Inclusões não metálicas no aço: Impacto na qualidade

Conceito e classificação das inclusões

1. Inclusão endógena

Durante o processo de fundição do aço, ocorre uma reação de desoxidação que resulta na produção de óxidos e outros produtos. Se estes produtos não subirem à superfície antes de o aço fundido solidificar, ficarão retidos no interior do aço. Ocorrem as seguintes reacções:

• Mn + FeO → Fe + MnO
• Si + 2FeO → SiO₂ + 2Fe
• 2Al + 3FeO → 3Fe + Al₂O₃
• Ti + 2FeO → 2Fe + TiO₂

A presença de impurezas como o oxigénio, o enxofre e o azoto no aço fundido leva à sua precipitação na solução sólida durante o arrefecimento e a solidificação, acabando por ficar retidas no lingote. A distribuição destas inclusões, conhecidas como inclusões endógenas, é tipicamente uniforme e caracterizada por pequenas partículas.

Embora a operação adequada e a implementação de medidas de processo apropriadas possam reduzir o número de inclusões e alterar a sua composição, tamanho e distribuição, a sua presença é geralmente inevitável.

2. Inclusões estrangeiras

A escória que flutua na superfície do aço fundido durante o processo de fusão e vazamento, bem como os materiais refractários ou outros detritos que podem desprender-se das paredes internas do forno de produção de aço, da calha de vazamento e da panela, nem sempre são removidos antes de o aço fundido solidificar, o que resulta na sua presença no aço.

Estas inclusões são formadas como resultado do contacto entre o metal e substâncias externas durante o processo de fundição.

Normalmente, estas inclusões têm uma forma irregular, são grandes em tamanho e têm uma aparência irregular, o que lhes valeu a alcunha de "inclusões grosseiras".

No entanto, estas inclusões podem ser evitadas através de técnicas de funcionamento correctas.

Classificação por composição química：

Inclusão não metálica

• Sulfureto: FeS, MnS
• Óxidos: FeO, Al₂O₃
• Silicatos: 2MnO-SiO₂
• Nitretos: TiN, ZrN

Classificação por capacidade de deformação：

Inclusão não metálica:

• Inclusão frágil: Al₂O₃
• Inclusões plásticas: FeS, MnS, 2MnO-SiO₂
• Inclusão invariante: SiO₂

Classificação por morfologia e distribuição：

Inclusão não metálica:

• Classe A - compostos hidrofóbicos
• Classe B - Alumina
• Classe C - Silicatos
• Classe D - Óxidos esféricos
• Classe Ds - Esferoide de partícula única

Classe A (Sulfureto): Inclusões cinzentas simples com elevada ductilidade e uma vasta gama de proporções morfológicas, geralmente com extremidades arredondadas.

Classe B (Alumina): A maioria das partículas não está deformada, é angular, tem um rácio morfológico pequeno (geralmente inferior a 3) e é preta ou azul. Devem existir pelo menos três partículas numa fila ao longo da direção de laminagem.

Classe C (Silicatos): Inclusões simples de cor negra ou cinzenta escura com elevada ductilidade e uma vasta gama de relações morfológicas (geralmente superior ou igual a 3), geralmente com um ângulo agudo na extremidade.

Classe D (óxido esférico): Partículas indeformadas, angulosas ou circulares, com pequenas proporções morfológicas (geralmente inferiores a 3), de cor negra ou azulada e irregularmente distribuídas.

Classe Ds (Partícula única esférica): Inclusões de partículas simples redondas ou quase redondas com um diâmetro de 13 μm ou superior.

Quadro 1 Limites de classificação (mínimo)

Quadro 2 largura de inclusão

Impacto no desempenho do serviço

• O desempenho em termos de fadiga é reduzido.
• A resistência ao impacto e a plasticidade diminuem.
• A resistência à corrosão é reduzida.

A presença de inclusões com um tamanho inferior a 10μm promove a nucleação da estrutura, e o crescimento do grão ocorre durante a soldadura.

(1) A adição de elementos de liga como o Nb, V, Ti e outros, podem resultar na precipitação de compostos de C e N (um tipo de microinclusões) durante a fundição contínua e o aquecimento.

(2) Os sulfuretos de cálcio, silicatos e óxido ferroso fino podem refinar os núcleos cristalinos, o que é benéfico para a tenacidade, plasticidade e resistência do chapa de aço.

No entanto, quando o tamanho do não metálico As inclusões excedem 50μm, a plasticidade, a tenacidade e a vida à fadiga do aço são reduzidas, e as propriedades de trabalho a frio e a quente, bem como algumas propriedades físicas, são deterioradas.

Em geral, o tamanho das inclusões no nosso aço fundido excede os 50μm, reduzindo a dureza, a plasticidade e a resistência da chapa de aço.

Para além destas propriedades, as inclusões têm também um impacto negativo na resistência aos ácidos, no desempenho à fadiga, no acabamento da superfície e no desempenho da soldadura.

Influência no desempenho do processo

1. É fácil de fissurar durante o forjamento, o trabalho a frio, a têmpera, o aquecimento e a soldadura.

2. A qualidade da superfície após a laminagem e a rugosidade da superfície das peças após a retificação são reduzidos.

Influência na resistência e no alongamento da chapa de aço

Quando as partículas de inclusão são relativamente grandes, excedendo 10 μm de tamanho, especialmente quando o conteúdo de inclusão é baixo, o limite de elasticidade e a resistência à tração do aço são significativamente reduzidas.

No entanto, se as partículas de inclusão forem pequenas e medirem menos de 10 μm, o limite de elasticidade e a resistência à tração do aço são melhorados.

À medida que a quantidade de pequenas partículas no aço aumenta, o limite de elasticidade e a resistência à tração também aumentam, mas há uma ligeira diminuição do alongamento.

Influência no desempenho à fadiga

É amplamente aceite que as inclusões são a principal causa de falha por fadiga em aço.

As inclusões frágeis e esféricas com forças de ligação fracas e grandes dimensões têm um impacto significativo no desempenho à fadiga, com uma maior resistência a conduzir a maiores riscos, como ilustrado na Figura 1.

No caso do aço de alta resistência, se a superfície do componente for bem processada, a iniciação e a inclusão de fissuras tornam-se o modo dominante de fissuração por fadiga.

As pequenas inclusões podem ter pouco impacto na nucleação da fenda, mas desempenham um papel benéfico na propagação da fenda por fadiga.

A Figura 2 é uma representação esquemática da formação e crescimento de vazios em torno de pequenas inclusões.

Pensa-se que as covinhas estão associadas a inclusões mais pequenas do que 0,5 mm.

Fig. 1 Tamanho da inclusão e vida à fadiga sob o mesmo nível de tensão

Fig. 2 Diagrama esquemático da formação de microvazios entre inclusões não adjacentes

Exemplos de falhas:

O veio elástico de um motor de um equipamento falha após um período de utilização. A figura 3 mostra o aspeto macroscópico da fratura.

A partir da direção das linhas de fadiga macroscópicas na superfície de fratura e das linhas radiais, pode ver-se que a fenda tem origem na superfície do veio elástico e corresponde a uma linha longitudinal na superfície do veio.

No entanto, as características morfológicas da superfície de fratura original não são claras devido ao desgaste severo na superfície de fratura no ponto de iniciação da fenda.

Como mostra a Figura 4, um exame macroscópico e microscópico de um veio elástico que não falhou revela a presença de vários graus de fissuras longitudinais na superfície do veio e inclusões não metálicas na área onde as fissuras ocorrem.

Os resultados da análise do espetro de energia indicam que as inclusões não metálicas nas fissuras são óxido de alumínio. As inclusões esféricas de óxido e as inclusões esféricas de partícula única do veio elástico do motor têm uma classificação de 2,0.

A principal causa da falha prematura do veio elástico é fratura por fadiga resultante do facto de a inclusão atuar como uma fonte de fadiga do núcleo sob a influência de tensões alternadas.

Fig. 3 Aspeto macroscópico da fratura do veio elástico do motor fracturado

Fig. 4 Análise SEM das inclusões no veio elástico

Influência na resistência à corrosão

A presença de inclusões não metálicas no aço pode diminuir significativamente a sua resistência à corrosão.

As diferenças de composição química entre as inclusões não metálicas e a base de aço facilitam a formação de uma microcélula entre elas. Isto pode resultar em corrosão eletroquímica na presença de um meio corrosivo ambiental, levando à formação de poços de corrosão e fissuras. Em casos graves, isto pode resultar na falha da fratura.

Por exemplo, um tubo de aquecimento de água feito de Q235B O aço estrutural de carbono vazou prematuramente. A Fig. 5(a) mostra o aspeto macroscópico do tubo de água com fuga, com evidência de corrosão perto do ponto de fuga. A Fig. 5(b) mostra que, após a remoção dos produtos de oxidação e corrosão, existem ranhuras claras nas soldaduras no ponto de fuga.

Uma análise exaustiva da metalografia, das inclusões, dos espectros de energia e dos ensaios de corrosão acelerada simulados, tanto do tubo de água com fugas como do tubo de água original, revelou que a presença de inclusões de óxido ou de inclusões de óxido compósito que penetravam na superfície interior da junta de soldadura eram a principal causa da corrosão local, da formação de sulcos de corrosão e da fuga prematura do tubo de água.

Os meios corrosivos presentes na tubagem, tais como O2, S e Cl, fizeram com que as inclusões não metálicas formassem uma célula de corrosão com o ferro adjacente, levando à corrosão eletroquímica e, em última análise, causando a fuga da tubagem de água.

Fig. 5 Aspeto macroscópico de um tubo de água com fugas

Influência na fratura retardada induzida pelo hidrogénio

A infiltração de hidrogénio num material ou a geração de hidrogénio através da interação eletroquímica entre o meio e a superfície do material pode continuar a difundir-se em determinadas condições e agregar-se facilmente e combinar-se em moléculas de hidrogénio em armadilhas como as inclusões.

Quando a pressão das moléculas de hidrogénio nestas armadilhas ultrapassa o limite de resistência do material, formam-se núcleos de fissuras.

Com a difusão e a agregação contínuas de hidrogénio, o material acabará por sofrer uma macrofractura.

Existem muitos factores que afectam a fissuração induzida pelo hidrogénio, mas para uma tipo de açoA influência das inclusões é a mais importante, para além da influência dos factores do processo. As inclusões são fortes armadilhas de hidrogénio e a pressão em torno das inclusões não metálicas (especialmente as grandes) é muito elevada, com uma força de ligação relativamente fraca entre as inclusões e a matriz.

medida que a pressão do hidrogénio aumenta, formam-se fissuras na interface entre as inclusões e a matriz. A probabilidade de nucleação de fissuras induzidas pelo hidrogénio nas inclusões é elevada, e quanto maior for o nível e a quantidade de inclusões, maior será a suscetibilidade à fissuração induzida pelo hidrogénio.

Um exemplo de falha é o depósito de armazenamento de GPL de 200 m3 de uma empresa de GPL feito de 16Mn com uma espessura de chapa de 24 mm e uma pressão de trabalho de 1,18 MPa. Após muitos anos de uso, 54 protuberâncias na superfície do tanque esférico tinham rachado, sendo que 20 já estavam rachadas. O exame metalográfico, o SEM e a análise do espetro de energia revelaram graves inclusões de MNS dentro e à volta do tambor, juntamente com a contenção de hidrogénio.

A razão para o abaulamento foi a acumulação de hidrogénio que se infiltrou no aço, formando bolhas no defeito da interface inclusão-matriz devido à reação de evolução catódica do hidrogénio. A fenda superficial do bojo foi uma fratura retardada induzida pelo hidrogénio sob a ação de tensão de tração.

As figuras 6 e 7 mostram o aspeto macroscópico da protuberância nas superfícies interior e exterior do depósito de armazenagem e a micro morfologia da superfície da parede interior do tambor e a distribuição superficial dos elementos Mn e S, respetivamente. A inclusão não metálica grave foi o fator material na formação de bolhas de hidrogénio e na fissuração das bolhas.

Fig. 6 Aspeto macroscópico do tambor do reservatório

Fig. 7 micro morfologia da superfície da parede interna do tambor e diagrama de distribuição dos elementos Mn e S