Materiais Amorfos - Cpdee - UFMG

Resumo—Os materiais amorfos possuem propriedades
únicas. Feitos a partir da rápida solidificação de ligas metálicas
apresentam fácil magnetização devida ao fato de seus átomos se
encontrarem arranjados de maneira aleatória, facilitando a
orientação dos domínios magnéticos. Transformadores usando
núcleo de metais amorfos exibem perdas que são 60% a 70%
menores que os transformadores convencionais. Este artigo visa
uma discussão sucinta a respeito das aplicações destes materiais.
I
I. INTRODUÇÃO
NICIALMENTE, os metais amorfos eram formados pela
deposição de vapor de metal a temperaturas criogênicas.
As primeiras ligas eram finos filmes de materiais tais como
bismuto e germânio, e não possuíam aplicação prática por
serem muito instáveis à temperatura ambiente e terem que ser
mantidas a temperaturas próximas do zero absoluto para
manterem suas características amorfas. A primeira evolução
foi obtida quando se passou a fabricar os metais amorfos
através do resfriamento rápido de metais no estado líquido,
necessitando para tanto taxas de variação de temperatura na
ordem de 10 6 K/s. Como matéria prima, eram usadas
misturas de metais tais como prata e cobre, prata e germânio,
ouro e silício, e paladium e silício.
O próximo estágio do desenvolvimento dos metais amorfos
foi atribuir propriedades ferromagnéticas às ligas através da
tentativa de varias combinações de materiais. Ironicamente,
uma combinação com características magnéticas satisfatória
foi obtida por acidente ao se combinar aço, fósforo e carbono.
Mas, a dificuldade de se fabricar este tipo de material na
forma de tiras levou à adição de materiais como o alumínio,
silício, etc.
Uma fórmula geral do tipo MaYbZc foi definida para ligas
amorfas termicamente estáveis sendo M um ou mais dos
metais do conjunto formado por aço, níquel, cobalto e cromo;
Y representa elementos do grupo formado por fósforo, boro e
carbono; Z representa alumínio, silício, antimônio, germânio
e berílio; e a, b e c na faixa de 60 a 90, 10 a 30 e 0.1 a 15
respectivamente sendo que a+b+c = 100. A combinação
utilizada em transformadores é do tipo aço – boro – silício. O
Artigo feito em 19 de junho de 2000. Este trabalho foi desenvolvido para
a disciplina “Teoria dos Materiais” ministrada por Jaime Arturo Ramirez,
para o curso de graduação em engenharia elétrica no 1 º semetre de 2000.
G. A. Vieira ( e-mail: avieira.bhz@zaz.com.br).
M. F. Pinto (e-mail: maxwell@campus.cce.ufmg.br).
M. J. Teixeira, Jr. (e-mail: marciojr@campus.cce.ufmg.br).
B. L. Fraga (e-mail: brunol@campus.cce.ufmg.br).
F. S. Silveira (e-mail: sernizon@campus.cce.ufmg.br).
R. W. Oliveira (e-mail: rildo@campus.cce.ufmg.br).
Materiais Amorfos
Gustavo A. Vieira, Maxwell F. Pinto, Márcio J. Teixeira, Jr., Bruno L. Fraga, Fábio S. Silveira, e
Rildo W. Oliveira
desenvolvimento cronológico das ligas amorfas [3] é
resumidamente o seguinte: Fe80B20 (1976), Fe82B12Si6 (1978),
Fe81.5B13Si3.5C2 (1979), Fe78B13Si9 (1980), sendo esta última
a utilizada atualmente em todos os projetos de sistemas de
energia elétrica.
II. LIGAS AMORFAS
A. Caracterização
Tendo em vista a caracterização das ligas metálicas
amorfas, abaixo são apresentadas suas propriedades físicas
mais relevantes.
1) Espessura das Lâminas
Os metais amorfos admitem uma espessura nominal das
lâminas do núcleo da ordem de magnitude de
aproximadamente 10 vezes menor que os materiais
comerciais, como o ferro-silício. Esta é uma das razões pelas
quais eles apresentam baixos valores de perdas no núcleo.
Entretanto, um maior número de laminações implica em
aumento dos custos de produção. Cortar estes materiais
requer técnica avançada e perícia, visto tratar-se de um
material com alto grau de dureza.
2) Dureza
Os metais amorfos são extremamente duros, da ordem de 4
vezes maior que os aços usados como materiais elétricos
convencionais. Esta característica além de dificultar sua
laminação também a torna variável, uma vez que não é
possível garantir a mesma espessura durante todo o corte da
lâmina. As ferramentas de corte não possuem grau de
exatidão estável, desregulando-se durante o processo.
3) Fator de Empilhamento
A combinação das características de alta dureza, lâminas
de espessura muito baixa e variável, com superfície rugosa,
contribuem para um fator de empilhamento baixo, da ordem
de 80%, comparado com 95% dos aços usados como
materiais elétricos convencionais. Consequentemente, a área
de seção reta do núcleo destes transformadores é cerca de
18% maior que dos transformadores com núcleo de ferrosilício.
4) Efeito de Recozimento
Aços elétricos convencionais, por serem magneticamente
orientados, têm stress elástico bem menor que metais
amorfos. Estes por não serem, a priori, magneticamente
orientados e terem elevado stress elástico introduzido durante
o processo de fabricação devem ser imperativamente
recozidos.
O recozimento na presença de um campo magnético
longitudinal melhora significantemente suas propriedades
magnéticas, tais como indução de saturação, força coerciva,
perdas ativas e potência de excitação, promovendo a
relaxação estrutural do material.
1

O alto stress interno das ligas amorfas é resultado da
solidificação rápida, não permitindo a formação de cristais no
material e deixando-o instável. A relaxação estrutural obtida
pelo tratamento térmico e magnético realizado durante o
recozimento em temperaturas abaixo da cristalização, leva o
material a um estado semi-estável. Entretanto, ele reduz a
ductibilidade do material, deixando-o mais rígido e
quebradiço.
5) Indução de Saturação
Os materiais amorfos têm em geral uma composição de
80% de ferro e 20% de boro. Esta composição leva estes
materiais a terem uma indução de saturação 20% menor
quando comparado aos materiais de ferro puro para mesma
temperatura. De fato, tanto o aumento da temperatura, quanto
o aumento de Boro + Silício na liga amorfa, diminuem sua
indução de saturação crescentemente.
6) Magnetostricção
A alteração das dimensões físicas de um material
magnético quando magnetizado causa ruído e/ou perdas no
núcleo. Ligas amorfas baseadas em ferro exibem uma
magnetostricção linear de saturação comparáveis às do ferrosilício
de grão orientado, assim como os níveis de ruído de
ambas as ligas são praticamente os mesmos.
7) Massa e Volume
Em decorrência do aumento na área de seção reta,
conseqüência do maior fator de empilhamento, o volume dos
transformadores com núcleo de material amorfo é maior que
os de ferro-silício em mais de 15%
Em função da menor indução de saturação dos materiais
amorfos, novamente é necessário aumento da área de seção
reta do núcleo para que se tenha o mesmo valor de fluxo
magnético, o que implica em maior quantidade de material
necessário para sua construção. A conseqüência direta disso é
o aumento da massa do núcleo do transformador (em média
15%).
B. Processo de Produção
1) Congelamento a milhões de graus por secundo [4]
Amostras de materiais amorfos (ou “vidros metálicos”
como também são chamados) podem ser obtidas colocandose
ligas propícias em contato com um substrato metálico de
alta condutividade térmica.
A alta taxa de resfriamento necessária (10 5 a 10 6 K/s) é
conseguida quando o material é dilatado até
aproximadamente 50 metros de espessura. Ligas muito
reativas, como Be-Ti, precisam ser processadas em vácuo.
Porém as ligas FeNiCo-BsiC, que são as de principal
interesse comercial, podem ser processadas no ar. Se isto não
ocorresse, a fabricação de ligas amorfas em grande escala
seria impraticável.
As primeiras técnicas para se produzir estas ligas eram
bem simples como utilizar uma única gota para produzir
superfícies irregulares ou utilizar uma pistola de gás para
impulsionar a altas velocidades uma gota derretida num
substrato resfriado.
Depois de muitos anos de pesquisa nesta área, tornou-se
possível produzir fitas de comprimento significativo. Com a
técnica utilizada hoje, em teoria, pode-se produzir fitas de
largura ilimitada. Fitas de 50mm de largura são produzidas
rotineiramente.
2) Tratamento magnetotérmico [6]
Tem sido demonstrado experimentalmente que durante o
processo de produção das ligas amorfas para fins magnéticos,
são introduzidas tensões mecânicas internas que tendem a
mudar suas propriedades em relação ao seu estado bruto de
têmpera. Estas alterações são indesejáveis, pois
comprometem alguns parâmetros importantes no que tange
sua eficiência ao longo de um ciclo de operação, tais como a
indução de saturação, a força coerciva, as perdas ativas e a
potência de excitação. Portanto estas tensões necessitam ser
aliviadas para que as características magnéticas favoráveis do
material sejam recuperadas ou até melhoradas, como aumento
da indução de saturação e a redução da coercividade, que tem
sido obtido por meio de tratamento térmico sob a ação de um
campo magnético, também conhecido como tratamento
magnetotérmico [5].
III. APLICAÇÕES
A. Transformadores de Distribuição
Uma das principais aplicações das ligas metálicas amorfas é
no núcleo de transformadores de distribuição.
Nas últimas décadas, o valor relativo de energia elétrica
aumentou dramaticamente. Por isso, o uso racional de energia
tornou-se estratégia básica para conter os gastos. As perdas
associadas com distribuição são de particular interesse para as
concessionárias e o uso de núcleos de metais amorfos nos
transformadores de distribuição é uma das alternativas
encontradas para a melhoria de eficiência.
Estes transformadores podem assumir diversas
configurações, a saber:
1. Cruciforme
2. Toroidal
3. Núcleo com entreferro distribuído
4. Núcleo de chapas enlaçadas juntas
B. Comparação entre transformadores de núcleo amorfo e
núcleo de aço-silício
Conforme pode ser observado na tabela abaixo, os
transformadores com núcleo de material amorfo apresentam
sensíveis vantagens em relação aos de aço-silício,
principalmente no que tange as perdas a vazio. Além disso,
observa-se também significativas reduções na corrente de
excitação e no ruído audível. Entretanto ele é mais pesado,
mais volumoso e mais caro.
2

Tipo KVA Perdas
a vazio
1 φ
3 φ
(W)
TABELA I
COMPARAÇÃO ENTRE TRANSFORMADORES DE NÚCLEO AMORFO E NÚCLEO DE AÇO-SILÍCIO [1]
Amorfo Aço-Silício
Perdas
c/ carga
(W)
% I
exc.
% Z Massa
(lb)
Perdas
a vazio
(W)
Perdas
c/ carga
(W)
% I
exc.
% Z Massa
(lb)
10 12 102 0.31 1.6 318 29 111 0.60 1.8 300
15 16 141 0.27 1.6 422 41 143 0.70 1.9 321
25 18 330 0.15 1.9 441 57 314 0.36 2.25 406
50 29 455 0.13 2.7 719 87 462 0.23 3.2 709
75 37 715 0.09 3.3 944 122 715 0.38 3.0 821
100 49 944 0.09 3.0 1131 162 933 0.21 2.6 961
75 51 925 0.14 4.0 2030 142 956 0.31 4.1 2000
150 90 1397 0.10 3.9 2870 216 1429 0.24 3.5 2900
300 165 1847 0.10 3.9 4360 412 2428 0.14 5.1 3600
500 230 3282 0.09 4.8 6090 610 3589 0.18 4.6 4900
750 327 4468 0.07 5.75 6600 713 5206 0.15 5.75 6800
Conforme se observa na curva típica de magnetização
abaixo, os materiais amorfos apresentam ciclo de histerese
extremamente estreito além de apresentar baixa força
coerciva. Como a área interna da curva B-H representa as
perdas devidas à magnetização do núcleo, é visível a
vantagem dos materiais amorfos a respeito das perdas a
vazio e das baixas correntes de magnetização.
Fig 1. Curva de magnetização do MetGlas 2605CO (baseado em ferro) da
Allied Co.
Aplicações: Sensores de campo, blindagem, núcleo de alta frequência.
Benefícios: Média indução de saturação, baixa magnetostricção, alta
resistência a corrosão.
A tabela abaixo contém os dados fornecidos pelo
fabricante do material cuja curva foi mostrada acima. Eles
facilitam a compreensão das características de um
transformador construído com este material.
TABELA II
PROPRIEDADES GERAIS E CARACTERÍSTICAS DO METGLAS 2605CO
Eletromagnéticas
Indução de saturação (T) 1.80
Máxima permeabilidade DC (μ)
Recozido (alta frequência) 400000
Não recozido 120000
Magnetostricção de saturação (ppm) 35
Resistividade elétrica (μΩ/cm) 123
Temperatura Curie (ºC) 415
Físicas
Densidade (g/cm 3 ) 7.56
Força de tensão (Mpa) 1000 a 1700
Módulo Elástico (GPa) 100 a 110
Fator de laminação (%) >75
Expansão térmica (ppm/ºC) 8.6
Temperatura de cristalização (ºC) 430
Temperatura de serviço contínuo (ºC) 125
Complementando os dados anteriores seguem abaixo as
curvas típicas de permeabilidade de impedância e de
perdas a vazio no núcleo (Fig. 2 e Fig. 3).
C. Experiências de Campo
Demonstrou-se experimentalmente serem os
transformadores com núcleo de metal amorfo tão duráveis
e confiáveis quanto os com núcleo de ferro-silício.
As perdas no núcleo por histese magnética e corrente de
Focault são entre 50% e 60% menores, chegando em
transformadores de distribuição de baixa potência a 87%.
As perdas por efeito Joule nos enrolamentos são
menores em até 21%. As perdas totais chegam a 60%
menos.
A corrente de excitação é sensivelmente menor em
3

elação aos transformadores com núcleo de ferro-silício. O
custo dos transformadores com núcleo de metal amorfo é
maior entre 25% e 50%. Estima-se que seu investimento
seja pago em torno de 2 a 3 anos devido seu menor
consumo de potência
Fig. 2. Curva típica de permeabilidade de impedância do MetGlas
2605CO (baseado em ferro)
Fig. 3. Curva típica de perdas a vazio (MetGlas 2605CO -baseado em
ferro).
D. Outras aplicações
Apesar da principal aplicação das ligas metálicas
amorfas ser a construção de núcleos de transformadores de
distribuição, outras aplicações são viáveis. Algumas delas
são listadas abaixo.
• Transformadores de alta frequência
• Estator de motores ac e rotor de motores dc
• Sensores piezomagnéticos para carros, máquinas
industriais e sonares
• Fitas magnéticas para dispositivos antifurto utilizadas
em estabelecimentos comerciais.
IV. EXPECTATIVAS FUTURAS
Os estados magnético das ligas amorfas ainda não são
totalmente compreendidos. Enquanto as ligas amorfas
baseadas em ferro são satisfatoriamente usadas em
transformadores de distribuição, melhoramentos no
desempenho deste tipo de material podem ser esperados
quando for obtido um melhor conhecimento da estrutura
atômica e suas propriedades.
Evoluções no processo de produção são almejadas a fim
de se obter melhorias na espessura das lâminas, assim
como na qualidade da superfície, tornando-a menos
rugosa, o que diminuiria as perdas por histerese.
V. CONCLUSÃO
Sendo assim, as pesquisas nesta área continuam
avançando em busca da melhor utilização deste tipo de
material, tendo em vista otimizar a relação custo–
eficiência e possibilitar, no futuro, a utilização em grande
escala de metais amorfos em todas suas possíveis
aplicações.
VI. REFERÊNCIAS
[1] NG, H. W., Hasegawa, R., Lee, A. C. E Lowdermilk, L. A.
Amorphous alloy core distribution transformer. Proceedings of the
IEEE, Vol. 79, No.11, p. 1608-1623, 1991.
[2] Boyd, E. L. e Borst, J. D. Design concepts for an amorphous metal
distribution transformer. IEEE Transactions on Power Apparatus
and Systems, Vol. PAS-103, No. 11, p. 3365-3372, 1984.
[3] G. E. Fish, Soft magnetic materials. Proceedings of the IEEE, Vol.
78, No. 6, p.972-974, 1990.
[4] Raskin, D. e Davis, L. A. Metallic glasses: a megnetic alternative.
IEEE Spectrum, vol.18, No.11, p.28-33, nov. 1981.
[5] Luciano, B. A. e Kiminami, C. S., Algumas considerações sobre a
realização de transformadores com núcleos de ligas amorfas,
Campina Grande, Universidade Federal da Paraíba, p.383-391,
1995.
[6] Grahan Jr., C. D. e Egami, T., Magnetic properties of amorphous
materials. Metals Technology, p. 244-247, jun. 1980.
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