Estudo da formação de fases e propriedades magnéticas em ligas

Vivências: Revista Eletrônica de Extensão da URI
ISSN 1809-1636
ESTUDO DA FORMAÇÃO DE FASES E PROPRIEDADES MAGNÉTICAS EM LIGAS
TERNÁRIAS DO TIPO Fe100-x-yCuxAly 1
Study of the phases formation and magnetic properties of Fe100-x-yCuxAly ternary alloys
Patrick Bley COPETTI2
João Carlos KRAUSE3
RESUMO
Atualmente, busca-se compostos metálicos baseados em ligas de ferro com demais metais de
transição devido ao fato de estes materiais apresentarem propriedades tecnológicas relevantes,
sendo que o ferro e o cobre possuem muitas destas propriedades. O problema para se obter um
composto de ferro e cobre é que estes metais são miscíveis apenas em pequenas quantidades. A
adição de um terceiro elemento ao sistema Fe-Cu pode permitir a formação de liga, aumentando a
solubilidade do Cu com o Fe. Deste modo, foi estudada a obtenção de compostos ternários FeCuAl,
onde a investigação consistiu na obtenção, formação de fases e estudos das propriedades magnéticas
das ligas formadas. Após a caracterização estrutural por difração de raios-x, foram realizadas
medidas de magnetometria ZFC (Zero Field Cooling) e FC (Field Cooling) num magnetômetro
SQUID (Superconducting Quantum Interface Design). Em todas as curvas de magnetização das
amostras é possível observar pequenas oscilações no percurso da linha, fenômeno ainda não
observado na literatura. Uma das linhas de pensamento trabalhadas pelo grupo levava em
consideração que essas pequenas oscilações ocorriam devido à presença do Al na composição, já
que este representa uma lacuna magnética no arranjo cúbico. No entanto, posteriormente foi
descoberto que isso acontecia devido a um erro no software de posicionamento da amostra no
equipamento de análise. Observa-se que o sistema pretendido é factível de ser obtido,
impulsionando mais pesquisas acerca do assunto.
Palavras-chave: Ligas ternárias; FeCuAl; Magnetização.
ABSTRACT
Currently, we seek to metal compounds based on iron alloys with other transition metals because
these materials present relevant technological properties, and iron and copper have many of these
properties. The problem to obtain a compound of iron and copper is that these metals are miscible
only in small quantities. The addition of a third element to the Fe-Cu system can provide the
formation of alloy, increasing the solubility of Cu in the Fe. Thus the ternary compounds FeCuAl
obtainment was studied, where the investigation was the obtainment, phases formation and studies
of the magnetic properties of the formed alloys. After the structural characterization by x-ray
diffraction, were performed ZFC (Zero Field Cooling) and FC (Field Cooling) magnetometry
measurements in a SQUID magnetometer (Superconducting Quantum Interface Design). In all the
magnetization curves of the samples is possible to observe small oscillations on the line course, a
phenomenon not yet observed in the literature. One of the thinking lines worked by the group took
into consideration that these small oscillations occurred due to the presence of Al in the
composition, since this represents a gap in the magnetic cubic arrangement. However, later it was
discovered that it happened due to an error in the sample positioning software in the analysis
1
2
3
Artigo premiado na área de Ciências Exatas e da Terra, na edição de 2009 do Prêmio Destaque de IC, promovido
pela PROPEPG/URI.
Bolsista. Aluno do Curso de Física – URI/campus de Santo Ângelo. [email protected]
Orientador. Prof. Dr. do DCET – URI / campus de Santo Ângelo. [email protected]
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equipment. It’s observed that the intended system is feasible to be achieved, what promotes more
researches around the matter.
Key words: Ternary alloys; FeCuAl; Magnetization.
INTRODUÇÃO
Pesquisas
que
buscam
o
desenvolvimento de novos materiais sempre
foram muito presentes e intensas no mundo
científico, devido ao fato de que para
acompanhar a evolução tecnológica são
necessários, cada vez mais, materiais com
propriedades específicas, as quais, na maioria
dos casos, apenas são obtidas com a
combinação de dois ou mais elementos
químicos.
O ferro é um dos metais mais usados
atualmente. Seu emprego se estende desde
simplesmente ferro fundido, passando por aços
de baixo carbono e chegando a compostos mais
nobres usados em alta responsabilidade
estrutural e componentes micro-eletrônicos. A
larga utilização deste metal deve-se à grande
demanda do mesmo e devido a ter uma relação
custo / benefício extremamente atraente
comparada à de outros metais com propriedades
semelhantes.
O cobre, por sua vez, é um metal mais
nobre, e consequentemente mais caro, mas
também largamente utilizado no ramo
industrial. Possui propriedades específicas
muito interessantes em certas aplicações, como
alta resistência à corrosão, alta maleabilidade,
alta condutibilidade térmica e elétrica. Na área
tecnológica, o cobre tem lugar de destaque, pois
seus óxidos são uns dos principais compostos na
obtenção de materiais super e semicondutores.
Analisando as propriedades mais
importantes destes dois metais, se pudéssemos
uni-las em um mesmo material haveria um
grande avanço tecnológico, tanto em termos
científicos quanto na aplicação direta deste
material na indústria.
REVISÃO
DA
LITERATURA
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
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E
O grande problema em se obter um
composto é que o ferro e o cobre são miscíveis
apenas em pequenas quantidades de um e/ou do
outro, e nestas condições formam uma solução
sólida em uma fase com estrutura fcc (Chien,
1986; Duxin, 1998). Trabalhos recentes com
mechanical alloying (França, 2007; Wang,
2002) e sputtering (Chien, 1986), já obtiveram
um composto com uma maior quantidade de
cobre, no entanto a obtenção por esses métodos
é, ainda, muito complicada e cara,
diferentemente do que seria se pudéssemos
obter tais compostos por fusão simples. Estudos
recentes em compostos ternários FeMnCu
(Koziel, 2006) e FeCuB (Brillo, 2006; Restrepo,
2004), revelaram que com a inclusão de um
terceiro elemento ao dueto Fe-Cu, torna-se
possível a obtenção de soluções sólidas ou ligas
sem a precipitação do cobre e/ou do ferro.
A hipótese, de que um terceiro elemento
associado ao sistema Fe-Cu possa permitir a
formação de liga ou aumentar a solubilidade do
Cu com o Fe, já foi comprovada anteriormente
por alguns autores em sistemas FeCuB (Duxin,
2000; Duxin, 1998), FeCuC (Jiang, 1993),
FeCuSi (Jiang, 1993) e também em alguns
sistemas com metais de transição em regiões
ricas em ferro (França, 2007; Koziel, 2006).
Este aumento da solubilidade tem sua
explicação baseada nas interações entre os
átomos na formação das ligas. As interações
entre os átomos de ferro e cobre são
basicamente repulsivas devido à entalpia de
mistura entre estes dois elementos ser positiva,
na ordem de 13 kJ/mol (Brillo, 2006). Porém,
para o caso do níquel, por exemplo, a entalpia
de mistura é negativa (-2 kJ/mol) segundo
Brillo, 2006, resultando em uma interação
atrativa entre os átomos de ferro e níquel,
contrapondo à repulsividade entre o ferro e o
cobre. Assim, à medida que o terceiro elemento
é adicionado à liga, espera-se que o gap de
miscibilidade entre o ferro e o cobre tenda a
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diminuir, tornando possível a obtenção de uma
liga ou composto.
Além do ferro e do cobre, o alumínio
também é um elemento largamente utilizado
atualmente, sendo que é o metal mais abundante
na crosta terrestre.
Deste modo, considerando a entalpia de
mistura negativa entre o Fe e o Al, foi proposto
um estudo da obtenção de composto ternários
FeCuAl, em que a investigação consistiu na
obtenção, formação de fases e estudos das
propriedades magnéticas das ligas formadas.
OBJETIVOS
•
•
•
•
Preparar amostras com estequiometria prédefinida;
Realizar caracterização estrutural pela
análise de difração de raios-x;
Realizar caracterização magnética por
medidas ZFC e FC;
Avaliar a possibilidade de obtenção do
sistema pretendido em fase única.
MATERIAIS E MÉTODOS
Na obtenção das amostras foram usados
apenas elementos com grau de pureza ≥ 99,5%,
fundindo-os em estequiometria pré-definida
(vide tabela 1), em um forno a arco voltaico, sob
uma atmosfera inerte de argônio. Após a fusão,
as amostras foram encapsuladas em tubos de
quartzo e submetidas a tratamento térmico em
um forno tipo mufla, a uma temperatura de
1000°C, por sete dias, seguido de um
resfriamento rápido em água gelada, com o
intuito de haver uma maior homogeneização das
amostras e obter-se uma fase cúbica. As fusões e
tratamentos térmicos foram realizados no
LAMM (Laboratório de Materiais Magnéticos)
situado na URI, campus Santo Ângelo.
As amostras utilizadas nesse trabalho
têm em sua composição o ferro, cobre e
alumínio, de modo que serão trabalhadas
amostras com três estequiometrias diferentes.
Para determinação do comportamento
magnético das amostras foram realizadas
Copetti, P.B.; Krause, J.C.
medidas
de
magnetometria
em
um
Magnetômetro
SQUID
(Superconducting
Quantum Interface Design), através da
colaboração do Dr. Jacob Schaf, no Laboratório
de Resistividade do Departamento de Física da
UFRGS.
As medidas de magnetização realizadas
foram do tipo ZFC (Zero Field Cooling) e FC
(Field Cooling). Nas medidas ZFC parte-se de
uma temperatura ambiente e a amostra é
resfriada em campo magnético nulo até baixas
temperaturas. Em seguida um campo magnético
constante é aplicado, e as medidas são feitas
durante o aquecimento da amostra. Nas medidas
FC se parte de uma temperatura ambiente e a
amostra é resfriada sob ação de campo
magnético constante até baixas temperaturas.
Essas duas medidas foram realizadas
seguidamente, com uma medida ZFC seguida de
uma FC.
As medidas de magnetização foram
realizadas sob ação de diferentes valores de
campo magnético, sendo eles de 10G, 50G e
100G, onde G é a unidade Gauss proveniente do
Sistema de Unidades CGS, que corresponde a
1x 10-4 T (Tesla), que é a unidade do Sistema
Internacional de Pesos e Medidas.
RESULTADOS
Foram estudadas três amostras de ligas
ternárias FeCuAl, de modo que as suas
composições estão expressas na Tabela 1.
Tabela 1: Composição das amostras em estudo.
Amostra
Composição ( % )
Ferro
Cobre
Alumínio
F22
86
1
13
F23
86
3
11
F24
86
5
9
A análise do difratograma é de extrema
importância, pois nos mostra as fases presentes
em cada amostra, para que depois possa ser
tirada alguma conclusão em relação à influência
das mesmas nas propriedades magnéticas.
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Figura 1 - Difratograma de raios-X das amostras estudadas.
A Figura 1 mostra os difratogramas de
raios-X das amostras estudadas, onde se pode
observar que em todas as amostras formou-se
provavelmente uma solução sólida bcc do Fe
com o Cu e o Al inseridos em sua rede
cristalina. Na amostra F22 temos uma fase única
bcc, porém, para as amostras F23 e F24,
observou-se em baixos ângulos o surgimento de
uma fase espúria, não identificada até o
momento cujo pico se localiza em torno de 25°,
pois nenhum composto da base de dados com os
elementos da liga se encaixa nos padrões
apresentados nos espectros.
Como não é conhecida essa fase,
também é possível que se trate de impurezas na
amostra, podendo ser proveniente de resíduos de
uma
medição
anterior
realizada
no
equipamento. Para a amostra F23 também temos
o aparecimento de uma fase Al2Cu.
As magnetometrias realizadas seguiram
um determinado protocolo muito utilizado em
ligas supercondutoras, onde são realizadas
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medidas ZFC seguida de uma FC. Através
destas pode-se verificar o caráter irreversível da
magnetização, de modo que após completar-se a
medida ZFC, quando a amostra é resfriada
novamente a baixas temperaturas com o mesmo
campo aplicado (FC), obtem-se uma curva
diferente da anterior. O ponto onde estas curvas
começam a se diferenciar é chamado de
temperatura de irreversibilidade magnética (Tirr).
Para
amostras
supercondutoras,
a
irreversibilidade
ocorre
devido
ao
aprisionamento de vórtices no interior da
amostra. Portanto, as curvas ZFC e FC separamse abaixo de uma temperatura, a qual depende
fortemente do campo aplicado.
Os valores de magnetização aferidos nos
ensaios, assim como os valores de difração de
raios-X destas amostras, foram analisados e
expressos graficamente por meio do software
Microcal Origin 6.0. Os gráficos das curvas de
magnetização das ligas estudadas estão
apresentados na Figura 2.
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Figura 2: Magnetização específica das amostras estudadas.
Posteriormente às medidas de magnetização, em posse da massa das amostras, foram
calculadas as suas magnetizações específicas. Ao observar a Figura 2 observa-se que as
magnetizações específicas tiveram valores destoantes. Isso leva a concluir que diminuindo a
quantidade de Al e aumentando a quantidade de Cu aumenta a magnetização específica da amostra.
Porém, os resultados mais expressivos encontrados não dizem respeito à grandeza da
magnetização e sim ao comportamento evidenciado durante a análise.
Na Figura 2 não se observa nenhum comportamento anômalo na magnetização das
amostras, de modo que se observando as curvas de magnetização para as amostras F22 e F23
verifica-se um comportamento ferromagnético e para a amostra F24 observa-se um comportamento
antiferromagnético em temperaturas próximas da ambiente. No entanto, estes resultados
aparentemente normais, quando observados mais de perto não são de fácil explicação.
Copetti, P.B.; Krause, J.C.
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Figura 3 - Magnetização da amostra F22 com campo magnético de 50G.
Figura 4 - Magnetização da amostra F23 com campo magnético de 50G.
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Figura 5 - Magnetização da amostra F24 com campo magnético de 50G.
DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
Quanto à formação das fases, observa-se
que o sistema pretendido é factível de ser obtido
em fase única, como visto na amostra F22.
Esses resultados carecem de mais estudos para a
determinação da natureza da fase espúria
Estão aqui apresentados somente os
gráficos de curvas de magnetização sob ação de
campo de 50G, visto que esse valor foi o que
mais claramente expressou o comportamento
magnético das amostras e nosso interesse aqui
não é o mesmo que para amostras
supercondutoras. A maioria das medidas de
magnetização para amostras magnéticas são
realizadas sob ação de campos muito altos, que
podem mascarar comportamentos mais discretos
que seriam de grande importância na análise.
Na figura 3 (amostra F22) observa-se
que a temperatura de irreversibilidade
magnética esta muito acima da temperatura
ambiente com uma provável transição
magnética em torno de 170K. Para a amostra
F23 (Figura 4) a temperatura de
irreversibilidade magnética esta em torno de
300K não apresentando nenhuma outra
transição. Na figura 5, para a amostra F24,
não observa-se diferenças significativas entre
as curvas ZFC e FC, isto demonstra que
nesta amostra não há o aprisionamento de
Copetti, P.B.; Krause, J.C.
vórtices em seu interior, como observado nas
amostras F22 e F23.
Quando
a
escala
utilizada
na
visualização é mais aproximada, em todas as
curvas de magnetização das amostras é possível
observar pequenas oscilações no percurso da
linha. Esse fenômeno é ainda desconhecido, não
existindo, atualmente, nenhuma teoria que o
explique plenamente.
Uma das linhas de pensamento
trabalhadas pelo grupo levava em consideração
que essas pequenas oscilações ocorreriam
devido à presença do Al na composição, já que
ele representa uma lacuna magnética no arranjo
cúbico. No entanto, apenas isso não explicaria a
pequena oscilação da magnetização em função
da temperatura. Esse comportamento já havia
sido observado pelo grupo em ligas MnCoAl.
Isso gerou discussões dentro do grupo e
com os colaboradores já citados, o que levounos a entrar em contato com a fabricante do
equipamento. Deste modo, foi descoberto que
este comportamento não era devido à
composição da amostra, e sim devido ao
software de posicionamento da amostra dentro
do equipamento de análise.
Durante a análise, devido às vibrações
produzidas, o software tentava contrabalançar o
posicionamento da amostra dentro da câmara de
medição, movimentando-a. Portanto, essa
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movimentação é a causa geradora das oscilações
em questão.
Isso deve ocorrer em todas as medidas
de magnetização, mas, como já comentado, a
maioria das medições necessitam ser realizadas
sob a ação de campos muito altos, os quais
provavelmente mascaram estes efeitos mais
discretos.
CONCLUSÃO
A partir da análise dos resultados
observa-se que o sistema pretendido é factível
de ser obtido em fase única, porém há que se
descobrir a natureza da fase espúria para haver
conclusões mais corretas.
A origem das oscilações na verdade
trata-se de um evento ocorrido durante a análise
e não decorre da composição das amostras como
pensado anteriormente. De qualquer forma, o
trabalho obteve sucesso neste quesito devido ao
fato de a natureza do fenômeno ter sido
descoberta, o que auxiliará em trabalhos
posteriores. Deve-se reforçar que isto só
evidenciado em medições com baixo campo
aplicado e que não faz mostra nada anormal
quando visto em escala grande.
Em função das fases desconhecidas, no
prosseguimento dos estudos as amostras serão
refeitas para que seja possível haver uma
conclusão mais correta sobre a presença ou não
das fases espúrias.
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Recebido em agosto de 2009 e aprovado em maio de 2010.
Vivências. Vol.6, N.9: p.116-123, Maio/2010
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