NICOVER

PROIECTUL :

„Tehnologii de obtinerea a benzilor subtiri din otel cu valoare adaugata ridicata prin acoperire chimica cu aliaje de nichel si compozite in matrice de nichel” – Acronim NICOVER

Contract nr. 22 DPST / 2013

Director de proiect: Ing. Cristinel ENI

 

DATE DE IDENTIFICARE

PROGRAM: INOVARE

• PARTENERI LA EXECUTIA PROIECTULUI:

–   CONDUCATOR PROIECT: S.C. GALFINBAND S.A. GALATI

DIRECTOR PROIECT: Ing. Cristinel ENI

–   PARTENER 1: UNIVERSITATEA „DUNAREA DE JOS” din GALATI

RESPONSABIL PROIECT: Prof. dr.ing. Tamara RADU

–   PARTENER 2: ICEM – INSTITUTUL DE CERCETARI METALURGICE –

S.C. ICEM S.A. BUCURESTI

RESPONSABIL PROIECT: Ing. Vasile MIRON

• DURATA PROIECTULUI – 27 luni: 20.08.2013 – 15.11.2015

 

 OBIECTIVUL PROIECTULUI

Obiectivul proiectului este implementarea industrial a unei tehnologii si produse noi, inovative, cu valoare adaugata ridicata si cu consum redus de energie, care prezinta potential de exploatare comerciala pe piata interna si externa si care-i vor permite coordonatorului o dezvoltare socio-economica semnificativa. Proiectul isi propune obtinerea de benzi acoperite cu straturi protectoare de nichel-fosfor, nichel-fosfor aliate si acoperiri compozite in matrice de nichel, prin metoda reducerii chimice. Compozitiile chimice imbunatatite si de noutate, ale straturilor propuse prin prezentul proiect, se vor obtine utilizand diverse adaosuri in baia de nichelare si prin tratamente termice si chimice ulterioare acoperirii. Acestea vor fi corelate cu ceilalti parametri de proces (pH, conditii de agitare, temperatura, etc.). O etapa importanta din punct de vedere tehnologic va fi aceea de obtinere a unei calitati ridicate a suprafetei benzii de otel atat in procesul de laminare cat si in cel de pregatire a suprafetei deoarece la nichelarea chimica stratul urmareste fidel suprafata suportului, copiind defectele. In acest scop se vor derula cercetari privind imbunatatirea tehnologei de laminare si optimizarea proceselor de degresare si decapare a benzii de otel.

Caracterul inovativ in raport cu state-of-the-art . La nichelarea prin reducere chimica se vor cerceta si experimenta diverse solutii de nichelare si adaosuri in scopul obtinerii de straturi Ni-P, Ni-P-Me, Ni-P-MeO, Ni-P-Me1-Me2O, urmarindu-se stabilirea unor parametri optimi de proces si proiectarea unor tehnologii care sa permita obtinerea de straturi cu compozitii, structuri si proprietati inovative, care nu au facut rezultatul altor cercetari in domeniu si au caracteristici care raspund cerintelor pietii. Studiul aliajelor ternare sau complexe si a materialelor compozite si nanocompozite depuse prin aceasta metoda sunt directii de cercetare de actualitate.

Maturitatea tehnologiei Nichelarea prin reducere chimica face obiectul unor cercetari de actualitate deoarece metoda s-a dovedit a fi atractiva si in obtinerea unor produse de varf cum sunt nanomaterialele, dand totodata posibilitatea modificarii suprafetei materialelor cu obtinerea unei largi palete de proprietati si inclusiv de utilizari. Exista pe plan international firme care au reusit sa depuna straturi superficiale binare prin reducere chimica. Operatiile din fluxul tehnologic sunt cele specifice acoperirilor metalice: pregatirea suprafetei suportului, depunerea stratului, tratamente ale stratului depus cu particularitatile specifice privind baia de nichelare si tratamentul termic.

Rezultatele preconizate ale proiectului

– Benzi de otel subtiri acoperite cu staturi de protectie anticoroziva cu proprietati speciale si imbunatatite, comparativ cu straturile depuse electrolitic. Aceste straturi au rezistenta mai buna la coroziune, uzura, oboseala, avind un ciclu de viata mai lung

– Produsele astfel obtinute au segmente de piata specifice si pot reprezenta o alternativa de inlocuire a unor materiale scumpe cum este otelul inoxidabil.

 

ETAPELE PROIECTULUI

• Etapa I – Obtinerea benzilor din otel laminate la rece cu caracteristici dimensionale, de plasticitate si calitate a suprafetei corespunzatoare pentru acoperiri cu straturi protectoare.

Termen: 15.11.2013

• Etapa II - Elaborarea tehnologiei de obtinere a benzilor subtiri din otel acoperite cu aliaje de nichel si compozite in matrice de nichel prin metoda chimica. Modificarea structurii si proprietatilor straturilor de Ni-P si straturilor compozite in matrice de nichel prin tratament termic.

Termen: 15.11.2014

• Etapa III – Elaborarea documentatiei tehnice de execuţie a instalatiei pilot. Elaborarea documentatiei de prezentare a tehnologiei de obtinere a benzilor subtiri acoperite prin metoda chimica cu aliaje de Ni si compozite in matrice de nichel.

Termen: 15.11.2015

 

REZULTATE OBTINUTE

Rezultatele etapei I: 15.11.2013

In cadrul documentatiei sunt analizate in detaliu pe capitole distincte aspecte teoretice si tehnice cu privire la calitatea otelurilor destinate relaminarii in vederea obtinerii de benzi foarte subtiri destinate ambutisarii adanci sau foarte adanci. Deasemeni a fost luata in considerare si a doua etapa de procesare a acestor benzi respectiv operatii de acoperire cu un strat de protectie in vederea protejarii materialului de baza impotriva coroziunii.

Pentru aceasta a fost necesar studierea si punerea in evidenta a factoriilor ce determina calitatea finala a produselor destinate acestui segment de industrie. . Analiza acestora este destul de detaliata oferind informatii precise despre cauzele si ce influenteaza caracteristicile finale ale produselor supuse deformarii plastice la rece ale benzilor din otel foarte subtiri si nu in cele din urma a calitatii straturilor depuse.

In acest scop s-au derulat in cadrul primei etape cercetari privind imbunatatirea tehnologei de laminare si optimizarea proceselor de degresare si decapare a benzii de otel. Baza a fost atat literatura de specialitate cat si efectuarea de analize tehnice macro si microstructurale pe esantioane de banda laminata la SC GALFINBAND SA .

Astfel s-au pus in evidenta o multitudine de defecte pe produsele cercetate avand cauze multiple si foarte diverse. Concluziile acestei activitati conduc catre un proces de fabricatie cu grad ridicat de eroare in reglarea parametrilor tehnologici.

Avand in vedere defectele puse in evidenta si cerintele foarte ridicate , in special pentru aspectul suprafetei se impune ca in etapa viitoare sa se dezvolte solutii pentru elimi-narea factorilor perturbatori.din proces.

In paralel au fost studiate influenta complexa a emulsiei de laminare im timpul proce-sului de prelucrare cat si impactul asupra mediului prin efluentii produsi cu regularitate.

Asadar plecand de la aceste rezultate in etapa urmatoare se va trece la dezvoltarea unei tehnologii de acoperire chimica cu nichel, in cadrul unui proces foarte laborios de experimentari. In acelasi timp vom incerca sa eliminam cauzele care determina o calitate slaba a suprafetei de acoperit. Intrucat astfel de acoperire respecta fidel textura suprafetei va fi foarte necesar imbunatatirea semnificativa a procesului de fabricatie.

 

Rezultatele etapei II: 15.11.2014

Ideea proiectului este de a implementa industrial tehnologii si produse si noi, inovative, cu valoare adaugata ridicata si cu consum redus de energie, care prezinta potential de exploatare comerciala pe piata interna si externa si care-i vor permite coordonatorului o dezvoltare socio-economica semnificativa. Proiectul isi propune obtinerea de benzi acoperite cu straturi protectoare de nichel-fosfor, nichel-fosfor aliate si acoperiri compozite in matrice de nichel, prin metoda reducerii chimice. Compozitiile chimice imbunatatite si de noutate, ale straturilor propuse prin prezentul proiect, se vor obtine utilizand diverse adaosuri in baia de nichelare si prin tratamente termice si chimice ulterioare acoperirii. Acestea vor fi corelate cu ceilalti parametri de proces (pH, conditii de agitare, temperatura, etc.). O etapa importanta din punct de vedere tehnologic va fi aceea de obtinere a unei calitati ridicate a suprafetei benzii de otel atat in procesul de laminare cat si in cel de pregatire a suprafetei deoarece la nichelarea chimica stratul urmareste fidel suprafata suportului, copiind defectele.

In acest scop s-au derulat in cadrul etapei 2 cercetari privind imbunatatirea tehnologei de laminare si optimizarea proceselor de degresare si decapare a benzii de otel.

Scopul acestor experimentari este sa evidentieze particularitatile ecruisarii la deformare la rece a benzilor din otel de ambutisare, pornind de la materia prima, in vederea stabilirii relatiilor intre gradul de ecruisare si proprietati, precum si a posibilitatilor de imbunatatire a prelucrarii la rece prin controlul ecruisarii. Cunoasterea si controlul fenomenelor care se produc datorita ecruisarii materialului in timpul deformarii la rece, permit stabilirea unor parametri optimi ai tehnologiei de fabricatie a benzilor din otel, care sa conduca la realizarea unor produse performante din punct de vedere calitativ.

In urma experimentarilor pentru realizarea de straturi protectoare prin nichelare chimica, si a interpretarii rezultatelor din punct de vedere al compozitiei chimice, structurii, morfologiei si a unor proprietati mecanice a straturilor de aliaje Ni-P sau de compozite, ori nanocompozite realizate prin co-depunerea in matricea de Ni-P a particulelor de Al 2 O 3 de 0,3μm, respectiv de 20nm, se pot trage urmatoarele concluzii:

• Experimentarile au urmarit stabilirea parametrilor de lucru optimi in procesele de nichelare chimica pentru obtinerea unor straturi de protectie anticorosiva de Ni-P si de Ni-P cu adaosuri, in vederea imbunatatirii rezistenta la coroziune si a cresterii unor proprietati mecanice;
• Caracteristicile urmarite au fost: un aspect metalic stralucitor, aderenta ridicata, structura corespunzatoare, rezistenta ridicata la coroziune si uzura, grosime cat mai mare de strat realizata intr-un timp cat mai scurt, avand in vedere integrarea procesului de nichelare a benzilor intr-un flux continuu cu productivitate ridicata la Galfinband SA.;
• In experimentele de laborator efectuate pentru obtinerea straturilor de Ni-P s-au studiat trei bai de nichelare, avand compozitii chimice diferite, respectiv doua pe baza de sulfat si una pe baza de clorura de nichel. Baile experimentale pe baza de sulfat de nichel au condus la probe cu caracteristici optime ale stratului depus comparativ cu baia cu clorura de nichel din care au rezultat probe cu straturi de nuanta galbuie si cu rezistenta mai slaba la coroziune. tinand cont si de aspectele economice, s-a optat in final pentru solutia de nichelare cu 20-26g/L sulfat de nichel, 19-23g/L hipofosfit de sodiu, 9-15g/L acetat de sodiu, 1-3g/L acetat de plumb;
• Straturile compozite si nanocompozite au fost obtinute in baie de nichelare cu aceeasi compozitie chimica, in care s-a adaugat alumina de inalta puritate (99,98%) in diferite proportii, respectiv: 3g/L, 5g/L si 8g/L . Cantitatea de alumina micrometrica inglobata in matricea de Ni-P este mica si relativ apropiata pentru cantitatile mai mici de microparticule introduse in electrolit, respectiv de 3g/L si 5g/L, fata de 8g/L la care gradul de inglobare este cu 60,3% mai mare. Gradul de includere si de dispersie al aluminei nanometrice este semnificativ mai bun fata de cea de dimensiuni micrometrice si depinde mai putin de cresterea continutului de alumina in electrolit si de durata de imersie;
• In experimentarile efectuate la nivel de laborator s-au testat diferite valori ale pH-ului, avand ca punct de referinta pH-ul solutiei de nichelare proaspete, adica valoarea 6,67 si care a variat pana la un pH minim de 3,5. Valoarea pH-ului scade rapid in cursul procesului de nichelare necesitand corectari periodice;
• Pentru reglarea pH-ului la nivelul dorit se poate utiliza acid acetic si hidroxid de sodiu;
• Prin varierea pH-ului solutiei de nichelare chimica, au fost obtinute straturi cu continuturi diferite de fosfor, care au variat intre 4,84 si 12,42%P, rezultand implicit caracteristici diferite;
• Cresterea grosimii de strat este determinate de cresterea vitezei reactiei de reducere a nichelului, la cresterea pH-ului solutiei de nichelare. Scaderea valorii pH-ului sub 4, conduce la scaderea semnificativa a grosimii de strat, procesul de depunere devenind foarte lent;
• Cresterea temperaturii solutiei de nichelare favorizeaza obtinerea unor depozite consistente si de inalta calitate. Temperaturi de lucru peste 90 0 C nu sunt recomandate deoarece conduc la descompunerea baii de nichelare iar la temperaturi prea scazute, sub 65 0 C , depunerea nichelului este foarte lenta. Indicam o temperatura optima de lucru de 80- 85 0 C ;
• Agitarea baii este necesara pentru inlaturarea H2 astfel c a testele privind influenta vitezei de rotatie au fost analizate pornind de la o viteza de rotatie de 100 rot/min pana la 700 rot/min. In urma experiment a rilor efectuate, s-a optat pentru viteza de rotatie de 300 rot/min pentru straturile Ni-P si de 600 rot/min pentru straturile compozite. Industrial este indicata barbotarea cu aer sub presiune care determina un randament mai bun de scoatere a H 2 din baia de nichelare;
• Pe benzi foarte subtiri din otel ( 0,4 mm ) cu suprafata fina si cu rugozitate scazuta, chiar si straturile subtiri depuse, de 2 m m, sunt uniforme comparative cu depunerile pe suprafete rugoase care la grosimi mici de strat urmaresc fidel profilul suportului de otel;
• S-a constatat o foarte buna aderenta a straturilor evidentiata printr-o interfata continua intre strat si suport;
• Principalul factor care afecteaza aderenta este modul de pregatire al suprafetei. Daca suprafata probelor nu a fost corect pregatita, intre suport si strat de acoperire realizat prin nichelare chimic a apar goluri si discontinuit a ti care denota o aderenta slaba sau o lipsa de aderenta;
• Analiza SEM a morfologia suprafetei acoperirilor de Ni-P este diferita si confirma o dependenta certa de continutul de fosfor astfel: acoperirile de Ni-P cu un continut scazut de P, prezinta o suprafata cu particule sferice (nodule, cupole) de dimensiuni diferite iar acoperirile cu aliaje Ni-P cu un continut ridicat de P sau aliajele Ni-P cu un continut mediu de P prezinta o suprafata neteda cu particule de dimensiuni uniforme;
• La acelasi continut de fosfor se observa ca grosimea de strat si gradul de finisare al suportului de otel influenteaza aspectul suprafetei depunerilor. Straturile subtiri, obtinute la durate mici, lasa sa se observe usor rizurile initiale de pe suportul de otel. Se mai poate observa de asemenea ca si la grosimi mari de strat probele cu Ni-P si un continut mediu de P si la probele cu Ni-P dar un continut ridicat de P ramane o dispunere in siruri a depunerii corespunzatoare rizurilor benzii de otel suport;
• Co-depunerea particulelor de alumina in matricea de Ni-P schimba aspectul suprafetei care pierde din stralucire si din netezime;
• Structura straturilor Ni-P depinde de mai multi factori care actioneaza in procesul de depunere, depunerile pot fi spongioase, cu porozitate mare, fibroase functie de compozitia baii de nichelare. Daca baia nu este suficient complexata sau stabilizata se formeaza structuri spongioase. Analiza in sectiunea de rupere a structurii straturilor Ni-P, obtinute in baia de nichelare selectata, releva o structura fibroasa relativ compacta;
• Analiza XRD a straturilor Ni-P evidentiaza structuri dezordonate, cu o mare densitate de dislocatii similare celor amorfe. Aceasta dezordine se accentueaza la cresterea continutului de fosfor cand difractograma devine practic liniara;
• Pentru straturile compozite cu Al 2 O 3 de 0,3 μm rezultatele analizei EDX au aratat in primul rand un continut mai mic de P in acoperire fata de cel obtinut in aceleasi conditii de lucru dar in absenta Al 2 O 3 , in al doilea rand s-a constatat o crestere a continutului de P in acoperire la cresterea continutului de Al 2 O 3 in baia de nichelare si implicit in strat;
• Analiza EDX a straturilor nanocompozite a aratat, similar acoperirii compozite, un continut mai mic de P in acoperire fata de cel obtinut in aceleasi conditii de lucru dar in absenta Al 2 O 3 .
• Comparativ insa cu straturile compozite s-a constatat o crestere mult mai mica a continutului de P in acoperire la cresterea continutului de Al 2 O 3, datorat probabil, unei incorporari si dispersii mult mai bune in strat a particulelor de alumina nanometrica. Pentru aceste straturi continutul de P a fost de aprox. 8%;
• Analiza difractometrica a straturilor nanocompozite arata o structura semicristalina, picul de difractie pentru Ni fiind aplatizat; rezulta ca prin prezenta in cantitate mai mare a particulelor nanometrice se impiedica cresterea dezordinii data de un continut mare de P si se pastreaza zone cristaline alaturi de cele amorfe;

Asadar plecand de la aceste rezultate in etapa urmatoare se va trece la dezvoltarea unei tehnologii de acoperire chimica cu nichel , in cadrul unui proces foarte laborios de experimentari. In acelasi timp vom incerca sa eliminam cauzele care determina o calitate slaba a suprafetei de acoperit. Intrucat astfel de acoperire respecta fidel textura suprafetei va fi foarte necesar imbunatatirea semnificativa a procesului de fabricatie.

Rezultatele etapei III: 15.11.2015 ( in curs de executie)