ARTIGO 1 – Ed. 110: ESTUDO DA FASE AMORFA NA LIGA Co67Nb25B18

Resumo: Este trabalho tem por objetivo a elaboração do composto amorfo Co₆₇Nb₂₅B₁₈ a partir dos pós elementares através da moagem de alta energia. A moagem da liga amorfa Co₆₇Nb₂₅B₁₈ foi realizada para tempos de moagem de 1, 5, 10 e 15 h. Em 15 horas obteve-se a fase amorfa desejável. A evolução microestrutural foi acompanhada através das técnicas de por Difração de Raios X (DRX), Microscopia Eletrônica de Varredura e Espectroscopia por Dispersão de Energia (MEV/EDS). Resultados experimentais mostram que a evolução da fase amorfa foi rápida em uma velocidade de 300 RPM.

Palavras-Chaves: Moagem de Alta Energia; Liga Amorfa Co₆₆Nb₂₂B₁₂; fase amorfa.

STUDY OF AMORPHOUS PHASE IN THE ALLOY Co₆₇Nb₂₅B₁₈

 Abstract: The purpose of this work is to elaborate the amorphous compound Co₆₇Nb₂₅B₁₈ from elementary powders through high energy grinding. The grinding of the amorphous Co₆₇Nb₂₅B₁₈ alloy was carried out for grinding times of 1, 5, 10 and 15 h. In 15 hours, the desired amorphous phase was obtained. The microstructural evolution was followed by the techniques of X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy and Energy Dispersion Spectroscopy (SEM / EDS). Experimental results show that the evolution of the amorphous phase was rapid at a speed of 300 RPM.

Keywords: High Energy Milling; Amorphous Co₆₇Nb₂₅B₁₈; Amorphous Phase.

1. INTRODUÇÃO

Desde a primeira liga amorfa sintetizada no sistema Au₇₅Si₂₅ por solidificação rápida, uma grande variedade de ligas metálicas amorfas tem sido desenvolvida durante as quatro décadas subsequentes [1]. A estrutura amorfa confere propriedades excepcionais tais como alta dureza, baixo coeficiente de atrito, alta corrosão e resistência mecânica ao desgaste e ótimas propriedades são conhecidas várias propriedades físicas, químicas, mecânicas, térmicas, elétricas, magnéticas (baixa perda magnética, reversão rápida de fluxo, alta resistividade elétrica e baixa perda acústica) e biológicas (biomateriais) [2-3].

Ligas amorfas é uma combinação de estruturas desordenadas e ligação metálica interatômica em um estado termodinâmico metaestável [4]. As ligas do amorfas podem ser obtidas através do processo de Moagem de Alta Energia (MAE) é uma síntese mecano-química em queas misturas de  pós  de  diferentes  metais  ou ligas  são  moídas  conjuntamente  para  obtenção  de  uma  liga  homogênea, através  da  transferência  de  massa [5]. Por vibração ou rotação as esferas chocam-se com as paredes do vaso resultando em uma prensagem do  pó  a  cada  impacto,  e  deste  modo  o  pó  é  repetidamente  levado  a  solda,  fratura  e  ressolda  num  intenso processo cíclico de transferência de energia que possibilita a nanoestruturação dos materiais moídos. Durante a moagem de alta energia, alta deformação é introduzida nas partículas. Isso é manifestado pela  presença  de  vários  defeitos  cristalinos,  tais  como  discordâncias,  vazios,  falha  de  empilhamento  e aumento no número de contornos de grão [6]. A presença desses defeitos, além do refinamento da microestrutura que  diminui  as  distâncias  de  difusãoe  do  aumento  da  temperatura  durante  a  moagem,  aumentam  a difusividade  dos  elementos  solutos  na  matriz,  resultando  na  produção  de  pós  com  alta  sinterabilidade  emrelação à moagem convencional [7]. Muitas ligas amorfas  complexas, com propriedades específicas podem ser obtidas por adição de outros elementos a este sistema, como o Nb e vários compostos químicos pode ser cristalizado a partir da fase amorfa a temperaturas específicas [8].

Ligas amorfas baseadas em Co, Fe, Nb, B e sistema amorfo do tipo Co-Nb-B é facilmente fabricado usando técnicas de reação do estado sólido e possuem boas propriedades magnéticas, estabilidade térmica e uma elevada magnetização de saturação, de alta permeabilidade, baixa coercitividade e perda, que encontram suas aplicações no sistema antirroubo segurança, eletrônica de potência, dispositivos de telecomunicações e magnetismo automotivos [9]. As ligas amorfas à base de Fe-Si-B e Co-Nb-B apresentam excelentes propriedades magnéticas macias [10].

Similarmente algumas ligas baseadas em ligas amorfas e ligas amorfas de grande volume (BMGs) como Co-Nb-B consistem em ligação covalente formado por elemento metalóide (B) e um elemento de metal de transição com alto módulo de elasticidade (Co). Além disso, uma vez que Nb e B têm entalpia negativa de mistura com o elemento constituinte na maioria o Co [11]. Neste trabalho, estudou-se a caracterização desta liga amorfa do tipo Co₆₇Nb₂₅B₁₈ através do processo de moagem alta energia. O estudo de caracterização foi DRX – Difração de Raios X ,Microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de energia dispersiva (EDS).

2. MATERIAIS E MÉTODOS

 Os pós dos elementos Cobalto, Nióbio e Boro, conforme a sua granulometria (peneira de 100 mechas), tendo uma pureza de 99,99% cada um dos elementos, Os pós de Cobalto e Boro foram obtidos comercialmente da Aldrich Chemical Company. O pó de Nióbio foi doado pela CBMM – Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração. De acordo com o fabricante o nióbio com diâmetro médio de 100 mm foi obtido por hidretação, seguida de moagem e posterior desidretação. Os pós elementares, foram pesados nas proporções adequadas à composição (Co₆₇Nb₂₅B₁₈) e homogeneizados mecanicamente e os componentes foram pesados em uma balança de precisão, Micronal B4000 com resolução de 10^-2g obtendo-se as composições nominais.

Os pós elementares foram pesados na proporção, na relação bola/pó determinada foi de 20:1, indicando assim o peso total da amostra, 25g, como também o peso das esferas de aço cromo, com três tamanhos diferentes (6 esferas de 20mm, 4 esferas de 15mm e 6 esferas de 10 mm), perfazendo um total de 225g de esferas, utilizando um moinho do tipo planetário. As coletas foram feitas em intervalos de 1, 5, 10 e 15 horas de processamento.Este material foi colocado em uma jarra de aço de alta dureza, a qual foi selada para obtenção de vácuo de 5∙10^-2 mbar, prevenindo possível contaminação dos pós. A jarra com os a mistura dos pós-elementares foi então colocada em um moinho planetário, moinho planetário Modelo: NQM2L Mill Pulverizer onde foi moído inicialmente por 5h, com rotação de 300 RPM.

Para a identificação das fases da liga a amorfa Co₆₇Nb₂₅B₁₈, foi usado um difratômetro Shimadzu XRD 6000, utilizando radiação de CuKα (λ = 1,54056 Å). As medidas foram tomadas para uma ampla gama de ângulos de difração (2θ) que variam de 0° a 180° com passo angular de 0,05º e com tempo de contagem por ponto igual a 4 s. A análise em MEV/EDS foi realizada com um SHIMADZU SUPERSCAN SSX-550 com uma tensão de aceleração de 0,5 a 30kV com uma etapa de 10V, após a amostra ter sido revestido com fina camada de ouro depositada em vácuo, a fim de melhorar o contraste da imagem.

3. RESULTADOS EDISCUSSÂO

3.1 Difração de raios X

A Figura 1 apresenta os padrões de difração de raios-x (DRX) dos pós moídos em função do tempo de moagem. A verificação de um halo de difração bastante definido indica a presença prioritária de fase amorfa em 45º [12].

Figura 1. Padrões de DRX do pó de Co₆₇Nb₂₅B₁₈ por moagem de alta energia nos tempos (1, 5, 10 e 15 h).

Depois de 1 hora de moagem, observou-se que todos os picos do Cobalto puro diminuíram drasticamente de intensidade em contraste com a mistura inicial, e depois de 5 h de moagem, a maioria dos picos do Co puro já tinham desaparecido e as intensidades dos picos do Nb diminuíram drasticamente de intensidade.  Os dois últimos padrões de difração de raios-x mostrados nos difratogramas correspondem às ligas dos pós de Co₆₇Nb₂₅B₁₈ depois de 10-15 h de tratamento por moagem de alta energia. Os pós eram amorfos para a faixa de tempo entre 10 e 15 h quer para condições de moagem com 2 e 3 tamanhos de esferas e velocidade 300 RPM. Entretanto, para a amostra moída com a velocidade de 300 RPM (nível de alta energia), o surgimento da fase amorfa e o acréscimo das fases ricas em Co e Nb foram abruptos e estabilizando em 15 horas de moagem e com o surgimento de fase amorfa desejável, indicando que o estado sólido já estaria completo naquele instante. Um processo de reação do estado sólido adicional permite que o Boro se difunde no Co-Nb, formando Co-Nb-B amorfo.

3.2 Microscopia eletrônica de varredura e EDS

A Figura 2 respectivamente mostra o pó da liga amorfa Co₆₇Nb₂₅B₁₈, o resultado da Micrografia   eletrônica da amostra obtida por Microscopia Eletrônica de Varredura com uma  morfologia  com  pequenos cristais irregulares bem  facetados  e  tamanhos  de  partículas  bastante homogêneos.

Figura 2. Micrografia   eletrônica obtida por MEV da liga amorfa Co₆₇Nb₂₅B₁₈ pequenos cristais irregulares bem facetados.

Os tamanhos das partículas lamelares ricas em óxidos obtidas através dos pós estão abaixo de 20μm. A influência do B, na dinâmica do crescimento da fase amorfa e acréscimo das fases ricas em nióbio e cobalto tem uma influência direta no refino da microestrutura [13]. O surgimento de frações da fase amorfa logo nos estágios iniciais da moagem de alta energia está ligado com a complexação do B com das fases ricas de Cobalto e Nióbio em solução intermetálica, é visto nitidamente quando moído em 300 RPM em 15 horas no micrógrafos de MEV em pequenos cristais irregulares bem  facetados.

A Figura 4 apresenta, espectro de EDS da liga amorfa Co₆₇Nb₂₅B₁₈, concentrações de Cobalto, Nióbio e Boro com a presença pequena quantidades de Oxigênio que possibilita a formação de óxidos em sua superfície e presença de B acoplado para surgimentos de composto de boratos.

Figura 4. Espectro de EDS da liga amorfa Co₆₇Nb₂₅B₁₈.

O Boro pode se combinar tanto com elementos metálicos quanto não metálicos, para formando compostos covalentes, já que em nenhum caso dá origem a estados iônicos, cátions (íons de carga positiva) ou ânions (íons de carga negativa). Devido ao fato, que as ligas amorfas se complexam com atrizes vítreas a base de óxido de boro vem sendo investigadas para potenciais aplicações.

Uma grande diversidade de unidades estruturais compõe a rede vítrea formada por vidros a base de boro, favorecendo a aceitação de ampla quantidade de dopantes terras raras ou metais de transição para obtenção de ligas amorfas.

O oxigênio se complexa se complexa com Co, Nb e B que possibilita a reação peritética de estado sólido com fase amorfas ricas em óxido metálicos e intermetálico [14].

CONCLUSÃO

• No difratogramas de DRX, é possível a verificação de um halo de difração bastante definido indica a presença prioritária de fase amorfa em 45ºda liga amorfa Co₆₆Nb₂₂B₁₂;
• Análise do MEV mostra a morfologia formação de finas camadas de partículas lamelares em formato de placas e irregulares alta porosidade devido ao processo de amorfização da liga na fase amorfa;
• A influência do B, na dinâmica do crescimento da fase amorfa e acréscimo das fases ricas em nióbio e cobalto tem uma influência direta no refino da microestrutura com velocidade de 300RPM, revelando a fase amorfa com partículas lamelares de tamanho de 20μm;
• No EDS mostra maiores concentrações de Co e Nb, se complexando com O e com B; sendo o B o agente amorfizador.

AGRADECIMENTOS

 O autor agradece a Central Analítica de Química-UFPE e a CBMM.

REFERÊNCIAS

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[14]. INOUE, A. Stabilization of Metallic Supercooled Liquid and Bulk Amorphous Alloys. Acta Materialia 48(1). p.279–306, 2000.

AUTOR:

Luciano Nascimento

Graduado em Física e Matemática, trabalha com síntese e caracterização de ligas nanocristalinas e policristalinas em Física da Matéria Condensada Teórica e Experimental.

E-mail:luciano.uepb@gmail.com