AÇOS ALTA TEMP
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Seleção de Materiais
LIGAS RESISTENTES A ALTAS
TEMPERATURAS
Tainá Brandão Salim Izar
Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Campos dos Goytacazes, X de julho de 2012.
1. INTRODUÇÃO
2. AÇOS INOXIDÁVEIS
São denominados aços inoxidáveis aqueles que possuem maior resistência
à corrosão do que a maioria dos outros aços. De forma geral, são ligas ferrosas
que contém ao menos 12% de Cr como principal elemento de liga, podendo
conter outros elementos em sua composição.
A principal responsável pela resistência à corrosão dos aços inoxidáveis
é uma camada fina, aderente e contínua que se forma na superfície do metal
devido à presença do cromo. Ela faz com que no material não ocorra oxidação
em ambientes normais e, quando expostos em ambientes oxidantes e
corrosivos, sejam mais resistentes.
Geralmente, outras propriedades e características são associadas a
estes aços como resistência mecânica elevada, manutenção de propriedades
mecânicas a altas e baixas temperaturas, baixa rugosidade superficial
facilitando sua limpeza e acarretando uma aparência higiênica, forte apelo
estético (Modenesi, 2001).
Os elementos de liga adicionados aos aços inoxidáveis podem ser
divididos em duas categorias quanto a seu poder de estabilizar as fases ferrita
e austenita.
Os elementos ferritizantes ou alfagênicos aumentam o campo de
estabilidade da fase ferrita (CCC) e os austenitizantes ou gamagênicos são
responsáveis pelo aumento do campo de estabilidade da fase austenita (CFC)
nos aços inoxidáveis.
Os principais elementos e sua influência estão apresentados na tabela
1.
Tabela 1. Elementos ferritizantes e austenitizantes.
FERRITIZANTE AUSTENITIZANTE
Cr Mo Ti Ni Cu
Si Al Nb C N
V W B Mn Co
1.1 Aços Inoxidáveis Martensíticos
São ligas Fe-Cr-C que possuem uma microestrutura martensítica na
condição endurecida. A martensita é uma fase metaestável supersaturada em
carbono de estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado.
Geralmente o teor de cromo presente nessas ligas encontra-se
compreendido entre 12 e 18% e de carbono entre 0,1 e 0,5%, embora em
alguns casos esse teor possa chegar até 1%. Esses elementos de liga são
balanceados para garantir uma estrutura martensítica. São ferromagnéticos,
endurecíveis por tratamento térmico quando austenitizadas a temperaturas
adequadas, têm baixa soldabilidade e resistentes à corrosão somente em
meios de média agressividade.
1.2 Aços Inoxidáveis Ferríticos
Nesta classe, o cromo é o principal elemento de liga e pode estar
presente em elevados teores (12 a 30% Cr), enquanto o teor de carbono é
baixo, no máximo 0,20%. Devido a esse baixo teor de carbono, a fase
austenítica do aço é eliminada e conseqüentemente ele não endurece com
tratamentos térmicos.
Essas ligas possuem quantidades suficientes de Cr e outros elementos
ferritizantes, tais como Mo, Si, Al etc, para estabilizar a fase ferrita que tem
estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) em toda a faixa de temperatura
desde a fusão. São ferromagnéticos, podem possuir boas ductilidade e
conformabilidade, mas suas características de resistência em altas
temperaturas são ruins se comparadas a dos austeníticos.
1.4 Aços Inoxidáveis Austeníticos
Eles são considerados a maior família dos aços inoxidáveis tanto em
variabilidade de tipos quanto em aplicabilidade. Esta classe inclui,
principalmente, as ligas Fe-Cr-Ni, e algumas outras ligas onde o níquel é
parcial ou totalmente substituído pelo manganês. O conteúdo de cromo varia
entre 16 e 26%, o de níquel é menor ou igual a 35% e o manganês é menor ou
igual a 15%.
A adição de elementos austenitizantes, como níquel, manganês ou
nitrogênio amplia a região de estabilidade da austenita, de estrutura cristalina
cúbica de face centrada (CFC) podendo suprimir a formação de ferrita α.
Estas ligas não são endurecíveis por tratamento térmico, são não-
magnéticos na condição recozida e são endurecíveis apenas por trabalho a
frio. Normalmente, possuem excelentes propriedades criogênicas, resistência
mecânica e à corrosão em altas temperaturas.
1.5 Aços Inoxidáveis Duplex e Superduplex
São ligas bifásicas que reúnem as qualidades dos aços ferríticos e
austeniticos e são baseadas no sistema Fe-Cr-Ni. Esses materiais possuem
normalmente proporções aproximadamente iguais de ferrita δ e austenita em
sua microestrutura e menos que 0,03% de C com adições de Mo, N, W e Cu. O
teor típico de Cr e Ni desses aços é 20 – 30% e 5 – 10% respectivamente.
A ferrita é a primeira fase a se formar durante a solidificação da liga,
sendo então a matriz, e a austenita é formada posteriormente no resfriamento,
estando então distribuída na matriz ferrítica.
Os aços inoxidáveis duplex e superduplex são considerados de boa
soldabilidade, com alguns cuidados tendo que ser tomados. Considera-se que
possuem melhor soldabilidade que alguns ferríticos, mas pior que os
austeníticos.
1.6 Diagramas de equilíbrio
A seguir estão descritos dois diagramas de equilíbrio importantes para
interpretar a microestrutura e as fases presentes nos aços inoxidáveis
1.6.1 Sistema Fe-Cr
O diagrama de fases da liga Fe-Cr está representado na figura 1. Este
diagrama tem importância na avaliação da influência do cromo no campo de
existência da austenita e na analise da precipitação de fases secundarias.
O cromo é o principal elemento de liga destes aços e como elemento
ferritizante, reduz o campo da austenita, estabilizando então a ferrita para
teores superiores a 12,7-13% no sistema Fe-Cr. O campo de existência da
austenita está limitado num teor máximo de cromo de 12,7-13% e temperatura
entre 850 e 1400ºC.
Figura 1. Diagrama de fases da liga Fe-Cr.
Na faixa de temperatura entre 920 e 1400ºC e com até 15% de cromo,
há formação de uma interface de ferrita, austenita + ferrita e austenita,
austenita + ferrita, caracterizando uma liga bifásica.
Entre as composições de 42 e 49% de cromo existe uma fase Fe-Cr que
é conhecida como fase sigma. Esta é formada na exposição do aço em
temperaturas de aproximadamente 400 à 830ºC. Ela é caracterizada como
prejudicial, pois é quebradiça tornando a liga com propriedades mecânicas
inferiores e conseqüentemente afetando a resistência à corrosão devido à
perda de cromo para a fase precipitada, alem de reduzir a ductilidade e
principalmente a tenacidade. (Chiaverini, 1996)
Na presença de elementos austenitizantes, como carbono e nitrogênio,
os campos de existência da austenita e austenita + ferrita no sistema de Fe-Cr
poderiam ser deslocados para maiores teores de cromo. A presença de
pequenos teores desses elementos é suficiente para aumentar o campo de
estabilidade da austenita, que pode chegar a 26% de cromo.
1.6.2 Sistema 70Fe-Cr-Ni
Este sistema é a base dos aços inoxidáveis e resistentes ao calor com
matriz predominantemente austenítica. As ligas deste grupo podem apresentar
ferrita, austenita ou ainda a fase sigma.
Figura 2. Diagrama de fases pseudobinário 70Fe-Cr-Ni.
3. LIGAS DE NÍQUEL
O níquel é utilizado na forma tecnologicamente pura, em diversos tipos,
ou como metal base de diversas ligas para a constituição de peças e estruturas
de diferentes produtos metálicos onde são exigidas as suas características
fundamentais de resistência mecânica associada à resistência à corrosão,
tanto à temperatura ambiente como às temperaturas elevadas.
O níquel e as ligas de níquel podem ser agrupados da seguinte forma:
níquel (de diversos graus de pureza);
níquel ligado (com pequenos teores de elementos de liga);
ligas níquel – cobre;
ligas níquel – cromo;
ligas níquel – ferro – cromo;
ligas níquel – molibdênio.
Além desses materiais, ainda se encontra o níquel em importantes
categorias de ligas: ligas cobre - níquel, superligas com níquel, ligas com níquel
para fins elétricos e magnéticos, aços com baixo teor de níquel e aços
inoxidáveis com níquel como já foi dito acima (Ver Aços Inoxidáveis).
Além da classificação pela composição básica, os materiais metálicos a
base de níquel podem ainda ser reunidos em dois grupos:
ligas de níquel endurecidas pela formação de solução sólida;
ligas de níquel endurecidas pelo tratamento térmico de
solubilização e precipitação.
Entretanto, convém destacar que o níquel puro e as suas ligas podem
ainda ser endurecidos pelo trabalho a frio (encruamento), e muitas vezes as
especificações indicam o grau de têmpera (encruamento) que é exigido para
uma determinada aplicação.
As ligas tratadas nos itens seguintes são as ligas dúcteis ou trabalhadas e
as ligas para fundição.
A designação do níquel e das ligas de níquel foi organizada pela
Huntington Alloys Inc. e adotada por outras entidades de normalização técnica
como a ASTM - American Society for Testing and Materials e a SAE - Society
of Automotive Engineers. A designação é composta de um sistema de três
dígitos acompanhados de um nome ou marca comercial (ver Tabela 1). Cada
grupo de material, classificado pela composição, é designado com esses três
números, sendo que o primeiro, se for par, se refere a ligas endurecíveis por
formação de solução sólida e, se for ímpar, indica que as ligas são
endurecíveis por tratamento térmico de solubilização e precipitação. A primeira
série de três números, começa com 200 e é reservada ao níquel
tecnologicamente puro; o níquel ligado, suscetível ao endurecimento por
tratamento térmico, recebe a designação 301. A série de números vai até 999
mas nem toda ela é usada. Para as ligas de níquel, os seguintes exemplos de
designação podem ser mencionados:
Tabela 1. Nomes comerciais de algumas ligas de níquel.
As ligas de níquel com molibdênio têm apenas uma designação comercial
(Hastelloy) seguida de um código alfa numérico como B-2C, C-276, etc.,
estabelecido pela Cabot Corporation.
3.1 Níquel e Níquel ligado
O níquel tem as suas propriedades modificadas pela presença de
impurezas. Então, é necessário inicialmente distinguir os tipos usuais com
teores mínimos de níquel mais cobalto ao redor de 99,5% e aqueles de elevada
pureza com teor mínimo somente de níquel de 99,98% ou 99,99%. Alguns
elementos de liga, como alumínio e titânio, podem ser adicionados para elevar
a resistência mecânica através de tratamentos térmicos. Os tipos usuais
contêm cerca de 0,5% Co, contudo esse teor residual não afeta as
propriedades para os usos comuns do níquel e da maioria de suas ligas.
O níquel 200 é o emprego mais comum na condição trabalhada (ou dúctil)
e pode se apresentar tanto recozido como encruado com diferentes graus de
têmpera (endurecimento por encruamento); as formas comerciais são
praticamente as usuais: barras, placas, chapas, tubos e arames. Exemplos
típicos de emprego são os componentes de instalações de processamento de
produtos alimentares e componentes de dispositivos eletrônicos, contudo com
a restrição de não operar acima de 315oC. Para as condições de aquecimento
prolongado acima de 300oC, mais precisamente entre 425-650oC, ocorre a
precipitação de carbono (grafitização) que pode induzir o aparecimento de
fissuras devido a ação corrosiva sob tensão. Esse metal tem particular
resistência à corrosão às substâncias corrosivas com exceção do hidróxido de
amônia. Em presença de meios ácidos frequentemente assume um potencial
de circuito aberto equivalente ao da platina, contudo sem liberar hidrogênio.
Para sofrer corrosão, a solução em contato com o metal precisa conter íon
oxidante mas, em algumas circunstâncias, ocorre a formação de película
passivante que o protege contra a corrosão; essa proteção é, entretanto,
limitada pois a película passivante formada se desestabiliza provocando a
corrosão por pites quando, nas condições de meio oxidante, está presente o
íon cloreto.
O níquel 201, com teor de carbono menor (0,01% máx., ao invés de
0,08% máx. do níquel 200), é indicado para operar a temperaturas maiores do
que 300oC pois não ocorre a fragilização pela precipitação de carbono. O
comportamento quanto a resistência à corrosão é semelhante ao níquel 200.
O níquel 205 de composição próxima ao níquel 200 é particularmente
indicado para aplicação em dispositivos eletrônicos como terminais, contatos e
fios condutores de ligação. Quando são exigidas características de emissão
eletrônica, que podem ser afetadas pela presença de impurezas, o níquel 270 é
indicado; exemplos típicos de aplicação são os cátodos e ânodos de válvulas
eletrônicas, trocadores e blindagens térmicos e de lâmpadas fluorescentes. As
propriedades de resistência à corrosão são iguais aos outros tipos de níquel.
As propriedades mecânicas desses metais são próximas e no estado
recozido apresentam os seguintes níveis: limite de resistência à tração, 345 a
550 MPa; limite de escoamento (0,2%), 70 a 205 MPa e alongamento, 50-60%.
Na condição encruada, um arame de níquel 200 pode atingir um limite de
resistência à tração de 1000 MPa, um limite de escoamento de 931 MPa, e um
alongamento de 2%. A elevação da temperatura afeta esses valores e, por
exemplo, para o níquel 201, a 649oC, o limite de resistência à tração cai para
153 MPa e o de escoamento para 70 MPa, e o alongamento sobe para 74%.
O níquel com pequenas adições de elementos de liga, para
particularmente elevar as propriedades de resistência mecânica, constitui o
níquel ligado. O duraníquel 301 é um níquel ligado típico, no qual adiciona-se
pequenos teores de elementos de liga, basicamente 4,4% Al e 0,6% Ti, para
permitir o uso onde as propriedades de limite de resistência à tração ou limite
de escoamento mais elevadas (respectivamente, 1035 a 1380 MPa e 760 a
1035 MPa, para um alongamento de 30 a 15%) são exigidas. Esses níveis são
atingidos na condição tratada termicamente por solubilização e precipitação.
Os exemplos de aplicação são: molas, diafragmas, e presilhas onde são
exigidos limites de escoamento mais elevados; componentes de moldes para
produção de peças de plásticos ou de vidros, onde a resistência a tração em
altas temperaturas é exigida (a 649oC o limite de resistência a tração é de 476
MPa, e o de escoamento 372 MPa, para um alongamento de 4%). A resistência
à corrosão é semelhante aos demais tipos de níquel, contudo sua particular
resistência aos gases que emanam do tratamento do vidro (fluoretos) torna-o
indicado para a fabricação de moldes.
3.2 Ligas Ni-Cu
O níquel e o cobre formam uma série contínua de ligas com solução
sólida, e constituem dois grandes grupos de ligas de importância: as ligas
níquel-cobre e as ligas cobre-níquel. A seleção entre elas é condicionada pelas
suas características de resistência à corrosão e de custo; as ligas com maiores
teores de níquel em geral têm maior resistência à corrosão, contudo são de
custo mais elevado, pois o preço do níquel é cerca de duas a três vezes maior
que o preço do cobre, dependendo das condições de mercado.
Apesar da variedade de composições possíveis entre níquel e cobre, as
ligas níquel - cobre de uso mais frequente são aquelas que possuem cerca de
30% de cobre, com a designação comercial Monel seguida de três números: o
primeiro é 4 para as ligas endurecíveis por solução sólida, e é 5 para os
endurecíveis por tratamento térmico. Essas ligas se caracterizam por possuir
um compromisso entre resistência mecânica, ductilidade e resistência à
corrosão e particularmente em meios atmosféricos, em água do mar, em
soluções básicas e ácidas não oxidantes.
O Monel 400 é uma liga mais resistente que o níquel, em condições
redutoras e mais do que o cobre, em condições oxidantes, e é particularmente
isenta do fenômeno de corrosão sob tensão. Os produtos dúcteis (barras,
placas, etc.) recozidos atingem, propriedades mecânicas de 500 a 650 MPa
para a resistência à tração, 170 a 380 MPa para o limite de escoamento (0,2%)
e 25 a 65% para o alongamento; essas propriedades se alteram no trabalho
mecânico a frio, e num arame trefilado para a têmpera de mola o limite de
resistência pode atingir a 1241 MPa e o de escoamento 1172 MPa. Os
exemplos de aplicação são muitos, mas os típicos são: componentes de
máquinas que operam com água do mar (válvulas, bombas, eixos de hélices,
parafusos, etc.), e partes de equipamentos de processamento químico e de
petróleo (tubos, tanques, trocadores de calor, etc.). O Monel R-405 tem
praticamente as mesmas características que o Monel 400, contudo é
adicionado a essa liga um teor controlado de enxofre para elevar
substancialmente a usinabilidade; o cavaco da liga 400 é de natureza dúctil e
contínua, o que provoca o excessivo desgaste da ferramenta de usinagem,
enquanto que a adição de enxofre na liga R-405 provoca a ruptura do cavaco
durante a usinagem, reduzindo o efeito de atrito entre cavaco e ferramenta e,
por conseguinte, a ação de desgaste. O enxofre forma, com o cobre e o níquel,
sulfetos que aparecem na microestrutura como fibras alongadas na direção
longitudinal do produto dúctil (barras laminadas a quente, trefiladas a frio com
tratamento de alívio de tensões ou trefiladas a frio e recozidas). As aplicações
dessa liga são realizadas em componentes dos mesmos equipamentos e
máquinas que devem resistir à corrosão, mas que são fabricados por usinagem
(como parafusos, fixadores, assentos de válvulas , etc.).
O Monel K-500 tem alumínio e titânio adicionados para permitir o
endurecimento por tratamento térmico. Na condição solubilizada e precipitada o
limite de resistência atinge 1300 MPa e o de escoamento 1100 para uma
ductilidade elevada (15 a 35%). A resistência à corrosão dessa liga é quase
igual a do Monel 400, exceto pelo fato de ser suscetível à corrosão sob tensão,
em determinados meios corrosivos, quando se encontra na condição
endurecida. Nos elementos constituintes de máquinas e equipamentos, nos
quais se utilizaria o Monel 400, mas onde são exigidos maiores níveis de
resistência mecânica, emprega-se o Monel K-500. No Monel 502 mantém-se o
carbono e o titânio em menores teores para reduzir a formação do carbono de
titânio que tem ação abrasiva nas ferramentas de usinagem; por isso, essa liga
é a versão do Monel R-500 com maior índice de usinabilidade, tendo, portanto,
as mesmas propriedades e, contudo, se adaptando melhor às peças obtidas
por usinagem.
A presença de ferro nas ligas Monel se deve a necessidade, em alguns
casos, de elevar a sua resistência a cavitação e a erosão.
3.3 Ligas de Níquel com Cromo, Ferro e Molibdênio
As ligas Ni-Cr formam um sistema onde com até 30%Cr tem-se solução
sólida; e a principal finalidade de adição do cromo é elevar a resistência
mecânica e à oxidação do níquel (e, também, a resistividade elétrica).
As ligas Ni-Fe-Cr, de custo menor do que as anteriores, tem menor
resistência a oxidação. Esse sistema, nas composições usuais, forma uma
variada faixa de soluções sólidas nas quais poder-se-ia incluir os aços
inoxidáveis com níquel (por exemplo, a liga de ferro com 18% Cr e 8% Ni). As
ligas desse sistema possuem elevada resistência à corrosão a diversos meios
tanto ácidos como básicos e de características oxidantes ou redutoras; porém,
como no caso das ligas Ni-Cr, possuem elevada resistência mecânica e à
oxidação em temperaturas elevadas. Outros elementos de liga podem ser
adicionados (Al e Ti) para elevar a resistência mecânica por tratamento
térmico, formando precipitados de elevada estabilidade às altas temperaturas.
As ligas Ni-Mo apresentam também uma solução sólida com até 20%Mo.
E a função desse metal é igualmente elevar a resistência à corrosão e a
resistência mecânica do níquel, particularmente às temperaturas elevadas. O
teor de molibdênio normalmente permanece abaixo do limite de solubilidade (à
temperatura ambiente) para não reduzir substancialmente a ductilidade da liga.
A presença de cromo, nessas ligas, se destina a elevar a resistência à
oxidação.
Muitas das ligas de níquel com cromo, ferro e molibdênio podem ser
consideradas como "ligas resistentes ao calor", destacando-se nesse grupo
como "superligas a base de níquel". As superligas, que podem ser também a
base de ferro ou de cobalto, são materiais metálicos que contém cromo - para
elevar a resistência à corrosão em temperaturas elevadas e a resistência à
oxidação (na ausência de eletrólito) - e outros elementos de liga - para conferir
resistência mecânica em temperaturas elevadas.
A liga Inconel 600, base do sistema níquel - cromo, é uma solução sólida
austenítica com 76% de níquel, cerca de 15% de cromo e, ainda, 8% de ferro.
O alto teor de níquel conduz a uma baixa solubilidade do carbono na austenita
que, então, se precipita - nos grãos ou nos contornos dos grãos austeníticos -
na forma de carboneto de cromo, quando a liga é aquecida numa faixa de
temperaturas de 540 a 580ºC. À temperatura ambiente, o limite de resistência à
tração é da ordem de 620 MPa, o escoamento 250 MPa e o alongamento 47%;
essas propriedades são mantidas em condições de temperatura de até 500ºC,
e mesmo a 980ºC ainda se obtém níveis razoáveis de resistência mecânica. As
ligas do sistema Ni-Cr-Fe possuem elevada resistência à corrosão,
particularmente em meios aquosos e gasosos (ar, vapor) oxidantes em altas
temperaturas; esse comportamento decorre da formação de um óxido
passivante na superfície da peça. As ligas de série Inconel possuem ainda
resistência à corrosão sob tensão em meios com cloretos devido ao alto teor de
níquel; e esse elemento confere ainda resistência à meios básicos (como soda
cáustica) e meios ácidos redutores diluídos, contudo não impede à corrosão
por pites ou por formação de depósitos na superfície da peça. Nas condições
de trabalho às altas temperaturas, o cromo garante a formação de uma película
de óxido estável para resistir à oxidação, enquanto que o nível ajusta melhor a
expansão térmica da película em relação a do metal base mantendo a sua
integridade. Em condições criogênicas as ligas não apresentam
comportamento frágil. O Inconel 600 inicialmente foi utilizado como material
para a fabricação de equipamentos de processamento de produtos alimentares
contudo, posteriormente, o seu campo de emprego foi substancialmente
ampliado; tubulações, recipientes, e trocadores de calor para o processamento
de produtos químicos, componentes de motores e estruturas de aeronaves,
componentes eletrônicos e de instalação de reatores nucleares são os
exemplos típicos de uso desse material.
A liga Inconel 625 contém maior quantidade de cromo (21%) e, ainda, 9%
Mo e cerca de 4% Ni. Esses elementos aumentam a resistência da matriz
austenítica sem necessidade de tratamento de endurecimento por precipitação.
A microestrutura austenítica apresenta contudo precipitados de carbonetos
(MC e M6C) de níquel, nióbio e molibdênio; e um efeito de endurecimento
ocorre com aquecimento a 650oC devido a uma precipitação lenta de uma fase
gama-1 rica em níquel e nióbio, que gradualmente se transforma numa fase
(ortorrômbica) de composto intermetálico (Ni3Nb) após prolongado período de
aquecimento. O aumento de resistência da matriz eleva os níveis de resistência
mecânica da liga 625, em relação a 600, em cerca de 40% para o limite de
resistência e de escoamento à temperatura ambiente, para praticamente um
mesmo alongamento; para temperaturas mais elevadas (por exemplo, a
870oC) as relações são ainda mais favoráveis à liga 625, ou seja,
respectivamente 50% e 120% maiores. Como o Inconel 625 contém molibdênio
a propriedade de resistência à corrosão por pites é obtida em adição às outras
que são características das ligas Inconel como a liga 600. As aplicações são as
mesmas do Inconel 600 contudo com a vantagem adicional da resistência ã
corrosão por pites.
A liga Inconel X-750 é uma liga 600 com adição de pequenas quantidades
de alumínio (0,7%) e titânio (2,5%) para elevar a resistência mecânica através
do tratamento de solubilização e precipitação. Na condição solubilizada ambas
as ligas possuem as mesmas propriedades, contudo quando a liga X–750 se
encontra na condição precipitada a resistência é da ordem do dobro da liga 600
(e o alongamento é cerca da metade). O precipitado, que ocorre no grão e nos
contornos dos grãos, é fino e constituído de composto intermetálico Ni3 (Al, Ti)
com a designação gama 1. Os tratamentos térmicos devem ser conduzidos
para maximizar as propriedades mecânicas, e são especificados para duas
condições de uso básicas: a temperaturas abaixo ou acima de 595oC. É nos
componentes mecânicos, em que se exige resistência mecânica associada a
resistência à corrosão, que se encontra os principais usos dessa liga:
parafusos, molas, e partes de motores e estruturas de veículos aeroespaciais.
O Inconel 671 contém 46% de cromo e como esse teor excede o limite de
solubilidade do cromo no níquel, a microestrutura se apresenta bifásica. O
elevado teor de cromo confere resistência à corrosão em altas temperaturas,
particularmente em atmosferas contendo enxofre. O Inconel 690 contém
também um teor de cromo relativamente elevado, ou seja, 30% o que confere à
liga resistência a produtos químicos oxidantes (como ácido nítrico) e a gases
contendo enxofre em altas temperaturas.
A liga Incoloy 800 contém cerca de 33% de níquel, 21% de cromo e 46%
de ferro e é uma solução sólida austenítica que contém precipitados de nitretos
de titânio, carbonetos de cromo e carbonetos de titânio; uma fase gama 1 pode
se formar quando a liga é aquecida, durante longo tempo, numa faixa de
temperaturas de 565 a 620oC. Essa liga na condição recozida possui um limite
de resistência de 616 MPa e de escoamento de (0,2%) 283 MPa. O alto teor de
cromo confere à liga resistência à oxidação e à diversos meios aquosos. A
Incoloy 800 é praticamente isenta de corrosão sob tensão. Inicialmente foi
usada como material de blindagem de elementos de aquecimento de produtos
eletrodomésticos; contudo as suas características de resistência à oxidação e
de fabricação permitiram ampliar o campo de aplicação na forma de tubos,
barras, placas e chapas. Por exemplo, na forma de tubos é aplicada no
processamento petroquímico e nos geradores de vapor devido a sua
resistência à corrosão a quente associada à resistência mecânica em altas
temperaturas. Resiste à corrosão pela ação de ácido nítrico em concentrações
de até 70% operando em temperaturas até o ponto de ebulição; resiste ainda a
diversos ácidos orgânicos e a sais oxidantes.
O Incoloy 800 H é uma variante com teor de carbono e tamanho de grão
controlado para melhorar a resistência a fluência. A liga Incoloy 802 tem maior
teor de carbono (0,2 - 0,5%C)- pois o Incoloy 800 contém no máximo 0,10% -
que confere uma maior quantidade de partículas destinadas a provocar o
endurecimento por precipitação e a elevação da resistência a temperaturas
elevadas. A liga Inconoy 801 tem cerca de 1,1% de titânio que, devido a sua
ação estabilizadora dos carbonetos, eleva a resistência à corrosão
intergranular.
O Incoloy 825 contém além do níquel, cromo e ferro, pequenas adições
de molibdênio (3%) e cobre (2,2%). Resiste à corrosão intergranular por ser
também uma liga estabilizada, à corrosão sob tensão em meio com cloreto
devido ao seu teor de níquel (42%), à corrosão por pites em face do teor de
molibdênio; e o teor de cromo (21,5%) garante a resistência a meios oxidantes
(ácidos e sais).
As ligas com a denominação Hastelloy apresentam como um dos
componentes básicos o molibdênio, além do cromo e niíquel; e alguns tipos
possuem o ferro além de outros elementos como nióbio, cobalto, cobre e
tungstênio. A liga Hastelloy B-1 com 68% de níquel e 28% de molibdênio, tem
excepcional resistência à corrosão em geral, por pites e sob tensão. Resiste
ainda à formação de carbonetos precipitados em contorno de grão, na região
afetada pelo calor durante a soldagem; esse fato confere a liga elevada
soldabilidade, tornando o seu uso comum na fabricação de equipamentos de
processamento químico onde as junções são realizadas por processos de
soldagem. A liga B-2 retém a resistência mecânica às temperaturas
relativamente elevadas mas, não é tão resistente à oxidação como as ligas que
contém cromo. Diversos outros tipos de Hastelloy possuem cromo para conferir
maior resistência à oxidação e à corrosão em geral. As ligas com teor maior de
molibdênio têm maior resistência à corrosão: em meios úmidos, com exceção
dos meios oxidantes, e as ligas com maior teor de cromo tem tanto a
resistência à corrosão em meios úmidos como secos.
3.4 Ligas de Níquel para fundição
O níquel não é muito usado para forma fundida mas em alguns casos,
onde a resistência à corrosão é uma propriedade importante, as peças podem
ser fabricadas cora níquel fundido em areia; nesses casos o metal contém
silício (1% a 2%), manganês (1%) e magnésio (que atua como desoxidante)
para melhorar a fundibilidade.
As ligas a base de níquel para resistir em altas temperaturas são
utilizadas também na forma fundida; e, ainda mais, há uma tendência de seu
uso ser mais importante do que as ligas na forma dúctil devido a dois motivos
básicos: a adição de titânio e alumínio - necessários para aumentar a
resistência mecânica - eleva de tal forma a temperaturas de conformação a
quente que a aproxima da temperatura de fusão, o que dificulta o
processamento mecânico; e, ainda, a estrutura de fundição é mais favorável
para resistir à fluência do que a estrutura de conformados (como as peças
forjadas). E além disso, algumas ligas com teores maiores de alumínio e titânio
(4% a 6%) só podem ser manipuladas por processos de fundição. As ligas
desse grupo são as superligas que recebem designações como Nimocast ou
outras alfanuméricas. A Nimocast 80, por exemplo, possui normalmente 20%
Cr, 1,3% Al, 2,3% Ti e o restante de níquel e a Nimocast 713, 13% Cr, 6,0% Al,
1,0% Ti, 4,5% Mo, 2,3% Nb e o restante de níquel.
Algumas ligas Monel podem se apresentar fundidas e contém de 1,5 a
4% de silício para melhorar a resistência mecânica e a fundibilidade. Algumas
ligas da série Hastelloy (ou Clorimet) também são indicadas para fundição,
sendo que para as ligas com molibdênio, onde predomina o teor de cromo e
aparece o cobre, a denominação comum é Illium.
As propriedades mecânicas das ligas dependem, além de suas
composições, das condições de fundição e dos tratamentos térmicos aplicados.
Contudo os valores típicos para resistência à tração situam-se na faixa de 350
a 530 MPa, enquanto que o limite de escoamento 125 a 320 MPa e o
alongamento de 6 a 30%.
3.5 Aplicações
Os materiais metálicos a base de níquel, tanto na forma trabalhada como
fundida, tem os seus principais empregos nos equipamentos de processamento
químico, onde os meio agressivos comumente líquidos, ácidos e básicos – não
permite a utilização de outros materiais metálicos de custo de aquisição menor.
Contudo a necessidade de reduzir os custos de manutenção e elevar a
confiabilidade dos equipamentos em operação, para minimizar as perdas
decorrentes das paradas de produção, tem elevado a aplicação desses
materiais mesmo nas áreas onde é possível a utilização de outras ligas
metálicas de custo de aquisição menor.
Para condição de uso é possível encontrar um material que melhor se
adapte dentro da grande variedade de ligas a base de níquel. A listagem a
seguir apresentada apenas indica algumas aplicações típicas resumidamente:
Níquel - equipamento de processamento de produtos alimentares e de
substâncias cáusticas; componentes de dispositivos eletrônicos;
Ligas níquel - cobre - equipamento de processamento de produtos de
petróleo e petroquímico; aquecedores de água e trocadores de calor;
componentes de dispositivos elétricos e eletrônicos; componentes de
equipamentos que entram em contato com atmosfera e água do mar;
válvulas, bombas, eixos, parafusos, hélices e fixadores;
Ligas níquel - cromo - equipamentos de processamento químico;
equipamentos de tratamento térmico; geradores de vapor, trocadores de
calor, componentes de fornos; equipamentos de controle de poluição;
componentes de turbinas a gás; componentes de dispositivos
eletrônicos;
Ligas níquel – ferro - cromo - equipamentos de processamento químico;
geradores de vapor; componentes de fornos; equipamentos de controle
de poluição;
Ligas níquel - molibdênio - componentes de turbinas a gás e de motores
aeronáuticos; equipamentos de processamento químico.
De um modo geral as ligas de níquel com cobre são menos resistentes à
corrosão do que o níquel; para as condições de resistência a oxidação,
às temperaturas elevadas, as ligas com cromo ou cromo e ferro são
mais utilizadas; e as ligas mais resistentes às soluções ácidas são as
que contêm molibdênio.
4. LIGAS DE TITÂNIO
As excelentes propriedades mecânicas, alta resistência a corrosão e a
temperaturas altas em serviço, faz do titânio uma material para aplicações
críticas ficando ao lado das superligas. Porém o alto custo do processamento
do metal ainda limita seu uso.
Aplicadas já há bastante tempo na aeronáutica militar, as ligas de titânio
atualmente resolvem problemas de equipamentos em diversas outras áreas,
como em implantes cirúrgicos e em componentes dos equipamentos navais e
químicos, além de corpos de compressores e válvulas.
O titânio pode apresentar dois tipos de formação cristalina. O primeiro é
chamado alfa e tem um reticulado cristalino hexagonal compacto; o segundo é
denominado beta, com um reticulado cristalino cúbico de corpo centrado. No
titânio puro a fase alfa é estável na temperatura ambiente. Os elementos de
liga são adicionados ao titânio puro e tendem a alterar tanto a temperatura na
qual ocorre a transformação de fase como a quantidade presente de cada fase.
As adições de liga ao titânio, com exceção do estanho e zircônio, tendem
a estabilizar a fase alfa ou a beta. Os elementos chamados de estabilizadores
de alfa estabilizam esta fase nas temperaturas mais altas, enquanto os de beta
estabilizam a fase beta nas temperaturas mais baixas.
Há três tipos estruturais de ligas de titânio:
Ligas Alfa: não são tratáveis e geralmente são soldáveis, sua
resistência mecânica varia de baixa a média, tem boa tenacidade ao
entalhe, boa ductilidade e possui excelentes propriedades mecânicas nas
temperaturas criogênicas. As ligas mais altamente ligadas, alfa e
próximas a alfa, oferecem ótima resistência à fluência em altas
temperaturas, assim como resistência à oxidação. Estrutura cristalina
predominante é a Hexagonal compacta. Elemento α estabilizadores: Al,
Ga, C, O, N e H. Aplicação: Utilização em próteses odontológicas e
ortopédicas;
Ligas alfa-beta: são soldáveis e tratáveis termicamente, com níveis de
resistência variando entre médio e alto. São adequadas para
conformação a quente, mas sua resistência à fluência em altas
temperaturas não é tão boa quanto as das ligas alfa. Utilização; Indústrias
aeronáutica, automobilística e marinha; em carcaças de submarinos;
conteiners de lixo nuclear; estruturas de suporte para sistemas óticos
sujeitos a grandes variações de temperatura; implantes e próteses; bens
de consumo como pulseiras de relógios e tacos de golfe;
Ligas beta ou próximas de beta: respondem bem a tratamentos térmicos,
geralmente são soldáveis e possuem altas resistências à fluência a
médias temperaturas. Possui titânio em conjunto com diversos elementos
estabilizadores como exemplo desses elementos estabilizadores temos:
Nb, Mg, Cu, Fé, Cr, V, Ta, Mo e a maioria dos metais nobres. Estrutura
cristalina é o sistema cúbico de corpo centradoDe excelente
conformabilidade quando tratadas por solubilização, as ligas tipo beta
apresentam uma boa combinação de propriedades para aplicação em
chapas, seções grossas, elementos de fixação e molas. Utilização para
fins que necessitam de resistenciabilidade alta;
De uma forma geral, a resposta das ligas de titânio ao tratamento
térmico é muito complexa e é uma função da composição química do metal. O
titânio possui grande resistência à corrosão, superando, a este respeito, o aço
inoxidável. Essa resistência deve-se à formação, na superfície do metal, de
uma película compacta protetora (TiO2). Se esta película não for dissolvida no
meio ambiente, pode-se considerar o titânio, contido nela, de uma resistência
absoluta à corrosão. Por exemplo, a água do mar, para dissolver uma camada
de titânio de espessura igual à de uma folha de papel,necessita de 4000 anos.
Contudo, se a película de óxido de titânio for solúvel em um dado meio, o
emprego do titânio neste meio não é admissível. Os ácidos hidrofluórico,
clorídrico, sulfúrico e ortofosfórico, os ácidos oxálico e acético são exemplos
disso.
A composição Ti - 6Al - 4V é de uma liga alfa-beta e é, geralmente, a
mais usada (45%) sendo seguida pelo titânio puro (30%) e pelas outras ligas
(25%).
5. LIGAS DE METAIS REFRATÁRIOS
Os metais refratários são definidos como os materiais com temperatura
de fusão acima de 1800ºC. Eles são: Tungstênio – W, Molibdênio – Mo,
Tântalo – Ta e Nióbio – Nb. O Zircônio, Crômio e Vanádio geralmente não são
usados como refratários. Háfnio e Rênio são muito raros. Porém, todos
possuem elevadas densidades e baixa ductilidade à temperatura ambiente.
Niobio (Nb)
O nióbio é um metal refratário do grupo VB. É uma das substâncias de
mais baixa concentração na crosta terrestre, na proporção de 24 partes por
milhão. Sua densidade é de 8,57 g/cm³ e seu grau de dureza na escala de
Mohs é de seis, numa escala de um a dez. Seu ponto de fusão é de 2468ºC.
O nióbio possui muitas utilidades e aplicações em diversos ramos
comerciais: da siderurgia a setores intensivos em tecnologia. A aplicação mais
comum do nióbio, ao contrário dos demais metais refratários, encontra uso
principalmente na siderurgia e ocasionalmente no segmento não metalúrgico.
Entre os metais refratários, o nióbio é o mais leve, prestando-se para a
siderurgia, aeronáutica e largo emprego nas indústrias espacial e nuclear. Na
necessidade de aços de alta resistência e baixa liga e de requisição de
superligas indispensáveis para suportar altas temperaturas como as que
ocorrem nas turbinas de aviões a jato e foguetes, o nióbio adquire máxima
importância pois, além de seu alto ponto de fusão, é dotado de elasticidade e
flexibilidade que o permitem ser moldável e também é um poderoso agente
anti-corrosivo, resistente aos ácidos mais agressivos, como os naftênicos.
Dentre algumas aplicações, pode-se destacar a formação de superligas,
aços microligados, aços ferramenta, aços inoxidáveis etc. São tantas as
potencialidades do nióbio que a baixas temperaturas ele se converte em
supercondutor. Em virtude da extensa gama de aplicações do nióbio, pode-se
citar com facilidade algumas das importantes ligas que são formadas com este
metal, tais quais a INCONEL 718 (5,3% de Nióbio), utilizada principalmente nos
motores a jato e motores militares, como exemplo, a General Electric (GE)
produz o motor CFM56, o motor a jato mais usado atualmente, contem
aproximadamente 300 kg de nióbio de alta pureza; a liga C-103, composta de
nióbio, háfnio e titânio, em que estes são utilizados como material refratário por
resistirem a temperaturas acima de 1300 ºC e aceitarem revestimentos contra
oxidação, utilizados em propulsores e bocais de foguetes e está sempre
presente na saia do motor Pratt & Whitney F100, um gerador de alta potência
usado nos caças F15 e F16. O metal nióbio pode ser utilizado também em ligas
de nióbio-titânio, para uso em implantes cirúrgicos devido à grande resistência
a corrosão e oxidação e em componentes de mineradoras, pois a liga é
resistente à ignição.
Molibdênio (Mo)
O molibdênio é um elemento metálico refratário utilizado principalmente
como agente de liga em ferro fundidos, aços e superligas para melhorar a
temperabilidade, resistência mecânica e resistência/desgaste sob corrosão.
Para alcançar propriedades metalúrgicas desejadas, o molibdênio,
principalmente sob a forma de óxido (MoO3) ou ferromolibdeno (FeMo), é
frequentemente usado em combinação com, ou adicionado ao crómio, níquel,
manganês, nióbio (colômbio), tungsténio, ou a outro metais de liga leve. Em
seu estado puro possui densidade de 10,28 g·cm−3 e ponto de fusão de
2628oC, apesar de que a 300oC começa a oxidar-se. É detentor de um dos
menores coeficientes de expansão térmica dentre os metais comercialmente
utilizáveis.
A versatilidade do molibdênio para reforçar uma variedade de
propriedades de liga garantiu-lhe um papel significativo na tecnologia industrial
contemporânea, que exige cada vez mais materiais que possam sustentar altas
tensões, altas temperaturas e ambientes altamente corrosivos. Há significativa
utilização de molibdénio como um metal refratário, e numerosas aplicações
químicas, incluindo catalisadores, lubrificantes e pigmentos.
A Liga TZM – liga a base de molibdênio, possui cerca de 0,5% de
titânio, 0,08% de zircônio e 0,02% de carbono. Desempenha papel fundamental
na performance de componentes a altas temperaturas, os quais devem ainda
mostrar melhores fluência e resistência ao amolecimento quando comparados
ao molibdênio puro. Essas melhoras de proriedades mecânicas a altas
temperaturas que a Liga TZM oferece ocorrem devido ao endurecimento da
solução sólida pela dissolução dos componentes de liga e também pelo
endurecimento causado pela formação do complexo Mo-Ti-Zr na forma de
carbetos esféricos. Uma vez que apresenta excelentes propriedades
mecânicas a altas temperaturas, além de boa difusão de calor, a liga TZM pode
ser usada para aplicações tais quais matrizes de extrusão e moldes
permanentes para processamento de materiais como ligas de alumínio, zinco e
cobre. Tais ferramentas fabricadas com a liga TZM são particularmente usadas
de forma ampla pela indústria automotiva. Outra importante aplicação da liga
TZM encontra-se na fabricação de componentes de turbinas de alta pressão,
tais quais anéis de retenção, válvulas, suportes, selagens de ar quente e pás.
A Liga Mo-30W - outra liga a base de molibdênio, a liga Mo-30W
possui altíssimo ponto de fusão (2832oC, 204oC mais alto que o do molibdênio
puro). Seu elemento de liga, tungstênio, encontra completa solubilidade com o
molibdênio em todas as proporções. Originalmente, a liga Mo-30W foi
desenvolvida para aliar resistência à erosão e à fusão incipiente em propeleiras
de foguetes, expostas a altas temperaturas de combustão. Entretanto, devido a
algumas propriedades físicas e químicas da liga, seu mercado foi extendido
além do uso militar e espacial. Sua inercia química na presença de zinco
derretido, por exemplo, aliada a sua alta maquinabilidade quando comparada
às ligas a base de tungstênio, fazem da liga Mo-30W um excelente material
para ser usado na fabricação de moldes, matrizes e ferramentas para o
processamento do zinco. Na industria de zinco, a principal aplicação da liga
Mo-30W é no sistema de bombas e misturadores, usado para transferir ou
agitar o material derretido com certo controle. A liga, quando forjada, ainda
apresenta certa ductibilidade, especialmente quando quente.
Tântalo (Ta)
O tântalo é um ótimo candidato a aplicações que necessitam aplicações a
altas temperaturas, já que seu ponto de fusão é o 3º maior de todos os metais.
Sua tolerância a elementos intersticiais e o seu razoável módulo de
elasticidade o torna atrativo para o seu uso como elemento de liga. Ele é
soldável por solda a arco elétrico com gás de tungstênio (GTA). Consome-se
cerca de 900t de Tântalo por ano mundialmente, sendo que seus principais
usos são na indústria de eletrônicos e em superligas. Seu processamento é
caro e delicado já que é necessário temperaturas acima de 1200ºC para seu
processamento primário, e em algumas ligas [Como Ta-10W e T-111] a
temperatura de recozimento chega até 1650ºC. Como o tântalo é facilmente
contaminado por impurezas como o ferro, é necessário um ambiente
controlado e a vácuo para seu processamento se dar de forma pura.
Uma mistura de pós de titânio-tântalo (20%Ti-80%Ta) é usada para a
manufatura da liga titânio-tântalo. Após a mistura, usa-se uma solda de plasma
para fundi-la a altas pressões. Esta liga possui a propriedades de resistência a
plutônio fundido, e resistência a oxidação por várias horas a 800~1200ºC, ideal
para reatores. Estas ligas ainda são consideradas para o uso espacial. A liga T-
222 (Ta-10W-2.5Hf-0.01C) está em estudo para o uso numa sonda que vai a
plutão e a T-11 (Ta-8W-2Hf) ainda é usada como contenção no uso reatores
termoelétricos no espaço.
Óxido de tântalo e tântalo-chumbo: O uso destas ligas se dá ao grande
volume de tântalo usado no mundo, a eletrônica. O tântalo apresenta uma
fortíssima capacitância, e assim é usado para aplicações eletrônicas onde se
precisa de muita capacitância em pouco espaço.
O tântalo é usado também para superligas de aço, as quais são
excepcionais a corrosão de ácidos e outros elementos, devido a formação de
um filme de óxido de tântalo [Ta2O5]. Assim é usado em canais de vazamento
para a indústria química.
Tungstênio (W)
O tungstênio é um metal refratário de cor branca/cinza, frágil e difícil de
ser trabalhado, com propriedades únicas e uma grande variedade de
aplicações comerciais, industriais e militares.
A sua utilização principal é na forma de carboneto de tungsténio em
carbonetos cementados, que são materiais resistentes ao desgaste utilizados
pela construção civil, metalurgia, mineração, e pelas industrias de perfuração
de solo, ligadas à extração de petróleo e gás. Em seu estado puro possui
densidade de 19,25 g·cm−3 e ponto de fusão de 3422oC, o maior dentre todos
os metais conhecidos nos seus estados puros. Seu coeficiente de expansão
térmica é também o menor dentre todos os metais puros. Alto ponto de fusão e
baixo coeficiente de expansão térmica devem-se a fortes ligações covalentes
entre os orbitais 5d. Possui ainda alta condutividade térmica e baixa
resistividade elétrica. O tungstênio, puro ou dopado, ainda é usado na industria
de eletrônicos na fabricação de eletrodos, fios, artefatos de iluminação e
aquecimento e também em soldagem.
Tungstênio é também usado para fabricar ligas e compósitos para
substituir munição e outros produtos; ligas de metais pesados para
armamentos, escudos contra radiação, pesos e contrapesos; superligas para
peças de turbinas; e como elemento de liga para dar resistência ao desgaste.
Compostos químicos de tungstênio são usado para fazer catalisadores,
resistentes à corrosão, corantes e pigmentos resistentes ao fogo e lubrificantes.
Embora não tenha relevantes aplicações para ligas a base de
tungstênio, o metal é importante como elemento de liga. Por exemplo, a dureza
e densidade de tungstênio são aplicados na obtenção de ligas de metais
pesados. Um bom exemplo é o aço de alta velocidade, que pode conter até
18% de tungstênio. O alto ponto de fusão faz do tungstênio um bom material
para aplicações como propeleiras de foguetes, por exemplo. Superligas
contendo tungstênio, tais como Hastelloy e Stellite, são usados em pás de
turbina e para peças que necessitam ter boa resitência ao desgaste.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]<http://www.aluinfo.com.br/novo/wpcontent/uploads/2011/06/
Metais_refratarios.pdf> Acesso em: 02 de julho de 2012.
[2] Chiaverini, V., (1996): Aços e ferros fundidos. 7a ed. São Paulo.
Associação Brasileira de Metais..
[3] Callister Jr, W.D. (2002): Ciência e Engenharia de Materiais: Uma
introdução. S edição. Editora LTC.
[4] ] Modenesi, P. J. (2001) Soldabilidade dos Aços Austeniticos. SENAI,
Osasco/SP V.1. Acesita.