Obtenção e caracterização de eletrorrevestimentos compósitos cobre-nióbio

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1 Obtenção e caracterização de eletrorrevestimentos compósitos cobre-nióbio A. Robin, J.L. Rosa,, M.B. Silva, Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de Lorena Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá Resumo: Eletrorrevestimentos compósitos cobre-nióbio foram obtidos por co-eletrodeposição a partir de soluções ácidas de sulfato de cobre contendo partículas de nióbio em suspensão. A quantidade de partículas incorporadas foi avaliada usando um planejamento de experimentos composto central com três fatores, densidade de corrente, velocidade de agitação da solução e concentração de partículas no banho. Uma forte influência da concentração de partículas foi constatada. A velocidade de agitação apresentou também influência, porém menor, seguido da densidade de corrente. A combinação, densidade de corrente no nível alto, velocidade de agitação no baixo e concentração de partículas no alto levou à maior quantidade de partículas incorporadas. O comportamento entre os níveis alto e baixo não foi linear para os três fatores. A rugosidade dos compósitos foi maior do que aquela do cobre puro e aumentou com o aumento da densidade de corrente. A incorporação das partículas de nióbio alterou a orientação cristalina dos grãos de cobre. A microdureza dos compósitos foi maior do que aquela do cobre puro e aumentou com o aumento da densidade de corrente, devido a um refinamento dos grãos da matriz de cobre. Palavras-chave: Eletrocompósitos, cobre, nióbio, planejamento de experimentos.. INTRODUÇÃO O processo de eletrodeposição é muito usado para produção de camadas metálicas como, por exemplo, cobre, níquel, cromo, zinco, estânio e metais nobres. A eletrodeposição é uma técnica barata que não requer o uso de equipamentos sofisticados. Para melhorar algumas propriedades destas camadas metálicas (dureza, resistência mecânica e resistência à corrosão, por exemplo), foram desenvolvidas pesquisas que incorporam aos eletrorrevestimentos metálicos partículas de materiais cerâmicos, metálicos e poliméricos (Hovestad e Janssen, 995; Musiani, ). Esse processo consiste em eletrolisar uma solução contendo os íons do metal a ser depositado e partículas em suspensão. Os principais fatores que influenciam a quantidade de partículas incorporadas, e por conseqüência as propriedades das camadas compósitas, são os parâmetros da eletrólise (composição do banho, ph, temperatura, densidade de corrente catódica, agitação da solução) e os parâmetros relacionados às partículas (tipo de partículas, concentração e tamanho médio). Os eletrorrevestimentos de cobre são muito usados na área de engenharia devido a propriedades peculiares como alta condutividade elétrica e térmica, boa ductilidade e boa resistência à corrosão. No entanto, o cobre apresenta a desvantagem de ter baixa resistência mecânica. Visando a melhoria da resistência mecânica do cobre eletrodepositado, foram adicionadas partículas de materiais cerâmicos, Al O 3 (Stankovic e Gojo, 99; Celis e Roos, 977; Buelens et al., 983; Hayashi et al., 993; Wang et al., 998; Gan et al., 7; Rajkovis et al., ), TiO (Abdullin e Saifullin, 997; Medeliene et al., ), ZrO (Benea et al., ), CeO (Mangam et al., ), SiC e MoS (Stankovic e Gojo, 99), materiais metálicos ou semi-metálicos, Cr (Medeliene et al., ) e ZrB (Jin et al., 5; Guo et al., ), materiais poliméricos, poliacrilonitrila (PAN) (Tang et al., 998) e também grafita (Stankovic e Gojo, 99), nanofibras de carbono (Arai e Endo, 5) e micro-cápsulas contendo lubrificantes (Zhu et al., ). Nesses trabalhos mostrou-se que a adição de partículas ao cobre pode ter efeitos negativos ou positivos, dependendo dos parâmetros de eletrólise empregados e das características das partículas usadas. O objetivo deste trabalho foi a produção de camadas eletrodepositadas de cobre com adição de partículas de nióbio (Nb), e a caracterização desses compósitos. Foi avaliada a influência da concentração de partículas no banho, da velocidade de agitação da solução e da densidade de corrente catódica aplicada sobre a fração volumétrica de partículas incorporadas e as características das camadas obtidas (rugosidade, morfologia, microestrutura, e microdureza). Os resultados foram comparados com aqueles obtidos para os eletrodepósitos de cobre puro.. MATERIAIS E MÉTODOS 379

2 Os compósitos Cu-Nb foram obtidos a partir de uma solução eletrolítica contendo 5 gl de CuSO e 3 gl de H SO à temperatura ambiente. As partículas de Nb foram mantidas em suspensão na solução por agitação magnética. Foram usadas três velocidades de agitação da solução:, e 55 rpm. As partículas empregadas tinham um tamanho médio inferior a 5 μm e sua concentração no banho foi, 3 e 5 gl. Usou-se como substratos chapas de aço-carbono AISI lixadas com papel abrasivo até o grau com dimensões aproximadas de mm x mm x mm. O catodo foi colocado no centro de um anodo cilíndrico de cobre eletrolítico de mm de diâmetro. O anodo foi previamente decapado em solução diluída de HNO 3. Densidades de corrente catódica de, e 3 ma cm - foram aplicadas durante 7hmin, 3h5min e h33min, respectivamente, para obter depósitos de espessura em torno de μm. Foi usado o potenciostato-galvanostato Autolab3. Foi analisado o efeito das condições experimentais de eletrodeposição sobre a fração volumétrica de partículas incorporadas. Para minimizar o número de experimentos foi empregado um planejamento fatorial composto central (CCD-central composite design) no qual foram avaliados os seguintes fatores em três níveis (mínimo, ponto central e máximo): densidade de corrente catódica, velocidade de agitação da solução e concentração de partículas no banho. A variável resposta foi a fração volumétrica de partículas de Nb incorporadas. A matriz do CCD foi constituída em um arranjo fatorial com os fatores em estudo nos níveis mínimo () e máximo () e em uma série de experimentos no ponto central onde os fatores foram todos no nível ponto central (). Os valores escolhidos dos níveis para os três fatores são mostrados na Tabela e a matriz do planejamento adotado é reportada na Tabela. A metodologia de superfície de respostas foi utilizada para avaliar o comportamento da resposta quantidade de partículas incorporadas frente às variações dos fatores. A análise estatística foi realizada usando o programa Statistica.. Tabela. Fatores avaliados, (A) densidade de corrente (ma cm - ), (B) velocidade de agitação (rpm) e (C) concentração de partículas (g L ) e seus respectivos níveis Fatores Níveis A 3 B 55 C 3 5 Tabela. Matriz do planejamento composto central de experimentos usada Exp. A B C Os revestimentos obtidos foram também caracterizados quanto à rugosidade (rugosímetro Mitutoyo SJ), morfologia (MEV LEO VP5), textura (Shimadzu XRD-, radiação Cu Kα, passos de,5º) e microdureza (MICROMET, carga g, 3s). Estas características foram comparadas com aquelas obtidas para os eletrodepósitos de cobre puro. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3. Morfologia, textura e quantidade de partículas de nióbio incorporadas Os difratogramas de raios X dos depósitos obtidos em soluções contendo partículas de Nb suspensas apresentaram os picos característicos da fase Nb, atestando da incorporação de Nb ao cobre (Figura ). De um modo geral a morfologia superficial dos revestimentos compósitos variou em função da densidade de corrente utilizada. Para ma cm -, os revestimentos foram bem cristalizados e pôde se distinguir perfeitamente os 38

3 Encontro e Exposição Brasileira de tratamento de superficie grãos de cobre (Figura a). Para ma cm-, começou a aparecer pequenos nódulos e com um aumento da densidade de corrente para 3 ma cm-, houve um aumento significativo do tamanho dos nódulos (Figura b e c). Cu () Intensidade / u.a. exp. 5 Nb () Cu () Nb () Cu () Nb () Nb () Cu Cu (3) () exp. 9 exp. 7 Θ / grau Figura. Difratogramas de raios X de revestimentos compósitos Cu-Nb Figura. Morfologia da superfície de compósitos Cu-Nb obtidos usando (a), (b) e (c) 3 ma cm- A Figura 3 mostra uma imagem com maior ampliação de um compósito onde se observa as partículas de Nb na superfície do revestimento com algumas em fase de incorporação. Figura 3. Imagem obtida por MEV no modo elétrons retroespalhados da superfície de um compósito Cu-Nb A Figura apresenta imagens de cortes transversais de eletrorrevestimentos compósitos Cu-Nb. As partículas de Nb aparecem como pontos claros dispersos na matriz de cobre que se apresenta cinza. A fração volumétrica de partículas incorporadas dependeu das condições experimentais e o tamanho das partículas 38

4 incorporadas variou de a μm. Os valores da quantidade de partículas de Nb incorporadas para as condições investigadas são mostrados na Tabela 3. Figura. Micrografias de cortes transversais de compósitos Cu-Nb obtidos nos experimentos (a), (b) e (c) Tabela 3. Fração volumétrica de partículas de Nb incorporadas nos revestimentos compósitos Cu-Nb Exp Quantidade de Nb incorporado / % vol.,,9,7, 7,35,9,7 5,,,5 5,55, A Figura 5 mostra o gráfico de Pareto dos efeitos dos fatores avaliados sobre a quantidade de partículas de Nb incorporadas. Os fatores importantes são aqueles cuja barra ultrapassa a linha em vermelho (nível-p de,5 ou 95% de grau de confiança). Se destaca como fator mais importante a concentração de partículas no banho (C), seguido da agitação da solução (B). A interação entre estes dois fatores (BxC) é também significante. A análise de variância (Tabela ) confirma o efeito significativo da concentração de partículas no banho (C), seguida da agitação da solução (B) e da interação BxC. A densidade de corrente (A) tem menos significância do que B, C e BxC e as interações AxB e AxC nenhuma significância. A Figura apresenta as superfícies de resposta da quantidade de partículas de Nb incorporadas (valores médios) em função da densidade de corrente (A), da velocidade de agitação (B) e da concentração de partículas no banho (C). Destes resultados deduz-se que a maior quantidade de partículas incorporadas é obtida nas seguintes situações: - maior densidade de corrente e menor velocidade de agitação - menor velocidade de agitação e maior concentração de partículas - maior densidade de corrente e maior concentração de partículas ou seja a melhor combinação dos fatores é: densidade de corrente (A) nível alto (), velocidade de agitação (B) nível baixo () e concentração de partículas (C) nível alto (). 38

5 Pareto dos Efeitos dos Fatores Resposta: % Partículas Incorporadas (3)C,5595 ()B -3,3 by3-3,95 ()A,989 by3,737 by -,8937 p=,5 Efeitos Padronizados Figura 5. Gráfico de Pareto dos efeitos dos fatores (A) densidade de corrente, (B) agitação da solução e (C) concentração de partículas no banho, sobre a fração volumétrica de partículas de Nb incorporadas Tabela Análise de variância para a resposta quantidade de partículas de Nb incorporadas SS df MS F p A 7,885 7,885 5,97,733 B,5,5 9,8373,577 C,383,383,993,37 AxB,5,5,358,8575 AxC,7,7,973,93 BxC 3,7 3,75 9,5799,7 Error 7,387 5,77 Total 7,93 > 8 < 8 < < < < Figura. Superfície de resposta da quantidade de partículas de Nb incorporadas em função da densidade de corrente (A) e velocidade de agitação (B), da velocidade de agitação (B) e concentração de partículas no banho (C), da densidade de corrente (A) e concentração de partículas no banho (C) O gráfico dos efeitos dos fatores (A), (B) e (C) em relação à quantidade de partículas de Nb incorporadas (Figura 7) indica que: 383

6 - a melhor combinação dos fatores é densidade de corrente (A) no nível alto (), velocidade de agitação (B) no nível baixo () e concentração de partículas (C) no nível alto () - o fator mais influente é a concentração de partículas no banho (C), seguida da velocidade de agitação (B) e depois da densidade de corrente (A). - o comportamento entre os dois níveis alto () e baixo () para os três fatores (A), (B) e (C) não é linear, já que o ponto central (ponto vermelho na Figura 7) não se encontra nos segmentos representados. Main Effects Plot for % Particulas Incorporadas Data Means A B Point Type Corner Center Mean C Figura 7. Gráfico dos efeitos dos fatores densidade de corrente catódica (A), velocidade de agitação (B) e concentração de partículas no banho (C) em relação à quantidade de partículas de Nb incorporadas A Figura 8 apresenta a evolução da rugosidade dos revestimentos compósitos Cu-Nb e de cobre puro em função da densidade de corrente catódica.enquanto a rugosidade do cobre puro é pouco influenciada pela densidade de corrente de eletrodeposição na faixa investigada ( a 3 ma cm - ), o aumento da densidade de corrente conduz a um aumento da rugosidade dos compósitos Cu-Nb. Isso é perceptível observando as superfícies dos compósitos apresentados na Figura. Do outro lado, não parece ter uma influência direta da quantidade de partículas de Nb incorporadas sobre a rugosidade dos compósitos. Por exemplo, os experimentos 5 e 7 realizados com ma cm - conduziram a revestimentos contendo 7,3 e,3 % vol. de Nb mas de rugosidade muito próxima em torno de,5 μm. Já os experimentos e 8 realizados com 3 ma cm - levaram a revestimentos contendo, e 5,5 % vol. de Nb e com rugosidade similar em torno de, μm. 7 Rugosidade Ra / μm 5 3 Cu puro Compósitos Cu-Nb Densidade de corrente / ma cm - Figura 8. Rugosidade superficial dos compósitos Cu-Nb e do cobre puro em função da densidade de corrente catódica Para saber se a incorporação de Nb levava a uma mudança na orientação cristalina da matriz de cobre em relação ao cobre puro, foi calculado o índice de orientação dos planos (), (), (), (3) e () da fase cobre para os difratogramas apresentados na Figura. O índice de orientação dos planos calculado a partir destes difratogramas é mostrado na Figura 9 em função da densidade de corrente. A Figura mostra o índice de orientação dos planos para revestimentos de cobre puro. 38

7 Índice de orientação 8 () () () (3) () 3 Densidade de corrente catódica / A cm - Figura 9. Índice de orientação dos planos cristalográficos da matriz cobre em revestimentos compósitos Cu-Nb em função da densidade de corrente catódica (compósitos dos experimentos 5, e 9) Índice de orientação 8 () () () (3) () 3 Densidade de corrente catódica / A cm - Figura. Índice de orientação dos planos cristalográficos do cobre em revestimentos de cobre puro em função da densidade de corrente catódica A incorporação das partículas de Nb ao cobre afetou a orientação dos grãos de cobre nos compósitos obtidos com densidade de corrente de e ma cm -. De fato pode-se observar que para os compósitos Cu-Nb (Figura 9) não há crescimento preferencial dos grãos de cobre na direção [] para e ma cm - como ocorreu para o cobre puro (Figura ), mas crescimento dos grãos em direção aleatória. O mesmo fenómeno foi também observado para a incorporação de partículas de TiO ao cobre (Abdullin e Saiffulin, 997). 3. Microdureza A Figura apresenta os valores de microdureza do cobre puro e dos compósitos Cu-Nb em função da densidade de corrente catódica. A microdureza de ambos os materiais aumenta com o aumento da densidade de corrente catódica provavelmente devido a um refinamento dos grãos de cobre relacionado a uma maior taxa de nucleação (Safranek, 97). A microdureza dos compósitos possui valores mais altos do que a do cobre puro e a microdureza tende a aumentar com o aumento da quantidade de partículas incorporadas (Figura ). No caso dos compósitos Cu-Nb, o aumento da microdureza com a incorporação de partículas de Nb (considerando uma mesma densidade de corrente de deposição) é principalmente devido a um refinamento dos grãos da matriz de cobre. 385

8 Cu puro Compósitos Cu-Nb Microdureza / VHN Densidade de corrente / ma cm - Figura. Microdureza do cobre puro e dos compósitos Cu-Nb em função da densidade de corrente catódica Microdureza / VHN 9 ma cm - 8 ma cm - 3 ma cm Quantidade de partículas de Nb incorporadas / % Figura. Microdureza dos compósitos Cu-Nb em função da fração volumétrica de partículas incorporadas.. CONCLUSÕES A obtenção de eletrorrevestimentos compósitos Cu-Nb em solução ácida de sulfato de cobre foi estudada utilizando um planejamento composto central com três fatores: densidade de corrente catódica, velocidade de agitação da solução e concentração de partículas de Nb no eletrólito. Depósitos de rugosidade entre e μm e com fração volumétrica de partículas incorporadas entre,7 e,9 % vol., dependendo dos níveis dos fatores, foram obtidos. Foi mostrada uma forte influência da concentração de partículas no eletrólito sobre a quantidade de partículas de Nb incorporadas. A velocidade de agitação teve também influência, porém menor, seguido da densidade de corrente com a menor influência dos três fatores. A combinação dos fatores que levou a maior quantidade de partículas incorporadas dentro dos limites investigados foi: densidade de corrente no nível alto (3 ma cm - ), velocidade de agitação no nível baixo ( rpm) e concentração de partículas no nível alto (5 g L ). Os eletrorrevestimentos compósitos Cu-Nb mostraram um crescimento dos grãos da matriz de cobre em direção aleatória para densidades de corrente de a 3 ma cm -, ao contrário do cobre puro para o qual houve orientação preferencial dos grãos na direção [] para densidades de corrente de e ma cm -. A microdureza dos compósitos foi maior do que aquela do cobre puro devido ao refinamento dos grãos da matriz de cobre com a incorporação das partículas. A microdureza dos compósitos e do cobre puro aumentou com um aumento da densidade de corrente devido também ao refinamento dos grãos de cobre. 5. AGRADECIMENTOS A. Robin agradece o CNPq pelo apoio financeiro através do auxílio Proc. 733/7-. 38

9 . REFERÊNCIAS ABDULLIN, I.A.; SAIFULLIN, R.S. The effect of electrolyte composition on structure and properties of composite electrochemical coatings with copper matrix. Prot. Met., v. 33, p. 997, 997. ARAI, S.; ENDO, M. Various carbon nanofiber-copper composite films prepared by electrodeposition. Electrochem. Comm., v. 7, p. 9-, 5. BENEA, L.; MITOSERIU, O.; GALLAND, J.; WENGER, F.; PONTHIAUX, P. Corrosion study of copper composite coating by impedance spectroscopy method. Mater. Corr., v. 5, p. 9-95,. BUELENS, C.; CELIS, J.P.; ROOS, J.R. Electrochemical aspects of the co-deposition of gold and copper with inert particles. J. Appl. Electrochem., v. 3, p. 5-58, 983. CELIS, J.P.; ROOS, J.R. Kinetics of deposition of alumina particles from copper-sulfate plating baths. J. Electrochem. Soc., v., p. 585, 977. GAN, Y.X.; WEI, C.S.; LAM, M.; WEI, X.; LEE, D.; KYSAR, J.W.; CHEN, X. Deformation and fracture behavior of electrodeposited alumina nanoparticle/ copper composite films. J. Mater. Sc., v., p , 7. GUO, D.M.; ZHANG, M.; JIN, Z.J.; KANG, R. Pulse plating of Copper-ZrB composite coatings. J. Mater. Sc. Technol., v., p. 5-58,. HAYASHI, H.; IZUMI, S.;TARI, I. Codeposition of alpha-alumina particles from acid copper-sulfate bath. J. Electrochem. Soc., v., p. 3-35, 993. HOVESTAD, A.; JANSSEN, L.J.J. Electrochemical codeposition of inert particles in a metallic matrix. J. Appl. Electrochem., v. 5, p , 995. JIN, Z.J.; ZHANG, M.; GUO, D.M.; KANG, R.K. Electroforming of copper/zrb composite coating and its performance as electro-discharge machining electrodes. Adv. Abrasive Technol. VIII, v. 9-9, p , 5. MANGAM, V.; DAS, K.; DAS, S. Structure and properties of electrocodeposited Cu CeO nanocomposite thin films. Mater. Chem. Phys., v., p. 3-35,. MEDELIENE, V.; JUSKENAS, R.; KURTINAITIENE, M.; JASKULA, M. Copper metal matrix composite Cu- TiO electrodeposited in aqueous suspensions of the nanometric size particles of anatase and rutile, Polish J. Chem., v. 78, p. 3537,. MEDELIENE, V.; KURTINAITIENE, M.; BIKULCIUS, G.; STANKEVIC, V. A study of copper coatings electrodeposited in electrolyte with a metallic powder of chromium. Surf. Coat. Technol., v., p. 3-9,. MUSIANI, M. Electrodeposition of composites: an expanding subject in electrochemical material science. Electrochim. Acta, v. 5, p ,. RAJKOVIC, V.; BOZIC, D.; JOVANOVIC, M.T. Effects of copper and Al O 3 particles on characteristics of Cu Al O 3 composites. Mater. Design, v. 3, p. 9 97,. SAFRANEK, W.H. The properties of electrodeposited metals and alloys. Amsterdam: Elsevier, 97. STANKOVIC, V.D.; GOJO, M. Electrodeposited composite coatings of copper with inert, semiconductive and conductive particles. Surf. Coat. Technol., v. 8, p. 5-3, 99. TANG, J.G.; HU, K.; FU, S.H.; QI, H.J.; JIA, Z.S.; LI, K.; PANG, H.K.; WANG, F.H. Relationship between structures of polyacrylonitrile (PAN)-copper gradient composite film and electrochemical-reaction conditions. J. Appl. Polymer Sc., v. 9, p. 595, 998. WANG, Y.L.; WAN, Y.Z.; ZHAO, Sh.M.; TAO, H.M.; DONG, X.H. Electrodeposition and characterization of Al O 3 -Cu(Sn), CaF -Cu(Sn) and talc-cu (Sn) electrocomposite coatings. Surf. Coat. Technol., v., p., 998. ZHU, L.Q.; ZHANG, W.; LIU, F.; HE, Y.H. Electrodeposition of composite copper/liquid-containing microcapsule coatings, J. Mater. Sc., v. 39, p ,. 387

10 7. DETALHES DOS AUTORES A. Robin é professor-doutor da EEL-USP e responsável pelo Laboratório de Corrosão e Tratamentos de Superfície do Departamento de Engenharia de Materiais desta unidade. J.L. Rosa é técnico especializado do Laboratório de Corrosão e Tratamentos de Superfície do Departamento de Engenharia de Materiais da EEL-USP e doutorando do curso de Engenharia Mecânica da FEG-UNESP. M.B. Silva é professor-doutor do Departamento de Engenharia Química da EEL-USP e da FEG-UNESP. Atua nas áreas de Engenharia Química e de Engenharia de Produção com ênfase em Engenharia da Qualidade. 388