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1 HISTÓRIA DO NIÓBIO O nióbio foi descoberto na Inglaterra em 1801 por Charles Hatchett, que na época o denominou de colúmbio. Posteriormente, o químico alemão Heinrich Rose, pensando haver encontrado um novo elemento ao separá-lo do metal tântalo, deu-lhe o nome de nióbio em homenagem a Níobe, filha do mitológico rei Tântalo. As informações mais antigas sobre o uso de nióbio datam de 1925, referindo-se à substituição do tungstênio na produção de ferramentas de aço. No início da década de 1930, o nióbio passou a ser utilizado na prevenção de corrosão intergranular em aços inoxidáveis. Até a descoberta quase simultânea de depósitos de pirocloro no Canadá (Oka) e no Brasil (Araxá), na década de 1950, o uso do nióbio era limitado pelo custo elevado. Com a produção primária de nióbio, o metal tornou-se abundante e ganhou importância no desenvolvimento de materiais de engenharia. Na década de 1950, com o início da corrida espacial, o interesse pelo nióbio aumentou muito, pois é o metal refratário de menor densidade (8,6g/cm 3 ) com ponto de fusão aproximado de 2500 o C. Ligas de nióbio, como Nb-Ti, Nb-Zr e Nb-Ta-Zr foram desenvolvidas para utilização nas indústrias espacial e nuclear além de magnetos supercondutores em tomógrafos de ressonância magnética para diagnóstico por imagem. Uma das superligas mais importantes é a IN718, introduzida em 1966 e utilizada nas turbinas aeronáuticas e estacionárias mais modernas. Outro desenvolvimento importante da década de 1950 foi o aço microligado que apresenta valores de resistência mecânica e tenacidade que até então somente podiam ser obtidos com aços ligados muito mais caros. A descoberta de que a adição de uma pequena quantidade de nióbio ao aço carbono comum melhorava consideravelmente as propriedades mecânicas ofereceu grandes vantagens econômicas para a engenharia estrutural, exploração de óleo e gás, e também indústria automotiva. Atualmente os denominados aços microligados respondem por 75% do consumo de nióbio. São materiais sofisticados que refletem o esforço conjunto da pesquisa e desenvolvimento conduzidos na indústria e nos laboratórios das universidades. Os avanços conseguidos até aqui ampliaram o raio de aplicação do nióbio em aços, superligas, materiais intermetálicos e ligas de Nb, bem como em compostos, revestimentos, nanomateriais, dispositivos optoeletrônicos e catalizadores.

2 A aplicação mais importante do nióbio é como elemento de liga para conferir melhoria de propriedades nos aços, especialmente nos de alta resistência e baixa liga (ARBL) usados na fabricação de automóveis e de tubulações para transmissão de gás sob alta pressão. O transporte de gás e derivados de petróleo nas tubulações é feito sob alta pressão e requer, como item básico, um elevado nível de resistência mecânica dos gasodutos. A adição de nióbio nestes aços e o processamento especial de laminação a quente conferem um excelente nível de tenacidade, resistência mecânica e boa soldabilidade. Figura 1- Fabricação de carrocerias de automóveis. Os aços microligados ao nióbio apresentam ótimas propriedades mecânicas e soldabilidade. O nióbio também é utilizado nas superligas para fabricação de turbinas das aeronaves a jato, na produção de ligas supercondutoras com titânio para fabricação de magnetos para tomógrafos de ressonância magnética, em cerâmicas eletrônicas e como componente dos vidros das lentes para câmeras.

3 Figura 2- Turbinas da liga Inconel 718 utilizadas na indústria aeronáutica. A indústria naval e as plataformas marítimas constituem outro grande mercado para as chapas grossas microligadas com nióbio com mais de 50 mm de espessura. Figura 3- Plataformas marítimas com estrutura projetada em aços microligados ao nióbio. A construção civil é outra área de aplicação típica para as chapas grossas de aços de alta resistência microligados ao nióbio. Essas chapas são usadas na construção de pontes, viadutos e edifícios.

4 Figura 4- Construção de viadutos com aços microligados ao nióbio. A importância e o emprego dos aços microligados ao nióbio, laminados a quente ou a frio, cresceram consideravelmente após a primeira crise do petróleo, em 1973, quando as montadoras de automóveis, especialmente nos EUA, precisaram reduzir o peso dos carros para economizar combustível. O uso de aços microligados ao nióbio e titânio possibilitou a construção de painéis externos integrados de grande dimensão e peso reduzido, diminuindo os pontos de solda e o número de peças a serem estampadas. Mais de 30 das mais importantes companhias siderúrgicas do mundo estão empenhadas no projeto de desenvolvimento da Carroceria de Aço Ultra-Leve (Ultra Light Steel Autobody, ULSAB). Um protótipo demonstrativo foi construído pela Porsche e, se esse projeto tiver sucesso, uma grande porcentagem de aços usados conterá nióbio. Nióbio, juntamente com vanádio, é também adição comum em aço para molas, promovendo aumento de resistência mecânica e, com isso, redução no peso da peça acabada. O nióbio encontra aplicação em trilhos de elevada resistência mecânica e ao desgaste, para ferrovias que operam sob condição de alta carga por eixo. Um importante produtor é a Nippon Steel Corporation. A produção de aço inoxidável, especialmente o aço ferrítico, que não leva adição de níquel, responde por cerca de 10% do consumo mundial de nióbio. A principal aplicação do aço ferrítico contendo nióbio é no sistema de escapamento dos automóveis. Nesse componente, o aço inoxidável com adição de nióbio tem melhor desempenho nas condições de trabalho em temperatura elevada, garantindo maior durabilidade à peça. No Japão, aproximadamente 25% da demanda por nióbio é destinada aos aços inoxidáveis.

5 Figura 5- Sistema de escapamento projetado com aço inoxidável modificado com nióbio. No universo das aplicações do nióbio, destaca-se ainda sua presença nos tubos sem costura, usados na perfuração e no revestimento de poços de petróleo e de gás. O uso do nióbio em ferros fundidos é mais recente, ocorrendo em peças para uso automotivo, como camisas de cilindros e anéis de segmento, e também em discos de freio de caminhões. Nessas aplicações o nióbio é usado como formador de carbonetos de alta dureza com a função de propiciar maior resistência ao desgaste sem afetar a morfologia da grafita. A Cofap abastece os fabricantes de veículos brasileiros e também exporta para a Europa. Com relação às superligas, a mais importante é a Inconel 718, à base de níquel, contendo de 5,3 a 5,5% de nióbio. Esta liga é adequada para trabalhar a uma temperatura equivalente a 85% de seu ponto de fusão e é utilizada na construção da espinha dorsal dos motores a jato, tanto comerciais quanto militares. O CFM56, o motor a jato mais usado hoje em dia, feito pela joint-venture GE/Snecma, contém cerca de 300 quilos de nióbio de alta pureza. Vale lembrar que a maior parte desse nióbio é proveniente de Araxá, Minas Gerais. Ainda existem outras ligas à base de níquel contendo nióbio que são industrialmente importantes, como a Inconel 706 (3% de nióbio) e a Inconel 625 (3,5%). A General Electric americana solucionou problemas associados à exposição de materiais a altas temperaturas utilizando as superligas Inconel 718 e Inconel 706 nas turbinas terrestres para geração de eletricidade. Contudo, a principal demanda pela liga 718 ainda vem dos fabricantes de motores para aeronaves. A indústria aeronáutica projeta, para os próximos dez anos, a entrega de pelo menos 6 mil jatos comerciais de grande porte, o que assegura uma forte e contínua demanda para o nióbio

6 utilizado na Inconel 718. A liga C-103 composta de nióbio, háfnio e titânio, é usada como material refratário pela indústria aeroespacial por resistir a temperaturas acima de C e aceitar revestimentos contra oxidação. Esta liga é aplicada principalmente em propulsores e bocais de foguetes e está sempre presente na saia do motor Pratt & Whitney F100, um gerador de potência de alto desempenho usado nos caças F15 e F16. Figura 6- Liga C103 refratária utilizada na indústria aeroespacial. Nos materiais utilizados como supercondutores, o aumento do consumo de nióbio ainda depende de projetos governamentais, normalmente estimados em bilhões de dólares. Mesmo com toda dificuldade para se obter este patrocínio, recentemente foi aprovado na Europa o projeto de um acelerador de partículas de grande dimensão baseado em magnetos supercondutores de nióbiotitânio.

7 Figura 7- Acelerador de partículas com magnetos construídos com liga super condutora de nióbio e titânio. Relacionam-se entre outras aplicações do nióbio e suas ligas; os cabos anódicos de nióbio platinizados para proteção catódica contra corrosão nas plataformas marítimas de grandes dimensões e em estruturas de concreto reforçadas; ligas de nióbio-titânio para uso em mineradoras de ouro e em implantes cirúrgicos, de desenvolvimento recente. A fabricação de lentes óticas especiais requer óxido de nióbio de alta pureza. A estimativa mundial de demanda de óxido de nióbio com 99,9% de pureza é da ordem de 500 toneladas por ano, das quais quase 2/3 são destinados ao Japão. A produção de monocristais de niobato de lítio, utilizados em filtros especiais de receptores de TV, exige o teor de 99,99% de Nb2O5, ou seja, óxido de nióbio de altíssima pureza. A empresa Crystal Technology, na Califórnia, EUA, é um importante fabricante de monocristais de niobato de lítio. A utilização do nióbio ainda deve aumentar, pois no desenvolvimento de uma nova liga, como a usada em motores para indústria aeronáutica, seriam necessários anos de pesquisas e custos que certamente superariam 50 milhões de dólares. Como os fabricantes auferem lucro maior com os programas de manutenção e reposição de peças do que com as próprias vendas, uma liga alternativa deve apresentar incontestáveis benefícios, ou será ignorada. Esta situação favorece a continuidade do uso das superligas convencionais contendo nióbio.

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