ASPECTOS DA REFUSÃO SUPERFICIAL E MICRODUREZA DA LIGA EUTÉTICA Sn-0,7%Cu

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1 ASPECTOS DA REFUSÃO SUPERFICIAL E MICRODUREZA DA LIGA EUTÉTICA Sn-0,7%Cu G. R. Moreno (1), B. L. Silva (1), R. Riva (2), N. Cheung (3), J. E. Spinelli (1) (1) Departamento de Engenharia de Materiais (DEMa), Universidade Federal de São Carlos - UFSCar, Rodovia Washington Luís (SP-310), Km 235, São Carlos-SP, Brasil (2) Instituto de Estudos Avançados (IEAv), Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial (DCTA), Caixa Postal 6044, , São José dos Campos-SP, Brasil (3) Departamento de Engenharia de Manufatura e Materiais, Universidade de Campinas Unicamp, Caixa Postal 6122, , Campinas-SP, Brasil gustavo_moreno_92@hotmail.com Resumo Ligas Sn-Cu apresentam composição eutética de 0,7% (em peso) a 227 C. A refusão à Laser nessa liga e consequente solidificação rápida pode promover uma área de tratamento extremamente localizada, resultando numa economia de energia no seu processamento e numa consequente redução de custos, além de reduzir o tamanho dos intermetálicos formados. Assim, este trabalho objetiva analisar as mudanças microestruturais, geométricas e de dureza das regiões refundidas à Laser da liga Sn-0,7%Cu. As poças formadas foram caracterizadas por microscopia ótica e eletrônica, cujas imagens foram usadas para as medições de profundidade e largura, além das medidas de microdureza realizadas na base e no topo das regiões refundidas. Notou-se que quanto maior a potência e menor a velocidade (V), maiores foram as dimensões das poças. As medidas de microdureza mostraram que os maiores valores de HV estavam no centro da poça, devido às maiores velocidades de solidificação e consequente microestrutura mais refinada. Palavras-Chave: Laser, ligas Sn-0,7%Cu, Microdureza. 5842

2 1. INTRODUÇÃO A modificação superficial utilizando o Laser é uma técnica efetiva para melhorar as propriedades dos materiais. Do ponto de vista de sua aplicação no processamento dos materiais, o Laser oferece várias vantagens importantes, dentre elas podem ser citadas: i. a densidade de energia dirigida a uma certa região de um material é consideravelmente maior quando comparada com qualquer outra tecnologia. A possibilidade de alcançar temperaturas elevadas em tempos muito curtos permite processar vários tipos de materiais; ii. um feixe de Laser, na prática, permite estabelecer foco com precisão ótica. Consequentemente, o Laser é ideal para técnicas com controle automático e aplicações de processamento rápido de formas complexas [1]. Os tratamentos superficiais à Laser têm-se mostrado como processos capazes de produzir modificações estruturais que possibilitam melhorar principalmente a resistência ao desgaste e à corrosão dos materiais [2-5]. Em particular, o aumento do uso do Laser em tratamentos superficiais, deve-se a uma série de vantagens: aquecimento localizado, solidificação rápida da zona fundida, estrutura de granulação muito fina, boa homogeneidade, rugosidade controlável e fácil automatização do processo, o que não ocorre com os métodos convencionais de tratamentos superficiais. Os tratamentos superficiais à Laser que envolvem o fenômeno da solidificação, como o de refusão superficial à Laser (Laser surface remelting - LSR), constituem-se num dos meios mais eficientes de modificação localizada de propriedades mecânicas ou químicas, sem haver a necessidade de reprocessamento do material como um todo, ou seja, mantêm as características geométricas e estruturais originais da amostra ou peça submetida ao tratamento, além de minimizar defeitos superficiais como porosidade [6]. No caso da ressolidificação, que ocorre após a refusão a Laser, as altas taxas de resfriamento são obtidas devido ao resfriamento da poça de metal líquido pelo material base constituído pelo material adjacente não afetado pela fusão. O tratamento superficial a Laser se desenvolve de forma bastante localizada e está ligado diretamente à potência e dimensão do feixe incidente sobre a superfície do material. Portanto, o objetivo deste estudo é avaliar as características do eutético Sn- 0,7%Cu após a submissão à tratamentos de refusão superficial à Laser. Análises microestruturais das regiões afetadas e não afetadas pelo Laser e sua relação com os parâmetros de processo (potência e velocidade do deslocamento do Laser) serão 5843

3 discutidas. Medidas de dureza Vickers foram realizadas em ambas as regiões a fim de verificar a influência do tratamento de refusão à Laser na liga eutética Sn- 0,7%Cu. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL O processo de refusão superficial à Laser da amostra retirada do lingote Sn- 0,7%Cu solidificado direcionalmente contra chapa molde de cobre foi executado no Laboratório de Desenvolvimento de Aplicações de Lasers e Óptica (Dédalo), pertencente à Divisão de Fotônica do Instituto de Estudos Avançados (IEAv) do Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial (DCTA-São José dos Campos). Os testes de refusão superficial foram realizados utilizando-se o Laser de Yb:fibra de 2kW. O feixe de saída do Laser de Yb:fibra é injetado em uma fibra de 0,1mm de diâmetro, acoplada a um conjunto ótico de colimação e focalização de 160mm. Com isso o diâmetro do feixe no foco da lente é de 0,1mm. Neste trabalho, o feixe do Laser incidiu na superfície do material à uma distância de 2 mm além da posição focal. O perfil de distribuição de intensidade do Laser nesta posição apresenta um diâmetro de 0,26 mm como mostrado na Figura 1. O perfil foi medido com uma potência média do Laser de 200 W. Figura 1. Perfil do feixe do Laser (linha contínua em vermelho) em uma posição 2mm afastada da posição focal. A linha tracejada azul representa a integral da intensidade (potência) e as duas linhas vermelhas verticais tracejadas definem o diâmetro do feixe do Laser que contém 86% da potência disponibilizada. Após o tratamento superficial, a amostra da liga Sn-0,7%Cu foi embutida à frio em resina poliéster e lixada sequencialmente por lixas de granulometria 240, 320, 5844

4 400, 600, 1200 e 1500 mesh em lixadeiras manuais refrigeradas a água. Limpa, a amostra foi polida manualmente em uma politriz rotativa (Aropol2V Arotec), utilizando uma suspensão metalográfica de alumina de granulometria 1µm. A revelação das microestruturas foi feita mediante ataque químico da amostra em uma solução aquosa de 100 ml H 2 O, 10 ml FeCl 3 e 5 ml HCl por um tempo entre segundos. A aquisição de imagens foi realizada com o auxílio do microscópio ótico marca Olympus modelo BX41M-LED e do microscópio eletrônico de varredura marca FEI modelo INSPECT S50. As medidas de dureza Vickers (HV) foram realizadas de acordo com a Norma ASTM E As impressões foram feitas com penetrador de diamante piramidal de base quadrada com carga de 25g durante 15 segundos. O microdurômetro utilizado é da marca SHIMADZU modelo HMV-G 20ST. Foram realizadas medidas de dureza considerando cada condição estudada e cada posição pré-definida. Foram examinadas duas posições: próximo à base e próximo à superfície da poça fundida por Laser. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES As poças formadas após o tratamento de refusão superficial à Laser na liga Sn- 0,7%Cu apresentaram variação nas dimensões das poças de acordo com a potência e velocidade do Laser. No sentido de entender o efeito da velocidade de processamento Laser, foram considerados neste estudo basicamente os experimentos para 200W combinada com 4 diferentes velocidades (9,0, 6,0, 3,0 e 2,4 m/min). Processamentos com potência de 100W também foram conduzidos. Considerando aplicação de trilhas individuais. As velocidades variaram entre 9,0 e 2,4 m/min. A Figura 2 expressa a variação das medidas de profundidade e largura. Esta variação linear também foi reportada por Bertelli e colaboradores para ligas Al- Fe [7] e Zhu e coautores para ligas Zn-Al [8]. Quanto maior o tempo de contato (redução de V) entre o feixe do Laser e o metal, maiores as medidas de profundidade e largura das poças refundidas. A redução no modo de condução térmica em direção ao substrato (aumento de V) aumenta os gradientes de temperatura dentro do metal líquido, o que consequentemente provoca aumento das taxas de resfriamento. A Figura 3a comprova o aumento da poça com a diminuição da velocidade. A Figura 3b mostra a 5845

5 m diferença de escala microestrutural entre a estrutura bruta de fusão (dendrítica) e a poça refundida (estrutura eutética) para as mesmas condições de tratamento Profundidade Largura Velocidade do Laser, V (mm/s) Figura 2. Evolução da profundidade e largura das poças Sn-0,7%Cu em função da velocidade de processamento. Superfície (a) Base Vel. Laser: 6 m/min Profundidade: 310,4 µm Largura: 709,9 µm Vel. Laser: 2,4 m/min Profundidade: 450,8 µm Largura: 937,6 µm (b) Figura 3. (a) Imagens óticas da seção transversal à direção de deslocamento do feixe de Laser; (b) Interface entre o substrato (estrutura dendrítica) e a zona termicamente afetada (estrutura eutética). 5846

6 A Figura 4 apresenta imagens detalhadas da zona afetada pelo calor, obtidas por MEV. No caso da liga eutética Sn-0,7%Cu a reação eutética em condições de equilíbrio ocorre entre o intermetálico facetado de Cu 6 Sn 5 e a fase β-sn não facetada, sendo que o eutético apresenta configuração fibrosa. O substrato Sn- 0,7%Cu, no entanto, caracteriza-se pela formação de estrutura dendrítica, uma vez que a liga foi solidificada em condições fora de equilíbrio, porém com emprego de taxas de resfriamento moderadas (aproximadamente 0,8 C/s). O aumento expressivo nos valores de taxas de resfriamento durante o processamento Laser permitiu a formação de uma estrutura eutética globular de alta velocidade de solidificação. As Figuras 4a1 e 4a2 correspondem aos parâmetros P=200W/V=6,0m/min e as Figuras 4b1 e 4b2 à P=200W/V=2,4m/min. As regiões claras indicam o intermetálico Cu 6 Sn 5 envolto pela fase rica em Sn (fase escura), numa configuração típica eutética. A aparente globularidade do eutético pode ser melhor identificada na Figura 4c (100w/V=3,0m/min). (a1) (a2) Cu 6Sn 5 -Sn (b1) (b2) (c) Figura 4. Detalhamento da estrutura eutética refinada na parte superior (próxima à superfície) das poças Sn-0,7%Cu refundidas à Laser: a1,a2) P=200W/V=6,0m/min; b1,b2) P=200W/V=2,4m/min e c) P=100W/V=3,0m/min. A fim de comparar o nível de dureza nas poças e no substrato (área não refundida), ensaios de microdureza Vickers foram realizados. Assim, o valor de 5847

7 Dureza HV dureza média na região refundida foi de 14,2HV, enquanto que para região não refundida próxima à poça, que sofreu influência do calor gerado pelo Laser, o valor médio foi de 12,4HV. Quando se analisou apenas as poças refundidas, observou-se que as medidas de dureza seguem uma tendência, ou seja, quanto maior velocidade de deslocamento do feixe de Laser, maior o valor de HV (Figura 5). A velocidade de deslocamento do Laser é bastante próxima à velocidade de solidificação máxima teórica quando se considera regiões próximas à superfície da poça [9]. Essa tendência também foi comprovada por outros estudos em refusão à Laser [10,11]. Além disso, resultados de solidificação Bridgman da liga Sn-1,2%Cu apontam para inter-relações experimentais de mesma natureza, relacionando HV com V também na forma de uma equação tipo potência, porém com maior valor empregado para o multiplicador e menor valor para o expoente Sn-0,7%Cu HV = 2,5 V Laser 0, V Laser (mm/s) Figura 5. Microdureza (HV) versus velocidade de avanço do feixe de Laser. 4. CONCLUSÕES A evolução dimensional da poça fundida Sn-0,7%Cu frente à velocidade Laser demonstrou comportamento linear, o que está de acordo com trabalhos prévios de refusão superficial à Laser envolvendo outros sistemas de ligas. Uma estrutura eutética tipo globular foi obtida devido às altas velocidades de processamento, o que se distingue das estruturas convencionalmente caracterizadas para esta liga. Assim, tais estruturas proporcionaram aumento significativo dos valores de dureza quando comparadas com as estruturas dendríticas do substrato. Uma inter-relação experimental tipo potência HV x V foi 5848

8 proposta no sentido definir o comportamento de dureza da liga refundida à Laser Sn- 0,7%Cu. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1]. ORZA, M. Una introducción a las aplicaciones industriales de los láseres. Aspectos econômicos y nuevos desarrollos. Revista de Metalurgia de Madrid, v. 34, n 2, p , [2]. SOARES, E. Tratamento Superficial a Laser dos Aços AISI1045 e AISI 4340: Transformações Microestruturais e Propriedades f. (Tese de Doutorado) Faculdade de Engenharia Mecânica, Comissão de pós-graduação em Engenharia Mecânica, Departamento de Materiais e Processos, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, [3]. PEREIRA, E. Tratamento Superficial por Refusão a Laser em Aços AISI H13 e AISI f. (Dissertação de Mestrado) - Faculdade de Engenharia Mecânica, Comissão de pós-graduação em Engenharia Mecânica, Departamento de Engenharia de Materiais, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, [4]. NASCIMENTO, A. Mudanças Microestruturais e Resistência à corrosão de Aços Inoxidáveis Duplex após Tratamento Superficiais por Refusão à Laser f. (Dissertação de Mestrado) - Faculdade de Engenharia Mecânica, Comissão de pós-graduação em Engenharia Mecânica, Departamento de Engenharia de Materiais, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, [5]. CHEUNG, N. Simulação Numérica de Tratamento Superficial por Refusão à Laser: Interação Radiação Laser-Matéria e Solidificação f. (Tese de Doutorado) Faculdade de Engenharia Mecânica, Comissão de pós-graduação em Engenharia Mecânica, Departamento de Engenharia de Materiais, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2003a. [6]. VILAR, R.; COLAÇO, R.; ALMEIDA, A. Laser surface treatment of tool steels. Laser processing: surface treatment and film deposition - Nato ASI Series E: Apllied Sciences. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, v.307, p , [7]. BERTELLI, F. et al. Laser remelting of Al-1.5 wt%fe alloy surfaces: Numerical and experimental analyses, Optics and Lasers in Engineering, v. 49, p , [8]. ZHU, Y.H.; LEE, W.B. Microstructure of Laser melted Zn-Al-based alloy, Journal of Materials Processing Technology, v. 139, p , [9]. FRENK, et. al. Laser Cladd1ng With Cobalt-Based Hardfacing Alloys, Journal De Physique, v. 1, p. C7-65 through C7-68, Dec [10]. CANTÉ, M.V. et al. Numerical and experimental analysis of rapidly solidified Laser remelted Al 5wt pct Ni surfaces, International Journal of Microstructure and Materials properties, v. 5, n 2-3, p , [11]. CHEUNG, N. et al. Development and experimental validation of a numerical thermal model for the evalution of the depth of Laser treated zone in the Laser transformation hardening process, Materials Science forum, v , p , 2003b. ASPECTS OF THE SURFACE REMELTING AND MICROHARDNESS OF EUTETIC Sn-0.7wt%Cu ALLOY ABSTRACT Sn-Cu alloys show eutectic composition of 0.7wt%Cu at 227 C. The Laser Surface Remelting (LSR) in this alloy and consequent rapid solidification may decrease its melting point, resulting in energy savings in processing and a consequent reduction of cost, also reduce the size of the formed intermetallic. Thus, this study aim to analyze the microstructure changes, geometrical and hardness of the Laser remelting regions of the Sn-0.7wt%Cu alloy. The pools formed were characterized by light and scanning electronic microscopy, whose images were used for measurements of depth and width. Further, measurements of Vickers microhardness have been performed on the top and bottom of the remelting areas. It is noted that the higher the power and lower velocity of Laser beam, greater the dimensions of pools. The measurements of microhardness showed that highest values of HV were close to the surface of the remolten pool due to larger velocity of solidification and consequent finer microstructure. Keywords: Laser, Sn-0.7wt%Cu alloy, hardness. 5849