rezumat teza-4 novac raul

R. Novac Materiale compozite cu proprieti speciale- Rezumat tez de doctorat 2011

UNIVERSITATEA DUNREA DE JOS DIN GALAI FACULTATEA DE METALURGIE I TIINA MATERIALELOR

MATERIALE COMPOZITE CU PROPRIETI SPECIALE REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT

CONDUCTOR TIINIFIC: Prof.Dr. Chim. Olga Mitoeriu

DOCTORAND: ing. Raul Novac

Galai 2011

1


2


INTRODUCERE n ultimele dou decenii acoperirile compozite n matrice metalic avnd ca faz complementar particule micrometrice sau nanometrice prezint un interes deosebit. Materialele compozite, respectiv acoperirile compozite, sunt utilizate n aproape toate domeniile tehnicii, fiind considerate materiale revoluionare i cu perspective reale de mbuntire a proprietilor acestora. Aceast lucrare abordeaz studiul obinerii pe cale electrochimic a unor materiale compozite n matrice de cupru i nichel folosind ca faz complementar pulberile de grafit, dioxid de titan i dioxid de zirconiu. Materialele compozite realizate au fost caracterizate din punct de vedere structural i al proprietilor fizico-chimice. Lucrarea prezint studii referitoare la stabilirea parametrilor de lucru n procesele de obinere pe cale electrochimic a straturilor cupru-grafit, nichel-dioxid de titan, nichel-dioxid de zirconiu prezentndu-se si o comparaie a proprietilor celor trei straturi. De asemenea s-a studiat tehnologia de obinere a straturilor multiple. Capitolul 1 red o prezentare succint pentru aspectele generale referitoare la definirea, clasificarea i compoziia materialelor compozite, a metodelor de obinere a acestora precum i a metodelor de studiu, a structurii i proprietilor compozitelor. Sunt referiri speciale la metodele de obinere pe cale electrochimic a acoperirilor de cupru metalic i cupru compozit, nichel metalic si nichel compozit cu prezentarea compoziiei soluiilor, a mecanismelor de reacie propuse n literatur. Sunt prezentate, de asemenea, domeniile de utilizare ale materialelor i acoperirilor compozite. Acoperirile compozite obinute prin includerea particulelor fazei disperse n matricea materialului prezint un interes tehnologic pentru multe domenii de aplicaii datorit diversitii proprietilor ce se pot obine. Capitolul 2 prezint condiiile de obinere a acoperirilor cupru-grafit, nichel-dioxid de titan, nichel-dioxid de zirconiu pe cale electrochimic, tipurile de electrolii utilizai i parametrii de lucru, prezint aparatura folosit pentru obinerea i caracterizarea acoperirilor compozite. Capitolul 3 prezint contribuiile la obinerea acoperirilor compozite n matrice de cupru si nichel prin metoda electrochimic. Ca faz complementar s-au folosit particule de grafit, dioxid de titan i dioxid de zirconiu. S-au determinat condiiile optime de codepunere, se prezint structura i compoziia chimic a straturilor obinute i s-au testat proprietile acestora. Capitolul 4 prezint un studiu comparativ al proprietilor straturilor nichel-dioxid de titan, nichel-dioxid de zirconiu i cupru-grafit. Capitolul 5 prezint un studiu privind obtinerea straturilor multiple prin codepunere electrochimic. n capitolul 6 sunt prezentate concluziile finale ale studiului iar n capitolul 7 contribuiile proprii la obinerea acoperirilor compozite i principalele direcii de continuare a cercetrilor. Rezultatele proprii prezentate n capitolele 2-6 au fost parial publicate i prezentate la conferine naionale i reviste de specialitate. Cercetrile au fost realizate n laboratoarele Facultii de Metalurgie i tiina Materialelor din Universitatea Dunrea de Jos din Galai i Arcelor-Mital Galai sub ndrumarea competent a doamnei Profesor Univ. Dr. chim. Olga Mitoeriu fata de care vreau s-mi exprim recunotina. Pentru realizarea acestei lucrri am beneficiat de ideile i experiena tiinifica valoroasa a urmtorilor profesori de la Universitatea Dunrea de Jos din Galai: Prof. Dr. Ing. Elisabeta Vasilescu, Prof. Dr. Ing. Stela Constantinescu, Prof. Dr. Ing. tefan Dragomir, Prof. Dr. Ing. Ana Doniga, Conf. Dr. Ing. Petrica Alexandru, Prof. Dr. Ing. Nicolae Cananau, Prof. Dr. Ing. Maria Vlad, Prof. Dr. Ing. Florentina Potecasu, Asist. Dr. Ing. Lucica Orac crora le mulumesc pe aceasta cale. Mulumesc familiei pentru nelegerea i cldura cu care m-a nconjurat i fr de care nu a fi putut s finalizez aceast lucrare pe care le-o dedic n totalitate.

3


CUPRINS

Introducere Abrevieri Capitolul 1. Stadiul actual privind sinteza, proprietile i structura materialelor compozite 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Influena diverilor factori n procesul obinerii ACE Clasificarea materialelor compozite Structura materialelor compozite 1.2.1. Matrici utilizate la obinerea M.C. 1.2.2. Materiale complementare utilizate la obinerea M.C. Metode de obinere a M.C cu matrice metalic Criterii de alegere a procedeelor de obinere a M.C. Obinerea acoperirilor compozite 1.5.1. Obinerea ACE n matrice de cupru 1.5.2. Obinerea ACE n matrice de nichel 1.5.3. Mecanismul formarii A.C.E. Influena diverilor factori n procesul obinerii ACE Proprietile M.C. Acoperiri compozite i domenii de utilizare Domenii de utilizare ale M.C. Avantajele i dezavantajele utilizrii M.C. Straturi multiple cupru/nichel Capitolul 2. Direcii de cercetare Stabilirea condiiilor de obinere a straturilor de nichel i cupru prin electrodepunere 2.1.1. Pregtirea suprafeei suportului pentru depunere 2.1.2. Stabilirea condiiilor de obinere a straturilor de nichel 2.1.3. Realizarea straturilor de nichel prin electrodepunere 2.1.4. Influena parametrilor tehnologici pentru electrodepunerea straturilor de nichel Influena densitii de curent Influena timpului de depunere i vitezei de agitare 2.1.5. Stabilirea condiiilor de obinere a straturilor de cupru 2.1.6. Realizarea straturilor de cupru prin electrodepunere 2.1.7. Influena parametrilor tehnologici asupra electrodepunerii straturilor de cupru Influena densitii de curent Influena timpului de depunere i vitezei de agitare Aparatura utilizat pentru studiul structurii materialelor compozite i obinerea acoperirii compozite 2.2.1 Generaliti 2.2.2 Microscopul optic 2.2.3 Microscopul electronic SEM 2.2.4 Microanaliza prin spectroscopie de radiaii X 2.2.5 Determinarea microduritilor 2.2.6 ncercarea la uzare a materialelor metalice 2.2.7 Metoda de determinare a uzurii masice prin abraziune 2.2.8 Determinarea rugozitii stratului compozit 2.2.9 Studiul comportrii la coroziune a acoperirilor compozite 2.2.10 Determinarea rezistenei la coroziune n cea salin Concluzii

1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 2.1

2.2

2.3

4


3.1 3.2 3.3

3.4

3.5

3.6 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 5.1 5.2 5.3

Capitolul 3. Contributii privind obinerea unor ACE n matrice de nichel i cupru prin electrodepunere Caracterizarea materialelor complementare utilizate la obinerea ACE n matrice de cupru i nichel Mecanismul codepunerii straturilor compozite Contribuii privind realizarea ACE nichel dioxid de titan 3.3.1.Influiena parametrilor tehnologici privind realizarea ACE nichel - dioxid de titan 3.3.2.Structura i compoziia chimic a straturilor nichel - dioxid de titan 3.3.3. Proprietile caracteristice ale straturilor nichel - dioxid de titan 3.3.4.Influena tratamentului termic privind proprietilor compozitelor nichel - dioxid de titan Contributii privind realizarea ACE nichel dioxid de zirconiu 3.4.1. Influena parametrilor tehnologici asupra realizrii ACE nichel - dioxid de zirconiu 3.4.2. Structura i compoziia chimic a straturilor nichel - dioxid de zirconiu 3.4.3. Proprietile caracteristice ale straturilor nichel - dioxid de zirconiu Contribuii privind obinerea ACE cupru-grafit 3.5.1. Influenta parametrilor tehnologici privind realizarea ACE cupru - grafit 3.5.2. Structura i compoziia chimic a straturilor cupru - grafit 3.5.3. Proprietile caracteristice ale straturilor cupru-grafit Concluzii Capitolul 4. Studiul comparativ al proprietilor straturilor nichel - dioxid de titan, nichel - dioxid de zirconiu i cupru - grafit Rugozitatea acoperirilor compozite Microduritatea straturilor Proprieti tribologice Proprieti electrice Comportamentul la coroziune Capitolul 5. Obinerea straturilor multiple prin codepunere electrochimic Obinerea ACE multistrat n matrice de cupru i nichel Studiul structurii depunerilor multistrat ncercarea la uzare a straturilor multiple Capitolul 6. Concluzii finale Capitolul 7. Contribuii proprii la obinerea corpurilor compozite. Direcii de continuare a cercetrilor Bibliografie Se prezint succint informaii din unele capitole i rezultate relevante obinute, pstrnd notaiile figurilor i tabelelor cum sunt prezentate n teza de doctorat.

CAPITOLUL 1. STADIUL ACTUAL PRIVIND SINTEZA, PROPRIETILE I STRUCTURA MATERIALELOR COMPOZITE 1.5. Obinerea acoperirilor compozite Acoperirile compozite (AC) fac parte din categoria materialelor compozite (MC), care se definesc ca fiind sisteme alctuite din dou sau mai multe materiale n scopul mbuntirii proprietilor lor n comparaie cu nsuirile separate ale componentelor. Compozitele sunt materiale compacte bi - sau polifazice formate n urma proceselor naturale sau create artificial de om, la care exist limite de separare ntre componentele izolate formatoare. Faza I-a se numete matrice i reprezint un element de legtur continu, care poate fi n stare solid cristalin sau amorf. Faza a-II-a se numete dispers i este format din una sau mai multe faze dispersate n matrice, aflate n orice faz de agregare. Faza dispers se poate prezenta ca particule disperse, fiind n acest caz discontinu sau ca fibre, fiind astfel continu. 5


1.8. Acoperiri compozite i domenii de utilizare Straturi compozite n matrice de nichel n ACE (Acoperirile Compozite Electrodepuse) cu matrice de nichel se pot include oxizi, carburi, sulfuri sau paricule de carbon. Modelul codepunerii propus de Gugliemi a fost verificat la depunerea nanoparticulelor de oxid de aluminiu i carbura de siliciu utiliznd un electrolit pe baz de sulfamat. S-a dovedit c aceste nanoparticule duc la obinerea unor acoperiri compozite de bun calitate chiar fr prezena aditivilor [22]. Carbura de siliciu ca material complementar n matrice de nichel a fost studiat i de ali cercettori. S-a stabilit faptul c SiC genereaz creterea microduritii ACE [23]. Ali cercettori (Celis i Fransaer) studiaz ACE cu particule de SiC prezentnd diverse dimensiuni; au utilizat electrolit Watts stabilind c procentul de faz dispers n acoperire crete cu descreterea dimensiunii particulelor nglobate. Autorii au studiat i rezistena la uzare a ACE coninnd 5% SiC [24]. S-a constatat c introducerea particulelor de polietilen n matrice de nichel duce la creterea microduritii stratului, rezistenei la uzare i coroziune comparativ cu acoperirea cu nichel fr particule n strat [25]. Ali autori compar efectul electrolitului asupra acoperii obinute prin electrodepunerea aluminei n matrice de nichel. Autorii au comparat electrolitul pe baz de clorur de nichel cu cel pe baz de citrat i au ajuns la concluzia c la electrolitul clorur, concentraia depozitului scade la creterea densitii de curent n timp ce la electrolitul citrat fenomenul se petrece invers [26]. A fost studiat comportamentul ACE obinut prin includerea particulelor de carbura de wolfram n matrice de nichel pe suport de oel [27]. S-a utilizat electrolitul Watts i s-a remarcat faptul c procentul de faz dispers n strat scade odat cu creterea densitii de curent. Au fost obinute compozite n matrice de nichel-fosfor prin codepunerea particulelor de carbura de siliciu i oxid de aluminiu utiliznd electrolitul Watts. Includerea fosforului n matricea de nichel a dus la creterea microduritii acoperirii compozite [28]. Alti autori [29] au cercetat proprietile tribologice i rezistena la coroziune a ACE obinute n matrice de nichel prin includerea fazei disperse grafit. S-a observat c rezistena la coroziune i coeficientul de frecare al compozitului depind de procentul de grafit inclus n acoperire; unele limitri ale acestei tehnologii apar datorit dispersiei neuniforme a particulelor de grafit n electrolit. Straturi compozite n matrice de cupru ACE n matrice de cupru au fost, n general, obinute utiliznd electrolii acizi. Electrolii pe baz de cianuri au fost utilizai mai rar. Primele incercri de realizare a unui compozit au fost fcut n anul 1929 [30] cnd a fost depus grafit n matrice de cupru; deoarece aspectul acoperirii a fost nesatisfctor, cercetrile au fost abandonate pentru un timp. Obinerea ACE n matrice de cupru s-a realizat utiliznd ca material complementar carburi, oxizi, nitruri, sulfuri, polistiren etc. S-a remarcat faptul c introducerea grafitului n matricea de cupru confer compozitului bune proprieti de lubrifiere. n acest context, unii autori [31] au studiat efectul pH ului aupra obinerii compozitului Cu-grafit. Ali autori studiaz efectul pulberii de alumin asupra compozitului obinut din electrolit pe baz de sulfat de cupru utiliznd mai multe metode de agitare; s-au remarcat bunele proprieti tribologice obinute la compozitul respectiv [32]. n industria electrotehnic este important obinerea unor straturi cu proprieti magnetice; prin depunerea nanoparticulelor de Fe3O4 ntr - un electrolit pe baz de sulfat de cupru au fost realizate straturi cu proprieti magnetice; structura acestor compozite a fost studiat utiliznd AFM [33]. Proprietile mecanice ale straturilor compozite au fost mbuntite de unii cercettori prin includerea particulelor de wolfram n matrice de cupru [34]. S-a studiat densitatea de curent, agitarea i includerea la obinerea compozitului respectiv care prezint o microduritate ridicat i bune proprieti tribologice. Autorii au remarcat faptul c mecanismul electrodepunerii propus de Gugliemi se verific pentru densiti mici de curent. 1.9. Domenii de utilizare a MC Compozitele se utilizeaz n diferite domenii: aerospaia, naval, autovehiculelor. Domeniul aerospaial. Prin calitile lor compozitele ajut la simplificarea structurilor aerospaiale; astfel, la avionul Airbus 340 aproximativ 40% din greutate aparine compozitelor 6


(radom inclus n aramida sau n fibra de siliciu). Fibrele de carbon au rezisten la rupere superioar a oelului i rezisten ridicat la temperatura (~3000C) fiind utilizat la motoarele de avion i rachet. De dat mai recent sunt fibrele de bor i bor-aluminiu care, fiind mai scumpe, se utilizeaz doar n aeronautic i tehnic aerospaial [35]. Compozitele cu matrice din aliaje cu baz Ni i Co ranforsate cu fibre din carburi i oxizi metalici (CTa, CNi, CZr, Al2O3) sunt utilizate pentru componente vitale care funcioneaz n regim termic ridicat ale motoarelor turboreactoarelor i rachetelor. Prin calitile lor, compozitele conduc la simplificarea structurilor aerospaiale, cu consecine favorabile asupra economicitii i fiabilitii aeronavelor n producie i n exploatare. Domeniul naval. n industria naval, materialele compozite sunt utilizate pe scar larg, plecnd de la partea imers a navei i ajungnd la echipamente complexe de foraj maritim. Pentru navele uoare, se utilizeaz rinile poliesterice armate cu fibr de sticl, cu fibr de carbon sau fibr de aramid avnd ca avantaje greutatea redus i rigiditatea mrit, permind creterea vitezei i reducerea consumului de combustibil. Pentru navele mari se utilizeaz panorile tip sandwich. Feele panourilor de tip sandwich pot fi din materiale: metalice (aliaje de aluminiu sau oel inoxidabil), nemetalice (laminate polimerice cu fibre de sticl sau cu fibre de carbon), etc. Miezul este alctuit dintr-un material compozit uor, poros sau neporos, granulat, fiind alctuit din celule deschise (tip fagure) sau din profile (U, I, T etc.). n cazul unui submarin militar, corpul acestuia este cu 60% mai uor dac se utilizeaz compozite n locul oelurilor speciale. Domeniul autovehiculelor. n domeniul transportului rutier, materialele compozite se folosesc n primul rnd datorit greutii lor reduse, rezistenei ridicate la oxidare i coroziune, n procente care reprezint creteri de 5-10 % anual, n locul metalelor. S-a calculat c reducerea greutii unui autoturism cu 100 kg echivaleaz cu economisirea unui litru de benzin la fiecare 100 de km. n componena unui autoturism compozitele se folosesc pentru: caroserii, sistemul de alimentare cu combustibil, panoul de comand, etc. n sistemul de frnare al autovehiculelor compozitele din fibre de carbon sunt deosebit de eficiente ntruct coeficientul de frecare crete cu temperatura. Elementele tip sandwich (multistrat) se utilizeaz i n industria autovehiculelor. Acest sistem compozit se compune dintr-un material plastic cuprins ntre dou straturi metalice (Al sau oel), cele trei straturi fiind laminate mpreun. Se obine o reducere a greutii automobilului cu pn la 50%. Alte materiale cum ar fi: Al, SiC, Al2O3, TiC sau grafit au rigiditate i rezisten mare la uzur cuplat cu rezisten bun la temperatur fiind folosite pentru execuia diferitelor repere pentru autovehicule.

CAPITOLUL 2. DIRECII DE CERCETARE Obinerea ACE n matrice de nichel utiliznd ca faze disperse dioxidul de titan i respectiv dioxidul de zirconiu; Obinerea ACE n matrice de cupru utiliznd ca material complementar grafitul; Studiul influenei parametrilor tehnologici asupra ACE n matrice de nichel i cupru; Propunerea unui mecanism pentru realizarea straturilor compozite n matrice de nichel si cupru; Obinerea compozitelor multistrat n matrice de nichel i cupru; studiul parametrilor tehnologici pentru realizarea lor; Caracterizarea structural a depunerilor monostrat i multistrat prin microscopie optic i microscopie cu scanare electronic; Diverse studii privind proprietile mecanice, tribologice i electrice ale ACE n matrice de nichel i cupru; Studii privind comportarea la coroziune a ACE n matrice de nichel i cupru; Propuneri pentru utilizarea industrial a ACE n matrice de nichel i cupru.

7


CAPITOLUL 3. CONTRIBUII PRIVIND OBINEREA UNOR ACE N MATRICE DE NICHEL I CUPRU PRIN ELECTRODEPUNERE 3.3. Contribuii privind realizarea prin electrodepunere a unor AC n matrice de nichel cu faza dispers dioxid de titan 3.3.1 Influena parametrilor tehnologici asupra realizarii ACE nichel- dioxid de titan n mod similar cu electrodepunerea straturilor subiri de nichel, pentru stabilirea parametrilor optimi de electrodepunere, s-au utilizat mai multe epruvete din cupru, substane pentru realizarea electroliilor, materiale pentru pregtirea suprafeei epruvetelor, pulbere de dioxid de titan pentru faza dispersa i instalaiile adecvate pentru electrodepunere. Epruvele au fost confecionate din band de cupru cu grosimea 1,2 mm. Suprafaa util a probei a fost 12 cm2, pe o singur parte. Cealalt parte a catodului a fost izolat cu folie protectoare din material plastic. Electrodepunerea compozitului nichel-dioxid de titan fost realizat cu electrolii acizi Watts avnd compoziia NiSO4 6 H2O - 330g/l, NiCl2 6H2O - 45g/l i H3BO3 - 35g/l. S-au utilizat anozi din nichel de puritate 99,9%, i distana dintre electrozi a fost fixat la 20 mm. Faza dispers a fost dioxid de titan (dimensiune2-5m) n concentraii ntre 40-80g/l n electrolit. Rezultatele obinute au evideniat faptul c parametrii electrodepunerii, pregtirea probelor i instalaiilor electrochimice sunt decisive pentru obinerea ACE omogene, cu bun aderena i dispersie a materialului complementar. Efectul densitii de curent Variaia densitii de curent influenteaz calitile ACE atat n privina grosimii stratului obinut ct i a gradului de includere a FD n stratul compozit. S-a studiat ACE nichel - TiO2 obinute prin variaia densitii de curent ntre limitele 1,5 - 4 A/dm2; ACE realizate n afara acestor parametri prezentnd o calitate ceva mai sczut. Cercetrile au demonstrat c prin creterea densitii de curent concentraia particulelor incluse n strat crete pn la o anumit valoare (maxim) i apoi scade.

Figura 3.8. Variaia gradului de includere al fazei disperse(FD) cu densitatea de curent Grosimea stratului compozit crete odat cu creterea densitii de curent i creterea timpului de electrodepunere. Timpul de electrodedepunere influeneaz grosimea stratului depus; modificri semnificative ale grosimii i structurii stratului se petrec ntre 90 - 120 minute cnd se obine o depunere omogena cu bune proprieti structurale i mecanice.

8


Figura 3.11. Variaia FD inclus n stratul compozit Ni-TiO2 cu densitatea de curent pentru diferite concentraii ale FD n electrolit (40-80 g/l) Viteza de agitare a electrolitului influeneaz structura depozitului compozit format; rolul agitrii electrolitului este meninerea particulelor FD n suspensie astfel nct s favorizeze includerea acestora n strat. Se constat c, la viteze mici de agitare a electrolitului, grosimea stratului este mic acesta fiind neuniform, gradul de includere al particulelor fiind redus. Pentru viteze mari (>1000 rot/min), numrul particulelor din jurul catodului este prea mare pentru a fi n concordan cu creterea matricii, stratul depus este neuniform, particulele reuind cu dificultate s se nglobeze n strat. Se observ o cretere a FD n strat pentru viteze cuprinse ntre 500 750 rot/min. Viteza optim de agitare a fost stabilit la 750 rot/min, valoare la care stratul compozit este uniform i procentul FD incluse n strat este maxim.

Figura 3.12. Variaia FD n stratul compozit Ni-TiO2 cu viteza de agitare pentru diferite concentraii ale FD n electrolit

9


3.3.2. Structura i compoziia chimic a straturilor compozite nichel - TiO2 Prin examinare vizual a suprafeei straturilor compozite nichel - TiO2 se observ c aspectul ACE este superior straturilor obinute prin nichelare. Depunerile sunt uniforme predominnd culoarea gri-argintiu iar pulberea inclus are culoare deschis avnd forma de ciorchine, dup cum se observ n imaginile SEM prezentate n Figura 3.16:

a

b

Figura 3.16. SEM n suprafaa ACE nichel TiO2 cu 60 g/l FD n electrolit, la diferite mriri: (a- x5000; b - x 15000). Parametrii depunerii: D = 3 A/dm2, 120 min, 750 rpm, pH = 3, T = 500C, fr atac. Spectrele EDX reflect faptul c particulele de oxid s-au inclus n matricea de nichel; includerea maxim s-a obinut la probele cu 60 g/l concentraie FD n electrolit. Oxigenul este prezent n strat ceea ce confirm c depunerea are loc sub form de oxizi, conform Figurii 3.20.

Figura 3.20. Analize EDX pentru compozite nichel - TiO2 obinute la parametrii de electrodepunere: D = 3 A/dm, t = 120 min, T = 500C, pH = 3, agitare 750 rot/min,60 g/l FD n electrolit

3.3.3. Proprieti caracteristice ale ACE nichel - TiO2 Grosimea straturilor. S-au efectuat msurtori ale grosimii straturilor pentru toate probele obinute prin variaia densitii de curent ntre valorile 2-4 A/dm2. Grosimea straturilor a variat ntre 19 - 57 m, cea mai mare grosime fiind obinut pentru 4 A/dm2.

10


50m

Figura 3.21. Microstructur ACE nichel - TiO2 obinut la parametrii de electrodepunere: t = 120 min, T = 500C, pH = 3, agitare 750 rpm., 60 g/l FD, pentru D = 4 A/dm2 ( x1000), atac nital 10%. Rugozitatea. n general, compozitele nichel - TiO2 prezint rugozitate sczut; prezena particulelor n strat modific rugozitatea acoperirii (Tabelul 3.5). Se remarc faptul c rugozitatea probelor fr acoperire compozit este superioar celor cu acoperire compozit. Rugozitatea optim Ra (1,14 m) se observ la epruveta obinut cu parametrii: D = 3 A/dm2, t = 120 min, T = 500C, pH = 3, agitare 750 rpm, 60 g/l FD. Microduritatea. n cazul ACE nichel - TiO2 se remarc o cretere a microduritii stratului comparativ cu acoperirile fr strat compozit (probe nichelate). Microduritatea stratului crete cu procentul de faz dispers inclus n strat; acest fapt se explic prin introducerea particulelor n matrice i produce tensionarea stratului compozit. Cu ct exist mai multe particule incluse cu att tensiunea n strat crete producnd creterea duritii (Tabelul 3.6).

Tabelul 3.5. Variaia rugozitii ACE Ni-TiO2 n funcie de concentraia FD n electrolit D (A/dm) 2 FD (g/l) 40 60 80 0 40 60 80 0 40 60 80 0 Rugozitate Ra (m) 1,28 1,21 1,42 1,60 1,15 1,14 1,20 1,41 1,32 1,42 1,60 1,68

3

4

11


Tabelul 3.6. Variaia microduritii ACE Ni-TiO2 cu procentul de FD n electrolit D (A/dm) 2 FD (g/l) 40 60 80 0 40 60 80 0 40 60 80 0 Microduritatea (HV50) 315 340 325 234 405 430 424 256 421 425 429 272

3

4

Comportarea la coroziune a ACE nichel-dioxid de titan Studiul coroziunii ACE s-a realizat prin voltametrie liniar comparnd straturile de nichel cu cele de nichel compozit. Determinrile s-au efectuat la 200C n soluie NaCl 3%, timp de 10 minute. S-au calculat pentru fiecare prob densitatea de coroziune (icor) i indicele de penetrare (Ip) iar rezultatele sunt prezentate n tabelul 3.7. Tabelul 3.7. Comportarea la coroziune a compozitelor nichel-dioxid de titan pentru diferite concentraii ale FD n electrolit Proba Proba fr particule Proba Ni - TiO2 cu 40 g/l Proba Ni - TiO2 cu 60 g/l Proba Ni - TiO2 cu 80 g/l icor [A/m2] 25,5 19 16 18 Viteza de coroziune [g/m2h] 0,087 0,0069 0,0050 0,0058 Indice de penetraie [mm/an] 0,0085 0,0067 0,0049 0,0056 Grupa de rezisten foarte rezistent foarte rezistent foarte rezistent foarte rezistent

n camera cu cea salin se remarc rezistena la coroziune redus la proba martor; rezistena foarte bun au artat probele cu 60 g/l FD i 80 g/l FD n electrolit (Tabelul 3.8).

12


Tabelul 3.8 Rezultatele ncercrii ACE nichel - TiO2 n camera cu cea salin Proba Martor (fr particule) Proba nichel TiO2 cu 40 g/l Proba nichel TiO2 cu 60 g/ l Proba nichel TiO2 cu 80 g/ l G (g) 0,002 Vc (g/m2h) 0,069 Obs. apariia unui oxid neaderent pe 15% din suprafaa probei uoare urme de oxizi

0,0017 0,001 0,0014

0,059 0034 0,047

ncercarea la uzare a compozitelor nichel-dioxid de titan Comportamentul la uzare al ACE nichel-dioxid de titan a fost studiat cu ajutorul unui aparat tip stift-disc aflat n dotarea Universitatea Dunarea de Jos Galai (Tabelul 3.9). Tabelul 3.9. Variaia masei epruvetelor nainte i dup ncercarea la uzare Epruveta fr particule 8 % FD n strat 15 % FD n strat 12% FD n strat M1 (g) 0,061 0,067 0,075 0,076 M2 (g) 0,0490 0,0570 0,0663 0,0666 M/L (g/m) 0,012 0,010 0,0087 0.0094

Prin studierea rezultatelor prezentate n tabelul 3.9 se remarc faptul c straturile nicheldioxid de titan au rezisten ridicat la uzare comparativ cu epruvetele fr particule n strat; rezistena maxim la uzare apare la epruvetele cu 60 g/l FD n electrolit deoarece aceste straturi au o bun includere (numrul particulelor nglobate n strat este maxim, de 15% FD n stratul compozit) ceea ce implic o buna rezisten a stratului la frecare. 3.3.4. Influena tratamentului termic asupra proprietilor compozitelor nichel-dioxid de titan Se cunoate din literatura de specialitate faptul c tratamentul termic de recoacere are o influen pozitiv asupra straturilor nichelate; n lucrare s-a studiat influena tratamentului termic asupra ACE nichel-dioxid de titan. S-au utilizat compozite nichel - TiO2 obinute cu parametrii D = 3 A/dm2, t = 120 min, T = 500C, pH = 3, agitare 750 rpm, 60 g/l FD. S-a aplicat unui grup de probe dou cicluri de tratament termic. Primul ciclu s-a realizat la temperatura 4500C cu meninere timp de o or, iar la cel de al doilea s-a ridicat temperatura la 6500C, cu acelai timp de meninere si aceeai viteza de rcire. Tratamentul termic s-a efectuat n atmosfer de protecie. S-a studiat efectul tratamentului termic asupra microduritii stratului i rezistenei la uzare. Microduritatea Dup scoaterea probelor din cuptor (rcirea s-a fcut odat cu cuptorul) s-a determinat microduritatea straturilor codepuse i a probelor martor (fr pulbere). Rezultatele sunt prezentate n Figura 3.28. 13


Figura 3.28. Variaia microduritii straturilor codepuse n funcie de tipul stratului depus si tratamentul termic aplicat Se observ c aplicarea tratamentului termic la 4500C produce creterea micoduritii; aceast cretere are drept cauz diferena dintre coeficientul de dilatare dintre strat i substrat ceea ce duce la apariia unor tensiuni n stratul depus care duc la creterea duritii. Aplicarea tratamentului termic la 6500C are ca efect scderea microduritii stratului fa de compozitul fr tratament termic (se produce recristalizarea stratului-implicnd scderea duritii). 3.4. Contribuii privind realizarea prin electrodepunere a unor AC n matrice de nichel cu faza dispers dioxid de zirconiu Compozitele cu FD alcatuit din oxizi greu fuzibili sunt studiate n scopul realizrii unor materiale cu proprieti fizico-tehnologice speciale cum ar fi: rezistena ridicat la uzare i coroziune, rezistena la temperaturi ridicate, etc. 3.4.1. Infuena parametrilor tehnologici asupra realizrii ACE compozite nichel- dioxid de zirconiu Efectul densitii de curent Calitatea acoperirii compozite depinde foarte mult de valorile densitii de curent utilizate la electrodepunere. ACE nichel - ZrO2 au fost obinute prin variaia densitii de curent ntre limitele 2 - 4 A/dm2; AC realizate n afara acestor parametri prezentnd o calitate ceva mai sczut.

14


Figura 3.30. Variaia gradului de includere al fazei disperse (FD) cu densitatea de curent Influena vitezei de agitare a electrolitului Agitarea electrolitului influeneaz deplasarea particulelor spre suprafaa de cristalizare; o vitez de agitare prea mare favorizeaz desorbia particulelor din stratul compozit. S-a stabilit c viteza optim de agitare a electrolitului este 750 rot/min.

% FD n strat

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 500 750 1000V it .a g it a r e (r o t / m in

40g/l 60g/l 20g/l

Figura 3.33. Variaia FD n stratul compozit cu viteza de agitare, pentru diferite concentraii ale FD n electrolit 3.4.2. Structura i compoziia chimic a straturilor compozite nichel - ZrO2 Utiliznd trei densiti de curent pentru obinerea compozitelor Ni-ZrO2 s-a observat c, la D = 3 A/dm2 structura este cea mai fin. Acest fapt se explic deoarece la aceast valoare includerea de FD este maxim iar particulele acioneaz ca un catalizator mrind numrul centrelor de nucleere iar cristalele sunt mai fine, mai ordonate i cu dimensiuni mai mici. Pentru D = 4 A/dm2 includerea particulelor n strat scade mult.

15


a

b

Figura 3.37. Micrografie SEM pe suprafaa pentru compozitul Ni-ZrO2, D = 2 A/dm2, 120 min, agitare 750 rot/min, pH = 3,T =500C, 40 g/l FD, la mariri diferite: a-x500,b-x2000, fr atac La creterea densitii de curent procentul de particule incluse n strat crete. Prezena oxigenului demonstreaz c acoperirea are loc sub form de oxizi, evidenierea fcndu-se prin analiza EDX, Figura 3.40.

Figura 3.40. Analiza EDX pentru compozite Ni-ZrO2(40 g/l FD), D = 3 A/dm2 3.4.2. Proprieti caracteristice straturilor compozite nichel-oxid de zirconiu Grosimea straturilor compozite a fost cuprins ntre 20 - 55 m. Rugozitatea. n urma determinrilor realizate pe mai multe epruvete cu strat compozit i epruvete martor se concluzioneaz c rugozitatea probelor fr acoperire compozit este superioar celor cu acoperire compozit (Tabelul 3.15). Scderea valorilor rugozitii stratului are loc pe seama creterii numrului centrelor de nucleere n acoperirea compozit comparativ cu probele martor. Rugozitatea optim Ra (1,20 m) a fost determinat pentru compozitul realizat la parametrii de electrodepunere: D = 3 A/dm2, timp 120 min, T = 500C, pH = 3, agitare 750 rot/min., 40 g/l FD.

16


Tabelul 3.15. Variaia rugozitii n funcie de concentraia FD n electrolit D (A/dm) 2 FD (g/l) 20 40 60 0 20 40 60 0 20 40 60 0 Rugozitate Ra (m) 1,28 1,25 1,24 1,22 1,23 1,20 1,22 1,28 1,31 1,29 1,27 1,32

3

4

Microduritatea. n cazul ACE nichel - ZrO2 se remarc o cretere a microduritii stratului comparativ cu acoperirile fr strat compozit (probe nichelate). Tabelul 3.16 Variaia microduritii cu procentul de FD n electrolit D (A/dm) 2 FD (g/l) 20 40 60 0 20 40 60 0 20 40 60 0 Microduritatea (HV50) 611 645 692 250 925 978 956 324 769 788 823 332

3

4

Creterea procentului de FD n strat are drept efect creterea microduritii stratului compozit. Duritatea maxim (978 HV50) se obine pentru ACE nichel-oxid de zirconiu obinut cu parametrii de electrodepunere: D = 3 A/dm2, timp 120 min,T = 500C, pH = 3, agitare 750 rot/min., 40 g/l. Comportarea la coroziune a ACE nichel-oxid de zirconiu Studiul coroziunii compozitelor nichel-oxid de zirconiu s-a fcut n aceleai condiii ca pentru ACE nichel-dioxid de titan. Rezultatele ncercrii la coroziune prin voltametrie liniar sunt prezentate n tabelul 3.17.

17


Tabelul 3.17. Comportarea la coroziune a compozitelor nichel-dioxid de titan pentru diferite concentraii ale FD n electrolit Proba Proba fr particule Proba Ni-ZrO2 cu 20 g/l Proba Ni-ZrO2 cu 40 g/l Proba Ni-ZrO2 cu 60 g/l icor [A/m2] 24 20 18 21 Viteza de coroziune [g/m2h] 0,0820 0,0069 0,0062 0,0071 Indice de penetraie [mm/an] 0,0080 0,0068 0,0061 0,007 Grupa de rezisten foarte rezistent foarte rezistent foarte rezistent foarte rezistent

ncercarea la uzare a compozitelor nichel-dioxid de zirconiu S-a studiat comportamentul la uzare al compozitelor nichel-dioxid de zirconiu n condiii identice cu cele pentru compozitele nichel-dioxid de titan. Rezultatele ncercrii sunt prezentate n tabelul 3.19. Tabelul 3.19. Variaia masei epruvetelor nainte i dup ncercarea la uzare Epruveta Fr particule Nichel - ZrO2 cu 20 g/l Nichel - ZrO2 cu 60 g/l Nichel - ZrO2 cu 40 g/l M1 (g) 0,5059 0,5138 0,5321 0,5424 M2 (g) 0,4319 0,4518 0,4771 0,4904 M/L (g/m) 0,074 0,062 0,055 0,052

Rezultatele optime la uzare se obin pentru compozitul obinut cu parametrii de electrodepunere: D = 3A/dm2, timp 120 min, T = 500C, pH = 3, agitare 750 rot/min, 40 g/l FD. Introducerea FD n electrolit amelioreaz mult rezistena la uzare a stratului depus. 3.5. Contribuii privind obtinerea ACE cupru-grafit 3.5.1 Influena parametrilor tehnologici privind realizarea ACE cupru-grafit. Efectul densitii de curent. Variaia densitii de curent influeneaz calitile ACE att n privina grosimii stratului obinut ct i a gradului de includere a FD n stratul compozit. Am studiat ACE cupru-grafit obinute prin variaia densitii de curent ntre limitele 1,5 2,5 A/dm2; ACE realizate n afara acestor parametri prezentnd o calitate ceva mai sczut. Prin creterea densitii de curent concentraia particulelor n strat crete pn la o anumit valoare i apoi scade conform Figurii 3.44.

18


Figura 3.44. Variaia densitii de curent cu includerea fazei disperse la compozitele cupru-grafit

Figura 3.45. Influena concentraiei FD n electrolit asupra includerii (D = 2 A/dm2)

Influena densitii de curent poate fi explicat prin creterea germenilor de cristalizare din stratul codepus; dimensiunea cristalelor formate depinde de valorile densitii de curent, viteza de agitare, tipul electrolitului i ali factori. Se observ c includerea variaz ntre 4-6% iar maximul de 6% apare la compozitul obinut cu parametrii de electrodepunere: densitatea de curent de 2 A/dm2, timpul 120 min, agitare750 rpm, pH = 1, procent de pulbere n electrolit 60 g/l FD.

Figura 3.46. Variaia FD inclus n stratul compozit cupru-grafit cu densitatea de curent pentru diferite concentraii ale FD n electrolit Dac se depete valoarea maxim a densitii de curent (2 A/dm2) depozitul devine neuniform i prezint rugozitate ridicat; la valori peste 3A/dm2 i agitare redus are loc formarea dendritelor pe suprafaa probei. La densiti mici de curent (

rezumat teza-4 novac raul

Documents