Para O Que Serve o Nióbio?

Neste artigo vamos explicar para o que serve o Nióbio e quais são suas aplicações dentro da indústria e da sociedade!

O Nióbio é um dos principais insumos brasileiros, o qual se encontra, na terceira ou quarta posição dos metais mais exportados do Brasil dependendo do ano. Descoberto em 1801, o Nióbio é capaz de transformar materiais em soluções mais eficientes e inteligentes.

O que se faz com o Nióbio?

O Nióbio começou a ser utilizado no século XX. Atualmente se usa o nióbio na produção de condutores de fluidos (petróleo e água) como componente das ligas de aço.

Existem promessas da utilização do metal em veículos elétricos, a CBMM investiu o equivalente a 7,2 milhões de dólares no desenvolvimento de baterias à base de óxido de nióbio.

“O nióbio na forma de óxido de nióbio de alta pureza, ele entra nos eletrodos da bateria, ele permite que essa bateria seja carregada rapidamente. O que que é rápido? Em seis minutos, sete minutos. Aqui na Expo Dubai estamos mostrando o futuro. Ainda existe espaço para usar aço de maior resistência e, portanto, fazer mais com menos. Quando nós vamos para a mobilidade, aí nós estamos falando de mobilidade elétrica, e aí a nossa bateria certamente será uma solução importante. O nióbio de Araxá fazendo parte do que serão utilizadas no mundo todo”
contou à Rádio Itatiaia o Eduardo Ribeiro, CEO da CBMM

Certamente a companhia defende que a adesão do metal ao sistema de baterias aumenta a vida útil e a segurança e torna as recargas mais rápidas.

Contudo, existem as implementações atuais do metal no mercado, confira algumas delas:

Aplicações Hipoalergênicas: Joias e Medicamentos

Ele é tratado com hidróxido de sódio, formando-se um camada porosa utilizadas nos tratamentos de osseointegração.

Ainda tem uso em outros dispositivos médicos, como o marca-passo, pois suas ligas metálicas são fisiologicamente inertes ou sem movimento próprio e com características hipoalergênicas, ou seja, que produz poucas substâncias alérgicas.

Pelo motivo acima, também usamos nióbio na fabricação de joias. pois sua característica lustrosa confere brilho desejável às peças, e também o metal possui propriedades hipoalérgicas, agregando ainda mais valor a essa finalidade.

Eletrocerâmicas

O niobato de lítio é um material com propriedades ferromagnéticas, usados na produção de telefones celulares e na fabricação de aparelhos de superfície de ondas acústicas. Feito da estrutura ferroelétrica da perovskita, como do tantalato de lítio e do tantalato de bário.

São uma alternativa mais econômica para o desenvolver capacitores, apesar da predominância dos capacitores de tântalo. O nióbio é adicionado com o vidro para aumentar a refração, uma propriedade utilizada na fabricação de óculos de grau.

O pentóxido de nióbio (Nb₂O₅) também é uma cerâmica conveniente para a obtenção de sensores de pH, de lentes óticas e nos filtros especiais para receptores de TV, entre outros.

Ímãs Supercondutores

O scanner da máquina de ressonância magnética utiliza uma liga de nióbio supercondutora.

Os compostos de nióbio-germânio (Nb₃Ge), nióbio-escândio e as ligas de nióbio-titânio são tipos de semicondutores II como fios de ímãs supercondutores. Estes ímãs supercondutores são utilizados nos instrumentos das máquinas de imagens por ressonância magnética e nas de ressonância magnética nuclear, como também, nos aceleradores de partículas.

Usamos o nitrito de nióbio na produção de micro bolômetros, sendo um detector ideal de radiação eletromagnética. No entanto também foram testados em diversos telescópios ao redor do mundo. Atualmente, está sendo testado nos instrumentos de HIFI nas placas do Observatório Espacial Herschel.

As propriedades de supercondutividade fazem do nióbio metálico um componente essencial na composição de equipamentos como ressonância magnética de geração de imagens para diagnósticos médicos. Os compostos de nióbio-germânio (Nb3Ge), nióbio-escândio e as ligas de nióbio-titânio são utilizados como tipos de semicondutores II, como fios de ímãs supercondutores.

O scanner da máquina de imagens faz uso desses imãs supercondutores. Os aceleradores de partículas de alta energia faz uso de nióbio metálico em temperaturas criogênicas pela mesma razão. O Grande Colisor de Hádrons é um exemplo, utilizando 600 toneladas de cordões supercondutores de Nb3Sn e cerca de 250 toneladas de cordões supercondutores de NbTi;

Ligas Metálicas com Base de Nióbio

A liga C-103 foi desenvolvida no início dos anos de 1960, outras companhias deste setor industrial, simultaneamente, desenvolveram também as ligas metálicas baseadas em nióbio, incentivadas pela Guerra Fria e a Corrida Espacial. No entanto a sensibilidade do nióbio em contato com o oxigênio requisitava dos fabricantes a construção de um sistema a vácuo ou de atmosfera inerte, o que aumentava significativamente os custos e tornavam a produção mais complicada.

Os processos de fabricação solda por difusão a vácuo e a fusão por feixe de elétrons, que eram as inovações na época, permitiram a aplicação de metais reativos como o nióbio. Portanto as aplicações incluem a produção de componentes das turbinas a gás e nos metais líquidos dos permutadores de calor.

Próteses de nióbio e titânio

Ligas metálicas de alta tecnologia, usadas para fabricar supercondutores e peças de reatores de fusão nuclear, estão sendo reinventadas para um uso igualmente nobre: próteses para implantes biomédicos.

A primeira fase do trabalho consistiu na produção das ligas na forma de pós metálicos que cumprissem uma série de exigências necessárias para trabalhar com o sistema de deposição da manufatura aditiva, ou impressão 3D.

Os primeiros protótipos de próteses de quadril – placas angulares do fêmur – estão sendo fabricadas pelo Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (Senai) de Joinville (SC).

Além do IPT, participam do projeto a Associação de Assistência à Criança Deficiente (AACD), a Associação Brasileira de Pesquisa e Inovação Industrial (Embrapii), a Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM), a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) e o Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Poli-USP.

Produção de Aço

O Nióbio é um elemento eficiente para o aço. A adição deste elemento químico ocasiona a formação de carboneto de nióbio e do nitreto de nióbio dentro da estrutura do aço. Acima de tudo estes compostos melhoram o refinamento do grão, retardam a recristalização e o endurecimento por precipitação do aço.

Estes efeitos por sua vez aumentam à resistência, força, conformabilidade e soldabilidade das microligas de aço. As microligações de aços inoxidáveis têm um teor de nióbio inferior a 0,1%. Esta é uma liga importante no aço de alta resistência e baixa liga, uma vez que participa da indústria automobilística devido a sua grande resistência.

Ambientalmente é positivo, pois menos aço resulta em menos emissão de CO₂. Acima de tudo a adição de nióbio reduz a porcentagem de carbono no aço, melhorando sua capacidade de soldabilidade. Também atende às exigências legais quanto a terremotos e incêndios. Um exemplo de uma dessas estruturas são as torres eólicas e de transmissão, os trilhos e rodas ferroviários, construção de navios e plataformas marítimas de petróleo, pontes, edifícios e aeroportos.

“O nióbio quando junto ao aço controla o crescimento e a homogeneidade dos grãos em sua micro estrutura. Esse mecanismo é o único capaz de aumentar, simultaneamente, propriedades mecânicas de dureza e tenacidade. Ele faz com que o limite de escoamento, zona de deformação plástica ou ponto de deformação permanente, seja maior se comparado aos aços convencionais.
E na pratica, o que isso muda?
A engenharia consegue gastar menos aço, reduzindo o peso de veículos, prédios e pontes, por exemplo. Em todos esses projetos, o uso de aços com Nióbio melhora as condições de segurança, reduz custos e a emissões de gases de efeito estufa. Estes são alguns dos efeitos do Nb.”

HUGO ROSA – Manager – CBMM

Superligas

O bocal de escapamento da nave Apollo 15, visto aqui em órbita lunar, utiliza liga de nióbio-titânio.

Uma liga utilizada para os bocais de propulsão dos foguetes de combustível líquido, em especial nos motores do Módulo Lunar Apollo, é a liga de nióbio C-103 que é composta de 89% de nióbio, 10% de háfnio e 1% de titânio.

Quantidades consideráveis do nióbio, são utilizadas em superligas de ferro, níquel e cobalto para a produção de componentes de motores a reação, nas turbinas a gás, subligações de foguetes, turbocompressores, resistências à calor e equipamentos de combustão. Por outro lado as ligas possuem 6,5% de nióbio com uso em sistemas de purificação de ar.

A resistência a temperaturas elevadas faz com que ligas com nióbio sejam ideais na fabricação de turbinas de produção de energia ou de aviões. Nesse caso, as chamadas superligas grau vácuo são fundamentais.

Nesses casos a peça ganha um RECURSOS de revestimento para evitar que se torne quebradiça, já que o nióbio é oxidado em temperaturas de 400°C;

A superliga utilizada nos sistemas de purificação de ar do programa Gemini, da NASA, é formada com cerca de 50% de Ni, 18,6% de Cr, 18,5% Fe, 5% de Nb, 3,1% Mo, 0,9% de Ti, e 0,4% de Al. Mas as superligas podem ser geradas a partir da liga ferro-nióbio ou níquel-nióbio ou, ainda, do nióbio metálico.

Outras Aplicações

• Utilizado em indústrias nucleares devido a sua baixa captura de nêutrons termais;
• O nióbio se converte num supercondutor quando reduzido à temperaturas criogênicas. Na pressão atmosférica (e quando puro) tem a mais alta temperatura crítica entre os elementos supercondutores de tipo I, 9,3 Kelvin. Além disso, é um elemento presente em ligas de supercondutores que são do tipo II, significando que atinge a temperatura crítica a temperaturas bem mais altas que os supercondutores de tipo I;
• É um material da solda por arco elétrico pela capacidade de quimicamente estável de aço inoxidável;
• O nióbio é um componente importante dos catalisadores heterogêneos de alto desempenho para a oxidação seletiva de propano em ácido acrílico;
• Um metal precioso nas moedas comemorativas, apenas com prata ou ouro. Por exemplo, a Áustria produziu uma série de moedas de euro de prata e nióbio a partir de 2003, a sua coloração é dada pelo fenômeno de difração da luz, graças a uma fina camada de óxido;

Principais formas de comercialização do nióbio

A CBMM, ao contrário de outros metais, como o ferro, não comercializa o nióbio como mineral ou concentrado.

A empresa vende este elemento em forma de produtos, principalmente, na forma de ferronióbio, que é a mistura do nióbio com outros metais.

O aço que leva ferronióbio é utilizado em diversas aplicações, como para produzir automóveis, pontes e navios. O alumínio, somado ao ferronióbio, garantem maior segurança, leveza, performance e eficiência ao produto. Além disso, o nióbio ajuda a resolver complexos desafios de engenharia, possibilitando economia e eficiência de materiais.

Óxidos de nióbio (em forma de pó)

Os óxidos de nióbio são utilizados, principalmente, na fabricação de ligas especiais, na forma de óxidos, principalmente o Nb₂O₅. Os principais usos são:

• Lentes óticas
• Capacitores cerâmicos
• Sensores de pH
• Peças de motor
• Joias

Ligas de grau vácuo (liga metálica com nióbio)

As ligas de grau vácuo (ferronióbio grau vácuo e níquel-nióbio grau vácuo) são comumente aplicadas para a fabricação de motores de aeronaves e turbinas terrestres de geração de energia elétrica.

A adição de nióbio à uma liga aumenta a sua temperabilidade, ou seja, a capacidade de endurecer quando exposta ao calor e depois arrefecida. Com isso, o material que contém nióbio pode ser submetido a tratamentos térmicos específicos.

A afinidade do nióbio com carbono e nitrogênio favorece as propriedades mecânicas da liga, aumentando, por exemplo, a resistência mecânica e a resistência ao desgaste abrasivo.

Esses efeitos são benéficos pois podem ampliar as aplicações industriais de uma liga.

O aço, por exemplo, é uma liga metálica formada por ferro e carbono. A adição de nióbio a essa liga pode trazer vantagens para:

• Indústria automotiva: produção de um carro mais leve e mais resiste à colisão.
• Construção civil: melhora a soldabilidade do aço e confere maleabilidade.
• Indústria de dutos de transportes: permite construções com paredes mais finas e diâmetros maiores, sem afetar a segurança.

Nióbio metálico (metal com grande concentração de nióbio)

O nióbio metálico é utilizado na indústria química em função do seu poder de possibilitar maior resistência à corrosão.