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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.3.2016.tde-23082016-082853
Document
Author
Full name
Juan Marcelo Rojas Arango
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2016
Supervisor
Committee
Martorano, Marcelo de Aquino (President)
Albertin, Eduardo
Boccalini Júnior, Mário
Lima, Nelson Batista de
Padilha, Angelo Fernando
Title in Portuguese
Refino de grão das ligas do sistema cobre-estanho.
Keywords in Portuguese
Grão
Inoculação
Ligas de cobre
Refino
Solidificação
Abstract in Portuguese
As ligas de cobre têm grande importância na fabricação de produtos metálicos que necessitam de boa resistência à corrosão e/ou alta condutividade térmica e elétrica. A sua estrutura de grãos bruta de solidificação define diversas propriedades requeridas em serviço/processamento e o refino desta estrutura pode ser realizado a partir da inoculação do banho metálico antes do início da solidificação, aumentando o número de núcleos sólidos formados. A inoculação e os mecanismos de refino de grão em ligas de cobre foram pouco investigados e não são entendidos suficientemente para permitir o projeto de inoculantes. O presente trabalho tem como principal objetivo identificar os mecanismos fundamentais de inoculação e refino de grão das ligas do sistema Cu-Sn a partir de adições de Zr aos banhos líquidos antes da solidificação. Amostras cilíndricas foram produzidas a partir da solidificação das ligas a uma taxa de resfriamento de ~ 0,8 ?C/s. Estas amostras foram analisadas por diferentes técnicas: (a) observação da macroestrutura de grãos; (b) análise térmica das curvas de resfriamento obtidas durante a solidificação; (c) análise química; (d) exame da microestrutura em microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura (MEV) com emissão de campo (FEG), microscopia eletrônica de transmissão (MET) com e sem o feixe de íons (FIB) e (e) microanálise por espectroscopia de energia dispersiva (EDS). Observa-se que adições de Zr na faixa de 0,04 a 0,4% a banhos da liga Cu-8%Sn com cobertura de pó de grafita reduzem o tamanho médio de grão em até 90%, mas não causam efeito significativo sem a cobertura de grafita. Este efeito da diminuição do tamanho de grão com a adição de Zr torna-se significativo somente para teores de Sn >=4%. Esta redução de tamanho médio de grão é acompanhada do aparecimento de partículas facetadas na microestrutura, identificadas como ZrC a partir de padrões de difração de elétrons e microanálises EDS. Uma análise teórica mostra desajustes entre os reticulados do ZrC e do Cu? tão pequenos quanto 1,9%, indicando que estas partículas podem funcionar como centros efetivos para a nucleação heterogênea e causar o refino de grão em ligas de Cu. Parâmetros extraídos da recalescência das curvas de resfriamento, como a diferença entre as temperaturas mínima e máxima da recalescência, apresentaram boa correlação com o tamanho médio de grão final, indicando a possibilidade do controle do tamanho de grão em ligas Cu-Sn com adições de Zr a partir da análise térmica.
Title in English
Grain refinement of the alloys of the copper-tin system.
Keywords in English
Copper alloys
Grain refinement
Inoculation
Solidification
Abstract in English
Copper alloys are important to the production of metallic parts with good corrosion resistance and high thermal and electrical conductivity. The as-cast grain structures of these alloys are closely related to the properties required in service or during processing. The refining of the grain structure can be achieved by inoculation of the metallic melt, before the beginning of solidification, increasing the number of solid nuclei. The inoculantion and grain refining of copper alloys have been poorly investigated and are not sufficiently understood to enable the design of inoculants. The objective of the present work is to identify the fundamental mechanisms underlying the inoculation and grain refining of Cu-Sn alloys by additions of Zr to the melt prior to solidification. Cylindrical samples of these alloys were cast at a cooling rate of ~0,8 ?C/s. These samples were analyzed using different techniques: (a) observation of the grain macrostructure; (b) thermal analysis of the cooling curves collected during solidification; (c) chemical analysis; (d) observation of the microstructure in the optical microscope, scanning electron microscope (SEM) with field emission gun (FEG), trasmission electron microscope (TEM) with and without the focused ion beam (FIB) for sample preparation and (e) energy dispersive spectroscopy (EDS) microanalysis. The results show that additions of Zr in the range between 0,04 and 0,4% to melts of a Cu-8%Sn alloy with a graphite powder cover decrease the average grain size by up to 90%, but have no effect without the graphite cover. The decrease in grain size obtained with Zr additions become significant only for alloys with %Sn >==4 and is followed by the appearance of faceted particles in the microstructure, identified as ZrC after examining electron difraction patterns and EDS microanalyses of the particles.
 
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Publishing Date
2016-08-23
 
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