Effect of Current Density and ZrO 2 Concentration on the Microstructure, Mechanical and Tribological Properties of Electro- co-deposited Cu-ZrO 2 Composite Coatings

O cobre é um metal no qual os engenheiros confiam há séculos porque transporta eletricidade e calor com uma facilidade notável. É a espinha dorsal da fiação elétrica e dos sistemas de resfriamento em motores, sendo valorizado por sua capacidade de conduzir energia de forma eficiente. No entanto, o cobre possui uma fraqueza significativa: é relativamente macio. Em ambientes onde as peças se atritam ou enfrentam condições severas, o cobre puro desgasta-se rapidamente, limitando sua durabilidade. Para resolver isso, cientistas frequentemente tentam fortalecer o cobre misturando pequenas partículas duras, criando um material compósito que mantém a condutividade do cobre enquanto ganha a resistência das cerâmicas. Uma dessas cerâmicas é o dióxido de zircônio, uma substância conhecida por sua dureza e estabilidade. O desafio reside em descobrir exatamente como misturar esses dois materiais. O processo de união envolve uma corrente elétrica que puxa o metal e as partículas de uma solução líquida para uma superfície, mas a velocidade dessa corrente e a quantidade de partículas no líquido podem alterar dramaticamente o resultado final. Se a mistura estiver errada, as partículas podem se agrupar ou falhar em aderir, deixando o revestimento fraco e irregular.

Pesquisadores da Universidade de Amity e da Gayatri Auto Industries estabeleceram o objetivo de encontrar a receita perfeita para esta mistura. Eles focaram em revestir placas de aço inoxidável com uma camada de cobre reforçada com nanopartículas de dióxido de zircônio. O objetivo era observar como a alteração de duas variáveis específicas — a quantidade de dióxido de zircônio no banho líquido e a intensidade da corrente elétrica usada para depositar o revestimento — afetaria o produto final. Eles prepararam um banho líquido contendo sulfato de cobre e adicionaram partículas de dióxido de zircônio em quatro concentrações diferentes: 25, 50, 75 e 100 miligramas por litro. Para cada uma dessas concentrações, realizaram o processo de eletrodeposição em duas intensidades de corrente diferentes: 3 e 4 amperes por decímetro quadrado. Eles mantiveram todo o resto, como a temperatura e o tempo que as partes passaram no banho, exatamente iguais. Ao testar os revestimentos resultantes, puderam observar como a estrutura interna, a dureza, a capacidade de resistir ao desgaste e a qualidade da adesão do revestimento ao metal mudavam com esses ajustes.

Quando a equipe examinou a superfície dos revestimentos sob um microscópio potente, observou uma diferença clara baseada na quantidade de partículas adicionadas. Os revestimentos feitos com a menor quantidade de dióxido de zircônio pareciam cristais rugosos, em forma de pirâmide, com grandes lacunas entre eles. À medida que aumentavam a quantidade de partículas para 50 e 75 miligramas por litro, a superfície tornava-se muito mais lisa e compacta, com os grãos de metal tornando-se significativamente menores e mais densos. As partículas atuavam como pequenas âncoras que impediam o crescimento excessivo dos grãos de metal, criando uma estrutura mais densa. No entanto, quando elevaram a concentração para 100 miligramas por litro, as partículas começaram a se agrupar, criando irregularidades na superfície. A força da corrente elétrica também desempenhou um papel; a corrente mais alta geralmente ajudava a atrair mais partículas para o revestimento e criava uma estrutura de grãos mais fina, mas apenas se as partículas estivessem bem dispersas no líquido.

Os testes físicos confirmaram que essas mudanças estruturais eram importantes. Os pesquisadores mediram a dureza dos revestimentos pressionando uma pequena ponta de diamante contra a superfície. Descobriram que adicionar mais dióxido de zircônio tornava o revestimento mais duro, sendo que a amostra mais dura atingiu 125 na escala de dureza quando feita com 100 miligramas de partículas e a corrente mais alta. Contudo, a dureza não era o único objetivo. Eles também testaram o quão bem os revestimentos resistiam ao desgaste, esfregando um pino de aço contra eles sob uma carga específica. Aqui, os resultados mostraram um ponto ideal. Embora o revestimento mais duro tenha sido feito com o maior número de partículas, o revestimento que perdeu menos material durante o teste de fricção foi o feito com 75 miligramas de dióxido de zircônio na corrente mais alta de 4 amperes por decímetro quadrado. Esta amostra perdeu apenas 2,17 milímetros cúbicos de material, o menor valor registrado. Os pesquisadores observaram que o revestimento com 100 miligramas de partículas na verdade sofreu um desgaste ligeiramente maior do que a versão de 75 miligramas, provavelmente porque o agrupamento de partículas criou pontos fracos que se desprenderam durante o teste.

Finalmente, a equipe verificou a força com que o revestimento aderia ao aço inoxidável subjacente. Um revestimento que é duro, mas descasca facilmente, é inútil. Eles puxaram o revestimento até que ele se desprendesse para medir a força necessária para tal. A adesão foi mais forte na concentração de 75 miligramas, onde o revestimento resistiu com uma força de 26,8 megapascais. Na concentração mais alta de 100 miligramas, a força de adesão caiu ligeiramente, sugerindo novamente que o agrupamento de partículas criou pontos fracos onde o revestimento poderia se separar do metal. O estudo concluiu que, embora o aumento da quantidade de partículas tornasse o cobre mais duro, o melhor desempenho geral veio de uma abordagem equilibrada. A condição ideal para criar um revestimento de cobre-dióxido de zrcônio que seja duro, resistente ao desgaste e fortemente ligado ao metal foi encontrada ao ser uma concentração de 75 miligramas de dióxido de zircônio por litro combinada com uma densidade de corrente de 4 amperes por decímetro quadrado. Esta combinação específica proporcionou a distribuição mais uniforme de partículas, a estrutura de grãos mais compacta e a melhor proteção contra o desgaste, oferecendo um caminho claro para melhorar a durabilidade de componentes de cobre em aplicações exigentes.