MICROESTRUCTURA DE UNA ALEACION DE Cu-18 at.% Li

Jornadas SAM – CONAMET – AAS 2001, Septiembre de 2001
375-380
MICROESTRUCTURA DE UNA ALEACION DE Cu-18 at.% Li
EN FUNCION DE LA TEMPERATURA
a
b/c
d
e
f
J. I. Pérez-Landazábal , O. A. Lambri , A. Peñaloza , O. Herrero , J. Campo , L. M.
b/g
a
b
d
d
Salvatierra , V. Recarte , L. M. Milani , M. Ortiz y C. H. Wörner .
a
b
Dpto. de Física, Universidad Pública de Navarra, Campus de Arrosadía s/n, 31006 Pamplona, España.
Laboratorio de Materiales Eléctricos, Escuela de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ciencias
Exactas, Ingeniería y Agrimensura, Universidad Nacional de Rosario, Avda. Pellegrini 250, (2000) Rosario.
c
Investigador CONICET – Instituto de Física Rosario.
d
Instituto de Física, Universidad Católica de Valparaíso, Avda. Brasil 2950, Valparaíso, Chile
e
Dirección de Asesoramiento Técnico de la Provincia de Santa Fe, DAT, Ocampo y
Esmeralda, (2000) Rosario.
f
Institut Laue Langevin, B.P. 156, 6 rue J. Horowitz, 38000 Grenoble, France.
g
Facultad Católica de Química e Ingeniería, Fray Rogelio Bacon, Mendoza 4197, (2000)
Rosario, Argentina
RESUMEN
En trabajos recientes sobre la aleación de Cu-Li, se ha reportado la evolución de las
distintas fases que aparecen y crecen en los cátodos de cobre durante la electrodeposición.
También se ha realizado un estudio de la evolución de la microestructura en polvos producto
de la electrodeposición.
En este trabajo se muestran las diferencias en la evolución de la microestructura de
polvos de Cu-18 at. % Li obtenidos mediante electrodeposición, durante el calentamiento bajo
diferentes atmósferas. Se emplearon para este trabajo estudios de difracción de neutrones y
difracción de rayos X. En efecto, la oxidación juega un papel crítico sobre la preservación de
la aleación.
Palabras claves
Aleaciones Cu-Li, Difracción de neutrones y rayos X, Oxidación
INTRODUCCIÓN
Las aleaciones de base cobre, cubren un importante rango de aplicaciones en la
industria eléctrica [1]. Una aleación con átomo ligero comúnmente empleada es la Cu-Be, que
presenta excelentes propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión. Sin embargo, debe ser
mencionado que otra aleación de base cobre con un átomo ligero, es la aleación de cobre-litio,
la cual presenta interesantes propiedades de endurecimiento por envejecimiento [2,3] y una
interesante relación módulo elástico/resistividad eléctrica [4]. Además, se ha realizado un
estudio sobre las diferentes fases que evolucionan durante el proceso de electrodeposición y
se ha presentado un modelo para explicar la formación de los cristales de Cu-Li [5,6]. Sin
embargo, debe remarcarse que todos estos estudios se realizaron empleando cátodos producto
de la electrodeposición, es decir, las muestras fueron aleaciones bifásicas de Cu-18 at.% Li y
cobre.
375
Pérez-Landazábal , Lambri, Peñaloza, Herrero, Campo, Salvatierra, Recarte, Milani, Ortiz y Wörner
En otro trabajo previo, se estudió la evolución microestructural directamente en los
polvos de Cu-18 at.% Li, obtenidos mediante electrodeposición, donde se reportó la
desaparición de la fase Fm3m de baja temperatura, proceso que podría estar controlado por la
oxidación de la muestra [7].
En este trabajo se muestran las diferencias en la evolución de la microestructura de
polvos de Cu-18 at. % Li obtenidos mediante electrodeposición, durante el calentamiento bajo
diferentes atmósferas. Se emplearon para este trabajo estudios de difracción de neutrones y
difracción de rayos X. En efecto, la oxidación juega un papel crítico sobre la preservación de
la aleación.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Se obtuvieron polvos de Cu-Li producto de electrodeposición, empleando un cátodo de
cobre y uno de grafito de similar tamaño, ambos inmersos en un baño de sales de litio a 753K.
La corriente del circuito fue de 1.5A. El tamaño de los electrodos fue de (50x25x0.1) mm3 y
la distancia de separación entre los electrodos fue de 10 mm. Los cátodos fueron templados en
agua una vez finalizada la electrodeposición.
La electrodeposición formó sobre la superficie un arreglo de cristales con características
morfológicas cúbicas [8]. Estos cristales contienen una concentración de 18 at. % Li,
determinados por absorción atómica y emisión química.
Los polvos se obtuvieron mediante pulido mecánico de los cátodos electrodepositados
durante diferentes tiempos de electrodeposición. Una vez obtenidos los polvos, es decir, los
cristales, fueron almacenados a temperatura ambiente por más de 106 s.
Las mediciones de difracción de neutrones se realizaron en la estación D1B en el
Instituto Laue-Langevin. La longitud de onda empleada de los neutrones fue λ=1.28A. Los
espectros fueron medidos en el rango de 2θ entre 15º y 95º en vacío (10-2 Pa) desde
temperatura ambiente hasta 930K. La velocidad de calentamiento fue de 3K/min.
Las mediciones de difracción de rayos X en función de la temperatura se realizaron en
un difractómetro de polvos STOE, trabajando en transmisión, equipado con un dispositivo de
cámara de alta temperatura para capilares. Se empleó la radiación Kα del cobre con
monocromador, siendo las condiciones de trabajo 40 kV y 20 mA. Los difractogramas se
realizaron en aire en tres rangos diferentes de 2θ, 10º ≤ 2θ ≤ 30º, 40º ≤ 2θ ≤ 52º y 70º ≤ 2θ
≤ 77º, a la misma temperatura. La velocidad de calentamiento fue de alrededor de 3K/min.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La Figura 1 muestra los espectros de difracción de neutrones medidos en función de la
temperatura, bajo vacío. Se puede observar que no aparecen picos de difracción extraños a la
estructura cúbica de la fase de Cu-Li, lo cual indica que no aparecen nuevas fases.
La adición de litio reduce fuertemente la temperatura de la línea del solidus, cambiando
de 1356K para Cu puro a alrededor de 450K para Cu-23 at.%Li [5]. Para el Cu-18 at.% Li, la
temperatura de transición es alrededor de los 750K. Sin embargo esta transición no se detecta
en los difractogramas debido a la evaporación del litio durante el calentamiento en vacío [9].
376
Jornadas SAM – CONAMET – AAS 2001
Intensity
1200
1000
800
600
400
200
Temperature (K)
924.63
784.00
602.89
442.18
310.11
15.07
35.03
54.97
74.93
94.80
2θ
Figura 1. Espectros de Difracción de Neutrones bajo vacío
La evolución del parámetro de red en función de la temperatura calculada mediante
refinamiento de Rietveld se muestra en la Figura 2. Un comportamiento no lineal en función
de la temperatura es encontrado como resultado de la pérdida de litio durante el calentamiento
[9]. El punto lleno en la Figura corresponde al valor del parámetro de red medido a
temperatura ambiente después del tratamiento térmico durante la medición. El contenido de
litio estimado de esta curva, es alrededor del 13 at.%, resultado de acuerdo con
determinaciones de litio mediante absorción atómica en muestras que fueron tratadas con la
misma historia térmica.
La Figura 3 muestra los difractogramas de rayos X medidos en aire para los cristales de
Cu-18 at.% Li. El aumento de temperatura lleva a una reducción en la intensidad de las
reflexiones. Para temperaturas mayores a 723K, aparece otra fase. Además para temperaturas
mayores a 823K la fase de baja temperatura desaparece.
377
Pérez-Landazábal , Lambri, Peñaloza, Herrero, Campo, Salvatierra, Recarte, Milani, Ortiz y Wörner
3,68
a (A)
3,67
3,66
3,65
Neutron
Diffraction
3,64
3,63
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Temperature(K)
Figura 2. Parámetro de Red Obtenidos de los Difractogramas de Neutrones
Figura 3. Espectros de Difracción de Rayos X, en aire.
La variación del parámetro de red obtenida mediante refinamiento de Rietveld de los
patrones de difracción de rayos X se muestra en la Figura 4. El parámetro de red en la fase de
baja temperatura cambia linealmente hasta alrededor de los 723K. A altas temperaturas, en la
otra fase, el parámetro de red no cambia mucho con la temperatura. Asumiendo una
dependencia lineal del parámetro de red, se puede estimar una concentración de litio de
alrededor del 3 at.% para la fase de alta temperatura. El mecanismo físico que controla la
desaparición de la fase de baja temperatura y la aparición de la de alta temperatura no puede
ser descripto en base a una transición de fases ocurriendo en el diagrama de fases del Cu-Li
[5,9]. Este comportamiento puede explicarse por la oxidación de la aleación. El oxígeno
378
Jornadas SAM – CONAMET – AAS 2001
puede disolverse en la aleación, difundir y reaccionar con los átomos de soluto formando un
óxido [9]. En efecto, en la Figura 3, pueden observarse la aparición de picos a alrededor de 2θ
= 23º, 42.43º y 47.46º, indicados mediante flechas, de los cuales los picos a 23º y 47.46º están
relacionados con el Li2O2 y el Cu2O, respectivamente.
Cuando la aleación es calentada en aire la pérdida de litio en la solución de cobre es
controlada por la oxidación de la fase líquida, reduciendo la concentracióna valores muy bajos
de alrededor del 3at.%. En contraste cuando la aleación es calentada bajo vacío, una pequeña
reducción de la concentración de litio aparece, en el orden del 5at.% controlada por la
evaporación del litio. Por lo tanto es crítico para los tratamientos térmicos de la aleación los
calentamientos en aire. Este punto es de relevante importancia para trabajos que involucran
metalurgia de polvos, como por ejemplo, tareas de compactación en caliente de los polvos de
Cu-Li.
3.68
X-ray
3.67
a (A)
3.66
3.65
3.64
3.63
3.62
Pure Copper
3.61
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Temperature (K)
Figura 4. Parámetro de Red Obtenidos de los Difractogramas de Rayos X.
CONCLUSIONES
El calentamiento de la aleación por encima de los 725K en aire lleva a la oxidación de
la fase líquida y a la consequente reducción del litio en solución de la aleación. En vacío los
efectos de la pérdida de litio son menores. Este resultado es crucial para procesos de
compactación en caliente de los polvos de Cu-18 at%Li.
379
Pérez-Landazábal , Lambri, Peñaloza, Herrero, Campo, Salvatierra, Recarte, Milani, Ortiz y Wörner
REFERENCIAS
1. J. R Vázquez, “Materiales Electrotécnicos”, CEAC, Barcelona, 1988.
2. O. A. Lambri, A. Peñaloza, A. V. Morón-Alcain, M. Ortiz y F. C. Lucca, Mat. Sci. y Eng.
A, 212, (1996), 108.
3. O. A. Lambri, A. V. Morón Alcain, G. I. Lambri, A. Peñaloza, M. Ortiz, C. Wörner y E.
Bocanegra., Mater. Trans. JIM., 40 (1), (1999), 72.
4. Lambri O. A., Peñaloza A, Morón Alcain A. V., Ortiz M., Zelada-Lambri G. I., Herreros
O y Worner C., Anales Jornadas SAM 98, Iberomet V, 1998, Rosario, Argentina.
5. O. A. Lambri, J. I. Pérez-Landazábal, A. Peñaloza, O. Herreros, V. Recarte, M. Ortiz and
C. H. Wörner, Mat. Res. Bull., 35 (7), 1023, 2000.
6. O. A. Lambri, J. I. Pérez-Landazábal, A. Peñaloza, O. Herrero, V. Recarte, M. Ortiz y C.
H. Wörner, XI Congreso Nacional de Metalurgia y Materiales, CONAMET 2000, La
Serena, Chile.
7. O. A. Lambri, A. R. Saurit, L. M. Salvatierra, L. M. Milani, J. I. Pérez-Landazábal, V.
Recarte, A. Peñaloza, M. Ortiz y C. H. Wörner, Proceedings del XI Congreso Nacional de
Metalurgia y Materiales, CONAMET 2000, La Serena, Chile, Agosto 2000, pág. 331.
8. A. Peñaloza, M. Ortiz y C. H.Wörner, J. Mat. Sci. Lett, 14, (1995) 511.
9. J. I. Pérez-Landazábal, O. A. Lambri, A. Peñaloza, V. Recarte, L. M. Milani, L. M.
Salvatierra, M. Ortiz , y C. H. Wörner, enviado a Ox. of Metals.
380