Já alguma vez se perguntou porque é que o aço falha por vezes de forma inesperada? Nesta publicação esclarecedora do blogue, vamos mergulhar profundamente no fascinante mundo dos defeitos do aço. Como engenheiro mecânico experiente, vou esclarecer os vários tipos de falhas que podem comprometer a resistência e o desempenho do aço. Descubra as causas ocultas por detrás destas imperfeições e saiba como as identificar e prevenir. Prepare-se para obter informações valiosas que mudarão para sempre a forma como vê o aço!
Os defeitos do aço referem-se a várias ocorrências anómalas na superfície ou no interior do aço durante a sua produção ou utilização que podem afetar o seu desempenho e qualidade.
Os defeitos de superfície mais comuns no aço incluem fissuras, riscos, dobras, orelhas, crostas (pele pesada), cicatrizes de soldadura e rebarbas de extremidade. Para além disso, existem defeitos de superfície típicos como óxidos de laminagem, manchas, fendas, superfícies com buracos e inclusões.
As causas dos defeitos do aço são diversas, tais como danos graves ou desgaste da ranhura do rolo do tipo de furo anterior, metais estranhos que caem sobre as peças laminadas e são pressionados para a superfície do aço, ou defeitos na superfície da peça laminada da passagem anterior. A atmosfera oxidativa durante o aquecimento também leva à oxidação do aço, formando óxidos como FeO, Fe2O3, Fe3O4 na superfície da peça.
As técnicas de deteção de defeitos do aço dividem-se principalmente em deteção visual manual tradicional e deteção automatizada baseada na visão computacional. Nos últimos anos, os métodos baseados na aprendizagem profunda, como o YOLOv5 e o YOLOv7, têm sido amplamente aplicados na deteção automática de defeitos na superfície do aço.
Para certos defeitos específicos, como bandas, eles podem ser eliminados através do método de recozimento por difusão a alta temperatura. Este processo envolve o aquecimento acima de 1050 ℃ para permitir a difusão uniforme do átomo de carbono, eliminando assim as bandas.
Os defeitos do aço não só afectam as propriedades físicas do aço, como também podem apresentar riscos de segurança durante a utilização. Por conseguinte, a deteção e o tratamento dos defeitos do aço são cruciais para garantir a qualidade do aço e a sua utilização segura.
As razões e os mecanismos específicos para os defeitos no aço incluem principalmente os seguintes pontos:
Defeitos de superfície: Estes defeitos incluem fissuras, riscos, dobras, orelhas, etc. A formação de fissuras pode dever-se a bolhas subsuperficiais no lingote de aço, a fissuras não limpas e a inclusões não metálicas que se rompem ou se estendem durante a laminagem, bem como a fissuras internas no lingote de aço que se expandem e se expõem à superfície durante a laminagem. Além disso, factores como condições de arrefecimento inconsistentes em ambos os lados da placa de aço, temperatura irregular da peça laminada, deformação irregular durante o processo de laminagem e arrefecimento irregular com água pulverizada no percurso do rolo da correia de aço também podem causar defeitos na superfície.
Defeitos internos: Estes incluem resíduos de retração, delaminação, manchas brancas, segregação, inclusões não metálicas, folgas, etc. Estes defeitos são causados principalmente por razões relacionadas com o equipamento, o processo e a operação durante o processo de fabrico do aço.
Defeitos de forma e tamanho: Estes defeitos podem estar relacionados com problemas de controlo da dimensão durante a produção do aço. Embora o mecanismo específico de geração não esteja detalhado na informação que procurei, pode inferir-se que está relacionado com o controlo da temperatura, a distribuição da pressão e outros factores durante o processo de produção.
Outros factores: Por exemplo, as deficiências causadas pelo equipamento, pelo processo e por razões operacionais durante o processamento de fundição e laminagem (forjamento) do aço-carbono, incluindo crostas, inclusões não metálicas, etc. Além disso, o impacto de factores irresistíveis, como as propriedades do material e a tecnologia de processamento na produção de aço, pode também causar diferentes tipos de defeitos na superfície, como escamas de laminagem, manchas, etc.
Os materiais constituem a base para a produção de ferramentas duradouras. Durante a produção efectiva, são frequentemente encontrados vários tipos de defeitos nos materiais.
Hoje, vamos esclarecê-lo sobre os 16 tipos de defeitos do aço para que seja cauteloso na seleção das matérias-primas.
Após a realização de um teste de corrosão ácida em aço, descobriu-se que algumas regiões da superfície da amostra não eram densas e apresentavam vazios visíveis.
Estes vazios, que aparecem como manchas escuras com tonalidades de cor desiguais em comparação com outras áreas, são conhecidos como porosidade.
Quando a porosidade está concentrada na parte central da amostra, é designada por porosidade central, enquanto que se estiver distribuída uniformemente na superfície, é designada por porosidade geral.
Tanto o GB/T9943-2008 para o aço-ferramenta de alta velocidade como o GB/T1299-2014 para o aço-ferramenta têm regulamentos específicos relativos à porosidade do aço, mas os fornecimentos excedem frequentemente a norma.
A porosidade tem um impacto significativo na resistência do aço, e os seus principais riscos são os seguintes:
Uma vez que a porosidade afecta o desempenho do aço, o aço para ferramentas tem requisitos rigorosos para os níveis de porosidade permitidos.
As figuras 1 e 2 mostram φ90mm W18Cr4V (abreviado como W18) matérias-primas siderúrgicasO modelo de um filme de vidro, que mostra os padrões de porosidade e de fissuração da porosidade após um tratamento térmico de ataque com HCl 1:1.
A Figura 3 mostra uma imagem de uma fresa com ranhuras em aço W18Cr4V que sofreu fissuração grave devido à escassez durante o tratamento térmico, tal como se pode ver através do ataque térmico com 1:1HCl.
Figura 1 Porosidade central
Figura 2 Fendas no aço de porosidade central durante o forjamento de biletes
Figura 3 Fissuras no material da fresa de entalhe devido à porosidade durante o tratamento térmico
Durante a fundição de um lingote, o aço líquido condensa-se e encolhe na parte central, formando um orifício tubular conhecido como retração.
Normalmente, o encolhimento é encontrado perto do alimentador na cabeça do lingote e deve ser removido ao formar o tarugo.
No entanto, a parte que não pode ser completamente removida é designada por resíduo de retração.
Embora seja ideal remover completamente a retração, as siderurgias dão frequentemente prioridade à eficiência da produção e deixam um resíduo, resultando em consequências irreversíveis para os processos subsequentes.
A Figura 4 mostra o aço W18 de φ70mm com resíduos de retração e porosidade severa, tal como se pode ver através do condicionamento térmico com HCl 1:1.
A Figura 5 mostra o aço W18 de φ70mm com resíduos de retração que formaram fissuras após a laminagem, como se pode ver através do ataque térmico com HCl 1:1.
Há alguns anos, uma empresa deparou-se com resíduos de retração ao serrar aço M2 de φ75mm.
Figura 4
Figura 5: Fissuras causadas pela contração do aço W18
As fissuras longitudinais na superfície das matérias-primas de aço rápido são uma ocorrência comum.
As causas podem ser várias, tais como:
(1) Durante a laminagem a quente, a concentração de tensões pode ocorrer durante o processo de arrefecimento, provocando fissuras ao longo das linhas de risco devido à remoção incompleta das fissuras superficiais ou dos riscos causados pelos furos da matriz.
(2) Furos de matriz deficientes ou grandes velocidades de avanço durante a laminagem a quente podem conduzir a dobras, que causam fissuras ao longo das linhas de dobra no processamento subsequente.
(3) Podem produzir-se fissuras durante a laminagem a quente se a temperatura de paragem da laminagem for demasiado baixa ou se a taxa de arrefecimento for demasiado rápida.
(4) Observam-se frequentemente fissuras superficiais no aço plano W18 de 13 mm × 4,5 mm laminado no inverno frio, o que indica que as fissuras podem também ser influenciadas pelas condições climáticas.
No entanto, não se observam fissuras quando o mesmo tipo de aço e especificação é laminado noutras alturas.
A Figura 6 mostra a fissura na superfície do aço W18 de φ30mm, com uma profundidade de 6mm, tal como representada através de decapagem térmica com HCl 1:1.
Figura 6 Fissura superficial
Durante o processo de laminagem a quente do aço rápido, a deformação excessiva pode fazer com que a temperatura central aumente em vez de diminuir. Isto pode levar à formação de fissuras no centro do material devido ao stress térmico.
A Figura 7 mostra a fenda central no aço W18 de φ35mm (gravado com HCl 1:1).
As fissuras centrais nas matérias-primas de aço rápido são comuns nas fábricas de ferramentas, no entanto, são prejudiciais porque são invisíveis e não podem ser detectadas pelo tato. A única forma de observar estas fissuras é através da deteção de defeitos.
Figura 7 Fissura central
A distribuição desigual de elementos químicos numa liga durante o processo de solidificação é conhecida como segregação. Isto pode ter um impacto significativo no desempenho do aço, especialmente se houver uma distribuição desigual de impurezas como o carbono.
A segregação pode ainda ser dividida em microssegregação, segregação por densidade e segregação regional.
A segregação por densidade ocorre devido às diferenças de densidade das fases constituintes da liga, fazendo com que os elementos mais pesados se afundem e os mais leves flutuem durante a solidificação. A segregação regional é causada pela acumulação local de impurezas em lingotes ou peças fundidas.
A figura 8 mostra uma amostra metalográfica temperada do aço W18 (gravada com uma solução alcoólica de 4% HNO3), que revela um padrão em forma de cruz.
Uma análise mais aprofundada da composição química mostrou que a parte da matriz tinha uma menor teor de carbonoenquanto a parte em forma de cruz tinha um teor de carbono mais elevado.
Esta forma cruzada resulta da segregação quadrada causada pela segregação dos componentes de carbono e de liga durante o processo de laminagem.
Uma segregação regional grave pode enfraquecer a resistência do aço e torná-lo mais suscetível à fissuração durante o trabalho a quente.
Figura 8 Segregação em forma de cruz (3×)
A medida em que os carbonetos eutécticos do aço rápido (HSS) se decompõem durante o processo de prensa quente O processo de fratura do metal duro é designado por não uniformidade do metal duro. Quanto maior for a deformação, maior será o grau de fratura do carboneto e menor será o nível de não uniformidade do carboneto.
Quando os carbonetos no aço são severamente quebrados, como na forma de fitas grossas, malhas ou grande acúmulo de carboneto, isso tem um impacto significativo na qualidade do aço. Por conseguinte, é crucial controlar cuidadosamente a não uniformidade dos carbonetos para garantir a qualidade das ferramentas HSS.
A Figura 9 mostra o efeito da não uniformidade dos carbonetos na resistência à flexão do aço W18.
Como se pode ver na figura, a resistência à flexão nos graus 7-8 com não uniformidade é apenas 40-50% dos graus 1-2, reduzindo a resistência para 1200-1500MPa, o que é apenas equivalente ao nível de graus de tenacidade mais elevados nos carbonetos cimentados. O desempenho horizontal é cerca de 85% do desempenho vertical.
A concentração e a distribuição em forma de banda dos carbonetos podem também resultar em grãos temperados irregulares e na dissolução irregular dos carbonetos, levando a uma maior tendência para o sobreaquecimento e a uma redução da capacidade de endurecimento secundário, respetivamente.
A Figura 9 mostra o impacto da não uniformidade dos carbonetos na resistência à flexão do aço rápido W18Cr4V.
Pode ver-se que a desuniformidade grave do carboneto pode resultar em fissuras e sobreaquecimento durante o trabalho a quente, causando a falha da ferramenta acabada durante a utilização.
A figura 10 ilustra a fissura de arrefecimento causada por carbonetos zonais grosseiros no aço W18 (gravado com uma solução alcoólica de 4% HNO3).
Figura 10 Carboneto zonal grosseiro
Aço que foi submetido a laminagem a quente ou recozimento podem formar carbonetos em rede devido a temperaturas de aquecimento elevadas, tempos de retenção prolongados que provocam o crescimento dos grãos e processos de arrefecimento lentos que resultam na precipitação de carbonetos ao longo dos limites dos grãos.
A presença de carbonetos em rede aumenta muito a fragilidade da ferramenta, tornando-a mais propensa a lascar. Em geral, os carbonetos de rede completos não são aceitáveis no aço.
A inspeção dos carbonetos de rede deve ser efectuada após têmpera e revenimento.
A Figura 11 mostra a rede de carbonetos do aço T12A (gravado com uma solução alcoólica de 4% HNO3), enquanto a Figura 12 mostra a morfologia da rede de carbonetos do aço 9SiCr (gravado com uma solução alcoólica de 4% HNO3), revelando um sobreaquecimento grave durante o processo de recozimento processo.
Figura 11 Carboneto de malha de aço T12A (500×)
Figura 12 Carboneto de malha de aço 9SiCr (500×)
As fresas de ferramentas que efectuam torneamento ou fresagem em HSS podem encontrar uma substância dura e sofrer danos. Este defeito não é normalmente encontrado com facilidade durante o torneamento a alta velocidade, devido à elevada velocidade de corte e ao ruído.
No entanto, durante a fresagem, podem ser observados grumos e caos estranhos, tais como um som de rangido e um desgaste grave da ferramenta ao fresar ranhuras com brocas helicoidais.
Após a inspeção, os blocos brilhantes podem ser vistos a olho nu e verificou-se que têm uma dureza extremamente elevada, atingindo 1225HV, enquanto as áreas não duras estão num estado de recozimento normal. Esta situação é designada por "massa endurecida".
A presença de massas endurecidas resulta em danos na ferramenta e dificulta o corte.
Pensa-se que a formação destes grumos duros é causada pela segregação de componentes químicos durante o processo de fundição e pode ser um tipo de carboneto composto de elevada dureza ou o resultado da adição de blocos de ligas refractárias durante a fundição.
A Figura 13 mostra a macroestrutura de uma massa endurecida no aço W18 (gravada com uma solução alcoólica de 4% HNO3), sendo a substância branca a massa endurecida e as áreas cinzentas e pretas as ranhuras da broca.
Figura 13 Macro-estrutura da massa de aço W18 com revestimento (20×)
As inclusões são um defeito comum no aço que pode ser classificado em duas categorias: inclusões metálicas e não metálico inclusões.
As inclusões metálicas formam-se devido à fusão incompleta da ferro-liga durante o processo de fundição ou à presença de partículas metálicas estranhas que permanecem na lingote de aço.
As inclusões não metálicas dividem-se em dois tipos:
(1) inclusões endógenas, que são principalmente causadas por sistemas de vazamento sujos, descamação de lama refractária do equipamento ou utilização de materiais de carga impuros;
(2) inclusões produzidas e precipitadas devido a reacções químicas durante o processo de fundição. A figura 14 mostra inclusões metálicas encontradas no aço W18, enquanto a Figura 15 mostra inclusões não metálicas que causam fissuras durante a têmpera (gravadas com solução alcoólica de HNO3 4%).
Figura 14 Inclusões metálicas
Figura 15 Fracturação causada por inclusões não metálicas durante a têmpera (400 x)
As inclusões são prejudiciais para a qualidade do aço. Segmentam a matriz do aço, diminuem a sua plasticidade e resistência, tornando o aço suscetível de fissurar em torno das inclusões durante a laminagem, o forjamento e o tratamento térmico.
As inclusões podem também causar fadiga no aço, bem como dificuldades durante o corte e a retificação. Por conseguinte, o aço para ferramentas deve ter requisitos específicos para as inclusões.
No processo de fundição do aço, pode ocorrer uma distribuição desigual dos carbonetos devido à segregação dos componentes ou quando os carbonetos na liga de ferro não são totalmente fundidos, resultando em carbonetos angulares de grandes dimensões que persistem sem serem esmagados após o forjamento.
A presença destes carbonetos aumenta a fragilidade da ferramenta e aumenta o risco de tombamento.
Durante o processo de tratamento térmico, estes carbonetos de grandes dimensões e os elementos de liga podem enriquecer, conduzindo potencialmente a defeitos como o sobreaquecimento, a têmpera insuficiente e mesmo a fissuração ao longo dos limites dos grãos.
A figura 16 mostra o sobreaquecimento durante a têmpera causado pela segregação de componentes circundantes de carbonetos grandes (gravados numa solução alcoólica de 4% HNO3).
Figura 16 Sobreaquecimento causado pela segregação de componentes em torno de carbonetos a granel durante a têmpera (500×)
No processo de solidificação do metal líquido, a segregação do carbono e dos elementos de liga pode provocar a precipitação de grandes blocos de carboneto durante o arrefecimento.
Esta segregação, conhecida como liquefação, não é facilmente eliminada durante o processamento subsequente e resulta na presença de carboneto de zinco a granel na direção da laminagem do aço.
A figura 17 mostra a liquefação do CrMn, gravado com uma solução alcoólica de HNO3 4%.
Figura 17 Liquidação de carbonetos (500×)
Os aços com liquação são altamente frágeis, uma vez que a matriz metálica contínua é rompida, resultando numa resistência reduzida. Anteriormente, a liquação era comum nos aços CrWMn e CrMn, e a sua utilização para fabricar calibres resultava frequentemente na dificuldade em obter uma superfície lisa.
Como a temperatura de recozimento é demasiado elevada e o tempo de espera é demasiado longo, durante o lento processo de arrefecimento do aço, os carbonetos decompõem-se facilmente em carbono livre, conhecido como grafite.
A Figura 18 mostra a microestrutura do carbono grafitado no aço T12A (gravado com solução de álcool ácido amargo 4%).
Figura 18 Microestrutura de carbono grafítico do aço T12A (500×)
A precipitação de carbono grafite diminui significativamente a resistência e a tenacidade do aço, tornando-o inadequado para a produção de facas e componentes críticos. O aço apresenta fracturas negras quando contém níveis elevados de carbono grafite.
A presença de carbono grafite pode ser determinada através de análise química, tanto qualitativa como quantitativa, e a sua forma e distribuição podem ser observadas através de métodos metalográficos.
Além disso, haverá um aumento do tecido de ferrite à volta da grafite.
A mistura de materiais nas empresas de fabrico de ferramentas e moldes é um problema comum, resultado de uma má gestão e de um defeito de baixo nível. Os materiais misturados podem incluir três aspectos: aço misturado, especificações misturadas e números de forno misturados.
O último é especialmente prevalecente e pode causar muitos problemas com tratamentos térmicos falsos sem possibilidade de recurso. De vez em quando, também se encontram componentes de materiais de ferramentas não qualificados.
Alguns componentes de aço rápido não cumprem a norma GB/T9943-2008 relativa ao aço para ferramentas de alta velocidade, especialmente no que respeita ao teor elevado ou baixo de carbono. Por exemplo, o W6Mo5Cr4V2Co5 pertence ao tipo HSS-E mas tem um teor de carbono inferior ao limite inferior da norma.
Apesar de ser rotulado como HSS de alto desempenho, após o tratamento térmico, a dureza não atinge 67HRC. As siderurgias devem garantir que o aço pode atingir uma dureza de pelo menos 67HRC se pertencerem ao tipo HSS-E.
O facto de uma ferramenta necessitar ou não de uma dureza tão elevada é uma questão interna da fábrica de ferramentas e não é da responsabilidade da siderurgia.
No entanto, se a dureza não atingir 67HRC, a culpa é da siderurgia. Existem também muitos casos de aço não qualificado aço para moldes composição, dando origem a litígios permanentes.
O país estabeleceu normas para a descarbonetação do açoNo entanto, os fornecedores de aço fornecem frequentemente materiais que excedem estas normas, o que resulta em perdas económicas significativas para as empresas produtoras de ferramentas.
A dureza da superfície das ferramentas diminui e a sua resistência ao desgaste é fraca após a têmpera para materiais com uma camada descarbonetada. Por conseguinte, é necessário remover completamente a camada descarbonetada durante a maquinagem para evitar quaisquer potenciais problemas de qualidade.
A Figura 19 ilustra a morfologia da descarbonetação da matéria-prima do aço W18 (gravada numa solução alcoólica de 4% HNO3). A zona de descarbonetação é constituída por martensite temperada em forma de agulha, enquanto a zona não descarbonetada é composta por martensite temperada, carbonetos e austenite.
As figuras 20 e 21 mostram a descarbonetação dos aços M2 e T12, respetivamente (gravados em solução alcoólica de 4% HNO3).
No caso do aço T12, a camada totalmente descarbonetada é de ferrite, a zona de transição é composta por carbono magro temperado martensitee a zona não descarbonetada é composta por martensite temperada e carbonetos.
Figura 19 Camada de descarbonetação austemperada (250×)
Figura 20 Descarbonetação do aço M2
Figura 21 Camada descarbonetada do aço T12A (após têmpera→temperação) (200×)
Selecionamos uma barra plana de aço W18 com dimensões de 13 mm x 4,5 mm de uma empresa específica e a temperamos em um banho de sal a temperaturas de 1210 ℃, 1230 ℃ e 1270 ℃.
O tempo de aquecimento foi de 200 segundos, e o tamanho do grão foi de 10,5, como mostrado na Figura 22. A dureza após a têmpera estava entre 65 e 65,5HRC, mas surpreendentemente, a dureza diminuiu após o revenido a 550 ℃ por três vezes.
Esta anomalia é designada por "anedota".
Figura 22 Têmpera do aço W18 Grau 10.5 (500×)
Parece que o carboneto está a pregar-nos uma partida, ou seja, quando o carboneto é aquecido, não se dissolve em austenite nem precipitar durante o processo de têmpera.
Isto é simplesmente referido como não ser capaz de entrar ou sair, por isso onde está o endurecimento secundário?
A raiz do problema é que o carboneto está a provocar-nos, o que significa que não se dissolve na austenite durante o aquecimento e não há precipitação durante o processo de têmpera.
É simplesmente um caso em que não se consegue entrar ou sair, por isso de onde vem o endurecimento secundário?
Os defeitos de superfície são facilmente visíveis a olho nu, tais como:
Os impactos específicos dos defeitos do aço nas propriedades físicas do aço incluem principalmente os seguintes aspectos:
Alterações na dureza e plasticidade: Influenciada por determinados factores, a resistência do aço pode aumentar, mas, ao mesmo tempo, a plasticidade e a tenacidade diminuem, resultando num aumento da fragilidade, um fenómeno conhecido como endurecimento. Este fenómeno ocorre normalmente sob cargas repetidas, quando o limite elástico aumenta e entra na fase plástica.
Efeitos na resistência ao desgaste e na resistência à fadiga: Os defeitos de qualidade da superfície não só afectam o aspeto estético das bandas de aço laminadas a quente, como também podem ter efeitos adversos nas suas propriedades mecânicas e na resistência à corrosão, incluindo a resistência ao desgaste e à fadiga.
Desgaste da ferramenta e superfícies não lisas: A presença de folga no material pode levar a um desgaste excessivo e a superfícies não lisas das ferramentas feitas com ele. Por isso, o aço para ferramentas tem requisitos rigorosos para o nível aceitável de folga.
Dispersão da microestrutura e defeitos: A tenacidade do aço depende principalmente da dispersão da microestrutura e dos defeitos (evitando defeitos concentrados), mais do que da composição química. A tenacidade sofre alterações significativas após o tratamento térmico.
Efeitos do tratamento de recozimento e normalização: O recozimento pode reduzir a dureza do aço, melhorar a plasticidade, refinar os grãos, eliminar defeitos estruturais causados por fundição, forjamento e soldadura, homogeneizar a estrutura e a composição do aço e aliviar as tensões internas e o endurecimento por trabalho no aço. A normalização tem efeitos semelhantes em grandes peças fundidas, forjadas e soldadas.
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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