Classificação do aço inoxidável 1. De acordo com a composição química, pode ser dividido em: aço inoxidável ao crómio, aço inoxidável ao crómio-níquel, aço inoxidável ao crómio-manganês, aço inoxidável ao crómio-níquel-molibdénio, aço inoxidável de ultra-baixo carbono, aço inoxidável com elevado teor de molibdénio, aço inoxidável de elevada pureza, etc. 2. De acordo com a estrutura metalográfica, pode ser dividido em: aço inoxidável martensítico [...]
1. De acordo com a composição químicapode ser dividido em: aço inoxidável ao crómioaço inoxidável de crómio-níquel, aço inoxidável de crómio-manganês, aço inoxidável de crómio-níquel-molibdénio, aço inoxidável de ultra-baixo carbono, aço inoxidável com elevado teor de molibdénio, aço inoxidável de elevada pureza, etc.
2. De acordo com a estrutura metalográficapode ser dividido em: aço inoxidável martensíticoaço inoxidável ferrítico, aço inoxidável austenítico, aço inoxidável ferrítico austenítico, etc.
3. De acordo com as características de desempenho e as utilizações do açoAço inoxidável resistente ao ácido nítrico (grau de ácido nítrico), aço inoxidável resistente ao ácido sulfúrico, aço inoxidável resistente à corrosão por picadas, aço inoxidável resistente às tensões, aço inoxidável de alta resistência, etc.
4. De acordo com a função características do aço: tais como o aço inoxidável de baixa temperatura, o aço inoxidável não magnético, o aço inoxidável de corte livre, o aço inoxidável superplástico, etc.
O processo de desenvolvimento dos tipos de aço inoxidável é apresentado na figura abaixo:
Nota: 口 - efeito forte, ⚪-- ação moderada, ▲ - ação fraca
(1) Para obter uma curva de polarização anódica estável da zona de passivação para um meio específico, assegurar que o aço inoxidável é preparado adequadamente.
(2) O aumento do potencial do elétrodo do substrato de aço inoxidável, reduzindo simultaneamente a força eletromotriz da célula galvânica corrosiva, pode ajudar a melhorar a sua resistência à corrosão.
(3) O reforço da estrutura monofásica do aço e a redução do número de microbaterias podem melhorar a sua resistência à corrosão.
(4) Para formar uma película protetora estável na superfície do aço, a adição de elementos como o silício, o alumínio e o crómio pode ajudar a criar uma película protetora densa em muitas situações de corrosão e oxidação, aumentando assim a resistência à corrosão do aço.
(5) A eliminação ou redução de vários fenómenos irregulares no aço é também um passo vital para melhorar a sua resistência à corrosão.
A adição de elementos de liga ao aço é o principal método utilizado para melhorar a sua resistência à corrosão.
A adição de diferentes elementos de liga pode funcionar de uma ou várias formas simultaneamente para melhorar a resistência à corrosão do aço.
O tipo e o conteúdo dos elementos de liga têm um impacto direto na resistência à corrosão do aço inoxidável. A principal função dos elementos de liga é influenciar o desempenho da polarização do ferro e o potencial do elétrodo.
O processo de polarização anódica de metais de uso comum, como Fe, Cr, Ni e Ti, segue um padrão de polarização único.
Após a passagem do ânodo, o potencial do ânodo aumenta e a corrente do ânodo (taxa de corrosão) muda em conformidade, quase com o mesmo padrão.
A forma típica da curva de polarização é mostrada na figura abaixo.
À medida que o potencial de polarização anódica aumenta, a corrente de corrosão não diminui uniformemente. Em vez disso, primeiro aumenta, depois diminui até um mínimo e mantém esta corrente durante uma determinada fase de aumento de potencial antes de aumentar novamente.
Esta curva de polarização é referida como a curva de polarização anódica com transição de ativação e passivação. Está dividida em três regiões: a região de ativação (A), a região de passivação (B) e a região de sobrepassivação (T).
Fig. curva de polarização anódica de metais de transição activados e passivados
A polarização desempenha um papel importante na melhoria da resistência à corrosão dos metais. Os factores que aumentam a polarização anódica ou catódica podem aumentar a resistência à corrosão, enquanto os factores de despolarização podem reduzi-la.
Diferentes elementos de liga têm efeitos variáveis sobre as propriedades de polarização do ferro. Os elementos que expandem a zona de passivação, que reduzem o potencial da zona ECP e P e aumentam o potencial do ponto Er, podem melhorar a resistência à corrosão do aço. Por outro lado, todos os elementos que melhoram o desempenho da passivação, fazendo com que os pontos ICP e I1 se desloquem para a esquerda, podem reduzir a corrente de corrosão e melhorar a resistência à corrosão.
Os elementos que aumentam o potencial do ponto Er tendem a reduzir a corrosão por pite porque, quando o potencial flutua perto do potencial de sobre-passivação e o potencial do ponto Er é baixo, pode levar à rutura local da película de passivação, resultando em corrosão por pite.
Entre os elementos de liga normalmente utilizados no aço, o Cr pode melhorar significativamente o desempenho de passivação do ferro puro, aumentar o potencial dos pontos Ecp, Ep e Er e deslocar a posição dos pontos Icp e I1 para a esquerda. Por conseguinte, é o elemento mais eficaz para aumentar a resistência à corrosão do ferro.
Para além do Cr, os elementos de liga como o Ni, Si, Mo, etc. podem também melhorar o desempenho da passivação e expandir a zona de passivação em diferentes graus.
O Mo, por exemplo, não só melhora o desempenho de passivação do ferro, como também aumenta o potencial do ponto Er, o que melhora a resistência à corrosão por pite do ferro.
Em geral, o potencial de elétrodo de uma solução sólida de metal é inferior ao de outros compostos. Por conseguinte, durante o processo de corrosão, a solução sólida de metal tem maior probabilidade de corroer como ânodo.
Uma forma de melhorar a resistência à corrosão do ferro é aumentar o seu potencial de elétrodo. Estudos demonstraram que a adição de Cr ao ferro para formar uma solução sólida pode aumentar significativamente o potencial de elétrodo do material resultante, como se mostra na figura abaixo.
Ao elevar o potencial do elétrodo de um material, a sua resistência à corrosão pode ser acentuadamente melhorada.
Fig. Efeito do crómio no potencial do elétrodo da liga Fe Cr
Devido ao bom efeito do crómio na passivação do ferro e no potencial do elétrodo, o crómio tornou-se o principal elemento de liga de vários aços inoxidáveis.
A estrutura da matriz do aço inoxidável é crucial para alcançar as propriedades mecânicas e de processo desejadas, bem como para garantir uma excelente resistência à corrosão.
Dois tipos de aços inoxidáveis, o aço ferrítico monofásico e o aço austenítico monofásico, apresentam uma resistência superior à corrosão.
O efeito dos elementos de liga na estrutura da matriz depende principalmente do facto de actuarem como estabilizadores de ferrite (α) ou austenite (γ) estabilizadores.
Quando o elemento estabilizador é dominante, o aço inoxidável α monofásico pode ser obtido; caso contrário, o aço inoxidável γ monofásico é obtido.
1. Crómio
O crómio é o principal elemento que determina a resistência à corrosão do aço inoxidável. Quando o teor de crómio (razão atómica) atinge entre 1/8 e 2/8, o potencial de elétrodo do ferro aumenta, levando a uma melhoria da resistência à corrosão do aço. O crómio é também um elemento estabilizador que ajuda a aumentar a durabilidade geral do material.
Uma razão para isso é que o óxido de crómio é relativamente denso e pode formar uma película protetora que resiste à corrosão.
2. Carbono e azoto
O carbono desempenha um papel essencial na produção de aço inoxidável, uma vez que estabiliza fortemente austenitecom uma capacidade de estabilização cerca de 30 vezes superior à do níquel. Além disso, o carbono é o principal elemento utilizado para reforçar o aço inoxidável. No entanto, o carbono pode também formar uma série de carbonetos com crómio, o que pode afetar significativamente a resistência à corrosão do aço inoxidável. Além disso, o carbono pode piorar as propriedades de processamento e soldadura do aço inoxidável e fazer com que o aço inoxidável ferrítico se torne frágil.
Por conseguinte, é crucial controlar e aplicar cuidadosamente o carbono durante a produção e o desenvolvimento do aço inoxidável. A combinação de carbono e crómio tem um efeito significativo na formação de estruturas de aço inoxidável, como demonstrado na figura abaixo.
A figura mostra que quando o teor de carbono é baixo e o teor de crómio é elevado, obtém-se uma estrutura de ferrite, ao passo que se obtém uma estrutura de martensite quando o teor de carbono é elevado e o teor de crómio é baixo.
No aço inoxidável ao crómio, um aumento do teor de carbono conduz à formação de martensite quando o teor de crómio é inferior a 17%. Por outro lado, um baixo teor de carbono e um teor de crómio de 13% resultarão na formação de aço inoxidável ferrítico.
À medida que o teor de crómio aumenta de 13% para 27%, a capacidade de estabilização da ferrite aumenta, o que, por sua vez, provoca um aumento do teor de carbono (de 0,05% para 0,2%). Apesar do aumento do teor de carbono, a matriz de ferrite pode ainda ser mantida.
Fig. efeito do carbono e do crómio na microestrutura do aço inoxidável
3. Níquel
O níquel é um dos três elementos importantes no aço inoxidável, uma vez que pode melhorar a resistência à corrosão do material. Como elemento estabilizador da fase γ, o níquel é o principal componente necessário para obter a austenite monofásica e promover a sua formação no aço inoxidável.
Uma das principais vantagens do níquel é o facto de poder reduzir eficazmente a Pontomantendo a austenite estável a temperaturas muito baixas (-50 ℃) sem sofrer transformação martensítica. No entanto, o aumento do teor de níquel reduzirá a solubilidade do carbono e do azoto no aço austenítico, aumentando assim a tendência destes compostos para se dessolvatarem e precipitarem.
À medida que o teor de níquel aumenta, o teor crítico de carbono de corrosão intergranular diminui, tornando o aço mais suscetível a este tipo de corrosão. No entanto, o efeito do níquel na resistência à corrosão por pite e na resistência à corrosão em fendas do aço inoxidável austenítico não é significativo.
Para além dos seus benefícios em termos de resistência à corrosão, o níquel pode também melhorar a resistência à oxidação a alta temperatura do aço inoxidável austenítico. Isto deve-se principalmente à capacidade do níquel para melhorar a composição, a estrutura e as propriedades da película de óxido de crómio. No entanto, é de notar que a presença de níquel pode reduzir a resistência à vulcanização a alta temperatura do aço.
4. Manganês
O manganês é um elemento formador de austenite relativamente fraco, mas desempenha um papel crucial na estabilização da estrutura da austenite.
No aço inoxidável austenítico, o manganês substitui parcialmente o níquel, e 2% Mn é equivalente a 1% Ni.
O manganês também pode aumentar a resistência à corrosão do aço inoxidável ao crómio em ácidos orgânicos, como o ácido acético, o ácido fórmico e o ácido glicólico, e é mais eficaz do que o níquel.
No entanto, quando o teor de crómio no aço excede 14%, a adição de manganês por si só não pode resultar numa única estrutura de austenite.
Uma vez que o aço inoxidável austenítico apresenta uma melhor resistência à corrosão quando o teor de crómio é superior a 17%, a indústria utiliza principalmente o aço Fe-Cr-Mn-Ni-N, como o 12Cr18Mn9Ni5N, em substituição das ligas que contêm níquel. A quantidade de aço inoxidável austenítico Fe-Cr-Mn-N sem níquel utilizada é relativamente menor.
5. Azoto
Nas fases iniciais, o azoto era utilizado principalmente nos aços inoxidáveis austeníticos Cr-Mn-N e Cr-Mn-Ni-N para poupar Ni. No entanto, nos últimos anos, o azoto tornou-se um elemento de liga essencial do aço inoxidável austenítico Cr Ni.
A adição de azoto ao aço inoxidável austenítico pode estabilizar a estrutura austenítica, melhorar a resistência e aumentar a resistência à corrosão, especialmente para a corrosão local, como a corrosão intergranular, a corrosão por picadas e a corrosão em fendas.
Nos aços inoxidáveis austeníticos comuns de baixo teor de carbono e ultra-baixo teor de carbono, a resistência à corrosão intergranular pode ser melhorada. O azoto afecta o processo de precipitação do carboneto de crómio durante o tratamento de sensibilização, aumentando a concentração de crómio no limite do grão.
No aço inoxidável austenítico de elevada pureza, onde não há precipitação de carboneto de crómio, o azoto aumenta a estabilidade da película passiva e reduz a taxa média de corrosão. Embora o nitreto de crómio se precipite no aço com elevado teor de azoto, a taxa de precipitação do nitreto de crómio é lenta. Assim, o tratamento de sensibilização não causará deficiência de crómio intergranular, tendo pouco efeito na corrosão intergranular.
O azoto pode também inibir a segregação do fósforo no limite do grão e melhorar a resistência à corrosão intergranular do aço.
Atualmente, o aço inoxidável austenítico com azoto tem sobretudo elevada resistência e resistência à corrosão. Pode ser dividido em três tipos: tipo de controlo de azoto, tipo de azoto médio e tipo de azoto elevado.
O tipo de controlo de azoto envolve a adição de 0,05%~0,10%N ao aço inoxidável austenítico Cr Ni de carbono ultra-baixo (C ≤ 0,02%~0,03%) para melhorar a resistência, otimizar a resistência à corrosão intergranular e aumentar a resistência à corrosão sob tensão do aço.
O tipo de azoto médio contém 0,10%~0,50%N e é fundido e vertido à pressão atmosférica normal. Por outro lado, o teor de azoto do tipo com elevado teor de azoto é superior a 0,40%.
É geralmente fundido e vazado sob condições de pressão crescente. Este tipo de aço é utilizado principalmente no estado de solução sólida ou no estado de trabalho semi-refrigerado, uma vez que possui elevada força e resistência à corrosão.
Atualmente, o aço austenítico com elevado teor de azoto, com um teor de azoto que varia entre 0,8% e 1,0%, tem sido aplicado com êxito em aplicações práticas e iniciou a produção industrial.
6. Titânionióbio, molibdénio e elementos de terras raras
O titânio e o nióbio são elementos que podem formar fortemente carbonetos, que podem reagir preferencialmente com o carbono do que com o crómio, evitando assim a corrosão intergranular e melhorando a resistência à corrosão do aço.
Ao adicionar titânio e nióbio ao aço, é importante manter uma certa proporção com o teor de carbono.
O molibdénio, por outro lado, pode aumentar a capacidade de passivação do aço inoxidável e alargar a gama de meios de passivação. Isto significa que pode suportar ácido sulfúrico quente, ácido clorídrico diluído, ácido fosfórico e ácidos orgânicos. A película de passivação criada com molibdénio é altamente estável em vários meios e tem menos probabilidades de se dissolver.
O aço inoxidável que contém molibdénio é resistente à corrosão por pite, uma vez que pode proteger a película passiva dos danos causados pelo Cl-.
Quando elementos de terras raras como Ce, La e Y são adicionados ao aço inoxidável, eles podem dissolver-se ligeiramente na matriz. Este processo ajuda a purificar o contorno do grão, a modificar as inclusões, a homogeneizar a estrutura e a reduzir a precipitação de precipitados e a segregação no contorno do grão. Isto leva a uma melhoria da resistência à corrosão e das propriedades mecânicas do aço.
A influência dos elementos de liga na estrutura da matriz do aço inoxidável pode ser classificada em duas categorias:
Quando estes elementos com diferentes funções são adicionados simultaneamente ao aço, a microestrutura do aço inoxidável depende dos seus efeitos globais.
Para simplificar o tratamento, o efeito dos elementos formadores de ferrite é convertido no efeito do crómio, conhecido como equivalente de crómio [Cr], enquanto o efeito dos elementos formadores de austenite é convertido em equivalente de níquel [Ni].
Com base no equivalente de crómio [Cr] e no equivalente de níquel [Ni], é criado um diagrama para representar a composição real do aço e o estado estrutural resultante, como mostra a figura seguinte.
Fig. diagrama da estrutura de aço inoxidável
A figura ilustra que o aço 12Cr18Ni9 pertence à família dos aços inoxidáveis austeníticos e está localizado na zona da fase a.
Por outro lado, o aço inoxidável Cr28 é classificado como aço inoxidável ferrítico e pode ser encontrado na zona de fase ferrítica.
Entretanto, o aço inoxidável 30Cr13 pertence à categoria dos aços inoxidáveis martensíticos e situa-se na zona de fase martensítica.
Para obter uma estrutura de austenite monofásica, é necessário um equilíbrio específico dos elementos de liga. Caso contrário, aparecerá uma certa quantidade de estrutura de ferrite no aço, resultando numa estrutura multifásica.
O reforço do aço inoxidável é conseguido através de vários mecanismos, incluindo o reforço da solução sólida, o reforço da transformação de fase, o reforço da segunda fase, o reforço do refinamento do grão, o reforço da precipitação e o reforço da subestrutura.
A figura abaixo ilustra a contribuição destes mecanismos para a limite de elasticidade em aço inoxidável austenítico 8%~10%Ni.
Como se pode ver na figura, o crómio, o silício e o carbono reforçam a matriz em solução sólida, resultando num aumento de várias vezes da tensão de cedência da matriz austenítica.
Outro mecanismo de reforço é a existência de ferrite α como segunda fase, juntamente com o refinamento do tamanho do grão e a precipitação de precipitados, o que aumenta significativamente a resistência da austenite.
A figura mostra que, no aço inoxidável austenítico, o reforço por solução sólida é um mecanismo crucial e o refinamento do grão é o que mais contribui para a resistência global.
Fig. factores que afectam a resistência do aço inoxidável austenítico
As propriedades dos diferentes aços inoxidáveis variam consoante a sua composição e estrutura.
Consulte a figura abaixo para uma comparação da resistência e plasticidade de vários aços inoxidáveis.
Fig. comparação da resistência e da plasticidade de vários aços inoxidáveis e do ferro puro
Entre todos os aços inoxidáveis, o aço inoxidável austenítico tem a melhor ductilidade, enquanto o aço inoxidável de endurecimento por precipitação tem a maior resistência.
O aço inoxidável martensítico apresenta boas propriedades mecânicas globais, caracterizadas por uma elevada resistência e um certo grau de ductilidade.
O aço inoxidável duplex, que é uma combinação de aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos, apresenta maior resistência e melhor ductilidade.
O aço inoxidável ferrítico e o aço inoxidável austenítico têm propriedades de resistência semelhantes, mas a ductilidade deste último é muito mais elevada do que a dos outros tipos de aço inoxidável. (Para comparação, a curva do ferro puro também está incluída na figura).
A resistência à corrosão do metal não é apenas determinada pelo seu material, mas também pelo tipo, concentração, temperatura, pressão e outras condições ambientais do meio corrosivo.
Em aplicações práticas, a capacidade oxidante do meio corrosivo tem o maior impacto na corrosão do metal. Por isso, ao selecionar os tipos de aço inoxidável para ambientes de trabalho específicos, é importante considerar as características do meio corrosivo.
Em meios fracamente corrosivos, como a atmosfera, a água e o vapor, a resistência à corrosão do aço inoxidável pode ser assegurada desde que o teor de Cr da solução sólida na matriz de aço inoxidável seja superior a 13%. Isto torna-o adequado para utilização em componentes como válvulas de compressores de água, pás de turbinas de geradores de vapor e tubagens de vapor.
No entanto, em meios oxidantes como o ácido nítrico, os iões NO3- têm uma forte capacidade oxidante. Isto resulta na formação de uma película de óxido na superfície do aço inoxidável com um tempo de passivação curto, comprometendo assim a sua resistência à corrosão.
O H+ no ácido actua como um despolarizador catódico. À medida que a concentração de H+ aumenta, a despolarização do cátodo reforça-se e o teor de crómio necessário para a passivação também aumenta. Por conseguinte, apenas a película de óxido que contém um elevado teor de crómio apresenta uma boa estabilidade em ácido nítrico.
No ácido nítrico em ebulição, o aço inoxidável 12Cr13 não é resistente à corrosão. No entanto, os aços Cr17 e Cr30 com um teor de crómio de 17% - 30% são resistentes à corrosão em ácido nítrico com uma concentração de 0% - 65%.
Em meios não oxidantes, tais como ácido sulfúrico diluído, ácido clorídrico e ácido orgânico, o teor de oxigénio desses meios corrosivos é baixo e o tempo de passivação tem de ser prolongado. Quando o teor de oxigénio no meio é baixo até um certo ponto, o aço inoxidável não pode ser passivado. Por exemplo, no ácido sulfúrico diluído, o SO42- no meio não é um oxidante, e o teor de oxigénio dissolvido no meio é relativamente baixo, tornando-o incapaz de passivar o aço. Consequentemente, a taxa de corrosão do aço inoxidável ao crómio é ainda mais rápida do que a do aço ao carbono.
Assim, o aço inoxidável Cr geral ou o aço inoxidável Cr Ni é difícil de atingir o estado de passivação, e não é resistente à corrosão quando se trabalha neste tipo de meio. Para melhorar a capacidade de passivação do aço, é necessário adicionar elementos como o molibdénio, o cobre e outros.
O ácido clorídrico é um ácido não-oxidante que é conhecido por causar corrosão no aço inoxidável. Para evitar a corrosão, é necessária uma liga de Ni-Mo para formar uma película protetora estável na superfície da liga.
Em ácidos orgânicos fortes, a passivação do crómio e do aço inoxidável crómio-níquel é difícil devido ao baixo teor de oxigénio no meio e à presença de H+. A adição de Mo, Cu, Mn e outros elementos ao aço pode melhorar a sua capacidade de passivação. Por conseguinte, o aço inoxidável Cr-Mn é considerado uma melhor opção.
Para tornar o aço resistente à corrosão e fácil de passivar, é-lhe adicionada uma certa quantidade de Mo e Cu.
Em meios que contêm Cl-, a película de óxido na superfície do aço inoxidável é facilmente destruída, levando à corrosão por pite do aço. Como resultado, a água do mar é altamente corrosiva para o aço inoxidável.
É importante notar que nenhum aço inoxidável pode resistir à corrosão de todos os tipos de meios. Por conseguinte, a seleção do aço inoxidável deve basear-se no ambiente de corrosão específico e nas características dos vários tipos de aço inoxidável.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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