CONGRESO CONAMET/SAM 2004 EVOLUCIÓN DE LAS FASES EN UNA ALEACIÓN DE Cu 18at.% Li BAJO DIFERENTES ATMÓSFERAS COMO UNA FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA J. A. Cano (1), O. A. Lambri (1,2), J. I. Pérez-Landazábal (3), A. Peñaloza (4), V. Recarte (3), J. Campo (5) and C. H. Wörner (4) (1) Laboratorio de Materiales Eléctricos, Escuela de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura, Universidad Nacional de Rosario, Avda. Pellegrini 250, (2000) Rosario, Argentina. E-mail: [email protected] (2) Instituto de Física Rosario (CONICET), Avda. 27 de febrero 210 bis, (2000) Rosario, Argentina. FAX # + 54–341–4821772, Te: # +54–341–4802649, ext. 125. E-mail: [email protected] (3) Dpto. de Física, Universidad Pública de Navarra, Pamplona, España. (4) Instituto de Física, Universidad Católica de Valparaíso, Valparaíso, Chile. (5) Institut Laue Langevin, Grenoble, Francia RESUMEN Se ha estudiado el comportamiento de polvos de una aleación de Cu 18at.% Li, en el rango de temperaturas entre ambiente y 973K, bajo cuatro diferentes tipos de atmósferas. Para este estudio se han utilizado diferentes técnicas experimentales a saber: Difracción de Neutrones (ND) y Análisis Térmico Diferencial (DSC). Se ha determinado que después de haber alcanzado los 973K, el contenido de litio remanente en la aleación es del 15 at.% y del 13 at.%, para los ensayos realizados bajo argón y vacío, respectivamente. En contraste, si el calentamiento se realiza en aire o nitrógeno, el contenido de litio en solución sólida en la aleación es muy reducido (3 at.%), generando una supervivencia de la aleación en estado sólido a temperaturas mayores que 1273K. En el caso del calentamiento en aire, se forma peróxido de litio, fenómeno que se explica por una sobreoxidación. Adicionalmente, el calentamiento de estos polvos en nitrógeno y en aire a presiones normales, conduce al crecimiento de nitruro de litio, fenómeno que no era esperable. Estas características, resultan de importancia para la determinación de las condiciones de temperatura y atmósfera para efectuar el tratamiento de sinterizado que permita la producción de componentes para ulteriores aplicaciones tecnológicas. Palabras claves: Aleaciones Cu-18at.% Li, Atmósferas, Oxidación, Pérdida de litio. 1. INTRODUCCIÓN Entre las varias tecnologías para el trabajado de metales, la metalurgia de polvos es la que evidencia las técnicas de fabricación más diversificadas. Uno de los atractivos de la metalurgia de polvos (P/M), es que brinda la posibilidad de fabricar partes complejas y de alta calidad, con tolerancias estrechas, y de una manera económica [1]. La utilización de la metalurgia de polvos está bastante extendida, pudiendo citarse, a modo de ejemplos, algunas aplicaciones comunes como ser: filamentos para lámparas eléctricas, cojinetes no lubricados, engranajes para transmisión en automóviles, proyectiles, contactos eléctricos, elementos combustibles para aplicaciones nucleares, implantes ortopédicos, componentes de turbinas, electrodos para soldadura, catalizadores y componentes para celdas de combustible. Si bien esta diversidad de aplicaciones ayuda al crecimiento y desarrollo de P/M, como contrapartida hace que su estudio detallado se vuelva dificultoso. Debiendo mencionarse, que muchas veces, las observaciones empíricas han permanecido inexplicadas y los procesos se mantienen ineficientes, por una inadecuada comprensión de los mecanismos involucrados [1]. Dentro de la P/M, las aleaciones de cobre se emplean ampliamente y dentro de estas aleaciones se han estudiado las de Cu-Li producidas por electrodeposición. En trabajos previos sobre esta aleación se ha informado sobre el amortiguamiento y el módulo elástico [2-3] y sobre procesos de endurecimiento por envejecimiento [4]. En otros trabajos previos se determinaron las fases que crecen durante el proceso de electrodeposición [5], los efectos del oxígeno sobre el comportamiento de la microestructura del Cu-18at.%Li [6] y se ha explicado la supervivencia de la aleación en estado sólido a temperaturas superiores a la línea de solidus [7-8]. Además, también se reportaron las propiedades mecánicas (módulo elástico y dureza), de las pastillas obtenidas por la compactación de estos polvos de Cu- CONGRESO CONAMET/SAM 2004 18at.%Li, comparándolas con pastillas similares conformadas mediante la compactación de polvos de cobre [9-10-11]. En el presente trabajo se sigue la evolución de la microestructura, como función de la temperatura, durante el calentamiento de estos polvos de Cu-18at.% Li producidos por electrodeposición, bajo cuatro diferentes atmósferas: aire, nitrógeno, argón y vacío. Este análisis se efectuó mediante el empleo de técnicas de difracción de neutrones con análisis cuantitativo de los espectros y análisis térmico diferencial. Mediante difracción de neutrones se determinó que el calentamiento genera la pérdida de litio en solución, pérdida cuya magnitud depende del tipo de atmósfera en que lleva a cabo el calentamiento. Esta característica, resulta de importancia para la determinación de las condiciones de temperatura y atmósfera para efectuar el tratamiento de sinterizado, tal que permita la producción de componentes de aleaciones de Cu-Li o para su utilización como precursor de aleaciones ternarias, por ejemplo: Al-CuLi. absorción atómica y difracción de rayos X, se determinó que los polvos resultantes poseían una composición de alrededor del 18at.%Li, con una estructura fcc y con un parámetro de red levemente superior (0.364 nm) al del cobre puro (0.361 nm) [78]. 2.2 Técnicas Experimentales Los ensayos que involucran el análisis térmico diferencial (DSC), se efectuaron en un equipo TA 2930. En tanto, los estudios de difracción de neutrones (ND) se realizaron en los difractómetros de polvos D1B y D20 en las instalaciones del Institute Laue Langevin. La longitud de onda de neutrones empleada fue de λ = 1.28 Å y λ = 1.3 Å, respectivamente. El espectro se obtuvo en atmósferas de aire, argón, nitrógeno y bajo vacío (10-2 Pa), desde temperatura ambiente hasta 973K. La rampa de calentamiento fue de 3K por minuto. Para el calentamiento se empleó un horno de vanadio y uno de niobio, el cual adiciona picos de difracción extras al espectro. 2.3 Resultados y discusión 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 2.1 Obtención de polvos Los polvos de la aleación de cobre-litio se obtuvieron mediante una técnica de electrodeposición [12]. Cuando se completó el proceso de electrodeposición, las muestras se lavaron en agua a temperatura ambiente para remover el exceso de litio. Luego se almacenaron en aire a temperatura ambiente por períodos mayores a 300 horas. De la observación del cátodo se evidencia una superficie amarillenta, con polvos con distribución dendrítica. En la Figura 1 se pueden observar las características geométricas de los polvos de Cu-Li empleados en este trabajo. Tal como se ha reportado en trabajos previos [7-8], la aleación aún se mantiene en fase sólida a temperaturas mayores que 1223K, la cual es el límite de la coexistencia de las fases líquidas y sólidas para la aleación de Cu-18 at.% Li. Este hecho, indicaba la existencia de algún proceso relacionado con la presencia de aire durante el calentamiento. En efecto, la oxidación del Cu y del Li modifica el proceso de fusión [6-7-8], y por ende, este efecto merece ser investigado con más profundidad. Tal como se ha reportado en trabajos previos [6-7-8], se desprende que cuando estos polvos se calientan en aire, se observa un incremento del peso de alrededor del 30%. En aire, se confirma que tal incremento de masa indica que tiene lugar una reacción de oxidación. Como ya se mencionó y en orden a analizar este comportamiento diferente de los polvos de Cu 18 at.% Li, dependiendo del tipo de atmósfera en que se efectúa el calentamiento, se han realizado estudios de difracción de neutrones, bajo diferentes tipos de atmósferas. Figura 1. Fotografía obtenida mediante microscopía de luz que muestra las características geométricas de los polvos de Cu-18at.%Li. Los polvos se obtuvieron mediante el pulido mecánico de la superficie de los cátodos. Mediante análisis de En los calentamientos efectuados en aire, se pueden observar picos extraños a la estructura Fm3m de la aleación de Cu-Li, en temperaturas mayores que 673K. En este ensayo, se encontraron picos de reflexión relacionados con el dióxido de litio (Li2O2), óxido de litio (Li2O), nitruro de litio (Li3N), cuprita (Cu2O) y tenorita (CuO) [7-8]. Mientras tanto, en el caso del calentamiento realizado bajo atmósfera de nitrógeno sólo aparecen reflexiones relacionadas con el compuesto Li3N, Figura 2. CONGRESO CONAMET/SAM 2004 picos exotérmicos alrededor de 573K, 673K y 823K. El pico de baja temperatura podría relacionarse a procesos de precipitación [4], mientras que el pico a 623K podría vincularse a la aparición de Li3N, en acuerdo con la temperatura de aparición de este compuesto en los estudios de ND. Por el contrario, el pico que aparece en alta temperatura, aún no puede vincularse con ningún proceso. Siendo destacable, el hecho que en subsecuentes ciclos en temperatura, el pico a 573K desaparece y el pico a 623K disminuye [8]. Figura 2. Espectro de difracción de neutrones, de los polvos de Cu-18 at.% Li, medidos como una función de la temperatura, en atmósfera de nitrógeno. Figure 3. Termograma DSC de polvos de Cu-18 at.% Li en nitrógeno. Tal como podía esperarse, no se encontró Cu3N, ya que el compuesto funde a temperaturas cercanas a la ambiente [13]. En contraste, en los estudios de ND realizados bajo vacío y atmósfera de argón, no se han detectado reflexiones extrañas y por lo tanto, la aparición de óxidos y nitruros se puede despreciar [78]. Ahora, si nos centramos en la ya referida aparición de óxido de litio durante el calentamiento en aire, puede decirse que la misma resulta razonable dado el incremento del nivel de reacción del litio en este tipo de atmósfera [14]. Como hecho saliente, debe puntualizarse que el nitruro de litio aparece tanto durante el calentamiento en aire, como en nitrógeno, fenómeno que no era esperable, dadas las condiciones en que se ha trabajado: presión levemente superior a la atmosférica y ausencia de humedad. En efecto, la formación de nitruro de litio para presiones del orden de 10 atm., surge como una reacción bajo nitrógeno meta-presurizado (N2 + 6Li = 2 Li3N), para una temperatura de 1273K. En tanto, que para que la reacción aparezca a temperatura ambiente, se requiere la catálisis de una baja cantidad de agua [14], siendo de mencionar que la referida presencia de humedad, no se ha detectado durante la realización de este trabajo. Sin embargo, en los estudios de ND realizados bajo nitrógeno, se observa la aparición de Li3N, alrededor de 723K. Por lo tanto, en el sistema Cu-Li, resulta todo un desafío poder explicar el crecimiento del nitruro de litio a presiones cercanas a la atmosférica y bajo condiciones de atmósfera seca. En este contexto, en el termograma que se realizó en atmósfera de nitrógeno (Figura 3), se detectaron tres Con respecto al ND en argón y como punto a destacar, resulta interesante la aparición de peróxido de litio, así como el hecho que se mantenga a temperaturas por encima de 713K, que corresponde a la temperatura de transformación hacia la forma más estable, Li2O2 → Li2O [14-15]. Esto podría explicarse asumiendo que, tal como podía esperarse, el entorno de aire ha suministrado la cantidad de oxígeno suficiente para promover el surgimiento del peróxido de litio. También se analizó el estudio de DSC efectuado bajo atmósfera de argón (Figura 4). En este termograma, se observa un pico endotérmico ancho, alrededor de 623K, relacionado con la fusión de los polvos Cu18at.%Li. Debiendo notarse que es probable que el pico endotérmico relacionado a la evaporación de litio aparezca superpuesto al de fusión. También se observa un pico a menores temperaturas, alrededor de 330 K, que podría relacionarse a la aparición de procesos de precipitación como se propuso en la ref. [4]. Durante el segundo calentamiento, no aparecen ni el pico de precipitación ni el pico de fusión, ya que la nueva temperatura de fusión de los cristales está por encima de los 1000K, de acuerdo al diagrama de fases, valor de temperatura al cual no llega el ensayo de DSC. Ahora y en orden a focalizar el análisis sobre la evolución de la fase Cu-Li con la temperatura, la Figura 5 muestra un detalle del rango 2θ alrededor de 42º, relacionado con la reflexión (200), para algunos de los calentamientos llevados a cabo en aire, nitrógeno y argón. CONGRESO CONAMET/SAM 2004 Además, a una temperatura de alrededor de 873K, el corrimiento de la posición del pico, se verifica hacia ángulos mayores, hecho que indica una disminución en el parámetro de red. En este sentido, en la Figura 5, también se muestra la posición de los picos de reflexión después del calentamiento, medidos a temperatura ambiente, la cual pone en evidencia la modificación del parámetro de red después del calentamiento [8]. 2.5 Pico ancho 2 DSC (A.U.) ENDO 1.5 1 Pico de baja temperatura 0.5 0 300 400 500 600 700 800 T (K) Figura 4. Termograma DSC de polvos de Cu-18 at.% Li en argón. En orden a ampliar el análisis del comportamiento del parámetro de red en función de la temperatura, en la Figura 6 se indican las curvas calculadas mediante el refinamiento de Rietveld, para los espectros realizados bajo los cuatro diferentes tipos de atmósferas. El espectro medido bajo vacío, fue omitido para mayor claridad del dibujo, ya que este aparece prácticamente superpuesto al espectro medido bajo atmósfera de argón, a igual temperatura [8] Figure 6. Parámetro de red como una función de la temperatura a partir de los estudios de difracción de neutrones, realizados bajo distintas atmósferas. Como se puede observar, todas las curvas evidencian un comportamiento no lineal. Este comportamiento no lineal, se puede relacionar con la pérdida de litio de la solución sólida con el aumento de la temperatura, de acuerdo a la evolución que se desprende del diagrama de fase (Figura 7). Figure 5. Zoom del rango 2θ alrededor de la reflexión (200) mostrando su movimiento como una función de la temperatura, relacionado con el cambio en el parámetro de red, en diferentes tipos de atmósferas: aire, nitrógeno y argón. Como se puede ver de la figura, la posición del pico de los difractogramas, se desplaza, durante el calentamiento, hacia ángulos menores, debido a la dilatación de la red, fenómeno propio de la aparición de la así llamada fase de alta temperatura, la que posee la misma estructura Fm3m, con un parámetro de red menor que el inicial del Cu-18 at.% Li [6-7-8]. Sin embargo, para temperaturas mayores que alrededor de 600K, la velocidad de corrimiento hacia ángulos menores decrece. La fase líquida que se forma a temperaturas superiores a 700K es rica en litio y en consecuencia, el aumento de temperatura a partir de ese punto, incrementa la fracción en volumen de líquido. La oxidación de la fase semilíquida lleva a la pérdida de litio y por lo tanto a la solidificación de acuerdo a la regla de la palanca. Siendo este fenómeno, el que explica la desviación de la linealidad del parámetro de red durante el calentamiento [6-7-8]. Como se sabe, la temperatura a la cual se produce la transformación de sólido a líquido, depende del contenido de litio de la aleación, modificándose desde 1356K para el cobre puro hasta alrededor de 450K para Cu-23at.% Li. Esta transformación se produce alrededor de 615K (punto A de la Figura 7) para una aleación de Cu-18 at.% Li [16], existiendo a partir de dicha temperatura, una zona de coexistencia líquido sólido (segmento entre los puntos A y A1), tal como se indica en la misma figura. CONGRESO CONAMET/SAM 2004 Como se observa, a temperatura ambiente y después del calentamiento, el parámetro de red resulta menor al original (punto lleno en la Figura 6). En consecuencia, si se asume una dependencia lineal del parámetro de red con el contenido de litio, se puede estimar la concentración de litio en la aleación calentada, conociendo el valor del parámetro de red. En resumen, cuando los polvos se calientan en aire, la pérdida de litio en la solución sólida Cu-Li está controlada por su combinación tanto con el oxígeno como con el nitrógeno en la fase líquida Cu-Li. Esto reduce la concentración de litio en la solución sólida hasta valores muy pequeños (del orden del 3 at.%), conduciendo a la precipitación de una solución sólida de Cu-Li con una muy baja concentración de litio. De acuerdo al diagrama de fase, Figura 7, a este contenido de litio le corresponde una temperatura de liquidus de 1340K (punto B). de la temperatura de fusión (Figura 7), incremento que depende de la atmósfera en la que se realiza el calentamiento. En adición, y de acuerdo al diagrama de fase, en el caso del calentamiento llevado a cabo en aire, la fracción líquida que se forma es muy reducida y esto podría explicar porqué no se pudo observar mediante los estudios de ND reportados en trabajos previos [7-8]. En efecto, en las altas temperaturas que se muestran en la figura, alrededor de 930K, la presión de vapor de litio, es de aproximadamente 0.5 micrones (de mercurio). En contraste, para el cobre es menor que 10-2 micrones [17]. Esta mayor presión de vapor para el litio que para el cobre, promueve una mayor velocidad de evaporación del litio respecto del cobre, conduciendo a una disminución del contenido de litio en solución sólida y la pérdida de linealidad en la curva del parámetro de red versus temperatura, que se ha observado en las figuras anteriores [8]. Por otra parte, las muestras calentadas bajo argón exhiben una menor desviación de la linealidad del comportamiento del parámetro de red con la temperatura, si se lo compara con la evolución bajo vacío. Pero ninguna de las dos curvas, exhibe una zona plana como sucede en el caso de los calentamientos efectuados en aire y nitrógeno. Este tipo de comportamiento, es razonable, dado que la pérdida de litio bajo atmósfera de argón resulta menor a la reportada bajo vacío, dada la menor cinética de evaporación de litio, comportamiento que está de acuerdo con un proceso de Langmuir [17]. Siendo destacable, que el proceso de fusión, no se detecta en ND bajo atmósfera de argón, debido a la pequeña fracción volúmica que está en juego, como ya se ha mencionado. Figura 7. Detalle del diagrama de fases de la aleación de Cu - Li, indicando los puntos característicos correspondientes al contenido de litio en el estado previo al calentamiento (18at%) y luego de efectuado el mismo en vacío (13at%) y aire (3at%). Debe recordarse que, por ejemplo, una aleación con una composición del 3at.%, lleva la zona de transición a la fase sólida hasta 1273K (punto D en la Figura 7). También y en función del similar comportamiento de la estructura, durante el calentamiento en nitrógeno y en aire, puede esperarse una supervivencia similar de la aleación en estado sólido, cuando se la calienta bajo atmósfera de nitrógeno a temperaturas tal altas como 1273K [8]. En conclusión, la progresiva pérdida de litio, desplaza la concentración de la aleación, de manera tal que esta se mueve hacia la región del diagrama de fase, que es rica en cobre, situación que conduce a un incremento En definitiva y después del calentamiento in situ en el difractómetro, y si se asume una dependencia lineal del parámetro de red con el contenido de litio, la aleación aún mantiene una concentración de litio de alrededor del 13 at.% y del 15 at.%, para el caso de vacío y de atmósfera de argón, respectivamente, mientras que esta concentración es de alrededor del 3at.% para los calentamientos efectuados en aire o en nitrógeno [8]. 3. CONCLUSIONES Se ha determinado que después de haber alcanzado los 973K, el contenido de litio remanente es del 15 at.% y del 13 at.%, para los ensayos realizados bajo argón y vacío, respectivamente. En tanto los calentamientos efectuados en aire o nitrógeno generan que el contenido de litio se reduzca hasta un 3at%. De estos resultados, se puede establecer que desafortunadamente el nitrógeno, el que de manera usual se emplea industrialmente para recocer algunas aleaciones de base cobre, no puede emplearse como atmósfera para efectuar tratamientos de sinterizado CONGRESO CONAMET/SAM 2004 que involucren polvos de la aleación Cu 18at.% Li. En este sentido, la atmósfera más conveniente es la de argón, bajo la cual se verifica la menor pérdida de litio (<3%), a temperaturas superiores a la línea del solidus. En consecuencia, este tipo de atmósfera debe ser la elegida para efectuar los tratamientos de sinterizado que se requieran para la obtención de piezas constituidas por polvos Cu 18at.% Li. [10] J. A. Cano, O. A. Lambri, J. I. Pérez-Landazábal, V. Recarte, G. Krot, A. Peñaloza y C. H. Wörner, Revista Materia, www.materia.coppe.ufrj.br, a ser publicado. [11] O. A. Lambri, J. A. Cano, J. I. Pérez-Landazábal, V. Recarte, enviado a Zeitschrift für Metallkunde. [12] A. Peñaloza, M. Ortiz and C. H.Wörner, J. Mat. Sci. Lett, 14, 1995, pp. 511-513. 4. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al Institute Laue Langeving y las instalaciones D20 y D1B (CRG) (Grenoble, Francia) por el tiempo de neutrones (Exp. Núm. 8-2559 y Exp. Núm. CRG-534). Este trabajo fue financiado parcialmente por el PEI Nº 6206 CONICET y la Escuela de Ingeniería Eléctrica (EIE), FCEIA, UNR, Rosario, Argentina. 5. [13] Smithells Metals Reference Book, Eds. E. A. Brandes and G. B. Brook, Butterworth Heinemann, Oxford, 1992. [14] J. A. Babor and J. Ibarz Aznárez, Modern General Chemistry, Marín, Barcelona, 1965. [15] F. Burriel Marti, F. Lucena Conde, S. Arribas Gimeno, Química Analítica Cuantitativa, Paraninfo, Barcelona, 1997. REFERENCIAS [1] R. M. German: Powder Metallurgy Science, Metal Powder Industries Federation, Princeton, New Jersey, 1989. [2] O. A. Lambri, A. Peñaloza, A. V. Morón-Alcain, M. Ortiz and F. C. Lucca, Mat. Sci. and Eng. A, 212, 1996, pp. 108-118. [3] O. A. Lambri, A. V. Morón-Alcain, E. D. Bulejes, A. Peñaloza and M. Ortiz., J. Physique IV, 6, 1996, pp. 89-92. [4] O. A. Lambri, A. V. Morón Alcain, G. I. Lambri, A.Peñaloza, M. Ortiz, C. Wörner and E. Bocanegra, Mater. Trans., JIM,40, 1999, pp. 72-77. [5] O. A. Lambri, J. I: Pérez-Landazábal, A. Peñaloza, O.Herrero, V. Recarte, M. Ortiz and C. H. Wörner, Mat. Res. Bull., 35, 2000, pp. 1023-1033. [6] O. A. Lambri, J. I: Pérez-Landazábal, A. Peñaloza, O.Herrero, V. Recarte, M. Ortiz, J. Campo, L. M. Salvatierra, L. M. Milani and C. H. Wörner, Mat. Letters, 56, pp. 709-715. [7] J. A. Cano, O. A. Lambri, J. I. Pérez - Landazábal, L. M. Milani, A. Peñaloza, V. Recarte, M. Ortiz, J. Campo, O. Herrero y C. H. Wörner, Proceedings de CONAMET/SAM SIMPOSIO MATERIA, Chile, 2002, I, pp. 193-198. [8] O. A. Lambri, J. I. Pérez-Landazábal, J. A. Cano, V. Recarte, M. Ortiz, J. Campo, A. Peñaloza, and C. H. Wörner, enviado a Powder Technology. [9] J. A. Cano, O. A. Lambri, J. I. Pérez - Landazábal, V. Recarte, G. Krot, A. Peñaloza, M. Ortiz, y C. H. Wörner, Proceedings de SAM/CONAMET SIMPOSIO MATERIA, Argentina, 2003, pp. 159162. [16] A. D. Pelton, Bull. Phase Diag., 7 (2), 1986, p. 142. [17] S. Dushman and J. M. Lafferty, Scientific Foundations of Vacuum Tecnique, Johm Wiley & Sons, New York, 1962.