Efeito de microadições de Zn na microestrutura, citotoxicidade e propriedades mecânicas de ligas eutéticas Sn-Cu e Sn-Ni

dc.contributor.advisorSilva, Bismarck Luiz
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/4377238190630005pt_BR
dc.contributor.authorPaixão, Jeverton Laureano
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000-0003-3482-2638pt_BR
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/0728595377181388pt_BR
dc.contributor.referees1Cruz, Clarissa Barros da
dc.contributor.referees2Siqueira Filho, Claudio Alves de
dc.contributor.referees3Castro, Nicolau Apoena
dc.contributor.referees3Latteshttp://lattes.cnpq.br/3740711945494961pt_BR
dc.contributor.referees4Dantas, Suylan Lourdes de Araújo
dc.date.accessioned2023-11-13T23:18:52Z
dc.date.available2023-11-13T23:18:52Z
dc.date.issued2023-07-28
dc.description.abstractThe development of Pb-free solder alloys is an urgent demand for the electronics industry in order to comply with applicable laws and environmental guidelines and provide products with optimized mechanical and physical properties. Among the alternative lead-free solders, can be highlighted alloys of the Sn-Cu and Sn-Ni systems, with properties superior to the alloys of the Sn-Pb system, such as mechanical and corrosion resistances, in addition to the low cost. However, such alloys still exhibit relatively high melting point and insufficient oxidation resistance. One way to optimize its properties and microstructure is through the addition of alloying elements, such as zinc (Zn). Zn, which is also a low-cost element, and is used in Pb-free solder alloys to minimize intermetallic compounds growth in soldered joints, to refine the microstructure and to increase mechanical strength. Therefore, this study aims to understand the effects of Zn additions (0.2 and 0.5 wt.%) on thermal parameters (growth rate-V and cooling rate-Ṫ), microstructure, phases transformation, macrosegregation, mechanical properties (ultimate tensile strength-σu and yield tensile strength-δ) and cytotoxicity in the eutectic Sn-0.7wt.%Cu and Sn0.2wt.%Ni alloys directionally solidified under transient conditions against electrolytic copper substrate. Zn additions caused small alterations in the phase transformation temperatures of the Sn-Cu-Zn alloys, however significant for Sn-Ni-Zn alloys. Macrostructures with columnar-equiaxial transition (CET) and fully columnar were observed for the Sn-Cu-Zn and Sn-Ni-Zn alloys, respectively. The microstructures of the Sn-Cu-Zn alloys are predominantly dendritic with a tin-rich matrix (β-Sn phase) surrounded by a eutectic mixture composed of the β-Sn+Cu6Sn5+CuZn phases. In the final positions of the Sn-Cu-Zn castings, eutectic cells of the low growth rate have been observed. For the Sn-Ni-Zn alloys, the microstructure is completely dendritic, composed of a tin-rich matrix (β-Sn phase) surrounded by a eutectic mixture Ni3Sn4+ NiSn + β-Sn, in addition to a probable formation of the intermetallic (Cu,Ni)6Sn5 due to the dissolution of the Cu substrate. Zn additions refined the dendritic arrangement of the Sn-Cu-Zn alloys when compared to the Sn-0.7wt.%Cu alloy. However, increasing the Zn content did not affect the microstructural scale. On the other hand, both Zn additions did not change the scale of the dendritic arrangement, compared to the Sn0.2wt.%Ni alloy. Zn did not influence the values of σu and δ in the Sn-Cu-Zn alloys, with columnar growth. With the reduction of primary dendritic spacing (ʎ1), σu increased for both Sn-Cu-Zn and Sn-Ni-Zn systems, however, the behavior of δ was opposite. The Sn-0.2wt.%Ni-0.5wt.%Zn alloy exhibited higher σu values, which are associated with the solid solution hardening mechanism. A ductile fracture mode has been observed for all alloys examined. Cytotoxicity analyzes showed that the microstructural scale does not influence the toxicity of the examined alloys, but factors such as incubation time and chemical composition do. In general, Zn improved the cell viability of the eutectic Sn-Cu and Sn-Ni alloys, but still with moderate cytotoxic levels.pt_BR
dc.description.resumoO desenvolvimento de ligas de brasagem livres de Pb é uma demanda urgente para a indústria eletrônica, a fim de se adequar às leis e diretrizes ambientais vigentes e entregar produtos com propriedades mecânicas e físicas otimizadas. Dentre as ligas alternativas livres de Pb, podem-se destacar as ligas dos sistemas Sn-Cu e Sn-Ni, com propriedades superiores às ligas do sistema Sn-Pb, como resistências mecânica e à corrosão, além do baixo custo. Contudo, tais ligas ainda exibem ponto de fusão relativamente alto e resistência à oxidação insuficiente. Uma forma de otimizar suas propriedades e microestrutura é através da adição de elementos de liga, como por exemplo, o zinco (Zn). O Zn, que também é um elemento de baixo custo, é usado em ligas de brasagem livres de Pb para minimizar o crescimento de compostos intermetálicos em juntas brasadas, refinar a microestrutura e aumentar resistência mecânica. Diante disso, este estudo tem como objetivo entender os efeitos das adições de Zn (0,2 e 0,5% em peso) nos parâmetros térmicos (velocidade de solidificação-V e taxa de resfriamento-Ṫ), microestrutura, transformação de fases, macrossegregação, propriedades mecânicas (limite de resistência à tração-σu e alongamento específico-δ) e citotoxicidade nas ligas eutéticas Sn-0,7%Cu e Sn-0,2%Ni solidificadas direcionalmente em regime transitório de fluxo de calor em chapa-molde de cobre eletrolítico. As adições de Zn provocaram pequenas alterações nas temperaturas de transformações de fase das ligas Sn-Cu-Zn, porém significativas para as ligas Sn-Ni-Zn. Macroestruturas com transição colunar-equiaxial (TCE) e integralmente colunares foram observadas para as ligas Sn-Cu-Zn e Sn-Ni-Zn, respectivamente. As microestruturas das ligas Sn-Cu-Zn são predominantemente dendríticas com uma matriz rica em estanho (fase β-Sn) circundada por uma mistura eutética composta pelas fases β-Sn+Cu6Sn5+CuZn. Para as posições finais dos lingotes Sn-Cu-Zn têm sido observadas células eutéticas de baixa velocidade de solidificação. Para as ligas Sn-Ni-Zn, a microestrutura é completamente dendrítica, composta por uma matriz rica em Sn (fase β-Sn) circundada por uma mistura eutética Ni3Sn4+NiSn+β-Sn, além de uma provável formação do intermetálico (Cu,Ni)6Sn5 devido a dissolução do substrato de Cu. As adições de Zn refinaram o arranjo dendrítico das ligas Sn-Cu-Zn, quando em comparação com a liga Sn-0,7%Cu. Contudo, o aumento do teor de Zn não afetou a escala microestrutural. Por outro lado, ambas as adições de Zn não provocaram alterações na escala do arranjo dendrítico, comparando-se com a liga Sn0,2%Ni. O Zn não influenciou nos valores de σu e δ nas ligas Sn-Cu-Zn, com crescimento colunar. Com a redução do espaçamento dendrítico primário (λ1), σu aumentou para ambos os sistemas Sn-Cu-Zn e Sn-Ni-Zn, contudo, o comportamento do δ foi oposto. A liga Sn0,2%Ni-0,5%Zn exibiu maiores valores de σu, que estão associados ao mecanismo de endurecimento por solução sólida. Um modo de fratura dúctil tem sido observado para todas as ligas examinadas. As análises de citotoxicidade mostraram que a escala microestrutural não influencia a toxicidade das ligas examinadas, mas sim, os fatores como tempo de incubação e composição química. De modo geral, o Zn melhorou a viabilidade celular das ligas eutéticas Sn-Cu e Sn-Ni, porém ainda com níveis citotóxicos moderados.pt_BR
dc.identifier.citationPAIXÃO, Jeverton Laureano. Efeito de microadições de Zn na microestrutura, citotoxicidade e propriedades mecânicas de ligas eutéticas Sn-Cu e Sn-Ni. Orientador: Dr. Bismarck Luiz Silva. 2023. 192f. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2023.pt_BR
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/55322
dc.languagept_BRpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal do Rio Grande do Nortept_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.initialsUFRNpt_BR
dc.publisher.programPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAISpt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectSolidificaçãopt_BR
dc.subjectLigas Sn-Cu-Znpt_BR
dc.subjectLigas Sn-Ni-Znpt_BR
dc.subjectMicroestruturapt_BR
dc.subjectCitotoxicidadept_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICApt_BR
dc.titleEfeito de microadições de Zn na microestrutura, citotoxicidade e propriedades mecânicas de ligas eutéticas Sn-Cu e Sn-Nipt_BR
dc.typedoctoralThesispt_BR

Arquivos

Pacote Original

Agora exibindo 1 - 1 de 1
Nenhuma Miniatura disponível
Nome:
EfeitomicroadicoesZn_Paixao_2023.pdf
Tamanho:
13.54 MB
Formato:
Adobe Portable Document Format
Nenhuma Miniatura disponível
Baixar