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Metais & Ligas | Níquel | Informações Técnicas

Resumo: Níquel e suas ligas

Definição:

O níquel se apresenta como um metal branco prateado, similar em muitos aspectos ao metal ferro, porém com uma boa resistência à oxidação e à corrosão. É utilizado principalmente na melhoria de resistência mecânica a altas temperaturas, resistência à corrosão e outras propriedades, para uma ampla faixa de ligas ferrosas e não-ferrosas.Outras propriedades que se destacam são: as condutividades térmica e elétrica, como também uma excelente propriedade magnética. Propriedades que fazem do níquel e suas ligas, metais bastante valiosos.


Placas fundidas de níquel

Propriedades Físicas (Níquel comercialmente puro):

Símbolo Químico: Ni
Número Atômico: 28
Peso Atômico: 58,71
Densidade ( 20º C ): 8,9 g/cm3
Ponto de Fusão: 1453ºC
Ponto de Ebulição: 2910ºC
Estrutura Cristalina: CFC

Aplicações:

O consumo estimado de níquel puro em 1999, pode ser mostrado na figura abaixo, repare que a maior aplicação está em aços inoxidáveis ( 65% ).

Aços:
As aplicações dos aços que contêm determinadas quantidades de níquel são bastante difundidas na engenharia em geral, onde as vantagens da alta resistência e da boa ductilidade e tenacidade são exigidas.

Aços-liga :
O níquel é utilizado com freqüência, sozinho ou com outros elementos de liga, tais como , cromo ou molibdênio, para permitir o desenvolvimento de uma alta dureza, resistência e ductilidade. É bastante empregado na indústria automotiva, construção civil e outras indústrias, onde se exigem alta resistência, tenacidade e resistência ao desgaste e à corrosão. Porém, uma característica marcante da adição de níquel é a diminuição da temperatura de transição dúctil-frágil para os aços, geralmente empregados em equipamentos submetidos à serviços de baixas temperaturas.

Aços inoxidáveis austeníticos:
Possuem uma ampla aplicação de uso do níquel, que está presente em cerca de dois terços dos aços inoxidáveis produzidos, onde se inclui o inox mais comum, AISI 304 18Cr - 8Ni . Possui melhor ductlidade, boa soldabilidade, como também resistência mecânica e proteção à corrosão e à oxidação a altas temperaturas; além disso, possui ainda tenacidade a baixas temperaturas.

Os aços inoxidáveis austeníticos são normalmente empregados nas indústrias petroquímicas para combater os ataques corrosivos causados pela combustão de gases, vapor e processos químicos. Os tipos de aplicação são numerosas e as temperaturas envolvidas podem chegar a 1000ºC ou mais.

Recobrimento:
O recobrimento conta com mais ou menos 9% do consumo do níquel puro, com a finalidade de melhorar a proteção contra a corrosão e dar um acabamento decorativo (associado com cromo) a substratos, incluindo aços, alumínios e plásticos. Outras aplicações funcionais em relação à camada de níquel às superfícies podem ser identificadas como o aumento da resistência ao desgaste ou também alterar as propriedades magnéticas do substrato. O recobrimento de níquel possui um balanço consumido por fundições e uma infinidade de outras aplicações incluindo químicas, catalíticas, baterias, varetas de soldagem, cunhagem de moedas, pigmentos ( esmaltes, vidro e cerâmicos ), eletrônicas, e tintas de impressão.


Um cilindro de laminador recoberto por uma fina camada de níquel de aproximadamente 0,05mm

Ligas de níquel:

Somando cerca de 14% do níquel usado, as ligas de níquel são empregadas principalmente em serviços submetidos a altas temperaturas e à corrosão. As ligas contendo cromo apresentam uma boa resistência à oxidação em temperaturas elevadas e também resistem à corrosão. Variedades contendo quantidades apropriadas de alumínio e titânio são endurecíveis por precipitação e apresentam uma alta resistência mecânica a temperaturas elevadas.

Em relação ao sistema de classificação, o níquel se divide em quatro famílias: níquel comercialmente puro; ligas binárias, tais como Ni-Cu e Ni-Mo; ligas ternárias, tais como, Ni-Cr-Fe e Ni-Cr-Mo; ligas complexas, como Ni-Cr-Fe-Mo-Cu (com a possibilidade de outros elementos adicionais); e as superligas. As ligas são melhores reconhecidas pelo seus nomes comerciais, tais como Monel, Hastelloy, Inconel, Incoloy, etc.

Níquel comercialmente puro:
Os principais exemplos são o Níquel 200 e o Níquel 201 que contêm cerca de 99,5% de Ni. Ambos são particularmente resistentes à atmosferas cáusticas, de halogênios em altas temperaturas; meios onde contenha sais; e meios oxidantes.

O Duraníquel 301, uma liga endurecida por precipitação, possui cerca de 94% de Ni e apresenta excelentes propriedades elásticas a aproximadamente 300ºC. Durante seu tratamento térmico, partículas de Ni3AlTi precipitam-se através da matriz. A precipitação aumenta a resistência mecânica da liga. Em termos de resistência à corrosão, apresenta as mesmas propriedades do Níquel 200 e do Níquel 201.

Ligas binárias:
Das categorias que compõem as ligas binárias, a mais comum é a liga Ni-Cu, também conhecida como Monel. A liga Monel também apresenta pequenas quantidades de Al, Fe e Ti. As ligas Ni-Cu diferem do Níquel 200 e do Níquel 201 pelo fato de suas resistência mecânica e dureza aumentarem devido ao endurecimento por envelhecimento, embora possuam aspectos comuns em termos de resistência à corrosão, aos níqueis comercialmente puro, sua resistência aos ácidos sulfúrico e fluorídrico e à salmoura é melhor, como também devemos ressaltar sua resistência ao trincamento atribuído à corrosão sob tensão em meios clorosos . Os equipamentos submetidos a água salgada ou água salobra, são as principais aplicações.

Outras ligas binárias comercialmente importantes são as de composição Ni-Mo. Destaca-se entre elas a liga Hastelloy B-2 que oferece uma excelente resistência a ácidos clorídricos e também a qualquer meio redutor. Também possuem alta resistência mecânica em atmosferas de gases inertes em temperaturas elevadas.

Ligas ternárias:
Do quadro de ligas ternárias, destacam-se as composições Ni-Cr-Fe e Ni-Cr-Mo. Os principais componentes do sistema Ni-Cr-Fe são conhecidos comercialmente como Inconel 600, e Incoloy 800. O Inconel 600 tem boa resistência tanto em meios oxidantes, quanto em meios redutores e podem ser trabalhados a altas temperaturas. O Incolloy 800 possui boa resistência à oxidação e à carbonetação a temperaturas elevadas.

As ligas Ni-Cr-Mo são altamente resistentes à corrosão alveolar. Elas retêm grande resistência mecânica e à oxidação a elevadas temperaturas. Têm grande aplicação na indústria, principalmente em equipamentos submetidos a meios aquosos. Neste grupo, as principais ligas são o Hastelloy C-276, Hastelloy C-22 e o Inconel 625.

Ligas complexas:
O sistema Ni-Cr-Fe-Mo-Cu é a composição básica desta categoria. Elas oferecem boa resistência à corrosão alveolar ("pitting"), à corrosão intergranular, à corrosão sob tensão em meios clorosos e à corrosão uniforme em uma larga escala de meios oxidantes e redutores. Estas ligas são geralmente usadas em aplicações envolvendo ácidos sulfúrico ou fosfórico.

Os principais componentes são: Hastelloy G-3, os Inconel 617, 625, e 718; e o Incolloy 825.

Superligas:
Ligas de níquel de grande importância, especialmente desenvolvidas para serviços sob condições de alta resistência mecânica a altas temperaturas. A principal exigência mecânica para tal serviço é a alta resistência à fluência. O mecanismo da fluência está relacionado ao movimento termicamente ativado das discordâncias (defeitos cristalinos lineares) através da rede cristalina. Os principais requisitos para alta resistência à fluência são: uma matriz que possua um alto valor de módulo de elasticidade e uma baixa taxa de difusão a temperaturas elevadas.

As superligas de níquel normalmente contêm elementos como cromo, cobalto, ferro, molibdênio, tungstênio e nióbio. O efeito destes elementos solutos é o fortalecimento da matriz que depende da diferença de tamanho do níquel e do soluto com a finalidade de conter o movimento das discordâncias.

Outro principal mecanismo de aumento de resistência mecânica é a precipitação do composto intermetálico ( Ni3 (Al, Ti) ), designado por g', cuja rede cristalina configura-se como cúbica de faces centradas. A semelhança estrutural permite à fase g' precipitar coerentemente com a matriz, dando grande estabilidade a temperaturas elevadas e dificultando o movimento das discordâncias. A resistência ao movimento está relacionada ao tamanho das partículas g'. As quantidades de titânio e alumínio determinam a extensão da formação do precipitado. Os conteúdos de titânio e alumínio flutuam na faixa de 1 a 5% para cada elemento.

Dentre as superligas destacam-se Waspaloy, Udimet 700, Astroloy, Rene 95 e a classe Nimonic. Uma grande aplicação para as superligas está relacionada à produção de componentes de turbinas à gás e na indústria aeronáutica.


Uma turbina, cujas palhetas estão submetidas a altas temperaturas e tensões, devido a forças centrífuga e vibracional.

Indústrias em geral:

A figura abaixo nos mostra o consumo de níquel:


Usos em geral do Ni
Fonte: NiDI, 1996

Ligas: Nomes comerciais e Composições Químicas

Clique na figura abaixo e veja o Sistema de Classificação das Ligas de Níquel, com as denominações e suas composições químicas.


Sistema de Classificação das Ligas de Níquel.
Clique na figura para ampliar

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