Please use this identifier to cite or link to this item: http://repositorio.unicamp.br/jspui/handle/REPOSIP/334492
Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Estudo das ligas dos sistemas Bi-Zn e Zn-Al-Bi para aplicações tecnológicas
Title Alternative: Study of alloys from Bi-Zn and Zn-Al-Bi systems for technological applications
Author: Septimio, Rudimylla da Silva, 1988-
Advisor: Cheung, Noé, 1974-
Abstract: Resumo: Em muitas aplicações práticas, há necessidade de uma combinação in situ de propriedades dos materiais. Alguns sistemas metálicos apresentam reações invariantes como a eutética e a monotética. Na transformação eutética, há o interesse industrial em ligas que produzem uma matriz com uma fase de reforço para uma melhor resistência mecânica, enquanto na transformação monotética, o interesse é o inverso, isto é, uma matriz mais resistente com uma fase dispersa mais macia para aplicações tribológicas. A forma como estas fases se organizam em termos de morfologia e de distribuição na microestrutura durante a solidificação e a sua correlação com características mecânicas, corrosivas e tribológicas através de relações funcionais é fundamental para o processamento do produto. O presente trabalho visa contribuir para o entendimento da influência dos parâmetros microestruturais na resistência à corrosão e molhabilidade de ligas do sistema Bi-Zn para aplicação em soldagem de componentes eletrônicos, e resistências ao desgaste e à corrosão de ligas do sistema Zn-Al-Bi para aplicações tribológicas. Tais ligas são pouco exploradas na literatura no que se refere à solidificação em condições fora do equilíbrio, isto é, condições assemelhadas à produção industrial. A proibição, em muitos países, da incorporação do Pb em produtos, principalmente eletroeletrônicos, em função de seus efeitos adversos à saúde humana e ao meio ambiente intensifica a procura de ligas alternativas. Devido à baixa temperatura de fusão das ligas Bi-Zn, em torno de 255ºC, tornam-se ótimas candidatas para a soldagem de componentes eletrônicos na faixa classificada como de altas temperaturas (230 a 350 ºC), em substituição às tradicionais ligas Sn-Pb. A união soldada além de necessitar uma resistência mecânica adequada para manter os componentes eletrônicos acoplados, requer um bom contato da liga com os substratos. Além disso, a junta soldada deve ser avaliada em termos de corrosão visando a integridade da união em consequência da formação de um par galvânico. Nesse sentido, são realizados, além de ensaios de dureza e molhabilidade da liga solidificada sobre três substratos de interesse na indústria eletro-eletrônica (Invar, cobre e níquel), ensaios de corrosão eletroquímica (polarização potenciodinâmica e par galvânico da liga eutética Bi-Zn com os diversos substratos). Confrontando os resultados dos ensaios realizados nas ligas do sistema Bi-Zn, entre as composições estudadas, a liga eutética Bi-2,7%Zn foi a que apresentou a melhor resistência à corrosão de todas as ligas analisadas e dureza semelhante à liga Bi-5%Zn. Há que se ressaltar que a liga eutética é preferida, já que apresenta menor temperatura de fusão. O ensaio utilizando um goniômetro revelou que a liga eutética também apresenta uma boa molhabilidade com os substratos de Cu e Ni. Também é desenvolvida uma abordagem teórico-experimental para determinar o coeficiente de transferência de calor na interface liga/substrato, correlacionando-o com a molhabilidade. Por sua vez, o ensaio de par galvânico da liga eutética com os substratos de Cu e Ni permitiu perceber que a liga não forma um par galvânico tão ativo, sendo o par formado com o Ni o melhor por obter menor densidade de corrente. A liga eutética é a recomendada para aplicação de soldagem de componentes eletrônicos considerando as análises realizadas neste estudo. Com relação às ligas monotéticas do sistema Zn-Al-Bi, são realizados ensaios de dureza e de resistência ao desgaste a seco. Ensaios eletroquímicos, a saber, polarização potenciodinâmica, voltametria cíclica e par galvânico, são realizados visando estudar o sistema frente à corrosão uma vez que a vida útil depende também do comportamento do metal quando este é exposto a ambientes agressivos. Confrontando os resultados de dureza, desgaste a seco e corrosão, as ligas ternárias obtiveram respostas superiores nessas propriedades analisadas, sendo a liga com teor de 2,3% de Bi a mais indicada entre as três composições estudadas. Em relação a resposta frente a corrosão, todas as composições das ligas ternárias obtiveram taxa de corrosão similares, contudo, no que diz respeito ao desgaste, as ligas com teores mais elevado de bismuto (2,3 e 3% de Bi) apresentaram menor taxa de desgaste. Entretando, posto que o bismuto é um elemento de elevado custo em relação ao zinco e ao alumínio, a liga Zn-8%Al-2,3%Bi seria a mais indicada

Abstract: In many practical applications, there is a need for an in- situ combination of material properties. Some metallic systems have invariant reactions such as eutectic and monotectic. In the eutectic transformation, there is the industrial interest in alloys that produce a matrix with a reinforcing phase for a better mechanical resistance, while in the monotectic transformation, the interest is the inverse, that is, a more resistant matrix with a softer dispersed phase for tribological applications. The way these phases are organized in terms of morphology and distribution in the microstructure during solidification and its correlation with mechanical, corrosive and tribological characteristics through functional relations is essential for the product processing. The present work aims to contribute to the understanding of the microstructural parameters influence on corrosion resistance and wettability of Bi-Zn alloys for application in welding of electronic components, and wear and corrosion resistance of alloys Zn-Al-Bi system for tribological applications. Such alloys are scarcely explored in the literature with respect to solidification under transient conditions, ie conditions similar to industrial production. The prohibition, in many countries, of the Pb incorporation in several products, mainly electro-electronic, due to its adverse effects on human health and environment intensifies the demand for alternative alloys. Due to the low melting temperature of the Bi-Zn alloys around 255 °C, they are great candidates as solder alloys for electronic components in the high temperature range (230 to 350 °C), replacing the traditional Sn- Pb. The soldered joint, in addition to the mechanical strength required to keep the electronic components coupled, requires good contact between alloy and substrates. Furthermore, the soldered joint must be evaluated in terms of corrosion aiming the integrity of the joined metals as a consequence of a galvanic couple formation. In this sense, besides hardness test and wettability of the solidified alloy on three substrates of interest in the electro-electronic industry (Invar, copper and nickel), electrochemical corrosion tests (potentiodynamic polarization and galvanic couple of the Bi-Zn eutectic alloy with the various substrates) are performed. Comparing the results of the tests carried out in the alloys of the Bi-Zn system, the bi-2.7% Zn alloy presented the best corrosion resistance among all alloys analyzed and hardness similar to the Bi- 5% Zn. It should be noted that the eutectic alloy is preferred, since it has a lower melting temperature. The analysis using a goniometer revealed that the eutectic alloy also shows good wettability with the Cu and Ni substrates. Comparing the results of the tests carried out in the Bi-Zn system alloys, the Bi-2.7% Zn alloy presented the best corrosion resistance among all alloys analyzed and hardness similar to the Bi-5% Zn. It should be noted that the eutectic alloy is preferred, since it has a lower melting temperature. The test using a goniometer revealed that the eutectic alloy also has a satisfactory wettability with the Cu and Ni substrates. A theoretical-experimental approach is also developed to determine the heat transfer coefficient at the alloy/substrate interface, correlating it with the wettability. In turn, the galvanic corrosion testing of the eutectic alloy with Cu and Ni substrates allowed to realize that the alloy does not form a galvanic couple so active, being the couple formed with Ni the best one since it obtained the lower corrosion current density. The eutectic alloy is recommended for the application in welding of electronic components considering the analyzes carried out in this study. With respect to the monotectic alloys of the Zn-Al-Bi system, hardness and dry wear resistance tests are performed. Since the useful life also depends on the behavior of the metal when it is exposed to aggressive environments, electrochemical tests as potentiodynamic polarization, cyclic voltammetry and galvanic couple are carried out in order to study the system against corrosion. Comparing the hardness, dry wear and corrosion results, the ternary alloys obtained higher responses in these analyzed properties, being the alloy with 2.3 wt.% Bi the most indicated among the three studied compositions. Related to corrosion response, all ternary alloys compositions obtained similar corrosion rate, however, in respect to wear test, the alloy with higher bismuth contents (2.3 and 3wt.% Bi) presented lower wear rate. Nevertheless, since bismuth is a costly element in comparison with zinc and aluminum, the Zn-8 wt.% Al-2.3wt.%Bi alloy would be the most suitable
Subject: Soldagem
Tribologia
Microestrutura
Dureza
Corrosão
Language: Português
Editor: [s.n.]
Citation: SEPTIMIO, Rudimylla da Silva. Estudo das ligas dos sistemas Bi-Zn e Zn-Al-Bi para aplicações tecnológicas. 2019. 1 recurso online (303 p.). Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP.
Date Issue: 2019
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

Files in This Item:
File SizeFormat 
Septimio_RudimyllaDaSilva_D.pdf21.09 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.