Você já se perguntou como o tratamento térmico pode transformar as propriedades do aço inoxidável? Neste artigo perspicaz, um engenheiro mecânico experiente se aprofunda no fascinante mundo do tratamento térmico do aço inoxidável. Descubra a ciência por trás 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 por meio de técnicas especializadas e controle preciso da temperatura.
O aço inoxidável é caracterizado por sua composição, que é composta por um grande número de elementos de liga com o Cr como principal componente. Esse é o requisito fundamental para que o aço inoxidável tenha resistência à corrosão.
Para utilizar totalmente os elementos de liga e obter resistência mecânica e à corrosão ideais, também é necessário empregar métodos de tratamento térmico.
O aço inoxidável ferrítico é normalmente caracterizado por uma estrutura estável de ferrita única e não sofre mudança de fase durante o aquecimento e o resfriamento.
Como resultado, o tratamento térmico não pode ser usado para ajustar 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 em alta temperatura, pode ser aplicado o tratamento de recozimento.
O processo envolve aquecimento a 780~830°C, seguido de resfriamento a ar ou em forno.
Para aço inoxidável ferrítico ultrapuro 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 para alívio do estresse
Após a soldagem 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°C, mantendo a temperatura e, em seguida, resfriando-as ao 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 da Sra. abaixo da temperatura ambiente (-30 a -70°C).
Essa estabilidade da estrutura austenítica significa que não ocorre nenhuma mudança de fase durante o aquecimento e o resfriamento acima da temperatura ambiente.
O principal objetivo do tratamento térmico do aço inoxidável austenítico não é, portanto, alterar as propriedades mecânicas, mas sim aumentar a resistência à corrosão.
Tratamento de 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 leve efeito de fortalecimento, ele é prejudicial à resistência à corrosão, especialmente quando forma carbonetos com o cromo (Cr).
Para minimizar a existência de carbonetos de C e Cr, a solubilidade do C na austenita é manipulada por meio de aquecimento e resfriamento.
A solubilidade do C na austenita é alta em altas temperaturas (0,34% a 1.200°C) e baixa em baixas temperaturas (0,02% a 600°C, e ainda mais baixa em temperatura ambiente).
O aço é aquecido a uma temperatura alta para dissolver o composto C-Cr e resfriado rapidamente para evitar a precipitação.
Isso ajuda a melhorar a resistência à corrosão do aço, especialmente sua resistência à corrosão intergranular.
② Sigma (σ) Fase
O aquecimento prolongado na faixa de 500 a 900°C ou a adição de elementos como titânio, nióbio e molibdênio podem resultar na precipitação da fase σ no aço austenítico.
Isso aumenta a fragilidade do aço e diminui sua resistência à corrosão.
A fase σ pode ser eliminada dissolvendo-a em uma temperatura mais alta do que a temperatura de precipitação e resfriando-a rapidamente para evitar a reprecipitação.
Processo:
De acordo com o padrão GB1200, a faixa de temperatura de aquecimento recomendada é de 1.000 a 1.150 °C, geralmente de 1.020 a 1.080 °C.
A temperatura de aquecimento pode ser ajustada dentro da faixa permitida com base na composição específica do grau, nas peças fundidas ou forjadas. O método de resfriamento deve ser rápido para evitar a precipitação de carboneto.
Na China e em alguns outros padrões nacionais, o "resfriamento 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 graus específicos de aços inoxidáveis austeníticos, como 1Cr18Ni9Ti e 0Cr18Ni11Nb, que contêm elementos estabilizadores Ti ou Nb.
Efeitos:
Conforme discutido anteriormente, a precipitação de compostos do tipo Cr23C6 devido à combinação de Cr e C nos limites dos grãos pode levar a uma diminuição da resistência à corrosão do aço inoxidável austenítico.
Para evitar isso, Ti e Nb são adicionados ao aço para criar condições em que o C se combine preferencialmente com Ti e Nb em vez de Cr.
Isso ajuda a reter o Cr na austenita e a garantir a resistência à corrosão do aço. O tratamento térmico de estabilização combina Ti, Nb e C para estabilizar o Cr na austenita.
Processo:
Temperatura de aquecimento: A temperatura de aquecimento deve ser superior à temperatura de dissolução do Cr23C6 (400-825 ℃) e ligeiramente inferior ou superior à temperatura de dissolução inicial do TiC ou NbC (por exemplo, a faixa de temperatura de dissolução do TiC é de 750-1120 ℃).
A temperatura de aquecimento estabilizadora é geralmente definida em 850-930°C, o que dissolve totalmente o Cr23C6 e permite que o Ti ou o Nb se combinem com o C, mantendo o Cr na austenita.
Método de resfriamento: O resfriamento a ar é normalmente usado, mas o resfriamento a água ou a forno também pode ser usado, dependendo das condições específicas das peças.
A taxa de resfriamento tem um impacto mínimo sobre o efeito de estabilização.
Nossa pesquisa experimental mostrou que as taxas de resfriamento de 0,9°C/min e 15,6°C/min de uma temperatura de estabilização de 900°C para 200°C resultam em estrutura metalográfica, dureza e resistência à corrosão intergranular semelhantes.
Tratamento de alívio de tensão em aço inoxidável austenítico
Objetivo:
As peças de aço inoxidável austenítico inevitavelmente sofrem estresse durante os processos de trabalho a frio, como processamento e soldagem.
Essa tensão pode ter efeitos negativos, como afetar a estabilidade dimensional e causar rachaduras por corrosão sob tensão em meios como Cl-, H2S, NaOH, etc.
Esse tipo de dano é local e repentino, o que pode ser prejudicial. Para minimizar o estresse nessas partes, podem ser usados métodos de alívio de estresse.
Processo:
O tratamento com solução e o tratamento de estabilização podem ajudar a eliminar o estresse se as condições permitirem. No entanto, esses métodos nem sempre são viáveis, como no caso de conexões de tubulação em um loop, peças acabadas com margem limitada e peças com formas complexas que são facilmente deformáveis.
Nesses casos, o aquecimento das peças a uma temperatura abaixo de 450°C pode ajudar a reduzir o estresse.
Se a peça de trabalho for usada em um ambiente de corrosão sob forte tensão e a tensão precisar ser completamente eliminada, deve-se considerar a seleção de materiais como aço inoxidável austenítico de carbono ultrabaixo com elementos estabilizadores.
A característica mais distinta do aço inoxidável martensítico em comparação com o aço inoxidável ferrítico, o aço inoxidável austenítico e o aço inoxidável duplex é sua capacidade de ajustar suas propriedades mecânicas em uma ampla faixa por meio de métodos de tratamento térmico para atender às necessidades variadas de diferentes aplicações.
Além disso, a resistência à corrosão do aço inoxidável martensítico pode ser afetada de forma diferente pelos diversos 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 de aço inoxidável martensítico
O tratamento térmico do aço inoxidável martensítico não apenas altera suas propriedades mecânicas, mas também afeta sua resistência à corrosão de várias maneiras.
Por exemplo, o revenimento em baixa temperatura após a têmpera resulta em alta resistência à corrosão, enquanto o revenimento em média temperatura (400-550°C) resulta em baixa resistência à corrosão.
Por outro lado, a têmpera em alta temperatura (600-750°C) melhora a resistência à corrosão.
③ O método e a função do processo de tratamento térmico do aço inoxidável martensítico
Recozimento
Diferentes métodos de recozimento podem ser usados, dependendo do resultado desejado:
Isso processo de recozimento isotérmico também é eficaz para melhorar a estrutura deficiente após o forjamento, bem como para melhorar as propriedades mecânicas após a têmpera e o revenimento, especialmente a resistência ao impacto.
Resfriamento
O principal objetivo da têmpera do aço inoxidável martensítico é aumentar sua resistência.
O processo envolve aquecer o aço a uma temperatura acima do ponto crítico, manter o calor para garantir que os carbonetos se dissolvam totalmente na austenita e, em seguida, resfriar a uma taxa adequada para obter uma estrutura de martensita.
Seleção da temperatura de aquecimento: O princípio básico é formar a austenita e dissolver os carbonetos de liga de forma homogênea na austenita.
Para evitar grãos de austenita mais grossos ou a presença de ferrita ou austenita retida na estrutura após a têmpera, a temperatura de aquecimento não deve ser muito baixa ou muito alta.
A faixa de temperatura para a têmpera de aço inoxidável martensítico varia muito, mas, de acordo com nossa experiência, ela normalmente fica entre 980 e 1020 °C.
No entanto, para tipos de aço especiais, controle de composição específico ou requisitos particulares, a temperatura de aquecimento pode precisar ser ajustada, mas o princípio de aquecimento não deve ser violado.
Método de resfriamento: Devido à composição do aço inoxidável martensítico, a austenita é mais estável, o Curva C se desloca para a direita, e a taxa de resfriamento crítica é menor.
Portanto, o aço martensítico pode ser temperado por meio de resfriamento a óleo ou a ar.
Entretanto, para peças que exigem uma grande profundidade de endurecimento e altas propriedades mecânicas, especialmente alta resistência ao impacto, recomenda-se o resfriamento a óleo.
Têmpera
Após a têmpera, o aço inoxidável martensítico é obtido com alta dureza, fragilidade e tensão interna, que deve ser temperado para melhorar suas propriedades mecânicas.
O aço inoxidável martensítico é normalmente temperado em duas temperaturas diferentes:
O revenimento a uma temperatura entre 400 e 600°C geralmente não é recomendado, pois pode causar a precipitação de carbonetos altamente dispersos na martensita, resultando em fragilidade da têmpera e reduzindo a resistência à corrosão.
Entretanto, algumas molas, como as molas de aço 3Cr13 e 4Cr13, podem ser temperadas a essa temperatura, resultando em um HRC de 40 a 45 e boa elasticidade.
O método de resfriamento após a têmpera geralmente é o resfriamento a ar, mas para os tipos de aço propensos à fragilidade da têmpera, como 1Cr17Ni2, 2Cr13 e 0Cr13Ni4Mo, recomenda-se o resfriamento a óleo após a têmpera.
O aço inoxidável duplex é um acréscimo recente à família dos aços inoxidáveis e ganhou amplo reconhecimento e valorização por suas características exclusivas.
O alto teor de cromo, a baixa composição de níquel e a adição de molibdênio e nitrogênio o tornam mais forte e flexível do que o austenítico e o aços inoxidáveis ferríticose, ao mesmo tempo, oferece resistência à corrosão equivalente.
Ele também tem resistência superior à corrosão por pite, fenda e estresse em ambientes com 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 ferrita aumenta.
Em temperaturas acima de 1300°C, ela pode se tornar ferrita monofásica, que é instável em altas temperaturas. O envelhecimento em temperaturas mais baixas pode resultar na precipitação de austenita, conhecida como austenita secundária.
No entanto, a quantidade de cromo e nitrogênio nessa austenita é menor do que na austenita normal, o que a torna uma fonte potencial de corrosão e, portanto, deve ser removida por meio de tratamento térmico.
② Eliminar o carboneto Cr23C6: O aço duplex pode precipitar Cr23C6 em 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 nitrogênio no aço, pode haver a formação de nitretos com o cromo, o que pode afetar negativamente as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão, e deve ser eliminado.
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, portanto, devem ser eliminadas.
O processo de tratamento térmico é semelhante ao do aço austenítico e envolve o tratamento de solução sólida com uma temperatura de aquecimento de 980~1100°C seguida de resfriamento rápido. Normalmente, utiliza-se o resfriamento com água.
O aço inoxidável endurecido por precipitação é um desenvolvimento relativamente recente e é um tipo de aço inoxidável que foi experimentado, testado e aprimorado por meio da prática humana.
Os aços inoxidáveis mais antigos, como os aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos, têm boa resistência à corrosão, mas suas propriedades mecânicas não podem ser ajustadas por meio de métodos de tratamento térmico, o que restringe sua utilidade.
O aço inoxidável martensítico pode ser tratado termicamente para ajustar suas propriedades mecânicas em uma extensão maior, mas sua resistência à corrosão é ruim.
Características:
O aço inoxidável de endurecimento por precipitação tem um baixo teor de carbono (geralmente ≤0,09%) e um alto teor de cromo (geralmente ≥14% ou mais), juntamente com elementos como Mo e Cu, o que faz com que tenha resistência à corrosão equivalente à do aço inoxidável austenítico.
Por meio de uma solução sólida e de um tratamento de envelhecimento, é possível obter uma estrutura com fases de endurecimento por precipitação precipitadas na matriz de martensita, o que resulta em maior resistência.
A resistência, a plasticidade e a tenacidade podem ser ajustadas em uma determinada faixa, ajustando a temperatura de envelhecimento.
Além disso, o método de tratamento térmico de solução sólida seguido de reforço de precipitação de fase de precipitação permite o processamento de formas básicas com baixa dureza após o tratamento de solução sólida.
Ao se fortalecer novamente por meio do envelhecimento, os custos de processamento são reduzidos e o desempenho é superior aços martensíticos.
Classificação:
① Aço inoxidável martensítico de endurecimento por precipitação 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 a temperatura de austenitização e resfriá-lo rapidamente, obtém-se uma matriz martensítica semelhante a uma ardósia.
Após o envelhecimento, a fina massa de cobre se precipita da matriz martensítica, fortalecendo o aço.
Um grau típico no padrão 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 resfriado rapidamente com água ou óleo, a estrutura do aço se transforma em martensita de ripas, com dureza de cerca de 320HB.
A temperatura de aquecimento não deve exceder 1100°C, pois isso pode resultar em um aumento da ferrita na estrutura, uma diminuição do ponto Ms, um aumento da austenita retida, uma diminuição da dureza e efeitos ruins 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 o padrão GB1220, as propriedades após o envelhecimento em diferentes temperaturas são as seguintes:
② Tratamento térmico de aço inoxidável semi-austenítico
O ponto Ms do aço inoxidável semiaustenítico geralmente fica um pouco abaixo da temperatura ambiente, resultando em uma estrutura de austenita com baixa resistência após o tratamento com solução e o resfriamento até a temperatura ambiente.
Para melhorar a resistência e dureza da matriz, o aço precisa ser reaquecido a 750-950°C para isolamento.
Nesse estágio, os carbonetos se precipitarão na austenita, reduzindo sua estabilidade e aumentando o ponto Ms acima da temperatura ambiente.
Após o resfriamento, obtém-se uma estrutura de martensita. O tratamento a frio (tratamento abaixo de zero) também pode ser adicionado, seguido de envelhecimento, para produzir um aço reforçado com precipitados na matriz de martensita.
Um grau recomendado no padrão 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 + Ajuste + Tratamento do envelhecimento:
A temperatura da solução sólida é de 1040°C e o aço é resfriado com água ou óleo para obter uma estrutura de austenita com uma dureza de cerca de 150HB.
A temperatura de ajuste é de 760°C, e o aço é resfriado ao ar para precipitar carbonetos de liga na austenita, reduzir sua estabilidade, aumentar o ponto Ms para 50-90°C e obter martensita em ripas após o resfriamento. A dureza pode chegar a 290HB.
Após o envelhecimento a 560°C, o Al e seus compostos precipitam, fortalecendo o aço e aumentando sua dureza para 340HB.
Solução sólida + ajuste + tratamento a frio + envelhecimento:
A temperatura da solução sólida é de 1040°C e o resfriamento com água é usado para obter uma estrutura de austenita.
A temperatura de ajuste é de 955°C para aumentar o ponto Ms e obter martensita de ripas após o resfriamento.
O tratamento a frio a -73°C por 8 horas reduz a austenita retida na estrutura para obter o máximo de martensita.
Há várias maneiras de classificar o aço inoxidável, inclusive com base na composição química, nas propriedades funcionais, na estrutura metalográfica e nas características do tratamento térmico.
Entretanto, para fins de praticidade, é mais útil categorizá-lo com base em sua estrutura metalográfica e características de tratamento térmico.
O principal elemento de liga do aço inoxidável é o cromo, e uma pequena quantidade de elementos de ferrita estáveis, como alumínio e molibdênio, pode ser adicionada. A estrutura resultante é a ferrita.
Esse tipo de aço inoxidável tem baixa resistência e não pode ser melhorado por meio de tratamento térmico.
Em vez disso, ele tem alguma plasticidade, mas também grandes quantidades de fragilidade. Tem boa resistência à corrosão em meios oxidantes (como o ácido nítrico), mas pouca resistência à corrosão em meios redutores.
Ele contém uma alta concentração de cromo, geralmente mais de 18%, e aproximadamente 8% de níquel.
Alguns usam manganês para substituir o níquel e aumentar ainda mais a resistência à corrosão, e outros adicionam elementos como molibdênio, cobre e silício, titânioou nióbio.
Não há mudança de fase durante o aquecimento e o resfriamento, portanto, os métodos de tratamento térmico não podem ser usados para aumentar 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 ferramentas, o teor de carbono pode chegar a 0,8-1,0%, e alguns são aprimorados com a adição de elementos como Mo, V e Nb para aumentar a estabilidade e a resistência ao revenimento.
O aquecimento em altas temperaturas e o resfriamento em uma determinada taxa resultam em uma estrutura que é principalmente martensítica, mas também pode conter pequenas quantidades de ferrita, retida austenitaou carbonetos de liga, dependendo do teor de carbono e de elementos de liga.
A estrutura e o desempenho podem ser ajustados pelo controle do processo de aquecimento e resfriamento, mas a resistência à corrosão não é tão boa quanto a dos aços inoxidáveis austeníticos, ferríticos e duplex.
O aço inoxidável martensítico é resistente a ácidos orgânicos, mas tem baixa resistência em meios como os ácidos sulfúrico e clorídrico.
Em geral, 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 austenitaconstituindo dois aços inoxidáveis duplex que existem simultaneamente.
Como contém ferrita e elementos de reforço, após o tratamento térmico, sua resistência é um pouco maior do que a do aço inoxidável austenítico, e sua plasticidade e resistência são melhores.
O desempenho não pode ser ajustado por meio de tratamento térmico.
Possui alta resistência à corrosão, especialmente em meios contendo Cl e água do mar, e apresenta boa resistência à corrosão por pite, corrosão em fendas e corrosão sob tensão.
A composição desse 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 por meio de tratamento térmico, mas seu mecanismo de fortalecimento é diferente daquele do aço inoxidável martensítico.
Devido à sua dependência do fortalecimento baseado em precipitação, o teor de carbono pode ser mantido muito baixo, resultando em melhor resistência à corrosão do que o aço inoxidável martensítico e equivalente ao aço inoxidável austenítico Cr-Ni.
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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