Níquel e suas ligas - Apostilas - Engenharia Civil, Notas de estudo de Engenharia Civil. Universidade Federal de Alagoas (UFAL)
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Luiz_Felipe4 de Março de 2013

Níquel e suas ligas - Apostilas - Engenharia Civil, Notas de estudo de Engenharia Civil. Universidade Federal de Alagoas (UFAL)

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Apostilas de engenharia civil sobre o estudo do Níquel e suas ligas, classificação, designação e principais características das ligas de Niquel, elementos típicos encontrados nas superligas de Níquel.
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LIGAS DE NÍQUEL

Trabalho apresentado a disciplina de Materiais

para Altas Temperaturas do Programa de

Interdisciplinar de Pós-graduação em

Engenharia

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Níquel e suas ligas

O níquel puro possui densidade de 8,9 g/cm3, ponto de fusão 1453 ºC e estrutura cristalina

CFC. É um metal dúctil e tenaz sendo utilizado principalmente na melhoria de resistência mecânica a

altas temperaturas e resistência à corrosão, para uma ampla faixa de ligas ferrosas e não- ferrosas. As

ligas de Níquel também podem apresentar estabilidade dimensional, resistência à fragilidade pelo

enxofre, entre outras.

O níquel na condição recozida é suficientemente dúctil para poder ser trabalhado a frio, e na

condição encruada, resultado deste trabalho, apresenta dureza suficiente para garantir uma razoável

resistência ao desgaste [1].

Classificação, designação e principais características das ligas de Ni

As ligas de níquel, normalmente são divididas em: níquel comercialmente puro, ligas binárias,

ligas ternárias, ligas complexas e superligas. Além dessa classificação, podem ser reunidos em dois

grupos: as ligas de Níquel endurecidas pela formação de solução sólida e as ligas de Níquel

endurecidas pelo tratamento térmico de solubilização e precipitação. Entretanto, o Níquel e suas ligas

podem ainda ser endurecidas por trabalho a frio.

As ligas à base de Níquel podem ser fundidas ou trabalhadas, porém o uso das ligas fundidas é

mais adequado porque as adições de Ti e Al, necessárias para aumentar a resistência mecânica, elevam

a temperatura de conformação a temperaturas, dificultando o processamento e a estrutura obtida

através da fundição resiste mais à fluência do que a estrutura trabalhada. Além disso, algumas ligas

com teores maiores de Ti e Al (4-6%) só podem ser manipuladas por fundição [1].

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A designação do Níquel e suas ligas, organizada pela Huntington Alloys Inc é composta de três

dígitos acompanhados de um nome ou marca comercial. Cada grupo de material classificado pela

composição, é designado pelos três números, sendo que o primeiro, se for par, refere-se as ligas

endurecidas por solução sólida e, se for ímpar, indica que as ligas são endurecidas por tratamento

térmico de solubilização e precipitação [1].

Como exemplos do Níquel comercialmente puro podem ser citados o Níquel 200 e o Níquel

201, com menor teor de C, os quais apresentam boa resistência à corrosão. O Duraníquel 301 é um

Níquel ligado no qual foi adicionado Al e Ti. Essa liga é endurecida por precipitação, sendo que

partículas de Ni3AlTi precipitam-se na matriz, durante tratamento térmico, aumentando sua resistência

mecânica [1].

As ligas binárias de Ni-Cu conhecidas como Monel apresentam grande resistência mecânica,

ductilidade e resistência à corrosão em meios atmosféricos e na água do mar. Nas ligas binárias de NiMo a principal finalidade do Mo é elevar a resistência mecânica e a oxidação, particularmente em

temperaturas elevadas. Por exemplo, a liga Hastelloy B-2 possui excelente resistência a ácidos

clorídricos e alta resistência mecânica em atmosferas de gases inertes em temperaturas elevadas. As

ligas Ni-Cr têm sua resistência à oxidação aumentada devido adição de Si e Al. Estas adições

aumentaram a temperatura de trabalho de 950oC para as ligas Brightray B para 1250oC para as ligas

Brightray H [2].

Dentre as ligas ternárias Ni-Cr-Fe podem ser citadas a Inconel 600 e Incoloy 800. A Inconel

600 apresenta boa resistência tanto em meios oxidantes, quanto em meios redutores e pode trabalhar a

altas temperaturas, sendo muito utilizada em partes de fornos industriais e equipamentos para

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tratamentos térmicos [2]. A Incolloy 800 possui boa resistência à oxidação a temperaturas elevadas [1].

O sistema Ni-Cr-Fe-Mo-Cu é a composição básica da categoria das ligas complexas. Essas

ligas apresentam boa resistência à corrosão e são geralmente usadas em aplicações envolvendo ácidos

sulfúrico ou fosfórico.

As superligas foram especialmente desenvolvidas para resistirem à fluência, a qual está

relacionada com mecanismos difusionais e o movimento termicamente ativado das discordâncias

através da rede cristalina. Desta forma, para uma alta resistência à fluência é necessária uma matriz

que possua um alto valor de módulo de elasticidade e uma baixa taxa de difusão a temperaturas

elevadas. Em geral, quanto maior o ponto de fusão do material, maior sua dureza, e quanto maior o

tamanho de grão maior é sua resistência á fluência, pois grãos menores permitem maior

escorregamento dos contornos de grão, que resultam em maiores taxas de fluência.

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A Figura 1 apresenta os elementos típicos encontrados nas superligas de Níquel [2]. Esses

elementos fortalecem a matriz dependendo da diferença de tamanho do níquel e do soluto com a

finalidade de conter o movimento das discordâncias [3].

Figura 1. Elementos típicos encontrados nas superligas de Níquel [2].

A adição de Carbono faz com que precipitem carbetos na matriz, contendo W, Cr, Mo e Fe, os

quais são benéficos quando dispersos em pequenas quantidades, porém podem levar a fragilidade se

excessivamente precipitados nos contornos de grão.

A resistência mecânica das ligas de Níquel também pode ser aumentada pela precipitação do

composto intermetálico Ni3(AlTi), γ', o qual possui estrutura cristalina CFC, permitindo sua

precipitação de forma coerente com a matriz e fornecendo estabilidade a altas temperaturas por

dificultar o movimento das discordâncias. Entre as superligas podem ser destacadas: Waspaloy,

Astroloy e a classe Nimonic. As superligas têm grande aplicação na produção de componentes de

turbinas à gás e na indústria aeronáutica. A Nimonic 75 é bastante utilizada em componentes de

turbinas a gás [2].

Algumas ligas Monel podem-se apresentar fundidas e conter de 1,5 a 4% de Si para melhorar

a resistência mecânica e fundibilidade. Algumas ligas da série Hastelloy também são indicadas para a

fundição.

As propriedades mecânicas das ligas dependem das condições de fundição e dos tratamentos

térmicos aplicados, além de suas composições.

Técnicas de processamento avançadas têm sido utilizadas para melhorar a resistência a

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fluência dessas ligas. Entre essas técnicas pode ser citada a solidificação direcional, a qual produz

grãos altamente alongados ou componentes monocristalinos (Figura 2) [4].

Figura 2. Desenvolvimento de palheta de turbina [4].

As superligas de níquel possuem ótima resistência mecânica em uma grande faixa de

temperaturas. A estrutura cristalina CFC da matriz austenítica dessas ligas apresenta grande

capacidade de manter resistência à tração, à ruptura e boas propriedades de fluência em temperaturas

muito mais altas do que as ligas com matriz CCC. A grande solubilidade de muitos elementos de liga

na matriz austenítica e a capacidade de controle da precipitação de fases intermetálicas como γ’

conferem alta resistência mecânica a estas ligas. Também podem ser endurecidas pela formação de

carbetos e por solução sólida. Essa capacidade de endurecimento as torna adequadas para aplicações

em turbinas de jato e motores de foguetes, as quais exigem alta resistência mecânica e alta

temperatura. A maioria das superligas também apresenta boa ductilidade nas condições de serviço e,

em geral, as superligas apresentam boa resistência ao impacto e à fadiga [5].

A densidade da maioria das superligas de níquel está entre 7,79 e 9,32 g/cm3. Sendo essa

propriedade importante, pois a redução da densidade do componente de turbina de jato conduz a um

aumento das tensões centrífugas, reduzindo sua vida útil.

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A condutividade térmica do níquel puro é da ordem de 0,089 (W/mm2)/(ºC/mm), porém a

condutividade térmica das superligas é da ordem de 10 % desses valores, devido à adição de muitos

elementos de liga. Superligas com maior condutividade térmica seriam mais adequadas, pois

aumentariam a dissipação do calor e minimizariam gradientes de temperatura, reduzindo as tensões

térmicas e a tendência da falha por fadiga térmica.

A expansão térmica nas superligas de níquel é menor do que nas ligas ferrosas austeníticas,

sendo este fator importante para aplicações em turbinas de jatos, pois esses componentes possuem

estreitas tolerâncias dimensionais, além de um baixo coeficiente de expansão térmica contribuir para

minimizar as tensões térmicas, minimizando assim a ocorrência de empenamento e fadiga térmica [5].

Aplicações

A Tabela 1 apresenta algumas aplicações típicas do Níquel e suas ligas.

Tabela 1. Aplicações típicas do Níquel e suas ligas [1].

Metal/Liga

Aplicações

Níquel

Equipamento de processamento de produtos alimentares e de substâncias cáusticas;

componentes de dispositivos eletrônicos.

Equipamento de processamento de produtos de petróleo e petroquímicos; aquecedores de

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água e trocadores de calor; componentes que entram em contato com a atmosfera e água

do mar; válvulas, bombas, parafusos, hélices e fixadores.

Equipamento de processamento químico; equipamento de tratamento térmico; trocadores

de calor, componentes de fornos; componentes de turbinas a gás; componentes de

dispositivos eletrônicos.

Equipamento de processamento químico; componentes de fornos.

Componentes de turbinas a gás e de motores aeronáuticos; equipamento de processamento

químico.

Ligas de Ni-Cu

Ligas de Ni-Cr

Ligas de Ni-Cr-Fe

Ligas de Ni-Mo

Os aviões modernos tais como o Airbus A380 são compostos de materiais de alta resistência,

dentre os quais estão ligas e superligas de Titânio e as superligas a base de Níquel, Cobalto e Ferro

(Inconel 718, Hastelloy, Waspaloy).

A turbina é um motor que movimenta o avião através do deslocamento da massa do ar,

sugando o ar da atmosfera e, após a combustão, expulsando os gases a uma alta velocidade, o que gera

a aceleração da aeronave [6].

Na região de baixa temperatura da turbina (região Azul, Figura 3a) ocorre a entrada do ar,

sendo o Titânio e suas ligas utilizados para a fabricação dos componentes desta parte da turbina. Na

região de alta temperatura (região Vermelha, Figura 3a) ocorre a saída dos gases em altas velocidades

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e temperaturas elevadas, sendo o Níquel e suas ligas utilizados para fabricação dos componentes desta

parte da turbina.

O titânio e suas ligas tendem a perder resistência mecânica a altas temperaturas (Figura 3b),

enquanto o níquel preserva esta característica [6].

(a)

(b)

Figura 3. (a) Região de baixa temperatura (azul) e região de alta temperatura (vermelho) em uma turbina e (b)

Gráfico tensão x deformação para alguns tipos de materiais [6].

Além das turbinas de jatos de avião, as superligas de níquel encontram aplicações variadas em

altas temperaturas, como em motores de foguetes e veículos espaciais em geral, reatores nucleares,

submarinos, usinas termoelétricas, equipamento petroquímico, por exemplo.

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Referências Bibliográficas

[1] Bresciani Filho, E.; Seleção de Metais não ferrosos; Editora da Unicamp; 2a Edição; 1997; pg.

89-99.

[2] Meethan, G. W e Van De Voorde, M. H.; Materials for High Temperature Engineering

Applications, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2000, pg 68-82.

[3] Mankins,W.L., Lamb,S., Nickel and Nickel Alloys, ASM Handbook vol2., 9th edition, pg 428445.

[4] CALLISTER, W.D. Jr. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 7ª. ed. São

Paulo:ITC, 2008, pg 177-178.

[5] http://www.icz.org.br/niquel-superligas.php

[6] http://usinagemsemsegredos.blogspot.com/2009_11_01_archive.html

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