O que torna o aço forte e duradouro? O segredo está na sua composição química. Este artigo analisa os efeitos de 19 elementos diferentes, como o carbono, o silício e o manganês, nas propriedades do aço. Desde o aumento da força e da tenacidade até à influência na soldabilidade e na resistência à corrosão, descobrirá como cada elemento desempenha um papel crucial. Mergulhe para compreender como a mistura correcta de elementos pode adaptar o aço a várias aplicações, fornecendo uma perspetiva da engenharia de materiais.
O papel do carbono no aço é um equilíbrio delicado. Por um lado, como o teor de carbono aumenta, o limite de elasticidade e a resistência à tração do aço aumentam, mas, por outro lado, a sua plasticidade e resistência ao impacto diminuem.
Consequentemente, o teor de carbono deve ser adaptado à utilização prevista do aço. Quando o teor de carbono excede 0,23%, o desempenho da soldadura deteriora-se significativamente, razão pela qual o teor de carbono do aço estrutural de baixa liga utilizado para soldadura não deve exceder 0,20%.
Além disso, o teor excessivo de carbono reduz a resistência do aço à corrosão atmosférica, tornando o aço com elevado teor de carbono vulnerável à corrosão em ambientes ao ar livre.
No entanto, o elevado teor de carbono não é totalmente negativo, uma vez que também pode melhorar a fragilidade a frio do aço e a sua sensibilidade ao envelhecimento.
O silício é adicionado como agente redutor e desoxidante durante o processo de fabrico do aço, resultando num aço que contém 0,15-0,30% de silício. Quando o teor de silício excede 0,50-0,60%, é considerado um elemento de liga.
O silício pode aumentar significativamente o limite elástico, limite de elasticidadee a resistência à tração do aço, sendo por isso muito utilizado em aços para molas, como o 65Mn e o 82B, que contêm 0,15-0,37% de silício.
Adição do silício 1.0-1.2% a temperado e revenido o aço estrutural pode aumentar a sua resistência em 15-20%.
Além disso, quando combinado com elementos como o molibdénio, o tungsténio e o crómio, o silício melhora a resistência à corrosão e à oxidação do aço e é utilizado para produzir aço resistente ao calor.
O aço de baixo carbono contendo 1,0-4,0% de silício tem uma permeabilidade magnética extremamente elevada e é utilizado para fabricar chapas de aço silício na indústria eléctrica.
No entanto, o silício tem o inconveniente de reduzir o desempenho de soldadura do aço.
Durante o processo de produção de aço, o manganês actua como um bom desoxidante e dessulfurizante, e o aço contém normalmente 0,30-0,50% de manganês.
Se for adicionado mais de 0,70% de manganês ao aço-carbono, este é considerado "aço manganês".
Este tipo de aço tem não só uma dureza adequada, mas também uma maior resistência e dureza do que o aço normal. O manganês melhora a temperabilidade e a capacidade de trabalho a quente do aço; por exemplo, o limite de elasticidade do aço 16Mn é 40% superior ao do aço A3.
O aço com manganês 11-14% tem uma resistência ao desgaste extremamente elevada e é utilizado em aplicações como baldes de escavadoras e revestimentos de moinhos de bolas. No entanto, o elevado teor de manganês também tem inconvenientes.
Quando o teor de manganês é elevado, o aço é mais suscetível de apresentar fragilidade por têmpera. O manganês promove o crescimento do grão, o que deve ser tido em consideração durante o tratamento térmico. Quando a fração de massa de manganês excede 1%, o desempenho de soldadura do aço diminui.
O enxofre é um elemento nocivo no aço, proveniente do minério de aço e do coque combustível. No aço, o enxofre existe sob a forma de FeS e forma compostos com Fe que têm um ponto de fusão baixo (985°C), enquanto a temperatura de trabalho a quente do aço é tipicamente de 1150-1200°C.
Como resultado, durante o trabalho a quente, o composto FeS derrete prematuramente, causando fissuras na peça de trabalho, um fenómeno conhecido como "fragilidade a quente". Quanto mais elevado for o teor de enxofre, mais grave será a fragilidade a quente, pelo que o teor de enxofre deve ser controlado.
Para o aço de alta qualidade, o teor de enxofre é inferior a 0,02-0,03%; para o aço de qualidade, é inferior a 0,03-0,045%; e para o aço normal, é inferior a 0,055-0,07%. Em alguns casos, o enxofre é adicionado ao aço.
Por exemplo, a adição de enxofre 0,08-0,20% ao aço pode melhorar a sua capacidade de trabalho de corte, resultando no que é conhecido como "free-aço de corte.
No entanto, o enxofre também tem efeitos negativos no desempenho da soldadura e pode reduzir a resistência à corrosão.
O fósforo é introduzido no aço através do minério. De um modo geral, o fósforo é um elemento nocivo no aço. Embora possa aumentar a resistência e a dureza do açoreduz consideravelmente a plasticidade e a resistência ao impacto.
A baixas temperaturas, o fósforo torna o aço significativamente frágil, um fenómeno conhecido como "fragilidade a frio", que deteriora o trabalho a frio e soldabilidade.
Quanto mais elevado for o teor de fósforo, mais grave será a fragilidade a frio, pelo que o controlo do teor de fósforo no aço é rigoroso.
O aço de alta qualidade tem um teor de fósforo inferior a 0,025%, o aço de qualidade tem um teor de fósforo inferior a 0,04% e o aço normal tem um teor de fósforo inferior a 0,085%.
O oxigénio é um elemento nocivo no aço que entra naturalmente no processo de produção de aço. Apesar da adição de manganês, silício, ferro e alumínio para desoxidação no final da produção de aço, não é possível remover todo o oxigénio.
O oxigénio aparece no aço sob a forma de FeO, MnO, SiO2, Al2O3 e outras inclusões, que diminuem a resistência e a plasticidade do aço. Em particular, tem um impacto significativo em resistência à fadiga e resistência ao impacto.
A ferrite tem uma baixa capacidade de dissolução do azoto. Quando o azoto é supersaturado no aço, precipita-se sob a forma de nitretos após um longo período de tempo ou após aquecimento a 200-300°C, aumentando a dureza e a resistência do aço, mas reduzindo a sua plasticidade e provocando o envelhecimento.
Para eliminar a tendência para o envelhecimento, podem ser adicionados Al, Ti ou V ao aço fundido para o tratamento de fixação de azoto, que fixa o azoto sob a forma de AlN, TiN ou VN.
O crómio aumenta consideravelmente a força, a dureza e a resistência ao desgaste do aço estrutural e do aço para ferramentas, conferindo ao aço uma boa resistência à oxidação e à corrosão.
Consequentemente, o crómio é um importante elemento de liga para o aço inoxidável e o aço resistente ao calor. O crómio também melhora a temperabilidade do aço e é um elemento de liga crucial.
No entanto, o crómio também aumenta a temperatura de transição frágil do aço, aumenta a sua fragilidade na têmpera e pode causar dificuldades no processo de transformação.
O níquel aumenta a resistência do aço, preservando simultaneamente uma boa plasticidade e tenacidade. Tem uma elevada resistência à corrosão por ácidos e álcalis e é resistente à ferrugem e ao calor a altas temperaturas. No entanto, uma vez que o níquel é um recurso escasso, são frequentemente utilizados outros elementos de liga em vez do aço de níquel-crómio.
O molibdénio refina a estrutura do grão do aço, melhora a temperabilidade e a resistência a quente e mantém uma resistência suficiente e uma resistência à fluência a altas temperaturas (quando a deformação ocorre sob tensão prolongada a altas temperaturas).
Quando adicionado ao aço estrutural, o molibdénio melhora as suas propriedades mecânicas e também reduz a fragilidade do aço estrutural. liga de aço devido ao fogo. Além disso, quando adicionado ao aço para ferramentas, o molibdénio melhora a sua dureza vermelha.
Titânio é um forte desoxidante do aço. Torna a estrutura interna do aço mais densa, refina a sua estrutura de grão, reduz a sensibilidade ao envelhecimento e a fragilidade a frio, e melhora o desempenho da soldadura. A adição de uma quantidade adequada de titânio ao aço inoxidável austenítico Cr18Ni9 pode evitar corrosão intergranular.
O vanádio é um excelente desoxidante do aço. Ao adicionar 0,5% de vanádio ao aço, a estrutura do grão é refinada e a resistência e tenacidade são melhoradas. Os carbonetos formados pela combinação de vanádio e carbono aumentam a resistência à corrosão por hidrogénio a alta temperatura e pressão.
O tungsténio tem um elevado ponto de fusão e uma elevada densidade, o que o torna um elemento de liga crucial. Os carbonetos formados a partir de tungsténio e carbono têm elevada dureza e resistência ao desgaste. A adição de tungsténio ao aço para ferramentas melhora significativamente a sua dureza vermelha e resistência ao calor, tornando-o adequado para utilização como ferramentas de corte e matrizes de forjamento.
O nióbio afina a estrutura do grão do aço e reduz a sua sensibilidade ao sobreaquecimento e à fragilidade da têmpera, melhorando também a sua resistência, mas diminuindo a sua plasticidade e tenacidade.
A adição de nióbio ao aço de baixa liga comum aumenta a sua resistência à corrosão atmosférica e à corrosão por hidrogénio, azoto e amoníaco a altas temperaturas. O nióbio também melhora o desempenho da soldadura. Quando adicionado ao aço inoxidável austenítico, o nióbio evita a corrosão intergranular.
O cobalto é um metal raro e valioso, utilizado principalmente em aços e ligas especiais, como o aço resistente ao calor e os materiais magnéticos.
O aço WISCO, fabricado a partir do minério Daye, contém frequentemente cobre. O cobre aumenta a resistência e a tenacidade, particularmente o desempenho em termos de corrosão atmosférica. A desvantagem é que a fragilidade a quente é mais provável de ocorrer durante o processamento a quente. Quando o teor de cobre excede 0,5%, a plasticidade é muito reduzida, mas quando o teor de cobre é inferior a 0,50%, não tem impacto na soldabilidade.
O alumínio é um desoxidante comum no aço. Ao adicionar uma pequena quantidade de alumínio ao aço, a estrutura do grão é refinada e a resistência ao impacto é melhorada, como se pode ver no aço 08Al utilizado para chapas de repuxo profundo. O alumínio também tem resistência à oxidação e à corrosão.
Quando combinado com crómio e silício, o alumínio melhora consideravelmente o desempenho de não esfolamento a altas temperaturas e a resistência à corrosão a altas temperaturas. No entanto, o alumínio tem um impacto negativo na capacidade de trabalho a quente, no desempenho de soldadura e no desempenho de corte do aço.
Ao adicionar uma pequena quantidade de boro ao aço, a compactação e as propriedades de laminagem a quente do aço são melhoradas e a sua resistência é aumentada.
Os elementos de terras raras referem-se aos 15 lantanídeos com números atómicos 57-71 na tabela periódica. Estes elementos são todos metais, mas os seus óxidos são semelhantes a "terra", pelo que são normalmente designados por terras raras. A adição de elementos de terras raras ao aço modifica a composição, a forma, a distribuição e as propriedades das inclusões no aço, melhorando várias propriedades como a tenacidade, a soldabilidade e a trabalhabilidade a frio. A adição de elementos de terras raras ao ferro para arado melhora a resistência ao desgaste.
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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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