Modelling the entrainment and motion of particles in a gap: Application to abrasive wear

The microscale abrasion or ball-cratering test is being increasingly applied to a wide range of bulk materials and coatings. The response of materials to this test depends critically on the nature of the motion of the abrasive particles in the contact zone: whether they roll and produce multiple indentations in the coating, or slide causing grooving abrasion. Similar phenomena also occur when hard contaminant particles enter a lubricated contact. This paper presents simple quantitative two-dimensional models which describe two aspects of the interaction between a hard abrasive particle and two sliding surfaces. The first model treats the conditions under which a spherical abrasive particle of size d can be entrained into the gap between a rotating sphere of radius R and a plane surface. These conditions are determined by the coefficients of friction between the particle and the sphere, and the particle and the plane, denoted by μs and μp respectively. This model predicts that the values of (μs + μp) and 2μs should both exceed √2d/R for the particles to be entrained into the contact. If either is less than this value, the particle will slide against the sphere and never enter the contact. The second model describes the mechanisms of abrasive wear in a contact when an idealized rhombus-sectioned prismatic particle is located between two parallel plane surfaces separated by a certain distance, which can represent either the thickness of a fluid film or the spacing due to the presence of other particles. It is shown that both the ratio of particle size to the separation of the surfaces and the ratio of the hardnesses of the two surfaces have important influences on the particle motion and hence on the mechanism of the resulting abrasive wear. Results from this model are compared with experimental observations, and the model is shown to lead to realistic predictions. © IMechE 2003.

Eletrodeposição de revestimentos funcionais compósitos Cu/partículas de óxidos de alumínio

Revestimentos funcionais compósitos são um atrativo tecnológico crescente, pois possibilitam a combinação de materiais metálicos, poliméricos ou cerâmicos, resultando em propriedades superiores as dos materiais individuais, sendo por este motivo, largamente aplicados na engenharia de materiais. Na presente dissertação, foram produzidos revestimentos compósitos por eletrodeposição através da codeposição de uma matriz metálica de cobre e de partículas de óxidos de alumínio incorporadas (g - Al2O3 ou AlO(OH)), sobre substratos de aço carbono, a partir de diferentes banhos eletrolíticos. Três etapas foram efetuadas, na primeira realizou-se o estudo da influência do modo de agitação e da presença ou não de ligantes (citrato de sódio 1,00 mol/L) nos teores de cobre e alumina nos revestimentos produzidos. Em seguida foi avaliada a ação de complexantes (citrato de sódio 1,00 mol/L e pirofosfato de potássio 0,90 mol/L) usando polarização potenciodinâmica e voltametria cíclica, em conjunto com microbalança eletroquímica de cristal de quartzo (EQCM) e a posterior produção de revestimentos compósitos a partir de banhos contendo CuSO4 0,02 mol/L + pirofosfato de potássio 0,90 mol/L + 20 g/L de alumina, variando a densidade de corrente aplicada (I), a velocidade de agitação do eletrodo rotatório (A) e o do tempo de agitação prévia (t). Por fim, na terceira etapa, fez-se a substituição de alumina por Boehmita e a produção dos revestimentos a partir de banhos contendo CuSO4 0,02 mol/L + pirofosfato de potássio 0,90 mol/L + 20 g/L de Boehmita, empregando um planejamento composto central, em que os parâmetros citados também foram variados. Os resultados mostraram que a presença de um ligante e a agitação prévia e continuada do eletrólito durante o experimento foram fundamentais para a produção dos revestimentos compósitos. Ensaios de EQCM mostraram que o citrato se adsorveu na superfície do eletrodo de ouro, diferentemente do pirofosfato. Os teores de Boehmita e cobre nos revestimentos produzidos, assim como a morfologia, resistência de polarização e densidade de corrente de corrosão dos revestimentos foram influenciados pelos parâmetros avaliados.

Estudo de Eletrodeposição de Ligas Cu-Sn em Meio de Citrato de Sódio

Revestimentos produzidos a partir de ligas de Cu-Sn apresentam grande interesse em função de suas propriedades, originando uma grande capacidade de aplicação industrial, especialmente em indústrias de componentes e materiais eletrônicos. Tais ligas também têm sido comercialmente utilizadas como revestimentos em metais diferentes, como o aço, para protegê-los contra a corrosão e melhorar sua aparência. Na presente dissertação, técnicas de voltametria cíclica, cronoamperometria e voltametria de varredura anódica linear foram utilizadas para o estudo dos processos de deposição de Cu e/ou Sn a partir de dois conjuntos de soluções contendo CuCl2.2H2O e SnCl2.2H2O nas razões de Cu:Sn = 1:10 e 10:1, além de Na3C6H5O7 1,00 mol/L, em pH = 6,0. As curvas de voltametria cíclica realizadas sobre o eletrodo de grafita foram utilizadas para o cálculo das constantes de equilíbrio dos complexos de ambos os metais com citrato de sódio, bem como na determinação dos potenciais catódicos aplicados nos ensaios de cronoamperometria. Após a deposição da liga nos potenciais estipulados para cada uma das duas soluções, os revestimentos de liga Cu-Sn foram ressolubilizados em solução de NaNO3 0,5 mol/L, empregando varredura anódica linear para a avaliação de suas composições químicas. Os resultados iniciais mostraram que a variação da concentração de Cu (II) e do potencial aplicado influenciaram no teor de cobre na liga. Contudo, percebeu-se que o teor de estanho não sofreu grandes variações, independente das concentrações das soluções e do potencial aplicado. Na solução com maior concentração de cobre foram alcançados teores dos metais na liga em maior proximidade com o da liga de bronze comercial. Com base nesses resultados, foram produzidos revestimentos de ligas sobre substrato de aço carbono, a partir de soluções contendo CuCl2.2H2O e SnCl2.2H2O na razão de 10:1, empregando a técnica de cronoamperometria potenciostática. Quatro diferentes valores de potencial (-0,39V, -0,67V, -1,00V, -1,20V e -1,94V vs. Ag/AgClsat.) foram aplicados, obtendo-se camadas cujas colorações variaram do rosa claro ao marrom escuro, sempre sem brilho. A eficiência de corrente catódica (Ef) decresceu conforme o potencial aplicado se tornou mais negativo. Nesta mesma direção, verificou-se um aumento do teor de estanho na liga depositada e menores tamanhos de grão. Porém, quando o potencial tornou-se mais negativo (-1,20V e -1,94V), observou-se a presença de cristalitos de diferentes tamanhos e de dendritos. Revestimentos com melhores resistências à corrosão em solução de NaCl 0,5 mol/L foram produzidos nos potenciais de -1,00V e -1,20V, cujas composições foram 99,40 % m/m Cu / 0,60 % m/m Sn e 97,70 % m/m Cu / 2,30 % m/m Sn, respectivamente. As análises por DRX permitiram verificar que estes revestimentos eram constituídos, principalmente, da fase α-CuSn

Desenvolvimento de revestimentos de óxidos mistos nanoestruturados de TiO2/Al2O3 em substratos metálicos de aço AISI 1020 e estudo das propriedades anticorrosivas

Sóis liofilizados precursores de Al2O3/TiO2, foram preparados via tecnologia sol-gel, com diferentes porcentagens de óxido de titânio (5%, 10%, 15% e 20%, em massa). Os sóis liofilizados foram caracterizados por meio de diversas análises, com o intuito de obter informações sobre o comportamento térmico, fases presentes, tamanho de partícula, composição e uniformidade das amostras. Os resultados obtidos indicam que os sóis apresentam as fases boemita e anatase, com partículas de tamanho nanométrico, tem composições muito similares quando analisadas em pontos distintos, átomos bem dispersos e distribuídos. Após esta etapa, amostras de aço AISI 1020 foram recobertas com estes sóis através do método dip-coating, o comportamento corrosivo foi estudado por meio de ensaios eletroquímicos e a morfologia das camadas, analisadas por meio de microscopias. Observou-se que as camadas eram uniformes e recobriam por completo toda a superfície das amostras, os ensaios de polarização indicaram melhorias no potencial eletroquímico para amostras recobertas, em comparação com amostras de aço sem recobrimento. O monitoramento de circuito aberto apresentou bons ajustes, indicando bom comportamento da camada. Notou-se pelas microscopias a presença de pontos de corrosão em algumas amostras antes dos ensaios, suspeitando-se que os resultados obtidos teriam sido melhores, caso houvesse um maior controle do processo de recobrimento.