Já alguma vez se interrogou sobre a forma como o tratamento térmico pode transformar as propriedades do aço inoxidável? Neste artigo perspicaz, um engenheiro mecânico experiente mergulha no fascinante mundo do tratamento térmico do aço inoxidável. Descubra a ciência por detrás do aumento da resistência à corrosão, da eliminação da fragilidade e da otimização das propriedades mecânicas. Prepare-se para descobrir os segredos da manipulação da microestrutura do aço inoxidável através de técnicas especializadas e de um controlo preciso da temperatura.
O aço inoxidável é caracterizado pela sua composição, que é composta por um grande número de elementos de liga com o Cr como componente principal. Este é o requisito fundamental para que o aço inoxidável tenha resistência à corrosão.
Para utilizar plenamente os elementos de liga e obter uma resistência mecânica e à corrosão ideais, devem também ser utilizados métodos de tratamento térmico.
O aço inoxidável ferrítico é tipicamente caracterizado por uma estrutura estável de ferrite única e não sofre uma mudança de fase após aquecimento e arrefecimento.
Consequentemente, o tratamento térmico não pode ser utilizado para ajustar as suas propriedades mecânicas. O principal objetivo é reduzir a fragilidade e aumentar a resistência à corrosão intergranular.
Processo de tratamento térmico:
① Recozimento
Para eliminar a fase σ, a fragilidade a 475°C e a fragilidade a alta temperatura, pode ser aplicado um tratamento de recozimento.
O processo envolve o aquecimento a 780~830°C, seguido de arrefecimento ao ar ou no forno.
Para aço inoxidável ferrítico ultra-puro com baixo teor de C (C≤0.01%) e níveis estritamente controlados de Si, Mn, S e P, a temperatura de recozimento pode ser aumentada.
② Tratamento de alívio do stress
Após a soldadura ou o trabalho a frio, as peças podem conter tensão residual.
Nos casos em que o recozimento não é adequado, o tratamento de alívio de tensão pode ser realizado aquecendo as peças a uma temperatura de 230 ~ 370 ℃, mantendo a temperatura e, em seguida, resfriando o ar. Isso pode ajudar a eliminar algumas tensões internas e melhorar a plasticidade.
A presença de Cr, Ni e outros elementos de liga no aço inoxidável austenítico reduz a Ponto até uma temperatura inferior à temperatura ambiente (-30 a -70°C).
Esta estabilidade da estrutura austenítica significa que não ocorre qualquer mudança de fase aquando do aquecimento e arrefecimento acima da temperatura ambiente.
O principal objetivo do tratamento térmico para o aço inoxidável austenítico não é, portanto, alterar as propriedades mecânicas, mas sim melhorar a resistência à corrosão.
Tratamento por solução de aço inoxidável austenítico
Efeitos:
① Precipitação e dissolução de carbonetos de liga em aço
O carbono (C) é um dos elementos de liga presentes no aço. Embora tenha um ligeiro efeito de reforço, é prejudicial para a resistência à corrosão, especialmente quando forma carbonetos com o crómio (Cr).
Para minimizar a existência de carbonetos de C e Cr, a solubilidade do C na austenite é manipulada por aquecimento e arrefecimento.
A solubilidade do C na austenite é elevada a altas temperaturas (0,34% a 1200°C) e baixa a baixas temperaturas (0,02% a 600°C, e ainda mais baixa à temperatura ambiente).
O aço é aquecido a uma temperatura elevada para dissolver o composto C-Cr e rapidamente arrefecido para evitar a precipitação.
Isto ajuda a melhorar a resistência à corrosão do aço, especialmente a sua resistência à corrosão intergranular.
② Sigma (σ) Fase
O aquecimento a longo prazo na gama de 500-900°C ou a adição de elementos como o titânio, o nióbio e o molibdénio podem resultar na precipitação da fase σ no aço austenítico.
Este facto aumenta a fragilidade do aço e diminui a sua resistência à corrosão.
A fase σ pode ser eliminada dissolvendo-a a uma temperatura superior à sua temperatura de precipitação e arrefecendo-a rapidamente para evitar a reprecipitação.
Processo:
De acordo com a norma GB1200, a gama de temperaturas de aquecimento recomendada é de 1000-1150°C, normalmente 1020-1080°C.
A temperatura de aquecimento pode ser ajustada dentro do intervalo admissível com base na composição específica da classe, peças fundidas ou forjadas. O método de arrefecimento deve ser rápido para evitar a precipitação de carbonetos.
Na China e em algumas outras normas nacionais, o "arrefecimento rápido" é indicado após a solução sólida.
A escala de "rápido" pode ser determinada com base nos seguintes critérios:
Tratamento térmico de estabilização de aço inoxidável austenítico
O tratamento térmico de estabilização é um processo que se limita a qualidades específicas de aços inoxidáveis austeníticos, como 1Cr18Ni9Ti e 0Cr18Ni11Nb, que contêm elementos estabilizadores Ti ou Nb.
Efeitos:
Como discutido anteriormente, a precipitação de compostos do tipo Cr23C6 devido à combinação de Cr e C nos limites de grão pode levar a uma diminuição da resistência à corrosão do aço inoxidável austenítico.
Para evitar este fenómeno, são adicionados Ti e Nb ao aço para criar condições em que o C se combine preferencialmente com o Ti e o Nb em vez do Cr.
Isto ajuda a reter o Cr na austenite e a garantir a resistência à corrosão do aço. O tratamento térmico de estabilização combina Ti, Nb e C para estabilizar o Cr na austenite.
Processo:
Temperatura de aquecimento: A temperatura de aquecimento deve ser superior à temperatura de dissolução de Cr23C6 (400-825 ℃) e ligeiramente inferior ou superior à temperatura de dissolução inicial de TiC ou NbC (por exemplo, a faixa de temperatura de dissolução de TiC é 750-1120 ℃).
A temperatura de aquecimento estabilizadora é geralmente definida em 850-930 ℃, que dissolve completamente o Cr23C6 e permite que o Ti ou o Nb se combinem com o C, mantendo o Cr na austenita.
Método de arrefecimento: Normalmente, é utilizado o arrefecimento por ar, mas também pode ser utilizado o arrefecimento por água ou por forno, dependendo das condições específicas das peças.
A taxa de arrefecimento tem um impacto mínimo no efeito de estabilização.
A nossa investigação experimental mostrou que as taxas de arrefecimento de 0,9°C/min e 15,6°C/min de uma temperatura de estabilização de 900°C para 200°C resultam numa estrutura metalográfica, dureza e resistência à corrosão intergranular semelhantes.
Tratamento de alívio de tensões em aço inoxidável austenítico
Objetivo:
As peças de aço inoxidável austenítico sofrem inevitavelmente tensões durante os processos de trabalho a frio, como o processamento e a soldadura.
Esta tensão pode ter efeitos negativos, como o impacto na estabilidade dimensional e causar fissuras por corrosão sob tensão em meios como Cl-, H2S, NaOH, etc.
Este tipo de danos é local e súbito, o que pode ser prejudicial. Para minimizar o stress nestas partes, podem ser utilizados métodos de alívio do stress.
Processo:
O tratamento de solução e o tratamento de estabilização podem ajudar a eliminar a tensão, se as condições o permitirem. No entanto, estes métodos podem nem sempre ser viáveis, como no caso de acessórios para tubos num circuito, peças acabadas com margem limitada e peças com formas complexas que são facilmente deformáveis.
Nestes casos, o aquecimento das peças a uma temperatura inferior a 450°C pode ajudar a reduzir a tensão.
Se a peça de trabalho for utilizada num ambiente de corrosão sob forte tensão e a tensão tiver de ser completamente eliminada, deve ser considerada a seleção de materiais como o aço inoxidável austenítico de carbono ultra-baixo com elementos estabilizadores.
A caraterística mais distinta do aço inoxidável martensítico em comparação com o aço inoxidável ferrítico, o aço inoxidável austenítico e o aço inoxidável duplex é a sua capacidade de ajustar as suas propriedades mecânicas numa vasta gama através de métodos de tratamento térmico para satisfazer as necessidades variáveis de diferentes aplicações.
Além disso, a resistência à corrosão do aço inoxidável martensítico pode ser afetada de forma diferente pelos diferentes métodos de tratamento térmico utilizados.
① A estrutura do aço inoxidável martensítico após a têmpera
Dependendo da composição química
② Resistência à corrosão e tratamento térmico do aço inoxidável martensítico
O tratamento térmico do aço inoxidável martensítico não só altera as suas propriedades mecânicas, como também afecta a sua resistência à corrosão de várias formas.
Por exemplo, a têmpera a baixa temperatura após a têmpera resulta numa elevada resistência à corrosão, enquanto a têmpera a média temperatura (400-550°C) resulta numa baixa resistência à corrosão.
Por outro lado, a têmpera a alta temperatura (600-750°C) conduz a uma melhor resistência à corrosão.
③ O método do processo de tratamento térmico e a função do aço inoxidável martensítico
Recozimento
Podem ser utilizados diferentes métodos de recozimento, consoante o resultado pretendido:
Este processo de recozimento isotérmico é também eficaz para melhorar a estrutura deficiente após o forjamento, bem como para melhorar as propriedades mecânicas após a têmpera e o revenido, particularmente a resistência ao impacto.
Resfriamento
O principal objetivo da têmpera do aço inoxidável martensítico é aumentar a sua resistência.
O processo envolve o aquecimento do aço a uma temperatura acima do ponto crítico, mantendo o calor para garantir que os carbonetos se dissolvam completamente na austenite e, em seguida, arrefecendo a uma taxa adequada para atingir uma estrutura da martensite.
Seleção da temperatura de aquecimento: O princípio básico é a formação de austenite e a dissolução homogénea de carbonetos de liga na austenite.
Para evitar grãos de austenite mais grosseiros ou a presença de ferrite ou austenite retida na estrutura após a têmpera, a temperatura de aquecimento não deve ser demasiado baixa ou demasiado alta.
A gama de temperaturas para a têmpera de aço inoxidável martensítico varia muito, mas, de acordo com a nossa experiência, situa-se normalmente entre 980-1020°C.
No entanto, para tipos de aço especiais, controlo específico da composição ou requisitos particulares, a temperatura de aquecimento pode ter de ser ajustada, mas o princípio de aquecimento não deve ser violado.
Método de arrefecimento: Devido à composição do aço inoxidável martensítico, a austenite é mais estável, o Curva C desloca-se para a direita e a taxa de arrefecimento crítica é mais baixa.
Por conseguinte, o aço martensítico pode ser temperado utilizando o arrefecimento a óleo ou a ar.
No entanto, para peças que requerem uma grande profundidade de endurecimento e elevadas propriedades mecânicas, especialmente elevada resistência ao impacto, recomenda-se o arrefecimento a óleo.
Têmpera
Após a têmpera, obtém-se o aço inoxidável martensítico com elevada dureza, fragilidade e tensão interna, que deve ser temperado para melhorar as suas propriedades mecânicas.
O aço inoxidável martensítico é tipicamente temperado a duas temperaturas diferentes:
A têmpera a uma temperatura entre 400 e 600°C não é geralmente recomendada, pois pode provocar a precipitação de carbonetos altamente dispersos na martensite, resultando na fragilidade da têmpera e reduzindo a resistência à corrosão.
No entanto, algumas molas, como as molas de aço 3Cr13 e 4Cr13, podem ser temperadas a esta temperatura, resultando num HRC de 40 a 45 e numa boa elasticidade.
O método de arrefecimento após a têmpera é normalmente o arrefecimento a ar, mas para os tipos de aço que são propensos à fragilidade da têmpera, como o 1Cr17Ni2, 2Cr13 e 0Cr13Ni4Mo, recomenda-se o arrefecimento a óleo após a têmpera.
O aço inoxidável duplex é uma adição recente à família do aço inoxidável e ganhou amplo reconhecimento e apreciação pelas suas características únicas.
O seu elevado teor de crómio, a sua baixa composição em níquel e a adição de molibdénio e azoto tornam-no mais forte e mais flexível do que os materiais austeníticos e aços inoxidáveis ferríticose, simultaneamente, uma resistência à corrosão equivalente.
Também tem uma resistência superior à corrosão por pites, fendas e tensão em ambientes de cloreto e água do mar.
Os efeitos do tratamento térmico para o aço inoxidável duplex são os seguintes:
① Eliminar a austenita secundária: Em temperaturas mais altas, como durante fundição ou forjamentoa quantidade de ferrite aumenta.
A temperaturas superiores a 1300°C, pode transformar-se em ferrite monofásica, que é instável a altas temperaturas. O envelhecimento a temperaturas mais baixas pode resultar na precipitação de austenite, conhecida como austenite secundária.
No entanto, a quantidade de crómio e azoto nesta austenite é inferior à da austenite normal, o que a torna uma fonte potencial de corrosão, pelo que deve ser removida através de tratamento térmico.
② Eliminar o carboneto Cr23C6: O aço duplex pode precipitar Cr23C6 a temperaturas abaixo de 950°C, causando aumento da fragilidade e redução da resistência à corrosão. Isso deve ser eliminado.
③ Eliminar nitretos Cr2N, CrN: Devido à presença de nitrogénio no aço, podem formar-se nitretos com crómio, o que pode ter um impacto negativo nas propriedades mecânicas e na resistência à corrosão, devendo ser eliminados.
④ Eliminar a fase intermetálica: A composição do aço de fase dupla pode resultar na formação de fases intermetálicas, como a fase σ e a fase γ, que reduzem a resistência à corrosão e aumentam a fragilidade, por isso devem ser eliminadas.
O processo de tratamento térmico é semelhante ao do aço austenítico e envolve um tratamento de solução sólida com uma temperatura de aquecimento de 980~1100°C seguida de um arrefecimento rápido. Normalmente, é utilizado o arrefecimento a água.
O aço inoxidável endurecido por precipitação é um desenvolvimento relativamente recente e é um tipo de aço inoxidável que foi experimentado, testado e melhorado através da prática humana.
Os aços inoxidáveis mais antigos, como os aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos, têm uma boa resistência à corrosão, mas as suas propriedades mecânicas não podem ser ajustadas através de métodos de tratamento térmico, o que limita a sua utilidade.
O aço inoxidável martensítico pode ser tratado termicamente para ajustar as suas propriedades mecânicas em maior medida, mas a sua resistência à corrosão é fraca.
Características:
O aço inoxidável de endurecimento por precipitação tem um baixo teor de carbono (geralmente ≤0,09%) e um elevado teor de crómio (geralmente ≥14% ou superior), juntamente com elementos como Mo e Cu, o que lhe confere uma resistência à corrosão equivalente à do aço inoxidável austenítico.
Através de uma solução sólida e de um tratamento de envelhecimento, pode ser obtida uma estrutura com fases de endurecimento por precipitação precipitadas na matriz de martensite, resultando numa maior resistência.
A resistência, a plasticidade e a tenacidade podem ser ajustadas dentro de um determinado intervalo, ajustando a temperatura de envelhecimento.
Além disso, o método de tratamento térmico de solução sólida seguido de reforço por precipitação em fase de precipitação permite o processamento de formas básicas com baixa dureza após o tratamento de solução sólida.
Ao ser reforçado pelo envelhecimento, os custos de processamento são reduzidos e o seu desempenho é superior aços martensíticos.
Classificação:
① Martensitic Precipitação endurecimento de aço inoxidável e seu tratamento térmico
O aço inoxidável martensítico de endurecimento por precipitação é caracterizado por uma transformação austenítica em martensítica que começa acima da temperatura ambiente (Ms).
Ao aquecer o aço até à temperatura de austenitização e ao arrefecer rapidamente, obtém-se uma matriz martensítica tipo ardósia.
Após o envelhecimento, a massa fina de cobre precipita-se da matriz martensítica, reforçando o aço.
Um grau típico na norma GB1220 é 0Cr17Ni4Cu4Nb (PH17-4), com a seguinte composição: C≤0,07, Ni: 3-5, Cr: 15,5-17,5, Cu: 3-5, Nb: 0,15-0,45. O ponto Ms é de aproximadamente 120°C, e o ponto Mz é de cerca de 30°C.
Tratamento de soluções sólidas:
Quando aquecido a 1020-1060°C e arrefecido rapidamente com água ou óleo, a estrutura do aço transforma-se em martensite de ripas, com uma dureza de cerca de 320HB.
A temperatura de aquecimento não deve exceder 1100°C, uma vez que pode resultar num aumento da ferrite na estrutura, numa diminuição do ponto Ms, num aumento da austenite retida, numa diminuição da dureza e em efeitos negativos do tratamento térmico.
Tratamento do envelhecimento:
A dispersão e o tamanho das partículas dos precipitados dependem da temperatura de envelhecimento e resultam em diferentes propriedades mecânicas.
De acordo com a norma GB1220, as propriedades após o envelhecimento a diferentes temperaturas são as seguintes:
② Tratamento Térmico de Aço Inoxidável Semi-Austenítico
O ponto Ms do aço inoxidável semi-austenítico é geralmente ligeiramente inferior à temperatura ambiente, resultando numa estrutura de austenite com baixa resistência após tratamento com solução e arrefecimento à temperatura ambiente.
Para melhorar o resistência e dureza da matriz, o aço tem de ser reaquecido a 750-950°C para isolamento.
Nesta fase, os carbonetos precipitarão na austenite, reduzindo a sua estabilidade e aumentando o ponto Ms acima da temperatura ambiente.
Após o arrefecimento, obtém-se uma estrutura de martensite. O tratamento a frio (tratamento sub-zero) pode também ser adicionado, seguido de envelhecimento, para produzir um aço reforçado com precipitados na matriz de martensite.
Um grau recomendado na norma GB1220 é 0Cr17Ni7Al (PH17-7) com a seguinte composição: C≤0.09, Cu≤0.5, Ni: 6.5-7.5, Cr: 16-18, Al: 0,75-1,5.
Solução + Adaptação + Tratamento anti-envelhecimento:
A temperatura da solução sólida é de 1040°C e o aço é arrefecido com água ou óleo para obter uma estrutura de austenite com uma dureza de cerca de 150HB.
A temperatura de ajuste é de 760°C e o aço é arrefecido ao ar para precipitar carbonetos de liga na austenite, reduzir a sua estabilidade, aumentar o ponto Ms para 50-90°C e obter martensite em ripas após o arrefecimento. A dureza pode atingir 290HB.
Após o envelhecimento a 560°C, o Al e os seus compostos precipitam, reforçando o aço e aumentando a sua dureza para 340HB.
Solução sólida + Ajuste + Tratamento a frio + Envelhecimento:
A temperatura da solução sólida é de 1040°C e o arrefecimento com água é utilizado para obter uma estrutura de austenite.
A temperatura de ajuste é de 955°C para aumentar o ponto Ms e obter martensite em ripas após o arrefecimento.
O tratamento a frio a -73°C durante 8 horas reduz a austenite retida na estrutura para obter o máximo de martensite.
Existem várias formas de classificar o aço inoxidável, incluindo com base na composição química, propriedades funcionais, estrutura metalográfica e características de tratamento térmico.
No entanto, para efeitos práticos, é mais útil categorizá-lo com base na sua estrutura metalográfica e características de tratamento térmico.
O principal elemento de liga do aço inoxidável é o crómio, podendo ser adicionada uma pequena quantidade de elementos de ferrite estáveis, como o alumínio e o molibdénio. A estrutura resultante é a ferrite.
Este tipo de aço inoxidável tem baixa resistência e não pode ser melhorado através de tratamento térmico.
Em vez disso, tem alguma plasticidade, mas também grandes quantidades de fragilidade. Tem boa resistência à corrosão em meios oxidantes (como o ácido nítrico), mas fraca resistência à corrosão em meios redutores.
Contém uma elevada concentração de crómio, geralmente superior a 18%, e cerca de 8% de níquel.
Alguns utilizam manganês em substituição do níquel para aumentar ainda mais a resistência à corrosão e outros acrescentam elementos como o molibdénio, o cobre e o silício, titânioou nióbio.
Não há mudança de fase durante o aquecimento e o arrefecimento, pelo que não podem ser utilizados métodos de tratamento térmico para aumentar a sua resistência.
No entanto, tem a vantagem de ter baixa resistência, alta plasticidade e alta tenacidade. É altamente resistente a meios oxidantes e tem boa resistência a corrosão intergranular após a adição de titânio e nióbio.
Aço inoxidável martensítico contém principalmente 12-18% Cr, com a quantidade de carbono ajustável de acordo com as necessidades, normalmente 0,1-0,4%.
Para as ferramentas, o teor de carbono pode atingir 0,8-1,0%, e alguns são melhorados com a adição de elementos como Mo, V e Nb para aumentar a estabilidade e a resistência à têmpera.
O aquecimento a altas temperaturas e o arrefecimento a uma determinada velocidade resulta numa estrutura que é principalmente martensítica, mas que também pode conter pequenas quantidades de ferrite, retida austeniteou carbonetos de liga, consoante o teor de carbono e de elementos de liga.
A estrutura e o desempenho podem ser ajustados através do controlo do processo de aquecimento e arrefecimento, mas a resistência à corrosão não é tão boa como a dos aços inoxidáveis austeníticos, ferríticos e duplex.
O aço inoxidável martensítico é resistente aos ácidos orgânicos, mas tem uma fraca resistência em meios como os ácidos sulfúrico e clorídrico.
Geralmente, o teor de Cr é de 17-30% e o teor de Ni é de 3-13%.
Além disso, são adicionados elementos de liga como Mo, Cu, Nb, N e W, e o teor de C é mantido muito baixo.
Dependendo da proporção dos elementos de liga, alguns são ferrite, enquanto outros são principalmente austeniteconstituindo dois aços inoxidáveis duplex que existem simultaneamente.
Como contém ferrite e elementos de reforço, após o tratamento térmico, a sua resistência é ligeiramente superior à do aço inoxidável austenítico e a sua plasticidade e tenacidade são melhores.
O desempenho não pode ser ajustado através de tratamento térmico.
Tem uma elevada resistência à corrosão, especialmente em meios que contêm Cl e água do mar, e apresenta uma boa resistência à corrosão por picadas, corrosão em fendas e corrosão sob tensão.
A composição deste tipo de aço inoxidável é caracterizada pela presença de elementos como C, Cr, Ni e outros elementos, incluindo Cu, Al e Ti, que podem causar precipitação.
As propriedades mecânicas podem ser ajustadas através de tratamento térmico, mas o seu mecanismo de reforço é diferente do do aço inoxidável martensítico.
Devido à sua dependência do reforço baseado na precipitação, o teor de carbono pode ser mantido muito baixo, resultando numa melhor resistência à corrosão do que o aço inoxidável martensítico e equivalente ao aço inoxidável austenítico Cr-Ni.
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