OTIMIZAÇÃO DA DISTRIBUIÇÃO DE INCLUSÕES METÁLICAS EM COMPÓSITOS DO TIPO CERÂMICA-METAL RESUMO

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1 28 de junho a 1º de julho de 24 Curitiba-PR 1 OTIMIZAÇÃO DA DISTRIBUIÇÃO DE INCLUSÕES METÁLICAS EM COMPÓSITOS DO TIPO CERÂMICA-METAL M. A. G. Tommaselli 1* ; N.A. Mariano 2 ; S. E. Kuri 1 1* Rodovia Washington Luis, Km 235, CP 676, CEP , São Carlos, SP, Brasil. pmgt@iris.ufscar.br 1 Universidade Federal de São Carlos, UFSCar, Departamento de Engenharia de Materiais, DEMa. 2 Universidade São Francisco, USF, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais, PPG-ECM. RESUMO A tenacidade dos materiais cerâmicos é melhorada pela introdução de inclusões metálicas e também pela otimização do processamento, através do qual pode-se reduzir a porosidade e o crescimento dos grãos da matriz cerâmica. Com a presença de inclusões metálicas na matriz cerâmica, é necessário o controle de novos parâmetros de processamento, dessa forma, este trabalho tem por objetivo verificar a eficiência da distribuição de inclusões metálicas micrométricas de nióbio, em uma matriz cerâmica de alumina obtida a partir de pós nanométricos pelo processo de moagem de alta energia. Os parâmetros obtidos com relação à distribuição das inclusões metálicas foram: diâmetro de Feret, número de inclusões, área superficial total das inclusões e área superficial relativa das inclusões. Estes parâmetros indicaram que houve uma distribuição homogênea das inclusões metálicas na matriz. Palavras-chaves: Compósito, mapeamento, alumina, nióbio. INTRODUÇÃO Com o avanço tecnológico, foram desenvolvidos compósitos do tipo cerâmicametal, que apresentam alta tenacidade à fratura comparados aos materiais

2 28 de junho a 1º de julho de 24 Curitiba-PR 2 cerâmicos (1,2,3). Uma maneira de melhorar a tenacidade desses materiais é a adição de inclusões metálicas que absorvem a energia de fratura evitando a propagação de trincas e a fratura da matriz cerâmica (4). Existem outras técnicas de tenacificação dos materiais cerâmicos como: uso de pós cerâmicos finos, controle do tamanho e concentração de poros e microtrincas (5). Existe um grande interesse nos pós nanométricos obtidos por moagem de alta energia, afim de melhorar as propriedades mecânicas e de tenacidade dos nanocompósitos. O processo de moagem de alta energia, descoberto por Benjamin em 197, vem sendo extensamente empregado na síntese de ligas metálicas e compósitos, com o intuito de reduzir o tamanho das partículas do pó cerâmico, usando condições de moagem pré estabelecidas como: proporção de massa de pó para massa de meio de moagem, tempo de moagem, atmosfera de moagem (5,6). A oxidação metálica em materiais compósitos cerâmica-metal constitui-se numa dificuldade adicional, pois limita as condições de serviço e novas condições de processamento devem ser estabelecidas. A oxidação dos pós metálicos diferem dos metais sólidos pela diferença na área superficial. Os pós possuem área superficial muito maior comparado aos metais o que diferencia a cinética de oxidação dos mesmos. Os pós finos oxidam-se mais rapidamente comparados aos pós grosseiros, pois há uma maior área de contato entre o meio oxidante e o metal, causando uma maior reatividade e consequentemente maior velocidade de oxidação. Neste trabalho foi verificado a distribuição das partículas metálicas de nióbio micrométricas na matriz cerâmica de alumina, obtida a partir de pó nanométrico. MATERIAIS E MÉTODOS Para a obtenção do compósito de Al 2 /Nb foram utilizados pó de alumina (Al 2 ) de alta pureza do tipo A-1, apresentando granulometria média de,38 µm. O pó metálico utilizado (1% em peso) como inclusão foi o pó de nióbio apresentando granulometria na faixa de 6-72 µm. Para a obtenção da alumina nanométrica, a alumina A-1 foi moída no moinho de alta energia do tipo Shaker Mix, SPEX 8 mixer/mill, empregando poder de moagem (relação entre a massa de esferas/massa do pó de partida) de 15:1 e tempo de moagem de 4 horas (6). Após a moagem o pó de alumina foi lavado

3 28 de junho a 1º de julho de 24 Curitiba-PR 3 com uma solução de 2% de HCl e 8% de H 2 O para eliminar o ferro proveniente do frasco e das esferas de moagem de aço endurecido, e em seguida lavado com álcool isopropílico. Técnicas como difração de Raios-X e medida de área superficial específica pelo método de BET, foram utilizadas para estimar o tamanho das partículas do pó de alumina após a moagem. O pó de alumina moída e de nióbio foram misturados em moinho do tipo SPEX 8 mixer-mill e em seguida conformados em pastilhas cilíndricas em prensa uniaxial com carga de 8 MPa e depois submetida à prensagem isostática a uma pressão de 21 MPa. Os corpos de prova conformados foram sinterizados a 155 C por duas horas em alto vácuo a 1-5 mbar. Para o estudo da distribuição das partículas metálicas na matriz cerâmica, os corpos de prova foram lixados, polidos e analisados num microscópio óptico acoplado a um sistema de análise de imagens, conforme indicado, esquematicamente, na Figura 1. Foram analisadas oito imagens (campos), através das quais foram medidos: o diâmetro médio de Feret, o número de inclusões, a área superficial total das inclusões e a área superficial relativa das inclusões para cada um dos oito campos. Figura 1- Sistema típico do analisador de imagem (7).

4 28 de junho a 1º de julho de 24 Curitiba-PR 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO O difratograma de raio-x, do pó de alumina nanométrica, mostrado na Figura 2, revelou que os picos do espectro apresentaram uma redução na intensidade e um alargamento, indicando uma possível redução no tamanho de cristalito para 11 nm, determinado pelo o método de Scherrer s (8,9). Intensidade (u.a.) Al 2 Al2 Al 2 Al 2 Al O Al 2 O Al O Al 3 2 Al 2 O Al 3 2 a) b) θ Figura 2- Espectro de difração de raio-x do pó de alumina. a) pó de alumina antes da moagem; b) pó de alumina após 4horas de moagem. Após a moagem de alta energia o pó de alumina apresentou uma área superficial específica (ASE), segundo o método de BET, de 59,2 m 2 /g. Esse valor é muito maior quando comparado a 8,6 m 2 /g obtido antes da moagem, indicando que ocorreu a redução no tamanho das partículas. Através da relação entre ASE e a densidade real do pó moído (obtida por picnometria a hélio), estimou-se o tamanho das partículas do pó nanométrico em torno de 28,5 nm (1). De acordo com o tamanho de cristalito encontrado em torno de 11 nm e o diâmetro das partículas de aproximadamente 28,5 nm, provavelmente, uma partícula do pó de alumina moído poderá ser formada por mais de um cristalito. Através da captura das imagens pelo microscópio ótico foi realizado um mapeamento das inclusões metálicas de nióbio na matriz cerâmica de alumina. A Figura 3 mostra o histograma do diâmetro de Feret das inclusões metálicas de nióbio, distribuídas na matriz cerâmica de Al 2. Este gráfico representa os oito campos da amostra analisada, mostrando a frequência com que ocorrem as medidas do diâmetro de Feret.

5 28 de junho a 1º de julho de 24 Curitiba-PR 5 O diâmetro médio de Feret encontrado foi de 24,72µm e coeficiente de variação de 88%. O coeficiente de variação indica que a distribuição do tamanho do diâmetro de Feret possui alta dispersão, pois se encontra acima de 3% (11). Isto explica a larga distribuição de tamanho das partículas metálicas. Pode-se observar que o método utilizado indica a presença de partículas metálicas finas e grossas, sendo que este fato pode ser decorrente da posição do corte feito para a visualização da microestrutura e que, portanto, não representa o diâmetro real das inclusões Frequência Diâmetro de Feret (µm) Figura 3- Histograma do diâmetro de Feret das inclusões de nióbio, distribuídas na matriz cerâmica de alumina. A Figura 4 apresenta as medidas realizadas do diâmetro médio de Feret para cada um dos oito campos, os coeficientes de variação calculados para cada campo apresentaram-se acima de 3%, o que caracteriza uma distribuição de tamanho do diâmetro de Feret com alta dispersão em cada um dos campos. A Figura 5 apresenta o número de inclusões metálicas de nióbio presente em cada campo da amostra, foi obtido uma média de 63,25 inclusões com desvio padrão de ±8,41 inclusões e coeficiente de variação de 13,3%, indicando uma baixa dispersão no número de inclusões de um campo em relação a outro, não havendo variações significativas.

6 28 de junho a 1º de julho de 24 Curitiba-PR 6 Número de Inclusões NÚMERO DE INCLUSÕES Diâmetro de Feret (µm) DIÂMETRO DE FERET Campos da Amostra Campos da Amostra Figura 4- Diâmetro de Feret das inclusões metálicas de nióbio em oito campos diferentes da matriz cerâmica de alumina. Figura 5- Número de inclusões metálicas de nióbio, distribuídas em oito campos diferentes da matriz de alumina. Na Figura 7, observa-se que o campo 2 possui menor área relativa, sendo que as inclusões ocupam 2,27% da área total do campo, esta diferença é devido ao fato de que as inclusões metálicas apresentaram menor diâmetro médio de Feret e menor número de inclusões no campo 2. A média calculada para a porcentagem de ocupação das inclusões na matriz foi de 5,96% com desvio padrão de ±2,4% e coeficiente de variação de 34,23%, indicando uma alta variabilidade ou dispersão. Isto significa que existem áreas com inclusões muito grandes e outras com inclusões muito pequenas. Área Superficial Total (µm 2 )x Campos da Amostra ÁREA SUPERFICIAL TOTAL DAS INCLUSÕES Área Superficial Relativa (%) Campos da Amostra ÁREA RELATIVA Área total de cada campo =,9mm 2 Figura 6- Área superficial total das inclusões metálicas de nióbio, distribuídas na matriz cerâmica de alumina. Figura 7- Área superficial relativa das inclusões metálicas de nióbio, distribuídas na matriz cerâmica de alumina.

7 28 de junho a 1º de julho de 24 Curitiba-PR 7 CONCLUSÕES As medidas do diâmetro de Feret apresentaram coeficiente de variação elevado, o que representa uma alta dispersão dos dados, isto pode ter ocorrido devido à posição do corte na amostra para a realização do mapeamento das inclusões. A área superficial total e a área relativa também apresentaram coeficientes de variação altos, ou seja, apresentaram uma distribuição com alta dispersão dos dados. Estes resultados são consequência dos valores do diâmetro de Feret. O coeficiente de variação apresentado em relação ao número de inclusões foi de baixa dispersão, ou seja, os campos analisados apresentaram número de inclusões muito próximo. O mapeamento das inclusões metálicas de nióbio na matriz cerâmica revelou uma distribuição homogênea das inclusões como mostrou o coeficiente de variação com relação ao número de inclusões. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. D.E. Garcia, S. Schicker, R.J. Janssem, N.claussem, in Processing and Mechanical Properties of PMNb- and Cr-Al 2 Matrix Composites, (1998), Powder Metallurgy. 2. D.E. Garcia, S. Schicker, J. Bruhn, J. Rouf, N. Claussem, in Processing and Mechanical Properties of Pressureless-Sintered Niobium-Alumina-Matrix-Composites (1998), Journal American Ceramic Society 81 (1998) p X. Sun, J.A. Yeomans, Journal of Materials Science 31, (1996) p M.F. Ashby, F.J. Blunt, M. Annister, Acta Metall 37 (1989) p M. Mujahid, M.I. Qureshi, A. A. Khan, Journal of Materials Engineering and Performance 8 (1999) p E. M. J. A. Pallone, V. Trombini, W. J. F. Botta, R. Tomasi, J. of Mater. Processing Technology (23) p M. A. G. Tommaselli, N. A. Mariano, E. M. J. A. Pallone, S. E. Kuri, Corrosion and Materials ( 24),. In Press.

8 28 de junho a 1º de julho de 24 Curitiba-PR 8 8. N.A. Mariano, S.E. Kuri, P.S. Laureano, Materials Science Forum (1999) p B.D. Cullity, Elements of X-Ray Diffraction, 2 ª edition, Addison-Wesley Publishing Company, Canada, (1978) p T. H. De Keijser, J. I. Langford, E. J. Mittemeijer, A. B. P. Vogels, Appl. Cryst. 15 (1982) p Malghan, S. G.; Dragoo, A. L. Engineered Materials Handbook Ceramics and Glasses, ASM International, (1998) p J.S. Fonseca, G.A. Martins, Curso de Estatística, 5 a edição, Editora Atlas S.A., São Paulo, (1994). OPTIMIZATION OF METALLIC INCLUSIONS DISTRIBUTION IN METAL- CERAMIC COMPOSITE ABSTRACT The ceramic materials tenacity can be improved by introduction of metallic inclusions and by the processing optimization, when porosity can be reduced and the growth of the ceramic matrix grains can be reduced. This metallic inclusions in the ceramic matrix require the control of the new parameters during processing. The aim of this study is to verify the processing efficiency of the distribution of niobium micrometric metallic inclusions in a nanometric alumina ceramic matrix obtained by high energy mill processing. The obtained parameters related to the metallic inclusions distributiom were: Feret diameter, number of inclusions, total surface area and relative surface area of the inclusions which indicated that a homogeneus distribution of metallic inclusions happened. Key words: composite, mapping, alumina, niobium.