O AÇO E O NIÓBIO
Introdução
A aplicação mais importante do nióbio é como elemento de liga para conferir melhoria de propriedades em produtos de aço, especialmente nos aços de alta resistência e baixa liga usados na fabricação de automóveis e de tubulações para transmissão de gás sob alta pressão. Vem a seguir seu emprego em superligas que operam a altas temperaturas em turbinas das aeronaves a jato. O nióbio é também adicionado ao aço inoxidável utilizado em sistema de escapamento dos automóveis, e ainda na produção de ligas supercondutoras de nióbio-titânio usadas na fabricação de magnetos para tomógrafos de ressonância magnética. Encontra aplicação também em cerâmicas eletrônicas e em lentes para câmeras.
A seleção do tipo de aço é influenciada por vários fatores. Um deles é o que permite a construção de estruturas de menor peso e custo reduzido, proporcionado pelos aços de alta resistência, embora muitos projetistas mais conservadores ainda relutem em utilizar os benefícios dos modernos aços denominados ARBL (Alta Resistência e Baixa Liga).
| As propriedades de um aço dependem de sua composição química (C, Mn, P, S, Si), dos elementos de liga e micro-liga que contiver e das condições em que foi processado. O nióbio tem alta afinidade por carbono e nitrogênio, formando carbonetos e carbonitretos. Para se obter um conjunto de propriedades desejadas, ajustam-se os níveis de carbono e nióbio e as condições de processamento. Na indústria do aço, o nióbio é adicionado na forma de ferro-nióbio e encontra sua aplicação principal em produtos de aço microligado (aços contendo pequenas adições de Nb, Ti ou V, normalmente menores que 0,10%) e em aços inoxidáveis. |
Para aumentar a resistência mecânica do aço, basta elevar seu teor de carbono. Entretanto, essa solução trivial altera importantes características do aço, como a soldabilidade, a tenacidade e a conformabilidade, o que levou a ciência moderna à busca de alternativas que aumentassem a resistência mecânica do aço sem alterar as outras propriedades desejáveis. Chegou-se, assim, aos aços ARBL microligados com nióbio que exibem uma boa combinação de propriedades mecânicas. Os aços microligados são produzidos também com vanádio e com titânio.
Atualmente, a maioria dos aços ARBL enquadra-se na categoria de baixo teor de carbono, com menos de 0,1%, e deve sua resistência elevada à adição de nióbio, mais eficiente do que o vanádio ou o titânio. Existem, contudo, circunstâncias em que os três microligantes concorrem entre si. O titânio, por exemplo, embora não confira qualidade superior à superfície de uma chapa, é utilizado nos aços livres de átomos intersticiais, os chamados Interstitial Free, que são aplicados nas partes internas da carroceria dos veículos. E o vanádio tem amplo uso nas barras para concreto armado processadas nos laminadores de barras de alta velocidade. Os melhores resultados, porém, são obtidos por uma adição combinada de microligas, que permite explorar os benefícios sinérgicos, como o emprego de nióbio e titânio juntos, imprimindo qualidade superior à superfície das chapas expostas da carroceria dos automóveis. Ressalte-se que a sinergia entre nióbio e titânio, quando presentes no aço, é muito mais efetiva do que entre nióbio e vanádio.
Produtos Planos
Chapas grossas - chapas grossas de aço de alta resistência microligado ao nióbio possuem diversas aplicações:
O transporte de gás e derivados de petróleo através de tubulações é feito sob alta pressão, o que requer, como item básico, um elevado nível de resistência mecânica dos gasodutos. Os tubos de grande diâmetro para transporte de gás ou petróleo, e seus derivados, são fabricados com as chapas grossas, de aço microligado ao nióbio, cuja tenacidade pode evitar a propagação de uma fratura, iniciada por forças externas, como um deslizamento ou um abalo sísmico. Sua boa soldabilidade também facilita a construção do sistema de transmissão.
O transporte de gás e derivados de petróleo através de tubulações é feito sob alta pressão, o que requer, como item básico, um elevado nível de resistência mecânica dos gasodutos. Os tubos de grande diâmetro para transporte de gás ou petróleo, e seus derivados, são fabricados com as chapas grossas, de aço microligado ao nióbio, cuja tenacidade pode evitar a propagação de uma fratura, iniciada por forças externas, como um deslizamento ou um abalo sísmico. Sua boa soldabilidade também facilita a construção do sistema de transmissão.
A adição de nióbio nesses aços, ao lado de um rígido controle de sua composição química e de um processamento especial de laminação a quente, lhes confere um excelente nível de tenacidade e resistência mecânica. Os japoneses obtêm bons resultados na produção de tubos com o uso de laminadores de grande potência e com a aplicação de resfriamento acelerado com água após a laminação, utilizando pequenas adições de nióbio. Já nos EUA, esquemas menos severos de laminação são praticados. Portanto, adições maiores de nióbio são usadas para aumentar a resistência mecânica e a tenacidade. Na Europa, algumas siderúrgicas têm investido em laminadores de grande potência e em equipamentos de resfriamento acelerado, enquanto outras tendem a seguir o modelo americano.
Seguindo uma tendência mundial em quase todos os setores de atividades, o mercado de tubos de grande diâmetro é hoje globalizado. Cada usuário tem uma especificação própria, que prevê composição química e propriedades mecânicas do produto. As companhias siderúrgicas possuem alguma flexibilidade na definição da composição do aço, procurando atender às necessidades específicas de cada cliente. As especificações permitem o uso de nióbio, vanádio e titânio e, em geral, estabelecem um limite máximo para todos esses três elementos. Entre os principais usuários estão British Gas, Exxon, Gazprom, Norwegian Statoil e Petrobras. Alguns importantes produtores de aços para tubos de grande diâmetro são Berg Pipe, Europipe, Nippon Steel, Oregon Steel, Stelco, Sumitomo e Usiminas.
| As tiras laminadas a quente são usadas na produção de tubos que requerem boa soldabilidade e tenacidade, e na indústria automotiva, que exige aço de boa conformabilidade. São produzidas em laminadores contínuos de tiras a quente. |
A indústria naval e as plataformas marítimas constituem outro grande mercado para as chapas grossas microligadas com nióbio. Nesta aplicação é comum o emprego de chapas com mais de 50 mm de espessura. Boa parte das siderúrgicas de âmbito internacional, que produzem aços para tubos de grande diâmetro, atendem também à indústria naval e de construção de plataformas marítimas. Importantes consumidores de chapas para navios são a Hitachi Zosen e a Mitsubishi Heavy Industries, no Japão; a Hyundai Heavy Industries e a Samsung Heavy Industries, na Coréia do Sul. Na Europa, os estaleiros mais importantes estão na Alemanha e na Polônia. Plataformas marítimas são construídas por empresas de engenharia, de acordo com as especificações estipuladas pelas companhias de petróleo.
| As tiras laminadas a frio são produzidas em laminadores a frio e, após a laminação, recebem tratamento térmico por recozimento. Até o início dos anos 80, apenas os aços que necessitavam de alta resistência mecânica recebiam aplicação de microligas e tinham a conformabilidade um tanto limitada. A partir daí, começou a produção dos aços Interstitial Free, livres de átomos intersticiais, com teor de carbono extrabaixo (menos de 0,005%) e excelente conformabilidade. Neles, o nitrogênio e o carbono são fixados pelas microligas de nióbio e/ou titânio e processados em modernas linhas de recozimento contínuo. |
A construção civil é outra área de aplicação típica para as chapas grossas de aços de alta resistência microligados ao nióbio. Essas chapas são usadas na construção de pontes, viadutos e edifícios. Clientes finais incluem governos e empresas da iniciativa privada. Como aplicações adicionais das chapas grossas de aço microligado, pode-se ainda citar o setor de maquinaria pesada e vasos de pressão.
Tiras laminadas a quente - assim conhecidas por serem chapas longas, com espessura entre 2 e 20 mm, produzidas em bobinas - são utilizadas na fabricação de tubos com solda em espiral ou soldados por resistência elétrica, chamados tubos ERW (electric resistance welded). Os tubos ERW são fabricados com diâmetros menores, em geral inferiores a 550 mm. As aplicações finais são semelhantes às de chapas para tubos produzidas em laminadores de chapas grossas.
É também amplo o emprego da tira laminada a quente na indústria automotiva, notadamente nos chassis de caminhões, nas rodas e em algumas partes estruturais. Seu uso pode ser observado ainda em guindastes , vagões ferroviários , contêineres e veículos fora de estrada.
As tiras laminadas a frio são largamente aplicadas na construção da carroceria de automóveis .
A importância e o emprego das tiras de aço microligado de alta resistência, laminadas a quente ou a frio, cresceram consideravelmente após a primeira crise do petróleo, em 1973, quando as montadoras de automóveis, especialmente nos EUA, precisaram reduzir o peso dos carros para economizar combustível.
O uso do aço com teores residuais de carbono, aço Interstitial Free, microligado com nióbio e titânio, tornou possível a construção de painéis externos integrados de grande dimensão e peso reduzido, diminuindo os pontos de solda e o número de peças a serem estampadas. Desenvolvidos nos EUA pela Armco Steel, no final da década de 60, os aços Interstitial Free alcançaram produção em larga escala no Japão, no início dos anos 80. Atualmente são amplamente produzidos também na América do Norte, Europa e em alguns países em desenvolvimento, como Coréia do Sul e Brasil.
Os produtores de aço têm liberdade na definição da composição química desses aços, desde que atendam às especificações de propriedades exigidas pelas empresas automobilísticas.
Mais de 30 das mais importantes companhias siderúrgicas do mundo estão empenhadas no projeto de desenvolvimento da Carroceria de Aço Ultra-Leve (Ultra Light Steel Autobody, ULSAB). Um protótipo demonstrativo foi construído pela Porsche e, se esse projeto tiver sucesso, uma grande porcentagem de aços usados conterá nióbio.
Produtos Não-Planos
Os produtos não-planos em geral são produzidos pelas siderúr-gicas de menor porte, as miniusinas, em forma de barras, perfis ou fio máquina. Todos podem ter o nível de resistência mecânica elevado pelo nióbio.
Os perfis estruturais, como cantoneiras e vigas I, têm grande emprego na construção civil, que constitui um importante consumidor de aços não-planos. Estão presentes também nas estruturas das torres de transmissão e de vagões ferroviários. O nióbio está cada vez mais ocupando o lugar do vanádio nessas aplicações.
As barras para concreto armado, de resistência mecânica elevada, são produzidas com adição de nióbio ou vanádio. Algumas siderúrgicas modernas aplicam o sistema de resfriamento acelerado com água, dispensando o uso de microligas como forma de aumentar a resistência mecânica.
Diversas peças forjadas para a indústria automobilística, como virabrequins e bielas, são produzidas com as barras para construção mecânica enriquecidas com a tecnologia de microligas, o que dispensa os caros tratamentos térmicos de têmpera e revenido, com redução do custo de processamento.
| Há vários materiais alternativos para ferramentas de corte. No entanto, os aços-ferramenta ainda predominam. Normalmente, esses aços recebem adições de vários elementos de liga para desenvolver características específicas. Dentre os elementos de liga mais comuns estão os formadores de carbonetos – cromo, molibdênio, tungstênio, vanádio e, mais recentemente, nióbio. |
O fio máquina é a matéria-prima para o fabrico de parafusos, porcas e molas. O nióbio e também o vanádio passaram a ser usados em aços para a fabricação de parafusos de alta resistência mecânica utilizados na indústria automobilística. A aplicação da tecnologia de microliga permite a eliminação de um processamento intermediário (recozimento de esferoidização) e dos tratamentos térmicos de têmpera e revenido na peça final. Nióbio, juntamente com vanádio, é também adição comum em aço para molas, promovendo aumento de resistência mecânica e, com isso, redução no peso da peça acabada.
O nióbio encontra aplicação em trilhos de elevada resistência mecânica e ao desgaste, para ferrovias que operem sob condição de alta carga por eixo. Um importante produtor é a Nippon Steel Corporation.
Aços Inoxidáveis e Resistentes ao Calor
A produção de aço inoxidável, especialmente o aço ferrítico, que não leva adição de níquel, responde por cerca de 10% do consumo mundial de nióbio. No Japão, aproximadamente 25% da demanda por nióbio é destinada aos aços inoxidáveis. A principal aplicação do aço ferrítico contendo nióbio é no sistema de escapamento dos automóveis. Nesse componente, o aço inoxidável com adição de nióbio tem melhor desempenho nas condições de trabalho em temperatura elevada, garantindo maior durabilidade à peça.
Além dos inoxidáveis, os aços resistentes ao calor, utilizados na indústria petroquímica e nas usinas termoelétricas, freqüente-mente são fundidos por centrifugação e enriquecidos com nióbio. A Pont-A-Mousson e a Wisconsin são importantes produtores para a indústria petroquímica.
Outros Produtos de Ferro e Aço
No universo das aplicações do nióbio, destaca-se ainda sua presença nos tubos sem costura, em aços-ferramenta, em ferro fundido e em peças de aço fundido.
O tubo sem costura é produzido a partir de tarugos processados por deformação a quente em laminadores. Os tubos produzidos com aços de alta resistência mecânica, microligados ao nióbio, são usados na perfuração e no revestimento de poços de petróleo e de gás. Normalmente, têm diâmetro inferior a 430 mm e sofrem uma certa concorrência dos tubos soldados por resistência elétrica.
O aço-ferramenta é constituído, basicamente, de carbonetos de alta dureza dispersos em uma matriz metálica tenaz. No desenvolvimento de aços-ferramenta de alto desempenho, o nióbio aparece como elemento formador de carbonetos (NbC). Aços-ferramenta contendo nióbio estão também sendo utilizados em produtos como cilindros de laminadores e eletrodos para endurecimento superficial (hard-facing). Böhler, Cartech, National Roll e Villares são alguns dos fabricantes mais conhecidos.
O uso do nióbio em ferros fundidos é mais recente, ocorrendo em peças para uso automotivo, como camisas de cilindros e anéis de segmento, e também em discos de freio de caminhões. Nessas aplicações o nióbio é usado como formador de carbonetos de alta dureza com a função de propiciar maior resistência ao desgaste e de refinar o tamanho da célula eutética (maior resistência mecânica) sem afetar a morfologia da grafita. A Cofap abastece os fabricantes de veículos brasileiros e também exporta para a Europa. A Mercedes-Benz, tanto na Europa quanto no Brasil, produz para uso próprio produtos em ferro fundido contendo nióbio.
O aço fundido microligado ao nióbio combina resistência mecânica e tenacidade em níveis elevados. Diversas aplicações têm sido desenvolvidas, como em lingoteiras, potes de escória, cilindros de encosto para laminadores, nós fundidos para plataformas marítimas e componentes de maquinaria. Essa é uma área fértil para a tecnologia de microligas. Nos Estados Unidos, Blaw Knox Rolls e Whemco são produtores de destaque.
O aço fundido microligado ao nióbio combina resistência mecânica e tenacidade em níveis elevados. Diversas aplicações têm sido desenvolvidas, como em lingoteiras, potes de escória, cilindros de encosto para laminadores, nós fundidos para plataformas marítimas e componentes de maquinaria. Essa é uma área fértil para a tecnologia de microligas. Nos Estados Unidos, Blaw Knox Rolls e Whemco são produtores de destaque.
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