Dokument: Produktanalyse beim Electrochemical Machining (ECM) von Ti-basierten Hartmetallen
| Titel: | Produktanalyse beim Electrochemical Machining (ECM) von Ti-basierten Hartmetallen | |||||||
| Weiterer Titel: | Products Analysis during ECM of Ti-based hard metals | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=8089 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20080702-152315-2 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Walther, Benjamin [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | PD Dr. Lohrengel, Manuel M. [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Kleinermanns, Karl [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | ECM, Hartmetalle, Mikroelektrochemie, Sauerstoffquantifizierung, Fluoreszenzquenching | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie | |||||||
| Beschreibungen: | Die elektrochemische Auflösung von Werkstoffen bei extrem hohen anodischen Stromdichten von bis zu einigen 100 A/cm² (ECM) ist eine effiziente Technik, um Werkstücke unabhängig ihrer Härte zu formen. ECM von Eisen und Stahl wurde in der Literatur eingehend untersucht und wird bereits vielfältig industriell angewendet.
Eine Übertragung dieses Prozesses auf Hartmetalle scheint aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften, wie z. B. ihrer extrem hohen Härte, interessant und wurde in dieser Arbeit geprüft. Die untersuchten Hartmetalle bestehen aus extrem harten Partikeln, wie zum Beispiel Carbiden, Nitriden und Carbonitriden, eingebettet in eine weichere Matrix aus Bindermetall, meist Co, Ni oder Fe. Der ECM-Prozess dieser Materialien ist sehr komplex, da sich die Bestandteile abhängig von Stromdichte und Elektrolytzusammensetzung unterschiedlich auflösen oder passivieren. Ein grundlegendes Verständnis der Auflösungsmechanismen erfordert eine separate Untersuchung der einzelnen Bestandteile der unterschiedlichen Hartmetalle. Eine quantitative Beschreibung der Reaktionen setzt dabei eine vollständige Analyse der Reaktionsprodukte voraus. Nebenreaktionen wie z. B. Sauerstoffentwicklung lassen dies aus Gewichtsverlustmessungen oder der Ladungsmenge nicht zu. Ziel dieser Arbeit war es daher, neue spektroskopische Methoden zu entwickelt, um die Oxidationsstufen der Reaktionsprodukte zu bestimmen. Dazu wurden TiC, TiN und unterschiedliche Zusammensetzungen von TiCxNy in einem speziellen Versuchsaufbau untersucht. In einer Mikrozelle konnten unter potentiostatischer Kontrolle in einer 3-Elektrodenanordnung Elektrolytgeschwindigkeiten von einigen 10 m/s erreicht werden, um Reaktionsprodukte effektiv von der Oberfläche zu entfernen. Die im Elektrolyten gelöste Titanstoffmenge wurde durch Komplexierung mit 5-Sulfosalicylsäure und anschließender UV/Vis-Spektroskopie bestimmt. Die Sauerstoffentwicklung wurde durch Fluoreszenzquenching eines Tris-(1,10-Phenanthrolin)-Ruthenium(II)-Komplexes in einer neu entwickelten Durchflusszelle quantifiziert. Die Erfassungsgrenze lag bei einigen µmol/L. Es konnte gezeigt werden, dass die Sauerstoffentwicklung auf Fe und Ni abhängig von der Stromdichte ist. Auf Cobalt konnten nur geringe Mengen an Sauerstoff detektiert werden, die unter Umständen auf Verunreinigungen zurückzuführen sind. Auf TiC, TiN und den verschiedenen TiCxNy entstand kein Sauerstoff. Aufgrund der fehlenden Sauerstoffentwicklung konnte durch Bestimmung der Titanstoffmenge und der geflossenen Ladung der Elektronenbedarf pro Formelumsatz bestimmt werden. Dadurch konnten die Reaktionsprodukte CO2, CO, NO, N2O und N2 den verschiedenen Stromdichten zugeordnet werden. Steigende Stromdichten führen zu weniger stark oxidierten Reaktionsprodukten, da die Diffusion von Wasser zur Reaktionsoberfläche eingeschränkt ist.ECM, the anodic dissolution at extremely large current densities (> 100 A/cm²), is an efficient technique to shape materials independently of their individual hardness. Since ECM of Fe is investigated detailed in literature, it is adopted in industrial applications. A transfer of this process onto hard metals seems to be interesting due to their special properties like extreme hardness and is proven in this thesis. Hard metals are composites of extremely hard particles, e.g. carbides, nitrides or carbonitrides embedded in a softer matrix of Co, Ni or Fe. ECM of these materials is complex due to the non-homogenous structure as the components dissolve or passivate differently, depending on current density and electrolyte composition. A fundamental understanding requires separate investigations of the components of these heterogeneous alloys. A quantitative description requires a complete analysis of the dissolution products. Side reactions such as oxygen evolution hinder an analysis only from weight loss or electric charge. The aim of this thesis was to develop new on-line spectroscopic methods to determine the oxidation states of the reaction products. TiC, TiN and different compositions of TiCxNy have been investigated in this thesis in an especially designed set-up: a flow through microcell under potentiostatic control in a 3-electrode arrangement with electrolyte flow up to some 10 m/s to remove products from the surface. The amount of titanium in the electrolyte was quantified as a 5-sulfosalicylic acid complex by UV/Vis spectroscopy. Oxygen evolution was detected by fluorescence quenching of a tris-(1,10-phenanthroline)-ruthenium(II)-complex in a new developed flow through cell with a detection limit of some µmol/L. It could be shown that oxygen evolution on Fe and Ni is dependent on current density. Only small amounts of oxygen could be detected on Co, which could be caused by impurities. It could also be shown, that no oxygen is evolved on TiC, TiN or the different TiCxNy. Due to absence of oxygen evolution, the need of electrons per mole could be calculated by the detected amount of titanium and the electric charge. Hence the reaction products CO2, CO, NO, N2O and N2 could be allocated to the different current densities. Increasing current densities lead to less strong oxidized reaction products, because of the limited diffusion of water to the surface. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie » Physikalische Chemie und Elektrochemie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 11.06.2008 | |||||||
| Dateien geändert am: | 11.06.2008 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 22.04.2008 | |||||||
| Datum der Promotion: | 05.06.2008 |
