2%Nb
As figuras 39 e 40 apresentam os resultados das densidades relativas dos compactados verde e sinterizados das amostras moídas em função da pressão de compactação.
Como esperado, a densidade e a densificação das amostras aumentam com a elevação da temperatura de sinterização. Com o acréscimo da pressão de com- pactação um aumento na densidade foi observado nas amostras, exceto, para duas amostra, a WC-18%Cu-2%Nb compactada à 400 MPa ocorrendo uma redução de 1,16% comparada com a compactada à 200 MPa, e WC-20%Cu compactada à 600 MPa tendo uma redução de 1,59% comparada com a 400 MPa de mesma composição e temperatura de sinterização, algumas outras amostras permaneceram constante após a aplicação da pressão. Isso mostra que a pressão de compactação não foi um fator preponderante para aumentar a densidade do material.
Figura 39 – Valores da densidade relativa dos compactos verdes e sinterizados a 1030°C e a 1150°C em função da pressão de compactação dos compósitos WC-20%Cu
Figura 40 – Valores da densidade relativa dos compactos verdes e sinterizados a 1030°C e a 1150°C em função da pressão de compactação dos compósitos WC-18%Cu-2%Nb
Através das figuras 39 e 40 é possível observar que as amostras sinterizadas a uma temperatura de 1150°C apresentam valores de densidades relativas significativa- mente maiores em relação às amostras verdes e as sinterizadas a 1030°C. Isso ocorre porque as amostas verdes são compactos de pós instáveis, com excesso de energia livre e com pouca resistência mecânica. Em relação às amostras sinterizadas a 1030°C, essa temperatura não é capaz de promover a fusão de nenhum dos elementos da com- posição, assim, todo o processo de sinterização ocorre na ausência de líquido. Neste caso, os processos difusionais atômicos são os únicos responsáveis pelo transporte de material durante a sinterização e estes ocorrem predominantemente por difusão de vacâncias. Diferentemente, as amostras a uma temperatura de 1150°C promovem a fusão do cobre durante o processo sinterização. Assim, a tendência do cobre líquido é cobrir as partículas sólidas de WC, eliminando a interface sólido vapor. O espalhamento do cobre líquido, devido às forças de capilaridade exercida pelo líquido sobre partículas sólidas, conduz ao rearranjo das partículas e a densificação da estrutura.
Os valores de densificação variaram entre 32,83% a 51,78% para as amostras sinterizadas em estado sólido. Já para as amostras sinterizadas em fase líquida os valores de densificação variaram entre 55,28% a 79,38%.
4.7 Efeito da adição de nióbio na inibição do crescimento do grão dos compac- tos de pós WC-20%Cu e WC-18%Cu-2%Nb sinterizados
A figura 41 apresenta as micrografias eletrônicas da microestrutura dos com- pactos de pós WC-20%Cu (a) e WC-18%Cu-2%Nb (b) preparados por moagem e sinterizados a 1150°C por 60 min. Em ambos os casos, os pós foram prensados a 200 MPa.
Figura 41 – Micrografia da microestrutura dos compactos de pós WC-20%Cu (a) e WC-18%Cu-2%Nb (b) preparados por moagem e sinterizados a 1150°C por 60 min.
Em ambos os casos, os pós foram prensados a 200 MPa
Um fator que favorece a densificação do material WC-Cu, constituído por partí- culas compósitas, é o tamanho dos grãos do carbeto de tungstênio. Durante a moagem, as partículas originais de WC são severamente fragmentadas e tornam-se muito peque- nas. Em razão do excesso de energia livre produzida pelas altas energias superficiais das partículas menores de WC no compósito WC-20%Cu e WC-18%Cu-2%Nb, es- ses sistemas após sinterização perdem algumas propriedades mecânicas e físicas desejadas decorrentes do processo de crescimento de grão. Através das micrografias eletrônica apresentada na figura 41, é possível observar que os tamanho dos grãos da microestrutura dos compactos de pós WC-20%Cu (figura 41a) são maiores que os da microestrutura dos compactos de pós WC-18%Cu-2%Nb (figura 41b). Essa inibição no tamanho de grão nos compactos de pós WC-18%Cu-2%Nb, apresentada na figura 41b, é decorrente da adição do nióbio na composição. O nióbio age como soluto segregando nos contornos do grão e, desse modo, reduzir o excesso de energia superficial responsável pelo crescimento dos grãos durante a sinterização.
5 Conclusão
5.1 Influência da moagem de alta energia na formação dos pós compósitos WC-20%Cu e WC-18%Cu-2%Nb:
A moagem a seco dos pós de WC, Cu e Nb em moinho attitor produziu partículas compósitas, e os valores da distribuição particulométrica do pó se comparado com a mistura mecânica apresenta um redução bastante significativa no diâmetro médio. A moagem permitiu a dispersão e a distribuição de tamanhos das partículas dos pós compósitos provocando mudanças significativas em sua microestrutura. Como é esperado, pós compósitos WC-20%Cu e WC-18%Cu-2%Nb moídos apresentaram porcentagem em massa significativa de ferro (Fe) como impureza. Isso ocorre devido o processo de moagem no moinho attitor ser muito agressiva, assim, o próprio meio de moagem contamina as amostras.
A intensa deformação do cobre e o alto refino do carbeto de tungstênio e do nióbio, causado pelo rigor das colisões das bolas contra as partículas dos pós durante a MAE, produziram diminuição no tamanho dos cristalitos e um alargamento dos seus picos de difração.
5.2 Influência da temperatura de sinterização e pressão de compactação nos pós compósitos de WC-20%Cu e WC-18%Cu-2%Nb:
As densidades dos sinterizados em temperatura de 1150 °C em forno resistivo tubular apresentaram melhores valores comparados com os sinterizados em 1030°C. Esse processo promove, também, uma homogeneização e mudanças microestruturais mais rápida das fases dos compósitos.
A partir das análises das micrografias e dos valores das densidades relativas, foi possível observar que as amostras moídas que foram compactadas a 600 MPa apresentaram densidade final superiores quando comparadas com as amostras mis- turadas e moídas com menor pressão de compactação, porém, esse não foi um fator preponderante para densificação final do material.
Os resultados das análises das micrografias eletrônicas verificou uma resistên- cia ao crescimento do grão nos compósitos que continham nióbio, provando que a porcentagem de nióbio foi suficiente para atuar como inibidor de crescimento do grão. O nióbio agiu como soluto segregando nos contornos do grão e, desse modo, reduziu o excesso de energia superficial responsável pelo crescimento dos grãos durante a sinterização.
5.3 Recomendações para trabalhos futuros:
Estudar a influência de outros parâmetros de moagem (tipo de moinho, veloci- dade de moagem, tempo de moagem) na microestrutura das partículas dos compósitos WC-20%Cu e WC-18%Cu-2%Nb.
Estudar a influência de outras concentrações em massa de nióbio no compósito de WC-Cu.
Referências
ABAD, M. et al. Microstructure and mechanical properties of CuxNb1x alloys prepared by ball milling and high pressure torsion compacting. J. Alloys Compd, n. 630, p. 117 – 125, 2015.
AKBULUT, H. et al. Co-deposition of Cu/WC/graphene hybrid nanocomposites produced by electrophoretic deposition. Surface & Coatings Technology, n. 284, p. 344 – 352, 2015.
ARABI, H. et al. Synthesis of WC–20 wt. % Cu composite powders by coprecipitation and carburization processes. Materials Science, v. 28, n. 2, p. 413 – 420, 2010.
BARBOSA, C. Cobre. 2001.
BARMOUZ; GIVI, B.; SEYFI. On the role of processing parameters in producing Cu/SiC metal matrix composites via friction stir processing: investigating microstructure, microhardness, wear and tensile behavior. Mater Charact, n. 62, p. 108 – 117, 2011. BOTCHAROVA, E.; FREUDENBERGER, J. High thermal stability of mechanically- alloyed nanocrystalline CueNb alloys. Z. für Met, n. 97, p. 1350 – 1354, 2006.
BOTCHAROVA, E.; FREUDENBERGER, J.; SCHULTZ, L. Cu–Nb alloys prepared by mechanical alloying and subsequent heat treatment. Journal of Alloys and Compounds, n. 365, p. 157 – 163, 2003.
BOTCHAROVA, E.; FREUDENBERGER, J.; SCHULTZ, L. Mechanical and electrical properties of mechanically alloyed nanocrystalline CueNb alloys. Acta Mater, n. 54, p. 3333 – 3341, 2006.
BOTCHAROVA, E. et al. Supersaturated solid solution of niobium in copper by mechanical alloying. J. Alloys Compd., n. 351, p. 119 – 125, 2003.
CALLISTER, J. W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 5. ed. [S.l.]: LTC, 2008.
CAPELETTI, T. Estudo da brasabilidade de contatos elétricos por metal de adição 40%Ag 21%Zn 20%Cd 19%Cu. 2008. 153 p. Dissertação (Mestre em Engenharia) — Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.
CHIAVERINI, V. Metalurgia do pó -Tecnica e produto. 3. ed. [S.l.: s.n.], 1992.
CHOOKAJORN, T.; SCHUH, C. Thermodynamics of stable nanocrystalline alloys: a Monte Carlo analysis. Phys. Rev, n. 89, 2014.
CHRYSANTHOU, A.; ERBACCIO, G. Production of copper-matrix composites by in situ processing. J Mater Sci, n. 30, p. 6339 – 6344, 1995.
COSTA, F. A. da. Síntese e sinterização de pós compósitos do sistema W-Cu. 2004. 196 p. Tese (Doutorado em Ciências na Área de Tecnologia Nuclear - Materiais.) — IPEN - INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGÉTICAS E NUCLEARES.
DARLING, K. et al. Grain size stabilization of nanocrystalline copper at high temperatures by alloying with tantalum. Alloys Compd, n. 573, p. 142 – 150, 2013.
DARLING, K. et al. Microstructure and mechanical properties of bulk nanostructured CueTa alloys consolidated by equal channel angular extrusion. Acta Mater, n. 76, p. 168 – 185, 2014.
EBRAHIMI-KAHRIZSANGI, R.; MAHABADI, M. K.; TORABI, O. An investigation on the mechanochemical behavior of the Ca–C–Cu2O–WO3 quaternary system to synthesize the Cu–WC nanocomposite powder. Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials, n. 54, p. 75 – 81, 2015.
EL-ESKANDARANY, M. S. Mechanical Alloying - Nanotechnology, Materials Science and Powder Metallurgy. 2. ed. [S.l.]: Elsevier, 2015.
FANG, Z. Z.; WANG, H.; KOOPMAN, M. C. Cemented Tungsten Carbide HardmetaldAn Introduction. In: . Comprehensive Hard Materials. [S.l.: s.n.], 2014. v. 1, cap. 4, p. 123 – 137.
GERMAN, R. M. Consolidation Techniques. In: . Comprehensive Hard Materials. [S.l.: s.n.], 2014. v. 1, cap. 8, p. 237 – 263.
GRILL, R.; GNADENBERGER, A. Niobium as Mint Metal: Production – Properties – Processing. International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, v. 4, n. 24, p. 275 – 282, 2006.
HALL, E. O. The deformation and ageing of mild steel: III discussion of results. [S.l.]: Section B, 1951.
HEWITT, S. A.; KIBBLE, K. A. Effects of ball milling time on the synthesis and consolidation of nanostructured WC–Co composites. Int. Journal of Refractory Metals & Hard Materials, n. 27, p. 937 – 948, 2009.
KAPOOR, M. et al. An atom probe study on Nb solute partitioning and nanocrystalline grain stabilization in mechanically alloyed Cu-Nb. Acta Materialia, n. 126, p. 564 – 575, 2017.
KAPOOR, M.; THOMPSON, G. Role of atomic migration in nanocrystalline stability: grain size and thin film stress states. Curr. Opin. Solid State Mater, n. 19, p. 138 – 146, 2015.
KLAR, E.; SAMAL, P. K. Powder Metallurgy Stainless Steels: Processing, Microstructures, and Properties. ASM international, p. 1 – 4, 2007.
KNUPP, D. C. Análise Teórico-Experimental de Transferência de Calor em
Nanocompósitos via Transformação Integral e Termografia por Infravermelho. 2010. 174 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) — Universidade Federal do Rio de Janeiro.
KOCH, C.; SCATTERGOOD, R.; SABER, H. K. High temperature stabilization of nanocrystalline grain size: thermodynamic versus kinetic strategies. Solid State Mater. Sci., n. 19, p. 138 – 146, 2015.
KOCH, C. C. Synthesis of nanostructured materials by mechanical milling: problems and opportunities. Nanostructured Materials, p. 13 – 22, 1997.
LASSNER, E.; SCHUBERT, W. Tungsten: properties, chemistry, technology of the element, alloys, and chemical compounds. [S.l.]: Springer Science & Business Media, 2012.
MENDONÇA, P. T. Materiais compósitos e estruturas sanduíche - Projeto e análise. [S.l.: s.n.], 2005.
MILLETT, P.; SELVAM, R.; SAXENA, A. Stabilizing nanocrystalline materials with dopants. Acta Mater, n. 55, p. 2329 – 2336, 2007.
MORRIS, D.; MORRIS, M. Mechanical alloying of copper-BCC element mixtures. Metallurg. Mater, n. 24, p. 1701 – 1706, 1990.
MOUSTAFA; ABDEL-HAMID; ABD-ELHAY. Coppermatrix SiC and Al2O3 particulate composites by powder metallurgy technique. Mater Lett, n. 53, p. 244 – 249, 2002. MS, E. Mechanical solid state mixing for synthesizing of SiCp/Al nanocomposites. Alloys Comp, p. 263 – 271, 1998.
MURDOCH, H.; SCHUH, C. Estimation of grain boundary segregation enthalpy and its role in stable nanocrystalline alloy design. J. Mater. Res., n. 28, p. 2154 – 2163, 2013. OZERINÇ, S. et al. Grain boundary doping strengthens nanocrystalline copper alloys. Scr. Mater, n. 67, p. 720 – 723, 2012.
PETCH, N. The cleavage strength of polycrystals. J. Iron Steel Inst, n. 174, p. 25 – 28, 1953.
PRAKASH, L. Fundamentals and General Applications of Hardmetals. In: . Comprehensive Hard Materials. [S.l.: s.n.], 2014. v. 1, cap. 2, p. 29 – 90.
RAIMUNDO, R. A. Efeito da moagem de alta energia e da pressão de compactação na densidade e nas propriedades físicas do compósito Cu-20%WC. 2016. 126 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) — Universidade Federal do Rio Grande do Norte.
RIBEIRO, G. B.; FERZOLA, J. F.; RODRIGUES, R. da S. Dissipador de calor de cobre refrigerado com nitrogênio líquido. Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider. 2009.
SANTOS, F. B. dos. Estudo da eficiência do processo de soldagem por resistência elétrica utilizado na indústria atomobilistaca. 2006. 104 p. Dissertação (Mestrado em Sistemas de Gestão) — Universidade Federal Fluminense.
SOUSA, R.; FERNANDES, L.; GUERRA, W. Nióbio. In: . Química Nova na Escola. 1. ed. [S.l.: s.n.], 2013. cap. 35, p. 68 – 69.
SURYANARAYANA, C. Mechanical alloying and milling. Progress in Materials Science, n. 46, p. 1 – 184, 2001.
SURYANARAYANA, C.; AL-AQEELI, N. Mechanically alloyed nanocomposites. Progress in Materials Science, n. 58, p. 383 – 502, 2012.
UPADHYAYA, G. S. Powder Metallurgy Technology. 1. ed. [S.l.]: CAMBRIDGE INTERNATIONAL SCIENCE PUBLISHING, 2002.
YUSOFF, M.; OTHMAN, R.; HUSSAIN, Z. Mechanical alloying and sintering of nanostructured tungsten carbide-reinforced copper composite and its characterization. Materials and Design, n. 32, p. 3293 – 3298, 2011.
ZHAO; LI; YANG. Influence of the P/M process on the microstructure and properties of WC reinforced copper matrix composite. J Mater Sci, n. 39, p. 4829 – 4834, 2004.
¸
SELTE, A.; ÖZKAL, B. Infiltration Behavior Of Mechanical Alloyed 75 wt% Cu-25 wt% WC Powders Into Porous WC Compacts. Archives of Metallurgy and Materials, n. 60.2, p. 1565 – 1568, 2015.