Aço silício com 6,5% em peso de silício

Ligas de ferro com teor de silício entre 3,7 e 6,5% em peso têm sido produzidas em escalas laboratoriais por diversos pesquisadores com o objetivo de avaliar as propriedades desse material. Diversas técnicas para a produção de chapas de aço silício com 6,5% em peso de silício são utilizadas como os novos processos de laminação (Ros-Yañes, 2004), de solidificação rápida -

rapid queching (Ibarrondo, 1999), imersão a quente - hot dipping (Ros-Yañes, 2002), e siliciação

por deposição física e química de vapor (Molina, 1999; Haiji, 1996).

Todos esses estudos visam melhorar as propriedades magnéticas, principalmente a altas freqüências, do aço silício com a adição de silício na liga. Sabe-se que, com aproximadamente 6,5% em peso de silício a permeabilidade magnética alcança seu valor máximo, as perdas parasíticas caem a seu mínimo e a magnetoestricção tende a zero (Moses, 1990). No entanto, um incremento no teor de silício para valores acima de 3,5% em peso torna o material extremamente frágil causando dificuldades no processo de laminação convencional (Madura, 1974; Haiji, 1996; Ros-Yañes, 2007).

O aumento de silício para níveis além de 5% em peso provoca o aparecimento de uma solução sólida ordenada de átomos de ferro e silício (Bozorth, 1951). Este fenômeno consiste no posicionamento preferencial dos átomos, de modo que se forme o maior número de ligações atômicas ferro-silício e o mínimo de ligações ferro-ferro e silício-silício. Em temperaturas elevadas, os movimentos atômicos são muito rápidos para permitir o agrupamento de um grande número de átomos em estruturas ordenadas estáveis. Então, dois fatores atuando antagonicamente, a atração de átomos diferentes e os movimentos térmicos, conduzem a um estado conhecido como de ordem a curto alcance. Nesta situação, átomos de ferro têm um número estatisticamente maior de átomos de silício como vizinhos do que se eles fossem arranjados em sítios de uma rede cristalina de maneira inteiramente aleatória (Zhang, 1998).

A tendência para destruição de ordem pelos movimentos térmicos dos átomos diminui com a diminuição de temperatura, de tal forma que, em temperaturas mais baixas e em composições

químicas adequadas, os átomos de ferro e silício podem se rearranjar em configurações estáveis que se estendem através de grandes regiões do cristal. Quando isto acontece diz-se que existe uma ordem de longo alcance e a estrutura resultante é chamada de superestrutura ou super-rede (Barrett, 1966).

A superestrutura que ocorre na liga ferro-silício, com a menor proporção de silício, é do tipo

Fe3Si e a composição estequiométrica é de 14, 35% em peso de silício (Bozorth, 1951). O

ordenamento dos átomos de uma estrutura diminui a resistividade elétrica do material. Em conseqüência, o aumento da resistividade elétrica se torna menos acentuada para teores de silício superiores a 5% quando o ordenamento atômico começa a ocorrer e, à medida que o ordenamento aumenta, a resistividade passa por um máximo próximo a 6,5% de silício e então cai para um mínimo em torno da composição correspondente a Fe3Si -14,35% (Bozorth, 1951).

A redução da temperatura de transição frágil/dúctil em ligas de alto teor de silício é atribuída, em parte, pelo processo de ordenação nas mudanças de fase. Uma fase ordenada dificulta o movimento das discordâncias e as ligas se tornam frágeis. Em geral, a deformação plástica em ligas ordenadas pode ser reduzida com a diminuição da ordem (Darras, 1993).

Essa falta de ductilidade do material a temperatura ambiente tem sido atribuída à ordenação estrutural (B2 ou DO3) que se forma a composições específicas. Alguns pesquisadores tratam os

resultados de difusão por Espectroscopia Mössbauer e Microscopia Eletrônica de Transmissão e chegam a diferentes conclusões, mas todos acreditam que ligas com mais de 5% em peso de silício são desordenadas (ou é possível a presença da fase ordenada Fe3Si). A fase DO3 ordenada

está presente quando 7,5% de silício está presente, entre 5 e 7,5 % a “fase mista” de B2 + DO3 é

esperada (Häagstron, 1973; Rixecker, 1993; Yu, 2001).

O aumento da fragilidade do aço com a adição de silício depende do tipo e do nível da ordenação presente na liga. A dificuldade de movimento das discordâncias é causada pelas interações de ordem a longas e curtas distâncias (Darras, 1993). O movimento das discordâncias através da superestrutura cria um contorno entre as fases (APB- anti-phase boundaries). Para se evitar um aumento da energia associada a produção desse contorno, o movimento das discordâncias ocorre

em pares, então é necessário uma segunda discordância para reconstituir o estado de ordem. Quanto mais contornos são produzidos durante o processo de deformação, a taxa de endurecimento por deformação é aumentada com o aumento do grau de ordem (Roz-Yáñes, 2007).

Uma produção em escala comercial das chapas de aço silício com 6,5% em peso de silício foi desenvolvida pela NKK Corporation. As chapas após a laminação a frio com espessuras entre 0,1 e 0,5mm com no máximo 400mm de largura são siliciadas por Deposição Química de Vapor – CVD. O produto obtido são chapas de grãos não orientados com propriedades magnéticas superiores as das chapas convencionais, exibindo um excelente desempenho, especialmente a altas freqüências.

A TAB. III.5 mostra as propriedades magnéticas das chapas de aço silício com 6,5% de silício e outros materiais magnéticos para aplicações a altas freqüências. A magnetoestricção do aço a 6,5% de silício é muito menor quando comparada com os outros materiais. As perdas no ferro destas chapas, com 0,05mm de espessura, são menores que as das chapas de aço silício de grão orientado na mesma espessura a freqüências de 1kHz ou maiores e são menores que todos os produtos exceto os materiais amorfos.

A FIG. 3.3 mostra a dependência da espessura do aço silício com 6,5% Si com as perdas magnéticas. As medidas foram realizadas usando o teste Epstein em três condições de magnetização: 0,1 T a 5kHz, 0,1T a 10kHz e 0,1T a 20kHz. As propriedades das chapas com espessuras entre 0,1 e 0,3mm mostraram que as perdas diminuem com a redução da espessura. Essa tendência é verificada também a altas freqüências (Haiji, 1996).

A FIG. 3.4 mostra uma comparação das perdas magnéticas, divididas em histeréticas e parasíticas para 0,05, 0,1 e 0,2mm de espessura para aço silício com 6,5% Si em três condições de magnetização. A razão das perdas por histerese com as perdas por correntes parasitas diminuiu com o aumento da espessura da chapa. Isso ocorre devido ao fato de que com o aumento das espessuras das chapas, a estrutura cristalina se torna mais grosseira, com a diminuição da importância das paredes de domínio com as barreiras dos contornos de grãos. Consequentemente,

TABELA III.5

Propriedades magnéticas de alguns materiais Perdas magnéticas (W/kg) Material Indução (T) _{10/50 10/400 5/1 2/5 1/10} Permeabilidade máxima Magnetoestricção 0,05mm 6,5% aço Si 1,25 0,7 6,1 4,6 6,2 5,1 16.000 0,01 x 10-6 0,1mm 6,5% aço Si 1,25 0,6 6,1 5,2 10,0 8,2 18.000 0,01 x 10-6 0,2mm 6,5% aço Si 1,27 0,6 8,1 8,4 19,0 16,7 19.000 0,01 x 10-6 0,3mm 6,5% aço Si 1,30 0,5 10,0 11,0 25,5 24,5 25.000 0,01 x 10-6 0,05mm aço Si GO 1,85 - 6,1 - 7,8 5,9 24.000 -0,8 x 10-6 0,1mm aço Si GO 1,85 0,7 7,2 7,6 19,5 18,0 24.000 -0,8 x 10-6 0,025mm liga de Fe amorfa 1,38 0,1 1,5 2,2 4,0 4,0 300.000 27 x 10-6 Fonte: Haiji, 1996 p. 111

FIGURA 3.3 - Dependência das perdas magnéticas com a espessura da chapa de aço silício com 6,5% em silício. Fonte: Haiji, 1996 p. 111 Espessura (mm) P er d a m ag n ét ic a (W /k g )

a freqüências abaixo de 400Hz, a proporção das perdas por histerese com as perdas totais é considerável, sendo que as perdas magnéticas da chapa com 0,05mm de espessura são maiores que a da chapa com 0,1mm de espessura.

As perdas por correntes parasitas são diminuídas com a redução da espessura e aumentadas, aproximadamente, com o quadrado da freqüência (Bertotti, 1984; Landgraf, 1997). A altas freqüências, a relação das perdas parasíticas com as perdas totais é elevada, e ainda apresenta uma perda histerética remanescente. Portanto, as perdas totais são reduzidas com a diminuição das espessuras das chapas. Consequentemente, uma chapa com espessura de 0,05mm apresenta uma perda magnética significativamente menor atribuída ao aumento da freqüência.

FIGURA 3.4 - Comparação entre as perdas magnéticas, divididas em perdas por histerese (Ph) e

perdas por correntes parasitas (Pp) com a espessura das chapas em três condições

de magnetização. Fonte: Haiji, 1996, p. 111

Aço silício com 6,5% de Si é geralmente considerado frágil, mas com a otimização das condições de produção pode-se conseguir alguma trabalhabilidade no material. Análises de fraturas desse material sem deformação plástica mostram uma típica ruptura nos contornos de grãos onde é elevado o teor de oxigênio. Quando uma chapa é tratada em vácuo antes da aplicação de uma tensão, deformação plástica é observada antes da fratura; a quantidade de ruptura em contornos de grãos é reduzida e o teor de oxigênio é diminuído drasticamente. Esses resultados sugerem que

Espessura (mm) Espessura (mm) Espessura (mm)

PP Ph P er d a m ag n ét ica (W /kg)

a trabalhabilidade das chapas de aço silício com 6,5% de Si é diretamente afetada pela oxidação em contornos de grãos (Haiji, 1996).

A otimização das condições para suprimir a oxidação nos contornos de grãos foi empregada durante o processo de siliciação por CVD. Uma curva de tensão-deformação dos produtos obtidos é apresentada na FIG. 3.5. Contrastando com a ruptura com deformação elástica dos materiais convencionais, os materiais em que a oxidação foi suprimida, romperam-se após a deformação de aproximadamente 5 porcento. Esses experimentos mostraram claramente a viabilidade de se produzir chapas de aço silício com 6,5% de Si, que exibiram uma deformação plástica significativa a temperatura ambiente, após a otimização das condições de produção (Yamaji, 1994).

FIGURA 3.5 – Curva de tensão-deformação de chapas de aço silício com 6,5% de silício

Fonte: Haiji, 1996, p. 113

Deformação (%)

Chapa convencional de aço 6,5% de Si Chapa de aço 6,5% de Si em condições otimizadas Espessura da chapa: 0,3mm ε = 3,3 x 10-4 Temperatura ambiente T en sã o ( kg/m m 2)