Silício – influência nas propriedades do aço para molas, aço resistente ao calor e outros.
A descoberta do silício e sua importância na metalurgia.
O silício, como elemento químico, foi descoberto em 1823 por Jöns Jakob Berzelius, o que deu início ao seu uso posterior na metalurgia. Embora seu papel tenha sido inicialmente subestimado, o desenvolvimento dinâmico da indústria siderúrgica no século XIX permitiu uma compreensão mais detalhada da influência do silício nas propriedades do aço. Um ponto de virada crucial foi a descoberta de que o silício melhora a resistência mecânica e a resistência à corrosão, o que possibilitou seu uso generalizado em diversas indústrias.
Silício – propriedades físico-químicas
| Parâmetro | Dados antigos (enciclopédia) | Dados contemporâneos (IUPAC / CRC 2023) |
| Símbolo químico | Si | Si |
| Número atômico Z | 14 | 14 |
| Massa atômica [u] | 28,09 | 28,085 |
| Grupo na tabela periódica | 14 (transportadores de carvão) | 14 (transportadores de carvão) |
| Configuração eletrônica | [Ne] 3s²3p² | [Ne] 3s²3p² |
| Densidade (20 °C) [g/cm³] | 2,33 | 2,329 |
| Temperatura de fusão [° C] | 1410 ° C | 1414 ° C |
| Ponto de ebulição [°C] | 2355 ° C | 3265 ° C |
| Dureza (Mohs) | ~ 6,5–7 | 6,5-7 |
| Cor e aparência | acinzentado, com brilho metálico, quebradiço | acinzentado, com brilho metálico, quebradiço |
| Módulo de Young (E) [GPa] | sem dados | ~130–188 (dependendo da direção do cristal) |
| Condutividade elétrica | semicondutor | semicondutor |
| Condutividade térmica [W m⁻¹ K⁻¹] | sem dados | ~ 148 |
| Calor específico cp [J kg⁻¹ K⁻¹] | sem dados | 705 |
| Entalpia de fusão [kJ/mol] | sem dados | ~ 50,2 |
| Entalpia de vaporização [kJ/mol] | sem dados | ~ 359 |
| Eletronegatividade (Pauling) | ~ 1,8 | 1,90 |
| Isótopos estáveis | ²⁸Si, ²⁹Si, ³⁰Si | ²⁸Si (92,2%), ²⁹Si (4,7%), ³⁰Si (3,1%) |
Caracterização química
- O silício é um semimetal e possui uma estrutura cristalina semelhante à do diamante.
- Em condições normais, é resistente ao oxigênio graças à camada de passivação de SiO₂.
- Não reage com água e com a maioria dos ácidos (exceção: HF, onde forma SiF₄ volátil).
- Reage com bases para formar silicatos.
- Um importante elemento de liga em aços – melhora a temperabilidade, a resistência à fluência, atua como desoxidante e estabilizador da estrutura ferrítica.
- Na eletrônica, é um semicondutor básico – a base de microprocessadores, células fotovoltaicas e sensores.
Uso inicial do silício na metalurgia
Na primeira metade do século XIX, o silício começou a ser usado principalmente como desoxidante em processos metalúrgicos. Sua capacidade de se ligar ao oxigênio e formar escórias permitia a remoção de inclusões indesejáveis do aço fundido, melhorando sua homogeneidade, eliminando a porosidade e aumentando a pureza estrutural. Com o tempo, reconheceu-se que um maior teor de silício afetava as propriedades mecânicas do aço, levando à adição deliberada desse elemento como componente de liga.
O silício apresenta solubilidade variável nas estruturas do ferro. No ferro γ ( austenita ) , dissolve-se em até 2% , mas na presença de 0,35% de carbono, sua solubilidade aumenta para 9%. No ferro α ( ferrita ) , o silício atinge uma solubilidade de até 18,5% , tornando-o extremamente importante em aços submetidos a altas cargas mecânicas e térmicas.
A influência do silício nas propriedades do aço
O silício afeta significativamente a microestrutura e as propriedades funcionais do aço. Sua presença causa:
- Aumento da dureza e da resistência à tração – O silício reduz o número de defeitos na estrutura de aço e melhora sua homogeneidade.
- Aumento da elasticidade – importante em aços para molas e estruturas metálicas.
- Maior resistência à corrosão por gases e à oxidação. – fundamental em aços resistentes ao calor e a ácidos.
- Redução na resistência ao impacto – Um alto teor de silício pode tornar o aço mais quebradiço, o que exige o controle de sua quantidade na composição da liga.
Até 0,4% de silício é considerado um resíduo natural do processo de desoxidação do aço. No entanto, em níveis mais elevados, torna-se um elemento de liga fundamental, determinando os parâmetros de desempenho de vários tipos de aço.
Silício em aços para molas
Nos aços para molas, o silício é combinado com cromo, vanádio ou manganês. Essa combinação de elementos melhora a resistência à fadiga , o que é crucial para componentes sujeitos a cargas dinâmicas repetidas. Esses aços são usados em:
- Automotivo – molas de suspensão, amortecedores, estabilizadores.
- Indústria de máquinas – elementos expostos a cargas cíclicas.
- Aviação – Componentes de aeronaves que exigem alta elasticidade e resistência a fissuras.
Silício em aços resistentes ao calor
Graças à sua capacidade de formar uma camada de óxido estável na superfície da liga, o silício aumenta a resistência do aço à oxidação em altas temperaturas. Em aços resistentes ao calor, ele é frequentemente usado em combinação com cromo, molibdênio e alumínio , proporcionando excepcional estabilidade estrutural em temperaturas que variam de 900 a 1100 °C . Esses aços são utilizados em aplicações como:
- Caldeiras e turbinas a vapor – componentes expostos a gases quentes.
- fornos industriais – grelhas, câmaras de combustão, coberturas térmicas.
- Sistemas de escape e válvulas do motor – onde a resistência à oxidação e à corrosão por enxofre gasoso é importante.
Silício em aços especiais
Nos aços para válvulas utilizados em motores de combustão interna, o teor de silício chega a 3% , o que melhora a resistência a altas temperaturas e aos efeitos agressivos dos gases de escape.
As ligas de ferro com 12–18% de silício apresentam resistência excepcional aos ácidos sulfúrico e nítrico , tornando-as indispensáveis na indústria química. Esses aços são utilizados em:
- Tanques para armazenamento de produtos químicos agressivos.
- Oleodutos industriais resistente à corrosão ácida.
- Aparelhos químicos, onde é necessária alta resistência a ambientes ácidos.
Silício, endurecibilidade e processamento de plásticos
A adição de silício afeta a temperabilidade do aço, especialmente quando combinada com elementos formadores de carbonetos, como manganês, cromo ou molibdênio . Aços com alto teor de silício são caracterizados por maior resistência à abrasão e menores perdas de energia durante os processos operacionais.
No entanto, o excesso de silício pode prejudicar o trabalho a frio , limitando seu uso em aços estruturais à faixa de 4 a 7% . Acima desse valor, o aço torna-se difícil de conformar e usinar.
Aços magnéticos – uma aplicação fundamental do silício
Uma das aplicações mais importantes do silício em aços é seu papel em aços elétricos. O silício, em quantidades de 1 a 3%, reduz significativamente as perdas por histerese , melhorando a eficiência de transformadores, geradores e motores elétricos.
Propriedades do silício em aços magnéticos:
- Aumenta a resistência elétrica, reduzindo as perdas por correntes parasitas.
- Melhora a permeabilidade magnética, o que permite um melhor desempenho dos núcleos dos transformadores.
- Reduz a magnetostrição, que reduz o ruído gerado por dispositivos elétricos.
Graças a essas características, os aços silício são amplamente utilizados na indústria de energia e na produção de equipamentos elétricos.
O silício, um elemento de liga versátil, desempenha um papel fundamental na produção de aço com diversas propriedades. Sua influência na dureza, resistência à corrosão e resistência à temperatura permite a criação de ligas especializadas, como:
Aços para molas – aumento da resistência e da elasticidade.
50HS – Aço para molas com teor elevado de silício e manganês, caracterizado por alta elasticidade e resistência à fadiga. Utilizado na produção de molas, molas de suspensão e amortecedores.
C67S – Aço carbono para molas com teor de carbono aproximado de 0,67%, apresentando boa temperabilidade e alta resistência à abrasão. É utilizado na produção de molas, cintas de mola e ferramentas com dureza aumentada.
C75S – Aço para molas com teor de carbono de aproximadamente 0,75%, caracterizado por alta resistência mecânica e boa elasticidade. Utilizado na produção de molas técnicas, ferramentas manuais e lâminas.
C85S – Aço de alto carbono (aprox. 0,85% C) com alta dureza após têmpera e excelente resistência ao desgaste. Utilizado na produção de facas, molas, lâminas e ferramentas que exigem alta resistência mecânica.
C100S – Um aço para molas com teor de carbono muito elevado (aproximadamente 1,00% C), que proporciona a maior dureza e resistência à abrasão. Utilizado na produção de molas de precisão, lâminas de ferramentas e componentes que exigem extrema dureza.
Aços resistentes ao calor – resistência à oxidação em altas temperaturas.
H13JS – Um aço ferrítico resistente ao calor com aproximadamente 13% de Cr e um aditivo de silício, que melhora a resistência à oxidação e a gases agressivos. Utilizado em trocadores de calor, fornos e componentes de fornos que operam em altas temperaturas.
H18JS – Aço resistente ao calor com aproximadamente 18% de Cr e aditivo de silício, que aumenta a estabilidade da camada protetora de óxido. Apresenta alta resistência à oxidação e à corrosão por gases, sendo adequado para uso em fornos industriais, dutos de exaustão e equipamentos químicos.
H24JS – Aço resistente ao calor com alto teor de cromo (aprox. 24% Cr) e teor significativo de silício, o que aumenta a resistência a atmosferas oxidantes e sulfurosas. É utilizado em instalações de alta temperatura nas indústrias metalúrgica e de energia.
1.4828 – Um aço austenítico resistente ao calor (aprox. 19% Cr, 11% Ni) com adição de silício, que melhora a resistência à oxidação até 1000 °C e a estabilidade estrutural em altas temperaturas. Utilizado em sistemas de exaustão, queimadores a gás e componentes de fornos industriais.
1.4841 – Aço austenítico resistente ao calor (aprox. 25% Cr, 20% Ni) com adição de silício, que aumenta a resistência à oxidação e à corrosão por gases até 1100 °C. Utilizado em turbinas, caldeiras industriais, sistemas de aquecimento e altos-fornos, onde se exige alta estabilidade em condições de temperatura extremas.
Aços para válvulas – resistência a altas temperaturas em motores de combustão.
H9S2 – Um aço ferrítico resistente ao calor com aproximadamente 9% de Cr e 2% de Si, onde o silício melhora a resistência à oxidação e à corrosão por gases em altas temperaturas. Utilizado em componentes de fornos, trocadores de calor e instalações que operam em condições de alta temperatura.
H10S2M – Um aço ferrítico resistente ao calor com aproximadamente 10% de Cr, 2% de Si e adição de molibdênio, o que aumenta a resistência à corrosão em atmosferas sulfurosas. Devido à presença de silício, apresenta alta estabilidade a temperaturas de até 1000 °C. Utilizado nas indústrias de energia e química.
Aços magnéticos – Otimização das perdas de energia em dispositivos elétricos.
Graças às pesquisas em andamento sobre os efeitos do silício no aço, podemos esperar o desenvolvimento de novas tecnologias metalúrgicas ainda mais avançadas.