Trabalho CTM - Discos de freios com nióbio

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ESAMC
Santos
Álvaro Galiotti Seravalli
Diego Luiz da Silva 
Gustavo Siqueira Nunes
Jonathan Willian Gama da Silva
 Jorge Vinícius Bruscalin
Melhoria das propriedades mecânicas dos discos de freios através da inserção de nióbio nas ligas de aços cinzentos
SANTOS
2020
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO	3
O ELEMENTO NIÓBIO	4
APLICAÇÃO DO NIÓBIO	4
NIÓBIO NOS DISCOS DE FREIO	5
MENOR CONSUMO DE CO2 NA PRODUÇÃO	6
CONCLUSÃO	7
REFERÊNCIAS	8
INTRODUÇÃO
Diante do desenvolvimento de diversas tecnologias, nota-se que o foco dos estudos atuais cerca como objetivo a otimização dos materiais e instrumentos, além de visarem diminuição de poluição ao meio ambiente, tendo como desafio inovar a forma de criação atual.
Mediante o exposto, temos conhecido os discos de freios que são utilizados há tempos nos veículos e que trouxeram benefícios à sua agregação nos automotores, tendo como material constituinte ligas de ferro fundido e cerâmicos desde a substituição dos freios à tambores. Apesar da evolução e benefícios continuam apresentando valores altos para fabricação, manutenção e agregam peso significativo aos automotores. 
Para promover melhora tecnológica dos discos de freio começou-se a introduzir o elemento nióbio ligas de ferro fundido, sendo este capaz de transformar totalmente, com poucos miligramas, os tambores e discos de freios, provocando a partir do seu uso maior leveza e resistência, além de auxiliar na empregabilidade de menores quantidades de uso do aço. 
Outro ponto relevante para incitação do uso do nióbio é a questão ambiental, uma vez que, vem sendo empregado como material substituto dos materiais cancerígenos utilizados nas baterias dos carros elétricos e híbridos. 
Desta forma este trabalho visa compreender tanto as melhorias quanto a importância do uso do elemento nióbio na fabricação de discos de freios. 
O ELEMENTO NIÓBIO
O Nióbio é um metal de transição encontrado na natureza no seu estado sólido. Os minerais que contêm nióbio são raros no mundo, porém abundantes no Brasil. Na natureza, é encontrado ligado a outros elementos químicos, principalmente ao tântalo. Outros minerais com alto teor de nióbio são:
Columbita-tantalita (Fe,Mn)(Nb,Ta)2O6, Com 76% de Nb2O5
Piroclorita (Na2,Ca)2(Nb,Ti)(O,F)7, Com 71% de Nb2O5
Este elemento é um metal refratário, sólido, dúctil e maleável, com alta condutividade e resistente a corrosão, essas características permitem que ele seja empregado em diferente tipo de segmentos indústrias, principalmente em componentes designados a sofrer grande solicitações mecânicas.
O nióbio contém grande capacidade de alteração quando relacionados a outros metais e ligas como ferro fundido e aço, desta forma ele se torna viável em processos de dopagens.
APLICAÇÃO DO NIÓBIO 
O uso do nióbio junto ao ferro fundido, traz muitas vantagens para diversas aplicações, pois essa fusão torna o ferro mais resistente, aumentando sua durabilidade, e se torna ainda mais benéfico quando ocorre uma adição mínima de ferro-nióbio, ordem de 0,05% já é capaz de tornar o aço mecanicamente mais resistente, sem reduzir sua tenacidade. Praticamente todo elemento elétrico ou composto de ferro fundido e aço, se torna melhor com um pouco de nióbio.
Por ser um excelente condutor, pode ser muito bem aproveitado na área de eletricidade na fabricação de baterias, por ter alta capacidade volumétrica, além de poder ser aplicado como supercapacitores híbridos, por ter grande estabilidade térmica pode ser utilizado em diversas áreas de energia. O ponto mais relevante, é que no Brasil, se concentra 98% da reserva global, onde grande parte dessas reservas ainda não são exploradas.
Em contrapartida, o mercado de nióbio ainda é pequeno, e os investimentos para exploração desse elemento é muito alto, apesar de suas diversas aplicações na construção civil, baterias de automóveis, vidros inteligentes que mudam de cor para controlar a passagem de luz, e em siderúrgicas.
Acontece que outros materiais como o titânio e o vanádio, cumprem basicamente as mesmas funções do nióbio, e estão presentes em países como Rússia, África do Sul, Índia, Canadá, Nova Zelândia, Japão e China. Logo, na maioria das vezes se torna mais vantajoso esses países extraírem o material em seu próprio solo, do que depender de um material quase exclusivo do Brasil.
Em alguns outros casos, o nióbio pode ser substituído por tungstênio, tântalo ou molibdênio.
NIÓBIO NOS DISCOS DE FREIO
Discos de freios de veículos sofrem enorme degradação com temperaturas altas por conta do nível de utilização, falhas por conta deste desgaste podem ocorrer normalmente. A composição de um disco de freio comum tem como base o ferro fundido com adição de carbono, que faz com que os materiais suportem mais o atrito dos componentes em uso. Desenvolve também uma maciez na absorção das energias vibratórias.
Esta adição de carbono transforma nas características de grafite que torna o disco de freio uma boa condução térmica, mas como consequência desta liga, provoca um material mais suscetível a degradações por desgaste diminuindo a vida útil do produto e consequentemente a sua competitividade no mercado. 
Com a adição do Nióbio nos freios se obtém melhorias nas propriedades mecânicas do material, deixando o material mais dúctil e resistente aos desgastes do ferro fundido, além de melhorar na degradação de temperaturas.
Segundo os estudos de Hetch elaborados em parceria com a CBMM, a adição de ligas de ferro fundido macroligados com adições de 0,01 a 0,05% de Nióbio, é capaz de obter flocos menores e uma melhora na fase austenítica da liga permitindo que o material apesar de ser enrijecido, tenha boa condução térmica e resistência maior ao desgaste, e ainda menor peso no produto final.
De maneira resumida através do refinamento da estrutura, a adição de NB em ferro fundido reduzirá as dimensões das células eutéticas, espaçamento da perlita e o comprimento de flocos de grafite. O incremento de gera resistência equivalente a uma grande quantidade de carbono que seria necessário adicionar.
MENOR CONSUMO DE CO2 NA PRODUÇÃO 
Tal como comentado acima o nióbio oferece melhorias em ligas de ferro fundido e aço o que permite melhor durabilidade dos discos de freios principalmente em veículo com maior potência ou com uso severo, por exemplo, transporte público.
A pequena adição de nióbio não é apenas responsável por melhorias nas propriedades cristalinas e mecânicas do material, este elemento reduz a quantidade necessária do uso de aço, ferro fundido, ou seja, ele representa diretamente em uma economia de matéria prima, esta, no caso vertente segundo os estudos publicados pela CBMM o uso de nióbio no aço irá reduzir 15% no volume de aço usado pelas industriais, o que pode ser com 7 ou 20 vezes menos emissões de CO2 para o ambiente, contribuindo para um processo de manufatura mais otimizado e sustentável.
CONCLUSÃO
O Nióbio é um elemento considerado raro, porém sua reserva é concentrada é estimada em mais de 98% pertencente ao território brasileiro, permitindo grande potencial de exploração e importação. Em produções automotivas o nióbio pode ser empregado em diversos componentes, e principalmente no sistema de frenagem de veículos, sua fabricação necessita apenas pouquíssima impregnação, estimados em até 0,05% na composição de ferro fundido para transformar as propriedades mecânicas. 
O refinamento do ferro fundido com nióbio permite que sua estrutura atenda os requisitos de projeto usando menores quantidades de aço, consequentemente uma redução significativa nas emissões de CO2 em sua fabricação. 
Apesar de ser um material mais caro, que os outros, este elemento poderá ser barateado de acordo com sua utilização, esta inovação permite maiores gamas de aplicação do Nb, resultando em maiores investimentos para extração mais otimizada, o que provoca uma diminuição no custo de trabalhar com este tipo de componente.
Portanto materiais de ligas de ferro fundido com Nb são mais compactos estruturalmente, agregando menor peso ao produto final, com as mesmas propriedadesmecânicas exigidas pelos fabricantes, tornando um produto altamente viável.
REFERÊNCIAS