatings were deposited through reactive magnetron sputtering. Artificial sweat corrosion tests simulated long-term human touch exposure, with the coatings displaying better corrosion resistance than the bare substrate. The Cr and CrO coatings demonstrated promise for enduring frequent human touch in various applications, such as automotive and general appliances.