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.