PROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITOS A BASE DE COBRE E NANOPARTÍCULAS VISANDO ALTA CONDUTIVIDADE ELÉTRICA

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1 PROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITOS A BASE DE COBRE E NANOPARTÍCULAS VISANDO ALTA CONDUTIVIDADE ELÉTRICA Guilherme Félix e Silva (IC) e Waldemar Alfredo Monteiro (Orientador) Apoio: PIBIC Mackenzie Resumo O objetivo em pesquisas de ligas metálicas sinterizadas produzindo compósitos por metalurgia do pó (MP) inclui compactação, homogeneização e tratamento de sinterização de pós-metálicos envolvidos (Cu, Ni, Me = Ag ou Sn) com nanopartículas de alumina é a observação da evolução das propriedades mecânicas (ensaios de microdureza), das mudanças microestruturas e da condutividade elétrica, depois de adequados tratamentos termomecânicos, visando à utilização destes compósitos a base cobre-niquel e nanoparticulas de alumina como material elétrico. Amostras de Cu-x%Ni-y%Me-z%(Al 2 O 3 ) após processamento por MP foram caracterizadas por metalografia óptica (microestrutura) e resistência mecânica (dureza Vickers) a temperatura ambiente. Medidas de difração de raios-x das amostras policristalinas foram coletadas com um difratômetro convencional e o refinamento da estrutura e o estudo dos parâmetros microestruturais realizado pelo Método de Rietveld, usando o programa GSAS (General Structure Analysis System). Iniciou-se a caracterização elétrica (condutividade elétrica) a temperatura ambiente de algumas amostras obtidas para o estudo da influência dos processos de metalurgia do pó nas propriedades físicas destas ligas metálicas nestas condições. Os primeiros resultados incentivam a continuidade desta pesquisa. Palavras-chave: metalurgia do pó, compósitos a base de cobre-niquel; microestrutura Abstract The aim in researches of sintered metallic alloys producing composites by powder metallurgy involving compression, homogenization and sintering of metallic powder (Cu, Ni, Me = Ag or Sn) with alumina nanoparticles is the observation of the evolution of mechanical properties (microhardness tests), microstructural changes and electrical conductivity after appropriate thermomechanical treatments due to the application of composites based Cu-Ni as electrical contact. Samples of Cu-x%Ni-y%Mez%(Al 2 O 3 ) after powder metallurgy processing were characterized by optical metallography (microstructure) and mechanical strength (hardness Vickers) at room temperature. Data of x-ray diffraction of polycrystalline samples were collected with a conventional difractometer and the structure refinement and the study of the structural s parameters by Rietveld method using the GSAS (General Structure Analysis System). After this, were made electrical properties measurements (electrical conductivity) of obtained samples for the study of the influence of powder metallurgy processes in physical properties of nanoparticles composites in this condition. The initial obtained data motivate the continuity of this research. Key-words: powder metallurgy, composite based Cu-Ni, microstructure 1

2 VII Jornada de Iniciação Científica INTRODUÇÃO As estruturas de recentes materiais nanocompositos são mecanicamente resistentes, altamente condutores e resistentes à fadiga. Os novos materiais nanocompósitos abrangem um metal base com elevada condutividade, tal como o cobre, incorporando partículas de dispersóides de elevada condutividade que minimizam um aumento de campo elétrico, mantêm boa condutividade térmica, e elevam a resistência mecânica (BROOKS, 1988; BUTTS, 1960; GOSH, 1997; RAJKOVIC, 2007; GROZA, 1993) O uso de nanopartículas no material metálico traz condutividade elétrica comparável àquela da matriz e remove automaticamente regiões com elevado campo de radiofreqüência (RF) aumentando também a densidade de corrente. Adicionalmente, nanoparticulas condutores reduzirão a sensibilidade superficial a danos causados por arco voltaico ou então ao desbaste iônico (sputtering). Mesmo com este desbaste iônico que ocorre na superfície do material condutor, suas propriedades não serão muito diferentes da superfície inferior a ela. O mais importante é que os coeficientes de emissão de elétron secundários de todos os materiais nos nanocompósitos são próximos da unidade, visto que as partículas usadas anteriormente (isolantes, em princípio) podem produzir uma multiplicação significativa e indesejável de emissão de elétron. O objetivo deste projeto é obter um nanocompósito altamente condutor formado por um metal base condutor ou liga metálica tendo alta condutividade elétrica e, dispersos na matriz metálica, dispersóides nanodimensionados de comparável alta condutividade visando endurecer a matriz sem substancialmente reduzir a condutividade do compósito quando comparado com a matriz metálica. REFERENCIAL TEÓRICO A produção de um compósito de material metálico de elevada condutividade juntamente com nanopartículas (dispersóides) de alta resistência mecânica mantendo adequada condutividade elétrica poder-se-á obter um material próximo do ideal utilizado em dispositivos eletro-eletrônicos (por exemplo, microonda de elevada potência), Neste caso pode-se empregar dispersóides nanoparticulados de elevada condutividade que são compostos intermetálicos. Em tradicionais ligas de cobre endurecidas por precipitação utilizam-se reações metalúrgicas em temperatura elevada; com isso, a condutividade elétrica da matriz metálica é reduzida significativamente pelos átomos do soluto que não se precipitam completamente. 2

3 Qualquer elemento de liga que permanece em solução sólida na matriz de cobre deteriora a condutividade elétrica, freqüentemente, em uma ordem de grandeza. (NORDHEIM, 1931; ANNUAL BOOK OF ASTM STANDARDS, 1975; ASM SPECIALTY HANDBOOK: COPPER AND COPPER ALLOYS, 2001; CRANE and WINTER, 1986; TAUBENBLAT, 1986; SCHRODER, 1983; CHOI, 1997) Visando superar tal perda indesejável da condutividade nos compósitos de cobre, a incorporação de nanopartículas neste metal é feita utilizando-se processamentos por metalurgia do pó (MP) (GHADIRI, 1991). Entretanto, tal uso de partículas isolantes no cobre deve ser evitado para dispositivos de microonda de potencia elevada por razões mencionadas anteriormente. Assim, as nanopartículas deverão ser necessariamente incorporadas de maneira controlada. O aspecto mais essencial é que o elemento metálico do dispersóide deve apresentar elevada condutividade. Embora estas partículas metálicas não sejam tão resistentes como as dos compostos intermetálicos, as diferenças no parâmetro de rede, na estrutura cristalina, na energia de falha de empilhamento e no comportamento do movimento das discordâncias comparado com a matriz metálica (Cu) impedem e ou dificultam o movimento das discordâncias e de possíveis escorregamentos planares ou deformações oriundas de processos de maclação de modo que a resistência e fadiga mecânicas sejam aperfeiçoadas. As desejadas partículas elementares do dispersóide em nanocompósitos têm menor resistividade elétrica. O tamanho desejado das nanoparticulas (diâmetro médio) está no intervalo ideal de 10 a 100 nm (ROTEM, 1988; GUHA, 1984; BROWN 1979). Opcionalmente, os nanocompósitos podem ser recozidos para obter-se alivio de tensão residual e também para eliminar impurezas indesejadas. A temperatura de recozimento desejada é mantida suficientemente baixa para evitar difusão significativa de átomos do soluto na matriz metálica que causaria uma deterioração acentuada da condutividade elétrica da matriz (Cu). Um recozimento em atmosfera neutra em temperatura relativamente baixa (~673K) é suficiente para reduzir o oxigênio residual presente no cobre. A fração desejada do volume de dispersóides no nanocompósito de elevada condutividade está em um intervalo ideal de 0,5 a 10% dependente da aplicação tecnológica desejada. Tais materiais nanocompositos com elevada condutividade são desejáveis para os dispositivos utilizados em microonda de potência elevada (MPE) que operam em freqüências de RF e para outras aplicações. Por exemplo, os materiais podem ser vantajosamente usados para conectores elétricos e os contatos elétricos que operam em operações elétricas em corrente continua (C.C.) ou corrente alternada (C.A.). Apresentam 3

4 VII Jornada de Iniciação Científica resistência mecânica elevada e bom contato elétrico. (MONTEIRO, 1990; MONTEIRO, 1995; BARKER e SCHAMILOGLU, 2001) Os contatos elétricos, por exemplo, são feitos com compósito de elevada condutividade para exibir elevada resistência mecânica mantendo desejada pressão de contato para a condução elétrica com mínimo aquecimento (SCHRODER, 1983). A fração do volume do dispersóide é alterada em função da presença de um segundo ou terceiro elemento químico no processamento por metalurgia do pó (MP). A maioria de compostos intermetálicos exibe resistividade elétrica elevada (entre 10 e 100 µω.cm). Entretanto, alguns intermetálicos exibem uma não usual baixa resistividade elétrica, por exemplo, partículas intermetálicas de NiAl que também apresentam boa resistência mecânica. Estas partículas pré-fabricadas (ex: atomização, cominuição, precipitação química) podem ser incorporadas com processamento por MP. Nos casos dos dispersóides intermetálicos, a estabilidade dos intermetálicos é tal que poderá ser utilizado com um mínimo de soluto dissolvido na matriz. Algumas precipitações de intermetálicos exibem alta condutividade elétrica e são insolúveis em matrizes metálicas altamente condutoras. Alguns deles exibem condutividade térmica mais elevada do que o cobre, assim a dissipação de calor é reforçada resultando em redução da temperatura que poderia causar choque térmico durante a operação da RF. As nanopartículas têm dimensões de alguns poucos nanômetros e assim os dispersóides podem ser eficientes condutores. A temperatura e o tempo de sinterização utilizados em MP são vantajosamente controlados de modo que a difusão da mistura dos elementos na partícula e no metal base seja minimizada e durante a reação de formação da liga, a perda da condutividade seja assim minimizada. Tipicamente o metal base exibe resistividade elétrica idealmente menor que 3µΩ.cm. As partículas do dispersóide podem constituir-se de partículas condutoras de material diferente do metal base que não está dissolvida (tendo solubilidade menor que 0,1% atômico). As partículas do dispersóide podem ser partículas de metal (elemento químico) ou partículas da liga que são normalmente solúveis no metal base tais que as partículas não estão dissolvidas na base. Alternativamente, as partículas do dispersóide podem ser partículas de dispersóide, não elementares, insolúveis no metal base. A incorporação dos dispersóides pode produzir um material compósito que tem resistência mecânica aumentada em pelo menos 30% acima do valor do metal base e condutividade elevada comparável à da matriz. Os dispersóides podem também melhorar a resistência 4

5 térmica à fadiga em pelo menos 30% com relação ao número dos ciclos térmicos que podem resistir. As partículas do metal base e as partículas do dispersóide podem ser misturadas mecanicamente, a mistura pode ser compactada em um formato desejado, aplicando-se em seguida sinterização em uma atmosfera inerte ou por redução (near net shape). Estes materiais (metais ou ligas) são também úteis tecnologicamente devido à condutividade elevada, com alta resistência mecânica, resistentes à fadiga em dispositivos eletro-eletrônicos sujeitos ao ambiente agressivo em que as ondas eletromagnéticas ou as partículas carregadas (tais como íons e elétrons) podem causar o aquecimento local dos metais ou suas ligas e conseqüentes danos térmicos associados à fadiga ou o choque térmico. Como exemplo, pode-se citar dispositivos utilizados em microonda de elevada potencia e nos accelerators lineares que envolvem partículas carregadas (VALDIVIEZ, 2000). Os materiais de elevada condutividade são componentes chaves em uma variedade de sistemas importantes tais como os sistemas de microonda de potência elevada (sistemas de MPE) usados em equipamentos de comunicações e radar. Os sistemas de MPE podem controlar rapidamente perturbação ou dano em dispositivos periféricos em sistema de comunicação. Duas das barreiras técnicas principais para realizar dispositivos práticos são: a falta de cátodos de emissor do elétron de alta corrente e a avaria de materiais componentes do RF. A intensa alta freqüência elétrica (RF) e os campos magnéticos presentes em dispositivos de MPE causam a avaria mecânica e elétrica superficial e/ou volumétrica do dispositivo. Tais fenômenos de avaria são creditados a problemas de curto circuito que atrapalham por décadas as fontes de MPE. Em um grande número de aplicações, as paredes do dispositivo de MPE são requeridas para emitir elétrons repetidamente da sua superfície. O aquecimento pulsado repetido na superfície da parede acompanha esta emissão repetida, e o aquecimento repetido pode causar a fadiga da superfície e danos estruturais significativos que podem destruir estas superfícies. O choque térmico causado por rápidas excursões da temperatura entre a temperatura ambiente e a temperatura aquecida pelos pulsos pode induzir defeitos e fissuras no material da parede (tipicamente cobre) com uma deterioração resultante do desempenho. Por conseguinte é desejável aumentar a resistência dos materiais condutores usados para componentes da parede de MPE de modo que o material resista ao choque térmico. 5

6 VII Jornada de Iniciação Científica Os estudos de materiais endurecidos a base de cobre para possível aumento da resistência à fadiga térmica e de fissuras em intensos campos de RF incluem a investigação dos compostos a base de cobre que contêm, por exemplo, partículas do dispersóide alumina (Al ) (ZINKLE, 1992). Entretanto, o uso de partículas isolantes tais como Al resulta em descontinuidades abruptas na condutividade elétrica que pode produzir pontos quentes locais. Além disso, as partículas podem reduzir a condutividade térmica. Adicionalmente, as partículas isolantes que alcançam a superfície do cobre fornecerão sítios localizados no campo elétrico intensificado. Conseqüentemente, há uma necessidade de material com alta resistência mecânica e resistente a fadiga e que seja também excelente condutor elétrico e não contenha preferivelmente nenhuma partícula eletricamente isolada. MATERIAIS E MÉTODOS Foram produzidas amostras de um compósito com uma liga ternária a base de cobre, níquel e prata ou estanho, juntamente com nanoparticulas de alumina (Al ) variando-se a proporção dos participantes do compósito, dando-se identificações a lotes de amostras com formato cilíndrico (diâmetro φ = 20 x10-3 m e altura h = 5,0x10-3 m e massa = 10 x 10-3 kg). Análises por metalografia óptica, por difração de raios X, por dureza Vickers estão sendo realizadas antes e depois do tratamento térmico para realizar um estudo comparativo da dependência da microestrutura das amostras com o tratamento térmico. Nos Laboratórios de ensino de Física e da Escola de Engenharia (caracterização de materiais) da UPM são realizadas medidas de dureza e de condutividade elétrica (Fig. das amostras em temperatura ambiente. Informações sobre a estrutura cristalina de um material podem ser obtidas usando-se difração de raios-x. Quando um feixe de raios-x, tendo um único comprimento de onda da mesma ordem de grandeza do espaçamento atômico de um determinado material, incide sobre esse material, será espalhado em todas as direções. Grande parte da radiação espalhada por um átomo cancela a radiação espalhada por outros átomos. Entretanto os raios-x que incidem sobre certos planos cristalográficos, em ângulos específicos, são reforçados ao invés de aniquilados. Esse fenômeno é chamado de difração. Os raios-x são difratados, ou o feixe é reforçado, quando as condições satisfizerem a lei de Bragg, sen θ = (λ) / 2d hkl, onde o ângulo θ é metade do ângulo entre o feixe difratado e a direção original do feixe, λ é o comprimento de onda dos raios-x e d hkl é o espaçamento 6

7 interplanar entre os planos que causam um reforço construtivo do feixe (CALLISTER JR, 2008). O método de Rietveld é um método de refinamento de estruturas cristalinas a partir de dados de difração em pó coletados em modo passo a passo. O refinamento é baseado num modelo que consta de parâmetros estruturais e não estruturais (microestruturais e instrumentais). A intensidade total calculada das reflexões e, em parte, suas posições, estão determinadas pelo modelo estrutural, que se constrói a partir das posições atômicas e parâmetros de rede. A forma das reflexões de Bragg depende dos parâmetros instrumentais e dos efeitos da microestrutura da amostra, que estão incluídos no modelo não-estrutural, representado através de uma função de perfil. Nos programas mais usados para o método de Rietveld, encontram-se diferentes funções analíticas que tentam simular os efeitos instrumentais e micro-estruturais no perfil das reflexões. A intensidade da radiação de fundo ( background ) também é modelada por interpolação entre dois pontos conhecidos do difratograma ou por uma função polinomial com coeficientes passíveis de refinamento, que geralmente não possuem sentido físico algum. No caso da presença de uma fase amorfa, existem programas para o Método de Rietveld que permitem usar difratogramas obtidos da fase amorfa para o ajuste adequado da radiação de fundo. Também é possível levar em consideração propriedades físicas e químicas que possam expressar-se como vínculos durante os refinamentos. Dados de difração de raios X foram coletados com um difratômetro convencional Rigaku Multiflex com monocromador fixo. As condições experimentais previstas são: 40kV, 20mA, 10 o < 2θ < 120 o, 2θ = 0.02 o, λ CuKα, fenda de divergência = 0.5 o, fenda de recepção = 0.3 mm e tempo de contagem 5 s. Os difratogramas de raios X das amostras são transformados no formato de entrada dos programas CMPR e GSAS. A saída do programa CMPR permite criar arquivos de entrada para os programas de refinamento de estruturas pelo método de Rietveld (YOUNG, 1993; BALZAR, 2000; PAIVA SANTOS, 2009). Um dos objetivos deste trabalho foi produzir, por metalurgia do pó, compósitos de ligas ternárias a base de cobre-niquel (terceiro elemento: Ag ou Sn) e nanopartículas de alumina produzindo compósitos nanoestruturados que apresentem boas propriedades mecânicas (dureza) e boa condutividade elétrica na temperatura ambiente. Estes contatos bem como as peças estruturais podem ser obtidos por metalurgia do pó. 7

8 VII Jornada de Iniciação Científica Os elementos das ligas são adicionados ao cobre com intenção à melhoria da resistência mecânica, ductilidade e estabilidade térmica, sem causar os danos consideráveis em sua forma, condutividade elétrica e térmica, e resistência de corrosão. Após a produção dos compósitos foram realizadas as caracterizações necessárias: a observação da evolução da condutividade elétrica, das propriedades mecânicas (ensaios de dureza) e as mudanças microestruturais após tratamentos térmicos (observação por microscopia óptica) visando utilizá-los como material elétrico, especificamente contacto elétrico com boa condutividade elétrica. Os compósitos em desenvolvimento devem atingir uma boa combinação de propriedades acima mencionadas após passar por todas as etapas de processamento por metalurgia do pó. Podendo ter, no produto final, fases intermetálicas em uma solução sólida supersaturada. A seguir tem-se a descrição das etapas necessárias para a confecção, preparo das amostras e respectivas caracterizações e análises obtidas. Foram obtidos, escala de laboratório, compósitos de Cu-x%Ni-y%Me-z%(Al 2 O 3 ) onde Me é o terceiro elemento da liga metálica e x, y, z assumem valores condizentes para a tentativa de manutenção das propriedades elétricas e mecânicas por processamento termomecânico até obter-se materiais utilizados para a produção de conectores elétricos de alto desempenho (Fig.1). Fig. 1. Preparação de amostras do material em pó Fig. 2. Equipamento de compactação utilizado para obtenção das amostras 8

9 Fig. 3. Amostra compactada pronta para sinterização A amostra compactada é retirada da matriz, medida o seu diâmetro, comprimento e peso com formato cilíndrico. Os compactados obtidos foram convencionalmente sinterizados em vácuo mecânico em um forno que apresenta uma região de calor ideal de 150 milímetros (Fig. 2 e 3). Os compósitos obtidos podem ser consolidados por sinterização no estado sólido (Tabela 1). Tabela 1- Parâmetros de Sinterização dos compósitos obtidos Condição Inicial Pós metálicos pré-misturados com nanoparticulas de alumina Pressão de Compactação 80 Mpa Porcentagem em peso dos compósitos Cu-5%Ni-5%Ag; Cu-5%Ni-3%Ag-2%Al 2O 3; Cu-5%Ni-2%Ag-5%Al 2O 3 Cu-5%Ni-5%Sn; Cu-5%Ni-3%Sn-2%Al 2O 3; Cu-5%Ni-2%Sn-5%Al 2O 3 Dimensões totais da amostra cilíndrica φ = 20 x 10-3 m; h = 5,0 x 10-3 m Massa da amostra M = 20,0 x10-3 kg Temperatura de T (K) Condição do pré-misturado Vácuo empregado Sinterização e demais condições Sinterização por estado sólido 1,3x10-3 milibar Tempo de Sinterização t S = 1,8x10 3 a 5,4x10 3 s Tempo de Homogeneização t H = 3,6x10 2 a 28,8x10 2 Na etapa de sinterização, foram utilizados fornos especiais, sob vácuo; sob atmosfera controlada (Fig. 4). No forno que utiliza vácuo, as amostras compactadas foram colocadas em barquinhas de alumina o mais próximo possível do centro do forno, a fim de obter melhores resultados, já que existe gradiente de temperatura em toda a extensão do forno. Após a colocação das barquinhas nas áreas mais adequadas, fecha-se o forno. A tampa de fechamento do forno em questão deve ser previamente limpa com álcool e o anel de 9

10 VII Jornada de Iniciação Científica vedação de borracha (O-ring) deve ser limpo e passado vaselina para evitar ressecamento e má vedação do forno. (a) (b) Fig.4. Fornos utilizados no processamento de sinterização e tratamentos térmicos sob: (a) vácuo; (b) atmosfera controlada Foram obtidos sistematicamente, em escala de laboratório, materiais compósitos a base de cobre-níquel (Cu-x%Ni-y%Ag-z%Al 2 O 3 ; Cu-x%Ni y%sn-z%al 2 O 3 ), por metalurgia do pó, visando manutenção das propriedades elétricas e mecânicas após convenientes processamentos térmicos e mecânicos, até obter-se a produção de dispositivos elétricos de alto desempenho. Após o fechamento do forno este é ligado, propagando-o para o funcionamento correto em relação à adequação do vácuo mecânico, ao tempo e temperatura empregados. Assim o forno seguirá a programação automaticamente. Terminado o processo, as amostras permanecem sob vácuo enquanto resfriam. Após resfriamento, as amostras são retiradas do forno. Com as amostras sinterizadas, uma parte permanece somente com o processo de sinterização e a outra, de mesma composição química, foi levada a tratamentos de homogeneização. Os cortes foram realizados por discos abrasivos, sempre com abundante refrigeração. Para a realização dos cortes foram escolhidas as seções representativas longitudinais, geralmente na maior dimensão da peça metálica, alinhamento das inclusões, ou transversais, na menor dimensão, normalmente sem alinhamento de inclusões. Os cortes são realizados por serra manual ou mecânica, por usinagem ou por discos abrasivos, sendo, nesses casos, levadas em consideração suas características, de acordo com as propriedades dos materiais em preparo. 10

11 Os cortes por discos abrasivos são os mais empregados, devem ser realizados lentamente, havendo necessidade de abundante refrigeração, a baixa pressão, por pequenos períodos, afastando-se bastante o disco abrasivo do metal, nos intervalos, para permitir uma completa refrigeração-lubrificação do entalhe em execução. Essas operações repetidas tornam os cortes mais lentos, mas garantem um avanço até o secionamento total, com restritas alterações mecânicas ou anomalias estruturais. O momento crítico de corte está na junção final das partes metálicas quando o secionamento residual deve ser extremamente lento e bem-refrigerado, pois se sabe que a abrasão sem refrigeração pode gerar temperaturas elevadas que altera totalmente qualquer macroestrutura e, obviamente, a microestrutura. Esses cortes nos fornecem informações importantes (COUTINHO, 1980; GOMES e Bresciani Filho, 1987) tais como: a) Tamanho dos grãos ou cristais; b) Processos de fabricação (metalurgia do pó); c) Presença de inclusões não-metálicas, como, por exemplo, óxidos de metais e silicatos; d) Heterogeneidades de composição devido à segregação; e) Descontinuidades ou defeitos provenientes dos processos de fabricação por sinterização como, por exemplo, vazios, porosidades, heterogeneidade química, etc. O embutimento é importante para facilitar a preparação de amostras com pequenas dimensões, não sendo necessário para amostras maiores. Após o embutimento passa-se para o lixamento da superfície da amostra. Realiza-se a remoção gradativa das camadas deformadas pelas operações de corte prévio, por meio do desbaste abrasivo manual ou com lixadeiras mecânicas, geralmente sob fluxo de água pura, na conhecida seqüência de lixas de carbeto de silício (SiC) com granulações 280; 320; 400; 600; 800; 1000 e 1200, com limpezas intermediárias em água e posteriormente em álcool etílico (quando possível, com ultrasom), efetuando-se tradicionais técnicas de perpendicularizações a 90 entre os períodos dessas preparações (COUTINHO, 1980; MONTEIRO e BUSO, 2004). As técnicas de alternações de 90 entre as etapas de desbaste devem ser acrescidas de três, cinco ou mais perpendicularizações, com pressões decrescentes em uma mesma lixa, até a total eliminação de riscos ou vestígios de desbaste da etapa anterior, objetivando-se a eliminação gradativa das camadas alternadas por cortes e lixamentos preliminares, cuja profundidade pode atingir normalmente 1x10-1 m (COUTINHO, 1980; MONTEIRO e BUSO, 2004). Com relação aos polimentos metalográficos utilizou-se panos sintéticos adequados com específicas quantidades de pastas de diamante ou pastas de alumina. Diversas técnicas de caracterização são utilizadas para as identificações necessárias envolvendo microscopia óptica, ensaios de microdureza e principalmente, neste trabalho, 11

12 VII Jornada de Iniciação Científica condutividade elétrica. Para os testes de dureza empregou-se microdureza Vickers (carga de 0,1 kg) nas amostras em razão de suas dimensões. Com relação à análise microestrutural das amostras por microscopia óptica utilizou-se preferencialmente dois ataques químicos, dependente da composição das amostras das ligas de cobre-niquel-alumínio: (1) 5g FeCl ml HCl + 100ml H 2 O, durante 10 a 20 s; (2) 2g FeCl ml HCl + 100ml H 2 O, durante 10 a 20 s. Nos estudos de condutividade elétrica utilizou-se o miliohmimetro 4338B (Agilent) e para obtenção dos parâmetros cristalográficos um difratômetro de raios X. Os testes de condutividade elétrica são obtidos com medidas de resistência elétrica onde as áreas das amostras utilizadas para o estudo de condutividade dividem-se em área de contato aparente e área de contato efetiva. O teste é feito em temperatura ambiente. Fig.5. Obtenção da medida de resistividade elétrica de uma amostra. O procedimento experimental para as medidas de resistência elétrica (R) realizadas em amostras dos compósitos obtidos é descrito da seguinte maneira: (a) Foi cortada uma amostra em forma de placa com as dimensões: espessura de 1,0x10-3 m; comprimento de 12,80x10-3 m e largura de 8,3x10-3 m. (b) Fios de cobre, de comprimento aproximadamente 1,7x10-1 m e 1,8x10-4 m de diâmetro, foram colados (cola de prata) nas extremidades da amostra. (c) A secagem dos contatos de prata à amostra é feita em estufa a 323K por 2,7x10 3 s. (d) Mede-se a resistência elétrica do sistema amostra-fio com um milliohmímetro Agilent 4338B a temperatura ambiente (300K). (e) A condutividade da amostra é então obtida com o inverso do valor da resistência elétrica do sistema amostra-fio. Com a obtenção dos valores experimentais iniciais da resistência elétrica das amostras dos compósitos foram feitos cálculos para a obtenção dos valores de resistividade elétrica (ρ) utilizando a formula ρ = R.L/S, onde L é o comprimento da amostra e S a área da amostra e 12

13 finalmente são encontrados os valores de condutividade elétrica (σ) dos respectivos compósitos com a expressão σ = 1 / ρ. Como já foi mencionado anteriormente, o compósito final deverá ter presença de fases intermetálicas ou nanocompósítos em uma solução sólida supersaturada de liga binária a base de cobre-niquel. As técnicas que estão sendo utilizadas para as identificações necessárias envolvem microscopia óptica e eletrônica, microanálise química elementar, ensaios de microdureza e de condutividade elétrica. Sendo que até o momento foi realizada microscopia óptica, difração de raios-x e pequena parte das medidas de condutividade elétrica. Este trabalho necessariamente terá continuação nestes próximos dois anos em razão das inúmeras atividades/etapas a serem cumpridas. RESULTADOS E DISCUSSÃO Quanto aos aspectos microestruturais estudados até o momento, observou-se a presença de grãos uniformes, com pequena presença de porosidade, ainda inadequada, bem como segundas fases. Os tratamentos de homogeneização estão em realização visando superar estes aspectos observados por microscopia óptica. Os estudos relativos às medidas de condutividade elétrica ainda encontram-se em seu início e terá continuidade em novo projeto já aprovado. Há necessidade de se prosseguir com novos experimentos para a obtenção final dos compósitos nanoestruturados a base de cobre níquel obtidos por metalurgia do pó, fazendose adequados tratamentos térmicos de homogeneização; processo ainda em seu inicio e que se baseia nas vantagens do processo de endurecimento por precipitação (segundas fases); estes compósitos deverão ter tratamentos térmicos especiais visando o aumento da resistência mecânica e manutenção de condutividade elétrica usual para material usado como contacto elétrico. Novos tratamentos de homogeneização são necessários para eliminar grande parte de porosidade presente e distribuir adequadamente as segundas fases presentes nos compósitos que são necessárias, pois melhora acentuadamente a propriedade mecânica resultante, podendo inclusive ter aplicações mais específicas (sistemas de microonda de potência elevada (sistemas de MPE) usados em equipamentos de comunicações e radar). Tais tratamentos termomecânicos propiciam o refinamento das segundas fases presentes (precipitados), uma estrutura de grão mais fina, uma formação de subestrutura de discordâncias (defeitos cristalinos) mais adequada além da redistribuição homogênea do níquel, do terceiro elemento (Ag ou Sn) e das nanopartículas de alumina na matriz de cobre. 13

14 VII Jornada de Iniciação Científica As informações para a elaboração dos modelos estruturais são extraídas de bases de dados da União Internacional de Cristalografia, como a Crystallography Open Database. O método fornece informação sobre microestrutura dos compostos a partir do refinamento dos parâmetros de perfil e a comparação com o perfil instrumental, obtido dos dados de difração de uma amostra padrão de silício. Os resultados deste estudo permitirão obter informação sobre influência dos processos de preparação nas propriedades físicas destas ligas metálicas. A complementação de investigações nos processos de mistura, compactação, sinterização e homogeneização com conseqüentes análises por técnicas de microscopia eletrônica de varredura e microanálise elementar (EDS) poderão auxiliar na identificação das segundas fases destas ligas encontradas por microscopia óptica e obter mecanismos envolvidos nos processos utilizados. A intenção é prosseguir o estudo destes compósitos para se obter a condição ideal em termos de custo benefício tecnológico para a aplicação elétrica e mecânica com o processamento de metal em pó (metalurgia do pó). A resistência mecânica em ligas metálicas depende da distribuição da precipitação (segunda fase presente na matriz metálica) para a obtenção de condutividade elétrica similar do cobre. Para aumentar a resistência mecânica, a ductilidade e a conformação (dimensões físicas) mantendo boa condutividade elétrica destas ligas, foram utilizados tratamentos térmicos especiais, bem como variações na composição química. Foram obtidos valores relativos à resistência mecânica de 400 MPa e condutividade elétrica a 300K de 35% IACS indicando boa aplicação para contactos elétricos utilizando-se estas ligas em processamento por metalurgia do pó. Estes resultados são bastante preliminares e devem ser reconfirmados em próximas medidas com um novo projeto, mostrando até agora otimismo com os resultados encontrados. CONCLUSÕES Com relação às propriedades mecânicas destes compósitos a base de cobre-niquel e nanoparticulas de alumina estão condizentes com a sua utilização como materiais para contacto elétrico. As observações microestruturais iniciais indicam pequena presença de porosidade em sua estrutura e não homogeneidade devido à inadequada dissolução do terceiro elemento (Ag; Sn). As primeiras medidas de condutividade elétrica alem das observações microestruturais 14

15 preliminares realizadas por microscopia óptica sugerem a necessidade da realização de posteriores tratamentos térmicos especiais visando melhoria das propriedades elétricas. Orientação preferencial pode ser um dos fatores a ser levado em conta em processamento mecânico das amostras obtidas com pó metálico. O refinamento indica ligeiro efeito na microestrutura das amostras obtidas por metalurgia do pó, possivelmente devido a processamentos termomecânicos. Até o momento com as etapas realizadas no processamento por metalurgia do pó nos compósitos em estudo (Cu-x%Ni-y%Ag-z%Al 2 O 3 ; Cu-x%Ni y%sn-z%al 2 O 3 ) confirmaram valores adequados de resistência mecânica (400 MPa) e condutividade elétrica de 0,208 (µωcm) -1 (35% IACS). O melhor incentivo com relação a esta aplicação tecnológica é a possibilidade de se poder pesquisar e produzir estruturas finas e homogêneas (nanoestrutural), habilidade para obter produtos com formatos de dimensões complicadas e especiais com estreita tolerância dimensional e a capacidade de produzir peças com um acabamento superior, com índices de tolerância dimensional. REFERÊNCIAS ANNUAL BOOK OF ASTM STANDARDS, Metallic Materials for Thermostats and for Electrical Resistance, Heating and Contacts, part 44, 1975, ASM SPECIALTY HANDBOOK: COPPER AND COPPER ALLOYS, Metal, chapter 1, section 1, ASM International, BALZAR D., Commission on Powder Diffraction, International Union of Crystallography, Newsletter No. 24, Dec BARKER R. J. and Schamiloglu, E., High-Power Microwave Sources and Technologies, chapter 10, IEEE Press, New York, (2001). BROOKS, C. R., Heat Treatment, Structure and Properties of Nonferrous Alloys, ed. ASM, Metals Park, capítulo 8, BROWN L.M., Precipitation and Dispersion Hardening Proc. of the 5 th Int. Conf on the Strength of Metals and Alloys, Aachen, W. Germany, Aug BUTTS, A. - "Copper, the Science and Technology of the Metal, its Alloys and Compounds", ed. Reinhold Publishing Corporation, New York, CALLISTER JR, W. D., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução, Ed. LTC, 7ª. Ed,

16 VII Jornada de Iniciação Científica CHOI, H. I., LEE, K. Y. and KWUN S. I., Fabrication of high strength and high conductivity copper alloys by rod milling, J. Mat. Science Letters, vol. 16, Nr 19, 1997, COUTINHO, T. A. Metalografia de não-ferrosos: Análise e prática, Ed. Edgard Blücher Ltda, 1980, p CRANE, J. and WINTER, J. Copper: Properties and alloying, Encyclopedia of Materials Science and Engineering, vol 2, Ed. MB Bewer, Pergamon Press and the MIT Press 1986, p GOMES, M. R. e BRESCIANI FILHO, E. - Propriedades e Usos de Metais Não-ferrosos, ed. ABM, São Paulo, 1987, capítulo 3. GHADIRI M., FARHADPOUR, F.A., CLIFT R., SEVILLE, J. P. K. Particle characterization size and morphology, The Institute of Metals Series on Powder Metallurgy - An Overview. London, p.56-75, GOSH G., KIYAKE J., and FINE M. E., JOM, March (1997), pp GROZA, J. R. and GIBELING, J. C., Principles of particle selection for dispersionstrengthened copper, Materials Science and Engineering: A, Volume 171, Issues 1-2, 1 November 1993, Pages GUHA, A, Development of a high-strength, high-conductivity Cu-Ni-Be Alloy, high conductivity Copper and Aluminum Alloys, eds. E. Ling and P. Taubenblat W., TMS AIME Publ. 1984, pp MONTEIRO W. A., Anais do IX CBECIMAT, Águas de São Pedro /SP, dez.90, pg MONTEIRO W. A., SILVEIRA M. A. G. e JÚLIO Jr, O. Metalurgia & Materiais, v. 51, maio 95, pg MONTEIRO W. A., BUSO S. J. Caracterização de Materiais por Métodos Físicos, Técnicas Experimentais e Aplicações Práticas, apostila de curso de pós-graduação, NORDHEIM V. L., Ann. Phys., 5 (1931), p PAIVA - SANTOS C. O. Aplicações do método de Rietveld, IQ-UNESP, 2009 RAJKOVIC, V., BZIC, D., DEVECERSKI, A., The properties of high-energy milled pre-alloyed copper powders containing 1 wt% Al, J. Serb. Chem. Soc. 72 (1) (2007) ROTEM A., SHECHTMAN D. and ROSEN A., Metall. Trans. A, vol. 19A, 1988, pp SCHRODER K., CRC Handbook of Electrical Resistivities of Binary Metallic Alloys, CRC Press, Boca Raton, FL, 1983, p. 90, 92,

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