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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.

Aço e Nióbio

Os produtos de aço recebem a classificação de planos e não-planos. Os primeiros são constituídos pelas chapas grossas e finas laminadas a quente e chapas finas laminadas a frio. Dentre os não-planos estão perfis estruturais, trilhos, barras de reforço para concreto, barras para construção mecânica e fio máquina.

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.

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.

Superligas

Dentre os materiais projetados para funcionar por longos períodos em atmosferas altamente oxidantes e corrosivas, submetidos a temperaturas acima de 650°C, estão as chamadas superligas, que demandam o segundo maior consumo de nióbio depois da indústria do aço.

Dezenas de superligas estão em uso nos mais diversos meios corrosivos ou operando em altas temperaturas. Entre todas, a liga mais importante é a Inconel 718, à base de níquel, contendo de 5,3 a 5,5% de nióbio. Essa liga forma nada menos que a espinha dorsal dos motores a jato, tanto comerciais quanto militares.

O CFM56 - o motor a jato mais usado hoje em dia, feito pela joint-venture GE/Snecma - contém cerca de 300 quilos de nióbio de alta pureza. Vale lembrar que a maior parte desse nióbio é proveniente da mina da CBMM em Araxá, Minas Gerais.

Ainda existem outras ligas à base de níquel contendo nióbio que são industrialmente importantes, como a Inconel 706 (3% de nióbio) e o Inconel 625 (3,5%).

Inicialmente desenvolvida como material de disco para turbofans de aeronaves, a liga 718 teve, nos últimos anos, seu uso estendido a outras peças de motores, como parafusos e eixos de rotor. E mais: descobriu-se que seu emprego é perfeitamente adequado às indústrias nuclear, criogênica e petroquímica.

Turbinas terrestres para geração de eletricidade estão adquirindo importância crescente, à medida que a eficiência dessas máquinas é elevada (56-58%) pelo aumento da temperatura de trabalho. A General Electric americana solucionou problemas associados à exposição de materiais a altas temperaturas utilizando as superligas Inconel 718 e Inconel 706. Outras empresas ainda estão tentando projetar sistemas de resfriamento mais eficientes que permitam dispensar o uso das superligas.

Contudo, a principal demanda pela liga 718 ainda vem dos fabricantes de motores para aeronaves. A indústria aeronáutica projeta, para os próximos dez anos, a entrega de pelo menos 6 mil jatos comerciais de grande porte, o que assegura uma forte e contínua demanda para o nióbio utilizado na Inconel 718. Isso porque, embora os atuais usuários finais das superligas sejam as empresas Airbus e Boeing, a decisão final sobre qual fabricante fornecerá o motor para uma aeronave é sempre da companhia aérea ou do comprador do avião. E como, historicamente, os níveis de ruído e consumo de combustível influenciam de modo considerável essa escolha, a meta dos fabricantes tem sido reverter as deficiências nesses campos por meio do aumento da velocidade de rotação (o que também aumenta a temperatura de funcionamento) e do coeficiente de bypass, progressos só possíveis com a melhora que tem sido obtida na tecnologia de fabricação das superligas à base de níquel, especialmente a liga 718.

Existe, ainda, um outro fator decisivo nesta equação. A indústria de grande porte, apoiada nos avanços tecnológicos, atingiu um estágio de amadurecimento que aboliu as grandes desproporções, estabelecendo um equilíbrio tal que, a título de exemplo, os três atuais fornecedores de motores para Boeing 777 - General Electric, Pratt & Whitney e Rolls Royce - oferecem um equipamento de desempenho quase rigorosamente semelhante, circunstância que leva o comprador a basear sua escolha em itens como peso, confiabilidade, qualidade de atendimento e, mais importante, preço final do produto.

Há uma outra situação que favorece a continuidade do emprego das superligas de nióbio convencionais. Desenvolver e qualificar uma nova liga para motores demandaria anos de pesquisas e custos que, calculados grosso modo, superariam 50 milhões de dólares. Os fabricantes de motores auferem lucro maior com os programas de manutenção e reposição de peças do que com as próprias vendas. Acresça-se a isso o fato de os operadores de aeronaves serem avessos a mudanças tecnológicas, temendo os riscos. Uma tecnologia nova, portanto, deve apresentar incontestáveis benefícios, ou será ignorada. Esta situação favorece a continuação do uso das superligas convencionais contendo nióbio.

A capacidade de operar em condições de temperaturas mais elevadas e baixa densidade permanece como o pré-requisito básico para os materiais destinados à fabricação de motores para aeronaves. A liga 718 é adequada para trabalhar a uma temperatura equivalente a 85% de seu ponto de fusão, ficando claro que o ponto de fusão do níquel impõe um teto natural ao potencial de melhora dessa liga. Estão surgindo gama-aluminetos de titânio contendo nióbio com capacidade de suportar temperaturas mais altas do que a 718 (GE: Ti47Al2Cr2Nb at%). Paralelamente, estão sendo desenvolvidas outras ligas de titânio que não contêm nióbio, assim como outros materiais intermetálicos e compostos cerâmicos. Hoje, a instabilidade política em países africanos já não ameaça o fornecimento de cobalto e as ligas de base cobalto Waspalloy poderiam diminuir a hegemonia da 718.

Outras tendências podem ainda surgir. O emprego de nióbio puro e as ligas à base de nióbio são a meta, há algum tempo, dos fabricantes de motores a jato, uma vez que o nióbio é o metal refratário de menor densidade que se conhece. Se fosse encontrada uma solução para sua baixa resistência à oxidação, isso aumentaria significativamente a capacidade de temperatura operacional de um motor.

Ligas à Base de Nióbio

Elementos como titânio, zircônio, háfnio, tântalo, tungstênio e alguns outros metais, quando ligados ao nióbio, resultam em materiais com propriedades de engenharia altamente desejáveis.

Há muito se conhece a supercondutividade do nióbio, com desaparecimento total da resistividade elétrica, abaixo de temperaturas críticas próximas ao zero absoluto. Em estado puro, o nióbio encontra aplicação em aceleradores de partículas subatômicas, embora o nióbio-titânio e o nióbio-estanho sejam mais importantes como materiais supercondutores.

O aumento do consumo de nióbio como supercondutor ainda depende de projetos governamentais, normalmente estimados em bilhões de dólares. Mesmo com toda dificuldade para se obter este patrocínio, recentemente foi aprovado na Europa o projeto de um acelerador de partículas de grande dimensão baseado em magnetos supercondutores de nióbio-titânio. O fornecimento de lingotes de nióbio-titânio a fabricantes de cabos começou em 1998 e vai estender-se por mais três ou quatro anos. Outros grandes projetos, que potencialmente podem se tornar realidade no futuro, relacionam-se com a geração de energia por fusão atômica e o armazenamento dessa energia.

No caso do nióbio usado em supercondutividade, os projetos estatais adquirem os magnetos supercondutores de fabricantes como a General Dynamics e a General Electric, que, por sua vez, compram os cabos supercondutores da Alsthom, Furukawa, Hitachi, ICG, Kobe, LMI, Outokumpu, Oxford, Sumitomo, Supercon e Vacuumschmelze. A liga C-103 composta de nióbio, háfnio e titânio, é usada como material refratário pela indústria aeroespacial por resistir a temperaturas acima de 1.300°C e aceitar revestimentos contra oxidação. A C-103 é aplicada principalmente em propulsores e bocais de foguetes e está sempre presente na saia do motor Pratt & Whitney F100, um gerador de potência de alto desempenho usado nos caças F15 e F16. O consumo dessas ligas à base de nióbio aumentou com o crescimento do número de lançamentos de satélites, envolvendo na cadeia de fornecimento empresas como General Electric, Kaiser Marquardt, Lockheed Martin, Loral, e Pratt & Whitney, como usuárias finais.

Relacionam-se, entre outras aplicações do metal nióbio e suas ligas, as seguintes:

  • cabos anódicos de nióbio platinizados para proteção catódica (contra corrosão) nas plataformas marítimas de grandes dimensões e em estruturas de concreto reforçadas;
  • lâminas de nióbio puro usadas na produção de diamantes sintéticos;
  • componentes de nióbio-titânio resistentes à ignição, usados por mineradoras, especialmente na mineração de ouro;
  • nióbio para os alvos de evaporação usados na indústria de vidro arquitetural, nas lâminas de barbear e na indústria eletrônica;
  • ligas de nióbio-titânio para uso em implantes cirúrgicos, de desenvolvimento recente.

Na elaboração de uma lista completa dos empregos do nióbio e suas ligas, esbarra-se na resistência de muitas empresas e pesquisadores que, no intuito de se preservar da competição, ocultam seus avanços pelo maior tempo possível.

Cerâmicas Finas

Cerâmicas finas são produtos especiais, geralmente classificados como materiais funcionais e estruturais de engenharia. Na primeira categoria estão os capacitores cerâmicos e as lentes ópticas. O segundo grupo é composto por ferramentas, peças de motor e alguns elementos estruturais resistentes ao calor e à abrasão. Ultimamente, o emprego industrial dos produtos do primeiro grupo tem evoluído mais que o do segundo grupo. A fabricação desses materiais requer óxido de nióbio de alta pureza. A estimativa mundial da demanda de óxido de nióbio para uso em cerâmicas funcionais é da ordem de 500 toneladas por ano, das quais quase 2/3 são destinados ao Japão. A maior procura é pelo óxido de nióbio com 99,9% de pureza, para a fabricação de lentes ópticas, condensadores e atuadores cerâmicos. A produção de monocristais de niobato de lítio, utilizados em filtros especiais de receptores de TV, exige o teor de 99,99% de Nb2O5, ou seja, óxido de nióbio de altíssima pureza. A empresa Crystal Technology, na Califórnia, EUA, é um importante fabricante de monocristais de niobato de lítio.

As principais empresas que usam nióbio em lentes ópticas para instrumentos oftálmicos, microscópios e câmeras de vídeo são as japonesas Hoya, Minolta, Nikon e Ohara, a francesa Corning e a alemã Shott. Entre os fabricantes de condensadores e atuadores cerâmicos contendo nióbio estão as japonesas NEC, Matsushita Electric, Murata Manufacturing, TDK e a americana Trans-Tech. A Bayer, a Sumitomo e a Union Carbide fabricam catalisadores empregando compostos de nióbio.

Autores: Harry Stuart, Klaus Hulka, Pascoal Bordignon, Solon Y. Tagusagawa, Tadeu Carneiro

*Copyright © 1999 Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração

 

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