Estudo da cinética de formação de compostos intermetálicos na interface Cu-Sn

Abstract

Algumas reações a altas temperaturas em sistemas metálicos ocorrem sob condições de equilíbrio entre interfaces, que podem ser reproduzidas com pares de difusão, que consistem em dois materiais diferentes colocados em condições controladas de temperatura e tempo, com suas interfaces em contato. O sistema Cu-Sn possui compostos intermetálicos previstos no diagrama de fases que são conhecidos pelos problemas de fragilidade. Assim, pares de difusão foram preparados em diferentes condições de tratamento térmico. As interfaces foram analisadas por microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia por dispersão de energias de raios X, ensaios eletroquímicos e difração de raios X. Os resultados confirmaram que na interface Cu-Sn são formados os compostos Cu3Sn e Cu6Sn5, na ordem prevista pelo diagrama de fases Cu-Sn. O Cu3Sn apresenta uma interface plana com o Cu e o Cu6Sn5 mostra uma interface ondulada com o Sn. As constantes de difusão foram determinadas e indicaram que a taxa de difusão do estanho na fase Cu3Sn é menor que na fase Cu6Sn5, pois o Sn se difunde mais rápido na fase Cu6Sn5 em relação ao Cu. A energia de ativação para interdifusão e formação dos compostos intermetálicos detectados foi de (63,8 ± 26,9) kJ mol -1 e (51,1 ± 11,1) kJ mol -1 para o Cu3Sn e Cu6Sn5, respectivamente. Os ensaios eletroquímicos mostraram que o composto Cu3Sn apresenta uma histerese negativa, que está relacionada com a diminuição da passividade devido à corrosão localizada por pitting, o que também foi confirmado no ensaio de potencial de circuito aberto. A diminuição da densidade de corrente na varredura reversa se deu de maneira lenta, indicando dificuldade na repassivação da superfície ou que a corrosão por pitting está diminuindo lentamente. Além disso, o fato de o loop de histerese fechar deixando uma grande área de histerese, indica que houve uma grande intensidade de propagação de sítios de corrosão localizada. Além disso, o composto Cu3Sn indica ser menos suscetível à corrosão, por conta de possuir potencial de corrosão mais positivo em relação às demais fases presentes na interface. Porém, o composto Cu6Sn5 indica comprometer o sistema em relação à corrosão, pois possui um potencial de corrosão mais negativo em relação aos demais e por possuir a maior densidade de corrente de corrosão analisada.

Some reactions at high temperatures in metallic systems occur under conditions of equilibrium between interfaces, which can be reproduced with diffusion couples, which consist of two different materials placed under controlled conditions of temperature and time, with their interfaces in contact. The Cu-Sn system has intermetallic compounds predicted in the phase diagram that are known to have fragility problems. Thus, diffusion couples were prepared under different heat treatment conditions. The interfaces were analyzed by optical microscopy, scanning electron microscopy, X-ray energy dispersive spectroscopy, electrochemical tests and X-ray diffraction. The results confirmed that the Cu3Sn and Cu6Sn5 compounds are formed at the Cu-Sn interface, in the order predicted by the Cu-Sn phase diagram. The obtained results indicated that the Cu3Sn compounds are formed close to the copper limit and the Cu6Sn5 compound closer to pure Sn at the Cu-Sn interface, as predicted by the equilibrium diagram of the Cu-Sn system. The Cu3Sn shows a flat interface with Cu and the Cu6Sn5 shows a wavy interface with Sn. The diffusion constants were determined and indicated that the diffusion rate of tin into Cu3Sn phase is lower than into Cu6Sn5 phase, as Sn diffuses faster in the Cu6Sn5 phase in relation to Cu. The activation energy for interdiffusion and formation of the detected intermetallic compounds was (63.8 ± 26.9) kJ mol -1 and (51.1 ± 11.1) kJ mol -1 for Cu3Sn and Cu6Sn5, respectively. The electrochemical tests showed that the Cu3Sn compound has a negative hysteresis, which is related to the decrease in passivity due to localized pitting corrosion, which was also confirmed in the open circuit potential test. The decrease in current density in the reverse scan occurred slowly, indicating difficulty in re-passivating the surface or that pitting corrosion is slowing down. Furthermore, the fact that the hysteresis loop closes, leaving a large area of hysteresis, indicates that there was a great intensity of propagation of localized corrosion sites. In addition, the Cu3Sn compound is less susceptible to corrosion, as it has a more positive corrosion potential compared to the other phases present at the interface. However, the Cu6Sn5 compound indicates compromising the system in relation to corrosion, since it has a more negative corrosion potential compared to the others and because it has the highest analyzed corrosion current density.