EFEITO DA MOAGEM DE ALTA ENERGIA E DA PRESSÃO DE COMPACTAÇÃO NA DENSIFICAÇÃO DE UM PÓ COMPÓSITO Nb-20%Cu

Transcrição

1 EFEITO DA MOAGEM DE ALTA ENERGIA E DA PRESSÃO DE COMPACTAÇÃO NA DENSIFICAÇÃO DE UM PÓ COMPÓSITO Nb-20%Cu F. A. da Costa 1, G. Melchiors 2, U. U. Gomes 3, A. G. P. da Silva 4, A. S. Silva Rua da Granada 117, Lagoa Nova, , Natal (RN), Brasil. francineac@yahoo.com 1 Departamento de Engenharia Mecânica, UFRN, , Natal, RN, Brasil. 2 PPGCEM, UFRN, , Natal, RN, Brasil. 3 Departamento de Física, UFRN, , Natal, RN, Brasil. 4 LAMAV-CCT, UENF, , Campos dos Goytacazes, RJ, Brasil. RESUMO A moagem de alta energia é usada para sintetizar pós compósitos Nb-Cu. Durante a moagem, partículas compósitas com fases nanocristalinas ou amorfas são formadas. Este trabalho discute o efeito da pressão de compactação na estrutura e densificação de pós compósitos Nb-20%Cu nanocristalinos. Os pós foram moídos por 2, 20, 50 e 100 horas e prensados em matriz cilíndricas sob pressões de 200, 300, 400 e 500 MPa. Eles foram sinterizados a 1100 o C e 1200 ºC sob um vácuo de 10-4 torr. A taxa usada foi de 10 o C/min. A densidade das amostras verde e sinterizada foram medidas pelo método geométrico (massa/volume). A microscopia ótica e eletrônica de varredura foi usada para observar as estruturas sinterizadas. Análise de EDS foi usada para detectar impurezas. A densidade aumenta com a elevação da pressão de compactação, mas diminui com tempos de moagem mais longos. Todavia, estruturas mais fina e mais homogênea são obtidas com moagem mais longa. Palavras-chave: Sinterização, moagem de alta energia, compósito Nb-Cu. INTRODUÇÂO A moagem de alta energia é uma técnica de não equilíbrio usada para síntese de pós compósitos. Os pós formados por partículas compósitas possuem alta homogeneidade das fases constituintes (1,2). Isto aumenta sua sinterabilidade. Pesquisas (3) sobre a sinterização de pós compósitos W-Cu mostram que o contato 3487

2 entre as partículas compósitas dentro de um compacto de pó é feito entre ambas às fases W e Cu e como a distância entre essas fases é muito curta, a fase cobre de uma partícula compósita está sempre em contato com a fase cobre da outra partícula. Durante a sinterização em estado sólido, o Cu das partículas compósitas difunde do volume dessas partículas para a superfície. Fortes contatos são formados entre estas partículas e uma rede de Cu interligado é produzida dentro da estrutura. Então, uma alta contração ocorre na estrutura e, conseqüentemente, uma densificação significante é alcançada pelo material neste estágio de sinterização. Além disso, quando o Cu funde, o líquido surge uniformemente na estrutura, produzindo um rearranjo homogêneo das partículas de W. Isto pode densificar a estrutura quase completamente (4). A moagem de alta energia produz, além da alta homogeneidade das fases, pós compósitos com fases nanocristalinas ou amorfas (5,6). Quanto menor o tamanho de partícula, mais reativas elas são e maior é a força motriz para diminuição da energia superficial livre da estrutura. Assim, pós W-Cu formados por partículas compósitas nanocristalinas densificam mais e em condições de tempo e temperatura inferiores as usadas para sinterizar pós preparados por simples mistura (7). Além disso, a formação de solução sólida de Cu no W ou de Cu no Nb e vice e versa durante a moagem de alta energia de pós de W e Cu, assim como de Nb e Cu, é reportado pela literatura (8,9). Na sinterização com fase líquida de sistemas miscíveis, três estágios (rearranjo de partículas, dissolução e precipitação e sinterização em estado sólido) contribuem para a densificação do material. Cada um desses estágios possui suas próprias características. O estágio de dissolução e precipitação é o de maior relevância para densificação desse tipo de material. Algumas vezes, o transporte de massa efetuado no referido estágio de sinterização é suficiente para fechar toda porosidade da estrutura. Por outro lado, o estágio de sinterização em estado sólido contribui muito pouco para densificação da estrutura, além de ocorrer de forma muito lenta. Então, sua atuação é, muitas vezes, indesejada devido o grande crescimento de grão produzido. No caso de sistemas mutuamente imiscíveis, assim como o sistema Nb-Cu, a falta de solubilidade dos elementos constituintes impede a atuação do estágio de dissolução e precipitação. O grande responsável pelo fechamento da porosidade, 3488

3 neste caso, é o rearranjo de partícula. Todavia, a sua atuação não é suficiente para produzir estruturas totalmente densas, principalmente, quando as estruturas são preparadas pela técnica convencional de mistura de pós. O estágio de sinterização em estado sólido também atua, mas sua contribuição é muito limitada; isto dificulta a obtenção de estruturas completamente densas quando pós dos sistemas W-Cu, Ta- Cu e Nb-Cu são sinterizados. Este trabalho discute o efeito da moagem de alta energia e da pressão de compactação na estrutura e densidade de pós compósitos Nb-20%Cu sinterizados em forno resistivo sob um vácuo de 10-4 torr. A influência da estrutura e densidade desses pós na propriedade de condutividade elétrica também é abordada. MATERIAIS E MÉTODOS Pós de Nb e Cu na razão de 20% em massa de Cu foram preparados em moinho planetário Fritsch Pulverisette 7 durante 2, 20, 50 e 100 horas. Cada pó, moído em diferentes tempos, foi compactado sob pressão de 200, 300, 400 e 500 MPa em uma matriz cilíndrica. Amostras na forma de disco com 8 mm de diâmetro e altura na faixa de 3 ±0,4 mm foram produzidas. As amostras foram sinterizadas a 1100 o C e 1200 ºC durante 60 e 30 minutos, respectivamente, em um forno resistivo sob um vácuo de 10-4 torr. A taxa de aquecimento usada foi de 10 o C/min. As medidas de densidade das amostras foram efetuadas usando o método geométrico (massa/volume). Uma ponte LCR 4262A da HEWLETT PACKARD foi usada para efetuar as medidas de condutividade elétrica das amostras sinterizadas. Duas amostras de cada pó moído e compactado sob cada pressão usada foram selecionadas para as medidas de condutividade. As amostras foram seccionadas e preparadas usando o procedimento metalográfico padrão e observadas em microscópico ótico e eletrônico de varredura. Análise de espectroscopia por energia dispersiva foi usada para detectar a presença de impurezas. RESULTADOS E DISCUSSÃO A figura 1(a-d) mostra as micrografias das estruturas dos pós Nb-20%Cu sinterizadas a 1100ºC por 1 hora. Grandes lagos de Cu (fase escura) são vistos 3489

4 entre as largas heterogeneidades de nióbio (fase clara) (Fig. 1(a)). Essa é uma estrutura típica de pós preparados pela técnica convencional de mistura de pós. Pequenos lagos de Cu e grãos de Nb mais uniformemente distribuídos são vistos na estrutura dos pós moídos por 20 horas (Fig. 1(b)). A forma e o tamanho desses grãos são diferentes das observadas nos grãos da estrutura do pó moído por 2 horas (Fig. 1(a)), assim como, a sua distribuição na fase cobre é muito mais homogênea. Uma estrutura sem heterogeneidades de Cu e com finos grãos de Nb distribuídos homogeneamente é produzida pelos pós moídos por tempos mais longos (Fig. (d)). Esses pós são formados por partículas compósitas onde a fase Nb é finamente dispersa na fase Cu. Pós formados com esse tipo de partícula possuem maior sinterabilidade (7), além de produzirem estrutura homogênea e com finos grãos. (a) (b) (c) (d) Fig. 1(a-d): Micrografias das estruturas de pós Nb-20%Cu moídos a úmido por 2(a), 20(b), 50(c) e 100(d) horas e sinterizadas a 1100ºC por 1 hora sob um vácuo de 4x10-4 torr. Os pós foram compactados sob uma pressão de 200 MPa. As figuras 2ª e 2b mostram os resultados de EDS das estruturas de um pó compósito sinterizado a 1200ºC por 30 minutos. Nenhuma contaminação é detectada quando a análise é efetuada sob uma extensa área da estrutura (Fig. 2(a)). Por outro lado, a análise de pontos brancos vistos na estrutura do pó moído por 100 horas detectou a contaminação com WC (Fig. 2(b)). O WC advém do desgaste dos corpos de moagem e das paredes do recipiente de moagem. 3490

5 (a) (b) Fig. 2(a-b): Análise de EDS da estrutura de um pó compósito Nb-20%Cu moído por 100 horas e sinterizado a 1200ºC por 30 minutos. (a) análise efetuada sob uma região da estrutura; e (b) análise sobre um pontos específico da estrutura. A figura 3(a-b) mostra a evolução da densidade relativa das amostras verde e sinterizada com o tempo de moagem e a pressão de compactação. A densidade diminui significativamente com o aumento do tempo de moagem. Isto é observado tanto para as amostras verde coma para as sinterizadas. Durante a moagem de alta energia, as partículas de ambas as fases Nb e Cu sofrem um intenso processo de deformação e fratura. É sabido que a deformação produz encruamento no material, então, quanto maior o tempo de moagem, mais encruada as partículas ficam. Além disso, o tamanho de partícula sofre uma redução significativa. Portanto, ambos os processos são fatores que contribuem para o aumento de incompressibilidade dos pós Nb-20%Cu e, conseqüentemente, para a diminuição de densidade dos pós moídos por mais longo tempo. Densidade relativa (%) Compactados verdes Tempo de moagem (h) 200 MPa 300 MPa 400 MPa 500 MPa Densidade relativa (%) Compactados sinterizados Tempo de moagem (h) 200 MPa 300 MPa 400 MPa 500 MPa Fig. 3: Densidade relativa das amostras de pós Nb-20%Cu verde (a) e sinterizados a 1100ºC por 1 hora (b) em função do tempo de moagem e da pressão de compactação. A diminuição da densidade dos pós moídos por mais longo tempo ocorre porque durante a compactação, a formação de contatos interpartículas é dificultada 3491

6 pela incompressibilidade dos pós. Por outro lado, trincas são produzidas nas amostras devido ao alívio de tensão durante a ejeção dos compactos de pós. Esta é a principal causa da baixa densidade de pós moídos por longo tempo. Como esperado, a densidade das amostras aumenta com a elevação da pressão de compactação de 200 até 500 MPa (Fig. 3(a)). Isto ocorre porque o aumento de pressão produz vínculos interpartículas mais forte e fechamento de poros, conseqüentemente, a área superficial livre da estrutura diminui e sua densidade aumenta. Durante a sinterização, os compactos de pós moídos por tempos mais longos densificam mais (Fig. 4), embora a densidade diminua. A densificação desses compactados também aumentam com a elevação da pressão de compactação. A figura 5 mostra as medidas de condutividade elétrica das amostras sinterizadas em função do tempo de moagem e da pressão de compactação. A condutividade elétrica depende da densidade do material. Como a densidade das amostras sinterizadas varia em função do tempo de moagem e da pressão de compactação, a condutividade também diminui com o aumento do tempo de moagem e aumenta com a elevação da pressão de compactação. 8,5 Densificação (%) Pressão de Compactação (MPa) 2 Horas 20 Horas 50 Horas 100 Horas Condutividade elétrica 10-5 (Ω.m) -1 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 200 MPa 300 MPa 400 MPa 500 MPa 4, Tempo de moagem (h) Fig. 4: Densificação das amostras Nb- 20%Cu sinterizados a 1100 ºC por 1 hora em função do tempo de moagem e da pressão de compactação. Fig. 5: Condutividade elétrica das amostras Nb-20%Cu sinterizados a 1100 ºC por 1 hora em função do tempo de moagem e da pressão de compactação. CONCLUSÕES Uma estrutura mais fina e homogênea é obtida quando pós Nb-20%Cu formados por partículas compósitas são usados. A densidade das estruturas dos pós 3492

7 diminui com o aumento do tempo de moagem até 100 horas e aumenta com a elevação da pressão de compactação. Pós moídos por tempos mais longos possuem maior encruamento e menor tamanho de partícula. Isto torna esses pós mais incompressíveis, dificultando sua compactação e gerando trincas que diminuem a densidade dos compactados. Apesar disso, uma estrutura com maior densificação é obtida quando pós moídos por longo tempo são usados. A condutividade elétrica é dependente da densidade, portanto, os valores de condutividade também diminuem com o tempo de moagem e aumentam com a elevação da pressão de compactação. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq pelo suporte financeiro através do projeto Proc. nº / e ao Eng. Murillo M. B. Filho pela sinterização das amostras. REFERÊNCIAS 1. COSTA, F. A.; SILVA JR, J. F.; SILVA, A. G. P.; GOMES, U. U. Composite Ta-Cu powders prepared by high energy milling. International J. of Refractory Metals & Hard Materials, n. 26, p , BOTCHAROVA, E.; FREUDENBERGER, J.; SCHULTZ, L. Cu-Nb alloys prepared by mechanical and subsequent heat treatment. Journal of Alloys and Compounds. n. 365, p , COSTA, F. A.; AMBROZIO FILHO, F.; SILVA, A. G. P. Sintering behaviour in solid state of a W-25wt%Cu composite powder prepared by mechanical alloying. Euro PM2004 PM Functional Materials, p KIM, J. C.; RYU, S.-S.; KIM, Y. D.; MOON, I.-H. Densification behavior of mechanically alloyed W-Cu powder by the double rearrangement process. Escripta Materialia, v. 39, n. 6, p , BOTCHAROVA, E.; FREUDENBERGER, J.; SCHULTZ, L. Mechanical and electrical properties mechanically alloyed nanocrystalline Cu-Ta alloys. Acta Materiali, n. 54, p , VELTL G, SCHOLZ B, KUNZE H-D. Amorphization of Cu-Ta alloys by mechanical alloying. Mat. Sci. and Eng A, n. 134, p , COSTA, F. A.; SILVA, A. G. P.; GOMES, U. U. The influence of dispersion technique on the characteristics of the W-Cu powder and on the sintering behavior. Powder Technology, n. 489, p BOTCHAROVA, E.; HEILMAIER, M.; FREUDENBERGER, J.; DREW, G.; KUDASHOW, D.; MARTIN, U.; SCHULTZ, L. Supersaturated solid solution of niobium in copper by mechanical alloying. Journal of Alloys and Compounds, n. 351, p , SURYANARAYANA, C. Mechanical alloying and milling. Progress Mat. Sci., n. 46, p ,

8 EFFECT OF THE HIGH ENERGY MILLING AND COMPACTION PRESSURE ON DENSITY OF A NB-20%CU COMPOSITE POWDER F. A. da Costa 1, G. Melchiors 2, U. U. Gomes 3, A. G. P. da Silva 4 Rua da Granada 117, Lagoa Nova, , Natal (RN), Brasil. francineac@yahoo.com 1 Departamento de Engenharia Mecânica, UFRN, , Natal, RN, Brasil. 2 PPGCEM, UFRN, , Natal, RN, Brasil. 3 Departamento de Física Teórica e Experimental, UFRN, , Natal, RN, Brasil. 4 LAMAV-CCT, UENF, , Campos dos Goytacazes, RJ, Brasil. ABSTRACT High energy milling is used to synthesize Nb-Cu powders. During milling composite particles with crystalline and amorphous phases are formed. This work reports the influence of the pressure used to compact Nb-20%Cu nanocrystalline powder on densification. The powders were milled for 2, 20, 50 and 100 hours and pressed in cylindrical dies under pressures of 200, 300, 400 and 500 MPa. They were then sintered at 1100ºC under vacuum of 10-4 torr. The heating rate used was 10ºC/min. The density of the green and sintered specimens was measured using balance and caliper. Optical and scanning electron microscopy was used to observe the sintered structures. EDS analysis was used to detect impurities. Density increases as compaction pressure increases but decreases with longer milling times. However finer and more homogeneous structures are obtained with longer milling. Key-words: Sintering, high energy milling, Nb-Cu composite 3494