LIGAS COM MEMÓRIA DE FORMA OBTIDAS PELO PROCESSO PLASMA SKULL

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1 CONAMET/SAM 2006 LIGAS COM MEMÓRIA DE FORMA OBTIDAS PELO PROCESSO PLASMA SKULL Carlos José de Araújo 1*, Antonio Aristófanes da Cruz Gomes 1, Niédson José da Silva 1, Marcos Mesquita da Silva 1, Jobson Alberto da Silva 1, Marco Antonio dos Santos 1 e Cezar Henrique Gonzalez 2 1 Universidade Federal de Campina Grande, Departamento de Engenharia Mecânica, Av. Aprígio Veloso 882, Caixa Postal: 10069, Campina Grande - PB, CEP , Brasil 2 Universidade Federal de Pernambuco, Departamento de Engenharia Mecânica, Av. Acadêmico Hélio Ramos s/n, Cidade Universitária, Recife-PE, CEP , Brasil. * carlos@dem.ufcg.edu.br RESUMO Este trabalho tem por objetivo geral analisar a viabilidade de obtenção de ligas de cobre e titânio com memória de forma utilizando fusão a plasma. Ligas Cu-Al-Ni, Cu-Al-Mn e Ti-Ni foram obtidas diretamente a partir dos metais comercialmente puros para uma carga total correspondente a 30 gramas. Os metais puros na forma de pequenas barras são empilhados em ordem crescente de ponto de fusão em um recipiente de cobre e uma tocha de plasma rotativa realiza a fusão. São realizadas cinco fusões consecutivas para garantir uma boa homogeneidade das ligas. Para verificar a existência da transformação martensitica reversível que dá origem ao fenômeno de memória de forma foram realizadas medidas de variação de resistência elétrica em função da temperatura. Para complementar esta caracterização, análises por microscopia ótica e microdureza foram também realizadas. Os resultados de resistência elétrica em função da temperatura confirmaram a presença da transformação martensítica ocorrendo a temperaturas bastante próximas daquelas previstas pela literatura, demonstrando assim a viabilidade de utilização da tecnologia Plasma Skull para obtenção de ligas binárias, ternárias e quaternárias com a propriedade de memória de forma.

2 1. INTRODUÇÃO Ligas com memória de forma (LMF) são materiais metálicos funcionais que podem responder a uma variação de temperatura produzindo uma deformação macroscópica importante. Estas ligas metálicas especiais são majoritariamente de duas famílias: ligas de cobre (Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, CuAl-Mn,...) e ligas de titânio (Ti-Ni, Ti-Ni-Cu, TiNi-Fe,...). abricação destes materiais é realizada utilizando os mais diversos processos, como fusão por indução ao ar ambiente, fusão por indução sob vácuo (Vacum Induction Melting VIM) [1], fusão por feixe de elétrons (Electron Beam Melting EBM) [2], metalurgia do pó [3], solidificação rápida (principalmente a técnica Melt-Spinning) e moagem mecânica (Mechanical Alloying) [4-6]. Por outro lado, existem poucas informações sobre a aplicação de processos que utilizem a tecnologia de fusão a plasma para a preparação destas ligas [7]. A influência de algumas técnicas de fusão na obtenção de LMF Ni-Ti foram discutidas por Russel [8]. Este trabalho tem por objetivo geral analisar a viabilidade de obtenção de ligas com memória de forma binárias, ternárias e quaternárias, a base de cobre e de titânio, utilizando fusão a plasma. A técnica utilizada foi à fusão pelo método plasma skull push pull em que o metal é fundido sobre uma fina camada dele mesmo em um recipiente de cobre e depois injetado em um molde cilíndrico de alumínio. Ligas Cu-Al-Ni, Cu-Al-Mn e Ni-Ti foram obtidas diretamente a partir dos metais comercialmente puros para uma carga total correspondente a 30 gramas. A transformação martensítica termoelástica das ligas obtidas assim como suas microestruturas foram analisadas utilizando, respectivamente, técnicas de variação de resistência elétrica em função da temperatura, microscopia ótica e microdureza Vickers (HV). 2. MATERIAIS E MÉTODOS A viabilidade do processo de fusão a plasma pelo método skull push-pull para a fabricação de ligas com memória de forma foi testada usando o equipamento Discovery Plasma, fornecido pela empresa brasileira EDG Equipamentos e Controles. A Tabela I resume a composição das ligas utilizadas neste trabalho. Tabela I. LMF obtidas pela técnica Plasma Skull. Liga Composição nominal (% em peso) A 84,1Cu-11,8Al-4,1Mn B 82,5Cu-13,5Al-4,0Ni C 82,5Cu-13,2Al-4,0Ni-0,3Mn D 55Ni-45Ti igura 1 revela a sequência de obtenção de LMF pela técnica plasma skull push-pull. Inicialmente os elementos puros são empilhados em um cadinho de cobre em ordem decrescente de ponto de fusão, como mostra a figura 1. Um eletrodo rotativo de tungstênio uma tocha de plasma em atmosfera de argônio, conforme mostra a figura 1, que leva a fusão dos elementos puros formando o botão de LMF mostrado na figura 1(c). Alternativamente, a liga fundida pode ser injetada em um molde de alumínio levando a obtenção de uma pastilha cilíndrica, conforme mostra a figura 1(d). Em todos os casos, antes da injeção para formação da pastilha da figura 1(d), a liga em estudo é fundida 5 vezes para atingir uma melhor homogeneidade do produto final. (d) (c) Figura 1. Processo de fusão a plasma pelo método skull push-pull. Elementos puros empilhados no cadinho de cobre. Tocha de plasma. (c) Botão de LMF após fusão. (d) Pastilha obtida pela injeção do botão fundido em molde metálico. As ligas enumeradas na tabela I foram submetidas a um tratamento térmico de betatização a 900ºC por 15 minutos seguido de têmpera em água a temperatura ambiente para obter a transformação martensítica reversível que origina os fenômenos de memória de forma. Visando identificar as microestruturas formadas nas ligas da tabela I após têmpera, foram realizados exames metalográficos utilizando o analisador de imagens marca Olimpus, modelo BX51M. Os ensaios de microdureza foram realizados em um microdurômetro marca FutureTech, modelo FM-700. Esses ensaios foram feitos com uma carga de 300 gf e tempo de penetração de 15 segundos. As medidas de variação de resistência elétrica em função da temperatura foram realizadas utilizando um equipamento desenvolvido no Laboratório Multidisciplinar de Materiais e Estruturas Ativas (LaMMEA) da UFCG [9].

3 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES 3.1. Liga A (Cu-Al-Mn) igura 2 mostra a microestrutura da liga ternária Cu-Al-Mn (liga A) obtida de acordo com a sequência da figura 1. igura 2 mostra a microestrutura da pastilla bruta de processamento pela técnica plasma skull push-pull enquanto a figura 2 revela o aspecto microestrutural após o tratamento de betatização seguido de têmpera em água. A análise da figura 2 revela a presença de plaquetas de martensita tanto na amostra bruta de processamento quanto naquela tratada térmicamente. B apresenta transformação de fase tanto na condição bruta como após tratamento de betatização seguido de têmpera. igura 3 mostra as curvas de resistência elétrica (R) em função da temperatura (T) para a liga A nestas condições. Uma comparação entre as curvas de transformação das figuras 3 e 3 permite constatar que, além da diferença de forma dos laços de histerese R T, as temperaturas de transformação determinadas pelo método das tangentes são menores para a amostra temperada em água. Em geral, uma diminuição de tamanho de grão em microestruturas martensíticas de LMF leva a uma redução das temperaturas de transformação [7]. 4,9x10-7 4,9x10-7 4,8x10-7 4,8x10-7 = 86,4 C = 119,1 C = 104,5 C 4,8x10-7 = 56,9 C 4,7x Resistencia elétrica!) ( 4,6x10-4 4,4x10-4 4,2x10-4 4,0x10-4 3,8x10-4 =106,0 C =132,5 C 3,6x10-4 =132,5 C =151,3 C 3,4x Figura 2. Microscópia ótica da liga A. Bruta de processamento por plasma. Após tratamento de betatização e têmpera. No entanto, uma comparação entre as figuras 2 e 2 revela que o tratamento térmico causa aumento do tamanho de grão. O tamanho médio de grão da liga bruta (figura 2a) é da ordem de 100 µm e após tratamento térmico (figura 2b) esse valor aumenta para 400 µm. Em termos de dureza, não se constatou diferença entre os valores obtidos para as microestruturas martensíticas da amostra bruta (199,8±19,5 HV) em comparação com aqueles da amostra temperada (204,5±13,7 HV). A presença de plaquetas de martensita no interior dos grãos como revela a figura 2 indica que a liga Figura 3. Variação de resistência elétrica em função da temperatura para a liga A. Bruta de processamento por plasma. Após tratamento de betatização e têmpera Liga B (Cu-Al-Ni) igura 4 mostra a microestrura martensítica da liga ternária Cu-Al-Ni após tratamento de betatização seguido de têmpera em água (fig. 4a) assim como o laço de histerese R T correspondente à transformação de fase dessa liga (fig. 4b). Uma comparação entre as figuras 4 e 2 revela que o tamanho de grão da liga Cu-Al- Ni após tratamento térmico é ligeiramente superior aquele da liga Cu-Al-Mn. A dureza média da microestrutura martensítica da figura 4 situou-se em torno de 236,1±12,3 HV, também superior aquele da liga Cu-Al-Mn.

4 Em um trabalho anterior [10] essa mesma liga foi obtida via fusão ao ar em forno de indução e depois reprocessada pela técnica plasma skull push-pull. Os resultados de tamanho de grão e dureza são compatíveis com os apresentados neste trabalho, no entanto as amostras reprocessadas por plasma apresentaram temperaturas de transformação superiores ( = 99,4 o C e = 105,3 o C) aquelas da figura 4. Isso se deve ao fato de que durante a primeira fusão ao ar em forno de indução ocorre oxidação dos elementos de liga que leva a uma redução do teor de alumínio e, por conseqüência, a um aumento das temperaturas de transformação [11]. correspondente à transformação de fase dessa liga (fig. 5b). Verifica-se claramente na figura 5 a presença de plaquetas de martensita semelhantes aquelas das ligas A (figura 2b) e B (figura 4a). Essa microestrutura apresentou dureza de 209,7±19,5 HV, claramente inferior a da liga B (236,1±12,3 HV) e da mesma ordem de grandeza daquela da liga A (204,5±13,7 HV), indicando uma melhoria de ductilidade pela adição do Mn em substituição ao Al. 1,3x10-4 1,3x10-4 1,1x10-4 1,1x10-4 = 69,1 C = 83,0 C =80,1 C = 90,9 C 1,0x Figura 4. Características da liga B após tratamento térmico. Microestrutura martensítica observada por microscopia ótica. Variação de resistência elétrica em função da temperatura Liga C (Cu-Al-Ni-Mn) A ductilidade das LMF Cu-Al-Ni diminui significativamente com um pequeno aumento do teor de Al. Contudo, a substituição do Al pelo Mn melhora substancialmente a ductilidade sem levar a modificações importantes nas temperaturas de transformação [7]. Neste contexto, a liga C corresponde a uma modificação da liga B pela adição de 0,3% de Mn em substituição ao Al. A figura 5 mostra a microestrutura martensítica da liga quaternária Cu-Al-Ni-Mn após tratamento de betatização seguido de têmpera em água (fig. 5a) assim como o laço de histerese R T 1,6x10-4 1,6x10-4 1,5x10-4 1,5x10-4 1,4x10-4 1,4x10-4 1,3x10-4 =71,1 C =83,8 C =82,5 C =92,4 C Figura 5. Características da liga C após tratamento térmico. Microestrutura martensítica observada por microscopia ótica. Variação de resistência elétrica em função da temperatura Liga D (Ni-Ti) A técnica plasma skull push pull é especialmente importante na fabricação das LMF Ni-Ti, pois a fusão ocorre em atmosfera protetora de argônio. Para testar essa técnica foi escolhida a composição equiatômica que leva a composição nominal em peso da tabela I. igura 6 mostra a microestrutura Ni-Ti após tratamento de betatização seguido de têmpera em água (fig. 6a) assim como o laço de histerese R T correspondente à transformação de fase dessa liga (fig. 6b). igura 6 não evidencia a presença de plaquetas de martensita na LMF Ni-Ti como no caso das LMF de base cobre, porém a microestrutura é bastante semelhante aquela revelada em microscopia ótica por Chang et al

5 [12]. igura 6 revela que a transformação martensítica reversível nessa liga ocorre em duas etapas. Durante o inicia-se a transformação austenita (B2) fase R a temperatura R s, responsável pelo aparecimento de um pico de resistência elétrica, e posteriormente a fase R se transforma na estrutura martensítica monoclínica B19 a temperatura = 31 o C. Durante o ocorre a transformação reversa martensita austenita que causa apenas uma inflexão na curva R T. Essa característica evidenciada pela figura 6 é típica das LMF Ni- Ti [7,13]. martensítica termoelástica reversível que origina os fenômenos de memória de forma. 5. AGRADECIMENTOS Ao CNPq pelo financiamento dos projetos correspondentes aos processos / (CT-ENERG) e / (CT-PETRO). Um agradecimento especial é dedicado ao apoio do PRH-25 da ANP/UFCG pela concessão de bolsas de graduação aos autores Niédson José da Silva e Marcos Mesquita da Silva. 6. REFERÊNCIAS 1. Frenzel, J., Zhang, Z., Neuking, K., Eggeler, G. Journal of Alloys and Compounds, 385 (2004) Otubo, J., Rigo, O.D., Moura Neto, C., Mei, P.R. Materials Science and Engineering A, accepted for publication. 3. Zhu, S.L., Yang, X.J., Hu, F., Deng, S.H., Cui, Z.D. Materials Letters 58 (2004) ,4x10-3 1,4x10-3 1,3x10-3 1,3x10-3 1,2x10-3 1,2x10-3 = 18,1 o C = 31,0 o C R s = 38,2 o C = 52,0 o C 1,1x Figura 6. Características da liga D após tratamento térmico. Microestrutura observada por microscopia ótica. Variação de resistência elétrica em função da temperatura. 4. CONCLUSÕES Neste trabalho foi analisada a viabilidade de aplicação da técnica plasma skull push pull para a fabricação de ligas binárias, ternárias e quaternárias passíveis de apresentar propriedades de memória de forma. Os resultados obtidos demonstraram que tanto ligas binárias da família Ti-Ni quanto ligas ternárias e quaternárias da família Cu-Al podem ser obtidas com sucesso por esta técnica. Os ensaios de resistência elétrica em função da temperatura mostraram que todas as ligas estudadas apresentam a transformação 4. Tang, S. M., Chung, C. Y., Liu, W. G. Journal of Materials Processing Technology, 63 (1997), Li, Z., Pan, Z.Y., Tang, N., Jiang, Y.B., Liu, N., Fang, M., Zheng, F. Materials Science and Engineering A, 417 (2006) Lojen, G., Anzel, I., Kneissl, A., Krizman, A., Unterweger, E., Kosec, B., Bizjak, M. Journal of Materials Processing Technology, (2005) Otsuka, K., Wayman, C.M., Shape Memory Materials, 1ª ed. Cambridge University Press, Cambridge, UK, 284 p. 8. Russel, S. M., SMST-2000 Conference Proceedings, 2001, Reis, R. P. B., de Araújo, C. J., Silva, L. A. R., Queiroga, S. L. M., IV Congresso Nacional de Engenharia Mecânica (CONEM 2006), Recife PE, Brasil, 2006, Silva, M. M., Silva, N. J., Santos, M. A., de Araújo, C. J., 61 º Congresso Anual da Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, Rio de Janeiro RJ, Brasil, 2006, Queiroga, S. L. M., Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, UFCG, Campina Grande PB, Brasil, 2006, 77p. 12. Chang, S. H., Wu, S. K., Chang, G. H.,

6 Scripta Materialia, 52 (2005) Otsuka, K., Ren, X., Progress in Materials Science, 50 (2005)