Ligas de níquel para fins especiais

Ligas de níquel para fins especiais

As ligas de níquel têm várias propriedades únicas e podem ser usadas em várias aplicações especializadas. As propriedades das ligas listadas aqui estão relacionadas ao magnetismo e à forma dos objetos em resposta a mudanças de temperatura.

Ligas de níquel magneticamente macias

Em termos de propriedades magnéticas, os metais podem ser divididos em cinco categorias:

• Paramagnéticos
• Ferromagnéticos
• Ferrimagnéticos
• Antiferromagnéticos
• Antiferromagnéticos

As propriedades magnéticas dos metais são influenciadas pela temperatura. Entre todos os metais, apenas o ferro, o níquel e o cobalto apresentam propriedades ferromagnéticas à temperatura ambiente.

O aumento da temperatura faz com que os ferromagnéticos percam a sua suscetibilidade magnética. Quando a temperatura atinge um determinado valor, o material ferromagnético torna-se paramagnético. Esse valor é chamado de Temperatura de Curie de um metal.

A permeabilidade magnética dos metais ferromagnéticos depende da intensidade do campo magnético externo. Quando esse campo é removido, os ferromagnéticos ainda apresentam magnetismo residual. Por meio dessa força, os ímanes permanentes atraem ou repelem outros metais ou ímanes.

Uma liga ferromagnética magnetizada ainda exibe magnetismo residual, que segue a mesma direção do campo. A desmagnetização requer um campo de orientação oposta com uma certa força, chamada coerção. Se esse campo for mais forte do que a referida força, a liga fica magnetizada na direção oposta ao campo.

Cada remagnetização envolve a dissipação irreversível de energia, chamada perda de energia por histerese.

Ligas de níquel magneticamente macias - propriedades

• Alta permeabilidade inicial µ
• Alta permeabilidade relativa máxima
• Permeabilidade constante em temperaturas variáveis
• Alta magnetostrição de saturação
• Reação imediata à mudança do campo magnético
• Baixa temperatura de Curie
• Alta resistividade
• Baixa perda por correntes parasitas em fluxo alternado
• Loop de histerese estreito (loop de magnetização – desmagnetização)
• Baixa perda de energia de histerese

Resumindo, as ligas magneticamente macias são fáceis de magnetizar, desmagnetizar e remagnetizar.

Ligas magneticamente macias contendo níquel - aplicações

As ligas magneticamente macias contendo níquel são amplamente utilizadas em várias aplicações, incluindo:

• Transformadores relacionados com áudio
• Amplificadores magnéticos
• Transdutores
• Transformadores de pulso de radar
• Motores síncronos e motores de torque
• Bobinas de carga
• Blindagens de radiofrequência (blindagens de RF)
• Compensadores de temperatura

A permaloy é uma liga magneticamente macia única. Sua característica é uma forma quase retangular do loop de histerese e dois valores de remanência.

Metais amorfos magneticamente macios

Os metais amorfos (vidro metálico) são caracterizados por alta resistência, baixa perda de histerese e capacidade de trabalhar em altas frequências.

Os metais amorfos magneticamente macios que contêm níquel são:

• Metglas 40Fe-40Ni-14P-6B
• Metglas 40Fe-38Ni-4Mo-18B

Ligas magneticamente duras contendo níquel

As ligas magneticamente duras são usadas para produzir ímãs permanentes que apresentam forte magnetismo residual e não são fáceis de desmagnetizar e remagnetizar.

As ligas Alnico são usadas para fabricar ímãs permanentes.

Ligas de níquel de baixa expansão

A expansão térmica significa que os corpos mudam (quase sempre aumentam) o seu comprimento ou volume em resposta a um aumento da temperatura. Todas as substâncias estão mais ou menos sujeitas a este fenómeno.

O coeficiente de expansão térmica é a expansão relativa (também chamada de deformação) de um material dividida pela variação da temperatura (normalmente 1 K). É calculado comparando as medições precisas antes e depois do aquecimento.

Este coeficiente varia geralmente com a temperatura. Isso significa que a expansão de uma haste de metal aquecida de 0 a 20 °C é diferente da expansão da mesma haste aquecida de 200 a 220 °C.

O coeficiente de expansão térmica para a maioria dos metais e ligas é relativamente grande e varia de cerca de 5 a 25 μm/m ⋅ K à temperatura ambiente. As juntas de dilatação em pontes rodoviárias ou vias férreas podem servir como exemplo de compensação da elevada expansão térmica das ligas de ferro e aço.

Ligas de níquel de baixa expansão – aplicação

As aplicações de ligas de níquel de baixa expansão requerem geralmente:

• Expansão térmica muito baixa (0 a 2 μm/m ⋅ K) numa determinada gama de temperaturas, ou
• Expansão térmica uniforme e previsível numa determinada gama de temperaturas.

As ligas de baixa expansão são utilizadas, por exemplo, como/em:

• Instrumentos geodésicos – hastes e fitas métricas
• Relógios e temporizadores – pêndulos de compensação, volantes
• Motores – pistões de motores de combustão interna
• Dispositivos de medição – metais duplex, tiras bimetálicas
• Vedantes de vidro-metal – tubos eletrónicos
• Armazenamento e transporte de gás natural liquefeito – válvulas e tubos
• Indústria energética – sistemas supercondutores
• Eletrónica – estruturas de circuitos integrados, elementos de dispositivos de rádio, estruturas de máscara de TV
• Dispositivos de medição a laser e óticos – caixas e elementos estruturais

Aditivos de liga

As ligas de níquel de baixa expansão são feitas principalmente de níquel e ferro. Com exceção da liga super-invar, que apresenta baixa expansividade apenas em uma faixa muito estreita de temperatura, o coeficiente mínimo de expansão térmica ocorre na proporção 64Fe-36Ni (essa liga é chamada de invar). Essa baixa expansividade prevalece apenas em uma determinada faixa de temperatura.

A alteração na quantidade de níquel desloca essa faixa de temperatura para temperaturas mais altas ou mais baixas, mas para alterar a quantidade de níquel e manter o baixo coeficiente, são necessárias certas adições de ligas. Embora mantenham o coeficiente de expansão térmica baixo, essas adições aumentam-no um pouco.

Em resumo:

• Liga pura de ferro-níquel – Coeficiente de expansão térmica mais baixo em uma determinada faixa de temperatura.
• Cromo, manganês, tungsténio, molibdénio – Permitem aumentar o teor de níquel, o que desloca a faixa de expansividade mínima para temperaturas mais altas. Aumentam o coeficiente de expansão térmica em relação ao invar.
• Cobre, carvão, cobalto – Permitem diminuir o teor de níquel, o que desloca a faixa de expansividade mínima para temperaturas mais baixas. Aumentam o coeficiente de expansão térmica em relação ao invar.

Ligas para vedações

Vedações diretas e herméticas de dois materiais não elásticos com diferentes fatores de expansão térmica não conseguem suportar grandes mudanças de temperatura. Ou uma lacuna se abre entre esses materiais, ou grandes forças danificam um deles.

Portanto, algumas ligas são projetadas para ter expansão térmica correspondente a certos outros materiais em uma faixa de temperatura específica. Por exemplo: as ligas Kovar ou as ligas de vedação de vidro expandem exatamente como muitos tipos de vidro e cerâmica. A liga platinada responde a uma mudança de temperatura exatamente como a platina.

Essas ligas permitem a produção de vedações herméticas de metal-vidro. Essas conexões são muito sólidas e não requerem anéis de vedação adicionais. No passado, as vedações diretas de metal-vidro eram muito comuns na tecnologia de rádio, em tubos eletrónicos.

Um coeficiente de expansão térmica tão preciso de uma liga é determinado pela quantidade de níquel e cobalto na matriz de ferro.

Ligas de níquel-titânio com memória de forma

Alguns metais têm a capacidade de voltar a uma forma ou tamanho previamente definido, de acordo com o efeito de memória de forma.

O efeito de memória de forma diz que uma liga moldada a uma certa temperatura e depois remodelada a outra temperatura: vai voltar à forma original quando levada de volta à temperatura inicial (de moldagem).

Aplicações das ligas com memória de forma

As aplicações para essas ligas podem ser divididas em:

• Dispositivos de atuação – termostatos de cafeteiras, instrumentos médicos como filtros de coágulos nas veias sanguíneas.
• Dispositivos de recuperação restrita – conexões de tubos hidráulicos.
• Dispositivos superelásticos – armações de óculos, arcos ortodônticos.
• Dispositivos martensíticos – amortecedores de vibração, ferramentas para cirurgia de coração aberto, fios resistentes à fadiga.

Ligas de níquel-titânio com memória de forma – composição

A base para essas ligas é um composto intermetálico de níquel e titânio, mais ou menos 50-50. Outras adições de liga comumente usadas são:

• Excesso de níquel – reduz fortemente a temperatura de transformação martensítica e aumenta a resistência ao escoamento da austenita.
• Ferro – reduz a temperatura de transformação.
• Cromo – reduz a temperatura de transformação.
• Cobre – diminui a histerese e reduz a tensão de deformação da martensite.