-dd universit universitatea transilvania din brasovesanu)corina-rezuamt.pdf · le transmiteţi în...

Investeşte în oameni!

FONDUL SOCIAL EUROPEAN

Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013

Axa prioritară 1 „Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere”

Domeniul major de intervenţie 1.5. „Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării”

Titlul proiectului: „Burse doctorale pentru dezvoltare durabila” BD-DD

Numărul de identificare al contractului: POSDRU/107/1.5/S/76945

Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov

Universitatea Transilvania din Brasov

Scoala Doctorala Interdisciplinara

Departament: Ingineria Materialelor și Sudură

Ing. Corina Gabriela MORARU (căs. EȘANU)

Studii, cercetări și contribuții privind elaborarea unor

aliaje sinterizate pe bază de cupru utilizate în

electronică și electrotehnică

Study, research and contributions regarding the

development of some copper based sintered alloys

used in the electronics and electrotechnics industry

Conducător ştiinţific

Prof.dr.ing. Cornel Eugen ȘERBAN

BRASOV, 2013

MINISTERUL EDUCAŢIEI NAŢIONALE

UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV

BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525

RECTORAT

D-lui (D-nei) ..............................................................................................................

COMPONENŢA

Comisiei de doctorat

Numită prin ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din Braşov

Nr. 5968 din 25.07.2013

PREŞEDINTE: - Prof.univ.dr.ing. Teodor MACHEDON PISU

DECAN – Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor

Universitatea “Transilvania” din Brașov

CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC: - Prof.univ.dr.ing. Cornel Eugen ȘERBAN


REFERENŢI: - Prof.univ.dr.ing. Oana GÎNGU

Universitatea din Craiova

Prof.univ.dr.ing. Corneliu MUNTEANU

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iași

Prof.univ.dr.ing. Mircea Horia ȚIEREAN


Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: 13.12.2013, ora 12,

sala II6

Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să

le transmiteţi în timp util, pe adresa: [email protected]

Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de

doctorat.

Vă mulţumim.

CUPRINS

Pg.

teza

Pg.

rezumat

INTRODUCERE 6 9

CAPITOL 1 STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR PRIVIND

ELABORAREA CONTACTELOR ELECTRICE DIN MATERIALE

COMPOZITE

8

11

1.1Materiale metalice compozite 8 11

1.2 Fazele constituente ale materialelor compozite

1.3 Procedee de obținere a materialelor compozite

10

12

-

13

1.4 Contacte electrice din pulberi metalice 18 18

1.4.1 Generalități 18 -

1.4.2 Clasificarea contactelor electrice 19 18

1.4.3 Probleme tipice ale contactelor electrice în funcție de natura acestora 19 19

1.4.4 Metalurgia pulberilor în elaborarea contactelor electrice 20 20

1.5 Materiale compozite pe bază de cupru utilizate la realizarea contactelor

electrice

22

-

1.6 Concluzii 25 21

CAPITOL 2 SCOPUL ȘI OBIECTIVELE CERCETĂRII 26 22

2.1 Tendințe actuale ale cercetătorilor în domeniul abordat 26 22

2.2 Delimitarea domeniului de cercetare 26 22

2.3 Obiectivele urmărite 27 23

CAPITOL 3 STUDIU TEORETIC PRIVIND ELABORAREA

CONTACTELOR ELECTRICE PRIN PROCEDEE SPECIFICE

METALURGIEI PULBERILOR

28

24

3.1 Mecanismul alierii mecanice 28 24

3.1.1 Coliziunile dintre bile și pulbere 28 -

3.1.2 Etape ale procesării pulberilor 28 -

3.2 Influența parametrilor procesului de aliere mecanică asupra proprietăților

pulberilor

30

24

3.3 Tehnologii moderne de sinterizare 32 -

3.3.1 Sinterizarea hibridă în câmp de microunde 33 25

3.3.2 Sinterizarea cu descărcare în plasmă 35 27

3.4 Concluzii 41 28

CAPITOL 4 CERCETĂRI PRIVIND ELABORAREA ȘI

CARACTERIZAREA PULBERILOR COMPOZITE CU MATRICE DE

CUPRU

42

29

4.1 Aparatura utilizată pentru elaborarea pulberilor compozite 42 29

4.2 Pulberile elementale utilizate pentru elaborarea materialelor compozite cu

matrice de cupru

43

-

4.2.1 Caracterizarea pulberilor elementale 43 -

4.2.2 Compoziția chimică a amestecului de pulberi 45 29

4.3 Studii privind elaborarea prin aliere mecanică a pulberilor compozite cu

matrice de cupru

46

29

4.3.1 Stabilirea parametrilor de lucru pentru alierea mecanică 46 29

4.3.2 Caracterizarea pulberilor compozite Cu-TiC-Gr 49 31

4.3.2.1 Compoziția chimică a pulberilor compozite obținute în urma

procesului de aliere mecanică

49

31

4.3.2.2 Determinarea distribuției granulometrice a pulberilor

compozite

51 31

4.4 Concluzii 55 32

CAPITOL 5 CERCETĂRI PRIVIND ELABORAREA CONTACTELOR

ELECTRICE DIN PULBERI COMPOZITE CU MATRICE DE CUPRU

56

33

5.1 Cercetări privind compactizarea prin presare în matriță a pulberilor

compozite cu matrice de cupru

56

33

5.2 Studii privind sinterizarea hibridă cu microunde a contactelor electrice din

pulberi compozite cu matrice de cupru

61

34

5.2.1 Analiza metalografică prin microscopie electronică–SEM și analiză

EDAX

66

-

5.2.2 Studiul microdurității contactelor electrice sinterizate în câmp de

microunde

68

36

5.3 Studii privind sinterizarea în plasmă de scânteie (SPS) a contactelor

electrice din pulberi compozite cu matrice de cupru

74

37

5.4 Concluzii 76 39

CAPITOL 6 STUDII ASUPRA PROPRIETĂȚILOR ȘI

MICROSTRUCTURII CONTACTELOR ELECTRICE DIN PULBERI

COMPOZITE

79

40

6.1 Analiza microstructurii contactelor electrice din pulberi compozite 79 40

6.1.1 Pregătirea probelor pentru examinarea metalografică 79 -

6.1.2 Analiza metalografică pentru microscopie optică 80 40

6.1.3 Analiza metalografică prin microscopie electronică-SEM, analize

EDAX și XRD

84

41

6.2 Studii asupra proprietăților mecanice ale contactelor elaborate 92 42

6.2.1 Microduritatea 92 42

6.2.2 Comportamentul la frecare și uzare 97 43

6.3 Studii asupra proprietăților electrice ale contatelor elaborate 102 44

6.4 Studii asupra comportării termice a contactelor elaborate 107 46

6.4.1 Analiza calorimetrică diferențială dinamică (DSC) 107 46

6.4.2 Analiza dilatării termice 114 47

6.5 Concluzii 116 -

CAPITOL 7. CONCLUZII FINALE. CONTRIBUŢII ORIGINALE.

DIRECȚII VIITOARE DE CERCETARE

117

48

BIBLIOGRAFIE 120 52

ANEXE

Scurt Rezumat (romana/engleza) 130 55

CV 131 56

CONTENT

Pg.

teza

Pg.

rezumat

INTRODUCTION 6 9

CHAPTER 1 CURRENT STATE OF KNOWLEDGE REGARDING THE

DEVELOPMENT OF ELECTRICAL CONTACTS FROM COMPOSITE

MATERIALS

8

11

1.1Composite metal materials 8 11

1.2 Constituent phases of the composite materials

1.3 Production methods for composite materials

10

12

-

13

1.4 Electrical contacts made from composite powders 18 18

1.4.1 Overview 18 -

1.4.2 Classification of electrical contacts 19 18

1.4.3 Typical problems of the electrical contacts by their nature 19 18

1.4.4 Powder metallurgy in the development of electrical contacts 20 20

1.5 Composite materials based on copper used in development on electrical

contacts

22

-

1.6 Conclusions 25 -

CHAPTER 2 PURPOSE AND OBJECTIVES OF THE RESEARCH 26 22

2.1 Current trends of the researches in the approached field 26 22

2.2 Research domain delimitation 26 22

2.3 Objectives aimed 27 23

CHAPTER 3 THEORETICAL STUDY ON THE DEVELOPMENT OF

ELECTRICAL CONTACTS BY MEANS OF POWDER METALLURGY

28

24

3.1 Mechanical alloying mechanism 28 24

3.1.1 Ball to powder collisions 28 -

3.1.2 Stages of powder processing 28 -

3.2 The influence of the mechanical alloying process parameters on the

powders properties

30

24

3.3 Modern sintering technologies 32 -

3.3.1 Microwave hibrid sintering 33 25

3.3.2 Spark plasma sintering 35 27

3.4 Conclusions 41 28

CHAPTER 4 RESEARCH ON THE DEVELOPMENT AND

CHARACTERIZATION OF COPPER MATRIX COMPOSITE POWDERS

42

29

4.1 The equipment used for developing composite powders 42 29

4.2 Elemental powders used for developing copper matrix composite materials 43 -

4.2.1 Elemental powder characterization 43 -

4.2.2 Chemical composition of the powderes mixtures 45 29

4.3 Studies on the development of copper matrix composite powders through

mechanical alloying

46

29

4.3.1 Establish the working parameters for the mechanical alloying 46 29

4.3.2 Cu-TiC-Gr composite powders characterization 49 31

4.3.2.1 Chemical composition of the composite powders obtained by

mechanical alloying process

49

31

4.3.2.2 Determination of particle size distribution for the composite

mixtures

51

31


CHAPTER 5 RESEARCH ON THE DEVELOPMENT OF ELECTRICAL

CONTACTS FROM COPPER MATRIX COMPOSITE POWDERS

56

33

5.1 Research on the die compaction of the copper matrix composite powders 56 33

5.2 Study on the microwave hybrid sintering of electrical contacts made from

copper matrix composite powders

61

34

5.2.1 Metallographic analysis by scanning electron microscopy-SEM and

EDAX analysis

66

-

5.2.2 Study of the microhardness of the microwave sintered electrical

contacts

68

36

5.3 Study on the spark plasma sintering of electrical contacts made from

copper matrix composite powders

74

37


CHAPTER 6 STUDY ON THE PROPERTIES AND MICROSTRUCTURE

OF THE ELECTRICAL CONTACTS MADE FROM COMPOSITE

POWDERS

79

40

6.1 Microstructural analysis of the electrical contacts made from composite

powders

79

40

6.1.1 Samples preparation for the metallographic examination 79 -

6.1.2 Metallographic analysis through optical microscopy 80 40

6.1.3 Metallographic analysis through scanning electron microscopy-SEM,

EDAX and XRD analysis

84

41

6.2 Studies on the mechanical properties of the developed electrical contacts 92 42

6.2.1 Microhardness 92 42

6.2.2 Friction and wear behavior 97 43

6.3 Studies on the electrical properties of the developed electrical contacts 102 44

6.4 Studies on the thermal behavior of the developed electrical contacts 107 46

6.4.1 Differential scanning calorimetry (DSC) 107 46

6.4.2 Thermal expansion analysis 114 47

6.5 Conclusions 116 -

CHAPTER 7. FINAL CONCLUSIONS. ORIGINAL CONTRIBUTIONS.

FUTURE RESEARCH

117

48

BIBLIOGRAPHY 120 52

ANEXE

Abstract (romana/engleza) 130 55

CV 131 56

Studii, cercetări și contribuții privind elaborarea unor aliaje sinterizate pe bază de cupru

utilizate în electronică și electrotehnică

Rezumat 9

INTRODUCERE

Tehnologia materialelor compozite se dezvoltă cu rapiditate pentru a ține pasul cu

schimbările de moment din diferite sectoare industriale, precum cele aerospațiale, automotive

și electrice. Noi fibre, matrici și materiale compozite, precum și procese de elaborare

inovative continuă să ofere oportunități interesante pentru îmbunătățirea performanțelor și

reducerea costurilor, care sunt esențiale pentru a menține competitivitatea pe piețele

internaționale.

Metalurgia pulberilor este una dintre acele tehnologii de vârf din industrie care

răspunde la cele două imperative de bază: economisirea de material și economisirea de

energie. Avantajele care apar în cadrul elaborării diferitelor piese prin această tehnologie sunt

uriașe, motiv pentru care metalurgia pulberilor este un domeniu industrial în plin avânt

tehnologic.

Dezvoltarea vertiginoasă a acestei industrii a impus asimilarea rapidă a unor materiale

feroase și neferoase, care au găsit o largă aplicabilitate în elaborarea pieselor poroase

antifricțiune, a pieselor de rezistență din industria contructoare de mașini, a contactelor

electrice etc.

Compozitele cu matrice metalică ranforsate cu particule ceramice sunt potrivite pentru

aplicații structurale datorită tenacității lor superioare și rezistenței la uzare. Materialele

compozite cu matrice de cupru sunt candidați ideali pentru aplicații de contacte electrice,

acolo unde conductibilități electrice și termice mari, precum și rezistența la uzare sunt

imperative.

Compozitele Cu-TiC-grafit pot îndeplini cerințele impuse contactelor electrice

deoarece cuprul posedă conductibilitate electrică și termică foarte bună și rezistență la

coroziune, TiC are duritate mare, punct de topire ridicat și rezistență la uzare, iar grafitul are

proprietăți bune antifricțiune datorită efectului său de autolubrifiere.

Cercetările prezentei teze de doctorat au avut ca scop elaborarea unui material

compozit nanostructurat cu matrice metalică de cupru și elemente de ranforsare pulberi

ceramice de TiC și grafit.

Pentru elaborarea acestui material s-a utilizat procedeul de aliere mecanică, procedeu

specific metalurgiei pulberilor. Deoarece contactele electrice sunt supuse la solicitări

electrice, termice și mecanice, materialele utilizate pentru elaborarea acestora trebuie să

prezinte proprietăți ridicate atât din punct de vedere electric, termic precum și mecanic,



Rezumat 10

aspecte de care s-a ținut cont în cercetările experimentale realizate în cadrul lucrării de

doctorat.

Alierea mecanică, dozarea și presarea în matriță, precum și încercările electrice,

termice și mecanice au fost realizate în cadrul Institutului de Cercetare-Dezvoltare al

Universității Transilvania Brașov, ICDT, experimentele de sinterizare hibridă cu microunde și

sinterizare în plasmă de scânteie (Spark Plasma Sintering) au fost realizate în cadrul Facultății

de Ingineria și Managementul Sistemelor Tehnologice – IMST din Drobeta Turnu-Severin,

respectiv în cadrul Institutului Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizică Tehnică – IFT

Iași, iar caracterizarea prin microscopie electronică de baleiaj – SEM a fost realizată în cadrul

Universității Tehnice „Gheorghe Asachi” din Iași.

Capitolul 1 intitulat „Stadiul actual al cercetărilor privind elaborarea contactelor

electrice din materiale compozite” prezintă o clasificare a contactelor electrice și a

procedeelor de obținere a acestora, precum și propunerile cercetătorilor din domeniu privind

elaborarea de noi materiale compozite și de tehnologii inovative de elaborare a acestora.

În capitolul 2 este enunțat scopul lucrării de doctorat și sunt prezentate obiectivele de

cercetare ce se doresc a fi atinse în vederea îndeplinii scopului propus.

Capitolul al 3-lea intitulat “Studiu teoretic privind elaborarea contactelor electrice prin

aliere mecanică și sinterizare” prezintă influența parametrilor implicați în procesul de aliere

mecanică, mecanismul sinterizării cu microunde și al sinterizării în plasmă de scânteie și

influența factorilor acestor procese asupra produsului finit.

În capitolul al 4-lea intitulat “Cercetări privind elaborarea și caracterizarea pulberilor

compozite cu matrice de cupru” se prezintă metodica utilizată pentru elaborarea rețetei

materialului compozit și proprietățile amestecului pulverulent obținut.

În capitolul al 5-lea intitulat “Cercetări privind elaborarea contactelor electrice din

pulberi compozite cu matrice de cupru” se prezintă experimentele de sinterizare cu microunde

și sinterizare în plasmă de scânteie aplicate compactelor crude din pulberi compozite, precum

și aplicabilitatea metodelor propuse asupra materialului elaborate.

În capitolul al 6-lea intitulat “Studii asupra proprietăților și microstructurii contactelor

electrice din pulberi compozite” sunt puse în evidență rezultatele obținute în urma testării

proprietăților mecanice, electrice și termice ale contactelor elaborate corelate cu analiza

microstructurală a acestora.

Capitolul 7 intitulat “Concluzii finale. Contribuții originale. Direcții viitoare de

cercetare” prezintă concluziile generale împreună cu contribuțiile personale realizate privind



Rezumat 11

tema abordată și studiată în prezenta teză de doctorat, precum și direcțiile viitoare de

cercetare.

Pe această cale doresc să-i mulțumesc îndrumătorului științific, prof.univ.dr.ing.

Cornel Eugen ȘERBAN care m-a îndrumat cu atenție și mi-a dat sfaturi utile pe parcursul

cercetărilor. De asemenea doresc să mulțumesc pentru colaborarea științifică și pentru

sprijinul acordat în realizarea cercetărilor domnilor: prof.univ.dr.ing. Oana GÎNGU de la

Facultatea de Ingineria și Managementul Sistemelor Tehnologice din Drobeta Turnu-Severin,

prof.univ.dr.ing. Corneliu MUNTEANU de la Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din

Iași, dr.fiz. Nicoleta LUPU de la Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizică

Tehnică – IFT Iași, prof.univ.dr.ing. Mircea Horia ȚIEREAN și prof.univ.dr.ing. Teodor

MACHEDON PISU de la Universitatea Transilvania din Brașov.

Doresc de asemenea să mulțumesc întregului colectiv al Facultății de Știința și

Ingineria Materialelor, în special dnei.prof.univ.dr.ing. Rodica Mariana POPESCU,

dl.prof.univ.dr.ing. Tibor BEDO și dl.cercetător dr.ing. Alin Mihai POP care, cu multă

răbdare, competență profesională și înțelegere m-au îndrumat și mi-au oferit posibilitatea

desfășurării cercetărilor experimentale prezentate în lucrare.

Mai mult decât simple mulțumiri le datorez familiei, părinților, soțului și copilașului

nostru pentru răbdarea, sprijinul și susținerea continuă pe care mi-au acordat-o pe parcursul

acestor ani.

CAPITOL 1

STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR PRIVIND ELABORAREA

CONTACTELOR ELECTRICE DIN MATERIALE COMPOZITE

1.1. MATERIALE METALICE COMPOZITE

Apar tot mai frecvent situaţii în care materialele tradiţionale nu pot satisface în

totalitate multitudinea restricţiilor menţionate pentru un produs finit și, deoarece configuraţia

geometrică a structurilor este în general impusă, singura pârghie unde se poate acţiona,

rămâne cea a utilizării de materiale noi, cu calităţi deosebite. Pentru o structură mecanică cu

configuraţie geometrică şi condiţii de lucru cunoscute, este necesar să se proiecteze şi să se

realizeze materialul adecvat din care aceasta să fie confecţionată.

Au apărut astfel materialele compozite, care sunt o nouă clasă de materiale ce prezintă

o mare importanţă tehnologică şi ale căror aplicaţii cunosc în prezent o dezvoltare intensă în

mai multe domenii [34].



Rezumat 12

Materialele compozite au cunoscut o gamă largă de definiții, fără a se putea spune că

există una unanim acceptată și valabilă. Unii cercetători încearcă să definească aceste structuri

ca fiind materiale care au drept matrice o fază continuă ce înconjoară materialul de umplutură,

în timp ce alții acceptă ca materiale compozite toate structurile care sunt neomogene și

formate din mai multe faze.

La nivel supramolecular pot fi puse în evidență neomogenități datorate existenței unor

domenii cristaline sau amorfe, orientări diferite ale macromoleculelor, existența

stabilizatorilor, lubrifianților, coloranților etc.

La nivel microfizic, se poate pune în evidență existența deja selectivă a unor materiale

aparent omogene, constituite dintr-o fază unică, sau a unor materiale constituite din domenii

distincte (faze distincte) formate, în general, dintr-un domeniu dominant (matricea), în care

sunt distribuite fazele dispersate, conturate net, prin suprafețe de separare, sau, mai puțin net,

prin straturi de interfață. Continuitatea fazelor, forma fazei dispersate, distribuțiile, sunt la fel

de importante ca și natura chimică și proprietățile fazelor.

Materialele compozite fac parte din categoria „noilor materiale” şi sunt create special

pentru a răspunde unor exigenţe deosebite în ceea ce priveşte:

- rezistenţa mecanică şi rigiditatea;

- rezistenţa la coroziune;

- rezistenţa la acţiunea agenţilor chimici;

- greutatea scăzută;

- stabilitatea dimensională;

- rezistenţa la solicitări variabile, la şoc şi la uzură;

- proprietăţile izolatoare şi estetica.

Un material compozit este alcătuit din mai multe componente cu proprietăți fizice și

chimice diferite, materialul astfel obținut având proprietăți superioare față de cele ale

materialelor individuale din componența sa și anume:

- limita de curgere;

- duritate;

- rezistența la tracțiune;

- rezistența la uzare;

- coeficient de dilatare termică;

- proprietăți electrice;

- proprietăți termice.



Rezumat 13

Anumite proprietăți ale materialelor compozite precum densitate, proprietăți electrice,

modul de elasticitate, pot fi exprimate ca fiind suma dintre proprietățile fiecărui component

individual și fracția volumică a acestuia în materialul compozit. O clasificare generală a

materialelor compozite, care le prezintă într-un mod sintetic în figura 1.2, are la bază

utilizarea concomitentă a două criterii și anume:

- particularitățile geometrice ale materialului complementar;

- modul de orientare a acestuia în matrice.

Figura 1.2. Clasificarea materialelor compozite [109]

1.3. PROCEDEE DE OBȚINERE A MATERIALELOR COMPOZITE

Metodele de elaborare a materialelor compozite variază de la metalurgia pulberilor

până la tehnologii precum cele pe bază de laser, respectiv tehnici special adaptate precum

presare la cald, infiltrare etc.

Procese în stare lichidă

Turnarea sau infiltrarea topiturii implică infiltrarea unui metal topit într-un

semifabricat cu rol de armătură din fibre sau particule de pulbere (figura 1.3). Infiltrarea în

fază lichidă a unui material compozit nu este un proces ușor datorită dificultăților de umectare

a ranforsantului ceramic de către metalul topit. Atunci când infiltrarea unui semifabricat fibros

se produce cu ușurință, apar reacții între fibre și metalul topit care pot degrada semnificativ

proprietățile fibrelor.



Rezumat 14

Figura 1.3. Procedeul de elaborare a materialelor compozite prin turnare [106]

Turnarea sub presiune sau infiltrarea sub presiune implică presarea unui metal

topit într-un semifabricat din fibre sau particule de pulbere (figura 1.4). Presiunea se aplică

până când procesul de solidificare este complet. Prin presarea topiturii metalice, aceasta este

forțată să pătrundă prin porii mici ai armăturii și astfel este înlăturată condiția de umectare a

ranforsantului de către metalul topit.

Figura 1.4. Procedeul de turnare sub presiune sau infiltrare sub presiune [106]

Procese în stare solidă

Îmbinarea prin difuzie (diffusion bonding) este o tehnică obișnuită de procesare a

metalelor similare sau diferite în stare solidă. Rezultatul interdifuziei atomilor de pe

suprafețele metalice curate aflate în contact, la temperaturi ridicate, este lipirea acestora.

Principalele avantaje ale acestei metode sunt capacitatea de a procesa o gamă largă de matrici



Rezumat 15

metalice și de a controla orientarea și fracția volumică a fibrelor. Printre dezavantaje putem

enumere timpul îndelungat de procesare, temperaturi și presiuni foarte mari (care determină

creșterea costurilor de procesare) și o limitare a complexității formelor care pot fi elaborate.

Există mai multe variante ale procesului clasic de îmbinare prin difuzie, însă toate necesită

aplicarea simultană a presiunilor și temperaturilor foarte mari.

Figura 1.5. Procesul de îmbinare prin difuzie [106]

Prelucrarea prin deformare poate fi de asemenea utilizată pentru a deforma/ a

densifica un material compozit. În compozitele metal-metal, prelucrarea mecanică (matrițare,

extrudare, laminare) a unui material ductil bifazic produce alungirea uneia dintre faze în

rețeaua celei de-a doua. Îmbinarea prin laminare este o tehnică obișnuită utilizată pentru a

elabora materiale compozite alcătuite din metale diferite stratificate, care poartă denumirea de

foițe compozite (figura 1.6).

Figura 1.6. Procesul de elaborare a materialelor compozite laminate [106]



Rezumat 16

Procesarea pulberilor în combinație cu prelucrarea prin deformare sunt utilizate

pentru a elabora compozite armate cu fibre scurte sau particule. Acest procedeu implică

presarea la rece și sinterizarea sau presarea la cald pentru a elabora materiale compozite cu

matrice metalică armate cu particule. Pulberile matrice și cele de ranforsare sunt amestecate

împreună pentru a obține o distribuție omogenă (figura 1.7). Particulele sau fibrele rigide

produc deformări semnificative în matrice. În plus, în timpul extrudării la cald, se produce

recristalizarea dinamică la interfața matrice-particulă, rezultând grăunți orientați aleatoriu

aproape de interfață și grăunți cu o textură relativă mai îndepărtați de interfață.

Figura 1.7. Procesarea pulberilor, presarea la cald și procesul de extrudare pentru elaborarea

materialelor compozite armate cu particule sau fibre scurte [106]

Sinter-forjarea este o tehnică nouă care prezintă costuri reduse de procesare prin

deformare. In sinter-forjare, un amestec format din pulberea matricei și pulberea de armare

este compactat la rece, sinterizat și forjat la densitate aproape teoretică (figura 1.8).

Principalul avantaj al acestei tehnici îl reprezintă faptul că forjarea este realizată astfel încât să

se elaboreze un produs cu formă aproape finită, operațiile ulterioare de prelucrare și pierderea

de material sunt minimizate.



Rezumat 17

Figura 1.8 Tehnologia de sinter-forjare pentru producerea materialelor compozite cu matrice

metalică [106]

Tehnologia de depunere pentru elaborarea compozitelor cu matrice metalică implică

acoperirea fibrelor individuale cu materialul matricei, urmată de o îmbinare prin difuzie

pentru a forma un compozit consolidat de formă plană sau structurală. Principalul dezavantaj

al utilizării tehnologiilor de depunere este faptul că sunt mari consumatoare de timp.

Sunt disponibile mai multe tehnici de depunere printre care: acoperire prin imersie,

acoperire electrolitică, depunere prin pulverizare, depunere chimică cu vapori (CVD) precum

și depunere fizică cu vapori (PVD). Depunerea electrolitică produce o acoperire cu o soluție

obținută din ionii materialului dorit în prezența unui curent electric. Avantajul acestei metode

îl reprezintă faptul că temperaturile implicate în acest proces sunt moderate și fibrele nu se

deteriorează. Dezavantajele sunt reprezentate de faptul că se formează goluri între fibre și

între straturile de fibre ceea ce determină o aderență scăzută pe suprafața acestora, în plus un

număr limitat de matrici sunt disponibile pentru acest tip de procesare.

Procese in situ

În cadrul acestor tehnici, faza de armare este realizată in situ. Materialul compozit este

elaborat într-o singură etapă dintr-un aliaj inițial adecvat, evitându-se astfel dificultățile

inerente apărute la combinarea componentelor separate, așa cum se procedează la o elaborare

tipică de material compozit. Solidificarea unidirecțională controlată este a unui aliaj eutectic

este un exemplu clasic de procesare in situ (figura 1.9).



Rezumat 18

Figura 1.9 Procesarea in situ prin solidificarea unidirecțională controlată a unui aliaj eutectic

[106]

Procesul XD (brevetat de Martin Marietta) este un alt procedeu in situ care utilizează

o reacție exotermică între două componente pentru a produce un compus nou. Această tehnică

este denumită uneori ca proces de sinteză cu auto-propagare la temperaturi înalte. Procesul

XD este utilizat pentru a elabora compozite metalice armate cu particule ceramice. Un aliaj

principal cu un conținut ridicat de particule de armare este produs printr-o reacție de sinteză.

Acesta este amestecat și retopit cu aliajul de bază pentru a produce cantitatea dorită de

particule de ranforsare.

Avantajele și motivația utilizării procesării prin metalurgia pulberilor

Metalurgia pulberilor este utilizată în prezent datorită faptului că reprezintă o metodă

de fabricație de cost redus pentru elaborarea compozitelor în formă finită sau semi-finită.

Tehnologia metalurgiei pulberilor este întotdeauna preferată atunci când se urmărește

încorporarea unei faze ceramice dure (ranforsantul) într-o fază metalică prin procedeul de

aliere mecanică. De asemenea, metalurgia pulberilor este potrivită pentru elaborarea de

materiale compozite datorită dispersiei foarte bune a particulelor fine de ranforsare în

matricea metalică.

1.4. CONTACTE ELECTRICE DIN PULBERI METALICE

Contactele electrice constituie părțile cele mai solicitate ale căilor de curent ale

echipamentelor electrice. În exploatare, contactele sunt supuse efectelor termice ale curenților,

uzurii datorate ciocnirilor și frecărilor, precum și acțiunii arcului electric care însoțește

operațiile de anclanșare și declanșare a circuitelor electrice.

Condițiile care se impun contactelor electrice sunt următoarele:



Rezumat 19

- Să prezinte siguranța legăturii de contact;

- Să aibă rezistență mecanică suficientă;

- Să prezinte stabilitate termică și electrodinamică la trecerea curenților de regim

normal de funcționare și de scurtcircuit;

- Să fie rezistente la acțiunea arcului electric;

- Să realizeze contactul fără lipire sau sudare datorate încălzirii locale mari și topirii

metalului contactului, datorată temperaturii mari a arcului electric;

- Să fie rezistente la acțiunea factorilor externi.

1.4.3. Probleme tipice ale contactelor electrice în funcție de natura acestora

Problemele contactelor electrice apar în urma proceselor fizice de stabilire a

contactului în sine, la care se adaugă problemele asociate cu închiderea și deschiderea

circuitelor [10].

Contacte de anclanșare/declanșare

La declanșare, problemele contactelor apar în urma eroziunii arcului, transferului de

material și sudării, pe când la anclanșare, rezistența de contact determină căderi de tensiune și

creșterea temperaturii contactelor. Rezistența de contact depinde și de condițiile de mediu,

ceea ce determină formarea de pelicule subțiri de oxizi sau produși ai coroziunii pe suprafața

piesei de contact.

Proprietățile impuse contactelor electrice depind în mare măsură de aplicațiile

acestora, de aceea este necesară utilizarea diferitelor materiale. Rezistența mare de contact

determină creșterea temperaturii, care limitează capacitatea de transport a sarcinilor electrice

în interiorul materialului. Atunci cînd forța de apăsare este mai mare, crește și suprafața de

contact și implicit uzura contactelor.

O modalitate de a reduce rezistența de contact este utilizarea materialelor care produc

un contact metalic foarte bun sub acțiunea unei forțe moderate, în această categorie pot fi

incluse materialele pe bază de cupru și argint.

Contacte alunecătoare (glisante)

Cele mai mari probleme pentru aceste tipuri de contacte electrice sunt cauzate de

vitezele mari de alunecare. Suprafețele de alunecare se acoperă rapid cu o „patină” formată

din oxizi, particule de grafit și cenușă generate prin arderea materialului periei. Rezistența de

contact este mare, ceea ce determină temperaturi locale foarte mari. Formarea acestei „patine”

este necesară anumitor operații ale periei de alunecare, deoarece mecanismul de uzare este

astfel redus.



Rezumat 20

Rugozitatea suprafețelor este dăunătoare contactelor glisante, deoarece se formează

puncte de contact electric slab și variabil, ceea ce duce la apariția arcului electric.

O altă problemă a contactelor glisante o reprezintă oxidarea și coroziunea, dar acțiunea

de curățare prin alunecare tinde să înlăture produșii acestor procese, iar „patina” oferă o

protecție suplimentară suprafețelor aflate în contact.

Contactele fixe

Natura contactului între suprafețele implicate este aceeași ca și în cazul contactelor

amovibile, singura diferență constă în faptul că acestea rămân în contact pe o perioadă de

câțiva ani, forțele de contact sunt mari, suprafețele inițiale aflate în contact sunt mari,

rezultând o rezistență mică. Procesele de oxidare și coroziune se produc într-un timp mai

îndelungat, suprafața de contact dintre piese este redusă progresiv până când toate punctele de

contact practic dispar. Cuprul și argintul prezintă cele mai mici rate de deteriorare sub

acțiunea procesului de fluaj, astfel fiind cele mai potrivite pentru astfel de contacte electrice.

1.4.4. Metalurgia pulberilor în elaborarea contactelor electrice

Cea mai mare parte a materialelor pentru contactele electrice se elaborează prin

procedeele metalurgiei pulberilor. Folosind metodele clasice de topire și turnare, este practic

imposibilă realizarea unor astfel de materiale, deoarece componentele respective nu se aliază

între ele. Din amestecul de pulberi, prin presare și sinterizare, se pot realiza relativ ușor

combinații și pseudoaliaje între metale și metaloizi respectiv oxizi, cum ar fi materialele pe

bază de cupru-grafit, bronz-grafit, wolfram-cupru, wolfram-argint, argint-nichel etc.

Elaborarea acestor materiale se poate realiza în două moduri:

- Prin amestecarea pulberilor, urmată de presare și sinterizare;

- Prin sinterizarea unui semifabricat poros din componentul metalic greu fuzibil și

umplerea ulterioară prin impregnare (sau infiltrare) a porilor acestuia cu

componentul ușor fuzibil, aflat în stare topită. Însă, datorită neomogenităților

obținute prin infiltrare, această metodă nu poate oferi compozite cu densități

ridicate [15, 68].

1.5. MATERIALE COMPOZITE PE BAZĂ DE CUPRU UTILIZATE LA

REALIZAREA CONTACTELOR ELECTRICE

Cuprul este unul dintre cele mai interesante materiale pentru investigare datorită

proprietăților atractive pe care le are atunci când dimensiunile particulelor sunt în domeniul

submicronic. De-a lungul timpului au fost elaborate contacte electrice din materiale

compozite pe bază de cupru armate cu particule sau fibre cermice prin procedeele specifice



Rezumat 21

metalurgiei pulberilor cu scopul de a obține proprietăți superioare celor realizate prin

procedeele clasice de topire și turnare. Compozitele hibride au proprietăți superioare în

comparație cu cele cu un singur element de ranforsare, deoarece ele combină avantajele

tuturor constituenților pe care îi conțin. TiC este un material interesant de utilizat ca element

de ranforsare în matricile metalice datorită durității și temperaturii de topire ridicate, precum

și conductivității electrice bune [43]. Adaosul de TiC îmbunătățește proprietățile fizice, fără a

afecta semnificativ proprietățile electrice ale compozitelor cu matrice de cupru [97]. Grafitul

are proprietăți de autolubrifiere datorită structurii sale lamelare și este un bun conducător de

electricitate [13].

1.6. CONCLUZII

- Contactele electrice alunecătoare sunt părți esențiale ale unui circuit electric și sunt

utilizate pentru a transmite puterea și semnalul electric între părțile mobile și

staționare ale unui motor. Aceste tipuri de contacte sunt foarte importante în

numeroase aplicații precum periile comutatoare ale motoarelor de curent continuu

sau sistemele de contact glisante în generatoarele de curent alternativ. Pentru astfel

de aplicații, trebuie luată în calcul o serie de factori pentru a menține eficiența

motorului precum rezistența mare la uzare atât a materialului periei cât și a

materialului rotorului, conductibilitate electrică și termică bună, chiar și după un

timp îndelungat de utilizare.

- În mașinile electrice, contactele electrice glisante sunt formate din perii de

carbon sau electrografit. Asfel de materiale nu au o durată lungă de viață datorită

generării de praf grafitic în urma procesului de uzare. Deoarece aceste perii se

regăsesc în categoria componentelor nereparabile, ele trebuie înlocuite la intervale

de timp prestabilite, iar înlocuirea lor periodică crește costul utilizării aparatului.

De aceea sunt necesare noi materiale, cu proprietăți îmbunătățite de autolubrifiere

și antifricțiune, conductibilitate electrică și rezistență la formarea arcului electric.

- Compozitele hibride de forma cupru-TiC-grafit pot îndeplini cu succes

cerințele impuse contactelor electrice glisante, deoarece cuprul prezintă

conductibilitate electrică și termică foarte bună și este rezistent la coroziune,

carbura de titan crește duritatea și îmbunătățește rezistența la uzare, iar grafitul

oferă un efect autolubrifiant în funcționare, determinând astfel scăderea

coeficientului de frecare și, implicit, a ratei de uzare.



Rezumat 22

CAPITOL 2

SCOPUL ȘI OBIECTIVELE CERCETĂRII

2.1. TENDINȚE ACTUALE ALE CERCETĂTORILOR ÎN DOMENIUL ABORDAT

În toate țările industrializate, materialele compozite reprezintă un domeniu prioritar,

situat în avantgarda procesului continuu de inovare tehnologică. Acestea constituie o soluție

tot mai des adoptată în realizarea structurilor performante, ca alternative avantajoase ale

materialelor clasice sau pentru obținerea de noi aplicații, altfel greu sau imposibil de realizat.

Industrii precum cea a vehiculelor pentru transporturi auto, feroviare și navale, cea

aerospațială, electronică, energetică (în special la utilizarea surselor de energie

neconvențională), nu se pot situa la nivelele de perofrmanță, eficiență și competitivitate fără

aportul de noi materiale.

Fără a înlocui aliajele metalice clasice, dar preluând tehnicile lor de fabricare,

materialele compozite s-au impus în scurt timp nu numai prin performanțele lor, dar și din

punct de vedere economic. Studiile prognozează o adevărată „explozie” a acestor materiale,

acum, la începutul mileniului III. Pe plan mondial, cercetătorii în domeniu sunt solicitați să

dezvolte materiale noi cu performanțe deosebite.

Ținând cont de tendințele actuale și cercetările în domeniu, scopul prezentei teze de

doctorat este acela de a elabora un material compozit pentru contacte electrice care să fie

performant, calitativ superior contactelor elaborate convențional și posibil de realizat prin

procedee și tehnologii eficiente și nepoluante.

2.2. DELIMITAREA DOMENIULUI DE CERCETARE

Lucrarea se axează asupra următoarelor domenii de cercetare:

- Dezvoltarea de noi materiale, de produse inovative care să prezinte caracteristici

fizice, mecanice și tehnologice superioare față de materialele convenționale;

- Elaborarea de materiale sau piese cu proprietăți speciale impuse care pot fi realizate

numai prin procedeele tehnologice ale metalurgiei pulberilor, utilizând materii prime

pulberi metalice și nemetalice;

- Utilizarea unor tehnologii moderne și performante de elaborare a materialelor, care să

prezinte costuri reduse, siguranță și fiabilitate, reproductibilitate ridicată și să respecte

normele de protecția mediului.



Rezumat 23

2.3. OBIECTIVELE URMĂRITE

În vederea îndeplinirii scopului propus, au fost stabilite următoarele obiective:

Realizarea unor noi amestecuri compozite pulverulente de forma Cu-TiC-Gr astfel:

- Dozarea materialelor conform rețetei propuse;

- Elaborarea amestecurilor compozite prin procesul de aliere mecanică;

- Caracterizarea amestecurilor obținute din punct de vedere a compoziției chimice și

a dimensiunii particulelor de pulbere compozită.

Evaluarea influenței parametrilor implicați în procesul de aliere mecanică asupra

proprietăților produsului obținut și anume:

- Studiul influenței timpului de aliere mecanică asupra aglomerării particulelor de

pulbere;

- Studiul influenței raportului dintre masa bilelor și masa pulberii asupra

dimensiunii particulelor pulberii;

- Studiul influenței dimensiunii diametrelor bilelor din creuzetele de măcinare

asupra gradului de aliere a pulberilor.

Testarea unor metode noi de sinterizare eficiente și nepoluante și evaluarea

aplicabilității acestora asupra materialelor elaborate și anume:

- Studiul aplicabilității tehnologiei de sinterizare hibridă în câmp de microunde;

- Studiul aplicabilității tehnologiei de sinterizare cu descărcare în plasmă.

Determinarea microstructurii și a proprietăților mecanice, electrice și termice ale

contactelor electrice elaborate astfel:

- Caracterizarea prin microscopie optică, microscopie electronică, analize EDAX și

XRD ale contactelor electrice elaborate;

- Analiza proprietăților mecanice prin determinarea microdurității, a coeficientului

de frecare și a ratei de uzare a materialelor;

- Analiza proprietăților electrice prin determinarea rezistenței electrice, a

rezistivității, respectiv a conductibilității electrice a contactelor elaborate;

- Determinarea proprietăților termice prin analize de calorimetrie diferențială

dinamică și dilatare termică.



Rezumat 24

CAPITOL 3

STUDIU TEORETIC PRIVIND ELABORAREA CONTACTELOR

ELECTRICE PRIN PROCEDEE SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR

3.1. MECANISMUL ALIERII MECANICE

Procesul de aliere mecanică (AM) implică amestecarea pulberilor în proporțiile dorite,

umplerea creuzetelor cu aceste pulberi împreună cu mediul de măcinare (în general bile) și

apoi, măcinarea pentru o anumită perioadă de timp necesară pulberilor să atingă starea de

echilibru.

3.2. INFLUENȚA PARAMETRILOR PROCESULUI ÎN ALIEREA MECANICĂ

Alierea mecanică (AM) este un proces complex care implică optimizarea unui număr

de variabile pentru a obține o anumită fază, microstructură și/sau anumite proprietăți ale

produsului final [85]. Pentru o compoziție dată, cele mai importante variabile care au un efect

major asupra compusului final din pulberi măcinate sunt [61]:

- Tipul morii;

- Incinta de măcinare;

- Viteza de măcinare;

- Durata măcinării;

- Tipul, mărimea și distribuția granulometrică a pulberilor;

- Raportul greutăților dintre bile și pulberi (BPR);

- Atmosfera de măcinare;

- Agentul de control al procesului;

- Temperatura de măcinare.

Aceste variabile de proces nu sunt complet independente, timpul optim de măcinare

depinde de tipul morii, mărimea particulelor pulberii, temperatura de măcinare, raportul dintre

masa bilelor și cea a pulberii etc. Analiza efectului fiecărei variabile de proces asupra

produsului final se face presupunând că ceilalți factori nu variază în mod semnificativ.

3.3. TEHNOLOGII MODERNE DE SINTERIZARE

Metalurgia pulberilor reprezintă procesul de compactare a unui material pulverulent în

forma unui compact crud urmat de o sinterizare la temperaturi înalte pentru a obține un produs

în formă finită sau semi-finită. Industria metalurgiei pulberilor lansează constant provocări



Rezumat 25

pentru proiectarea și implementarea unor procese noi și îmbunătățite de sinterizare, având ca

rezultat produse cu microstructuri mai fine și proprietăți fizice și mecanice îmbunătățite.

Astfel au apărut metodele noi de sinterizare precum sinterizarea hibridă cu microunde și

sinterizarea cu descărcare în plasmă.

3.3.1. Sinterizarea hibridă în câmp de microunde

Încălzirea cu microunde este un proces prin care materialele se cuplează cu

microundele, absorb volumetric energia electromagnetică și o transformă în căldură. Acest

aspect este diferit față de procesul clasic de sinterizare, unde căldura este transferată între

obiecte prin mecanismele conducției, radiației și convecției (figura 3.5) [88]

Figura 3.5. Modelul de încălzire: (a) convențional și (b) cuptorul cu microunde [64]

Sinterizarea cu microunde prezintă numeroase avantaje în comparație cu cea

convențională [4, 70, 80], precum:

- Procese de difuzie îmbunătățite;

- Consum redus de energie;

- Rate de încălzire foarte mari;

- Timp de procesare redus;

- Temperaturi de sinterizare mai mici;

- Proprietăți fizice și mecanice îmbunătățite;

- Impact redus asupra mediului.

Transferul energiei direct în interiorul probei și încălzirea volumetrică a acesteia,

elimină risipa de energie pentru încălzirea simultană a cuptorului, a pereților acestuia sau a

altor componente masive. Astfel se realizează o economie importantă de energie și timp, iar



Rezumat 26

produsele obținute prezintă proprietăți mecanice îmbunătățite în comparație cu cele sinterizate

convențional, deoarece încălzirea este mai uniformă.

În procesul de sinterizare convențională, pentru a preveni apariția gradientului termic

în interiorul compactului la temperaturi mari, este necesară utilizarea unor rate mari mici de

încălzire, care determină creșterea duratei procesului, contribuind astfel la creșterea

grăunților. Aplicarea unor rate mari de încălzire în sinterizarea convențională ar determina

apariția unui gradient de temperatură care ar genera dezordini în interiorul compactului și o

microstructură neomogenă.

Prin tehnica sinterizării cu microunde se reduc atât timpul cât și energia necesare

procesului, deoarece efectele acestui tip de sinterizare își au originile în capacitatea naturală a

anumitor substanțe de a absorbi și de a transforma eficient energia electromagnetică (radiația)

în căldură. Dacă se generează suficientă căldură la nivel local, reacțiile chimice se inițiază și

se amplifică foarte repede, scurtând astfel timpul de manținere izotermă.

Rata de densificare este puternic influențată de difuzia ionilor între particulele pulberii

iar rata de creștere a grăunților este determinată de difuzia la limita dintre grăunți. Intensitatea

câmpului generat de microunde între particulele pulberii este de 30 de ori mai mare decât cea

a câmpului din exteriorul probei, favorizând astfel ionizarea la suprafața particulelor. Energia

cinetică a ionilor crește rezultând o descreștere a energiei de activare pentru un salt înainte și

o creștere a înălțimii barierei de energie pentru un salt înapoi. În cele mai multe cazuri, s-a

constat o distribuție mai uniformă a dimensiunii grăunților și o densitate mai mare a probelor

sinterizate în câmp de microunde.

Chandrakanth R. [11] a elaborat compozite hibride de forma Cu-TiC-Gr, prin aliere

mecanică urmată de sinterizarea în câmp de microunde. Acesta a urmărit efectul elementelor

de ranforsare asupra proprietăților compozitelor și posibilitatea aplicării tehnologiei de

sinterizare hibridă cu microunde asupra acestui sistem de materiale datorită dificultăților

întâmpinate la sinterizarea particulelor de TiC cu matricea metalică. Instalația utilizată în

experimentele de sinterizare este prezentată în figura 3.9.



Rezumat 27

Figura 3.9. Instalația de sinterizare cu microunde [11]

3.3.2. Sinterizarea cu descărcare în plasmă

Sinterizarea cu descărcare în plasmă este o metodă rapidă de sinterizare datorită

generării căldurii necesare tratamentului din interiorul particulelor de pulbere, similar

procedeelor SHS (Self-propagating High-temperature Synthesis) și MWS (Microwave

Sintering).

Schema incintei cuptorului de sinterizare prin SPS este prezentată în figura 3.7.

Figura 3.7. Reprezentarea schematică a incintei cuptorului de sinterizare cu descărcare în

plasmă [63]

În timpul fiecărei descărcări de curent, materialul metalic sub forma unei plasme este

transportat prin propagarea de scântei de-a lungul porilor din matrice (figura 3.8). Atunci când

curentul este întrerupt, matricea trece printr-o fază de răcire bruscă, rezultând condensarea

vaporilor metalici în regiunile unde există contact mecanic între particule. Prin fenomenul de

condensare are loc formarea gâtului între particule, consolidând astfel legăturile (figura 3.8).

Rata transportului de material este îmbunătățită prin aplicarea unei forțe de compactare



Rezumat 28

externe, rezultând deformarea plastică a particulelor de pulbere cu joncțiuni aplatizate care

prezintă o rezistență electrică foarte mică.

Figura 3.8. Principiul sinterizării cu descărcare în plasmă [63]

Sinterizarea cu descărcare în plasmă prezintă o serie de avantaje în comparație cu

sinterizarea clasică [63, 84], precum:

- Rate mari de încălzire;

- Timp de sinterizare redus;

- Temperaturi mai mici de sinterizare;

- Rate mari de densificare;

- Compacte cu densități ridicate;

- Suprafața particulelor de pulbere este curățată și activată datorită efectului de

descărcare în plasmă;

- Proprietăți fizice și mecanice excelente;

- Impact redus asupra mediului.

3.4. CONCLUZII

Sinterizarea hibridă în câmp de microunde și sinterizarea cu descărcare în plasmă sunt

variante moderne ale tehnologiilor clasice de sinterizare, care pot fi aplicate cu succes atunci

când se urmărește obținerea unor produse cu porozități reduse, omogenități structurale și

dimensiuni ale grăunților în domeniul nanometric, care asigură proprietăți fizice și mecanice

unice ale materialelor compozite.



Rezumat 29

CAPITOL 4

CERCETĂRI PRIVIND ELABORAREA ȘI CARACTERIZAREA PULBERILOR

COMPOZITE CU MATRICE DE CUPRU

4.1. APARATURA UTILIZATĂ PENTRU ELABORAREA PULBERILOR

COMPOZITE

Pentru elaborarea materialelor compozite pe bază de cupru s-a recurs mai întâi la

procedeul de aliere mecanică. Pentru omogenizarea amestecurilor s-a utilizat o moară

planetară Pulverisette 7, marca Fritsch.

4.2.2. Compoziția chimică a amestecului de pulberi

Compozitele hibride Cu-TiC-grafit au fost realizate prin procedeele specifice

metalugiei pulberilor. Pulberea de cupru electrolitic având un nivel de puritate de 99,5% a fost

folosită ca material matrice, cu dimensiunea medie a particulei de 8-11µm. Pulberile de TiC și

grafit de puritate 99,5% și respectiv 97,5% au fost utilizate ca elemente de ranforsare.

Dimensiunea medie a particulelor de TiC este de 2µm, iar cea a particulelor de grafit este

cuprinsă în intervalul 20-100 µm.

Analizând rezultatele obținute de Chandrakanth R., Rajkumar K., Futami T. și

Akhtar F. [3, 11, 29, 72], care au realizat noi compozite hibride cu matrice metalică de cupru

și elemente de ranforsare pulberi de TiC și/sau de grafit, compoziția chimică a amestecului de

pulberi propus pentru experimentări este prezentată în tabelul 4.4.

Tabelul 4.4 Compoziția chimică a amestecului de pulberi

Cu

[%]

TiC

[%]

Gr

[%]

90 5 5

4.3. STUDII PRIVIND ELABORAREA PRIN ALIERE MECANICĂ A PULBERILOR

COMPOZITE CU MATRICE DE CUPRU

4.3.1. Stabilirea parametrilor de lucru pentru alierea mecanică

În scopul determinării parametrilor optimi ai procesului de aliere mecanică, au fost

realizate patru seturi de experimente, prin varierea timpului de aliere mecanică, raportului

dintre masa bilelor și cea a pulberii (BPR) și diametrul acestora, parametrii utilizați fiind

prezentați în tabelul 4.5.



Rezumat 30

Tabelul 4.5. Valorile parametrilor procesului de aliere mecanică pentru cele patru seturi de

experimentări

Parametrii procesului Set 1 Set 2 Set 3 Set 4

Volumul incintei de măcinare 80 ml 80 ml 80 ml 80 ml

Materialul incintei de măcinare Oțel tratat Oțel tratat Oțel tratat Oțel tratat

Diametrul bilelor Φ = 15 mm

Φ = 5 mm

Φ = 15 mm

Φ = 5 mm

Φ = 15 mm

Φ = 5 mm

Φ = 15 mm

Φ = 5 mm

Materialul bilelor Oțel tratat Oțel tratat Oțel tratat Oțel tratat

BPR 1:1 1:1 2:1 2:1

Mediul de măcinare Aer Aer Aer Aer

Temperatura maximă setată 40°C 40°C 40°C 40°C

Timpul de aliere 60 min 120 min 60 min 120 min

Turația 600 rpm 600 rpm 600 rpm 600 rpm

Din figura 4.7 se poate observa influența pe care o are dimensiunea bilelor de

măcinare asupra pulberii. Deși se credea faptul că un diametru mai mare al bilelor este benefic

în procesul de aliere, deoarece se transferă mai multă energie asupra pulberii datorită

densităților mai mari ale bilelor, mai mulți cercetători au demonstrat faptul că alierea nu s-a

produs în cazul utilizării bilelor cu diametre mai mari nici prin creșterea duratei procesului de

aliere mecanică [91].

Figura 4.7. Diferența dintre pulberile obținute în urma alierii mecanice timp de 60 minute în

creuzete cu bile cu diametre diferite [55]



Rezumat 31

4.3.2. Caracterizarea pulberilor compozite Cu-TiC-Gr

4.3.2.1. Compoziția chimică a pulberilor compozite obținute în urma procesului de aliere

mecanică

Determinarea compoziției chimice a pulberilor obținute în urma procesului de aliere

mecanică s-a realizat cu ajutorul unui analizor SPECTROMAX din cadrul Institutului de

Cercetare-Dezvoltare al Universității Transilvania.

În urma analizării compoziției chimice a pulberilor rezultate, s-a constat faptul că

parametrii aleși pentru elaborarea materialelor compozite, precum durata procesului de aliere

mecanică, raportul dintre masa bilelor și cea a pulberii și viteza de rotație nu au condus la o

contaminare a amestecului rezultat. Acest aspect poate fi urmărit în figura 4.9 unde este redată

variația conținutului de cupru din pulberile aliate mecanic.

Figura 4.9. Evoluția conținutului de cupru [%] în funcție de modul de elaborare a pulberilor

compozite

4.3.2.2. Determinarea distribuției granulometrice a pulberilor compozite

Pentru determinarea distribuției granulometrice s-a utilizat dispozitivul marca

BROOKHAVEN 90 PLUS. În figura 4.12 este prezentată distribuția granulometrică pe volum

a pulberii elaborată prin alierea mecanică timp de 120 minute, în raport BPR 2:1, în creuzetul

cu bile cu diametre mici.

Figura 4.12. Distribuția pe volum a dimensiunii particulelor amestecului Cu-TiC(5%)-Gr(5%)



Rezumat 32

Analizând rezultatele obținute, se poate constata faptul că, în urma procesului de aliere

mecanică, pe lângă omogenizarea pulberilor elementale, a avut loc și un proces de măcinare a

acestora, prin care particulele și-au micșorat dimensiunea, datorită proceselor repetate de

sudare și fracturare. Pulberile elementale de cupru și TiC au avut dimensiunea medie a

particulelor de ordinul a câțiva microni, iar dimensiunea particulelor pulberii de grafit a fost

cuprinsă între 20-100 µm. Cele mai mici dimensiuni ale particulelor pulberii compozite sunt

cele de TiC, deoarece aceasta prezintă duritate mare și se fracturează mai ușor, iar cele mai

mari dimensiuni sunt ale pulberii de grafit.

4.4. CONCLUZII

Analizând rezultatele obținute privind elaborarea pulberilor prin aliere mecanică, se

pot face următoarele observații:

- Procesul de aliere mecanică prezintă un număr mare de parametrii care pot fi variați în

limite largi, în funcție de scopul urmărit;

- Prin utilizarea procedeului de aliere mecanică, se poate controla compoziția chimică a

produsului, cantitatea de fază amorfă formată, precum și dimensiunea finală a

particulelor de pulbere;

- S-a constatat faptul că utilizarea unor bile cu diametre mai mari nu conduce la alierea

pulberilor și nici la formarea fazelor amorfe, chiar și pentru un timp mai îndelungat de

măcinare;

- Pentru un raport BPR mai mare, în cazul bilelor cu diametre mai mari care imprimă

pulberii o cantitate mai mare de energie, s-a observat un proces de sudare a

particulelor de pulbere, acoperind suprafața bilelor și pereții interiori ai incintei;

- Turația de 600 rpm coroborată cu un timp relativ scurt de aliere mecanică, nu au

condus la contaminarea amestecului de pulberi;

- În urma procesului de aliere mecanică, pe lângă omogenizarea pulberilor, s-a produs și

fenomenul de măcinare mecanică prin care particulele și-au micșorat dimensiunea,

ajungând în domeniul submicronic.



Rezumat 33

CAPITOL 5

CERCETĂRI PRIVIND ELABORAREA CONTACTELOR ELECTRICE DIN

PULBERI COMPOZITE CU MATRICE DE CUPRU

Pentru elaborarea contactelor electrice prin tehnica metalurgiei pulberilor, s-au parcurs

etapele prezentate în figura 5.1.

Figura 5.1. Etapele procesului de realizare a contactelor electrice

5.1. CERCETĂRI PRIVIND COMPACTIZAREA PRIN PRESARE ÎN MATRIȚĂ A

PULBERILOR COMPOZITE CU MATRICE DE CUPRU

Deoarece în literatura de specialitate s-au utilizat presiuni de compactare cuprinse în

intervalul 200 MPa–1GPa [25, 32, 65] și, pentru că în cazul unor materiale conducătoare de

electricitate porozitatea trebuie menținută cât mai redusă sau chiar să lipsească, s-au ales

presiunile de compactare de 500 MPa și 750 MPa, limita superioară fiind impusă de instalația

de compactare.

În urma experimentelor de compactare, s-a constatat faptul că, la extragerea

comprimatului din matriță, pulberile elaborate prin aliere mecanică în raport BPR 2:1, timp de

60, respectiv 120 minute, nu au prezentat stabilitate nici pentru valoarea presiunii de 500

MPa, nici pentru cea de 750 MPa (figura 5.6).



Rezumat 34

Figura 5.6. Fracturarea în urma procesului de extragere din matriță a compozitelor compactate

la o valoare a presiunii de: (a) 750 MPa și (b) 500 MPa

Acest comportament poate fi atribuit fenomenului de sudare excesivă ce a avut loc în

timpul procesului de aliere mecanică în creuzetele cu bile cu diametre mari. Datorită energiei

mari pe care acestea au imprimat-o pulberii, s-a produs creșterea temperaturii care a favorizat

creșterea dimensiunii particulelor de pulbere prin fenomenul de sudare. Pentru a prezenta

stabilitatea formei după presare, aceste pulberi necesită o anumită cantitate de rășină fenolică

[26] și/sau o presiune de compactare mai mare. În figura 5.7 sunt redate variațiile valorile

densităților compactelor din pulberi obținute în urma presării în funcție de modul de elaborare

și presiunea de compactare aplicată.

Figura 5.7. Variația densităților compozitelor crude în funcție de presiunea aplicată

S-a constatat faptul că densitatea comprimatelor obținute din aceeași pulbere

compozită crește odată cu creșterea presiunii de compactare, valorile densităților fiind

cuprinse între 5.2 și 7.0 g/cm3, valori similare cu ale altor cercetători precum Pan M.Y. și

Hussain Z. [36, 65].



Rezumat 35

5.2. STUDII PRIVIND SINTERIZAREA HIBRIDĂ CU MICROUNDE A

CONTACTELOR ELECTRICE DIN PULBERI COMPOZITE CU MATRICE DE

CUPRU

Sinterizarea compactelor crude s-a realizat într-un cuptor de sinterizare hibridă cu

microunde, prezentat în figura 5.8.

Figura 5.8. Instalație de sinterizare hibridă cu microunde [Universitatea din Craiova]

În urma experimentelor de sinterizare cu microunde s-au constat două aspecte

importante și anume:

- Densificarea nu s-a produs, diametrul și înălțimea compozitelor rămânând

constante;

- Compozitele elaborate prin aliere mecanică în raport BPR 2:1 au prezentat o

exfoliere a straturilor de la suprafața compozitului.

Această exfoliere s-a produs datorită existenței a 3 zone distincte, cu grade diferite de

sinterizare. Partea superioară sinterizată, cu o grosime de la margine spre centru de

aproximativ 0.5 mm, urmată de o zonă slab sinterizată, cu o grosime de 2-3 mm și mijlocul

probei care este nesinterizat (figura 5.14).

Figura 5.14. Compozit Cu-TiC-Gr sinterizat cu microunde la temperatura de 750°C cu timp

de menținere 20 minute [55]



Rezumat 36

Porțiunea aceasta exterioară densă și sinterizată corespunde acelei zone unde apare

fenomenul de absorbție directă a microundelor. Intensitatea mare a câmpului electric al unui

aplicator “single-mode”, cuplată cu pierderile mari de căldură în mediul înconjurător, au putut

determina sinterizarea stratului extern al compozitului, iar acest strat conducător nu permite

transmisia microundelor către straturile interioare. Acest aspect poate fi cauzat de ratele mari

de încălzire ale procesului, precum și de grosimea insuficientă a mterialului susceptor.

Figura 5.18. Microscopie SEM și analiza EDAX a zonei centrale a probei, mărire 5000x

Din figuria 5.18 se poate observa faptul că în interiorul probei punțile de sinterizare

sunt în număr redus și diametrul acestora este mic, ceea ce indică faptul că sinterizarea este

abia în etapa inițială, în care proba este supusă unei combinații de încălzire convențională și

încălzire cu microunde. Din analiza EDAX se observă faptul că probele s-au oxidat în timpul

procesului de sinterizare cu toate că fluxul de argon a fost mărit de la 6 l/min la 10 l/min.

5.2.2. Studiul microdurității contactelor electrice sinterizate în câmp de microunde

Studiul microdurității a fost efectuat cu ajutorul unui microdurimetru Future-Tech

Microhardness Tester, FM 700. În figura 5.24 sunt redate variațiile microdurităților probelor

sinterizate la temperatura de 850°C, cu timp de menținere 20 de minute și presiuni de

compactare de 500, respectiv 750 MPa, care au prezentat cele mai bune rezultate.



Rezumat 37

Figura 5.24. Evoluția valorilor microdurității probelor elaborate utilizând parametrii –

temperatură de sinterizare 850°C, timp de menținere 20 minute, presiune de compactare 500

MPa și 750 MPa

Valorile microdurității sunt mult mai mici în comparație cu cele publicate în literatura

de specialitate, pentru aceeași compoziție a materialului Cu-TiC(5%)-Gr(5%), sinterizat cu

microunde, care prezintă valori de 88.5 HV [72]. Valorile mici ale microdurității reprezintă un

indicator al gradului scăzut de sinterizare atins în toate cele patru seturi de experimente.

5.3. STUDII PRIVIND SINTERIZAREA ÎN PLASMĂ DE SCÂNTEIE (SPS) A

CONTACTELOR ELECTRICE DIN PULBERI COMPOZITE CU MATRICE DE

CUPRU

Sinterizarea cu descărcare în plasmă (Spark Plasma Sintering - SPS) este o tehnologie

modernă de sinterizare prin care pulberile sunt introduse într-o matriță de grafit, presate

uniaxial și apoi încălzite prin efect Joule de la un curent electric pulsat care trece prin pulbere

și/sau matrița de grafit.

În comparație cu sinterizarea convențională, în cadrul sinterizării cu descărcare în

plasmă se pot obține compacte cu densități ridicate, suprafața particulelor de pulbere este

curățată și activată datorită efectului de descărcare în plasmă, determinând obținerea unor

compozite cu proprietăți fizice și mecanice îmbunătățite [84].

Sinterizarea cu descărcare în plasmă s-a realizat în instalația prezentată în figura 5.25.



Rezumat 38

Figura 5.25. Cuptorul de sinterizare cu descărcare în plasmă [Institutul de Cercetare-

Dezvoltare pentru Fizică Tehnică – IFT Iași]

În cadrul prezentei cercetări, presiunea de compactare a avut inițial o valoare scăzută,

de 10 MPa și apoi o valoare mai mare, de 51 MPa, aceasta reprezentând limita superioară a

instalației de sinterizare. Aceste două valori au fost alese astfel încât să se poată determina

influența porozității compozitelor obținute asupra proprietăților mecanice, termice și electrice.

S-au obținut 2 seturi a câte 9 probe, prima din fiecare set reprezentând proba martor –

cupru electrolitic obținut prin sinterizarea în plasmă de scânteie în aceleași condiții ca și cele

din materialul elaborat în cadrul prezentei teze de doctorat (figura 5.27). Scopul probelor

martor este acela de a compara proprietățile noului material propus cu „clasicul” conductor de

cupru.

Figura 5.27. Probele obținute în urma procesului de sinterizare cu descărcare în plasmă la

valoarea presiunii de compactare de 10 MPa



Rezumat 39

5.4. CONCLUZII

Cercetările efectuate asupra elaborării contactelor electrice din pulberi compozite cu

matrice de cupru prin sinterizare hibridă în câmp de microunde și sinterizare cu descărcare în

plasmă, au condus la următoarele concluzii:

- În cazul unor materiale compozite cu dimensiunea particulelor în domeniul

submicronic, presiunile de compactare aplicate au avut valori suficient de mari

pentru ca, după evacuarea din matriță, compactele crude să prezinte stabilitatea

formei;

- În cazul materialelor cu dimensiuni mai mari ale particulelor (aparținând

domeniului micronic) este nevoie de adăugarea unei cantități de rășină fenolică în

procesul de aliere și/sau o presiune mai mare de compactare;

- În urma procesului de sinterizare hibridă în câmp de microunde, s-a constatat

faptul că încălzirea materialului nu s-a produs din interior, așa cum era de așteptat

în cazul radiației electromagnetice a microundelor, sinterizarea compozitului

realizându-se gradual de la exterior spre interior, conform procesului de sinterizare

convențională;

- Acest aspect poate fi explicat prin existența unei zone la suprafața materialului

care absoarbe direct radiația microundelor formând un strat subțire sinterizat care

reflectă ulterior microundele și limitează adâncimea de pătrundere a acestora în

material;

- Valorile mici ale durității obținute în comparație cu cele raportate în literatura de

specialitate pentru acest sistem de materiale sinterizat cu microunde, indică un

grad scăzut de sinterizare;

- În cazul sinterizării cu descărcare în plasmă, parametrii utilizați au condus la

realizarea unor compozite care își păstrează forma, indiferent de dimensiunea

particulelor de pulbere din materialul elaborat prin aliere mecanică.



Rezumat 40

CAPITOL 6

STUDII ASUPRA PROPRIETĂȚILOR ȘI MICROSTRUCTURII

CONTACTELOR ELECTRICE DIN PULBERI COMPOZITE

6.1. ANALIZA MICROSTRUCTURII CONTACTELOR ELECTRICE DIN PULBERI

COMPOZITE

6.1.2. ANALIZA METALOGRAFICĂ PRIN MICROSCOPIE OPTICĂ

a b

Figura 6.3. Microscopii optice, mărire 1000x, ale probelor de cupru electrolitic, sinterizate la

850°C, cu timp de menținere de 10 minute și presiune de compactare (a) 51 MPa și (b) 10

MPa

a b

Figura 6.4. Microscopii optice, mărire 1000x, ale probelor Cu-TiC-grafit (AM 1h, BPR 1:1,

Φb=5 mm), sinterizate la 850°C, cu timp de menținere de 10 minute și presiune de compactare

(a) 51 MPa și (b) 10 MPa

În figurile 6.3a și 6.4a se observă o structură mai compactă, cu densitate ridicată și

porozitate scăzută în comparație cu Creșterea densității, respectiv diminuarea porozității pot

fi atribuite rearanjării particulelor de pulbere în spațiile libere odată cu aplicarea unei presiuni



Rezumat 41

de compactare mai mari, îmbunătățind astfel contactul dintre particulele de pulbere, așa cum

au observat și cercetători precum Schaffer și DeGarmo [81, 17].

Se poate observa o distribuție uniformă a particulelor de TiC și grafit în matricea de

cupru. Repartizarea omogenă a elementelor de ranforsare asigură proprietăți mecanice

izotrope și o distribuție uniformă a efortului în timpul funcționării.

6.1.3. ANALIZA METALOGRAFICĂ PRIN MICROSCOPIE ELECTRONICĂ –

SEM, ANALIZA EDAX ȘI XRD

În figura 6.13 este redată microscopia SEM a probei de cupru electrolitic, iar în figura

6.16 este prezentată microscopia pulberii compozite Cu-TiC-Gr sinterizate la 850°C, timp de

menținere 10 minute și presiune de compactare 51 MPa.

Figura 6.13. Microstructura și analiza EDAX pentru proba de cupru electrolitic, mărire 5000x

Figura 6.16. Microstructura și analiza EDAX pentru proba Cu-TiC-grafit (AM 2h, BPR 1:1,

Φb=5 mm), mărire 5000x

Din analiza microscopiilor electronice se poate observa faptul că particulele de TiC și

grafit sunt înconjurate de matricea de cupru. De asemenea, se poate observa lipsa fisurilor,

acest aspect confirmă avantajele unei încălziri a materialului prin efect Joule.



Rezumat 42

Din punct de vedere structural, se poate afirma faptul că alierea mecanică permite

obținerea unor structuri foarte fine ale materialelor sinterizate, distribuție omogenă și

repartiție uniformă a fazelor.

În figura 6.32 este prezentată analiza XRD ale probelor sinterizate prin SPS, la

temperatura de 850°C, timp de menținere 10 minute și presiunea aplicată de 51 MPa.

Figura 6.32. Difractograma probei sinterizate prin SPS la temperatura de 850°C, timp de

menținere 10 minute, presiune de compactare 51 MPa

Figura 6.32 redă profilul tipic al compozitelor hibride Cu-TiC-Gr, unde se observă

vârfuri clare și bine conturate de Cu, Ti și C. Lipsa oxigenului confirmă faptul că nu s-au

format oxizi în timpul procesului de sinterizare cu descărcare în plasmă. Încălzirea rapidă și

timpul scurt de menținere reduc posibilitatea producerii reacțiilor particulelor de pulbere cu

oxigenul.

6.2. STUDII ASUPRA PROPRIETĂȚILOR MECANICE ALE CONTACTELOR

ELECTRICE

6.2.1. MICRODURITATEA

Studiul microdurității a fost efectuat cu ajutorul unui microdurimetru Future-Tech

Microhardness Tester, FM 700. S-au realizat seturi de câte 5 indentări pentru fiecare probă,

variația microdurităților fiind prezentată în figura 6.4.



Rezumat 43

Figura 6.4. Reprezentare comparativă grafică a valorilor microdurităților

În urma analizei microdurității se poate afirma faptul că elementele de ranforsare

introduse în matricea de cupru, mai precis pulberea de TiC, prezintă o influență pozitivă

asupra microdurității, determinând creșterea valorii acesteia cu până la 30 de unități în

comparație cu cea a cuprului nearmat.

6.2.2. COMPORTAMENTUL LA FRECARE ȘI UZARE

Necesitatea cercetărilor privind comportarea tribologică a compozitelor Cu-TiC-Gr

elaborate în cadrul lucrării de doctorat se impun datorită faptului că, în funcționare,

materialele contactelor electrice sunt supuse unor procese interne de uzare prin frecare.

Studierea comportamentului la frecare și uzare s-a realizat cu ajutorul unui tribometru de la

CSM Instruments, respectiv cu ajutorul unui profilometru Surtronic. În figurile 6.39 și 6.40

sunt prezentate variațiile coeficientului de frecare, respectiv a ratei de uzare a probelor

compactate la 51 MPa și sinterizate la 850°C, cu timp de menținere de 10 minute.

Figura 6.39. Evoluția coeficientului de frecare pentru probele elaborate utilizând parametrii –

presiune de compactare 51 MPa, temperatură de sinterizare 850°C, timp de menținere 10

minute



Rezumat 44

Figura 6.40. Evoluția ratei de uzare pentru probele elaborate utilizând parametrii – presiune de

compactare 51 MPa, temperatură de sinterizare 850°C, timp de menținere 10 minute

În urma analizării comportamentului la frecare și uzare a compozitelor Cu-TiC-Gr, se

poate afirma faptul că adiția de grafit în matricea de cupru, ca element de ranforsare,

determină o reducere semnificativă a coeficientului de frecare, respectiv a ratei de uzare în

comparație cu probele de cupru nearmat, datorită efectului său de autolubrifiere.

6.3. STUDII ASUPRA PROPRIETĂȚILOR ELECTRICE ALE CONTACTELOR

ELECTRICE

Probele obținute în urma procesului de sinterizare prin SPS au fost supuse testelor

pentru determinarea rezistenței electrice, rezistivității și respectiv a conductibilității electrice.

Principiul de măsurare utilizat a fost metoda celor 4 puncte.

Rezistivitatea epruvetelor de forma unor discuri sau filme subțiri se calculează cu

următoarea formulă [106]:

(6.3)

unde t – reprezintă înălțimea epruvetei în cm;

Rs – reprezintă valoarea rezistenței dată de aparatul de măsură.

În figurile 6.46 și 6.47 sunt redate variațiile rezistivității, respectiv a conductibilității

electrice a probelor compactate la 51 MPa și sinterizate la 850°C cu timp de menținere de 10

minute.



Rezumat 45

Figura 6.46. Variația rezistivității contactelor electrice elaborate utilizând parametrii -

presiune de compactare 51 MPa, temperatura de sinterizare 850°C, timp de menținere 10

minute

Figura 6.47. Variația conductibilității contactelor electrice elaborate utilizând parametrii -

presiune de compactare 51 MPa, temperatura de sinterizare 850°C, timp de menținere 10

minute

În urma analizei proprietăților electrice ale materialelor compozite elaborate se poate

observa faptul că elementele de ranforsare influențează rezistivitatea și, implicit,

conductibilitatea electrică a materialelor.

Conductibilitatea electrică a scăzut odată cu adiția de TiC și grafit în matricea de

cupru, însă valorile obținute pentru materialul elaborat și testat indică faptul că acesta prezintă

proprietăți electrice bune și se încadrează în categoria materialelor conducătoare de

electricitate.



Rezumat 46

6.4. STUDII ASUPRA COMPORTĂRII TERMICE A CONTACTELOR

ELABORATE

6.4.1. ANALIZA CALORIMETRICĂ DIFERENȚIALĂ DINAMICĂ (DSC)

Pentru a determina comportarea termică a contactelor electrice s-a utilizat metoda

calorimetriei diferențiale dinamice (DSC – Differential Scanning Calorimetry). Aceasta este o

tehnică termoanalitică în care diferența cantității de căldură necesară pentru a menține

temperatura unei probe de studiat la aceeași valoare cu a unei probe de referință este măsurată

în funcție de temperatură.

În figurile 6.51 și 6.52 sunt redate curbele DSC ale probelor de cupru electrolitic,

respectiv a probelor Cu-TiC-Gr, sinterizate prin SPS.

a b

Figura 6.51. Analiza DSC pentru proba martor de cupru sinterizată la 850°C, cu timp de

menținere de 10 minute și presiune de compactare (a) 51 MPa și (b) 10 MPa

a b

Figura 6.52. Analiza DSC pentru Cu-TiC-grafit (AM 1h, BPR 1:1, Φb=5 mm) sinterizată la

850°C, cu timp de menținere de 10 minute și presiune de compactare (a) 51 MPa și (b) 10

MPa

Pentru a determina fazele secundare care apar în timpul răcirii materialului studiat, s-a

trecut la analiza elementelor însoțitoare prezente în compoziția chimică [104]. Precipitările în

stare solidă se pot realiza sub forma unor compuși chimici sau metale pure. În urma analizei,



Rezumat 47

s-a constatat faptul că Sn și Si sunt elementele care pot produce discontinuități pe curba de

răcire, deoarece se găsesc în concentrații mai mari în compoziția chimică.

6.4.2. ANALIZA DILATĂRII TERMICE

Analiza dilatării termice s-a realizat cu ajutorul unui dilatometru L75 PT 1400.

Analiza s-a realizat până la temperatura de 150°C ca și în cazul analizei DSC, cu o viteză de

încălzire de 20°C/min și răcire lentă, iar graficul obținut este prezentat în figura 6.62.

Figura 6.62. Reprezentarea grafică a coeficientului de dilatare termică α

În urma analizării rezultatelor, s-a constatat faptul că toate probele elaborate în cadrul

tezei de doctorat prezintă o dilatare liniară în intervalul de temperaturi studiat. Coeficientul de

dilatare termică α are valori cuprinse între 13.5*10-6

/K și 16.3*10-6

/K, acestea fiind mai mici

decât cele existente în literatura de specialitate pentru cupru și anume 16.8*10-6

/K. Date

similare a obținut și Abbaszadeh H. [1] pentru micro și nanocompozitede forma W-

15wt%Cu.



Rezumat 48

CAPITOL 7

CONCLUZII FINALE. CONTRIBUȚII ORIGINALE. DIRECȚII VIITOARE DE

CERCETARE

7.1. CONCLUZII FINALE

Cercetările întreprinse în cadrul prezentei lucrări au fost orientate spre realizarea unor

noi materiale compozite, care să prezinte un preț relativ scăzut în comparație cu alte materiale

compozite care au aceeași aplicabilitate. Totodată s-a urmărit o îmbunătățire a proprietăților

materialului prin utilizarea unor tehnologii moderne și performante de elaborare.

Astfel a fost realizat un studiu amănunțit al literaturii de specialitate cu privire la

materialele clasice și cele speciale din domeniul contactelor electrice. Marea majoritate a

acestor materiale au la bază compoziții chimice cu conținut ridicat de argint, wolfram sau

nichel. În aceste condiții, prețul acestora, coroborat cu cheltuielile de elaborare, este foarte

mare.

Pentru realizarea unui nou material s-a procedat la:

- Alegerea materialului matricei, care trebuie să prezinte conductibilități electrice și

termice foarte bune;

- Alegerea materialelor de ranforsare, care trebuie să prezinte duritate mare, punct de

topire înalt, rezistență bună la uzare și eroziune, dar să nu influențeze negativ

proprietățile electrice ale materialului matrice;

- Alegerea unor tehnologii moderne de elaborare, care să fie eficiente, performante,

nepoluante și să prezinte reproductibilitate mare;

- Stabilirea rețetei materialului și parametrii optimi ai tehnologiei de elaborare;

- Realizarea contactelor electrice prin procedeele specifice metalurgiei pulberilor.

S-a optat pentru utilizarea tehnologiei de aliere mecanică deoarece, prin acest

procedeu, se pot obține materiale cu proprietăți noi, îmbunătățite, prin controlarea compoziției

chimice, a cantității de fază amorfă formată, precum și prin stabilirea dimensiunii finale a

particulelor pulberii. În urma omogenizării pulberilor utilizând procedeul de aliere mecanică,

s-au constatat următoarele aspecte generale:

- Utilizarea unor bile cu diametre mai mari în creuzetele de măcinare nu conduce la

alierea mecanică a pulberilor și nici la formarea fazelor amorfe, chiar și pentru un timp

mai îndelungat de aliere;



Rezumat 49

- Pentru un raport BPR mai mare, în cazul bilelor cu diametre mai mari care imprimă

pulberii o cantitate mai mare de energie, s-a observat un proces de sudare a

particulelor de pulbere, acoperind suprafața bilelor și pereții interiori ai incintei;

- Turația de 600 rpm coroborată cu un timp relativ scurt de aliere mecanică, nu au

condus la contaminarea amestecului de pulberi;

- În urma procesului de aliere mecanică, pe lângă omogenizarea pulberilor, s-a produs și

fenomenul de măcinare mecanică prin care particulele și-au micșorat dimensiunea,

ajungând în domeniul submicronic.

Pentru realizarea contactelor electrice s-a recurs la utilizarea unor tehnologii noi de

sinterizare și anume sinterizarea hibridă în cîmp de microunde și sinterizarea cu descărcare în

plasmă. Aceste tehnologii prezintă o serie de avantaje în comparație cu metoda clasică de

sinterizare, printre care: rate mari de încălzire, temperaturi de sinterizare mai scăzute și timp

de mențienere mai scurt, procese de difuzie îmbunătățite prin mecanismele de încălzire

specifice fiecărei metode în parte, produse cu microstructuri mai fine și porozități mai scăzute

și proprietăți fizice și mecanice superioare produselor elaborate convențional.

Experimentele de sinterizare hibridă în câmp de microunde au fost realizate la

temperaturi de 750°C și 850°C, cu timp de menținere 10, respectiv 20 de minute. În urma

acestor experimente s-a constat faptul că densificarea compactelor nu s-a produs, densitatea

sinterizată fiind egală cu cea a compactelor crude. De asemenea, s-a constatat oxidarea

suprefeței probelor cu toate că fluxul de argon a fost variat între 6 și 10 l/min, precum și o

exfoliere a straturilor superioare în cazul compozitelor elaborate utilizând un BPR de 2:1 în

creuzetele cu bile cu Φb=15 mm.

În urma analizei microscopice s-a constatat existența unor zone cu grade diferite de

sinterizare de la exterior spre interior, indicând faptul că încălzirea cu microunde nu s-a

produs volumetric. Procesul de sinterizare hibridă cu microunde s-a asemănat cu cel de

sinterizare clasică, acest aspect putând fi cauzat de materialul susceptor utilizat, care nu a

prezentat probabil o grosime suficientă astfel încât să absoarbă puterea radiației microundelor

și o transfere materialului. Datorită sinterizării stratului superficial de la suprafața probelor,

acesta reflectă undele incindente pe material indiferent de durata timpului de menținere

izotermă, reprezentând adâncimea maximă de pătrundere în material. Rezultatele testelor de

microduritate realizate de la suprafața probei spre straturile interioare ale acesteia, confirmă

nivelele diferite de sinterizare, prin valori tot mai scăzute ale microdurității cu adâncimea de

pătrundere în material.



Rezumat 50

În cazul sinterizării cu descărcare în plasmă, temperatura de sinterizare a fost de

850°C, timpul de menținere izotermă de 10 minute, iar presiunea de compactare a fost variată

de la 51 MPa la 10 MPa pentru a determina influența porozității compozitelor asupra

proprietăților acestora. În urma analizelor efectuate s-a constatat o creștere a durității

compozitelor coroborată cu o scădere semnificativă a coeficientului de frecare și a ratei de

uzare, proprietăți necesare în aplicații de contacte electrice glisante. Compozitele elaborate

utilizând presiuni de compactare de 51 MPa au prezentat conductibilități electrice bune și o

dilatare termică liniară în intervalul de temperaturi 5–150°C. Analiza microscopică

evidențiază o distribuție omogenă și uniformă a elementelor de ranforsare în matricea

metalică de cupru și un contact bun la interfața dintre particulele ceramice și cele metalice.

Cele mai bune valori în urma testelor au fost obținute pentru materialul compozit

realizat prin aliere mecanică timp de 60 minute, în raport BPR 1:1, în creuzetele cu bile cu

Φb=5 mm, sinterizate cu descărcare în plasmă la temperatura de 850°C cu timp de menținere

10 minute și presiune de compactare 51 MPa.

7.2. CONTRIBUȚII ORIGINALE

Studiul literaturii de specialitate privind cercetările și realizările în domeniu:

- Evaluarea materialelor compozite, selectarea celor mai utilizate materiale pentru

aplicații de contacte electrice și studierea caracteristicilor mecanice, electrice și

termice ale acestora;

- Analiza procedeelor de elaborare a materialelor compozite;

- Evaluarea tehnologiilor moderne de sinterizare în comparație cu procedeele clasice,

urmărind posibilitatea eliminării aspectelor negative ale acestora;

- Alegerea compoziției chimice cu scopul îmbunătățirii proprietăților mecanice ale

compozitelor, fără a afecta negativ proprietățile electrice și termice;

- Stabilirea unor tehnologii eficiente și nepoluante pe principiile dezvoltării durabile și

a protecției mediului.

Realizarea unui nou material compozit pentru aplicații de contacte electrice glisante a

inclus:

- Utilizarea unei mori planetare Fritsch Pulverisette 7 Premium Line pentru alierea

mecanică a pulberilor dozate în prealabil conform rețeșei propuse;

- Analiza influenței celor mai importanți parametri ai procesului de aliere mecanică

(timpul de aliere, raportul dintre masa bilelor și cea a pulberii și diametrul bilelor din

creuzetele de măcinare) asupra amestecului pulverulent compozit;



Rezumat 51

- Utilizarea unor metode noi de sinterizare prin care se poate realiza o economisire

semnificativă de timp și energie, iar impactul asupra mediului înconjurător este redus;

- Caracterizarea microstructurală și determinarea proprietăților mecanice, electrice și

termice ale contactelor electrice elaborate;

- Identificarea materialului cu caracteristici electrice și tribologice optime și, pe baza

acestuia, stabilirea procedeului optim de elaborare.

Pe parcursul desfășurării cercetărilor, pe baza rezultatelor obținute, a fost publicat un

număr de 8 lucrări științifice în reviste de specialitate, precum și 2 participări la sesiuni de

comunicări de interes național și internațional.

7.3. DIRECȚII VIITOARE DE CERCETARE

În cadrul lucrărilor de cercetare au fost puse în evidență calitățile noului material

elaborat. Până în prezent, cercetările au fost efectuate pe epruvete, o aplicație concretă a

acestora a fost stabilită numai în plan teoretic. Urmează ca, în viitor, aceste materiale să fie

testate în aplicații industriale, atât în domeniul contactelor electrice cât și în cel al electrozilor

pentru sudarea în puncte.

Deoarece în prezent se pune accentul pe materiale nanocompozite, ale căror proprietăți

sunt îmbunătățite semnificativ datorită dimensiunilor mici ale particulelor, se va cerceta

posibilitatea aplicării tehnologiei care a prezentat cele mai bune rezultate în cadrul prezentei

teze de doctorat și la materialele din domeniul nanometric.

Ideea principală rămâne aceea a utilizării unor tehnologii de sinterizare eficiente și

nepoluante, însă se va experimenta posibilitatea utilizării unor energii regenerabile în cadrul

procesului.



Rezumat 52

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ

1. Abbaszadeh, H., et al, Investigation on the characteristics of micro- and nano-

structured W-15wt%Cu composites prepared by powder metallurgy route,

International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2012, pg. 145-151;

3. Akhtar, F., et al, Microstructure, mechanical properties, electrical conductivity and

wear behavior of high volume TiC reinforced Cu-matrix composites, Materials

Characterization, 2009, pg. 327-336;

4. Ankelekar, R.M., Agrawal, D., Roy, R., Microwave sintering and mechanical

properties of PM copper steel, Powder Metallurgy, 2001, pg. 355-362;

10. Bryant, M.D., Tribology issues in electrical contacts, University of Texas;

11. Chandrakanth, R.G., Rajkumar, K., Aravindan, S., Fabrication of copper-TiC-graphite

hybrid metal matrix composites through microwave processing, International Journal

of Advanced Manufacturing Technology, 2010, pg. 645-653;

13. Cho, K.H., et al., Tribological properties and electrical signal transmission of copper-

graphite composites, Tribological Letter, 2007, pg. 301-306;

15. da Costa, F.A., da Silva, A.G.P., Gomes, U.U., The influence of the dispersion

technique on the characteristics of the W-Cu powders and on the sintering behavior,

Powder Technology, 2003, pg. 123-132;

17. DeGarmo, E.P., et al, Materials and processes in manufacturing, 9th edition, USA,

2003, pg. 347-351;

25. Fan, Y., et al, Evaluation of the microwave absorption property of flake graphite,

Materials Chemistry and Physics, 2009, pg. 696-698;

26. Fecht, H.J., Nanostructure Formation and Properties of Metals and Composites

Processed Mechanically in the Solid State, Scripta Materialia, 2001, pg. 1719-1723;

29. Futami, T., et al, Indentation contact behavior of copper-graphite particulate

composites: Correlation between the contact parameters and the electrical resistivity,

Carbon, 2008, pg. 671-678;

32. Gűler, O., Evin, E., The investigation of contact performance of oxide reinforced

copper composite via mechanical alloying, Journal of Materials Processing

Technology, 2009, pg. 1286-1290;

34. Hadăr, A., Probleme locale la materialele compozite, Teză de doctorat, Universitatea

Politehnică București, 1997;



Rezumat 53

36. Hussain, Z., Chee Kit, L., Properties and spot welding behavior of copper-alumina

composites through ball milling and mechanical alloying, Materials and Design, 2008,

pg. 1311-1315;

43. Li, L.J., et al, Microstructure and mechanical properties of in situ produced TiC/C

nanocomposite by spark plasma sintering, Scripta Materialia, 2005, pg. 867-871;

55. Moraru, C.G., Pop, M.A., Bedo, T., Problems encountered with microwave sintering

of Cu-TiC-graphite hybrid composites, Metalurgia, nr.7, 2013, ISSN 0461-9579;

56. Moraru, C.G., Pop, M.A., Bedo, T., Șerban, C.E., Spark plasma sintering of novel

copper based metal matrix composites, Metalurgia, nr.6, 2013, ISSN 0461-9579, pg.

38-43;

57. Moraru, C.G., Popescu, R.M., Moșneag, M.G., Porous filter elements based on copper

obtained by powder metallurgy, Metalurgia, nr.3, 2011, pg. ISSN 0461-9579, pg. 42-

45;

58. Moraru, C.G., Roman, I.B., Șerban, C.E., Microwave sintering of metal-ceramic

hybrid composites, Advanced Materials and Technologies, Galați University Press,

2011, ISSN 1843-5807, pg. 191-198;

59. Moraru, C.G., Șerban, C.E., Popescu, R.M., Mechanical alloying of nanostructured

tungsten-copper composites, Metalurgia, nr.2, 2012, ISSN 0461-9579, pg. 38-42;

60. Moraru, C.G., Șerban, C.E., Popescu, R.M., Modeling of milling kinetics in a

planetary ball mill, Metalurgia International, nr.5, 2013, ISSN 1582-2214, pg. 107-110;

61. Moraru, C.G., Șerban, C.E., The influence of some parameters of the mechanical

alloying process on composite materials, Metallurgy and New Materials Research, nr.1,

2013, ISSN 1221-5503, pg. 15-22;

63. O’Brien, R.C., et al, Spark Plasma Sintering of simulated radioisotope materials within

tungsten cermets, Journal of Nuclear Materials, 2009, pg. 108-113;

64. Oghbaei, M., Mirzaee, O., Microwave versus conventional sintering: A review of

fundamentals, advantages and applications, Journal of Alloys and Compounds, 2010,

pg. 175-189;

65. Pan, M.Y., et al, Development of bulk nanostructured copper with superior hardness

for use as an interconnect material in electronic packaging, Microelectronics

Reliability, 2006, pg. 763-767;

68. Raghu, T., et al, Synthesis of nanocrystalline copper-tungsten alloy by mechanical

alloying, Materials Science and Engineering, 2001, pg. 438-441;



Rezumat 54

70. Rajkumar, K., Aravindan, S., Microwave sintering of copper-graphite composites,

Journal of Materials Processing Technology, 2009, pg. 5601-5605;

72. Rajkumar, K., Aravindan, S., Tribological performance of microwave sintered copper-

TiC-graphite hybrid composites, Tribology International, 2011, pg. 347-358;

80. Roy, R., et al, Full sintering of powdered-metal bodies in a microwave field, Nature,

1999, pg. 668-670;

81. Schaffer, J.P., et al, The science and design of engineering materials, 2nd

edition, USA,

2003, pg. 689-691;

84. Sima, G., Materiale Tribologice Sinterizate, Ed. Universitaria Craiova, 2007, ISBN

987-973-742-723-6;

85. Suryanarayana, C., Mechanical Alloying and Milling, 2002, pg. 84-87;

88. Thostenson, E.T., Chou, T.W., Microwave processing: fundamentals and applications,

Composites, 1999, pg. 1055-1071;

91. Watanabe, R., Hashimoto, H., Park, Y.H., Advances in Powder Metallurgy, 1991, pg.

119-130;

97. Zhan, Y., Zhang, G., Friction and wear behavior of copper matrix composites

reinforced with SiC and graphite particles, Tribology Letters, 2004, pg. 91-98;

106. ***http://four-point-probes.com/universal-probe/;

http://four-point-probes.com/universal-probe/

REZUMAT

Teza de doctorat intitulată „Studii, cercetări și contribuții privind elaborarea unor aliaje

sinterizate pe bază de cupru utilizate în electronică și electrotehnică” aparține domeniului

Ingineriei Materialelor și are caracter multidisciplinar. Lucrarea urmărește elaborarea unor noi

materiale compozite, cu proprietăți îmbunătățite, realizate prin două tehnologii moderne de

sinterizare, cu aplicații în domeniul electric și în domeniul electrozilor de sudare.

ABSTRACT

The PhD Thesis entitled “Study, research and contributions regarding the development of

some copper based sintered alloys used in the electronics and electrotechnics industry” belongs

to the domain of Materials Engineering and it has a multidisciplinary character. This paper aims

to develop some new composite materials with improved properties, using two modern sintering

technologies, with applications in the electric field and welding electrodes field.

Curriculum vitae Europass

Informaţii personale

Nume / Prenume EȘANU Corina Gabriela Adresă(e) Bd. Muncii, nr.1, bl.2, sc.B, ap.17, Brașov, 500281

Telefon(oane) 0368 458 933 Mobil: 0727 855 259 E-mail(uri) [email protected]; [email protected]

Naţionalitate(-tăţi) Română

Data naşterii 14.12.1983

Sex Feminin

Experienţa profesională

Perioada Octombrie 2010 – Octombrie 2013 Funcţia sau postul ocupat Student doctorand

Activităţi şi responsabilităţi principale

Cercetări privind elaborarea unor materiale noi și îmbunătățite pentru domeniul contactelor electrice și a electrozilor de sudare

Numele şi adresa angajatorului

Universitatea Transilvania din Brașov

Tipul activităţii sau sectorul de activitate

Cercetare

Perioada Iulie – Septembrie 2012 Funcția sau postul ocupat Tehnician în controlul și calitatea producției

Activități și responsabilități principale

Stagiu de practică

Numele și adresa angajatorului

SC PREH ROMÂNIA SRL, Parcul Industrial Ghimbav

Tipul activității sau sectorul de activitate

Industria automotivă

Educaţie şi formare

Perioada Octombrie 2003 – Iulie 2008

Calificarea / diploma obţinută Inginer Numele şi tipul instituţiei de învăţământ / furnizorului de

formare

Facultatea de Inginerie Electrică și Știința Calculatoarelor

Aptitudini şi competenţe

personale

Limba(i) maternă(e) Română

Limba(i) străină(e)

cunoscută(e)

Autoevaluare Înţelegere Vorbire Scriere Nivel european (*) Ascultare Citire Participare la

conversaţie Discurs oral Exprimare

scrisă Engleză C

1 Avansat C1 Avansat C

1 Avansat C1 Avansat C

1 Avansat

Competenţe şi aptitudini de utilizare a calculatorului

Microsoft Office, Programator C++

Permis(e) de conducere Categoria B

Europass Curriculum Vitae

Personal information

First name(s) / Surname(s) EȘANU Corina Gabriela Address(es) Bd.Muncii, no.1, bl.2, sc.B, ap.17, Brașov, 500281

Telephone(s) 0368/458933 Mobile: +40 727855259 E-mail [email protected]; [email protected]

Nationality Romanian

Date of birth 14.12.1983

Gender Female

Work experience

Dates October 2010 – October 2013

Occupation or position held PhD Student Main activities and

responsibilities Research for developing new and improved materials in the field of electrical contacts and welding electrodes

Name and address of employer

Transilvania University of Brașov

Type of business or sector Research Dates July – September 2012

Occupation or position held Production control and quality control technician Main activities and

responsibilities Internship in the production and quality control field

Name and address of employer

SC PREH ROMANIA SRL, Ghimbav Industrial Park

Type of business sector Automotive industry

Education and training

Dates October 2003 – July 2008 Title of qualification awarded Engineer

Name and type of organisation providing education and training

Electrical Engineering and Computer Science Faculty

Personal skills and

competences

Mother tongue(s) Romanian

Other language(s)

Self-assessment Understanding Speaking Writing European level (*) Listening Reading Spoken

interaction Spoken

production

English C1 Advanced C

1 Advanced C1 Advanced C

1 Advanced C1 Advanced

(*) Common European Framework of Reference for Languages

Computer skills and competences

Microsoft Office, C++ programmer

Driving licence B Category

-dd universit universitatea transilvania din brasovesanu)corina-rezuamt.pdf · le transmiteţi în...

Documents