Metaloide: Metaloide Chave em Ligas de Aço e Processos de Fabricação

Definição e Propriedades Básicas

Metaloide é um elemento metaloide caracterizado por propriedades intermediárias entre metais e não-metais. No contexto da metalurgia do aço, geralmente se refere a elementos como silício (Si), boro (B) ou germânio (Ge), que exibem comportamento metaloide e influenciam significativamente as propriedades do aço. Esses elementos possuem uma estrutura atômica/molecular mista, com arranjos atômicos que incluem características de ligação metálica e covalente.

Como um elemento na tabela periódica, os metaloides estão tipicamente localizados ao longo da linha "em degraus" que separa metais e não-metais. Por exemplo, o silício (número atômico 14) é um metaloide com uma estrutura cristalina semelhante ao diamante, exibindo uma rede covalente. O boro (número atômico 5) forma compostos complexos e exibe uma estrutura cristalina ou amorfa dependendo de sua forma.

Fisicamente, os metaloides no aço são frequentemente introduzidos em pequenas quantidades, mas suas propriedades físicas são relevantes para suas funções. O silício, por exemplo, aparece como um pó cristalino ou amorfo de cor cinza escuro com uma densidade de aproximadamente 2,33 g/cm³. Ele derrete a cerca de 1.414°C e tem um ponto de fusão alto, tornando-o adequado para aplicações em aço de alta temperatura. O boro, em contraste, é geralmente adicionado como compostos de boro ou ligas de ferroboro, com pontos de fusão em torno de 2.300°C, e aparece como um sólido quebradiço e escuro.

Papel na Metalurgia do Aço

Funções Primárias

Metaloides como silício e boro desempenham papéis críticos na fabricação de aço, principalmente como elementos de liga que modificam a microestrutura e melhoram propriedades específicas. O silício é um potente desoxidante, reduzindo o teor de oxigênio durante a produção de aço, e atua como um fortalecedor de solução sólida. O boro, mesmo em quantidades mínimas, melhora dramaticamente a endurecibilidade e a resistência, especialmente em aços de baixo teor de liga.

Esses elementos influenciam o desenvolvimento de microestruturas ao afetar transformações de fase. O silício estabiliza a ferrita e suprime a formação de carbonetos, levando a estruturas de grão refinadas. O boro melhora a transformação martensítica, permitindo que os aços alcancem maior dureza e resistência a taxas de resfriamento mais baixas.

Os metaloides são integrais para definir classificações de aço. Por exemplo, os aços siliciosos são categorizados como aços elétricos com propriedades magnéticas específicas, enquanto os aços de boro são reconhecidos por sua alta endurecibilidade e resistência ao desgaste.

Contexto Histórico

O uso de silício no aço remonta ao início do século 20, inicialmente como um desoxidante para melhorar a limpeza do aço. Seu papel nos aços elétricos foi reconhecido na década de 1930, levando ao desenvolvimento de graus de aço elétrico ricos em silício.

A importância metalúrgica do boro foi descoberta na década de 1950, quando pesquisadores observaram seu profundo efeito na endurecibilidade do aço. A compreensão do papel do boro em aços microaleados avançou rapidamente, levando ao desenvolvimento de aços de alta resistência e baixo teor de liga com conteúdo otimizado de boro.

Graus de aço marcantes, como aços elétricos siliciosos (por exemplo, aços com 2% de Si) e aços de alta resistência de baixo teor de liga (HSLA) contendo boro exemplificam a importância desses metaloides na tecnologia moderna do aço.

Ocorrência no Aço

No aço, o silício geralmente varia de 0,5% a 4,0% em peso, dependendo do grau e da aplicação. Aços elétricos frequentemente contêm 2-3% de Si, enquanto aços estruturais podem ter níveis mais baixos em torno de 0,2-0,5%. O boro é geralmente adicionado em quantidades traço, muitas vezes menos de 0,005%, como ferroboro ou compostos de boro.

O silício é adicionado deliberadamente como um elemento de liga, enquanto o boro, apesar de sua eficácia em baixas concentrações, pode às vezes ser uma impureza se presente involuntariamente. Dentro do aço, esses metaloides estão principalmente em solução sólida, mas o boro também pode formar boretos complexos ou precipitados que influenciam a microestrutura.

Efeitos e Mecanismos Metalúrgicos

Influência Microestrutural

O silício influencia a microestrutura estabilizando a ferrita e suprimindo a formação de cementita, levando a um tamanho de grão refinado. Ele também promove a formação de uma microestrutura uniforme e de grão fino durante o processamento termomecânico.

O boro melhora a formação de martensita durante o resfriamento ao reduzir a temperatura de transformação, aumentando assim a endurecibilidade. Ele interage com carbono e nitrogênio para formar boretos, que podem atuar como locais de nucleação ou fortalecer a matriz.

Silício e boro interagem com outros elementos de liga, como manganês, cromo e molibdênio, afetando a estabilidade de fase e a cinética de transformação. A presença de silício pode retardar a precipitação de carbonetos, enquanto os efeitos do boro são altamente dependentes da concentração.

Efeito nas Propriedades Chave

As propriedades mecânicas são significativamente afetadas: o silício aumenta a resistência à tração e a dureza através do fortalecimento por solução sólida, enquanto o boro melhora a tenacidade e a resistência ao desgaste devido à sua influência na microestrutura.

Fisicamente, o silício melhora a condutividade elétrica em aços elétricos, vital para núcleos de transformadores, e melhora a permeabilidade magnética. A adição de boro aumenta a saturação magnética do aço e reduz as perdas no núcleo.

Quimicamente, o silício melhora a resistência à oxidação em altas temperaturas, tornando-o adequado para aplicações em alta temperatura. O boro melhora a resistência à corrosão em certos graus de aço ao estabilizar camadas de óxido protetoras.

Mecanismos de Fortalecimento

O silício fortalece principalmente o aço através do fortalecimento por solução sólida, onde seus átomos distorcem a rede, impedindo o movimento de discordâncias. O mecanismo de fortalecimento do boro envolve promover a transformação martensítica e formar boretos que dificultam o movimento de discordâncias.

Quantitativamente, um aumento de 1% no teor de silício pode elevar a resistência à tração em aproximadamente 20-30 MPa, dependendo do grau de aço. O efeito do boro na endurecibilidade pode ser tão alto quanto um aumento de 50% na profundidade de endurecimento com adições traço (~0,001%).

Microestruturalmente, a presença de silício refina o tamanho do grão, enquanto o boro modifica os comportamentos de transformação, levando a uma maior resistência e tenacidade.

Métodos de Produção e Adição

Fontes Naturais

O silício é obtido principalmente de minerais de sílica (SiO₂) como quartzo e areia. A extração envolve redução carbotérmica em fornos de arco elétrico, produzindo ligas de ferrosilício com diferentes teores de silício.

O boro é extraído de minerais ricos em boro, como borato e kernita. Comercialmente, o boro é produzido através de processamento químico, sendo então ligado ao ferro para produzir ferroboro ou adicionado como compostos de boro.

A disponibilidade global de ferrosilício e ferroboro é alta, com grandes produtores na China, Rússia e EUA. Esses elementos são estrategicamente importantes para a fabricação de aço, especialmente em aços de alto desempenho.

Formas de Adição

O silício é adicionado principalmente como ligas de ferrosilício, contendo tipicamente 75-90% de Si. Ligas de ferroboro, com 4-10% de B, são comuns para a adição de boro. Alternativamente, o boro pode ser introduzido via óxido de boro (B₂O₃) ou carbeto de boro (B₄C), especialmente em aplicações especializadas.

A preparação envolve fusão e ligações em fornos de arco elétrico ou metalurgia de panela. O manuseio requer precauções contra poeira e inalação, especialmente para pós.

Tempo e Métodos de Adição

O silício é geralmente adicionado