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A utilização industrial dos aços silício exige que estes aços tenham, entre outras, as seguintes propriedades: boas características de conformação mecânica, baixa perda por histerese, baixa perda por correntes parasitas e alta permeabilidade magnética. A melhora de uma destas características, quase sempre, se faz em detrimento de outras.

A seguir, serão apresentados os principais fatores que afetam as propriedades dos aços silício.

Orientação cristalográfica

As propriedades magnéticas de monocristais de ferro são anisotrópicas, ou seja, dependem da direção em que são medidas. Apesar dos cristais serem cúbicos e terem algumas propriedades isotrópicas, como a interação com a luz, suas respostas a campos magnéticos são anisotrópicas (Bozorth, 1951). Esta característica é mantida na liga de ferro-silício, o que possibilita a obtenção daquele material com propriedades magnéticas melhoradas. Curvas comparativas de magnetização em monocristais de ferro-silício, para as direções [100], [110] e [111], mostram que a indução máxima tem um valor mais elevado segundo a direção [100] do que segundo as direções [110] e [111], e pode ser conseguida com menores valores do campo aplicado (Talarico, 1977).

A obtenção de chapas de aço silício com as direções cristalográficas [100] aproximadamente orientadas segundo a direção de laminação se deu em 1933 (Pry, 1959). Desde esta data, o desenvolvimento de processos metalúrgicos para a formação de textura cristalográfica, nas chapas policristalinas, tem se tornado uma das mais importantes áreas de desenvolvimento das ligas ferro- silício.

Dois tipos especiais de orientação são visados nos aços elétricos: o primeiro é com a textura (110)[100], conhecida como textura de Goss; o segundo é do tipo (100)[001] conhecido como estrutura cúbica. Este último tipo de orientação possui melhores propriedades magnéticas, mas é de mais difícil produção.

A obtenção de qualquer dos dois tipos de orientação é feita através de tratamentos adequados de recozimento, intercalados com laminação a quente e a frio e seguidos de um tratamento final a altas temperaturas.

Os aços GNO, pela própria denominação, não possuem textura pronunciada. Porém, nas classes mais nobres, onde o limite de perda mínima foi alcançado pelo controle de todos os outros parâmetros, tem-se tirado proveito ao conferir-se determinada textura a estes produtos (Paolinelli, 1997).

Composição química

Cerca de 75% da aplicação industrial de materiais ferromagnéticos é feita em circuitos de corrente alternada. Neste caso, a aplicação do ferro torna-se inviável pelo fato de apresentar altas perdas por correntes parasitas, o que é conseqüência do seu baixo valor de resistividade (ASM, 1961).

Um dos principais efeitos da adição de silício ao ferro é o aumento da resistividade. Uma ilustração desse fato pode ser vista na TAB. III.4, a qual mostra faixas de valores de resistividade em função do teor de silício para os aços elétricos classificados pela American Iron and Steel

Institute – AISI (ASM, 1961). Observa-se que para composições mais elevadas de silício a

resistividade assume valores maiores.

A adição de silício ao ferro tem ainda outros efeitos benéficos sobre as propriedades magnéticas. A seguir relacionam-se alguns desses efeitos:

• O silício precipita a maior parte do oxigênio dissolvido no aço, reduzindo a perda por histerese e o envelhecimento magnético;

• Quando o carbono excede 0,05%, o silício provoca a precipitação do carbono sob forma de grafita a qual tem pouca influência sobre a perda por histerese;

• As ligas de ferro com teores de silício acima de 2,5% não sofrem transformação alfa- gama, o que permite que sejam recozidas em temperaturas mais altas sem que haja mudança de fase durante o tratamento térmico. Isto possibilita a obtenção de grãos maiores no material, o que resulta numa redução da perda por histerese.

TABELA III.4

Valores da resistividade elétrica em função do teor de silício para alguns aços elétricos classificados pela AISI

Teor de silício (% em peso) Resistividade (µΩ. cm)

0,95 20 a 28 1,40 24 a 33 2,35 32 a 47 3,00 41 a 52 3,20 41 a 56 3,40 45 a 58 4,00 45 a 69 4,50 58 a 69

Fonte: The ASM Committee on Magnetically Soft Materials. Magnetically Soft Materials. In: American Society for Metals. Metals Handbook. 8ª Edição, Ohio, 1961. vol.1 p. 785.

Pelo menos dois efeitos atribuídos ao silício são prejudiciais aos aços elétricos (Smithells, 1976). O primeiro é a diminuição da indução de saturação com o aumento do teor de silício. Isto se dá porque não sendo o silício ferromagnético, esta característica do ferro fica diminuída por diluição. O segundo efeito é a elevação excessiva da resistência mecânica do aço, que o torna frágil. Os

aços elétricos são produzidos comercialmente com a composição máxima de 4,5% Si, uma vez que acima deste teor as condições de trabalhabilidade se tornam inaceitáveis.

Todas as adições são comandadas por balanço de custos e desempenho na laminação. O silício é adicionado normalmente até 3,2%. Teores acima deste valor provocariam maiores dificuldades de laminação. O alumínio adicionado vai até 0,60%, teores mais elevados encarecem o aço, tornando-o difícil de decapar e aumentando a fragilidade.

As impurezas de efeitos mais nocivos nos aços elétricos são aquelas que ocupam posições intersticiais na rede: carbono, nitrogênio, oxigênio, enxofre. Mesmo em pequenas quantidades interferem com a formação da estrutura dos domínios magnéticos provocando um aumento na perda por histerese (ASM, 1961).

Estes elementos têm efeito indireto no processo de produção, pois formam inclusões. Sulfetos, óxidos, nitretos e outros precipitados e inclusões sempre existem nos aços. Os diâmetros das inclusões variam entre 0,1 µm até 10 µm. Estas inclusões deterioram as perdas por histerese impedindo o crescimento de grão, portanto piorando as propriedades magnéticas. Reduzir a quantidade de inclusões é de grande importância para melhorar estas propriedades magnéticas. Entretanto, é importante também controlar o tamanho e distribuição para minimizar estes efeitos nocivos. Assumindo que a quantidade absoluta de inclusões é a mesma, o efeito negativo de tais inclusões nas propriedades magnéticas é minimizado quando as inclusões têm o maior tamanho possível. Entretanto o excessivo tamanho das inclusões piora a textura, resultando num aumento das perdas no núcleo. O balanço destas características torna-se importante.

O carbono tem efeito relativamente benéfico nos processos intermediários como precipitados que, na deformação, fazem com que o material acumule mais energia para o processo de recristalização. Porém, sua presença no produto final é indesejável, e acima de determinado limite, provoca o fenômeno de envelhecimento magnético, degradando as propriedades magnéticas. O carbono aumenta a resistividade do aço, mas traz, por outro lado, efeitos nocivos ao material porque diminui a permeabilidade e a indução de saturação, além de aumentar a perda por histerese (Horger, 1965). Este aumento na perda por histerese depende da forma sob a qual o

carbono se apresenta. O efeito mais prejudicial é observado quando o carbono se encontra em solução sólida, vindo em seguida o efeito da cementita, e finalmente, o da grafita (Bozorth, 1951; Horger, 1965; Schustek, 1960).

Apesar de alguns elementos terem efeitos conflitantes sobre a qualidade do aço elétrico, como é o caso do carbono e manganês que aumentam a resistividade elétrica, seu efeito resultante é nocivo ao material (Pry, 1959).

A maioria das impurezas influencia as propriedades magnéticas das ligas ferro-silício não só diretamente, como inclusões de segunda fase, mas também indiretamente afetando o tamanho de grão e a formação de textura (Beckley, 2002). Apesar das relações quantitativas entre impurezas e seu efeito sobre as propriedades magnéticas não serem bem compreendidas, em certos aços elétricos cerca da metade da perda total de energia é atribuída à presença de impurezas (Beckley, 2002). Portanto, um aço com composição química adequada é aquele que possui suas adições dentro dos limites requeridos e os residuais os mais baixos possíveis.

Tamanho de grão

Em um aço elétrico, quanto maior for o tamanho de grão, menor será a perda por histerese (Madura, 1974). Os aços com textura, que sofrem recristalização secundária, chegam a ter grãos de vários tamanhos. Madura (1974) desenvolveu empiricamente relações entre perda por histerese e número de grãos por milímetros quadrado, para uma dada composição química do aço.

Ao acréscimo do tamanho de grão corresponde um acréscimo nas perdas por correntes parasitas e uma diminuição da parcela devida à histerese. Isto implica que existe um tamanho de grão ótimo, para uma dada espessura da chapa, que minimiza a soma das duas parcelas. No entanto, as chapas elétricas devem ter granulação fina a fim de apresentarem melhores características de estampagem. Assim, deve-se procurar atender a exigências antagônicas (Dixon, 1971).

É interessante conseguir este tamanho ótimo com um recozimento com mínimo de tempo possível para evitarem-se fenômenos de oxidação interna e nitretação que deslocariam o tamanho ótimo para menor, aumentando as perdas magnéticas.

Tensões residuais

Tensões residuais na tira produzem um acréscimo na força coerciva e, por conseguinte, acréscimo nas perdas magnéticas totais. Normalmente, as tensões residuais são geradas por resfriamento brusco, tensionamento excessivo da tira durante o recozimento final, empenos durante o manuseio, flexionamento da tira, etc.

Especial atenção deve ser tomada durante o teste das amostras. Tensões de corte das tiras, dobras, empenos, flexões, provocarão degradação das propriedades medidas e o teste das amostras não refletirá a realidade das propriedades da tira (Talarico, 1977).

Defeitos superficiais

Longo tempo de permanência no forno de recozimento final e alta temperatura combinados com atmosfera fora de controle podem gerar oxidação interna e/ou nitretação das tiras de GNO. Esta ocorrência aumenta a força coerciva da região afetada acarretando um aumento da perda total da tira. Quanto mais grossa e irregular a camada de oxidação ou nitretação na superfície da chapa, mais danoso será o efeito sobre as propriedades magnéticas.