Solidificação direcional, microestrutura e dureza de ligas ZnSb
dc.contributor.advisor | Silva, Bismarck Luiz | pt_BR |
dc.contributor.advisorLattes | http://lattes.cnpq.br/4377238190630005 | |
dc.contributor.author | Silva, João Raffael Dias da | |
dc.contributor.authorLattes | http://lattes.cnpq.br/5479594063168612 | |
dc.contributor.referees1 | Rodrigues, Adilson Vitor | pt_BR |
dc.contributor.referees1ID | https://orcid.org/0000-0003-2647-6384 | |
dc.contributor.referees1Lattes | http://lattes.cnpq.br/4214705590567511 | |
dc.contributor.referees2 | Peres, Maurício Mhirdaui | pt_BR |
dc.contributor.referees2ID | https://orcid.org/0000-0002-4229-4145 | |
dc.contributor.referees2Lattes | http://lattes.cnpq.br/3068024292581677 | |
dc.date.accessioned | 2025-09-01T23:48:12Z | |
dc.date.available | 2025-09-01T23:48:12Z | |
dc.date.issued | 2025-05-30 | |
dc.description.abstract | High-temperature soldering alloys (270 °C to 350 °C) are used in sectors such as the automotive, aerospace and energy industries and are in increasing demand due to their higher performance and smaller size. The alloys used in these applications are based on lead (Pb), a potentially harmful metal due to its toxicity levels. Thus, Zn-Sb alloys are emerging as potential candidates to replace lead-based alloys, due to their low cost, mechanical properties and transformation temperatures close to these applications. This work investigates the effect of antimony (Sb) on macrostructural and microstructural evolution, thermal parameters (cooling rate - Ṫ, growth rate for liquidus isotherm - VL and eutectic front - VE), macrosegregation, and hardness in binary Zn-1.0wt.%Sb, Zn-2.0wt.%Sb and Zn-4.0wt.%Sb alloys solidified directionally non-equilibrium. The samples have been characterized by Optical Microscopy (OM), Scanning Electron Microscopy (SEM), X-Ray Fluorescence (XRF) and X-Ray Diffraction (XRD), as well as mechanical Vickers hardness (HV) tests. Thermodynamic calculations have been carried out using the CALPHAD method via the Thermo-calc software, in order to obtain information such as transformation temperatures, solidification paths, phases and their fractions. The increase in Sb content from 1% to 2% did not cause changes in the macrostructures, which had a completely columnar growth, while the Zn-4.0wt.%Sb alloy exhibited a macrostructure with equiaxed growth due to the grain refining effect of Sb. The microstructure of the Zn-1.0wt.%Sb and Zn-2.0wt.%Sb alloys is composed of Zn-rich dendrites surrounded by a eutectic mixture composed of Zn + Zn4Sb3 (the latter with a fiber morphology, with Zn4Sb3 plates appearing for Ṫ<2.80 °C/s and 2.25 °C/s, respectively). The Zn-4.0%Sb alloy exhibited a microstructure composed of a eutectic Zn + Zn4Sb3 mixture (with mostly fibrous intermetallics, forming plates for Ṫ<2.90 °C/s) with primary Zn4Sb3 particles of idiomorphic morphology, indicating a hypereutectic composition. Increasing the Sb content led to changes in the macrossegregation profiles, following the inverse, constant and normal sequence for the Zn-1.0wt.%Sb, Zn-2.0wt.%Sb and Zn-4.0wt.%Sb alloys, respectively. The increase from 1% to 2%Sb did not lead to changes in the scale of the dendritic arrangement, but with the 4%Sb content, there was a refinement of the eutectic fibrous spacing compared to the other two compositions, as well as a decrease in the liquidus and solidus temperatures. The increase in Sb content caused an increase in Vickers hardness, associated with the mechanisms of solid solution hardening, microstructural refinement (eutectic arrangement) and the largest fraction of the hardening Zn4Sb3 phase in the eutectic. The literature indicates divergent compositions of eutectic concentration for the Zn-Sb system (1wt.%Sb to 2wt.%Sb), and this work indicates the Zn-4.0wt.%Sb alloy as quasi-eutectic due to the microstructure found appearing to be hypereutectic in contrast to the eutectic concentration of 4.0wt.%Sb found in the thermodynamic simulations obtained via Thermo-Calc. | |
dc.description.resumo | Ligas de brasagem de alta temperatura (270 °C a 350 °C) são empregadas em setores como o automotivo, aeroespacial e energético e têm apresentado uma demanda crescente devido a maiores performances aliadas a menores tamanhos de seus componentes. As ligas usadas nessas aplicações são à base de chumbo (Pb), metal potencialmente danoso devido aos seus níveis de toxicidade. Assim, ligas Zn-Sb surgem como potenciais candidatas na substituição de ligas baseadas em chumbo, devido ao seu baixo custo, propriedades mecânicas e temperaturas de fusão próximas a essas aplicações. Este trabalho investiga o efeito do antimônio (Sb) na evolução macroestrutural e microestrutural, parâmetros térmicos (taxa de resfriamento - Ṫ, velocidades de deslocamento da isoterma liquidus - VL e frente eutética - VE), macrossegregação, e dureza em ligas binárias Zn-1,0%Sb, Zn-2,0%Sb e Zn4,0%Sb solidificadas direcionalmente fora de equilíbrio. As amostras foram caracterizadas por Microscopia Óptica (MO), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Fluorescência de Raios-X (FRX) e Difração de Raios-X (DRX), além de ensaios mecânicos de dureza Vickers (HV). Cálculos termodinâmicos foram realizados pelo método CALPHAD via o software Thermo-calc, a fim de obter informações como temperaturas de transformação, caminhos de solidificação, fases e suas frações. O aumento de teor de Sb de 1% para 2% não causou mudanças nas macroestruturas, tendo estas um crescimento completamente colunar, enquanto a liga Zn-4,0%Sb exibiu uma macroestrutura com crescimento equiaxial devido ao efeito do Sb como refinador de grãos. A microestrutura das ligas Zn1,0%Sb e Zn-2,0%Sb é composta de dendritas ricas em Zn circundadas por mistura eutética composta por Zn + Zn4Sb3 (esta última com morfologia de fibras, com surgimento de placas de Zn4Sb3 para Ṫ<2,80 °C/s e 2,25 °C/s, respectivamente). A liga Zn-4,0%Sb exibiu microestrutura composta por uma mistura eutética Zn + Zn4Sb3 (com intermetálico majoritariamente fibroso, com formação de placas para Ṫ<2,90 °C/s) com partículas primárias de Zn4Sb3 de morfologia idiomórfica, indicando uma concentração hipereutética, de acordo com a literatura. O aumento do teor de Sb provocou mudanças nos perfis de macrossegregação, seguindo a sequência inversa, constante e normal para as ligas Zn-1,0%Sb, Zn2,0%Sb e Zn-4,0%Sb, respectivamente. O aumento de 1%Sb para 2%Sb não promoveu alterações na escala do arranjo dendrítico, mas com o teor de 4%Sb, notou-se um refinamento do espaçamento eutético fibroso em comparação com as outras duas composições, além de uma diminuição das temperaturas liquidus e solidus. O aumento de teor de Sb causou um aumento da dureza Vickers, associado aos mecanismos de endurecimento por solução sólida, refino microestrutural (arranjo eutético) e a maior fração de fase endurecedora Zn4Sb3 no eutético. A literatura aponta composições divergentes de concentração eutética para o sistema Zn-Sb (entre 1,0% a 2,0% Sb), e este trabalho indica a liga Zn-4,0%Sb como quasi-eutética devido à microestrutura encontrada apontar ser hipereutética em contraponto à concentração eutética de 4,0%Sb encontrada nas simulações termodinâmicas obtidas via Thermo-Calc. | |
dc.description.sponsorship | Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES | |
dc.identifier.citation | SILVA, João Raffael Dias da. Solidificação direcional, microestrutura e dureza de ligas ZnSb. Orientador: Dr. Bismarck Luiz Silva. 2025. 117f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2025. | |
dc.identifier.uri | https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/65392 | |
dc.language.iso | pt_BR | |
dc.publisher | Universidade Federal do Rio Grande do Norte | |
dc.publisher.country | BR | pt_BR |
dc.publisher.initials | UFRN | pt_BR |
dc.publisher.program | PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS | pt_BR |
dc.rights | Acesso Aberto | pt_BR |
dc.subject | Solidificação | |
dc.subject | Ligas Zn-Sb | |
dc.subject | Microestrutura | |
dc.subject | Dureza | |
dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA | |
dc.title | Solidificação direcional, microestrutura e dureza de ligas ZnSb | |
dc.type | masterThesis | pt_BR |
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