Desenvolvimento de material sinterizado à base de ligas ferro-cobre para aplicações em condutividade térmica

Abstract

O Cobre é um material bem conhecido e amplamente utilizado em componentes com a função de trocador ou extrator de calor. Entretanto, o cobre possui resistência mecânica e limite de temperatura de operação considerados baixos. Desta forma há uma oportunidade de desenvolvimento de materiais que aliem a capacidade de extração de calor do cobre com uma maior resistência mecânica. Neste trabalho, foi estudada a sinterabilidade e analisadas as propriedades térmicas e microestruturais de um material composto por ferro e cobre produzidos pelas técnicas da metalurgia do pó. A rota de fabricação foi a mistura de pós, simples compactação e sinterização na presença e na ausência de fase líquida, dependendo da temperatura de sinterização selecionada. A quantidade de cobre nas amostras variou de 20 a 80% em volume. O principal objetivo do desenvolvimento do trabalho foi o desenvolvimento de um material ferroso sinterizado condutor térmico. Com este material visou-se alcançar uma condutividade térmica maior que em ferro puro produzido pela mesma rota. Para atingir tal objetivo, era desejado obter-se microestruturas onde o cobre formasse uma fase contínua pela qual, pressupõe-se, que o calor pudesse fluir de forma facilitada. Para obter a microestrutura desejada estudaram-se as reações e a sinterabilidade de misturas de pós de Fe-Cu durante a fase de aquecimento e sinterização isotérmica através de análises térmicas diferenciais (DTA+TG) e a sinterização de amostras em um dilatômetro. As amostras produzidas foram caracterizadas via microscopia óptica e eletrônica, análise química por EDS, medidas de microdureza e medida de difusividade térmica utilizando a técnica Laserflash para posterior cálculo da condutividade térmica. As amostras com percentuais de cobre igual ou superior a 40% apresentaram fase contínua de cobre em sua microestrutura. A condutividade térmica dos materiais contendo cobre foi maior que do ferro puro produzido sob as mesmas condições e a amostra contendo 40% de Cobre apresentou resultados promissores com valores de condutividade similares a amostra contendo 80% de Cobre. Os resultados indicam que não apenas o teor de Cobre, mas também o tipo de sinterização realizada e, portanto,a microestrutura final, especialmente a relação entre as fases do material e a porosidade, possuem um efeito determinante sob a condutividade térmica dos mesmos.<br>

Abstract : Copper is a well known material and largely used in components as heat exchangers or heat sinks. However, the mechanical strength and operation temperature of copper are considerably low. Therefore, there is an opportunity to develop materials that combine the copper ability of heat exchange with higher mechanical resistance. During this work, it was studied the sintering behavior, microstructures and thermal properties of Fe-Cu materials produced by powder metallurgy. The production route was powder mixing, single pressing and both liquidphase sintering and solid state sintering depending on the sintering temperature. The copper amount varied from 20% to 80% in volume. The main objective of this study was to acquire the first knowledge about these composites, and verify the possibility of producing them by powder metallurgy. It was desired to obtain Fe-Cu composites that achieve higher thermal conductivity than pure iron produced by the same route. To achieve this goal it is desired microstructures where copper is a continuous phase and its believed that the heat can easily flow through this phase. In order to produce this microstructure, the reactions and sintering capacity of the composites were studied through thermal analysis (DTA+TGA) and online dimensional variation on dilatometer during sintering cycle. The produced samples were characterized via optical and electronic microscopy, EDS chemical analysis, micro hardness measurements and thermal diffusivity analysis using the Laserflash technique for then calculate the thermal conductivity. It was observed the formation of a copper continuous phase on the samples with 40% or more of copper. The thermal conductivity of all the samples were higher than the pure iron produced by the same route and the sample containing 40% of copper presented as good thermal conductivities values as the sample containing 80% of copper. The results indicate that not only the copper amount, but the type of sintering performed and thus the final microstructure, especially the relation between the phases and porosity, have an determinant effect over the thermal conductivity.