Aços para fins eletromagnéticos

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1 METALURGIA & MATERIAIS566VOLUME62MAI2006 Aços para fins eletromagnéticos Para atingir as metas previstas para a economia de energia, será necessária a utilização de aços com melhores propriedades magnéticas Este número do Caderno Técnico sobre Aços Elétricos e Materiais Magnéticos, traz dois artigos sobre aços elétricos. O primeiro, intitulado Aço silício para máquinas elétricas de alta eficiência, aborda os aços de grão não orientado totalmente processados. Neste artigo são discutidos fatores importantes na obtenção de baixa perda magnética e alta permeabilidade e é apresentada uma nova geração de aços de alta eficiência desenvolvidos e produzidos no Brasil. O segundo artigo Aços elétricos semiprocessados para motores elétricos, aborda o tratamento térmico dos aços semiprocessados, normalmente realizado após o corte das lâminas para montagem do núcleo do motor, e discute fatores importantes para a redução da perda magnética. A leitura dos dois artigos permite uma compreensão das propriedades relevantes para a aplicação dos aços elétricos e dá uma visão dos fatores importantes para a obtenção das propriedades, como composição química, tamanho de grão e textura cristalográfica. O tema deste Caderno é de grande importância no momento em que a eficiência energética de motores é discutida no País. Uma estimativa do impacto da Lei de Eficiência Energética*, com a implantação do programa de metas de rendimentos para motores de indução trifásicos de 1 a 250cv, que representam 80% do mercado, mostra uma economia de energia de 1,58TWh/ano para o País, o que equivale a 47,4 milhões de dólares por ano. Para atingir os patamares de rendimento propostos pelo plano de metas será necessária a utilização de aços com melhores propriedades magnéticas. A implantação do programa levará a um crescimento da demanda por aços elétricos totalmente processados e semiprocessados de média e alta eficiência, cuja estimativa é de quadruplicar até 2009, data limite estabelecida no programa. O aço baixo carbono, utilizado numa parcela significativa deste mercado, deverá ser gradualmente substituído pelos aços semiprocessados de média e alta eficiência e pelos aços de grão não orientado totalmente processados. Para os fabricantes de aços elétricos significa ter capacidade de produção e melhor qualidade magnética dos produtos. Marco Antônio da Cunha macunha@acesita.com.br Acesita SA * Garcia, A - Impacto da Lei de Eficiência Energética, Tese Mestrado Sc., Coppe/ UFRJ Dezembro/2003.

2 Aço silício para máquinas elétricas de alta eficiência Aços com mais alta mobilidade de contorno de grão resultaram em perdas mais baixas Marco Antônio da Cunha Sebastião da Costa Paolinelli Acesita SA ABSTRACT Electrical steels are soft magnetic materials used in electrical machinery cores. In these applications core loss and permeability are important properties. In this paper, fully processed silicon steels are considered and important factors in obtaining low core loss and high permeability are discussed, such as crystallographic texture and grain size. Os aços elétricos são materiais magneticamente macios, utilizados na construção dos núcleos de máquinas elétricas como motores, geradores, transformadores, reatores, com a função de conduzir e amplificar o fluxo magnético. Nestas aplicações, duas características são de fundamental importância: a perda magnética, que mede a potência específica dissipada no processo de magnetização do núcleo, e a permeabilidade magnética, que é uma medida da amplificação do fluxo magnético. A perda magnética (P J/f ) é medida no teste Epstein para determinados valores de polarização magnética (J) e freqüência (f). A permeabilidade adotada neste trabalho é a polarização (J 50 ) obtida para um campo magnético de 5000 A/m. Representa o valor atingido pela indução magnética (B), ou densidade de fluxo, devido ao material magnético do núcleo, para um campo magnético de 5000 A/m. A permeabilidade assim medida apresenta boa correlação com a textura cristalográfica do material. A eficiência de uma máquina elétrica depende da perda magnética do aço elétrico e, de uma forma geral, a permeabilidade mais alta permite obter o mesmo fluxo magnético com uma menor seção de material magnético. Ou seja, permite reduzir o tamanho do núcleo, ou obter fluxo mais alto para uma mesma seção do núcleo. Num motor de indução, a permeabilidade alta contribui também para a eficiência da máquina. A principal função da adição de Si e Al no aço é aumentar a resistividade elétrica e com isso reduzir a parcela da perda magnética que é devida a correntes elétricas induzidas no núcleo, denominada perda por correntes parasitas. A adição de Si+Al, porém, diminui a indução de saturação do ferro, causando uma diminuição da permeabilidade magnética (J 50 ). Dois grandes desafios para o produtor de aço silício de grão não orientado são: obter permeabilidade mais alta sem aumentar a perda magnética; produzir aço com baixa perda magnética para a fabricação de grandes máquinas, como os hidrogeradores. Para obter alta permeabilidade, dois caminhos principais são adotados: a produção de textura cristalográfica mais favorável para as propriedades magnéticas, e a diminuição do teor de Si+Al. Textura cristalográfica mais favorável normalmente é obtida pela redução da fração de componentes de textura indesejáveis, como <111> DN, e aumento da fração de componentes favoráveis, como <100> DN e <100> DL, onde DN significa direção normal à chapa, e DL direção de laminação. Para se reduzir o teor de Si+Al, sem aumentar a perda magnética total, recorre-se a fatores que diminuem a parcela da perda que é devida à histerese magnética, tais como a diminuição da quantidade de precipitados e inclusões no aço e à produção de textura cristalográfica mais favorável, que por si só já contribui para elevar a permeabilidade magnética. Para produzir aços de baixa perda magnética para grandes máquinas, é necessário baixar tanto a parcela de perda por correntes parasitas como a parcela de perda por histerese. Para uma dada espessura da tira, isto significa elevar o teor de Si+Al, assegurar alta pureza do aço e obter estrutura adequada, textura cristalográfica e tamanho de grão final. O tamanho de grão é um fator importante para a perda magnética, devido à interação entre as superfícies dos contornos de grão e as paredes dos domínios magnéticos. Para reduzir a formação de pólos magnéticos nos contornos de grão e, portanto, diminuir a energia magnetostática, forma-se uma subestrutura de domínios associada aos contornos de grão, fortemente ancorada aos mesmos (1). Conseqüentemente, a perda por histerese cresce rapidamente com a diminuição do tamanho de grão. Por outro lado, o crescimento excessivo dos grãos resulta em aumento da perda total, devido ao aumento do tamanho médio dos domínios magnéticos e conseqüente aumento da velocidade média das paredes de domínio durante o processo de magnetização. A parcela da perda que cresce com o aumento do tamanho de grão é denominada perda anômala.

3 1 2 [à extrema esquerda] Figura 1 Frações volumétricas de componentes de textura e frações de recristalização em função da temperatura de recozimento [ao lado] Figura 2 Perda em função do tamanho de grão para diferentes níveis de oxidação EFEITO DA TEXTURA CRISTALOGRÁFICA No ferro, a direção de mais fácil magnetização, ou de magnetização espontânea, é a <001>. A textura ideal para um aço silício de grão não orientado é descrita como <001> DN, ou {001}<hk0>, que contém máxima densidade de direção de fácil magnetização no plano da chapa e resulta em propriedades isotrópicas. A textura típica de recristalização de materiais CCC é do tipo <111> DN, que não contém direção de fácil magnetização no plano da chapa. Portanto, é uma textura indesejável para as propriedades magnéticas. Na produção industrial, a busca por textura mais adequada é baseada na redução da fração de orientações tipo <111> DN e no aumento da fração de orientações dos tipos <001> DN e <001> DL. Tipicamente, aço silício de grão não orientado é laminado a frio, com deformação real total de aproximadamente 1,5 e recozido sob atmosfera redutora. O tamanho de grão inicial tem efeito significativo sobre a textura final e, consequentemente, sobre as propriedades magnéticas. O aumento do tamanho de grão após laminação a quente favorece a formação de bandas de cisalhamento na laminação a frio. Na recristalização, grãos com orientação de Goss, {110}<001>, tendem a nuclear nas bandas de cisalhamento formadas em grãos deformados de orientação {111}<112>. A nucleação nas bandas de cisalhamento ocorre no início da recristalização e os grãos formados tendem a crescer, consumindo a matriz deformada. Com isso obtémse não somente um aumento na fração de grãos com orientação do tipo <001> DL como também uma redução na fração de grãos com orientação <111> DN no recozimento final. O aumento da fração volumétrica de grãos com orientação {111}<112> na textura de laminação a frio, associado a um maior tamanho de grão inicial, levam à formação de maior número de sítios para nucleação de grãos com orientação de Goss. Favorecem, assim, a obtenção de uma textura de Goss mais forte após recristalização. Isto pode ser obtido tanto pelo controle da textura de laminação a quente quanto pelo processamento em duas etapas de laminação a frio, com um recozimento intermediário. A fração de {111}<112> é aumentada pela recristalização no recozimento intermediário. Maior mobilidade dos contornos de grão favorece o crescimento dos grãos que nucleiam mais cedo na recristalização (3), permitindo a obtenção de alta fração de grãos com orientação de Goss, mesmo no processamento com apenas uma etapa de laminação a frio. A figura 1 mostra a evolução das frações volumétricas de {110}<001> e {111}<112> na recristalização de dois aços: aço A, com 0,7%Si e alta mobilidade de contorno, e, aço B, com 2%Si e menor mobilidade de contorno. O aço A atinge uma maior fração de grãos com orientação de Goss e menor fração de grãos com orientação {111}<112> que o aço B. O crescimento de grão após recristalização pode também ter um efeito sobre a textura. Tem sido observado, no aço silício (4), que o crescimento de grão tende a fortalecer a componente principal da textura de recristalização. Na amostra B, da figura 1, o crescimento de grão fortalece a orientação {111}<112> e diminui a fração da orientação de Goss. Na amostra A, onde as frações das duas componentes são próximas, a textura tende a permanecer estável durante o crescimento de grão. Este comportamento permite associar baixa perda com alta permeabilidade, pois possibilita que o grão cresça sem deteriorar a textura. EFEITO DO TAMANHO DE GRÃO A perda por histerese decresce com o crescimento de grão, enquanto a perda anômala cresce, havendo assim um tamanho de grão ótimo, que minimiza a perda total. O tamanho de grão ideal pode também ser afetado pela evolução da textura com o crescimento de grão e pela interação do aço com a atmosfera de recozimento. Nas atmosferas de H 2 +N 2, normalmente utilizadas, pode ocorrer nitretação e/ou oxidação da camada superficial, em função da umidade existente na atmosfera. A formação de óxido reduz o teor de silício na camada próxima à superfície e produz uma interface rugosa metal-óxido. A nitretação leva à formação de partículas na camada subsuperficial. Tanto a rugosidade da interface quanto as partículas de nitreto interagem com as paredes de domínio e dificultam a magnetização. A figura 2 mostra um exemplo do efeito da oxidação, medido pelo teor de oxigênio por unidade de superfície. O tamanho de grão ideal diminui com a oxidação, devido ao acréscimo na perda introduzido pela oxidação do aço durante o crescimento de grão.

4 A figura 3 mostra a variação das parcelas de perda por correntes parasitas (P e ), por histerese (P h ) e anômala (P a ) em função do tamanho de grão (dg), para duas condições distintas de teste. As amostras são de um aço com Si+Al = 3,85% e foram recozidas em atmosfera de H 2 com ponto de orvalho de -20 C. A perda total (P t ) é dada pela soma das três parcelas: de acordo com o modelo estatístico proposto por Bertotti (2) : [abaixo, à esquerda] Figura 3a, 3b, 3c e 3d Parcelas da perda magnética versus tamanho de grão, em função das condições de teste: [a] 0,4T e 20Hz; [b] 0,4T e 300Hz; [c] 1,0T e 20Hz; [d] 1,0T e 300Hz onde J m é a polarização máxima e f a freqüência de teste. Considerando que K h d g -0,5, que 4b K h d g e que K e independe do tamanho de grão, pode-se obter uma expressão para o tamanho de grão ideal que minimiza a perda magnética (d gi ) dada por: onde as constantes A e são aproximadamente 3,96x10 8 e 0,94, respectivamente, para o aço com Si+Al = 3,85%. Os gráficos da figura 2 e a expressão de d gi, acima, mostram que o tamanho de grão ideal que minimiza a perda magnética depende das condições de aplicação do material. Quando maior a freqüência, menor o tamanho de grão ideal. 3a 3b [à direita] Figuras 4a e 4b Permeabilidade J 50 versus perda magnética para aços convencionais e aços de alta eficiência Tabela 1 Propriedades mecânicas e magnéticas, e frações das componentes de textura para dois aços convencionais e dois de alta eficiência Grade E230 E105 Conv AP Conv AP YS (Mpa) c 3d UTS (Mpa) Alongamento (%) Dureza (HV) P 1.5/60 (W/kg)* 4,41 4,20 3,11 3,13 J 50 (T) 1,70 1,75 1,63 1,71 Anisotropia (%)** 5.0 8,7 9,0 10,0 Fração [001] II RD 0,14 0,21 0,13 0,16 Fração [111] II ND 0,21 0,12 0,22 0,17 AÇOS DE ALTA EFICIÊNCIA Aços que associam baixa perda e alta permeabilidade permitem a construção de máquinas mais eficientes e abrangem condições mais amplas de uso. Os gráficos da figura 4 mostram J 50 versus perda magnética a 1,5T/60Hz e a 1,0T/400Hz, para uma nova geração de aços ao silício de alta eficiência, ou de alta permeabilidade (AP), produzidos no Brasil. Na mesma figura são mostrados, também, os aços convencionais (Conv). Os aços de alta eficiência têm maior permeabilidade (J 50 ) que os convencionais, principalmente pela melhor textura e menor teor de elementos de liga, Si+Al. A tabela 1 mostra uma comparação de propriedades mecânicas e magnéticas, e de frações volumétricas das principais componentes de textura entre dois aços convencionais e dois de alta eficiência de perdas equivalente. Além da superioridade das propriedades magnéticas, os aços de alta eficiência têm também melhores propriedades mecânicas. *Após corte, 50% DL e 50% DT **100x(P dt -P dl )/(P dt +P dl ) Concluindo, a obtenção de textura cristalográfica mais favorável para as propriedades magnéticas e o controle do tamanho de grão permitem reduzir a perda magnética e elevar a permeabilidade do aço. Na produção de aços de alta eficiência, a melhor textura permitiu reduzir o teor de Si+Al, contribuindo para elevar ainda mais a permeabilidade. REFERÊNCIAS [1] CUNHA, M.A., JOHNSON, G.W., J. Mater. Sci. 26 (1991) [2] BERTOTTI, G., IEEE Trans. Magn. 24 (1988) 621. [3] CUNHA, M.A., PAOLINELLI, S.C., Mater. Sci. Forum (2002) 779. [4] CUNHA, M.A., PAOLINELLI, S.C., Materials Research 5, 3, (2002) 373.

5 ABSTRACT Semi-processed electrical steel sheets are submitted, after stamping, to a Aços elétricos semiprocessados para motores elétricos A otimização da microestrutura dos aços elétricos é fundamental para minimizar as perdas energéticas em máquinas elétricas Marcos Flávio de Campos mfcampos@inmetro.gov.br Taeko Yonamine Marcos Fukuhara Div. de Metrologia de Mat.., Inst. Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial Inmetro Frank P Missell Div. de Metrologia de Mat., Inst. Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial Inmetro Centro de Ciências Exatas e Tecnologia, Universidade de Caxias do Sul stress relief annealing, that also decarburizes, increases grain size and provides an insulating oxide layer between the sheets. Efficient motors should have: i) low copper losses in the windings (function of magnetic permeability), ii) low iron losses in the core (function of chemical composition, thickness, grain size and texture). Figura 1 Efeito da deformação plástica e de subseqüente recozimento sobre as perdas magnéticas [1] Aços elétricos são tema de grande interesse para o País. Estima-se que a indústria nacional consuma entre a ton/ano (incluem-se aqui todos os tipos de aços elétricos) e que 25% dos compressores de refrigerador do mundo inteiro os quais empregam aços elétricos sejam manufaturados no Brasil. Além disso, novas metas de eficiência de motores, recentemente estipuladas pelo governo brasileiro, acentuam a demanda por melhores materiais. Diversas empresas brasileiras de grande porte atuam nesse segmento. Por exemplo: CSN, Usiminas e Cosipa produzem aços elétricos semiprocessados (com teor de silício até 1%), enquanto que diversas outras, como Embraco, Tecumseh, WEG e SEW produzem motores e equipamentos com esses aços. Os aços elétricos semiprocessados distinguem-se dos totalmente processados pela necessidade de se realizar, por parte do usuário tipicamente o fabricante de motores um tratamento térmico denominado recozimento final. No processamento industrial, primeiro é realizado o corte das chapas de aço e montagem do estator dos motores. Após a montagem dos conjuntos rotor/estator, estes são submetidos a um tratamento térmico para eliminação de deformação plástica e alívio de tensões. O tratamento térmico, denominado recozimento final, tem ainda os seguintes objetivos: i) descarbonetação; ii) recristalização e/ou crescimento de grão para obtenção de um tamanho de grão ótimo; iii) obtenção de uma camada de óxido isolante entre as chapas ( azulamento ). O tratamento recozimento final, às vezes, é chamado stress relief annealing (ou alívio de tensões), termo muito comum na literatura internacional, porém não muito adequado, pois, como ressaltamos, os objetivos desse tratamento são bem mais amplos. TRATAMENTO TÉRMICO DOS AÇOS SEMIPROCESSADOS Os aços semiprocessados são fornecidos com um passe de encruamento da ordem de 4 8% de redução em espessura, o qual, após recristalização, leva o tamanho de grão à faixa μm, ideal para minimizar perdas. Outro motivo para o passe de encruamento é facilitar o processo de estampagem, pela redução do limite de escoamento, eliminando o escoamento descontínuo. O processo de estampagem introduz, sempre, alguma quantidade de deformação plástica. A figura 1 mostra que mesmo uma deformação muito pequena gera um grande aumento das perdas. O exemplo da figura 1 é para um aço GO (grão-orientado) deformado na direção de laminação. O recozimento foi realizado a 760ºC por 1 hora [1]. Este aumento de perdas explica porque os fabricantes de motores costumam realizar recozimento das chapas estampadas. É comum, até mesmo usuários de aços totalmente processados, realizarem o

6 Temperatura [ºC] 1º Estágio Descarbonetação 2º Estágio Azulamento Aquecimento Resfriamento Figura 2 Exemplo esquemático de um tratamento térmico de descarbonetação para aços elétricos semiprocessados [2] Tempo [h] tratamento térmico para eliminar as consequências negativas da deformação plástica sobre as propriedades magnéticas. Outro objetivo ao realizar o tratamento térmico é a descarbonetação do aço. O teor de carbono no aço em equipamentos e máquinas elétricas deve ser muito baixo (< 25 ppm), para evitar a deterioração das propriedades magnéticas quando em operação, caso ocorra a precipitação de carbonetos. Esse fenômeno é conhecido como envelhecimento magnético e pode gerar uma redução substancial na permeabilidade do aço. O teor de carbono inicial deve ser já razoavelmente baixo, para favorecer o processo de descarbonetação. Ou seja, de preferência, antes da descarbonetação o aço já deve estar no campo ferrítico, (Fe- ), pois a difusão do carbono na austenita (Fe- ) é bem mais lenta (na temperatura de 760ºC, austenita ocorre a partir de 160 ppm de carbono [2] ). Para evitar oxidação interna das chapas de aço durante a descarbonetação, é necessário controlar a atmosfera durante o processo. Até recentemente (1990), um tratamento típico em escala industrial consistia em uma atmosfera composta de vapor de H2O e N2 e uma pequena quantidade de H 2,, mas também CO e CO 2. Para evitar o fenômeno de oxidação subsuperficial, atualmente, recomenda-se uma atmosfera com apenas N 2, H 2 e H 2 O [2]. Um dos parâmetros mais importantes durante a descarbonetação é a razão das pressões parciais de vapor d'água e hidrogênio PH 2 O/PH 2 que é função do ponto de orvalho. Um procedimento industrial típico para evitar a formação de FeO durante a descarbonetação é temperatura de 760ºC e relação PH 2 O/PH 2 =0,35. Em um segundo estágio (ilustrado na figura 2), o tratamento denominado azulamento é realizado na temperatura de 550ºC empregando uma alta razão H 2 O/H 2,objetivando a formação de Fe 3 O 4 em vez de FeO, o qual não promove bom isolamento das chapas. O termo azulamento é devido à cor azulada da magnetita (Fe 3 O 4 ). PROPRIEDADES MAGNÉTICAS Qualquer discussão da eficiência de motores deve ser iniciada com o problema de redução das perdas, que ocorrem por efeito Joule em diferentes locais: no enrolamento (perdas no cobre P cobre ) e no indutor/estator (perdas no ferro P ferro ). Assim, dois parâmetros são fundamentais, em termos de propriedades magnéticas: perdas no ferro e a permeabilidade (esta última por causa das perdas no cobre). As perdas no cobre podem ser expressas como P=R I 2, onde R é a resistência e I é a corrente no enrolamento. Entre as maneiras de reduzir as perdas no cobre (em motores de indução), estão: i) reduzir o entreferro e ii) aumentar a permeabilidade do material magnético. Um material de permeabilidade alta pode ser magnetizado mais facilmente e isto significa que a corrente no enrolamento será menor. Portanto, a corrente é inversamente proporcional à permeabilidade do material e as perdas no cobre são [3] P 1/μr 2, onde μr é a permeabilidade média do circuito magnético.

7 As perdas no ferro P ferro costumam ser divididas em três contribuições [4],de acordo com a sua origem P ferro =P h +P cl +P an. As perdas quase-estáticas ou histeréticas P h são inversamente proporcionais ao tamanho de grão TG (equação 1). As perdas clássicas P cl tem origem nas correntes de Foucault no material e são proporcionais ao quadrado da espessura da chapa magnética, mas inversamente proporcionais à resistividade elétrica do Resistividade (μ.m) 0,22 0,20 0,18 0,16 Si Al material (equação 2). Perdas anômalas P an são proporcionais ao TG 1/2 e inversamente proporcionais à resistividade elétrica do material [5] (equação 3). 0,14 P Mn 0,12 (1) 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 (2) % em peso do elemento Figura 3 Efeito de P, Si, Al e Mn sobre a resistividade do Fe- (3) onde a 1, a 2 e a 3 são constantes experimentais, TG é tamanho de grão, B max é indução máxima, e é espessura, é resistividade, f é frequência, q é o coeficiente de Steinmetz, situado entre 1 e 2 (geralmente q=1,6 para aços elétricos). Estratégias para minimizar P Ferro frequentemente concentram-se em P cl e sugerem que a espessura da chapa magnética deve ser minimizada e a resistividade maximizada. Os principais elementos de liga nos aços elétricos são Si, Al, Mn e P, elementos que aumentam significativamente a resistividade (figura 3). O fósforo é considerado veneno em demais tipos de aços, pois é deletério para propriedades mecânicas, mas é deliberadamente adicionado em aços elétricos, por aumentar a resistividade (a adição de fósforo é restrita até 0,2%, pois fragiliza o aço, prejudicando o processo de laminação). O silício aumenta significativamente a dureza do aço (endurecimento por solução sólida) [3]. Isso costuma gerar problemas no processo de estampagem, pois aumentando a dureza, aumenta o desgaste da ferramenta. Esse detalhe também é relevante para o fabricante de motores. O teor de silício ideal (ou a resistividade ideal) do aço para um determinado motor não é fácil de se determinar. Devido ao elevado número de variáveis envolvidas, o melhor método de descobrir o teor ideal de silício do aço para um motor é por meio de uma bancada de motores, testando-se aços de diferentes composições químicas. De modo geral, quanto maior o motor, maior tende a ser o teor ideal de Si. No caso de motores que operam em altas rotações, as perdas no ferro tendem a assumir uma proporção maior do que em baixas rotações. Assim, motores que funcionam em altas rotações tendem a requerer aços com teor de Si maior do que motores de baixas rotações [3]. A escolha do teor de Si do aço depende também de outros detalhes do projeto do motor. Se este for projetado para atuar em campos aplicados H mais altos, o que é típico em motores pequenos, como por exemplo, os utilizados em pequenos eletrodomésticos, a indução é importante [6], e teores elevados de Si podem não ser adequados, pois o Si decresce a indução por reduzir a magnetização de saturação. Assim, para silício (de fato, para a soma silício+alumínio, e incluindo também fósforo ou manganês, elementos que aumentam significativamente a resistividade) existe um teor ótimo para cada motor. Minimizar ambos, P cobre e P ferro nem sempre é possível. Uma linha de trabalho é procurar minimizar o campo coercivo H c, pois 1/μ r H c e P h H c. Ou seja, variáveis que reduzem H c tendem a contribuir para diminuir ambos, P cobre e P ferro. Porém, existem exceções, por exemplo tamanho de grão, o qual aumenta P an. Deve ser notado que: (a) melhor textura cristalográfica sempre melhora ambos, Pcobre e Pferro; (b) para minimizar P cobre e P ferro, o aço deve ser o mais limpo possível, livre de inclusões e também

8 o,5% Si 1,5T / 60 Hz Pferro Ph Pcl Pan de impurezas como carbono e nitrogênio, que promovem Perdas (W/kg) envelhecimento magnético por formarem carbonetos e nitretos durante operação; (c) no caso do tamanho de grão, existe um tamanho de grão ótimo para as perdas no ferro, como mostrado na figura 4, onde diferentes passes de encruamento (4, 7, 8 e 12%) resultaram em diferentes tamanhos de grão (na faixa μm). Medidas de perdas foram realizadas em quadro de Epstein, no 3 equipamento Brockhaus MPG 100D, do Inmetro. A parcela anômala de perdas, P an, está diretamente relacionada à estrutura de domínios 2 no material. Reduzindo-se a distância entre as paredes de domínio, as perdas anômalas diminuem [7]. 1 Na figura 5 pode ser observada a evolução da estrutura de domínios durante o processo de magnetização, para campo magnético aplicado Figura 4 Perdas no ferro em função de tamanho de grão, para aço 0,5% Si recozido Tamanho de grão (μm) em material com orientação (110) [001]. As fotos da figura 5 foram obtidas por efeito Kerr, no Instituto de Física da USP. A diferença de coloração (efeito Kerr) indica que os a b momentos magnéticos dos domínios estão orientados em direções opostas. O campo H foi aplicado paralelamente à direção de laminação. TEXTURA DOS AÇOS Deve ser ressaltado que, melhorando a textura, melhoram tanto P cobre como P ferro. Portanto, a textura merece especial atenção nos esforços de otimização do material. c d Os eixos de fácil magnetização em um cristal de Fe- são as arestas do cubo, ou seja, as direções <100>. Portanto, queremos grãos com direções <100> paralelas ao plano da chapa. Grãos com índice 0, ou seja {100} ou {hk0}, são melhores para propriedades magnéticas. O plano {100} é o melhor, pois contém dois eixos de fácil magnetização. A melhor situação é planos {100} aleatoriamente distribuídos sobre a superfície da chapa. Ou seja, a textura ideal é {100} <0vw>. O tamanho de grão dos aços elétricos, por ser da ordem de 100μm ou mais, determina que EBSD Figuras 5a 5e Evolução da estrutura de domínios magnéticos de aço com grãos (110) [001], observada por efeito Kerr, para sucessivos campos magnéticos H (a seta indica a direção do campo aplicado), desde a condição desmagnetizada (primeira foto, acima) até próximo à saturação (última foto, ao lado) e (Electron-Back-Scattered-Diffraction) seja mais apropriado que difração de raios X para analisar textura. O problema de componentes de textura fantasma, é evitado usandose EBSD. Estes são chamados fantasma por serem falsos: são artefatos matemáticos produzidos no cálculo da função distribuição de orientações, a partir de figuras de polo medidas por difração de raios X. Após recristalização, as chapas de aço apresentam, tipicamente, dois principais componentes de textura: i) a fibra

9 METALURGIA & MATERIAIS566VOLUME62MAI2006 6a max = b max = Figuras 6a, 6b e 6c [a] Mapa OIM das orientações dos grãos da amostra com TG=604 μm da figura 4, com respectiva ODF, corte 2 =45º, Notação de Bunge [b] Mapa OIM das orientações dos grãos da amostra com TG=69 ºm da figura 4, com respectiva ODF, corte 2 =45º, Notação de Bunge [c] Código da Figura de Polo Inversa, para interpretação das OIMs Figuras 6a e 6b REFERÊNCIAS [1] CASTRO, N. A., CAMPOS, M. F. de, LANDGRAF, F.J.G.. J. Magn. Magn. Mater, no prelo, e 61º Congresso da ABM, 2006, a ser apresentado. <111>//DN (DN=direção normal à superfície da chapa) e ii) fibra <110>//DL (DL=direção de laminação), como visto na figura 6. Nela vê-se imagens dos grãos com as suas orientações indicadas pela cor, conhecidas como OIM (Orientation Imaging Microscopy) e a Função Distribuição de Orientações ODF (Orientation Distribution Function). As medidas foram realizadas no microscópio eletrônico de varredura FEI Quanta 200 SEM, equipado com sistema TSL para análise EBSD do Inmetro. Os aços elétricos para motores têm evoluído muito e prometem avanços ainda maiores, à medida que cresce o nosso conhecimento da relação entre microestrutura e propriedades magnéticas. AGRADECIMENTOS Os autores tiveram discussões úteis com o Professor Dr. Fernando J. G. Landgraf. Apoio financeiro: CNPq-Prometro, Finep e CNPq/CT-Energ. [2] CASTRO, J. A. de, CAMPOS, M. F. de. Modelamento matemático do tratamento térmico de descarbonetação em aços elétricos. Anais do 60o Congresso da ABM, [3] TAKASHIMA, M., MORITO, N., HONDA, A., MAEDA, C. IEEE Trans. Magn. 35, (1999). [4] BRAILSFORD, F., Physical principles of magnetism (Van Nostrand, London, UK, 1966). [5] CAMPOS, M. F. de. Microestrutura, textura e propriedades magnéticas em aços Elétricos. Tese de Doutorado. Escola Politécnica da USP, [6] FISHER, O., SCHNEIDER, J., J. Magn. Magn. Mater , (2003). [7] SATO, K., ISHIDA, M., HINA, E.. Kawasaki Steel Technical Report, nº 39, (1998).