Classificação e norma do aço na China
Porque é que os diferentes tipos de aço têm propriedades tão variadas e como são classificados na China? Este artigo analisa a classificação e as normas do aço, explicando a sistemática...
Sabia que pequenos elementos escondidos no aço podem alterar drasticamente o seu desempenho? Este blogue mergulha no fascinante mundo dos elementos de liga, revelando como o hidrogénio, o boro, o carbono, o nitrogénio, o oxigénio, o magnésio, o alumínio e o silício moldam a resistência, a durabilidade e a capacidade de utilização do aço. Prepare-se para descobrir os segredos por detrás destes componentes cruciais e os seus efeitos surpreendentes no aço.
O hidrogénio é amplamente reconhecido como o elemento mais prejudicial no aço, com a sua presença a conduzir potencialmente à fragilização por hidrogénio e à formação de manchas brancas, ambas comprometendo significativamente a qualidade e o desempenho do aço.
Tal como o oxigénio e o azoto, o hidrogénio apresenta uma solubilidade extremamente baixa no aço sólido. Durante os processos de produção de aço a alta temperatura, o hidrogénio pode dissolver-se no aço líquido. Se não for corretamente gerido, pode ficar retido durante o arrefecimento rápido, acumulando-se na microestrutura e formando microporos de alta pressão. Este fenómeno pode reduzir drasticamente a plasticidade, a tenacidade e a resistência à fadiga do aço, resultando potencialmente em fissuras graves e fratura frágil catastrófica.
A suscetibilidade à fragilização por hidrogénio varia consoante as diferentes microestruturas do aço. Os aços martensíticos são particularmente vulneráveis, enquanto os aços ferríticos apresentam geralmente uma maior resistência. A gravidade da fragilização por hidrogénio aumenta tipicamente com o aumento dos níveis de dureza e do teor de carbono, salientando a importância de uma seleção cuidadosa dos materiais e dos processos de tratamento térmico em ambientes ricos em hidrogénio.
Curiosamente, embora os efeitos do hidrogénio sejam predominantemente negativos, este pode melhorar certas propriedades magnéticas do aço. Especificamente, o hidrogénio melhora a permeabilidade magnética, o que pode ser benéfico em algumas aplicações electromagnéticas. No entanto, isto acontece à custa do aumento da coercividade e das perdas de ferro. Estudos demonstraram que a adição de hidrogénio pode elevar a coercividade por um fator de 0,5 a 2, o que exige um equilíbrio delicado na conceção do aço magnético.
Para mitigar os problemas relacionados com o hidrogénio, os fabricantes de aço utilizam várias estratégias, como a desgaseificação sob vácuo, taxas de arrefecimento controladas e tratamentos térmicos pós-produção. Métodos avançados de ensaios não destrutivos, como sondas de hidrogénio e técnicas ultra-sónicas, são cruciais para detetar defeitos induzidos pelo hidrogénio e garantir a integridade do aço em aplicações críticas.
A principal função do boro no aço é aumentar significativamente sua temperabilidade, permitindo uma redução no uso de outros elementos de liga, como níquel, cromo e molibdênio. Normalmente, o boro é adicionado em concentrações que variam de 0,001% a 0,005%, sendo que essa pequena quantidade é capaz de substituir 1,6% de níquel, 0,3% de cromo ou 0,2% de molibdênio.
Ao considerar o boro como um substituto para o molibdênio, é crucial observar que, enquanto o molibdênio atenua a fragilização por têmpera, o boro pode promovê-la levemente. Conseqüentemente, uma substituição completa do molibdênio por boro não é aconselhável.
A adição de boro ao aço-carbono melhora significativamente a temperabilidade, melhorando particularmente o desempenho de secções de aço de espessura superior a 20 mm. Esta propriedade permite que os aços 40B e 40MnB sirvam como alternativas viáveis ao aço 40Cr, enquanto o aço 20Mn2TiB pode efetivamente substituir o 20CrMnTi em aplicações de cementação.
No entanto, a eficácia do boro diminui com o aumento do teor de carbono no aço. Este fenómeno é particularmente relevante quando se selecionam aços de cementação com boro, uma vez que a temperabilidade da camada cementada após o tratamento será inferior à do material de base.
Para aplicações de aço para molas, onde a têmpera completa é geralmente necessária, o aço com boro apresenta uma excelente opção devido à sua secção transversal compacta. No entanto, é necessário ter cuidado ao considerar adições de boro a aços para molas com alto teor de silício, pois a interação pode levar a resultados imprevisíveis.
O boro também apresenta uma forte afinidade com o azoto e o oxigénio. Nos aços com rebordo, a adição de apenas 0,007% de boro pode eliminar eficazmente os efeitos de endurecimento por envelhecimento, melhorando a estabilidade do aço a longo prazo.
Para otimizar os benefícios do boro no aço, é essencial um controlo preciso da composição e dos parâmetros de processamento. Técnicas avançadas, como desgaseificação a vácuo e tratamento térmico em atmosfera protetora, podem ser empregadas para manter o teor e a distribuição desejados de boro na matriz do aço.
O carbono é o elemento de liga mais importante no aço depois do ferro, influenciando profundamente as suas propriedades mecânicas, microestrutura e caraterísticas de processamento. O teor de carbono tem um impacto direto na resistência, ductilidade, tenacidade e soldabilidade do aço, tornando-o um fator crucial na seleção de materiais e nos processos de fabrico.
Nos aços hipoeutectoides (teor de carbono inferior a 0,8%), o aumento do teor de carbono conduz a uma maior resistência e dureza devido à formação de perlite e ao efeito de reforço dos átomos de carbono intersticiais. No entanto, isto tem o custo de uma redução da ductilidade e da resistência ao impacto, uma vez que a microestrutura do aço se torna menos maleável.
Inversamente, nos aços hipereutectoides (teor de carbono superior a 1,0%), novos aumentos do teor de carbono resultam numa diminuição da resistência. Este fenómeno ocorre devido à formação de uma rede de cementite frágil ao longo dos limites de grão da austenite anterior, que pode atuar como locais de iniciação de fissuras sob tensão.
A soldabilidade do aço é significativamente afetada pelo teor de carbono, com uma diminuição notável da soldabilidade observada quando os níveis de carbono excedem 0,3%. Esta redução deve-se principalmente ao aumento da temperabilidade e da suscetibilidade à fissuração a frio na zona afetada pelo calor. Com o aumento do teor de carbono, o aço torna-se também mais propenso à fragilização a frio e ao envelhecimento por deformação, enquanto a sua resistência à corrosão atmosférica diminui devido à formação de carbonetos de ferro que podem atuar como cátodos locais, acelerando o processo de corrosão.
A influência do azoto (N) no desempenho do aço é multifacetada, partilhando semelhanças com o carbono e o fósforo. À medida que o teor de azoto aumenta, aumenta significativamente a resistência do aço, ao mesmo tempo que reduz a plasticidade, afectando particularmente a tenacidade e a soldabilidade. Além disso, o azoto contribui para aumentar a fragilidade do aço a frio.
Níveis elevados de azoto exacerbam as tendências de envelhecimento, a fragilidade a frio e a quente, e afectam negativamente as propriedades de soldadura e de dobragem a frio. Consequentemente, minimizar e controlar o teor de azoto no aço é crucial para manter caraterísticas de desempenho óptimas.
As normas da indústria recomendam normalmente limitar o teor de azoto a não mais de 0,018% na maioria dos tipos de aço. No entanto, quando estrategicamente combinado com elementos como o alumínio, o nióbio ou o vanádio, os efeitos adversos do azoto podem ser atenuados e o desempenho do aço pode ser melhorado. Esta interação sinérgica permite que o azoto sirva como um elemento de liga benéfico em certos aços de baixa liga.
Em composições específicas de aço inoxidável, as adições controladas de azoto podem substituir parcialmente o crómio, reduzindo eficazmente os custos do material sem comprometer o desempenho. Por exemplo, nos aços inoxidáveis austeníticos, o azoto actua como um estabilizador da austenite e contribui para o reforço da solução sólida, permitindo um teor reduzido de níquel.
É importante notar que o controlo preciso dos níveis de azoto e da sua interação com outros elementos de liga é fundamental para alcançar o equilíbrio desejado de propriedades na produção de aço. As técnicas avançadas de produção de aço, como a desgaseificação a vácuo e o arrefecimento controlado, desempenham um papel vital na gestão do teor de azoto e na otimização do desempenho do aço em várias aplicações.
O oxigénio desempenha um papel fundamental na produção de aço, mas a sua presença pode ter efeitos prejudiciais no produto final. Está inerentemente presente durante a produção de aço e, apesar dos esforços de desoxidação utilizando elementos como o manganês, o silício, o ferro e o alumínio nas fases finais, a remoção completa continua a ser impossível.
Durante a solidificação, o oxigénio dissolvido reage com o carbono no aço fundido, formando monóxido de carbono. Esta reação pode levar à formação de porosidades ou bolhas de gás, comprometendo a integridade estrutural do aço.
No aço, o oxigénio existe principalmente como inclusões de óxidos, tais como FeO (óxido de ferro), MnO (óxido de manganês), SiO2 (dióxido de silício) e Al2O3 (óxido de alumínio). Estas inclusões não metálicas actuam como concentradores de tensão, reduzindo as propriedades mecânicas do aço, em particular a sua resistência e ductilidade. A presença destes óxidos tem um impacto significativo na resistência à fadiga e na tenacidade, factores cruciais em muitas aplicações de engenharia.
Nos aços eléctricos, nomeadamente nos aços ao silício utilizados nos transformadores e nos motores eléctricos, o teor de oxigénio tem efeitos pronunciados. Aumenta as perdas de ferro, reduzindo assim a eficiência energética. O oxigénio também diminui a permeabilidade magnética e a magnetização de saturação, parâmetros-chave para o desempenho eletromagnético. Além disso, acelera o envelhecimento magnético, uma degradação das propriedades magnéticas dependente do tempo, que pode encurtar o tempo de vida operacional dos componentes eléctricos.
O magnésio (Mg) desempenha um papel crucial na melhoria da qualidade e do desempenho do aço, particularmente no controlo das inclusões e no aumento das propriedades mecânicas. Quando adicionado em quantidades exactas, o magnésio pode modificar significativamente a microestrutura do aço, conduzindo a caraterísticas materiais superiores.
Na produção de aço, o magnésio actua como um poderoso desoxidante e dessulfurizador. Reduz eficazmente o número de inclusões não metálicas, diminui o seu tamanho, promove uma distribuição mais uniforme pela matriz do aço e modifica a sua morfologia para formas mais favoráveis. Estas melhorias nas caraterísticas das inclusões contribuem para melhorar a limpeza do aço e o desempenho geral do material.
No caso dos aços para rolamentos, que requerem uma limpeza excecional e uma microestrutura uniforme, a adição de vestígios de magnésio tem revelado benefícios notáveis. O magnésio influencia o tamanho e a distribuição dos carbonetos, componentes críticos nos aços para rolamentos. Ao refinar as estruturas dos carbonetos, o magnésio contribui para melhorar a resistência ao desgaste, a vida à fadiga e o desempenho geral dos rolamentos.
O impacto do magnésio nas propriedades mecânicas do aço é particularmente notável. Quando o teor de magnésio é controlado com precisão entre 0,002% e 0,003% por peso, o aço apresenta melhorias significativas na resistência sem comprometer a ductilidade. Especificamente, tanto a resistência à tração como a resistência ao escoamento aumentam em mais de 5%, enquanto a plasticidade do material permanece essencialmente inalterada. Esta combinação única de resistência melhorada e ductilidade mantida é altamente desejável em muitas aplicações de engenharia, uma vez que permite a conceção de componentes mais leves e mais fortes.
É importante notar que a obtenção destes benefícios requer um controlo preciso da adição de magnésio, uma vez que quantidades excessivas podem levar a efeitos adversos. Por conseguinte, as técnicas de liga avançadas e o controlo cuidadoso do processo são essenciais para aproveitar todo o potencial do magnésio na produção de aço.
O alumínio, um potente desoxidante e elemento de liga na produção de aço, demonstra capacidades de desoxidação superiores às do silício e do manganês. As suas funções primárias na metalurgia do aço são multifacetadas e extremamente importantes para melhorar várias propriedades do aço.
A adição de alumínio ao aço serve para refinar as estruturas de grão e estabilizar o azoto, resultando em melhorias substanciais na resistência ao impacto. Este mecanismo de refinamento do grão atenua significativamente a fragilidade a frio e reduz as tendências de endurecimento por envelhecimento, melhorando assim o desempenho mecânico global e a longevidade do aço.
Em tipos específicos de aço, o teor exato de alumínio é crucial. Por exemplo, o aço estrutural ao carbono de grau D requer um mínimo de 0,015% de alumínio solúvel em ácido. No caso da chapa laminada a frio 08AL, concebida para aplicações de estampagem profunda, o teor ótimo de alumínio solúvel em ácido varia entre 0,015% e 0,065%, assegurando uma formabilidade e resistência adequadas.
O alumínio também contribui para uma maior resistência à corrosão no aço, especialmente quando utilizado em sinergia com outros elementos de liga, como o molibdénio, o cobre, o silício e o crómio. Esta combinação cria uma camada passiva mais robusta, melhorando a resistência do aço a vários ambientes corrosivos.
Nos aços ao crómio-molibdénio e ao crómio, as adições de alumínio conduzem a uma maior resistência ao desgaste. Isto é conseguido através da formação de partículas finas e duras de óxido de alumínio dispersas pela matriz do aço, que actuam como obstáculos ao movimento de deslocação e aumentam a dureza da superfície.
No entanto, é importante notar que os efeitos do alumínio não são universalmente benéficos. Nos aços para ferramentas com elevado teor de carbono, a presença de alumínio pode induzir fragilidade durante o processo de têmpera, comprometendo potencialmente a tenacidade e o desempenho geral do aço.
Embora o alumínio ofereça inúmeras vantagens, também apresenta desafios no processamento do aço. Pode afetar negativamente as propriedades de processamento térmico, o desempenho da soldadura e a maquinabilidade. Estes efeitos devem-se à formação de inclusões de óxido de alumínio com elevado ponto de fusão e à modificação da microestrutura do aço, o que pode levar a um maior desgaste da ferramenta durante a maquinagem e a potenciais defeitos de soldadura, se não forem devidamente geridos.
O silício é um elemento crucial na produção de aço, servindo como um agente redutor e desoxidante essencial. Nos aços ao carbono, o teor de silício mantém-se normalmente abaixo de 0,5%, introduzido durante o processo de fabrico do aço para desempenhar estas funções críticas.
Quando dissolvido em ferrite e austenite, o silício aumenta significativamente a dureza e a resistência do aço. O seu efeito de reforço fica atrás apenas do fósforo, ultrapassando o do manganês, níquel, crómio, tungsténio, molibdénio e vanádio. Contudo, um teor de silício superior a 3% pode reduzir substancialmente a plasticidade e a tenacidade do aço.
A influência do silício nas propriedades do aço é multifacetada:
Na produção de aço, o teor de silício é cuidadosamente controlado. Para o aço de aro, é limitado a <0,07%. Quando necessário, é adicionada uma liga de ferro-silício durante o fabrico do aço para obter os níveis de silício e as propriedades desejados.
O fósforo (P) é introduzido no aço principalmente através do minério de ferro e é geralmente considerado um elemento prejudicial. Embora o P possa aumentar a resistência e a dureza do aço, compromete significativamente a plasticidade e a resistência ao impacto.
A baixas temperaturas, o P induz a "fragilidade a frio", reduzindo severamente a ductilidade do aço. Este fenómeno tem um impacto negativo na trabalhabilidade a frio e na soldabilidade do aço. A gravidade da fragilidade a frio aumenta proporcionalmente com o teor de P, sendo necessário um controlo rigoroso dos níveis de fósforo na produção de aço.
As normas do sector para o teor de P variam em função da qualidade do aço:
O fósforo apresenta efeitos potentes de reforço da solução sólida e de endurecimento por arrefecimento. Quando combinado com o cobre, aumenta a resistência à corrosão atmosférica em aços de baixa liga de alta resistência, embora à custa do desempenho da estampagem a frio. Em conjunto com o enxofre e o manganês, o P pode melhorar a maquinabilidade, ao mesmo tempo que agrava a fragilidade da têmpera e a sensibilidade à fragilidade a frio.
Nomeadamente, o P melhora a resistividade eléctrica e pode reduzir a força coerciva e as perdas por correntes de Foucault devido ao seu efeito de engrossamento do grão. Em campos magnéticos fracos, os aços com maior teor de P demonstram uma melhor indução magnética.
Para os aços ao silício, o teor de P deve ser limitado a ≤0,15% (por exemplo, 0,07-0,10% no aço ao silício elétrico laminado a frio). Embora o P não prejudique significativamente o trabalho a quente do aço silício, pode induzir fragilidade. O fósforo é o elemento estabilizador de ferrite mais potente, sendo o seu impacto na temperatura de recristalização e no crescimento do grão no aço silício 4-5 vezes superior ao do silício em concentrações equivalentes.
Em resumo, embora o P ofereça algumas propriedades benéficas, os seus efeitos prejudiciais sobre as propriedades mecânicas e as caraterísticas de processamento do aço exigem um controlo e uma consideração cuidadosos na conceção da liga e nos processos de fabrico.
O enxofre é principalmente introduzido no aço a partir do minério de ferro e do coque combustível durante o processo de fabrico do aço. É geralmente considerado um elemento prejudicial na produção de aço devido ao seu impacto negativo em várias propriedades do aço.
No aço, o enxofre existe predominantemente como sulfureto de ferro (FeS). O sistema FeS-Fe forma um composto eutéctico de baixo ponto de fusão com um ponto de fusão de aproximadamente 985°C (1805°F). Dado que a temperatura de trabalho a quente do aço excede tipicamente os 1150°C (2102°F), os compostos FeS podem fundir prematuramente durante as operações de trabalho a quente. Esta fusão prematura conduz a um fenómeno conhecido como "escassez a quente" ou "fragilidade a quente", que reduz significativamente a ductilidade e a tenacidade do aço, resultando frequentemente em fissuras durante os processos de forjamento e laminagem.
Além disso, o enxofre afecta negativamente a soldabilidade do aço e diminui a sua resistência à corrosão. Para atenuar estes efeitos negativos, o teor de enxofre no aço é rigorosamente controlado. Para aços de alta qualidade, o teor de enxofre é normalmente limitado a menos de 0,02% a 0,03%. Nos aços de qualidade, o intervalo aceitável é ligeiramente superior, até 0,03% a 0,045%, enquanto os aços estruturais comuns podem conter até 0,055% a 0,07% de enxofre.
Apesar dos seus efeitos geralmente prejudiciais, o enxofre pode ser benéfico em aplicações específicas. Por exemplo, na produção de aços de maquinagem livre, tais como certos tipos de aço inoxidável (por exemplo, AISI 303), uma pequena quantidade de enxofre (0,2% a 0,4%) é intencionalmente adicionada para melhorar a maquinabilidade e o acabamento da superfície. Esta adição controlada de enxofre facilita a quebra de aparas e reduz o desgaste da ferramenta durante as operações de maquinagem. Do mesmo modo, alguns aços rápidos e aços ferramenta utilizam enxofre para melhorar as caraterísticas da superfície e a maquinabilidade.
Em conclusão, embora o enxofre seja geralmente considerado uma impureza na produção de aço, os seus efeitos podem ser tanto prejudiciais como vantajosos, dependendo da aplicação específica e do tipo de aço. O controlo cuidadoso do teor de enxofre é crucial para alcançar as propriedades mecânicas e as caraterísticas de desempenho desejadas nos produtos siderúrgicos.
K/Na podem ser utilizados como modificadores poderosos para esferoidizar carbonetos em ferro branco, aumentando significativamente a sua tenacidade até 200%, mantendo a sua elevada dureza caraterística. Esta transformação ocorre através da promoção da formação de nódulos de grafite e da redução de redes de carbonetos frágeis.
Estes metais alcalinos também desempenham um papel crucial no refinamento da microestrutura do ferro dúctil, promovendo a formação de nódulos de grafite mais numerosos e uniformemente distribuídos. Na produção de ferro vermicular (grafite compactada), o K/Na actuam como agentes estabilizadores, estreitando a janela do processo e melhorando a consistência no controlo da morfologia da grafite.
Além disso, o K/Na é altamente eficaz na promoção da austenitização em ligas ferrosas. Um exemplo notável é o seu impacto no aço manganês austenítico, onde podem reduzir drasticamente a relação manganês/carbono necessária do convencional 10:1-13:1 para um mais económico 4:1-5:1. Esta redução não só diminui os custos da liga, como também aumenta a resistência ao desgaste e as capacidades de endurecimento por trabalho do aço, expandindo as suas aplicações em ambientes de alto impacto e abrasivos.
A adição de cálcio ao aço é uma técnica metalúrgica poderosa que oferece inúmeros benefícios em várias propriedades do aço e fases de processamento. O cálcio actua como um potente refinador de grãos, dessulfurizador parcial e modificador de inclusões não metálicas, semelhante aos efeitos dos elementos de terras raras no aço.
A adição de cálcio aumenta significativamente a resistência do aço à corrosão e ao desgaste, melhorando também o seu desempenho a altas e baixas temperaturas. Aumenta as propriedades mecânicas críticas, tais como a resistência ao impacto, a resistência à fadiga e a plasticidade. Além disso, a adição de cálcio influencia positivamente a soldabilidade do aço, tornando-o mais adequado para vários processos de fabrico.
Em termos de aplicações específicas, o aço tratado com cálcio apresenta caraterísticas superiores de endurecimento a frio, maior resistência ao choque, maior dureza e melhor resistência ao contacto. Estas propriedades tornam-no particularmente valioso no fabrico de fixadores de alto desempenho, rolamentos e outros componentes sujeitos a condições de carga severas.
Para aplicações de aço fundido, a adição de cálcio oferece múltiplas vantagens. Aumenta a fluidez do aço fundido, levando a uma melhor capacidade de fundição e acabamento superficial do produto final. Nomeadamente, ajuda a eliminar a anisotropia na microestrutura do fundido, resultando em propriedades mais uniformes em todo o fundido. Esta uniformidade traduz-se numa maior resistência à fissuração térmica, em propriedades mecânicas superiores e numa melhor maquinabilidade dos componentes fundidos.
Além disso, o aço tratado com cálcio demonstra uma maior resistência à fissuração induzida pelo hidrogénio e à rutura lamelar, ambos factores críticos em determinadas aplicações de alta tensão e estruturas soldadas. Este desempenho melhorado pode aumentar significativamente a vida útil do equipamento e das ferramentas fabricadas com aço tratado com cálcio.
Na produção de aço, o cálcio é normalmente introduzido como parte de uma liga-mãe, desempenhando múltiplas funções: como desoxidante para remover o oxigénio nocivo, como inoculante para promover a solidificação controlada e como agente de microligação para afinar a microestrutura e as propriedades do aço. O controlo preciso da adição de cálcio e da sua interação com outros elementos de liga é crucial para alcançar o equilíbrio desejado de propriedades no produto final de aço.
O titânio apresenta uma forte afinidade com o azoto, o oxigénio e o carbono, e uma maior afinidade com o enxofre do que o ferro, o que o torna um elemento eficaz para a desoxidação e para a fixação do azoto e do carbono no aço.
Sendo um potente elemento formador de carbonetos, o titânio combina-se facilmente com o carbono para formar carboneto de titânio (TiC). Este composto possui uma forte força de ligação, elevada estabilidade e resistência à decomposição. A dissolução do TiC no aço ocorre lentamente, normalmente a temperaturas superiores a 1000°C (1832°F).
Antes da dissolução, as partículas de carboneto de titânio desempenham um papel crucial na inibição do crescimento do grão, contribuindo para o refinamento da microestrutura do aço.
A maior afinidade do titânio com o carbono, em comparação com o crómio, torna-o uma adição valiosa nos aços inoxidáveis. Fixa eficazmente o carbono, atenua a depleção de crómio nos limites dos grãos e, consequentemente, reduz ou elimina a suscetibilidade à corrosão intergranular.
Sendo um forte elemento formador de ferrite, o titânio eleva significativamente as temperaturas A1 (eutectoide) e A3 (transformação de austenite em ferrite) no aço, influenciando o seu comportamento de transformação de fase.
Nos aços de baixa liga, o titânio aumenta a resistência e a ductilidade. Isto é conseguido através da sua capacidade de fixar azoto e enxofre, formar carbonetos de titânio e promover o refinamento do grão durante os processos de tratamento térmico, como a normalização. Os carbonetos precipitados melhoram significativamente a plasticidade e a resistência ao impacto do aço.
Os aços estruturais de liga contendo titânio apresentam excelentes propriedades mecânicas e caraterísticas de processamento. No entanto, uma desvantagem notável é a sua reduzida temperabilidade, que pode afetar o endurecimento através da espessura em secções transversais maiores.
Nos aços inoxidáveis com elevado teor de crómio, o titânio é normalmente adicionado numa proporção de 5:1 em relação ao teor de carbono. Esta adição melhora a resistência à corrosão (particularmente contra a corrosão intergranular), aumenta a tenacidade, promove o crescimento controlado do grão a temperaturas elevadas e melhora a soldabilidade do aço.
A utilização estratégica do titânio em vários tipos de aço demonstra a sua versatilidade na adaptação de propriedades mecânicas, resistência à corrosão e caraterísticas de processamento para satisfazer requisitos de aplicação específicos em indústrias que vão desde a automóvel à aeroespacial e ao processamento químico.
O vanádio apresenta uma forte afinidade com o carbono, o azoto e o oxigénio, formando compostos estáveis. No aço, existe predominantemente como carbonetos.
As principais funções do vanádio no aço incluem o refinamento da microestrutura e do tamanho do grão, e o aumento da temperabilidade quando dissolvido na matriz de austenite a temperaturas elevadas. No entanto, quando presente como carbonetos, pode contrariar este efeito reduzindo a temperabilidade. O vanádio também melhora significativamente a resistência à têmpera do aço endurecido e induz um fenómeno de endurecimento secundário.
O teor de vanádio no aço é normalmente limitado a 0,5%, com exceção dos aços-ferramenta de alta velocidade. Nos aços de liga convencionais com baixo teor de carbono, o vanádio actua como refinador de grão, aumentando a resistência, o limite de elasticidade, a tenacidade a baixa temperatura e a soldabilidade. Nos aços estruturais ligados, quando utilizado em conjunto com o manganês, o crómio, o molibdénio e o tungsténio, o vanádio pode moderar a temperabilidade em condições normais de tratamento térmico.
No caso dos aços para molas e chumaceiras, as adições de vanádio melhoram a resistência e o limite de elasticidade, em particular o limite proporcional e o limite elástico. Também atenua a sensibilidade ao carbono durante o tratamento térmico, resultando numa qualidade de superfície superior. Nos aços para ferramentas, o vanádio refina a estrutura do grão, reduz a suscetibilidade ao sobreaquecimento, aumenta a estabilidade da têmpera e melhora a resistência ao desgaste, prolongando assim a vida útil da ferramenta.
Nos aços para cementação, o vanádio permite a têmpera direta pós-carbonetação, eliminando a necessidade de uma etapa de têmpera separada. Os aços para rolamentos que contêm vanádio e crómio apresentam uma maior dispersão de carbonetos e caraterísticas de desempenho superiores.
A influência do vanádio nas propriedades do aço depende muito da sua concentração e interação com outros elementos de liga, sendo necessário um controlo cuidadoso na conceção e processamento do aço para otimizar as propriedades desejadas para aplicações específicas.
O crómio desempenha um papel crucial na melhoria das propriedades de vários aços e ligas. Aumenta significativamente a temperabilidade do aço e contribui para o endurecimento secundário, melhorando a dureza e a resistência ao desgaste do aço-carbono sem comprometer a ductilidade.
Quando o teor de crómio é superior a 12%, confere ao aço uma excelente resistência à oxidação a alta temperatura e à corrosão, aumentando simultaneamente a sua resistência a quente. Isto faz com que o crómio seja o principal elemento de liga do aço inoxidável, do aço resistente aos ácidos e do aço resistente ao calor.
No aço-carbono, o crómio melhora a resistência e a dureza em condições de laminagem, ao mesmo tempo que reduz o alongamento e a contração da secção transversal. No entanto, quando o teor de crómio ultrapassa 15%, ocorre um efeito inverso: a resistência e a dureza diminuem, enquanto o alongamento e a contração da secção transversal aumentam. Os componentes de aço ao crómio podem atingir uma elevada qualidade de superfície através de processos de retificação.
Durante a têmpera, a principal função do crómio é aumentar a temperabilidade, resultando em propriedades mecânicas superiores após a têmpera e o revenido. Nos aços de cementação, forma carbonetos de crómio, melhorando significativamente a resistência ao desgaste da superfície. Os aços para molas com crómio apresentam resistência à descarbonetação durante o tratamento térmico, uma caraterística valiosa para manter as propriedades desejadas.
No caso dos aços para ferramentas, o crómio melhora a resistência ao desgaste, a dureza e a dureza vermelha (dureza a quente), ao mesmo tempo que aumenta a estabilidade da têmpera. Esta combinação de propriedades torna os aços para ferramentas com liga de crómio ideais para aplicações a altas temperaturas.
Nas ligas electrotérmicas, o crómio serve para melhorar a resistência à oxidação, a resistência eléctrica e a resistência geral. Estas propriedades são cruciais para aplicações em elementos de aquecimento e outros componentes eléctricos de alta temperatura.
A versatilidade do crómio como elemento de liga realça a sua importância na metalurgia moderna e na ciência dos materiais, permitindo o desenvolvimento de aços e ligas com propriedades adaptadas a aplicações industriais específicas.
O manganês (Mn) desempenha um papel crucial na melhoria das propriedades do aço, principalmente devido à sua relação custo-eficácia e compatibilidade com o ferro (Fe). Melhora significativamente a resistência do aço, afectando minimamente a plasticidade, o que o torna um elemento de liga amplamente adotado na indústria do aço.
A omnipresença do Mn na produção de aço é evidente em vários tipos de aço. Desde os aços para estampagem com baixo teor de carbono até aos aços avançados de alta resistência (AHSS), como os aços de dupla fase (DP), os aços de plasticidade induzida pela transformação (TRIP) e os aços martensíticos (MS), o Mn é um constituinte fundamental. O seu teor varia em função das propriedades mecânicas e das aplicações pretendidas.
Nos aços de baixo teor de carbono, o teor de Mn mantém-se normalmente abaixo de 0,5%. No entanto, à medida que os requisitos de resistência aumentam, o teor de Mn também aumenta. Por exemplo, nos aços martensíticos de ultra-alta resistência, os níveis de Mn podem atingir até 3%, contribuindo significativamente para as suas excepcionais relações resistência-peso.
A influência do Mn vai para além do aumento da resistência. Melhora a temperabilidade do aço, melhorando a sua resposta aos processos de tratamento térmico. Este efeito é exemplificado na comparação entre os aços 40Mn e AISI 1040, em que o primeiro apresenta uma temperabilidade superior devido ao seu teor mais elevado de Mn.
Outra função crítica do Mn é a sua capacidade de mitigar os efeitos prejudiciais do enxofre (S) no aço. Durante o processo de fabrico do aço, o Mn forma inclusões de sulfureto de manganês (MnS) de ponto de fusão elevado, neutralizando eficazmente o impacto negativo do enxofre nas propriedades do aço, particularmente a trabalhabilidade a quente e a ductilidade.
No entanto, a adição de Mn requer um equilíbrio cuidadoso. Embora o aumento do teor de Mn possa produzir uma maior resistência, quantidades excessivas podem comprometer a plasticidade e a soldabilidade do aço. Este compromisso exige um controlo preciso do teor de Mn com base na aplicação pretendida e no perfil de propriedades exigido do aço.
Na siderurgia moderna, a otimização do teor de Mn, muitas vezes em conjunto com outros elementos de liga, é crucial para o desenvolvimento de aços com combinações de propriedades adaptadas para satisfazer as exigências específicas da indústria, desde a leveza dos automóveis até às aplicações estruturais de elevado desempenho.
O cobalto (Co) desempenha um papel crucial na melhoria das propriedades de aços e ligas especializados. Nos aços rápidos, o Co confere uma dureza excecional a quente, mantendo o desempenho da ferramenta de corte a temperaturas elevadas durante as operações de maquinagem.
Quando ligado com molibdénio em aços maraging, o Co melhora significativamente a dureza e as propriedades mecânicas gerais. Este efeito sinérgico resulta em aços de ultra-alta resistência com excelente tenacidade, amplamente utilizados em aplicações aeroespaciais e de defesa.
O Co é um elemento de liga essencial nos aços resistentes ao calor e nos materiais magnéticos. Nestes últimos, contribui para uma elevada saturação magnética e melhores temperaturas de Curie, essenciais para ímanes permanentes de elevado desempenho e aços eléctricos.
No entanto, o impacto do Co nas propriedades do aço é complexo. Nos aços ao carbono, pode reduzir a temperabilidade, comprometendo potencialmente as propriedades mecânicas globais. Este efeito é particularmente pronunciado nos aços de médio e alto carbono, onde a temperabilidade é crucial para alcançar as microestruturas e propriedades desejadas.
O Co fortalece a ferrite através do endurecimento por solução sólida. Quando adicionado aos aços-carbono durante tratamentos térmicos como o recozimento ou a normalização, aumenta a dureza, o limite de elasticidade e a resistência à tração. No entanto, isto acontece à custa de uma ductilidade reduzida, que se manifesta através da diminuição do alongamento e da redução da área.
O aumento do teor de Co nos aços conduz geralmente a uma redução da tenacidade ao impacto. Este compromisso entre resistência e tenacidade deve ser cuidadosamente equilibrado na conceção de ligas para aplicações específicas.
A excelente resistência à oxidação do Co torna-o inestimável em aços e superligas resistentes ao calor. As superligas à base de Co, particularmente em aplicações de turbinas a gás, apresentam uma resistência superior a altas temperaturas, resistência à fluência e resistência à corrosão a quente, permitindo temperaturas de funcionamento mais elevadas e uma maior eficiência do motor.
Os efeitos benéficos do níquel nas ligas de aço são substanciais, abrangendo propriedades mecânicas melhoradas, caraterísticas microestruturais melhoradas e resistência superior à corrosão. Estes atributos tornam os aços contendo níquel altamente desejáveis para uma vasta gama de aplicações industriais.
O níquel aumenta significativamente a relação entre a resistência e a dureza do aço, um fator crítico em muitos projectos de engenharia. Diminui drasticamente a temperatura de transição dúctil para frágil, com valores que atingem menos de -100°C com um teor de 0,3% de Ni, e que caem para -180°C quando combinado com 4-5% de cobalto. Esta notável tenacidade a baixa temperatura expande o âmbito operacional dos aços contendo níquel em aplicações criogénicas.
A influência do níquel na temperabilidade do aço é dependente da concentração. Enquanto o teor de Ni de 3,5% é insuficiente para o endurecimento por têmpera, o aumento do teor de níquel para 8% nos aços ao crómio facilita a transformação martensítica mesmo com taxas de arrefecimento muito baixas. Esta caraterística é particularmente valiosa na produção de componentes de grandes dimensões e com secções espessas, onde o endurecimento por penetração é um desafio.
A estrutura atómica do níquel, com uma constante de rede semelhante à da austenite (γ-Fe), promove a formação de uma solução sólida contínua. Esta compatibilidade metalúrgica aumenta a temperabilidade do aço e contribui para uma microestrutura mais uniforme. Além disso, o níquel reduz as temperaturas críticas de transformação e estabiliza a austenite, permitindo temperaturas de arrefecimento mais baixas e uma melhor capacidade de arrefecimento.
Os efeitos sinérgicos do níquel com outros elementos de liga são dignos de nota. As combinações de níquel-crómio, níquel-tungsténio e níquel-crómio-molibdénio aumentam significativamente a temperabilidade. Os aços de níquel-molibdénio apresentam uma resistência excecional à fadiga, enquanto os aços de níquel demonstram geralmente propriedades superiores de fadiga térmica, tornando-os adequados para componentes sujeitos a ciclos térmicos.
Nos aços inoxidáveis, o níquel desempenha um papel crucial na estabilização da fase austenítica, melhorando assim a resistência à corrosão num vasto espetro de ambientes. Isto torna os aços inoxidáveis com níquel indispensáveis no processamento químico, na produção alimentar e nas aplicações marítimas.
Uma vantagem frequentemente negligenciada do níquel no aço é a sua capacidade de inibir o crescimento do grão a temperaturas elevadas. Esta caraterística ajuda a manter uma microestrutura de grão fino, que é essencial para preservar as propriedades mecânicas e evitar a fragilização durante o serviço a alta temperatura ou processos de tratamento térmico.
O cobre (Cu) desempenha um papel significativo na melhoria das propriedades do aço, particularmente na melhoria da sua resistência à corrosão atmosférica. Quando ligado ao aço com baixo teor de carbono, o cobre forma uma pátina protetora na superfície, aumentando significativamente a vida útil do material em ambientes corrosivos. O efeito sinérgico do Cu e do fósforo (P) não só aumenta a resistência à corrosão, como também aumenta a resistência e o limite de elasticidade do aço sem comprometer a sua soldabilidade.
Os carris de aço com 0,20% a 0,50% de Cu (normalmente designados por aço U-Cu) apresentam uma notável resistência à corrosão, com uma durabilidade 2-5 vezes superior à do aço-carbono normal. Isto torna-o particularmente valioso em aplicações expostas a condições ambientais adversas, tais como infra-estruturas costeiras ou instalações de processamento químico.
Em concentrações mais elevadas, especificamente quando o teor de Cu excede 0,75%, o aço pode sofrer um efeito de endurecimento por envelhecimento após o tratamento com solução sólida e subsequente envelhecimento. Este fenómeno pode ser aproveitado para aumentar ainda mais a resistência e a dureza do material através de processos de tratamento térmico controlados.
Em concentrações mais baixas, a influência do Cu nas propriedades do aço é comparável à do níquel, embora menos pronunciada. No entanto, é crucial notar que um teor excessivo de Cu (tipicamente acima de 1%) pode levar a desafios de processamento durante as operações de trabalho a quente. Isto deve-se à formação de uma fase rica em Cu de baixo ponto de fusão nos limites do grão, resultando potencialmente em escassez a quente ou fragilização por cobre.
Os benefícios do cobre vão para além dos aços-carbono. Nos aços inoxidáveis austeníticos, a adição de 2-3% Cu aumenta significativamente a resistência a meios corrosivos, como o ácido sulfúrico, o ácido fosfórico e o ácido clorídrico. Além disso, melhora a resistência da liga à fissuração por corrosão sob tensão, um fator crítico em aplicações exigentes, como equipamento de processamento químico ou ambientes marinhos.
O gálio (Ga), um metal pós-transição, está localizado no bloco p da tabela periódica e apresenta propriedades únicas na metalurgia do aço. No sistema ferro-carbono, o microgálio é solúvel na fase ferrite (α-Fe), formando uma solução sólida substitucional. Ao contrário de muitos elementos de liga, o gálio não forma carbonetos, óxidos, nitretos ou sulfuretos no aço, o que influencia o seu comportamento durante o tratamento térmico e o serviço.
Na região bifásica de austenite (γ) + ferrite (α), o microgálio apresenta uma difusão preferencial da austenite para a ferrite devido à sua maior solubilidade na estrutura cúbica de corpo centrado (BCC) da ferrite em comparação com a estrutura cúbica de face centrada (FCC) da austenite. Este comportamento de difusão leva a um aumento da concentração de gálio na fase de ferrite, afectando potencialmente a cinética de transformação de fase e a microestrutura final do aço.
O principal mecanismo pelo qual o gálio influencia as propriedades mecânicas do aço é através do reforço da solução sólida. Como átomo de substituição na rede de ferro, os átomos de gálio criam distorções locais, impedindo o movimento de deslocação e aumentando assim a resistência e a dureza do aço. No entanto, a magnitude deste efeito de reforço é geralmente menos pronunciada em comparação com os elementos de liga tradicionais como o manganês ou o molibdénio.
Relativamente à resistência à corrosão, o gálio tem um impacto mínimo no comportamento geral da corrosão do aço. Ao contrário de elementos como o crómio ou o níquel, que podem aumentar significativamente a resistência à corrosão através da formação de películas passivas, o gálio não altera substancialmente as propriedades electroquímicas da superfície do aço. O seu efeito limitado na resistência à corrosão deve-se principalmente à sua natureza não formadora de óxidos nas matrizes de aço.
O arsénio (As) no minério apresenta desafios durante a produção de ferro e aço, sendo a sua remoção limitada através da sinterização convencional. No entanto, a torrefação com cloro oferece um método mais eficaz para a eliminação do As. Durante a fundição em alto-forno, o As residual integra-se no ferro-gusa, necessitando de uma gestão cuidadosa.
Quando o teor de As no aço ultrapassa 0,1%, tem um impacto significativo nas propriedades do material, aumentando a fragilidade e comprometendo a soldabilidade. Para mitigar estes efeitos adversos, é crucial um controlo rigoroso dos níveis de As no minério, com um limite máximo recomendado de 0,07%.
A presença de As no aço apresenta influências complexas nas propriedades mecânicas. No aço redondo de baixo teor de carbono, tende a elevar tanto o ponto de escoamento (σs) como a resistência à tração (σb). No entanto, isto acontece à custa de uma ductilidade reduzida, como evidenciado pela diminuição do alongamento. Além disso, o As demonstra um impacto negativo pronunciado na tenacidade ao impacto à temperatura ambiente (Akv) do aço redondo ao carbono, um fator crítico para muitas aplicações.
Estas considerações metalúrgicas sublinham a importância de uma gestão precisa do As ao longo dos processos de fabrico do ferro e do aço, equilibrando os potenciais benefícios com os efeitos prejudiciais para garantir uma qualidade e um desempenho óptimos do aço.
O selénio (Se) desempenha um papel crucial na melhoria da maquinabilidade de vários metais, incluindo o aço carbono, o aço inoxidável e o cobre. A sua incorporação resulta num melhor acabamento da superfície, com as peças a exibirem um aspeto brilhante e limpo. Esta melhoria deve-se principalmente à capacidade do selénio para formar inclusões facilmente cisalháveis, que facilitam a quebra de aparas e reduzem o desgaste da ferramenta durante as operações de maquinagem.
No campo especializado do aço silício orientado por indução magnética elevada, o disseleneto de manganês (MnSe2) é frequentemente utilizado como inibidor. O MnSe2 demonstra caraterísticas de inclusão superiores em comparação com o sulfureto de manganês (MnS), particularmente na sua capacidade de controlar o crescimento de grãos iniciais de recristalização. Esta inibição melhorada é fundamental para promover o crescimento seletivo de grãos de recristalização secundária. O resultado é uma textura (110)[001] altamente orientada, que é crucial para obter propriedades magnéticas óptimas em aços eléctricos utilizados em núcleos de transformadores e outras aplicações eléctricas de elevada eficiência. Esta otimização da textura conduz à redução das perdas no núcleo e à melhoria da eficiência global do transformador.
O zircónio (Zr) é um potente elemento formador de carbonetos, exibindo propriedades análogas às do nióbio, tântalo e vanádio nas ligas de aço. As suas caraterísticas únicas tornam-no um aditivo valioso em várias aplicações metalúrgicas de elevado desempenho.
A incorporação de pequenas quantidades de Zr produz múltiplos efeitos benéficos na microestrutura e nas propriedades do aço:
Estes efeitos contribuem sinergicamente para melhorar a tenacidade a baixa temperatura e a formabilidade superior, o que é particularmente benéfico para melhorar o desempenho de estampagem das chapas de aço.
O Zr é amplamente utilizado na produção de:
O controlo preciso do teor de Zr, tipicamente na gama de 0,05-0,15%, é fundamental para otimizar os seus benefícios, evitando potenciais problemas como a formação excessiva de carbonetos ou a fragilização.
O nióbio (Nb) e o tântalo são elementos intimamente relacionados, frequentemente encontrados juntos na natureza, e apresentam papéis semelhantes na metalurgia do aço. Ambos os elementos podem dissolver-se parcialmente em solução sólida, contribuindo para o reforço da matriz do aço.
A presença de Nb melhora significativamente a resposta de têmpera do aço quando dissolvido na fase austenítica. No entanto, quando presente sob a forma de carbonetos ou de partículas de óxido, o Nb actua como refinador de grão e reduz a temperabilidade do aço. Também aumenta a estabilidade da têmpera e induz um efeito de endurecimento secundário, que é benéfico para a obtenção de propriedades mecânicas específicas.
A microligação com nióbio oferece uma vantagem única: melhora a resistência do aço sem comprometer a plasticidade ou a tenacidade. Esta caraterística é particularmente valiosa nos modernos aços de baixa liga de alta resistência (HSLA). O Nb refina a estrutura do grão, aumenta a resistência ao impacto e reduz a temperatura de transição dúctil para frágil. Quando o teor de Nb excede 8 vezes o teor de carbono, pode efetivamente fixar quase todo o carbono no aço, resultando numa excelente resistência à fragilização por hidrogénio.
Nos aços inoxidáveis austeníticos, o Nb actua como elemento estabilizador, evitando a sensibilização e a corrosão intergranular em ambientes oxidantes. Isto é conseguido através da formação de carbonetos de nióbio estáveis, que impedem a precipitação de carboneto de crómio nos limites dos grãos. Além disso, o Nb melhora o desempenho dos aços a alta temperatura, particularmente a resistência à fluência, através da sua capacidade de fixação de carbono e do efeito de endurecimento por precipitação.
No caso dos aços convencionais de baixa liga, a adição de Nb conduz a um aumento do limite de elasticidade e da resistência ao impacto, reduzindo simultaneamente a temperatura de transição dúctil para frágil. Esta combinação de propriedades é particularmente vantajosa para estruturas soldadas. Nos aços estruturais de liga de cementação e de têmpera, o Nb aumenta a temperabilidade, melhorando simultaneamente a tenacidade e o desempenho a baixa temperatura. Nos aços inoxidáveis martensíticos de baixo carbono, o Nb reduz a tendência de endurecimento por ar, atenua a fragilização por têmpera e aumenta a resistência à fluência, tornando-o um elemento de liga versátil para vários tipos de aço e aplicações.
O molibdénio (Mo) aumenta significativamente as propriedades do aço, melhorando a sua temperabilidade, resistência ao calor e resistência à fragilização por têmpera. Também aumenta o magnetismo residual, a coercividade e a resistência à corrosão em ambientes específicos.
Nos aços temperados e revenidos, o Mo aumenta a temperabilidade, permitindo um tratamento térmico eficaz de peças de grande secção transversal. Melhora a estabilidade da têmpera, aumentando a resistência do aço ao amolecimento a temperaturas elevadas. Esta caraterística permite um alívio de tensões mais eficiente e uma ductilidade melhorada em condições de alta temperatura sem comprometer a resistência.
Para a cementação de aços, o Mo atenua a formação de redes contínuas de carbonetos nos limites dos grãos na camada cementada. Isto reduz o teor de austenite retida, melhorando assim a resistência ao desgaste da superfície. A microestrutura refinada resulta numa melhor resistência à fadiga e resistência ao impacto.
O Mo é crucial nos aços para forjamento, mantendo uma dureza consistente a temperaturas elevadas e aumentando a resistência à deformação plástica, fissuração por fadiga térmica e desgaste abrasivo. Isto leva a um aumento da vida útil da matriz e a uma melhor qualidade das peças em operações de forjamento a quente.
Em aços inoxidáveis e resistentes a ácidos, o Mo aumenta significativamente a resistência à corrosão, particularmente contra ácidos orgânicos (por exemplo, fórmico, acético, oxálico), agentes oxidantes (peróxido de hidrogénio) e vários produtos químicos industriais (ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, sulfatos, corantes ácidos, agentes de branqueamento). Em particular, a adição de Mo combate eficazmente a corrosão por picadas e fendas induzida por iões de cloreto, um problema comum em ambientes marinhos e de processamento químico.
O aço rápido W12Cr4V4Mo, contendo aproximadamente 1% Mo, apresenta uma excecional resistência ao desgaste, estabilidade de têmpera e dureza vermelha (dureza a quente). Esta composição optimiza o equilíbrio entre os formadores de carboneto (W, Cr, V, Mo) e a matriz, resultando num desempenho de corte superior e na vida útil da ferramenta em aplicações de maquinagem de alta velocidade.
O estanho (Sn) desempenha um papel complexo na metalurgia do aço, com efeitos que variam significativamente consoante a aplicação específica e a composição da liga. Na produção geral de aço, o Sn é frequentemente considerado uma impureza prejudicial devido ao seu potencial para induzir fragilidade a quente, fragilização por têmpera e fissuração. Pode afetar negativamente a soldabilidade e é classificado como um dos "elementos de base" do aço, juntamente com elementos como o cobre, o arsénio, o antimónio e o fósforo.
No entanto, o Sn demonstra propriedades benéficas em aplicações especializadas de aço. No aço elétrico, particularmente no aço ao silício de grão orientado, o Sn contribui para melhorar as propriedades magnéticas. Consegue-o influenciando a estrutura do grão e o desenvolvimento da textura. O Sn tende a segregar-se nos limites do grão, inibindo o crescimento do grão durante o processamento. Este efeito de refinamento do grão é dependente da concentração; um teor mais elevado de Sn leva a um controlo mais eficaz do tamanho do grão. A estrutura de grão mais fina resultante contribui para reduzir as perdas de núcleo nos aços eléctricos.
Além disso, o Sn promove a formação da textura favorável {100} Goss no aço silício de grão orientado. Esta melhoria da textura conduz a uma maior permeabilidade magnética e a uma menor magnetostricção, ambas propriedades desejáveis para materiais de núcleos de transformadores. A intensidade da indução magnética pode ser notavelmente melhorada com adições controladas de Sn.
Na produção de ferro fundido, pequenas quantidades de Sn (tipicamente <0,1 wt%) podem ser vantajosas. Aumenta a resistência ao desgaste e influencia a fluidez do metal fundido, o que é crucial para os processos de fundição. Para o ferro fundido maleável perlítico, que combina alta resistência com boa resistência ao desgaste, o Sn é adicionado durante a fusão para promover a formação de perlita. No entanto, é fundamental um controlo preciso do teor de Sn, uma vez que quantidades excessivas podem interferir com a esferoidização da grafite em ferros dúcteis.
O Sn também encontra aplicação em aços de corte livre, onde melhora a maquinabilidade. Nestas ligas, o Sn tende a segregar-se à volta das inclusões e nos limites dos grãos. Embora não altere significativamente a morfologia das inclusões de sulfureto (um fator chave nos aços de corte livre), o comportamento de segregação do Sn aumenta a formação de aparas e a quebra durante as operações de maquinagem. As melhorias óptimas de maquinabilidade são normalmente observadas quando o teor de Sn excede 0,05 wt%, embora a quantidade exacta dependa do tipo de aço específico e de outros elementos de liga presentes.
Em conclusão, embora o Sn seja geralmente indesejável na produção de aço a granel, a sua utilização direcionada em tipos de aço especializados pode produzir benefícios significativos em termos de desempenho. A chave reside no controlo preciso da composição e na compreensão das interações complexas entre o Sn e outros elementos de liga na microestrutura do aço.
Após a incorporação de antimónio (Sb) no aço silício de elevada orientação magnética, este refina o tamanho do grão durante os processos de recristalização primária e secundária. Este refinamento leva a uma recristalização secundária mais completa, resultando em propriedades magnéticas melhoradas.
Após a laminagem a frio e a descarbonetação do aço contendo Sb, os componentes de textura {110} e {110} são reforçados. Estas orientações são favoráveis à promoção da recristalização secundária, aumentando consequentemente o número de núcleos de recristalização secundária. Esta modificação microestrutural contribui para melhorar o desempenho magnético e a qualidade geral do material.
Nos aços estruturais contendo Sb concebidos para aplicações de soldadura, o Sb apresenta um comportamento de precipitação único sob temperaturas de austenitização. Ele precipita preferencialmente em torno de inclusões de sulfeto de manganês (MnS) e ao longo de limites de grão de austenita anteriores. Este enriquecimento de Sb em torno das inclusões de MnS tem um duplo objetivo: refina a microestrutura do aço e aumenta a sua tenacidade. A microestrutura refinada contribui para melhorar as propriedades mecânicas, enquanto a maior tenacidade é particularmente benéfica para as estruturas soldadas, reduzindo potencialmente o risco de fratura frágil na zona afetada pelo calor.
O tungsténio (W) no aço apresenta uma dupla funcionalidade: dissolve-se parcialmente no ferro para formar uma solução sólida, ao mesmo tempo que produz carbonetos. Os seus efeitos são comparáveis aos do molibdénio (Mo), embora geralmente menos pronunciados quando comparados numa base por peso.
As principais contribuições do W para as propriedades do aço incluem uma maior estabilidade na têmpera, uma melhor dureza vermelha (dureza a quente), uma maior resistência ao calor e uma resistência superior ao desgaste, principalmente devido à formação de carbonetos de tungsténio. Estas caraterísticas tornam os aços com liga de W particularmente adequados para aplicações de ferramentas, como os aços de alta velocidade e os aços para forjamento a quente.
Nos aços para molas de alta qualidade, o W actua como um formador de carbonetos refractários, que inibe o engrossamento dos carbonetos e mantém a resistência a altas temperaturas a temperaturas elevadas. Além disso, o W reduz a sensibilidade do aço ao sobreaquecimento, melhora a temperabilidade e aumenta a dureza geral.
Por exemplo, o aço para molas 65SiMnWA atinge uma elevada dureza mesmo após laminagem a quente e arrefecimento a ar. Os aços para molas que contêm W, com secções transversais até 50 mm², podem ser temperados em óleo para atingir uma elevada dureza e suportar cargas substanciais, mantendo a resistência ao calor até 350°C.
O aço para molas 30W4Cr2VA de alta resistência e resistente ao calor exemplifica os benefícios da adição de W. Esta qualidade apresenta uma excelente temperabilidade e pode atingir resistências à tração de 1470-1666 MPa após têmpera a 1050-1100°C e revenido a 550-650°C. A sua principal aplicação é no fabrico de molas concebidas para ambientes de alta temperatura até 500°C.
W aumenta significativamente a resistência à abrasão e o desempenho de corte dos aços, tornando-o um elemento de liga crucial nos aços para ferramentas. A formação de carbonetos de tungsténio duros e estáveis contribui para melhorar a resistência ao desgaste e a retenção de arestas nas ferramentas de corte, especialmente as que funcionam a altas temperaturas ou em condições severas.
Em suma, a adição de tungsténio ao aço confere uma combinação de resistência a altas temperaturas, resistência ao desgaste e propriedades de corte melhoradas, tornando os aços com liga W indispensáveis em várias aplicações de elevado desempenho, em especial nos sectores dos aços para ferramentas e dos aços para molas.
O chumbo (Pb) melhora a maquinabilidade do aço, actuando como lubrificante interno durante as operações de corte. O aço que contém quantidades controladas de chumbo apresenta excelentes propriedades mecânicas e é suscetível de ser submetido a processos de tratamento térmico. No entanto, devido a preocupações ambientais e aos efeitos prejudiciais no processo de reciclagem de sucata de aço, a utilização do chumbo como elemento de liga tem sido progressivamente eliminada em favor de alternativas mais ecológicas.
A solubilidade limitada do chumbo no ferro (Fe) impede a formação de soluções sólidas ou compostos intermetálicos. Em vez disso, o chumbo segrega-se nos limites dos grãos, adoptando uma morfologia globular. Esta segregação pode induzir a fragilização por têmpera no aço dentro da gama de temperaturas críticas de 200-480°C (392-896°F). Além disso, a presença de chumbo nos limites de grão pode comprometer significativamente a soldabilidade, levando à formação de fissuras durante os processos de soldadura. Estes fenómenos metalúrgicos requerem uma consideração cuidadosa na conceção da liga e nos parâmetros de processamento dos aços com chumbo, particularmente em aplicações que envolvam temperaturas elevadas ou operações de soldadura.
O desempenho de corte do aço pode ser significativamente melhorado através da incorporação de 0,1-0,4% de bismuto (Bi) em composições de aço de corte livre. Quando uniformemente distribuídas na matriz do aço, as partículas de Bi fundem-se em contacto com a ferramenta de corte, actuando como um lubrificante eficaz. Este mecanismo evita o sobreaquecimento da ferramenta, permite velocidades de corte mais elevadas e melhora a maquinabilidade global.
Desenvolvimentos recentes têm visto a adição de Bi a vários tipos de aço inoxidável para melhorar as suas caraterísticas de maquinação. Nos aços de corte livre, o Bi pode existir em três formas distintas: como partículas independentes dentro da matriz do aço, encapsulado por inclusões de sulfureto, ou na interface entre a matriz do aço e as fases de sulfureto.
A investigação demonstrou que o aumento do teor de Bi nos lingotes de aço de corte livre S-Bi conduz a uma redução da taxa de deformação das inclusões de sulfureto de manganês (MnS). A presença de Bi-metal no aço inibe eficazmente a deformação do sulfureto durante o processo de forjamento dos lingotes de aço, contribuindo para um melhor controlo microestrutural.
Em aplicações de ferro fundido, a adição de 0,002-0,005% Bi tem demonstrado múltiplos benefícios. Melhora o desempenho de fundição do ferro fundido maleável, aumenta a tendência de branqueamento, reduz o tempo de recozimento e optimiza a ductilidade dos componentes finais. Além disso, a introdução de 0,005% Bi no ferro fundido nodular resulta numa melhor resistência sísmica e num aumento da resistência à tração.
No entanto, a incorporação de Bi no aço apresenta desafios técnicos devido à sua elevada volatilidade a temperaturas típicas de fabrico do aço (cerca de 1500°C), o que dificulta uma distribuição uniforme. Para resolver este problema, os fabricantes internacionais desenvolveram abordagens inovadoras, como a utilização de placas de liga Bi-Mn com um ponto de fusão inferior a 1050°C como aditivos. Apesar destes avanços, a taxa de utilização do Bi continua a ser relativamente baixa, com cerca de 20%.
No domínio dos aços eléctricos, os principais produtores de aço, como a Nippon Steel & Sumitomo Metal, a POSCO e outros, comunicaram que as adições de Bi podem melhorar significativamente as propriedades magnéticas do aço ao silício de grão orientado, em especial o valor B8 (indução magnética a 800 A/m). Nomeadamente, a Nippon Steel & Sumitomo Metal e a JFE registaram mais de uma centena de patentes de aço ao silício de elevada magnetismo que envolvem adições de Bi. Estas inovações resultaram em valores de indução magnética que atingem 1,90T, com alguns casos excepcionais que atingem até 1,99T, marcando melhorias substanciais no desempenho do aço elétrico.
Os elementos de terras raras (ETRs) englobam a série dos lantanídeos (números atómicos 57-71), bem como o escândio (21) e o ítrio (39), totalizando 17 elementos. Estes elementos partilham propriedades químicas semelhantes, o que torna a sua separação difícil. As terras raras mistas, que são mais económicas, referem-se a combinações de REE não separadas.
Na produção de aço, os REE desempenham múltiplas funções:
Os REE, juntamente com Ca, Ti, Zr, Mg e Be, são altamente eficazes na modificação de inclusões de sulfureto. Quando adicionados em quantidades adequadas, transformam as inclusões de óxido e sulfureto em partículas pequenas, dispersas e globulares. Esta transformação atenua os efeitos prejudiciais do sulfureto de manganês (MnS) e de outras inclusões nas propriedades do aço.
Na produção típica de aço, o enxofre existe principalmente como sulfureto de ferro (FeS) e sulfureto de manganês (MnS). O elevado teor de manganês promove a formação de MnS, que, apesar do seu elevado ponto de fusão e da capacidade de evitar a escassez a quente, pode alongar-se durante o processo de deformação. Estas inclusões alongadas de MnS reduzem significativamente a plasticidade, a tenacidade e a resistência à fadiga do aço. As adições de REE são cruciais na modificação destas inclusões para um melhor processamento da deformação.
Os REE também aumentam a resistência do aço à oxidação e à corrosão, ultrapassando os efeitos do silício, do alumínio e do titânio. Melhoram a fluidez do aço, reduzem as inclusões não metálicas e promovem uma microestrutura densa e pura. Os principais papéis dos REEs no aço são a purificação, a modificação de inclusões e a formação de ligas.
À medida que o controlo do teor de oxigénio e enxofre na produção de aço melhora, as técnicas tradicionais de purificação e de modificação da inclusão estão a tornar-se menos críticas. No entanto, novas tecnologias de purificação e efeitos de liga utilizando REEs estão a ganhar destaque. Por exemplo, os REE aumentam a resistência à oxidação das ligas de alumínio ferrocromo e mantêm estruturas de grão fino a temperaturas elevadas. Isto resulta numa maior resistência a altas temperaturas e num aumento significativo da vida útil das ligas electrotérmicas.
Em resumo, os elementos de terras raras desempenham um papel multifacetado na produção moderna de aço, oferecendo benefícios únicos em termos de controlo microestrutural, modificação da inclusão e melhoria das propriedades. A sua aplicação continua a evoluir à medida que as técnicas de produção de aço avançam, abrindo novas vias para o desenvolvimento de aço de elevado desempenho.
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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