Aço silicio - GNO

Prévia do material em texto

Prof. Luiz Cláudio Cândido
AÇOS ESPECIAIS – I 
(MET 410)
AÇOS “ELÉTRICOS” (Siliciosos) - GNO
candido@em.ufop.br
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO
Universidade Federal de Ouro Preto
Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Grupo de Estudo Sobre Fratura de Materiais
Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: demet@em.ufop.br
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO
Universidade Federal de Ouro Preto
Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Grupo de Estudo Sobre Fratura de Materiais
Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: demet@em.ufop.br
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO
Universidade Federal de Ouro Preto
Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Grupo de Estudo Sobre Fratura de Materiais
Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: demet@em.ufop.br
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO
Universidade Federal de Ouro Preto
Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Grupo de Estudo Sobre Fratura de Materiais
Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: demet@em.ufop.br
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO
Universidade Federal de Ouro Preto
Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Grupo de Estudo Sobre Fratura de Materiais
Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: demet@em.ufop.br
AÇOS SILICIOSOS GNO
• Aços elétricos:
São materiais magneticamente macios usados na geração, transmissão e utilização
da energia elétrica.
• Importância:
- Inúmeras aplicações: Desde pequenos motores e transformadores até grandes
hidrogeradores
- Ajudam na conservação da energia.
Nota 1: Magneticamente macio significa material com baixa força coerciva (Hc < 0,3 A/m)
Nota 2: Seria possível economizar pelo menos a energia de uma Itaipú trabalhando na
melhoria dos aços que compõem os núcleos dos aparelhos elétricos (geração,
transmissão e utilização).
AÇOS SILICIOSOS GNO
Classificação dos aços elétricos:
- aços baixo carbono;
- aços siliciosos de grão orientado – GO;
- aços siliciosos de grão não orientado - GNO.
Nota 1: Aços baixo carbono são ligas normalmente com teores de silício inferiores a 1,0%,
laminados a frio para espessuras até 0,50mm e utilizados normalmente em
aplicações cuja máquina tem funcionamento intermitente e pouco duradouro.
Nota 2: Aços siliciosos de grão orientado (GO) são ligas com aproximadamente 3,2%Si que
apresentam uma textura bastante pronunciada, com a direção [100] paralela à
direção de laminação e o plano (110) paralelo à superfície da chapa. Esta
característica torna-o adequado para compor núcleos de transformadores, onde a
direção do fluxo magnético coincide com a direção de laminação.
Nota 3: Aços siliciosos de grão não orientado (GNO) são ligas com 1,0% a 3,5%Si e 0,10% a
1,2%Al caracterizadas por uma textura não muito pronunciada, uma baixa anisotropia
planar o que torna-os adequados para compor núcleos de máquinas cujo campo
magnético muda de direção, sentido e magnitude ao longo do tempo.
AÇOS SILICIOSOS GNO
- Aços semiprocessados: requerem um tratamento no usuário para desenvolvimento
estrutural e químico.
- Aços totalmente processados: podem ser utilizados sem a necessidade de um tratamento
no usuário. Possuem estrutura e composição química desenvolvidas. São os aços
fabricados pela Companhia ArcelorMittal Inox do Brasil (Antiga: Acesita).
Nota 1: Os aços GNO semiprocessados são fornecidos com uma deformação dada por um “skin
pass” (passe de encruamento), e com um teor de carbono elevado. O tratamento
realizado pelo usuário objetiva o crescimento de grão e a redução do teor de carbono.
Nota 2: Os aços GNO totalmente processados são fornecidos com um tamanho de grão adequado
e o teor de carbono abaixo de 30ppm, o que garante seu não envelhecimento magnético.
Isto elimina a necessidade do tratamento térmico pelo usuário, no entanto, em peças
pequenas onde a estampagem introduz muita tensão/deformação, um tratamento de
alívio de tensões é necessário para restaurar as propriedades magnéticas.
AÇOS SILICIOSOS GNO
Classificação dos aços GNO:
• Os aços GNO são classificados de acordo com a perda magnética apresentada em
condições de ensaios padronizados: 1,0 e 1,5T; e 50 e 60Hz;
• A permeabilidade ou indução magnética para uma dada condição de ensaio também é uma
propriedade especificada pelos usuários.
AÇOS SILICIOSOS GNO
Aço W10/50
(W/kg)
B50
(T)
Aplicação
E230 2,30 1,69 Compressores herméticos, peq. e médios motores,
reatores e transformadores.
E185 1,85 Compressores herméticos, peq. e médios motores,
reatores e transformadores.
E170 1,70 1,63 Transformadores, peq. médios e grandes motores e
reatores.
E157 1,57 Hidrogeradores, transformadores, grandes motores e
medidores
E145 1,45 Hidrogeradores, transformadores, grandes motores e
medidores
E137 1,37 Hidrogeradores, grandes motores e medidores
E125 1,25 Hidrogeradores, grandes motores e reatores de potência,
E115 1,15 Hidrogeradores, grandes motores e reatores de potência,
E110 1,10 Hidrogeradores, grandes motores e reatores de potência,
E105 1,05 Hidrogeradores, grandes motores e reatores de potência,
E100 1,00 Hidrogeradores, grandes motores e reatores de potência,
AÇOS SILICIOSOS GNO
Efeito dos parâmetros nas propriedades magnéticas:
• Efeito benéfico do Si e Al:
- aumentar a resistividade, diminuir perda por correntes parasitas;
- aumentar permeabilidade a baixa indução.
• Efeito colateral:
- Diminui a indução de saturação;
- Aumenta a fragilidade dificultando o processo de laminação a frio.
Nota 1: O silício e o alumínio entram em solução sólida causando uma distorção da rede cristalina
o que provoca um aumento na resistividade do material. O aumento da resistividade
dificulta a passagem de corrente inibindo a circulação de correntes parasitas e daí
provocando redução nas perdas.
Nota 2: A adição de silício aumenta a temperatura de transição dútil-frágil do aço e normalmente
nas temperaturas de processo a frio as fraturas são frágeis e catastróficas, provocando
perda de rendimento e diminuição da produtividade. Existem processos onde se processa
o material a morno acima da temperatura de transição para viabilizar a operação.
AÇOS SILICIOSOS GNO
Efeito dos elementos residuais (Ti, O, N, C e S)
- Direto: Na forma de partículas de segunda fase interferem com a movimentação das
paredes dos domínios provocando um aumento nas perdas por histerese.
Elementos intersticiais (C, N) podem causar envelhecimento magnético.
- Indireto: Na forma de partículas de segunda fase inibem o crescimento de grão durante o
processo de manufatura.
- Aços GNO são produzidos com níveis de residuais muito baixos para assegurar
crescimento de grão rápido e baixo nível de partículas no produto final.
Nota: Partículas de segunda fase inibem o crescimento de grão de acordo com sua natureza e
distribuição de tamanho. Partículas mais finas e distribuídas terão maior ação inibidora,
como o caso de sulfetos. A operação de refino dos aços requer obrigatoriamente uma
dessulfuração a qual é feita introduzindo compostos de Ca no banho. A inibição pode
também ser reduzida pelo aumento do tamanho médio das inclusões através da adição de
”aglomerantes”, mas esta prática pode causar problemas de lingotamento do aço.
AÇOS SILICIOSOS GNO - Temperatura de transição dúctil/frágil
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 20 40 60 80 10
0
12
0
14
0
Temperatura °C
Fr
aç
ão
 n
ão
 ro
m
pi
da
 (e
m
 5
)
P930 P932 P933-3.2Si P933-3.5Si
BQ
Nota: A figura refere-se a mudança de comportamento dúctil-frágil para quatro aços siliciosos com diferentes
teores de silício e alumínio. Esta mudança é avaliada por um ensaio de dobramento sobre um cutelo,
medindo a fração de corpos-de-prova na forma de chapa não rompidos durante o ensaio em cada
temperatura. À medida que o teor de liga aumenta a temperatura de transição aumenta e a laminação a
frio do material torna-se mais difícil. O processo a morno, acima da temperatura de transição é
recomendado para evitar rupturase garantir rendimento físico aceitável.
P930: 2,8%Si + 0,45%Al; P932: 3,2%Si + 0,60%Al; P933: 3,2%Si + 1,1%Al; P933-3.5: 3,5%Si + 1,1%Al
AÇOS SILICIOSOS GNO
Envelhecimento magnético
O envelhecimento magnético é caracterizado por uma degradação das propriedades
magnéticas do aço com o tempo de serviço na máquina elétrica.
Nota: O envelhecimento magnético ocorre quando a liga produzida retém em solução sólida
elementos, como por exemplo carbono, em quantidade maior que seu limite de solubilidade.
Quando a máquina entra em serviço, a elevação da temperatura decorrente pode causar a
precipitação da quantidade em excesso e daí esta segunda fase provoca interferência com
o movimento das paredes de domínios aumentando a perda por histerese e diminuição da
permeabilidade. O nível de degradação das propriedades é função das condições de
produção do aço, do nível de supersaturação da liga e das condições que provocaram a
precipitação posterior. Quanto maior a quantidade além do limite de solubilidade maior a
degradação. Existe também um tamanho de partícula correspondente a uma degradação
máxima.
Os aços totalmente processados são produzidos com teor de carbono abaixo do limite de
solubilidade. Para isto, em processos mais evoluídos as ligas são produzidas já na aciaria
com carbono abaixo de 30ppm. Caso contrário a tira sofre um processo de
descarbonetação para levar o C até abaixo de 30ppm. Este processo é realizado em
atmosfera de N2 e H2 com umidade. A umidade reage com o carbono da chapa que difunde
das camadas mais internas para a superfície. É uma reação que depende de difusão e
existe uma temperatura ótima, resultante do balanço entre a mobilidade do carbono nas
fases presentes e a concorrente oxidação superficial. Sendo a oxidação uma barreira, é
importante que a descarbonetação ocorra no estágio preliminar do recozimento final.
AÇOS SILICIOSOS GNO
Nota: A figura refere-se ao percentual de envelhecimento de um aço com 2,0%Si, considerando a
perda magnética a 1,0T / 50Hz, a partir de um ensaio acelerado comumente utilizado pelos
produtores de aços.
Este ensaio consiste em manter as amostras durante 100h na temperatura de 150°C para
simular as condições em funcionamento. Se o material contém carbono em excesso este se
precipita na forma de carbonetos causando a degradação, no caso, da perda magnética.
Mede-se o percentual de acréscimo da perda em relação ao valor antes do envelhecimento.
AÇOS SILICIOSOS GNO
Efeito do tamanho de grão:
• O aumento do tamanho de grão reduz a perda magnética até o valor ótimo, a partir do
qual, sofre um acréscimo. Existe um tamanho de grão ótimo para cada teor de silício.
• O tamanho de grão ótimo tem que ser alcançado no tempo mais curto e na temperatura
mais baixa possível. Por isso, é muito importante reduzir o teor dos elementos formadores
de partículas de segunda fase que inibem o crescimento de grão.
Nota: Nos aços GNO o tamanho de grão varia de 50 a 200 m. O aumento do tamanho de
grão causa um aumento nas dimensões dos domínios magnéticos e menor quantidade
de paredes no interior dos grãos. Como conseqüência, as paredes movimentam-se com
maior facilidade resultando em menores perdas por histerese. Por outro lado, a
facilidade de movimentação das paredes gera um aumento de velocidade das mesmas,
originando aumento das perdas por correntes parasitas. Isto determina a existência de
um tamanho de grão ótimo que minimiza as perdas totais.
É muito importante que, no recozimento final, o tamanho de grão ótimo seja alcançado
numa temperatura mais baixa e num tempo mais curto possíveis para evitar os efeitos
danosos da oxidação e nitretação que tendem a aumentar com o aumento destas
variáveis, quando a atmosfera de recozimento contém nitrogênio e alguma umidade.
Para isto a liga deve ser produzida muito limpa e isenta de partículas que inibem o
crescimento de grão.
AÇOS SILICIOSOS GNO
Efeito da espessura:
• Quanto maior a espessura maior a perda por correntes parasitas;
• Espessuras típicas de 0,35 a 1,00mm.
Nota: Os aços GNO são produzidos com espessuras que variam de 0,35 a 1,00mm sendo a
mais usual 0,50mm. O controle de espessura destes materiais é bastante rigoroso.
Existem exigências bastante apertadas sobre coroamento e variação de espessura ao
longo de uma bobina e entre bobinas. Caso ocorra problemas de controle a montagem
automática dos núcleos no usuário fica praticamente inviabilizada.
AÇOS SILICIOSOS GNO
Efeito da oxidação e nitretação subsuperficiais:
• Oxidação e nitretação tem efeito de aumentar a perda por histerese;
• Ocorrem no tratamento de recozimento final na presença de nitrogênio e vapor d'água
utilizado para descarbonetar a tira (chapa).
Nota 1: A nitretação é caracterizada pelo aumento da quantidade de nitrogênio do material
cedido pela atmosfera de tratamento contendo este gás, formando uma camada
subsuperficial de precipitados de nitretos, principalmente alumínio. A nitretação ocorre
com a difusão do nitrogênio para as camadas mais internas da tira e este combina
com o alumínio presente no aço formando precipitados na forma de bastonetes. Este
é um processo que depende da temperatura, da pressão parcial de nitrogênio, do
tempo e das características físicas e químicas do material. A umidade presente na
atmosfera pode formar uma camada oxidada e daí proteger contra a nitretação que
ocorre em temperaturas superiores.
Nota 2: A oxidação interna, forma mais danosa, ocorre em condições de baixos potenciais de
oxigênio, no processo convencional com atmosfera de H2, N2 e umidade, com a
combinação do oxigênio presente na atmosfera com elementos mais ávidos como o
manganês, silício e alumínio. A morfologia e espessura da subcamada oxidada
dependem da concentração dos elementos ávidos na liga, do potencial de oxidação
da atmosfera do forno, tempo e temperatura de tratamento. O prosseguimento desta
oxidação resulta na formação de uma camada de óxido de silício e ferro chamada
faialita normalmente chamada de revestimento C-0. Tanto nitretação quanto oxidação
são danosos para as propriedades magnéticas.
AÇOS SILICIOSOS GNO
Efeito da Textura Cristalográfica:
• Os aços GNO, na maioria das vezes, são utilizados em máquinas onde o campo magnético muda de
sentido, direção e magnitude ao longo do tempo. Por isso necessitam de baixa anisotropia planar
sendo a textura mais recomendada a chamada textura cubo aleatória, onde os planos (100) são
paralelos ao plano da chapa e as direções [100] contidas no plano da chapa e distribuídas
aleatoriamente. Isto se deve à anisotropia de propriedades magnéticas apresentada pelo cristal de
ferro silício, onde as direções [100] são as de mais fácil magnetização e as direções [111] as de maior
dificuldade.
AÇOS SILICIOSOS GNO
• Apesar do termo "Grão Não Orientado" desses aços, muito se tem trabalhado para
melhorar suas propriedades magnéticas procurando o desenvolvimento de texturas
cristalográficas mais favoráveis.
• Maneiras de obtenção de textura favorável:
- Produção de material com composição química adequada;
- Laminação a quente utilizando a fase “gama”;
- Recozimento inicial;
- Laminação a frio em dois estágios.
Nota 1: Inclusões e precipitados formados por elementos residuais são pontos onde a deformação
se concentra gerando orientações na laminação diferentes de outras regiões. Na
recristalização estes pontos geram orientações com direções [111] de mais difícil
magnetização.
Nota 2: A laminação na fase gama ou gama mais alfa produz uma BQ com orientação quase
aleatória e um tamanho de grão após recozimento inicial grande. Esta estrutura é a de
partida para a laminação a frio.
Com a deformação na laminação é produzido maior número de bandas de cisalhamento.
No recozimento final estas bandas são regiões onde se desenvolvem grãos com a
orientação de Goss (110) [001] favorável ao processo de magnetização por conter a
direção [100] paralela ao plano da chapa. A presença de carbono pode aumentar a
geração de bandas. A laminação em dois estágios com um recozimento intermediárioaltera a estrutura (tamanho de grão e textura) de partida para a laminação final e
beneficia a obtenção de componentes favoráveis.
Nota: A figura mostra uma representação da orientação cristalográfica através de ODF
construída a partir de dados obtidos do EBSD. Ela mostra a presença da fibra “eta”
contendo maior intensidade na componente de “Goss” (110) [001]. Esta figura foi obtida
da estrutura final de um aço de alta permeabilidade.
AÇOS SILICIOSOS GNO
Efeito da tensão residual:
• Tensões distorcem a rede cristalina dificultando a movimentação das paredes de
domínios magnéticos o que gera aumento da perda por histerese e diminuição na
permeabilidade.
• Fontes de geração de tensões:
- presença de elementos residuais;
- resfriamento acelerado;
- manuseio;
- corte.
AÇOS SILICIOSOS GNO
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
DISTÂNCIA AO MEIO DA TIRA (mm)
J (
 T
 )
Nota: A figura mostra o efeito do corte sobre a polarização em função da distância ao centro da
peça. Ocorre uma degradação muito forte no extremo do corte que diminui a intensidade
e mantém algum efeito até 10mm.
AÇOS SILICIOSOS GNO
Revestimentos:
- Os aços GNO são produzidos com revestimentos de acordo com a aplicação;
- Revestimento C-4: a base de fosfato de ferro. Destinado a aplicações que exigem baixa isolação e
resistência ao tratamento de alívio de tensões;
- Revestimento C-6. A base de resina fenólica. Destinado a aplicações que exigem bom isolamento e
não requerem alívio de tensões;
- Revestimento C-3. A base de fosfato de ferro e resinas. Destinado a aplicações que exigem bom
isolamento e tratamento de alívio de tensões.
AÇOS SILICIOSOS GNO
Tratamento de alívio de tensões:
• Os aços totalmente processados são destinados ao uso sem a necessidade de um tratamento
térmico. No entanto, durante a manufatura dos núcleos ocorre a introdução de tensões e
deformações, principalmente quando do corte das lâminas, as quais degradam as propriedades
magnéticas num nível que depende das condições e geometria do corte.
– Peças pequenas e de geometria complicada sofrem maior degradação. É preciso realizar um
tratamento com objetivo de restaurar, homogeneizar ou mesmo melhorar as propriedades.
AÇOS SILICIOSOS GNO
 Restauração da perda magnética x temperatura de alívio de 
tensões
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
600 650 700 750 800 850
Temperatura (ºC)
%
 R
es
ta
ur
ad
o
Nota 1: A temperatura é a variável determinante para o processo de alívio de tensões. O
relaxamento das tensões elásticas é alcançado quando a temperatura atinge valores
que levam o limite de escoamento do material a valores inferiores aos das tensões
residuais elásticas e/ou promovem a “fluência” do material. Além disso deve ser
suficiente para recristalizar a área de corte, cuja deformação ultrapassou a crítica. O
nível de restauração das propriedades magnéticas aumenta com a temperatura de
tratamento até um limite. Este limite é estabelecido de acordo com o nível desejado
pelo usuário e leva em conta os efeitos maiores da atmosfera em temperaturas
maiores. Normalmente a temperatura utilizada fica entre 750 e 840°C com tempo de
encharque de uma hora.
AÇOS SILICIOSOS GNO
 Restauração da permeabilidade magnética x temperatura de 
alívio de tensões
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
600 650 700 750 800 850
Temperatura (ºC)
%
 R
es
ta
ur
ad
o
Nota 2: De uma maneira geral pode-se dizer que o percentual de restauração é também uma
função do nível de degradação magnética promovido pela introdução de tensões e
deformações durante a manufatura das peças. Condições de corte mais severas,
dimensões menores e geometrias mais complicadas que levam a uma grande razão área
afeta/área total degradarão mais as propriedades com maiores percentuais de
restauração quando comparados com os percentuais de restauração numa geometria
mais simples como o corpo-de-prova Epstein.
Nota 3: Os elementos presentes na liga, como alumínio podem influenciar o efeito da atmosfera
sobre o percentual de restauração, principalmente em atmosfera contendo nitrogênio. O
alumínio combina com o nitrogênio e forma nitreto degradando as propriedades. Quanto
mais alto o teor de alumínio maior a nitretação do aço.
AÇOS SILICIOSOS GNO - Oxidação
Nota: Os aços GNO totalmente processados apresentam um teor de carbono abaixo de 30ppm,
portanto, durante seu tratamento não é necessário a presença de umidade para promover
sua descarbonetação. No entanto, por dificuldades operacionais ou mesmo pelo
aproveitamento de fornos e condições de utilizadas para tratamento de outros tipos de aços
que requerem sua presença, usuários realizam o tratamento de alívio de tensões numa
atmosfera contendo umidade. Esta leva a ocorrência de oxidação interna, a qual ocorre em
aços contendo elementos com maior afinidade pelo oxigênio que o ferro. Mesmo em níveis
muito baixos de umidade ainda ocorre oxidação devido ao longo tempo de permanência
exigido pelo tratamento. Esta oxidação é nefasta e degrada as propriedades magnéticas
reduzindo o ganho que se teria nas propriedades com o tratamento.
AÇOS SILICIOSOS GNO
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
0 10 20 30 40
ESPESSURA DA SUBCAMADA ( m)
P1
5/6
0 (
W
/kg
)
L1
L2
L3
L4
Nota: A figura mostra o efeito da espessura da camada oxidada na perda magnética para quatro
aços com teores de silício diferentes tratados num forno estático com atmosfera contendo
umidade. Quanto maior o teor de silício maior o nível de oxidação e maior sua degradação
da perda magnética.
AÇOS SILICIOSOS GNO - Nitretação
Nota: A nitretação ocorre no tratamento de alívio de tensões quando existe a presença de
nitrogênio na atmosfera. Seu efeito é bem maior que o da oxidação, pois alcança
profundidades bem maiores. Esta profundidade é função da quantidade de nitrogênio
incorporada. O dano é tão grande que pode-se até piorar as propriedades magnéticas
com o alívio de tensões, dependendo do nível de nitretação provocado.
Esta nitretação pode ser evitada utilizando revestimentos protetores, que inibem a
nitretação durante o tratamento, como o C-4, e utilizando atmosfera isenta de nitrogênio.
AÇOS SILICIOSOS GNO
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
0 10 20 30 40 50 60 70
ESPESSURA DA SUBCAMADA ( m)
(P
 ac
 - 
P a
at)
 (W
/kg
)
Nota: A figura mostra o efeito da espessura da subcamada nitretada sobre a redução da perda
magnética obtida num tratamento de alívio de tensões de um aço com 2,3%Si e 0,35%Al
em atmosfera com 90%N2 e 10%H2 seca. Quanto mais espessa a nitretação menor a
redução e, a partir de certa valor a redução passa a ser negativa, ou seja, ocorre um
acréscimo na perda com o tratamento.