Os materiais de contato elétrico devem ser caracterizados por uma boa combi- nação de condutividade elétrica, qualidades de desgaste e resistência à erosão. Os
contatos WC-Cu têm alta condutividade térmica, bem como alta condutividade elétrica, devido ao seu teor de cobre. Eles também têm alta resistência ao desgaste, devido à dureza do carboneto de tungstênio. Os contatos WC-Cu são, portanto, usados em comutadores e sapatas em transformadores de alta potência. Esses tipos de materiais, devido a excelentes características de molhabilidade entre o carboneto de tungstênio e o cobre, bem como a solubilidade limitada do tungstênio no cobre, são compósitos em vez de soluções sólidas (ARABI et al., 2010).
O sistema WC-Cu possui baixa solubilidade mútua. Com base na falta de solubilidade entre WC e Cu, o controle da densificação em estado sólido é limitado. A moagem de alta energia (MAE) pode ser aplicada para obter pós compósitos do sistema WC-Cu e simultaneamente aumentar a difusão em estado sólido em comparação com o desempenho de sinterização de misturas de pós de WC-Cu iniciais ( ¸SELTE; ÖZKAL, 2015).
O compósito WC-Cu é formado por um elemento refratário frágil e um elemento metálico de alta ductilidade, sendo enquadrado na categoria de componentes frágil – dúctil do processamento por moagem de alta energia. Durante os seguintes ciclos de deformação, soldagem a frio e fraturas, as partículas do carbeto de tungstênio individuais são fraturadas e uniformemente dispersadas dentro da matriz de cobre. Isso contribui para o significante refino da microestrutura e dispersão da fase frágil (COSTA, 2004).
Os nanocompósitos a base de cobre têm sido reconhecidos como um potencial candidato para aplicações elétricas de alto desempenho, pois possuem uma elevada condutividade elétrica e térmica semelhante ao cobre puro, mas também melhores propriedades mecânicas e físicas devido à sua estrutura de grãos extremamente finos. O carboneto de tungstênio satisfaz as exigências de um bom material de reforço devido a algumas propriedades notáveis, tais como alta dureza, resistência a altas temperaturas, alto ponto de fusão, boa estabilidade química, resistência ao desgaste e condutividade elétrica. O uso de carboneto de tungstênio como uma fase de reforço para o cobre tem sido estudado por vários pesquisadores (EBRAHIMI-KAHRIZSANGI; MAHABADI; TORABI, 2015).
A metalurgia de pós (PM) é um processo adequado para a fabricação de nanocompósitos de carboneto de tungstênio-cobre através de mistura, compactação e sinterização em pó. A moagem de alta energia (MAE) provoca deformação plástica severa nos pós devido a colisões de bola a bola e de bola a parede, aumentando significativamente a geração de deslocamento. As fraturas nos pó durante MAE introduz defeitos no pó e gera novas superfícies limpas que são benéficas para a difusão atômica. Portanto, a técnica de MAE denominada processamento in situ foi desenvolvida para sintetizar o reforço diretamente na matriz de metal durante a fabricação de compósitos
de matriz de metal usando reação química entre as matérias-primas. Um compósito de matriz de metal, fabricado através do processamento in situ, tem partículas de pó mais finas e exibe propriedades mecânicas excepcionais que dificilmente são alcançadas através do procedimento convencional ex situ de mistura das partículas de reforço com o pó de matriz (YUSOFF; OTHMAN; HUSSAIN, 2011).
As aplicações mais importantes dos compósitos de Cu / WC devido à sua alta condutividade elétrica e térmica podem ser categorizadas em: materiais de contato elétrico em interruptores, relés, contatores e eletrodos em usinagem de EDM, soldagem por pontos e soldagem por resistência contínua. Essas aplicações originam-se de algumas características vantajosas dos compósitos de Cu / WC, como alta resistência, baixa expansão térmica e boa resistência à erosão e desgaste do arco. Em relação a estas aplicações, é claro que os experimentos devem ser feitos para investigar o comportamento mecânico, do desgaste e em alta temperatura. Devido à necessidade de alta resistência em comutadores, conectores, etc., as propriedades microestruturais e de microdureza são investigadas para cada aplicação. Por outro lado, as aplicações em instrumento de longa vida útil tem que se considerar à alta possibilidade de desgaste nestes mecanismos que o tornam útil para avaliar as propriedades de desgaste e fricção. Devido às aplicações à alta temperatura nestes compósitos, a propriedade de expansão térmica é um fator crítico para aumentar a confiabilidade deles (YUSOFF; OTHMAN; HUSSAIN, 2011).
O sistema Cu-Nb não está entre nenhum dos pares binários nos mapas de estabilidade termodinâmica que preveem a estabilidade contra o crescimento do grão, isto é, não se sabe como o sistema se comportará. A entalpia de segregação (a tendência de um soluto segregar nos contornos de grão) de ambos os sistemas é bastante semelhante e está na faixa de 0 a 25 kJ / mol . Seus diagramas de fase de equilíbrio não mostram nenhuma região de solubilidade indicando que seria esperada a precipitação de uma segunda fase. Além disso, as ligas de Cu-Nb também têm recebido considerável atenção como sendo um dos mais fortes sistemas de liga de Cu, com uma excelente combinação de ductilidade e resistência mecânica combinada com alto fluxo elétrico e tolerância à radiação. Ainda mais atraente seria o custo de Nb, que é aproximadamente 25 vezes mais barato do que Ta (KAPOOR et al., 2017).
Embora não tenha sido realizado nenhum estudo experimental / computacional dedicado à estabilidade nanocristalina em Cu-Nb, há evidências circunstanciais na literatura que sugerem que Cu-Nb pode possuir atributos de estabilidade que foram previamente observados em Cu-Ta. Nestes estudos prévios de Cu-Nb, a moagem de alta energia do Cu-Nb resultou em tamanhos de grãos nanocristalinos, isso devido ao aumento do teor de soluto ou aumento no tempo de moagem (o que equivale a “forçar” o soluto na fase da matriz). Em altos teores de soluto e / ou aumento do tempo
de recozimento, a microscopia eletrônica de transmissão e de varredura revelou a presença de precipitados ricos em Nb dentro da microestrutura.
Embora alguns desses estudos seguissem a evolução da microestrutura como uma função das condições de processamento (composição e temperatura), nenhum deles explicitamente abordou como o comportamento do soluto evolui ou fornece esta- bilização nanocristalina. Em vez disso, aqueles trabalhos anteriores abordaram princi- palmente a otimização das propriedades elétricas e mecânicas de Cu-Nb (KAPOOR et al., 2017). A tabela 4 apresenta as propriedades de alguns materiais de contato WC/Cu.
Tabela 4 – Propriedades de materiais de contato WC/Cu
Material [wt. %] Condutividade elétrica α [m/ Ωmm2 Dureza (Vickers) [HV10 Densidade ρ [g/cm3] Porosidade P [%] WC/Cu 50/50 26 220 11,0 WC/Cu 60/40 15 275 12,0 1 WC/Cu 70/30 14 330 12,8 1
Adaptado de Advanced Materials and Technologies, 2003