Influência de adições de prata na cinética de recristalização da liga CU-5%Al

Influence of silver additions on the recrystallization kinetics of the Cu-5wt.%Al alloy

INFLUÊNCIA DE ADIÇÕES DE PRATA NA CINÉTICA DE RECRISTALIZAÇÃO DA LIGA CU-5%Al

Antonio Tallarico ADORNO^*

Carlos Roberto Sobreira BEATRICE ^*

Mário CILENSE^*

Ivan Alexandre PETRONI^**

Aroldo Hiroiuqui HARA ^**

RESUMO: A influência de adições de 2, 4, 6 e 8% de prata, em peso, na cinética de recristalização da liga Cu-5%Al com taxas de deformação de 40, 70 e 90%, foi estudada utilizando-se metalografia por microscopia óptica e medidas de variação do tamanho de grão com o tempo e a temperatura de envelhecimento. Os resultados obtidos indicaram uma diminuição na velocidade de crescimento dos grãos e na energia de ativação correspondente, com o aumento da concentração de prata.

PALAVRAS-CHAVE: Recristalização; cinética; adições de prata; ligas a base de cobre.

Introdução

As adições de prata à liga Cu-Al alteram algumas propriedades e características dessa liga binária, como dureza¹, resistência à corrosão sob tensão², resistividade elétrica³, sem modificar apreciavelmente sua plasticidade e usinabilidade. As adições de prata também introduzem mudanças na microestrutura⁴ e na cinética da decomposição eutetóide⁵. As fases do sistema Cu-Al-Ag são estruturalmente análogas àquelas observadas nos sistemas binários, sem fases ternárias intermediárias^6,7.

Adorno et al.⁸ estudaram a influência de adições de prata nas características de envelhecimento da liga Cu-10,4at.%Al e observaram que, com adições de prata, é possível obter endurecimento por envelhecimento nessa liga. Observaram ainda que para tempos de envelhecimento acima de 1000 minutos ocorre um decréscimo na dureza da liga, com um processo que leva à segregação da prata e do alumínio.

Adorno et al.⁹ estudaram a influência de adições de prata na cinética de precipitação da liga Cu-5%Al, utilizando medidas de microdureza e observaram que a presença da prata introduz uma mudança mecanística no processo de precipitação.

Choppra e Niessen^{10, 11} estudaram a cinética de recristalização isotérmica em ligas de Cu-Ag-Al contendo 0,04at.%Ag e até 1,2at.%Al, utilizando metalografia, medidas de variação da microdureza, retro-espalhamento de raios X e microscopia eletrônica de varredura. Esses autores observaram que o processo de recristalização era retardado com o aumento do teor de Al e que o processo de migração do contorno de grão, durante a recristalização, era anisotrópico, devido principalmente à natureza da estrutura da deformação. Verificaram ainda que a taxa de nucleação era função do tempo e dependia da dispersão, deformação inicial e temperatura de recozimento.

Neste trabalho, estudou-se a influência de adições de 2, 4, 6 e 8% de prata, em peso, na cinética de recristalização da liga Cu-5%Al, com taxas de deformação de 40, 70 e 90%, utilizando-se metalografia por microscopia óptica e medidas de variação do tamanho de grão com o tempo e a temperatura de envelhecimento, pelo método dos interceptos de Hilliard¹².

Material e Métodos

As ligas estudadas foram preparadas em um forno de indução Inductotherm sob atmosfera de argônio, utilizando-se um cadinho de grafite e materiais com pureza igual a 99,9%. A análise química das ligas forneceu valores muito próximos daqueles das composições nominais. Após o processo de fundição as amostras das ligas foram submetidas a um recozimento prolongado de 240 horas a 850 ^oC, para homogeneização e crescimento dos grãos. Em seguida, as amostras foram laminadas a frio até as taxas de deformação de 40, 70 e 90%. As lâminas obtidas foram então cortadas em pequenos pedaços de aproximadamente 15 mm x 10 mm e essas amostras foram submetidas a um tratamento térmico de envelhecimento nas temperaturas de 700, 750, 800 e 850 ^oC, em intervalos de tempo variando de 3 a 60 minutos para cada temperatura.

Para a análise metalográfica as amostras foram lixadas manualmente e polidas mecanicamente em uma politriz Montasupal, utilizando-se óxido de crômio como abrasivo. Após o processo de polimento, as amostras das ligas foram atacadas quimicamente para revelação da microestrutura, com um reativo contendo 50 mL de HNO₃ concentrado, 20 g de Cr₂O₃ e 30 mL de H₂O destilada.

A variação do tamanho dos grãos com o tempo e a temperatura de envelhecimento foi medida utilizando-se o método de Hilliard¹², que consiste em sobrepor à superfície da amostra um segmento de reta de comprimento conhecido e contar o número de contornos de grão que atravessam esse segmento, em diferentes direções. Para obter o valor médio do tamanho dos grãos, utilizou-se a seguinte expressão:

onde N é o número de interseções, M o aumento obtido no microscópio e L o comprimento do segmento de reta. As medidas de tamanho de grão e a análise metalográfica das amostras foram efetuadas utilizando-se um microscopio óptico Carl Zeiss Neophot 30. A precipitação da prata foi observada utilizando-se um microscópio eletrônico de varredura Jeol JSM T330A.

A partir dos valores da constante de velocidade k, obtidos dos gráficos de variação do tamanho médio de grão com o tempo de envelhecimento, foram calculados os valores da energia de ativação para o crescimento dos grãos, através da equação de Arrhenius¹³.

Resultados e Discussão.

A figura 1 mostra as micrografias obtidas por microscopia óptica para a liga Cu-5%Al-6%Ag submetida a deformação de 40% e envelhecida a 700 ºC durante 20 minutos (fig. 1-a) e submetida a deformação de 70% e envelhecida a 850 ^oC durante 20 minutos (fig. 1-b). Nessas micrografias pode-se observar que o aumento na taxa de deformação provoca um aumento no tamanho médio dos grãos e também que o aumento da temperatura de envelhecimento produz um aumento no tamanho médio dos grãos. A figura 1-c mostra a micrografia obtida por microscopia eletrônica de varredura para a liga Cu-5%Al-8%Ag submetida a deformação de 90% e envelhecida a 700 ºC durante 15 minutos. Nessa micrografia pode-se observar a prata distribuindo-se preferencialmente nos contornos dos grãos da matriz de Cu-Al.

A figura 2 mostra o gráfico de variação do tamanho médio dos grãos em função do tempo de envelhecimento, para as quatro temperaturas consideradas, obtido para a liga Cu-5%Al, deformada de 40% (a) e 90% (b) e a figura 3 mostra o mesmo gráfico obtido para a liga Cu-5%Al-6%Ag, deformada de 70% (a) e de 90% (b). Foram obtidos gráficos semelhantes para todas as ligas e todas as taxas de deformação.

Nas figuras 2 e 3 pode-se observar que o tamanho de grão cresce com a temperatura e o tempo de envelhecimento, mostrando uma tendência de estabilização nas temperaturas e tempos mais elevados. Como era esperado, o aumento na temperatura acelera o crescimento dos grãos. Na curva da figura 2, correspondente à liga Cu-5%Al, observa-se que os grãos crescem rapidamente até em torno de 15 minutos e depois deste tempo de envelhecimento o crescimento é mais lento. Comparando-se as curvas da fig. 2-a e 2-b, observa-se que o aumento na taxa de deformação de 40% para 90% produziu um aumento no tamanho médio dos grãos em torno de 10 vezes. A curva obtida para a liga Cu-5%Al deformada de 70% forneceu valores médios do tamanho de grão bastante próximos daqueles observados para a curva da liga deformada de 40%. Este aumento no tamanho de grão com o aumento na taxa de deformação pode estar relacionado com a formação de núcleos de orientação bastante diferente daquela dos grãos em torno deles. Esses núcleos devem apresentar regiões onde a orientação da rede muda rapidamente devido a uma deformação não-homogênea no interior dos grãos, levando a um crescimento mais rápido e a um tamanho médio maior dos grãos.

Nas curvas mostradas na figura 3, correspondentes à liga Cu-5%Al-6%Ag, pode-se observar que os grãos crescem rapidamente até em torno de 25 minutos e depois deste tempo de envelhecimento o crescimento ocorre de forma mais lenta. Comparando estes resultados com aqueles mostrados na figura 2, verifica-se que este período de crescimento mais rápido dos grãos é aumentado na liga contendo prata. Observa-se também que a adição de prata diminui quase dez vezes o tamanho médio dos grãos. A presença da prata e sua precipitação preferencial nos contornos dos grãos corresponde a uma segregação do soluto nos contornos. Esta segregação envolve uma energia e diminui a mobilidade do contorno em relação a um contorno que não segregue o soluto. Assim, a presença da prata faz com que os grãos demorem um tempo maior para atingir a estabilização e que a energia correspondente ao seu movimento seja menor, em relação à liga que não contém prata.

Os gráficos das figuras 2 e 3 mostram que o crescimento de grão das ligas estudadas pode ser dividido em duas partes, uma correspondente ao crescimento rápido que pode ser associada a uma equação do tipo de Arrhenius e outra correspondente a um crescimento mais lento com tendência a estabilização, que pode indicar a presença de algum fator no sistema que limite o crescimento dos grãos.

A energia de ativação para o crescimento dos grãos foi calculada considerando-se o trecho das curvas correspondente à região de crescimento rápido. O coeficiente angular da reta obtida a partir da linearização desse trecho forneceu o valor da constante de velocidade k e o coeficiente angular da reta obtida a partir da linearização da equação de Arrhenius, k = k_o exp (-E_a/RT), onde k_o é um fator pré-exponencial, E_a é a energia de ativação, R é a constante dos gases e T a temperatura absoluta, forneceu a energia de ativação para o crescimento dos grãos para cada liga estudada, nas taxas de deformação correspondentes. Os valores da energia de ativação obtidos estão mostrados na tabela I e indicam que a energia de ativação para o crescimento de grão diminui com o aumento da taxa de deformação e com o aumento da concentração de prata.

A figura 4 mostra o gráfico de ln k em função do inverso da temperatura absoluta, obtido para a liga Cu-5%Al-4%Ag com taxa de deformação de 70%. Foram obtidos gráficos semelhantes para todas as ligas estudadas, nas taxas de deformação consideradas.

Conclusões

Os resultados obtidos indicam que a presença da prata diminui a mobilidade dos contornos de grão e que o aumento da concentração de prata diminui a energia de ativação para o crescimento granular. Esta diminuição na energia de ativação deve estar relacionada com a energia necessária para segregação do soluto nos contornos dos grãos. Esta segregação envolve uma energia e diminui a mobilidade em relação a um contorno que não segregue o soluto. Assim, a presença da prata faz com que os grãos demorem um tempo maior para atingir a estabilização e que a energia correspondente ao seu movimento seja menor, em relação à liga que não contém prata.

Agradecimento

Os autores agradecem à FAPESP e ao CNPq pelo auxílio recebido.

ADORNO, A. T. et al. Influence of silver additions on the recrystallization kinetics of the Cu-5wt.%Al alloy. Ecl. Quim (São Paulo), v. 25, p. , 2000.

ABSTRACT: The influence of additions of 2, 4, 6 and 8 wt.% Ag on the recrystallization kinetics of the Cu-5wt.%Al alloy cold-rolled to reductions up to 40, 70 and 90% was studied using the intercept method for measurements of mean grain size changes with time and temperature. The results indicated a decrease in the grain growth rate and in the activation energy with the increase of silver concentration.

KEYWORDS: Recrystallization; kinetics; silver additions, copper-based alloys

Recebido em 12.1.2000

Aceito em 8.2.2000

**Bolsistas de Iniciação Científica (CNPq-PIBIC)

• ¹
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  PANSERI, C., LEONI, M. II diagramma di stato ternario rame - alluminio-argento nella zona ad elevata percentuale di rame. Alluminio, v.30, n.6, p.289-298, 1961.
• ³
  ADORNO, A. T.; BEATRICE, C. R. S.; BENEDETTI, A. V.; CABOT, P. L. Silver dissolution on copper-based alloys. J. Mat. Sci. v. 28, p. 411-414, 1993.
• ⁴
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• ⁵
  ARRUDA, G. J., ADORNO, A. T., MAGNANI, R., BEATRICE, C. R. S. Kinetics of eutectoid decomposition in Cu-Al and Cu-Al-Ag alloys. Mat. Lett. V. 32, p. 79-84, 1997.
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• ⁸
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• ⁹
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• ¹²
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• ¹³
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*Departamento de Físico-Química, Instituto de Química - UNESP, Caixa Postal 355, 14801-970 Araraquara, SP.

Departamento de Físico-Química, Instituto de Química - UNESP, Caixa Postal 355, 14801-970 Araraquara, SP.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  26 Nov 2002
• Data do Fascículo
  2000

Histórico

• Aceito
  08 Fev 2000
• Recebido
  12 Jan 2000