Aprsentação- Ligas Refratárias (2)

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Universidade Federal de São Paulo
Instituto de Ciência e Tecnologia 
Bacharelado em Ciência e Tecnologia 
LIGAS METÁLICAS REFRATÁRIAS
Lucas Carvalho
Tiago Cruz Machado
Michelle Santos
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01 de junho 2015 São José dos Campos- SP
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LIGAS
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CONTEXTUALIZAÇÃO E MOTIVAÇÃO
o Material sujeito a levadas tensões e temperatura por um longo 
período de tempo (Propriedades adequadas).
o Superliga- desenvolvidas para aplicações, em altas temperaturas 
(acima de 650ºC), que requerem:
↑ Desempenho;
↑ Resistência mecânica;
↑ Resistência à corrosão.
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“Uma superliga é uma liga desenvolvida para uso em 
elevadas temperaturas de serviço, onde existe elevado 
esforço mecânico e onde elevada estabilidade de superfície 
é frequentemente requerida”
SUPERLIGA
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o Aproximadamente 950°C 
o Sem solicitação mecânica: 1200°C 
ACIMA: Considera-se outros materiais (cerâmicas, compostos 
intermetálicos, metais e ligas refratarias) 
Aplicações estruturais da tecnologia de superligas
LIGAS DE ALTA TEMPERATURA
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SUPERLIGAS
De forma geral são constituídas: 
Uma matriz de estrutura CFC (ɣ) e fases secundárias. 
•Fases secundárias: Carbonetos, ɣ’ (estrutura cristalina 
ordenada (CFC) – tipo A3B – Exemplo: tipicamente Ni3(Al,Ti) -
ocorre em ligas a base de níquel e Fe-Ni.) 
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LIGAS DE ALTA TEMPERATURA
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Características 
o A temperatura de trabalho chega a 85% do valor da temperatura de 
fusão ( 0,85Tf). 
o Mecanismos responsáveis pelas propriedades mecânicas das 
superligas:
•Endurecimento por precipitação; 
•Endurecimento por solução solida. 
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LIGAS DE ALTA TEMPERATURA
 Superligas de Níquel (Ni) 
o Estrutura cristalina CFC de matriz austenítica;
o Excelente resistência mecânicas em amplo 
intervalo de temperatura; 
o Excelente módulo de elasticidade.
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LIGAS DE ALTA TEMPERATURA
 Superligas de Ferro (Fe)
o normalmente são utilizados Fe austenítico
Características do Ferro:
oMaleável, duro e tenaz 
oPonto de fusão: 1535 C
oSuscetível à corrosão 
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LIGAS DE ALTA TEMPERATURA
 Superligas de Cobalto
As ligas de cobalto não são tão aplicadas em altas temperaturas como
as ligas de Ni e Fe, entretanto, devido a sua alta resistência a
sulfuração ela é muito utilizadas em turbinas que operam à
temperaturas mais baixa .
Fatores determinantes das propriedades das superligas de 
cobalto: 
oDureza cristalográfica do Cobalto
oElevada temperatura de recristalização
oBaixa energia de falhas de empilhamento 
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LIGAS REFRATÁRIAS
Propriedade de Metais Refratários
• Representação na 
tabela periódica (exceto 
carbono).
• Energia de 
Coesão(desemparelhad
os e orbitais)
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METAIS REFRATÁRIOS
Nióbio
• Resistência Mecânica (200- 300Mpa)
• Possui Boa Resistência ate 1650ºC
• Resistência Química 100ºC
• Alta condutividade
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Produção Mundial
• Reservas no Brasil (90%)(Araxá 
– MG), Amazonas (Município 
de São Gabriel da Cachoeira) e 
Goiás (Municípios de Catalão e 
Ouvidor)
• Não a politica para assegurar o 
valor o Nióbio.
• Pouco Estudo Científico 
Brasileiro.
“NIÓBIO, que é vendido a US$ 90, segundo a 
Bolsa de Metais de Londres. Ou seja, num 
equipamento de milhões de US$ se gasta poucos 
dólares com um mineral, sendo qual a turbina 
não poderia ser viabilizada.”
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Processo de Fabricação
• Minério Pirocloro: 
[(Na,Ca)2 (Nb,Ti)2 (O,F)7 - 47 – 70% Nb2 O5 0,2 – 2%TaO5]
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Moagem a Úmida
Moagem úmida
Reduzir o tamanho do minério a partículas muito pequenas, e assim 
liberando os cristais de Pirocloro.
Separação Magnética
Eliminar parte o minério a magnetita .
Deslame
Processo retira o grãos menor que 0,005mm.
Flutuação 
Fornece ao meio reagentes químicos que tornará o minério concentrado de 
Pirocloro, que serão retirados pela injeção de ar. Isso nos dará um 
concentrado com 60% de Pentóxido de Nióbio(Nb2 O5)
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Processo de Fabricação
• Tratamento aquoso elimina impurezas, 
restando ( ferro, Manganês e Titânio).
• Digestão de HCl eliminando Ferro e manganês 
• Eliminação do Tântalo por eletrólise 
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Processamento de Fabricação
• Continuidade do 
processo dependera da 
percentagem de 
Tântalo presente, 
tolerância desejada.
• Cristalização Fracionada 
com HF
• Fator restritivo 
Impurezas.
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Aplicações de ligas de Nióbio
Liga 
Composiç
ão
Densidade(g/
cm³)
Ponto de 
Fusão(°C) Aplicação
Nb Puro Nb 8,57 2468
Empregado em 
ligas 
metálicas(Aço).
C 103
Nb-10Hf-
1Ti 8,85 2350
Sistema de 
Propulsão de 
foguetes e 
partes de 
turbinas
Nb-55Ti Nb-55Ti
Arrebites para 
Aeronáutica 
Nb-1Zr 8,57 2410
Reatores 
Nucleares
Liga Fe-Cr-
Ni 1398-1454
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Tântalo
• Alto ponto de Fusão
• Resistência a Corrosão
• Propriedade 
Elétrica(Dielétricos)
• Densidade Alta
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Mercado
• O brasil detém a maior 
reserva de Tântalo em 
Minas Gerais, por volta 
de 67% da produção 
mundial 
• Estoques estratégicos 
dos Estados Unidos Lig
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Tântalo- Aplicação 
• Lamina de Turbinas
• Sob a forma de metal, é empregado, por 
exemplo, na manufatura de lâminas de 
turbinas à jato, peças de mísseis e reatores 
nucleares, face à sua capacidade de manter 
sua integridade estrutural quando submetido 
à altas temperaturas.
• Metal estratégico para indústria eletrônica ( 
Dielétricos)
Usado em capacitores que terá aplicação em 
celulares, notebook e pages
• Usado em Airbags
Como o processor de acionamento do 
Airbags tem que ser muito rápido o tântalo e 
usado.
• Alta resistência à intrusão Química
Usado e instrumentos hospitalares e 
odontológico 
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Processo de Produção
• Mineral Tantalita ( (Fe, Mn) Ta2O6]
• Separação do Tântalo dos outros metais 
através de Acido sulfúrico e hidrofluórico em 
temperatura elevadas, assim dissolvendo os 
Tântalo.
• A filtração dos dejetos é posteriormente 
feita através de metil isobutil cetona, isso 
trará um elemento extremamente puro.
• Soluções de Tântalo serão convertidas em 
fluretos de tântalo e de potássio(K2TaF7) e 
oxido de tântalo (Ta2O5).
• O metal empó de tântalo , e produzido 
pela redução de sódio do flureto de 
tântalo e de potássio em um sistema de 
sal fundido em alta temperatura.
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Ligas de Tântalo
• 90Ta-10W.
• 97.5Ta-2.5W.
• 60Ta-40Cb.
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Liga (Ta-W 2,5%)
Parafusos e arruelas para 
altas temperaturas, 
podendo ser usado em 
quase todos os meios(Alta 
temperatura e meios 
corrosivos)
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Liga (90Ta-10W)
• Liga (90Ta-10W)
Usado na indústria 
aeroespacial para válvulas 
de gás quente, saias 
motor de foguete.
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MOLIBDÊNIO
Características Gerais
Z = 42ºC Tf = 2610ºC d = 10,22g/cm³ E = 324 GPa CCC
Principais países: China, EUA, Chile e Canadá
MOLIBDÊNIO
Possui alto módulo de elasticidade específico (E/p) 
Aplicações que requerem alta rigidez e baixo peso
Alta condutividade térmica, baixo calor específico e coeficiente de expansão térmica
=> Resistência ao choque térmico e fadiga
(Aplicações em microeletrônicos)
É o metal refratário mais utilizado anualmente, contudo, 
esse uso é majoritariamente como elemento de liga (ferro, aços e superligas)
MOLIBDÊNIO
Estrutura CCC => TTDC
Assim como os demais metais do grupo VIA, à temperatura ambiente, é frágil.
Demanda cuidados especiais durante o processamento para evitar essa fragilidade.
MOLIBDÊNIO
LIGAS DE MOLIBDÊNIO
Reforçados por carbonetos
Formação de carbonetos metálicos, que reforçam e aumentam a temperatura de recristalização.
MOLIBDÊNIO
Reforçadas por carbonetos
TZM
Apresenta resistência muito superior a do Mo puro em temperaturas acima de 1300ºC
Apresenta temperatura de recristalização cerca de 250ºC acima do Mo puro => soldabilidade
Grão fino com a formação de TiC e ZrC nos limites dos grãos 
=> inibem o crescimento e a falha do metal na base do metal base nos limites dos grãos
MOLIBDÊNIO
Reforçados por carbonetos
TZM
Custo: 25% > Mo puro
Aplicações: tubeiras (bocal) de foguetes, componentes estruturais, 
fornos e matrizes de forjamento (ex. Ligas a bse de Ni)
MOLIBDÊNIO
Reforçados por carbonetos
Outras aplicações das ligas dessa classe: moldes para o processamento de vidros,
escudos de radiação, dispositivos eletrônicos de comando na aviação
MOLIBDÊNIO
MOLIBDÊNIO
Outras classes de ligas de Mo
Reforçadas por solução sólida: conta com a adição de elementos em solução sólida que inibem a difusão
Ótima resistência química => utilização no processamento do Zn fundido
São baratas e alternativas de baixo peso para as ligas de W. Exemplos: Mo-5Re, Mo-41Re
Re aumenta a resistência em alta temperatura e melhora a ductibilidade em baixa temperatura
Aplicações estruturais no mercado aeroespacial
MOLIBDÊNIO
Outras classes de ligas de Mo
Reforçadas por dispersão: processamento que gera finas dispersões como segunda fase
Essa dispersão estabiliza a estrutura fundida e previne a recristalização.
Geralmente possuam boa resistência à fluência
Exemplos: Z-6 (Mo com ZrO)
MH (Mo K Si)
KW (Mo K Si)
MOLIBDÊNIO
Outras classes de ligas de Mo
Ligas de combinação: combinação entre ligas reforçadas por carbonetos e 
reforçadas por solução sólida
Ligas PM reforçadas por dispersão: conta com partículas como segunda fase introduzidas 
durante o processamento do pó
Aumenta a resistência à recristalização e estabiliza a estrutura de grão recristalizada.
TUNGSTÊNIO
Características Gerais
Z = 74 Tf = 3410ºC d = 19,26g/cm³ E = 414GPa CCC
Metal estrutural com maior temperatura de fusão, maior densidade e dureza
Aplicações: variadas como em filamentos de lâmpadas, ferramentas de corte de metais duros, 
elemento de liga em aços e superligas, além de aplicação no setor aeroespacial
TUNGSTÊNIO
TUNGSTÊNIO
W não-liga
Aumento da deformação eleva a resistência e a ductilidade, 
diminuindo a TTDF (discordâncias móveis)
Estruturas recristalizadas apresentam ductilidade pobre e falha por fratura intergranular
Refino do grão para melhorar a resistência e ductilidade
TUNGSTÊNIO
Ligas de W com solução sólida
Adição de Mo ou Re
Mo reduz a densidade e refina o tamanho do grão em ligas moldadas(cast alloys). 
Reduz a Tf => processamento
O Re melhora a ductilidade, resistência ao choque térmico e fadiga.
Ligas W-Re são aplicadas em componentes de s
istemas de propulsão e em ânodos para tubos de raio-X.
TUNGSTÊNIO
Reforçadas por dispersão
A mais comum é com dispersão de óxido de tório (ThO2)
Diminui a perda de W por evaporação na temperatura de operação, 
inibe a recristalização e o crescimento do grão em altas temperaturas.
Muito utilizada no filamento de lâmpadas.
TUNGSTÊNIO
Ligas de W pesadas
Materiais sinterizados na fase líquida, onde partículas de W
são encaixadas numa matriz de um metal de transição.
Aplicação: escudos de radiação e em proteções contra 
penetradores de energia cinética (kinetic-energy penetrator)
REFERÊNCIAS
<http://elmaxilab.com/definicao-abc/letra-m/metais-refratarios.php> Data de acesso: 29/05/2015
<http://www.steelforge.com/literature/ferrousnon-ferrous-materials-textbook/
non-ferrous-metals/refractory-metals/> Data de acesso: 29/05/2015
<http://metals.about.com/od/properties/a/Refractory-Metals.htm> Data de acesso: 29/05/2015
<http://www.titanium-zirconium-molybdenum.com/index.html> Data de acesso: 29/05/2015
<http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=9534> Data de acesso: 29/05/2015
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