CONFORMAÇÃO ELETROMECÂNICA DE VIDROS METÁLICOS

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1 CONFORMAÇÃO ELETROMECÂNICA DE VIDROS METÁLICOS M.F. de Oliveira*, W.J. Botta F.**, C S. Kiminami**, C. Bolfarini**, A.M. Jorge Jr**, M.J.Rodrigues** e A.R. Yavari*** Rua Alexandre R. Barbosa, 45, , Itatiba, SP. marcelo.oliveira@saofrancisco.edu.br *Universidade São Francisco ** Universidade Federal de São Carlos *** Institut National Polytechnique de Grenoble, França Nos últimos dez anos significativos avanços tem sido realizados no desenvolvimento de novas ligas metálicas vítreas. Essas ligas apresentam a característica, durante o aquecimento, de possuírem um significativo intervalo de temperaturas entre a temperatura de transição vítrea (Tg) e a temperatura de cristalização (Tx). Isto implica num intervalo de temperaturas, ou tempo, em que o material se comporta como um líquido, no caso um líquido super-resfriado. Nesse intervalo a viscosidade do material está em torno de Pa.s permitindo sua conformação, como ocorre com os vidros tradicionais de óxidos. Fazendo uso dessa característica e da elevada resistividade dessas novas ligas vítreas em relação aos metais tradicionais desenvolveu-se recentemente um processo eletromecânico que permite a conformação, incluindo soldagem desses materiais. O processamento eletromecânico permite a rápida conformação reduzindo de forma eficaz o risco de cristalização pela exposição prolongada do material a altas temperaturas além de indesejável oxidação. No presente trabalho os principais resultados são apresentados. Alguns exemplos são, a impressão de metais vítreos, soldagem entre peças metálicas vítreas ou união entre peças metálicas vítreas e policristalinas tradicionais, produção de superfícies compósitas pela introdução de materiais duros como W além de litografia e microlitografia. Palavras-Chaves: Vidros Metálicos, Conformação, Líquido Super- Resfriado INTRODUÇÃO Além das excelentes propriedades mecânicas e químicas [1] os vidros metálicos tem grande potencial tecnológico devido ao intervalo de líquido super-resfriado que apresentam durante o aquecimento, T x, Neste caso, T x = T x T g, onde T x é a temperatura de início da cristalização e T g é a temperatura de transição vítrea antes da cristalização. Esse intervalo de temperatura do líquido super -resfriado pode atingir valores tão altos quanto 90 K [2]. Devido a essa característica esse materiais metálicos podem ser conformados fazendo uso do fluxo viscoso que ocorre com o líquido super -resfriado. Elongação excedendo %, por exemplo, pode ser alcançada [3] além da produção de peças de precisão praticamente sem mudança dimensional devido à quase ausência de contração do estado de líquido super-resfriado para o estado vítreo. Recente mente desenvolveu-se o processamento eletromecânico desses materiais possibilitando a junção de metais vítreos ou metais vítreos e policristalinos convencionais, a conformação, a produção de compósitos, a litografia e a [4-6]. O uso de corrente elétrica (contínua ou pulsada) para o processamento de metais vítreos não é novo. Em oposição aos processos convencionais de aquecimento por condução, convecção ou radiação, o aquecimento devido à passagem de corrente (efeito Joule) não necessita da transferência de energia térmica da fonte para a amostra a ser aquecida. O calor é gerado diretamente na amostra pela passagem da corrente. Os vidros metálicos, por outro lado, podem se deformar de maneira homogênea, de maneira similar aos polímeros ter moplásticos, na região de líquido super-resfriado. Isso é conseguido em temperaturas no intervalo T x, entre as temperaturas T g e T x, respectivamente de transição vítrea e de cristalização. A aplicação simultânea de tensão nessa região superplástica pode ser usada para conformar variadas peças. O processo eletromecânico usa essa característica aliada à vantagem da elevada resistividade elétrica dos metais vítreos em comparação aos metais e ligas tradicionais. Essa resistividade é comparável à resistividade dos metais no estado líquido, da 3082

2 ordem de 150 a 200 Ω.cm. A maior densidade corrente ocorre na interface entre a ferramenta e a peça metálica ou entre as peças metálicas. Isso faz com que o aquecimento seja rápido e o fluxo viscoso localizado, tornando a conformação também rápida sem indesejável cristalização ou oxidação. Durante esse processo, à medida que a deformação aumenta a interface de contato aumenta reduzindo a taxa de aquecimento e conseqüentemente o aumento de temperatura. Esse processo dinâmi co é a chave para se conseguir uma baixa viscosidade no início do processo e uma alta viscosidade no final tornando a conformação rápida e impedindo a cristalização. No presente trabalho são apresentados os principais resultados conseguidos por esse processo. A junção de peças metálicas vítreas ou vítreas e cristalinas é apresentada. Além da produção de compósitos entre vidros metálicos e W, litografia, microlitografia e compactação de pós metálicos. MATERIAIS E MÉTODOS Duas ligas metálicas vítreas foram conformadas pelo processo eletromecânico, a liga Pd 40 Cu 30 Ni 10 P 20 na forma de pequenas barras ou chapas e a liga Zr 55 Al 10 Ni 5 Cu 30 na forma de pó ambas no estado vítreo e produzidas previamente. O arranjo experimental consistiu basicamente de uma prensa composta de duas chapas metálicas paralelas entre as quais colocava-se as peças a serem unidas ou conformadas. A carga usada para a conformação consistiu de massas colocadas sobre a prensa de até 20 Kg. Para a aplicação de corrente utilizou-se uma fonte estabilizada de corrente com capacidade para até 100 A. As peças da liga à base de Pd foram confeccionadas de maneira que a densidade de corrente atingida durante o processo fosse de aproximadamente 200 A/mm 2 e uma carga de ~400 N/mm 2. Serão apresentadas aqui a união de peças vítreas, de peças vítreas com metais policristalinos (no caso aço inoxidável) e a produção de um compósito pela inserção de esferas de W numa matriz de metal vítreo. No caso do pó vítreo à base de Zr confeccionou-se amostras cilíndricas pela prensagem num molde cerâmico usando como punções cilindros de aço inox. Uma peça de ~2,4 mm de diâmetro foi produzida utilizando o mesmo princípio utilizado na junção das peças à base de Pd. Utilizou-se uma densidade de corrente de ~18 A/mm 2 e uma carga de ~44 N/mm 2. Finalmente a partir do mesmo princípio de aplicação simultânea de corrente e pressão realizouse alguns testes de litografia e microlitografia sobre amostra de vidro à base de Pd. Utilizou-se uma caneta com uma ponta de W para a litografia que foi realizada manualmente. No caso da microlitografia utilizou-se o suporte de um microscópio ótico e a ponta da caneta fixa para aplicação de carga e movimentação da amostra. A corrente utilizada na litografia foi de 100 A com uma carga aproximada de 300g. Na microlitografia a corrente média foi de 121 ma e carga de 740 mg, para traços de ~1,8 µm de largura. Todas as amostras de vidro à base de Pd foram processadas ao ar e as amostras à base de Zr foram protegidas por uma atmosfera dinâmica de argônio. Depois de processadas as amostras foram analisadas por microscopia eletrônica de varredura e as peças soldadas ainda foram analisadas por difração de raios-x gerado pro luz síncrotron no laboratório de luz síncrotron de Grenoble -França. Utilizou-se o feixe transmitido para avaliação de todo o volume soldado. RESULTADOS E DISCUSSÕES A figura 1 mostra a união de peças metálicas vítreas e de um vidro metálico com uma agulha de aço inoxidável. Em ambos os casos observa-se apenas o fluxo viscoso sofrido pelo metal vítreo durante o processo de união. Nenhuma cristalinidade foi observada por difração de raios-x, mesmo em feixe transmitido usando fonte intensa de radiação síncrotron. 3083

3 Figura 1 União de peças metálicas vítreas, à esquerda, e de uma lâmina vítrea com uma agulha de aço inoxidável, à direita, pelo processo eletromecânico. Na figura 2 pode-se observar a possibilidade de conformação, no caso por impressão, de vidros metálicos. A impressão foi produzida por uma ferramenta de W aproximadamente piramidal. A superfície final foi polida para melhor visualização. Na mesma figura 2 a produção de um compósito também é apresentada. Nesse caso introduziu-se esferas de W através da superfície de um vidro metálico à base de Pd dando origem a um material composto por esferas de W dispersas numa matriz metálica vítrea. Figura 2 Impressão sobre vidro metálico, à esquerda, e produção de um compósito de esferas de W numa matriz metálica vítrea, ambos pelo processo eletromecânico. Na figura 3 observa-se a possibilidade de litografia e microlitografia oferecida pelo processo eletromecânico. Nota-se o fluxo viscoso sofrido pelo material durante a passagem de uma ponta de W com aplicação simultânea de corrente e pressão. A litografia foi feita manualmente enquanto que na microlitrografia utilizou-se um microscópio ótico. Durante a litografia pôde-se notar a fácil deformação do material durante o processo devido à sua característica local de super -plasticidade; à temperatura ambiente porém sua dureza é em torno de 500 HV [1]. 3084

4 Figura 3 Litografia à direita e microlitografia à esquerda sobre placa de vidro metálico à base de Pd utilizando o processo eletromecânico. Finalmente são apresentados abaixo os principais resultados conseguidos com a compactação de pó de vidro metálico à base de Zr através do processo eletromecânico. Uma amostra totalmente densa ainda não foi possível de ser obtida. Alguns ajustes são necessários quanto à densidade de corrente e pressão aplicada. A corrente especialmente merece atenção, pois uma densidade muito elevada pode levar à fusão indesejada, mesmo que parcial, das partículas o que poderia provocar cristalização. Ao passo que uma densidade de corrente muito baixa não provoca uma compactação adequada. Observa-se na figura 4 que o cilindro produzido apresentou bastante porosidade superficial. Isso é confirmado pela metalografia da secção transversal como mostra a figura 5. O centro mostra-se mais compacto apesar de alguma porosidade. Figura 4 Amostra produzida pela compactação de pó vítreo de uma liga à base de Zr através do processo eletromecânico. 3085

5 CONCLUSÕES Figura 5 Secção transversal da amostra apresentada na figura 4. Nota-se uma maior densidade no interior do que na superfície apesar da presença de porosidades. Em todos os casos aqui apresentados a chave para o sucesso do processo é uma adequada combinação de corrente e pressão. Deve-se garantir uma elevada densidade de corrente inicial o que eleva bastante a temperatura da interface entre as peças a serem unidas, ou a ferramenta e a peça, ou ainda entre as partículas vítreas. Isso para que a viscosidade local caia rapidamente permitindo também a rápida conformação. À medida que o processo avança o próprio aumento de interface de contato entre peças, ferramentas ou partículas faz com que a densidade corrente caia, diminuindo a temperatura, aumentando a viscosidade e assim impedindo cristalização ou oxidação indesejada. Devido a esse mecanismo dinâmico e rápido infere-se que o presente processo seja útil na conformação e/ou compactação de pós ou fitas vítreas de ligas que apresentam intervalo de líquido super -resfriado mais estreito, como é o caso de ligas à base de Al. CONCLUSÕES O processo eletromecânico para a conformação, união e litografia de peças metálicas vítreas, além da compactação de pós metálicos vítreos, mostrou-se promissor. O uso da característica super-plástica desses materiais acima da transição vítrea aliada à sua resistividade elevada foi a chave central para o sucesso do processo. Deve-se somar a isso a combinação adequada de densidade de corrente e pressão que garantam um rápido amolecimento inicial, sem porém haver fusão, tornando a conformação rápida com uma baixa temperatura final afim de evitar qualquer cristalização indesejada além de reduzir muito o risco de oxidação. Finalmente infere-se que o presente processo seja também promissor na compactação de pós ou fitas metálicas vítreas que apresentam intervalo de líquido super-resfriado mais estreito, como as ligas à base de Al. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FAPESP pelo apoio financeiro ao desenvolvimento do presente trabalho. REFERÊNCIAS [1] A. Inoue, Acta Mater. 48 (2000) [2] A. Inoue, T. Zhang, Mat. Trans. JIM 37 (1996) [3] A. Inoue, T. Zhang, A. Takeuchi, Mat. Sci. For (1998) [4] M. de Oliveira, W. J. Botta F, A. R. Yavari, Mat. Sci. For (2001) 1-6. [5] M. de Oliveira, W. J. Botta F., A. R. Yavari, Mat. Trans. JIM 41 (2000) [6] M. F. de Oliveira, W. J. Botta F, C. S. Kiminami, A. R. Yavari, Appl Phys. Lett. (2002). 3086

6 ELECTROMECHANICAL FORMING OF METALLIC GLASSES M.F. de Oliveira*, W.J. Botta F.**, C S. Kiminami**, A.M. Jorge Jr**, M.J.Rodrigues** e A.R. Yavari*** Rua Alexandre R. Barbosa, 45, , Itatiba, SP. marcelo.oliveira@saofrancisco.edu.br *Universidade São Francisco ** Universidade Federal de São Carlos *** Institut National Polytechnique de Grenoble, France Bulk metallic glasses (BMG) can exhibit much higher electrical resistivities than conventional conductors and a Newtonian viscous-flow regime of deformability in the supercooled liquid region between the glass transition temperature T g and the crystallisation temperature T x. These intrinsic properties allowed the successful use of a new electromechanical shaping process using Joule heating instead of conventional heating for mechanical shaping of BMGs at or above T g. This processing has already been used for shaping, joining to form complex shapes, welding, complex netshaping, shaping into BMG-based composites, electromechanical engraving, writing, microwriting and also metallic glassy powder compacting. In all these cases the process parameters can be adaptable for the full maintenance of the glassy state. In the present work we overview the above mentioned manipulation of BMG and report on the use of electromechanical processing. Keywords: bulk metallic glass, supercooled liquid region, electromechanical processing 3087