Classificação e padrão do aço na China
Por que os diferentes tipos de aço têm propriedades tão variadas e como eles são categorizados na China? Este artigo detalha a classificação e os padrões do aço, explicando a sistemática...
Você sabia que pequenos elementos escondidos no aço podem alterar drasticamente seu desempenho? Este blog mergulha no fascinante mundo dos elementos de liga, revelando como o hidrogênio, o boro, o carbono, o nitrogênio, o oxigênio, o magnésio, o alumínio e o silício moldam a resistência, a durabilidade e a usabilidade do aço. Prepare-se para descobrir os segredos por trás desses componentes cruciais e seus efeitos surpreendentes sobre o aço.
O hidrogênio é amplamente reconhecido como o elemento mais prejudicial no aço, com sua presença podendo levar à fragilização por hidrogênio e à formação de manchas brancas, o que compromete significativamente a qualidade e o desempenho do aço.
Assim como o oxigênio e o nitrogênio, o hidrogênio apresenta solubilidade extremamente baixa no aço sólido. Durante os processos de fabricação de aço em alta temperatura, o hidrogênio pode se dissolver no aço líquido. Se não for gerenciado adequadamente, ele pode ficar preso durante o resfriamento rápido, acumulando-se na microestrutura e formando microporos de alta pressão. Esse fenômeno pode reduzir drasticamente a plasticidade, a tenacidade e a resistência à fadiga do aço, podendo resultar em rachaduras graves e fraturas frágeis catastróficas.
A suscetibilidade à fragilização por hidrogênio varia entre as diferentes microestruturas de aço. Os aços martensíticos são particularmente vulneráveis, enquanto os aços ferríticos geralmente apresentam maior resistência. A gravidade da fragilização por hidrogênio normalmente aumenta com o aumento dos níveis de dureza e do teor de carbono, destacando a importância da seleção cuidadosa do material e dos processos de tratamento térmico em ambientes ricos em hidrogênio.
É interessante notar que, embora os efeitos do hidrogênio sejam predominantemente negativos, ele pode melhorar certas propriedades magnéticas do aço. Especificamente, o hidrogênio melhora a permeabilidade magnética, o que pode ser benéfico em algumas aplicações eletromagnéticas. No entanto, isso ocorre ao custo do aumento da coercividade e das perdas de ferro. Estudos demonstraram que a adição de hidrogênio pode elevar a coercividade por um fator de 0,5 a 2, exigindo um equilíbrio delicado no projeto do aço magnético.
Para atenuar os problemas relacionados ao hidrogênio, as siderúrgicas empregam várias estratégias, como desgaseificação a vácuo, taxas de resfriamento controladas e tratamentos térmicos pós-produção. Métodos avançados de testes não destrutivos, como sondas de hidrogênio e técnicas ultrassônicas, são fundamentais para detectar defeitos induzidos por hidrogênio e garantir a integridade do aço em aplicações críticas.
A principal função do boro no aço é aumentar significativamente sua temperabilidade, permitindo a redução do 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 substituto do molibdênio, é fundamental observar que, enquanto o molibdênio atenua a fragilização por têmpera, o boro pode promovê-la levemente. Consequentemente, não é recomendável a substituição completa do molibdênio pelo boro.
A adição de boro ao aço carbono melhora consideravelmente a temperabilidade, aprimorando principalmente o desempenho de seções de aço espessas com mais de 20 mm. Essa propriedade permite que os aços 40B e 40MnB sirvam como alternativas viáveis ao aço 40Cr, enquanto o aço 20Mn2TiB pode substituir efetivamente o 20CrMnTi em aplicações de cementação.
No entanto, a eficácia do boro diminui com o aumento do teor de carbono no aço. Esse fenômeno é particularmente relevante ao selecionar aços carburizados contendo boro, pois a temperabilidade da camada carburizada pós-tratamento será menor do que a do material principal.
Para aplicações de aço para molas, em que a têmpera total geralmente é necessária, o aço com boro é uma excelente opção devido à sua seção transversal compacta. Entretanto, 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 nitrogênio e o oxigênio. Em aços com borda, a adição de apenas 0,007% de boro pode efetivamente eliminar os efeitos de endurecimento por envelhecimento, melhorando a estabilidade do aço a longo prazo.
Para otimizar os benefícios do boro no aço, é essencial o controle 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 suas propriedades mecânicas, microestrutura e características de processamento. O teor de carbono afeta diretamente a resistência, a ductilidade, a tenacidade e a soldabilidade do aço, tornando-o um fator crucial na seleção de materiais e nos processos de fabricação.
Nos aços hipoeutetóides (teor de carbono abaixo de 0,8%), o aumento do teor de carbono resulta em maior resistência e dureza devido à formação de perlita e ao efeito de fortalecimento dos átomos de carbono intersticiais. No entanto, isso tem o custo de reduzir a ductilidade e a resistência ao impacto, pois a microestrutura do aço se torna menos maleável.
Por outro lado, nos aços hipereutetoides (teor de carbono acima de 1,0%), aumentos adicionais no teor de carbono resultam em diminuição da resistência. Esse fenômeno ocorre devido à formação de uma rede de cementita frágil ao longo dos limites de grãos de austenita anteriores, que podem atuar como locais de iniciação de trincas 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%. Essa redução se deve principalmente ao aumento da temperabilidade e da suscetibilidade a trincas a frio na zona afetada pelo calor. Com o aumento do teor de carbono, o aço também se torna mais propenso à fragilização a frio e ao envelhecimento por deformação, enquanto 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 nitrogênio (N) no desempenho do aço é multifacetada, compartilhando semelhanças com o carbono e o fósforo. À medida que o teor de nitrogênio aumenta, ele aumenta significativamente a resistência do aço e, ao mesmo tempo, reduz a plasticidade, afetando particularmente a resistência e a soldabilidade. Além disso, o nitrogênio contribui para aumentar a fragilidade do aço a frio.
Níveis elevados de nitrogênio exacerbam as tendências de envelhecimento, a fragilidade a frio e a quente e afetam negativamente as propriedades de soldagem e dobramento a frio. Consequentemente, minimizar e controlar o teor de nitrogênio no aço é fundamental para manter as características ideais de desempenho.
Os padrões do setor normalmente recomendam limitar o teor de nitrogênio a não mais do que 0,018% na maioria dos tipos de aço. Entretanto, quando combinado estrategicamente com elementos como alumínio, nióbio ou vanádio, os efeitos adversos do nitrogênio podem ser atenuados e o desempenho do aço pode ser melhorado. Essa interação sinérgica permite que o nitrogênio sirva como um elemento de liga benéfico em determinados aços de baixa liga.
Em composições específicas de aço inoxidável, as adições controladas de nitrogênio podem substituir parcialmente o cromo, reduzindo efetivamente os custos de material sem comprometer o desempenho. Por exemplo, nos aços inoxidáveis austeníticos, o nitrogênio atua como um estabilizador de austenita e contribui para o fortalecimento da solução sólida, permitindo a redução do teor de níquel.
É importante observar que o controle preciso dos níveis de nitrogênio e sua interação com outros elementos de liga são fundamentais para alcançar o equilíbrio desejado de propriedades na produção de aço. Técnicas avançadas de fabricação de aço, como desgaseificação a vácuo e resfriamento controlado, desempenham um papel fundamental no gerenciamento do teor de nitrogênio e na otimização do desempenho do aço em várias aplicações.
O oxigênio desempenha um papel fundamental na produção de aço, mas sua presença pode ter efeitos prejudiciais no produto final. Ele está inerentemente presente durante a fabricação do aço e, apesar dos esforços de desoxidação que utilizam elementos como manganês, silício, ferro e alumínio nos estágios finais, a remoção completa permanece inatingível.
Durante a solidificação, o oxigênio dissolvido reage com o carbono no aço fundido, formando monóxido de carbono. Essa reação pode levar à formação de porosidade de gás ou blowholes, comprometendo a integridade estrutural do aço.
No aço, o oxigênio existe principalmente como inclusões de óxido, como FeO (óxido de ferro), MnO (óxido de manganês), SiO2 (dióxido de silício) e Al2O3 (óxido de alumínio). Essas inclusões não metálicas atuam como concentradores de tensão, reduzindo as propriedades mecânicas do aço, especialmente sua resistência e ductilidade. A presença desses óxidos afeta significativamente a resistência à fadiga e a tenacidade, fatores cruciais em muitas aplicações de engenharia.
Nos aços elétricos, especialmente no aço silício usado em transformadores e motores elétricos, o teor de oxigênio tem efeitos pronunciados. Ele aumenta as perdas de ferro, reduzindo assim a eficiência energética. O oxigênio também diminui a permeabilidade magnética e a magnetização de saturação, parâmetros fundamentais para o desempenho eletromagnético. Além disso, ele acelera o envelhecimento magnético, uma degradação dependente do tempo das propriedades magnéticas, que pode reduzir a vida útil operacional dos componentes elétricos.
O magnésio (Mg) desempenha um papel fundamental na melhoria da qualidade e do desempenho do aço, principalmente no controle de inclusões e no aprimoramento das propriedades mecânicas. Quando adicionado em quantidades precisas, o magnésio pode modificar significativamente a microestrutura do aço, levando a características superiores do material.
Na produção de aço, o magnésio atua como um poderoso desoxidante e dessulfurizador. Ele reduz efetivamente o número de inclusões não metálicas, diminui seu tamanho, promove uma distribuição mais uniforme em toda a matriz do aço e modifica sua morfologia para formas mais favoráveis. Essas melhorias nas características das inclusões contribuem para melhorar a limpeza do aço e o desempenho geral do material.
No caso dos aços para rolamentos, que exigem limpeza excepcional e microestrutura uniforme, as adições de traços de magnésio mostraram benefícios notáveis. O magnésio influencia o tamanho e a distribuição dos carbonetos, componentes essenciais nos aços para rolamentos. Ao refinar as estruturas de carboneto, o magnésio contribui para melhorar a resistência ao desgaste, a vida útil à fadiga e o desempenho geral do rolamento.
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 quanto a resistência ao escoamento aumentam em mais de 5%, enquanto a plasticidade do material permanece essencialmente inalterada. Essa combinação exclusiva de resistência aprimorada e ductilidade mantida é altamente desejável em muitas aplicações de engenharia, pois permite o projeto de componentes mais leves e mais fortes.
É importante observar que para obter esses benefícios é necessário um controle preciso da adição de magnésio, pois quantidades excessivas podem causar efeitos adversos. Portanto, técnicas avançadas de liga e controle 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 superiores de desoxidação em comparação com o silício e o manganês. Suas principais funções na metalurgia do aço são multifacetadas e extremamente importantes para aprimorar várias propriedades do aço.
A adição de alumínio ao aço serve para refinar as estruturas de grãos e estabilizar o nitrogênio, resultando em melhorias substanciais na resistência ao impacto. Esse mecanismo de refinamento de grãos atenua significativamente a fragilidade a frio e reduz as tendências de endurecimento por envelhecimento, melhorando, assim, o desempenho mecânico geral e a longevidade do aço.
Em graus específicos de aço, o teor preciso de alumínio é crucial. Por exemplo, o aço estrutural carbono grau D exige um mínimo de 0,015% de alumínio solúvel em ácido. No caso da chapa laminada a frio 08AL, projetada para aplicações de trefilação profunda, o teor ideal de alumínio solúvel em ácido varia de 0,015% a 0,065%, garantindo a conformabilidade e a resistência adequadas.
O alumínio também contribui para aumentar a resistência à corrosão do aço, principalmente quando usado em sinergia com outros elementos de liga, como molibdênio, cobre, silício e cromo. Essa combinação cria uma camada passiva mais robusta, melhorando a resistência do aço a vários ambientes corrosivos.
Nos aços cromo-molibdênio e cromo, as adições de alumínio levam a uma maior resistência ao desgaste. Isso é obtido por meio da formação de partículas finas e duras de óxido de alumínio dispersas na matriz do aço, que atuam como obstáculos ao movimento de deslocamento e aumentam a dureza da superfície.
Entretanto, é importante observar que os efeitos do alumínio não são universalmente benéficos. Em aços para ferramentas com alto teor de carbono, a presença de alumínio pode induzir à fragilidade durante o processo de têmpera, comprometendo potencialmente a tenacidade e o desempenho geral do aço.
Embora o alumínio ofereça inúmeras vantagens, ele também apresenta desafios no processamento do aço. Ele pode afetar negativamente as propriedades de processamento térmico, o desempenho da soldagem e a usinabilidade. Esses efeitos se devem à formação de inclusões de óxido de alumínio com alto ponto de fusão e à modificação da microestrutura do aço, o que pode levar ao aumento do desgaste da ferramenta durante a usinagem e a possíveis defeitos de solda se não forem gerenciados adequadamente.
O silício é um elemento crucial na fabricação de aço, servindo como agente redutor e desoxidante essencial. Nos aços-carbono, o teor de silício normalmente permanece abaixo de 0,5%, introduzido durante o processo de fabricação do aço para cumprir essas funções essenciais.
Quando dissolvido em ferrita e austenita, o silício aumenta significativamente a dureza e a resistência do aço. Seu efeito de fortalecimento fica atrás apenas do fósforo, superando o do manganês, níquel, cromo, tungstênio, molibdênio e vanádio. Entretanto, um teor de silício superior a 3% pode reduzir substancialmente a plasticidade e a resistência 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, ele é limitado a <0,07%. Quando necessário, uma liga de ferro-silício é adicionada durante a fabricação do aço para atingir os níveis e as propriedades desejados de silício.
O fósforo (P) é introduzido no aço principalmente por meio do minério de ferro e geralmente é considerado um elemento prejudicial. Embora o P possa aumentar a resistência e a dureza do aço, ele compromete significativamente a plasticidade e a resistência ao impacto.
Em baixas temperaturas, o P induz à "fragilidade a frio", reduzindo drasticamente a ductilidade do aço. Esse fenômeno afeta negativamente a capacidade de trabalho a frio e a soldabilidade do aço. A gravidade da fragilidade a frio aumenta proporcionalmente ao teor de P, exigindo um controle rigoroso dos níveis de fósforo na produção de aço.
Os padrões do setor para o teor de P variam de acordo com a qualidade do aço:
O fósforo apresenta efeitos potentes de fortalecimento de solução sólida e endurecimento por resfriamento. Quando combinado com o cobre, ele aumenta a resistência à corrosão atmosférica em aços de baixa liga de alta resistência, embora às custas do desempenho da estampagem a frio. Em conjunto com o enxofre e o manganês, o P pode melhorar a usinabilidade e, ao mesmo tempo, exacerbar a fragilidade da têmpera e a sensibilidade à fragilidade a frio.
Notavelmente, o P melhora a resistividade elétrica e pode reduzir a força coercitiva e as perdas por correntes parasitas devido ao seu efeito de engrossamento dos grãos. Em campos magnéticos fracos, os aços com maior teor de P demonstram melhor indução magnética.
Para aços silício, o teor de P deve ser limitado a ≤0,15% (por exemplo, 0,07-0,10% em aço silício elétrico laminado a frio). Embora o P não prejudique significativamente o trabalho a quente do aço silício, ele pode induzir à fragilidade. O fósforo é o elemento estabilizador de ferrita mais potente, com seu impacto sobre a temperatura de recristalização e o crescimento de grãos no aço silício sendo 4 a 5 vezes maior que o do silício em concentrações equivalentes.
Em resumo, embora o P ofereça algumas propriedades benéficas, seus efeitos prejudiciais sobre as propriedades mecânicas e as características de processamento do aço exigem controle e consideração cuidadosos no projeto da liga e nos processos de fabricação.
O enxofre é introduzido no aço principalmente a partir do minério de ferro e do coque combustível durante o processo de fabricação do aço. Em geral, ele é 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 sulfeto de ferro (FeS). O sistema FeS-Fe forma um composto eutético de baixo ponto de fusão com um ponto de fusão de aproximadamente 985°C (1805°F). Como a temperatura de trabalho a quente do aço normalmente ultrapassa 1150°C (2102°F), os compostos de FeS podem derreter prematuramente durante as operações de trabalho a quente. Esse derretimento prematuro leva a um fenômeno conhecido como "falta de calor" ou "fragilidade a quente", que reduz significativamente a ductilidade e a resistência do aço, resultando, muitas vezes, em rachaduras durante os processos de forjamento e laminação.
Além disso, o enxofre afeta negativamente a soldabilidade do aço e diminui sua resistência à corrosão. Para atenuar esses 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%. Em aços de qualidade, a faixa aceitável é um pouco maior, de 0,03% a 0,045%, enquanto os aços estruturais comuns podem conter até 0,055% a 0,07% de enxofre.
Apesar de seus efeitos geralmente prejudiciais, o enxofre pode ser benéfico em aplicações específicas. Por exemplo, na produção de aços de usinagem livre, 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 usinabilidade e o acabamento da superfície. Essa adição controlada de enxofre facilita a quebra de cavacos e reduz o desgaste da ferramenta durante as operações de usinagem. Da mesma forma, alguns aços de alta velocidade e aços para ferramentas utilizam enxofre para melhorar as características da superfície e a usinabilidade.
Em conclusão, embora o enxofre seja geralmente considerado uma impureza na fabricação de aço, seus efeitos podem ser tanto prejudiciais quanto vantajosos, dependendo da aplicação específica e do tipo de aço. O controle cuidadoso do teor de enxofre é fundamental para obter as propriedades mecânicas e as características de desempenho desejadas nos produtos de aço.
K/Na podem ser utilizados como modificadores poderosos para esferoidizar carbonetos em ferro branco, aumentando significativamente sua tenacidade em até 200% e mantendo sua alta dureza característica. Essa transformação ocorre por meio da promoção da formação de nódulos de grafite e da redução de redes de carbonetos frágeis.
Esses metais alcalinos também desempenham um papel fundamental 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 compactado), K/Na atuam como agentes estabilizadores, estreitando a janela do processo e melhorando a consistência no controle da morfologia do grafite.
Além disso, o K/Na é altamente eficaz na promoção da austenitização em ligas ferrosas. Um exemplo notável é o seu impacto sobre o aço manganês austenítico, no qual eles podem reduzir drasticamente a proporção necessária de manganês para carbono dos convencionais 10:1-13:1 para uma proporção mais econômica de 4:1-5:1. Essa redução não apenas diminui os custos da liga, mas também aumenta a resistência ao desgaste e a capacidade de endurecimento do aço, expandindo suas aplicações em ambientes abrasivos e de alto impacto.
A adição de cálcio ao aço é uma técnica metalúrgica poderosa que oferece inúmeros benefícios em várias propriedades e estágios de processamento do aço. O cálcio atua 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, além de melhorar seu desempenho em altas e baixas temperaturas. Ele aumenta as propriedades mecânicas essenciais, 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 fabricação.
Em termos de aplicações específicas, o aço com tratamento de cálcio apresenta características superiores de encabeçamento a frio, maior resistência a choques, maior dureza e maior força de contato. Essas propriedades o tornam particularmente valioso na fabricação de fixadores de alto desempenho, rolamentos e outros componentes sujeitos a condições severas de carga.
Para aplicações de aço fundido, a adição de cálcio oferece várias vantagens. Ela aumenta a fluidez do aço fundido, levando a uma melhor capacidade de fundição e acabamento superficial do produto final. Em especial, ajuda a eliminar a anisotropia na microestrutura do fundido, resultando em propriedades mais uniformes em todo o fundido. Essa uniformidade se traduz em maior resistência a rachaduras térmicas, propriedades mecânicas superiores e melhor usinabilidade dos componentes fundidos.
Além disso, o aço tratado com cálcio demonstra maior resistência à rachadura induzida por hidrogênio e ao rompimento lamelar, fatores críticos em determinadas aplicações de alta tensão e estruturas soldadas. Esse desempenho aprimorado pode aumentar significativamente a vida útil de equipamentos e ferramentas fabricados com aço tratado com cálcio.
Na produção de aço, o cálcio é normalmente introduzido como parte de uma liga-mãe, desempenhando várias funções: como um desoxidante para remover o oxigênio prejudicial, um inoculante para promover a solidificação controlada e um agente de microliga para ajustar a microestrutura e as propriedades do aço. O controle preciso da adição de cálcio e 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 por nitrogênio, oxigênio e carbono, e uma afinidade maior por enxofre em comparação com o ferro, o que o torna um elemento eficaz para a desoxidação e para a fixação de nitrogênio e carbono no aço.
Como um potente elemento formador de carboneto, o titânio se combina prontamente com o carbono para formar o carboneto de titânio (TiC). Esse composto possui uma forte força de ligação, alta estabilidade e resistência à decomposição. A dissolução do TiC no aço ocorre lentamente, geralmente em temperaturas superiores a 1000°C (1832°F).
Antes da dissolução, as partículas de carboneto de titânio desempenham um papel fundamental na inibição do crescimento de grãos, contribuindo para o refinamento da microestrutura do aço.
A maior afinidade do titânio com o carbono, em comparação com o cromo, torna-o uma adição valiosa nos aços inoxidáveis. Ele fixa efetivamente o carbono, atenua a depleção de cromo nos limites dos grãos e, consequentemente, reduz ou elimina a suscetibilidade à corrosão intergranular.
Como um forte elemento formador de ferrita, o titânio eleva significativamente as temperaturas A1 (eutetóide) e A3 (transformação de austenita em ferrita) no aço, influenciando seu comportamento de transformação de fase.
Nos aços de baixa liga, o titânio aumenta a resistência e a ductilidade. Isso é obtido por meio de sua capacidade de fixar nitrogênio e enxofre, formar carbonetos de titânio e promover o refinamento dos grãos 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 características de processamento. No entanto, uma desvantagem notável é sua reduzida temperabilidade, que pode afetar o endurecimento através da espessura em seções transversais maiores.
Nos aços inoxidáveis com alto teor de cromo, o titânio é normalmente adicionado em uma proporção de 5:1 em relação ao teor de carbono. Essa adição melhora a resistência à corrosão (especialmente contra a corrosão intergranular), aumenta a tenacidade, promove o crescimento controlado de grãos em temperaturas elevadas e melhora a soldabilidade do aço.
O uso estratégico do titânio em vários tipos de aço mostra sua versatilidade na adaptação de propriedades mecânicas, resistência à corrosão e características de processamento para atender aos requisitos de aplicações específicas em setores que vão do automotivo ao aeroespacial e ao processamento químico.
O vanádio apresenta uma forte afinidade com carbono, nitrogênio e oxigênio, formando compostos estáveis. No aço, ele existe predominantemente na forma de carbetos.
As principais funções do vanádio no aço incluem o refinamento da microestrutura e do tamanho dos grãos e o aumento da temperabilidade quando dissolvido na matriz de austenita em temperaturas elevadas. Entretanto, quando presente na forma de carbonetos, ele pode neutralizar esse efeito reduzindo a temperabilidade. O vanádio também melhora significativamente a resistência ao revenimento do aço endurecido e induz a um fenômeno de endurecimento secundário.
O teor de vanádio no aço é normalmente limitado a 0,5%, com exceção dos aços para ferramentas de alta velocidade. Nos aços de liga de baixo carbono convencionais, o vanádio atua como um refinador de grãos, aumentando a resistência, a taxa de rendimento, a tenacidade em baixa temperatura e a soldabilidade. Em aços estruturais de liga, quando usado em conjunto com manganês, cromo, molibdênio e tungstênio, o vanádio pode moderar a temperabilidade sob condições padrão de tratamento térmico.
Para aços para molas e mancais, as adições de vanádio melhoram a resistência e a taxa de rendimento, especialmente o limite proporcional e o limite elástico. Ele também reduz a sensibilidade ao carbono durante o tratamento térmico, resultando em uma qualidade de superfície superior. Nos aços para ferramentas, o vanádio refina a estrutura do grão, reduz a suscetibilidade ao superaquecimento, 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 cromo apresentam maior dispersão de carboneto e características de desempenho superiores.
A influência do vanádio nas propriedades do aço depende muito de sua concentração e interação com outros elementos de liga, exigindo um controle cuidadoso no projeto e no processamento do aço para otimizar as propriedades desejadas para aplicações específicas.
O cromo desempenha um papel fundamental no aprimoramento das propriedades de vários aços e ligas. Ele 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 cromo excede 12%, ele confere excelente resistência à oxidação em alta temperatura e resistência à corrosão ao aço, ao mesmo tempo em que aumenta sua resistência a quente. Isso faz com que o cromo seja o principal elemento de liga do aço inoxidável, do aço resistente a ácidos e do aço resistente ao calor.
No aço-carbono, o cromo melhora a resistência e a dureza em condições de laminação, ao mesmo tempo em que reduz o alongamento e a retração da seção transversal. No entanto, quando o teor de cromo ultrapassa 15%, ocorre um efeito inverso: a resistência e a dureza diminuem, enquanto o alongamento e a retração da seção transversal aumentam. Notavelmente, os componentes de aço ao cromo podem alcançar alta qualidade de superfície por meio de processos de retificação.
Durante o revenimento, a principal função do cromo é aumentar a temperabilidade, resultando em propriedades mecânicas superiores após a têmpera e o revenimento. Nos aços para carburação, ele forma carbonetos de cromo, melhorando significativamente a resistência ao desgaste da superfície. Os aços para molas com cromo apresentam resistência à descarbonetação durante o tratamento térmico, uma característica valiosa para manter as propriedades desejadas.
Nos aços para ferramentas, o cromo melhora a resistência ao desgaste, a dureza e a dureza vermelha (dureza a quente), além de aumentar a estabilidade da têmpera. Essa combinação de propriedades torna os aços para ferramentas com liga de cromo ideais para aplicações de alta temperatura.
Nas ligas eletrotérmicas, o cromo serve para melhorar a resistência à oxidação, a resistência elétrica e a resistência geral. Essas propriedades são essenciais para aplicações em elementos de aquecimento e outros componentes elétricos de alta temperatura.
A versatilidade do cromo como elemento de liga ressalta sua importância na metalurgia moderna e na ciência dos materiais, permitindo o desenvolvimento de aços e ligas com propriedades personalizadas para aplicações industriais específicas.
O manganês (Mn) desempenha um papel fundamental no aprimoramento das propriedades do aço, principalmente devido à sua relação custo-benefício e compatibilidade com o ferro (Fe). Ele aumenta significativamente a resistência do aço e afeta minimamente a plasticidade, o que o torna um elemento de liga amplamente adotado no setor siderúrgico.
A onipresença do Mn na produção de aço é evidente em vários tipos. Desde os aços para estampagem com baixo teor de carbono até os aços avançados de alta resistência (AHSS), como os aços de fase dupla (DP), os aços de plasticidade induzida por transformação (TRIP) e os aços martensíticos (MS), o Mn é um componente fundamental. Seu teor varia de acordo com as propriedades mecânicas e as aplicações desejadas.
Em aços com baixo teor de carbono, o teor de Mn normalmente fica abaixo de 0,5%. Entretanto, à medida que os requisitos de resistência aumentam, o teor de Mn também aumenta. Por exemplo, nos aços martensíticos de altíssima resistência, os níveis de Mn podem chegar a 3%, contribuindo significativamente para suas excepcionais relações resistência-peso.
A influência do Mn vai além do aumento da resistência. Ele melhora a temperabilidade do aço, aprimorando sua resposta aos processos de tratamento térmico. Esse efeito é exemplificado na comparação entre os aços 40Mn e AISI 1040, em que o primeiro apresenta maior temperabilidade devido ao seu maior teor de Mn.
Outra função essencial do Mn é sua capacidade de atenuar os efeitos prejudiciais do enxofre (S) no aço. Durante o processo de fabricação do aço, o Mn forma inclusões de sulfeto de manganês (MnS) de alto ponto de fusão, neutralizando de forma eficaz o impacto negativo do enxofre nas propriedades do aço, especialmente a capacidade de trabalho a quente e a ductilidade.
No entanto, a adição de Mn requer um equilíbrio cuidadoso. Embora o aumento do teor de Mn possa gerar maior resistência, quantidades excessivas podem comprometer a plasticidade e a soldabilidade do aço. Esse equilíbrio exige um controle preciso do teor de Mn com base na aplicação pretendida e no perfil de propriedade exigido do aço.
Na fabricação moderna de aço, 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 personalizadas para atender a demandas específicas do setor, desde a redução do peso automotivo até aplicações estruturais de alto desempenho.
O cobalto (Co) desempenha um papel fundamental no aprimoramento das propriedades de aços e ligas especializados. Nos aços de alta velocidade, o Co confere uma dureza excepcional a quente, mantendo o desempenho da ferramenta de corte em temperaturas elevadas durante as operações de usinagem.
Quando ligado ao molibdênio em aços maraging, o Co melhora significativamente a dureza e as propriedades mecânicas gerais. Esse efeito sinérgico resulta em aços de altíssima resistência com excelente tenacidade, amplamente utilizados em aplicações aeroespaciais e de defesa.
O Co é um elemento de liga essencial em aços resistentes ao calor e materiais magnéticos. Nesses últimos, ele contribui para a alta saturação magnética e para o aumento das temperaturas de Curie, essenciais para ímãs permanentes de alto desempenho e aços elétricos.
No entanto, o impacto do Co nas propriedades do aço é complexo. Nos aços carbono, ele pode reduzir a temperabilidade, comprometendo potencialmente as propriedades mecânicas abrangentes. Esse efeito é particularmente pronunciado em aços de médio a alto carbono, em que a temperabilidade é crucial para a obtenção das microestruturas e propriedades desejadas.
O Co fortalece a ferrita por meio do endurecimento por solução sólida. Quando adicionado aos aços carbono durante tratamentos térmicos como recozimento ou normalização, ele aumenta a dureza, a resistência ao escoamento e a resistência à tração. No entanto, isso ocorre ao custo da redução da ductilidade, que se manifesta como diminuição do alongamento e redução da área.
O aumento do teor de Co nos aços geralmente leva a uma redução da resistência ao impacto. Esse equilíbrio entre resistência e tenacidade deve ser cuidadosamente balanceado no projeto da liga para aplicações específicas.
A excelente resistência à oxidação do Co o torna inestimável em aços e superligas resistentes ao calor. As superligas à base de Co, especialmente em aplicações de turbinas a gás, apresentam resistência superior a altas temperaturas, resistência à fluência e resistência à corrosão a quente, permitindo temperaturas operacionais mais altas e maior eficiência do motor.
Os efeitos benéficos do níquel nas ligas de aço são consideráveis, abrangendo propriedades mecânicas aprimoradas, características microestruturais melhoradas e resistência superior à corrosão. Esses atributos tornam os aços contendo níquel altamente desejáveis para uma ampla gama de aplicações industriais.
O níquel aumenta significativamente a relação entre resistência e tenacidade do aço, um fator crítico em muitos projetos de engenharia. Ele reduz drasticamente a temperatura de transição dúctil para frágil, com valores que atingem menos de -100°C com teor de 0,3% de Ni e despencam para -180°C quando combinado com 4-5% de cobalto. Essa notável tenacidade em baixa temperatura amplia o envelope operacional dos aços contendo níquel em aplicações criogênicas.
A influência do níquel na temperabilidade do aço é dependente da concentração. Embora o teor de 3,5% de Ni seja insuficiente para o endurecimento por têmpera, o aumento do teor de níquel para 8% em aços ao cromo facilita a transformação martensítica mesmo com taxas de resfriamento muito baixas. Essa característica é particularmente valiosa na produção de componentes grandes e de seção espessa, em que o endurecimento por penetração é um desafio.
A estrutura atômica do níquel, com uma constante de rede semelhante à da austenita (γ-Fe), promove a formação de uma solução sólida contínua. Essa compatibilidade metalúrgica aumenta a capacidade de endurecimento do aço e contribui para uma microestrutura mais uniforme. Além disso, o níquel reduz as temperaturas críticas de transformação e estabiliza a austenita, permitindo temperaturas de resfriamento mais baixas e maior capacidade de resfriamento.
Os efeitos sinérgicos do níquel com outros elementos de liga são dignos de nota. As combinações de níquel-cromo, níquel-tungstênio e níquel-cromo-molibdênio aumentam significativamente a temperabilidade. Os aços de níquel-molibdênio apresentam excepcional resistência à fadiga, enquanto os aços de níquel geralmente apresentam propriedades superiores de fadiga térmica, o que os torna adequados para componentes sujeitos a ciclos térmicos.
Nos aços inoxidáveis, o níquel desempenha um papel fundamental na estabilização da fase austenítica, melhorando assim a resistência à corrosão em um amplo espectro de ambientes. Isso torna os aços inoxidáveis contendo níquel indispensáveis no processamento químico, na produção de alimentos e em aplicações marítimas.
Um benefício do níquel no aço, muitas vezes negligenciado, é sua capacidade de inibir o crescimento de grãos em temperaturas elevadas. Essa característica ajuda a manter uma microestrutura de granulação fina, que é essencial para preservar as propriedades mecânicas e evitar a fragilização durante o serviço em alta temperatura ou processos de tratamento térmico.
O cobre (Cu) desempenha um papel significativo no aprimoramento das propriedades do aço, principalmente na melhoria da 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 cobre e do fósforo (P) não só aumenta a resistência à corrosão, mas também aumenta a força e a taxa de rendimento do aço sem comprometer sua soldabilidade.
O trilho de aço contendo 0,20% a 0,50% de Cu (comumente chamado de aço U-Cu) apresenta notável resistência à corrosão, com uma durabilidade de 2 a 5 vezes maior do que a do aço carbono padrão. Isso o torna particularmente valioso em aplicações expostas a condições ambientais adversas, como infraestrutura costeira ou instalações de processamento químico.
Em concentrações mais altas, 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 o envelhecimento subsequente. Esse fenômeno pode ser aproveitado para aumentar ainda mais a resistência e a dureza do material por meio de processos controlados de tratamento térmico.
Em concentrações mais baixas, a influência do cobre nas propriedades do aço é comparável à do níquel, embora menos pronunciada. Entretanto, é fundamental observar que o teor excessivo de cobre (normalmente acima de 1%) pode levar a desafios de processamento durante as operações de trabalho a quente. Isso se deve à formação de uma fase rica em Cu de baixo ponto de fusão nos limites dos grãos, o que pode resultar em escassez a quente ou fragilização por cobre.
Os benefícios do cobre vão além dos aços carbono. Nos aços inoxidáveis austeníticos, a adição de 2-3% Cu aumenta significativamente a resistência a meios corrosivos, como ácido sulfúrico, ácido fosfórico e ácido clorídrico. Além disso, melhora a resistência da liga à fissuração por corrosão sob tensão, um fator crítico em aplicações exigentes, como equipamentos de processamento químico ou ambientes marinhos.
O gálio (Ga), um metal pós-transição, está localizado no bloco p da tabela periódica e apresenta propriedades exclusivas na metalurgia do aço. No sistema ferro-carbono, o microgálio é solúvel na fase de ferrita (α-Fe), formando uma solução sólida substitucional. Ao contrário de muitos elementos de liga, o gálio não forma carbonetos, óxidos, nitretos ou sulfetos no aço, o que influencia seu comportamento durante o tratamento térmico e o serviço.
Na região bifásica de austenita (γ) + ferrita (α), o microgálio apresenta uma difusão preferencial da austenita para a ferrita devido à sua maior solubilidade na estrutura cúbica centrada no corpo (BCC) da ferrita em comparação com a estrutura cúbica centrada na face (FCC) da austenita. Esse comportamento de difusão leva a uma maior concentração de gálio na fase de ferrita, o que pode afetar 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 por meio do fortalecimento da solução sólida. Como um átomo de substituição na estrutura de ferro, os átomos de gálio criam distorções locais, impedindo o movimento de deslocamento e, assim, aumentando a resistência e a dureza do aço. Entretanto, a magnitude desse efeito de fortalecimento é geralmente menos pronunciada em comparação com os elementos de liga tradicionais, como manganês ou molibdênio.
Com relação à resistência à corrosão, o gálio tem um impacto mínimo no comportamento geral de corrosão do aço. Ao contrário de elementos como o cromo ou o níquel, que podem aumentar significativamente a resistência à corrosão por meio da formação de película passiva, o gálio não altera substancialmente as propriedades eletroquímicas da superfície do aço. Seu efeito limitado na resistência à corrosão se deve principalmente à sua natureza de não formação de óxido nas matrizes de aço.
O arsênico (As) no minério apresenta desafios durante a produção de ferro e aço, com remoção limitada alcançada por meio 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 se integra ao ferro-gusa, exigindo um gerenciamento cuidadoso.
Quando o teor de As no aço ultrapassa 0,1%, ele afeta significativamente as propriedades do material, aumentando a fragilidade e comprometendo a soldabilidade. Para atenuar esses efeitos adversos, é fundamental um controle 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 com baixo teor de carbono, ele tende a elevar o ponto de escoamento (σs) e a resistência à tração (σb). No entanto, isso ocorre às custas da redução da ductilidade, conforme evidenciado pela diminuição do alongamento. Além disso, o As demonstra um impacto negativo pronunciado sobre a resistência ao impacto à temperatura ambiente (Akv) do aço carbono redondo, um fator crítico para muitas aplicações.
Essas considerações metalúrgicas ressaltam a importância do gerenciamento preciso do As em todos os processos de fabricação de ferro e aço, equilibrando os benefícios potenciais com os efeitos prejudiciais para garantir a qualidade e o desempenho ideais do aço.
O selênio (Se) desempenha um papel crucial no aprimoramento da usinabilidade de vários metais, incluindo aço carbono, aço inoxidável e cobre. Sua incorporação resulta em um melhor acabamento da superfície, com as peças exibindo uma aparência brilhante e limpa. Esse aprimoramento se deve principalmente à capacidade do selênio de formar inclusões facilmente cisalháveis, que facilitam a quebra de cavacos e reduzem o desgaste da ferramenta durante as operações de usinagem.
No campo especializado do aço silício orientado por alta indução magnética, o disseleneto de manganês (MnSe2) é frequentemente empregado como inibidor. O MnSe2 demonstra características de inclusão superiores em comparação com o sulfeto de manganês (MnS), particularmente em sua capacidade de controlar o crescimento de grãos iniciais de recristalização. Essa inibição aprimorada 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 a obtenção de propriedades magnéticas ideais em aços elétricos usados em núcleos de transformadores e outras aplicações elétricas de alta eficiência. Essa otimização da textura leva à redução das perdas do núcleo e à melhoria da eficiência geral do transformador.
O zircônio (Zr) é um potente elemento formador de carboneto, exibindo propriedades análogas às do nióbio, tântalo e vanádio em ligas de aço. Suas características exclusivas o tornam um aditivo valioso em várias aplicações metalúrgicas de alto desempenho.
A incorporação de pequenas quantidades de Zr produz vários efeitos benéficos na microestrutura e nas propriedades do aço:
Esses efeitos contribuem sinergicamente para melhorar a resistência a baixas temperaturas e a conformabilidade superior, o que é particularmente benéfico para aprimorar o desempenho de estampagem das chapas de aço.
O Zr é amplamente utilizado na produção de:
O controle preciso do teor de Zr, normalmente na faixa de 0,05-0,15%, é fundamental para otimizar seus benefícios e, ao mesmo tempo, evitar possíveis problemas, como a formação excessiva de carboneto ou a fragilização.
O nióbio (Nb) e o tântalo são elementos intimamente relacionados, frequentemente encontrados juntos na natureza, e apresentam funções semelhantes na metalurgia do aço. Ambos os elementos podem se dissolver parcialmente em solução sólida, contribuindo para o fortalecimento da matriz de aço.
A presença de Nb aumenta significativamente a resposta de têmpera do aço quando dissolvido na fase austenítica. Entretanto, quando presente como carbonetos ou partículas de óxido, o Nb atua como refinador de grãos e reduz a temperabilidade do aço. Ele também aumenta a estabilidade da têmpera e induz um efeito de endurecimento secundário, o que é benéfico para a obtenção de propriedades mecânicas específicas.
A microliga com nióbio oferece uma vantagem exclusiva: melhora a resistência do aço sem comprometer a plasticidade ou a tenacidade. Essa característica é particularmente valiosa nos modernos aços de baixa liga e 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, ele pode fixar efetivamente quase todo o carbono no aço, resultando em excelente resistência à fragilização por hidrogênio.
Nos aços inoxidáveis austeníticos, o Nb atua como um elemento estabilizador, evitando a sensibilização e a corrosão intergranular em ambientes oxidantes. Isso é obtido por meio da formação de carbonetos de nióbio estáveis, que evitam a precipitação de carboneto de cromo nos limites dos grãos. Além disso, o Nb melhora o desempenho dos aços em alta temperatura, especialmente a resistência à fluência, por meio de sua capacidade de fixação de carbono e do efeito de endurecimento por precipitação.
Para aços convencionais de baixa liga, a adição de Nb leva a uma maior resistência ao escoamento e ao impacto, ao mesmo tempo em que reduz a temperatura de transição dúctil para frágil. Essa combinação de propriedades é particularmente vantajosa para estruturas soldadas. Nos aços estruturais de liga de cementação e têmpera, o Nb aumenta a temperabilidade e, ao mesmo tempo, melhora a resistência e o desempenho em baixas temperaturas. 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, o que o torna um elemento de liga versátil para vários tipos de aço e aplicações.
O molibdênio (Mo) aprimora significativamente as propriedades do aço, melhorando sua temperabilidade, resistência ao calor e resistência à fragilização por têmpera. Ele 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 o tratamento térmico eficaz de peças de seção transversal grande. Ele melhora a estabilidade da têmpera, aumentando a resistência do aço ao amolecimento em temperaturas elevadas. Essa característica permite um alívio de tensão mais eficiente e melhor ductilidade em condições de alta temperatura sem comprometer a resistência.
Para aços carburizados, o Mo atenua a formação de redes contínuas de carboneto nos limites dos grãos na camada carburizada. Isso reduz o teor de austenita retida, melhorando, assim, a resistência ao desgaste da superfície. A microestrutura refinada resulta em maior resistência à fadiga e resistência ao impacto.
O Mo é fundamental na forja de aços para matrizes, mantendo a dureza consistente em temperaturas elevadas e aumentando a resistência à deformação plástica, rachaduras por fadiga térmica e desgaste abrasivo. Isso aumenta a vida útil da matriz e melhora a qualidade das peças em operações de forjamento a quente.
Em aços inoxidáveis e resistentes a ácidos, o Mo aumenta significativamente a resistência à corrosão, principalmente contra ácidos orgânicos (por exemplo, fórmico, acético, oxálico), agentes oxidantes (peróxido de hidrogênio) e vários produtos químicos industriais (ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, sulfatos, corantes ácidos, agentes de branqueamento). Notavelmente, a adição de Mo combate com eficácia a corrosão por pites e fendas induzida por íons cloreto, um problema comum em ambientes marinhos e de processamento químico.
O aço rápido W12Cr4V4Mo, que contém aproximadamente 1% Mo, apresenta excepcional resistência ao desgaste, estabilidade de revenimento e dureza vermelha (dureza a quente). Essa composição otimiza o equilíbrio entre os formadores de carboneto (W, Cr, V, Mo) e a matriz, resultando em desempenho superior de corte e vida útil da ferramenta em aplicações de usinagem de alta velocidade.
O estanho (Sn) desempenha um papel complexo na metalurgia do aço, com seus efeitos variando significativamente, dependendo da aplicação específica e da composição da liga. Na produção geral de aço, o Sn é frequentemente considerado uma impureza prejudicial devido ao seu potencial de induzir fragilidade a quente, fragilização por têmpera e rachaduras. Ele pode afetar negativamente a soldabilidade e é classificado como um dos "elementos indesejáveis" do aço, juntamente com elementos como cobre, arsênio, antimônio e fósforo.
No entanto, o Sn demonstra propriedades benéficas em aplicações especializadas de aço. No aço elétrico, especialmente no aço silício de grão orientado, o Sn contribui para melhorar as propriedades magnéticas. Ele consegue isso influenciando a estrutura do grão e o desenvolvimento da textura. O Sn tende a se segregar nos limites do grão, inibindo o crescimento do grão durante o processamento. Esse efeito de refinamento do grão depende da concentração; um teor mais alto de Sn leva a um controle mais eficaz do tamanho do grão. A estrutura de grãos mais finos resultante contribui para reduzir as perdas de núcleo em aços elétricos.
Além disso, o Sn promove a formação da textura favorável {100} Goss no aço silício de grão orientado. Esse aprimoramento da textura leva ao aumento da permeabilidade magnética e à redução da magnetostricção, ambas propriedades desejáveis para materiais de núcleo de transformador. A intensidade da indução magnética pode ser notavelmente aprimorada com adições controladas de Sn.
Na produção de ferro fundido, pequenas quantidades de Sn (normalmente <0,1 wt%) podem ser vantajosas. Ele 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. Entretanto, o controle preciso do teor de Sn é fundamental, pois quantidades excessivas podem interferir na esferoidização do grafite em ferros dúcteis.
O Sn também encontra aplicação em aços de corte livre, onde melhora a usinabilidade. Nessas ligas, o Sn tende a se segregar ao redor das inclusões e nos limites dos grãos. Embora não altere significativamente a morfologia das inclusões de sulfeto (um fator importante nos aços de corte livre), o comportamento de segregação do Sn aumenta a formação de cavacos e a quebra durante as operações de usinagem. Normalmente, as melhorias ideais de usinabilidade são observadas quando o teor de Sn excede 0,05 wt%, embora a quantidade exata dependa do tipo específico de aço e de outros elementos de liga presentes.
Concluindo, embora o Sn seja geralmente indesejável na produção de aço em massa, seu uso direcionado em tipos de aço especializados pode gerar benefícios significativos de desempenho. A chave está no controle preciso da composição e na compreensão das complexas interações entre o Sn e outros elementos de liga na microestrutura do aço.
Depois de incorporar antimônio (Sb) ao aço silício de alta orientação magnética, ele refina o tamanho do grão durante os processos de recristalização primária e secundária. Esse refinamento leva a uma recristalização secundária mais completa, resultando em propriedades magnéticas aprimoradas.
Após a laminação a frio e a descarbonetação do aço contendo Sb, os componentes de textura {110} e {110} são reforçados. Essas orientações são favoráveis para promover a recristalização secundária e, consequentemente, aumentar o número de núcleos de recristalização secundária. Essa modificação microestrutural contribui para melhorar o desempenho magnético e a qualidade geral do material.
Nos aços estruturais contendo Sb projetados para aplicações de soldagem, o Sb apresenta um comportamento de precipitação exclusivo sob temperaturas de austenitização. Ele precipita preferencialmente em torno de inclusões de sulfeto de manganês (MnS) e ao longo dos limites de grãos de austenita anteriores. Esse enriquecimento de Sb em torno das inclusões de MnS tem uma dupla finalidade: refina a microestrutura do aço e aumenta sua resistência. A microestrutura refinada contribui para melhorar as propriedades mecânicas, enquanto o aumento da resistência é particularmente benéfico para estruturas soldadas, reduzindo potencialmente o risco de fratura frágil na zona afetada pelo calor.
O tungstênio (W) no aço apresenta dupla funcionalidade: ele se dissolve parcialmente no ferro para formar uma solução sólida e também produz carbonetos. Seus efeitos são comparáveis aos do molibdênio (Mo), embora geralmente menos pronunciados quando comparados com base no peso.
As principais contribuições do W para as propriedades do aço incluem maior estabilidade de revenimento, maior dureza vermelha (dureza a quente), maior resistência ao calor e maior resistência ao desgaste, principalmente devido à formação de carbonetos de tungstênio. Essas características tornam os aços com liga de W particularmente adequados para aplicações de ferramentas, como aços de alta velocidade e aços para forjamento a quente.
Em aços para molas de alta qualidade, o W atua como um formador de carboneto refratário, que inibe o engrossamento dos carbonetos e mantém a resistência a altas temperaturas em temperaturas elevadas. Além disso, o W reduz a sensibilidade do aço ao superaquecimento, melhora a temperabilidade e aumenta a dureza geral.
Por exemplo, o aço para molas 65SiMnWA atinge alta dureza mesmo após laminação a quente e resfriamento a ar. Os aços para molas que contêm W, com seções transversais de até 50 mm², podem ser temperados com óleo para obter alta dureza e suportar cargas substanciais, mantendo a resistência ao calor de até 350 °C.
O aço para molas 30W4Cr2VA de alta resistência e resistente ao calor exemplifica os benefícios da adição de W. Essa classe apresenta excelente temperabilidade e pode atingir resistências à tração de 1.470 a 1.666 MPa após a têmpera a 1.050 a 1.100°C e o revenimento a 550 a 650°C. Sua principal aplicação é na fabricação de molas projetadas para ambientes de alta temperatura de até 500°C.
O tungstênio aumenta significativamente a resistência à abrasão e o desempenho de corte dos aços, o que o torna um elemento de liga essencial nos aços para ferramentas. A formação de carbonetos de tungstênio duros e estáveis contribui para melhorar a resistência ao desgaste e a retenção de arestas em ferramentas de corte, especialmente aquelas que operam em altas temperaturas ou sob condições severas.
Em resumo, a adição de tungstênio ao aço proporciona uma combinação de resistência a altas temperaturas, resistência ao desgaste e propriedades de corte aprimoradas, tornando os aços com liga de W indispensáveis em várias aplicações de alto desempenho, principalmente nos setores de ferramentas e aços para molas.
O chumbo (Pb) aumenta a usinabilidade do aço, atuando como um lubrificante interno durante as operações de corte. O aço que contém quantidades controladas de chumbo apresenta excelentes propriedades mecânicas e permanece adequado aos processos de tratamento térmico. No entanto, devido a preocupações ambientais e aos efeitos prejudiciais no processo de reciclagem de sucata de aço, o uso do chumbo como elemento de liga tem sido progressivamente eliminado 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 se segrega nos limites dos grãos, adotando uma morfologia globular. Essa segregação pode induzir a fragilização por têmpera no aço dentro da faixa de temperatura crítica de 200-480°C (392-896°F). Além disso, a presença de chumbo nos limites dos grãos pode comprometer significativamente a soldabilidade, levando à formação de trincas durante os processos de soldagem. Esses fenômenos metalúrgicos exigem uma consideração cuidadosa no projeto da liga e nos parâmetros de processamento dos aços com chumbo, principalmente em aplicações que envolvem temperaturas elevadas ou operações de soldagem.
O desempenho de corte do aço pode ser significativamente aprimorado com a incorporação de bismuto (Bi) 0,1-0,4% em composições de aço de corte livre. Quando distribuídas uniformemente na matriz do aço, as partículas de Bi derretem ao entrar em contato com a ferramenta de corte, atuando como um lubrificante eficaz. Esse mecanismo evita o superaquecimento da ferramenta, permite velocidades de corte mais altas e melhora a usinabilidade geral.
Desenvolvimentos recentes têm visto a adição de Bi a vários tipos de aço inoxidável para aprimorar suas características de usinagem. Nos aços de corte livre, o Bi pode existir em três formas distintas: como partículas independentes dentro da matriz de aço, encapsulado por inclusões de sulfeto ou na interface entre a matriz de aço e as fases de sulfeto.
Pesquisas demonstraram que o aumento do teor de Bi em lingotes de aço de corte livre S-Bi leva a uma redução na taxa de deformação das inclusões de sulfeto de manganês (MnS). A presença do metal Bi no aço inibe efetivamente a deformação do sulfeto durante o processo de forjamento dos lingotes de aço, contribuindo para um melhor controle microestrutural.
Em aplicações de ferro fundido, a adição de 0,002-0,005% Bi demonstrou vários benefícios. Ela melhora o desempenho de fundição do ferro fundido maleável, aumenta a tendência de branqueamento, reduz o tempo de recozimento e otimiza a ductilidade dos componentes finais. Além disso, a introdução de 0,005% Bi no ferro fundido nodular resulta em maior resistência sísmica e maior resistência à tração.
No entanto, a incorporação de Bi no aço apresenta desafios técnicos devido à sua alta volatilidade em temperaturas típicas de fabricação de aço (cerca de 1500°C), dificultando a distribuição uniforme. Para resolver esse problema, os fabricantes internacionais desenvolveram abordagens inovadoras, como o uso de placas de liga de Bi-Mn com um ponto de fusão mais baixo, de 1050°C, como aditivos. Apesar desses avanços, a taxa de utilização do Bi permanece relativamente baixa, em aproximadamente 20%.
No campo dos aços elétricos, os principais produtores de aço, como a Nippon Steel & Sumitomo Metal, a POSCO e outros, relataram que as adições de Bi podem melhorar significativamente as propriedades magnéticas do aço silício de grão orientado, principalmente o valor B8 (indução magnética a 800 A/m). Notavelmente, mais de cem patentes de aço silício orientado de alta magnética envolvendo adições de Bi foram registradas pela Nippon Steel & Sumitomo Metal e pela JFE. Essas inovações resultaram em valores de indução magnética que atingiram 1,90T, com alguns casos excepcionais chegando a 1,99T, marcando melhorias substanciais no desempenho do aço elétrico.
Os elementos de terras raras (REEs) abrangem a série de lantanídeos (números atômicos 57 a 71), bem como escândio (21) e ítrio (39), totalizando 17 elementos. Esses elementos compartilham propriedades químicas semelhantes, o que torna sua separação desafiadora. As terras raras mistas, que são mais econômicas, referem-se a combinações de REE não separadas.
Na produção de aço, os REEs desempenham várias funções:
Os REEs, juntamente com Ca, Ti, Zr, Mg e Be, são altamente eficazes na modificação de inclusões de sulfeto. Quando adicionados em quantidades adequadas, eles transformam inclusões de óxido e sulfeto em partículas pequenas, dispersas e globulares. Essa transformação atenua os efeitos prejudiciais do sulfeto de manganês (MnS) e de outras inclusões nas propriedades do aço.
Na produção típica de aço, o enxofre existe principalmente como sulfeto de ferro (FeS) e sulfeto de manganês (MnS). O alto teor de manganês promove a formação de MnS, que, apesar de seu alto ponto de fusão e de sua capacidade de evitar a escassez a quente, pode se alongar durante o processamento de deformação. Essas 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 dessas inclusões para melhorar o processamento de deformação.
Os REEs também aumentam a resistência do aço à oxidação e à corrosão, superando os efeitos do silício, do alumínio e do titânio. Eles melhoram a fluidez do aço, reduzem as inclusões não metálicas e promovem uma microestrutura densa e pura. As principais funções dos REEs no aço são a purificação, a modificação de inclusões e a formação de ligas.
À medida que o controle do teor de oxigênio e enxofre na produção de aço melhora, as técnicas tradicionais de purificação e modificação de inclusão estão se tornando menos críticas. Entretanto, novas tecnologias de purificação e efeitos de liga que utilizam REEs estão ganhando destaque. Por exemplo, os REEs aumentam a resistência à oxidação das ligas de alumínio ferrocromo e mantêm estruturas de grãos finos em temperaturas elevadas. Isso resulta em maior resistência a altas temperaturas e vida útil significativamente ampliada das ligas eletrotérmicas.
Em resumo, os elementos de terras raras desempenham um papel multifacetado na produção moderna de aço, oferecendo benefícios exclusivos em termos de controle microestrutural, modificação de inclusão e aprimoramento de propriedades. Sua aplicação continua a evoluir à medida que as técnicas de produção de aço avançam, abrindo novos caminhos para o desenvolvimento de aço de alto desempenho.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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