Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro.

CCT- Centro de Ciência e Tecnologia

Aços Inoxidáveis

Campos dos Goytacazes, 20 de Abril de 2010

2

Pedro Netto da Silva

Engenharia Metalúrgica e de Materiais

Aços Inoxidáveis

Campos dos Goytacazes, 20 de Abril de 2010

3

Sumário

1. Introdução..............................................................................................4

2. Definições...............................................................................................5

3. Classificação dos Aços Inoxidáveis............................................................9

3.1. Martensíticos...................................................................................10

3.2. Ferríticos.........................................................................................12

3.3. Austeníticos.....................................................................................14

3.4. Duplex............................................................................................17

4. Influência dos Elementos de Liga............................................................19

5. Sistema Fe – Cr.....................................................................................40

6. Sistema Fe – Cr – Ni..............................................................................42

7. Referências Bibliográficas.......................................................................44

4

1. Introdução

Desde o início de sua existência, o homem manipula os materiais

encontrados na natureza para suprir suas necessidades básicas. Inicialmente,

os materiais dispostos na superfície eram suficientes para satisfazê-las, no

entanto, com o passar do tempo, a disposição da população humana sobre a

terra passou a depender da existência de materiais disponíveis e, a partir do

momento em que as demandas passaram a exigir mais do que era possível ser

coletado numa região, surgiu a necessidade de minerar. A partir daí novos

materiais, principalmente os metais, tornaram-se essenciais para as atividades

humanas.

O homem passou pela idade da pedra, pela idade do cobre, pela idade

do bronze e, em seguida, pela idade do ferro. Cada uma dessas eras foi

caracterizada por um material e pelo grau de desenvolvimento e utilização

deste. Ao longo dos anos, porém, o homem aprendeu a experimentar, a utilizar

o conhecimento científico para orientar seus descobrimentos, e a projetar.

Dessa forma, a simples extração do ferro, após complexo desenvolvimento,

possibilitou a produção do aço, o qual é ainda hoje estudado e aperfeiçoado de

acordo com as necessidades da indústria. Um desses aperfeiçoamentos, talvez

o mais importante, ocorreu no início do século XX quando foi resolvido um

problema até então sem solução: a baixa resistência à corrosão que os objetos

de ferro e aço apresentavam.

Entre 1908 e 1910, no laboratório de físico-química da firma Krupp, em

Essen, na Alemanha, o Dr. Eduard Maurer e o Dr. Breno Strauss trabalharam

com aços ao cromo e ao cromo-níquel. Em 1910, introduziram os aços

contendo 35% de níquel e 13 a 14% de cromo, e dois anos mais tarde foi

reconhecida a patente dos aços inoxidáveis austeníticos V2A (V de Versuch,

experiência, e A de Austenit) contendo 20% de cromo, 7% de níquel e 0,25%

de carbono.

Em setembro de 1911, nos Estados Unidos, Christiam Dantsizen

experimentou ligas contendo 14 a 16% de cromo e com baixo teor de carbono

(de 0,007 a 0,015%). Essas ligas foram chamadas aços inoxidáveis ferríticos e

5

em 1915, por sugestão do próprio Dantsizen, passaram a ser utilizadas na

construção de turbinas.

Já na Inglaterra, dois trabalhos datando de 1912 e que não chegaram a

ser publicados descreviam algumas experiências com ligas resistentes à

corrosão realizadas por Harry Brearley. Essas ligas continham 12,8% de cromo

e 0,24% de carbono, e foram chamadas aços inoxidáveis martensíticos.

Essa nova classe de materiais forneceu principalmente à indústria

química e às aplicações em altas temperaturas a possibilidade de suas

instalações ocorrerem em ambientes mais agressivos (por exemplo, ambientes

marinhos). Os aços inoxidáveis caracterizaram um grande avanço no que diz

respeito à produção de materiais resistentes à corrosão e à oxidação. No

entanto, não estão totalmente protegidos; os aços austeníticos, por exemplo,

são suscetíveis à corrosão intergranular, causada pelo empobrecimento em

cromo das regiões adjacentes aos contornos de grãos. Por razões como essa, o

desenvolvimento dos aços inoxidáveis ainda não foi finalizado. Nas normas de

cada país há várias composições diferentes e cada uma delas para aplicações e

exigências específicas. [1]

2. Definições

Com o constante desenvolvimento de sua comunidade, o homem está

sempre buscando aprimorar seus conhecimentos para posteriormente aplicá-los

em diversas áreas, principalmente na indústria. Com frequência, um problema

industrial é o de selecionar o material que possui a melhor combinação de

características para uma aplicação específica. Atualmente, as ligas metálicas

são o material mais utilizado na indústria (seja ela automobilística, aeronáutica,

ou química) devido principalmente à sua facilidade de conformação e

fabricação, além da possível modificação de suas propriedades quando

submetidas a tratamentos térmicos apropriados ou são adicionados outros

elementos de liga em sua composição.

De acordo com os elementos que as constituem, as ligas metálicas

podem ser agrupadas em duas classes: ferrosas e não-ferrosas. As ligas não-

6

ferrosas são todas as ligas que não são à base de ferro. Já as ligas ferrosas são

aquelas onde o ferro é o principal constituinte. Estas ligas são produzidas em

maiores quantidades do que qualquer outro tipo de metal. Seu amplo uso é

resultado de pelo menos três fatores:

Os compostos que contêm ferro existem em quantidades abundantes na

crosta terrestre;

O ferro metálico e suas ligas de aço podem ser produzidos usando

técnicas de extração, refino, formação de ligas e fabricação

relativamente econômicas;

As ligas ferrosas são de ampla versatilidade, podendo ser projetadas

para possuírem grandes quantidades de propriedades físicas e

mecânicas.

O Sistema Ferro-Carbono

Dentre as principais ligas ferrosas, encontram-se as ligas ferro-carbono.

O carbono é uma impureza intersticial no ferro e forma solução sólida com a

ferrita , com a ferrita e com a austenita. Embora presente em pequenas

concentrações, o carbono influencia de forma significativa as propriedades

mecânicas do ferro; aumentando a resistência, aumentando a dureza e

diminuindo a ductilidade.

Parte do diagrama de fases ferro-carbeto de ferro encontra-se

representada na Fig. 1. O ferro puro (ou com baixo teor de impurezas), ao ser

aquecido, apresenta duas mudanças de estrutura cristalina antes de fundir.

Essa característica é chamada Alotropia ― capacidade de um elemento químico

cristalizar em mais de um sistema cristalino e ter, por isso, diferentes

propriedades físicas. À temperatura ambiente, a forma estável é a ferrita

(ferro ), que possui uma estrutura cristalina CCC (cúbica de corpo centrado).

A 912ºC, a ferrita sofre uma transformação alotrópica para austenita (ferro ),

com uma estrutura cristalina CFC (cúbica de faces centradas). Essa austenita

permanece inalterada até 1394ºC, quando nova transformação alotrópica

7

ocorre, modificando novamente a estrutura cristalina, a qual torna a ser CCC.

Essa fase é conhecida como ferrita (ferro ), e finalmente se funde a

1538ºC.

Figura 1. O diagrama de fases ferro-carbeto de ferro. [Adaptado de http://www.myoops.org/twocw/mit]

Para concentrações de carbono acima de 6,70%, é formado o composto

intermediário carbeto de ferro, ou cementita (Fe₃C). Na prática, todos os aços

e ferros fundidos possuem teores de carbono inferiores a 6,70%, por isso

normalmente os diagramas de fases do sistema ferro-carbono consideram

somente o sistema ferro-carbeto de ferro.

Aços

“Aço é a liga ferro-carbono contendo geralmente 0,008% até

aproximadamente 2,11% de carbono, além de certos elementos residuais,

resultantes do processo de fabricação” (CHIAVERINI, V. p.22, 2005)

8

O limite inferior a 0,008% corresponde à solubilidade máxima do

carbono no ferro à temperatura ambiente enquanto o limite superior

corresponde à máxima quantidade de carbono que se dissolve no ferro à

1148ºC. Essa quantidade máxima de 2,11%, conforme pode ser verificado no

diagrama de fases depende da presença ou não de elementos de liga ou da

presença dos elementos residuais em teores superiores aos normais no aço.

Pode-se, então, considerar dois tipos fundamentais de aço:

Aço-carbono: liga ferro-carbono que contém, em geral, 0,008% a cerca

de 2,11% de carbono, além de certos elementos residuais provenientes

do processo de fabricação. Os aços-carbono podem ser subdivididos em:

(1) aços de baixo teor de carbono, com teor de carbono inferior a 0,2%;

(2) aços de médio carbono, com quantidade de carbono entre 0,2 e

0,5%; (3) aços de alto teor de carbono, com concentração de carbono

acima de 0,5%;

Aço-liga: aço-carbono contendo outros elementos de liga ou

apresentando os elementos residuais em teores acima daqueles

considerados normais. Os aços-liga, assim como os aços-carbono,

também podem ser subdivididos: (1) aços de baixo teor de ligas,

contendo elementos de liga em quantidades inferiores a 8%; (2) aços de

alto teor de ligas, com elementos de liga acima de 8%.

Os aços-carbono constituem o mais importante grupo de materiais

aplicados na engenharia e na indústria. Isso se deve principalmente às

propriedades mecânicas desses aços simplesmente ao carbono, sem a presença

de qualquer elemento de liga. Entretanto, apesar de bem versáteis, esse aços

apresentam limitações, especialmente quando são necessárias propriedades

como resistência à corrosão, ao calor e ao desgaste. Nesse caso, recorre-se aos

aços-ligas. Esse grupo de aço tem como objetivo reduzir as limitações

observadas nos aços-carbono, além de melhorar ainda mais as propriedades

destes. Uma importante limitação dos aços-carbono que foi superada pelos

9

aços-liga é a suscetibilidade à corrosão, o que foi possível através do

desenvolvimento dos aços inoxidáveis. [2][3]

3. Classificação dos Aços Inoxidáveis

A corrosão que age sobre peças metálicas tem sido motivo de

preocupação para a indústria, pois esse fenômeno, que não passa de uma

forma de atividade eletroquímica, degrada o material, fragilizando-o e

influenciando diretamente suas propriedades mecânicas, inutilizando

rapidamente a peça.

Os meios corrosivos são inúmeros, contudo, os mais comuns são os

seguintes:

Corrosão atmosférica: em estruturas expostas aos agentes corrosivos

existentes na atmosfera urbana, como óxidos sulfurosos provenientes de

combustíveis fósseis veiculares, industriais e de usinas termo-elétricas, e

na atmosfera costeira, como partículas de água salgada transportadas

pelo ar;

Corrosão no solo: em estruturas enterradas, devida ao baixo pH, à baixa

resistividade, à presença de água e oxigênio e à ação de bactérias;

Corrosão em água doce: em estruturas imersas em água doce, poluída

ou não, de rios, lagos, represas, poços etc. Ocorre basicamente pela

presença de gases dissolvidos na água, como oxigênio, dióxido de

carbono, sulfeto de hidrogênio e outros.

Corrosão em água salgada: em estruturas imersas em mares, oceanos e

lagoas. Ocorre devida à concentração de cloretos de sódio e magnésio

dissolvidos na água.

Pela importância da corrosão sobre os materiais, desenvolveram-se

novos métodos de proteção e também foram aperfeiçoadas ou criadas novas

ligas resistentes a esse fenômeno. Uma das soluções foi o desenvolvimento de

ligas já citadas no fim da seção anterior, os aços inoxidáveis.

10

O cromo é um elemento de extrema importância, pois eleva a resistência

à corrosão e à oxidação do aço. Essa característica associa-se ao fenômeno

conhecido como passivação, ou seja, a formação de uma camada de óxidos (de

ferro, cromo e de outros elementos de liga presentes na composição do aço).

A formação ou não dessa camada, sua impermeabilidade e sua taxa de

dissolução no meio corrosivo são os fatores que controlam a resistência à

corrosão do material nesse meio.

As composições mais comuns de aços inoxidáveis foram desenvolvidas

no início do século passado. A partir dessas composições, começaram a ser

estudados os efeitos de vários elementos de liga residuais, como carbono,

nitrogênio e molibdênio, e desde então novas composições vêm sendo

desenvolvidas com base nos resultados obtidos nessas pesquisas.

Como a microestrutura possui efeito dominante sobre suas propriedades,

os aços inoxidáveis são classificados com base na microestrutura que

apresentam a temperatura ambiente. Portanto, para fins de classificação e

discussão de suas propriedades, os aços inoxidáveis podem ser agrupados em

martensíticos, ferríticos, austeníticos ou dúplex.

3.1. Aços Inoxidáveis Martensíticos

São aços contendo cromo entre 11,5% e 18,0% com teor de carbono,

em geral, acima de 0,1%. Mais recentemente, no entanto, estão sendo

desenvolvidos os aços denominados supermartensíticos, os quais apresentam

concentração de carbono abaixo de 0,1% e teores extremamente baixos de

elementos residuais. Esses aços tornam-se martensíticos e são endurecidos

pelo tratamento térmico de têmpera.

Algumas de suas características, as mais importantes, são as seguintes:

Apresentam comportamento ferro-magnético;

Podem ser trabalhados com facilidade, tanto a quente como a frio,

sobretudo quando o teor de carbono for baixo;

11

Apresentam boa resistência à corrosão quando expostos ao tempo, à

ação da água e de certas substâncias químicas. Á medida que aumenta o

teor de carbono, fica mais suscetível à corrosão, o que pode ser

compensado por uma adição extra de cromo;

Quando é adicionado níquel à sua composição sua resistência à corrosão

melhora (dentre os aços inoxidáveis martensíticos, o 431 é o de melhor

resistência à corrosão devido ao baixo teor de carbono, alto teor de

cromo e presença de níquel);

A têmpera melhora a resistência à corrosão, pois contribui para evitar a

precipitação de carbonetos.

Em função da sua composição química, as propriedades e aplicações

mais comuns dos aços inoxidáveis martensíticos são as seguintes:

403 e 410 – pelo baixo teor de carbono que apresentam, são de fácil

conformação a frio no estado recozido; são empregados em lâminas

forjadas ou usinadas de turbinas e compressores, tesouras, canos de

fuzil, componentes para indústria petroquímica etc.;

420 – pela alta dureza e razoável tenacidade que adquirem quando

submetidos ao tratamento térmico adequado, podem ser empregados

em cutelaria, instrumentos cirúrgicos, eixos de bomba, válvulas, peças

de motores a jato, parafusos, etc.;

414 e 431 – devido às altas dureza e resistência mecânica, são

normalmente empregados em molas, parafusos e porcas, peças para

bombas, peças para aviões, eixos de hélices marítimas, peças para

fornos, componentes para indústria petroquímica, etc.;

416, 416 Se e 420 F – por serem de fácil usinagem, adaptam-se

facilmente a operações de usinagem, sendo empregados em parafusos,

porcas, hastes de válvulas, laminas de turbina, cutelaria, etc.;

440 A, 440 B e 440 C – além de resistentes à corrosão, devido ao

elevado teor de carbono, possuem altas resistência ao desgaste e

12

dureza, o que possibilita seu emprego em instrumentos cirúrgicos e

odontológicos, válvulas, bocais etc.

A Fig. 2 mostra uma micrografia de um aço inoxidável martensítico 420.

Figura 2. Aço inoxidável martensítico ABNT 420. Microestrutura típica. [Adaptado de

http://www.pipesystem.com.br]

3.2. Aços Inoxidáveis Ferríticos

Neste grupo, o cromo ainda é o principal elemento de liga, em

concentrações muito elevadas, podendo atingir valores superiores a 25%.

Como o teor de carbono é baixo (máximo de 0,20%) a faixa austenítica é

totalmente eliminada e, portanto, esses aços não são endurecíveis por

tratamento térmico de têmpera.

Algumas propriedades e aplicações dos principais aços inoxidáveis

ferríticos são citadas abaixo:

430 – é facilmente conformado a frio e apresenta um encruamento

inferior ao dos aços austeníticos. Além disso, possui boa resistência à

corrosão, tanto à temperatura ambiente como a temperaturas mais

elevadas, e resiste à ação de gases sulfurosos secos e quentes; são

normalmente empregados na indústria automobilística, de aparelhos

13

eletrodomésticos e química. Também podem ser aplicados a

equipamentos de restaurantes e de cozinhas, peças de forno, etc.;

430 F – é uma variação do tipo 430. Devido à sua fácil usinabilidade são

empregados para produzir peças em máquinas automáticas, tais como

parafusos, porcas, ferragens, etc.;

405 – pelo fato de apresentar alumínio em sua composição, apresenta

boa tenacidade em estruturas soldadas, onde é empregado em

temperaturas elevadas; é aplicado em tubos de radiadores, caldeiras,

recipientes para indústria petroquímica, etc.;

409 – é de fácil trabalho a frio e produz soldas muito tenazes; seu

emprego é feito principalmente em exaustores de automóveis;

434 – semelhante ao 430, porém com adição de molibdênio, o que

melhora sua resistência à corrosão atmosférica; é utilizado na

manufatura de componentes da indústria automobilística, como por

exemplo, pára-choques de automóveis;

436 – também semelhante ao 430, mas com adição simultânea de

molibdênio e nióbio, o que melhora suas resistências à corrosão e ao

calor;

442 – apresenta boa resistência à oxidação, sendo, por esse motivo,

empregado para serviços a alta temperatura quando não é exigida

facilidade de conformação; aplica-se principalmente em peças de fornos

e de câmaras de combustão;

446 – dentre todos os aços inoxidáveis ferríticos é o que contém maior

teor de cromo, apresentando, consequentemente, excelente resistência à

oxidação até temperaturas próximas a 1200ºC; por esta razão são

empregados em peças de fornos, queimadores, radiadores,

recuperadores etc. No entanto, a resistência mecânica desse aço a

elevadas temperaturas é baixa, de modo que para esse tipo de aplicação

preferem-se os aços inoxidáveis austeníticos do tipo AISI 310

14

A Fig. 3 mostra uma micrografia de um aço inoxidável ferrítico 409.

Figura 3. Aço inoxidável ferrítico ABNT 409. Microestrutura típica. [Adaptado de

http://www.pipesystem.com.br]

3.3. Aços Inoxidáveis Austeníticos

Esses aços são ligas à base de ferro, cromo (16-30%) e níquel (8-35%)

predominantemente austeníticas após tratamento térmico adequado. O níquel

melhora consideravelmente a resistência à corrosão e a resistência à oxidação a

altas temperaturas, já que, na maioria dos reagentes, o níquel é mais nobre

que o ferro e, além disso, forma uma camada de óxido que protege o aço

espontaneamente. A restauração dessa película inerte protetora, caso tenha

sido retirada, ocorre muito mais rápida em um aço inoxidável ao Cr-Ni que em

um aço inoxidável somente ao cromo.

Por questão de custo, às vezes parte do níquel (cerca de 4%) é

substituída por outros elementos, como manganês (em torno de 7%) ou

nitrogênio (em teores iguais ou inferiores a 0,25%).

As principais características dos aços inoxidáveis austeníticos são:

Não apresentam comportamento magnético;

Por serem austeníticos não são endurecíveis;

15

Quando encruados, sua dureza aumenta bem mais do que aumentaria

em outros aços submetidos a mesma deformação. Nota-se nesses aços

que, à medida que o teor de níquel aumenta, o efeito do encruamento

torna-se menos acentuado.

Um dos fenômenos indesejáveis que pode ocorrer nos aços inoxidáveis

austeníticos é a chamada corrosão intergranular, a qual se deve à precipitação

de carboneto de cromo. Uma das formas de evitar esse problema é a adição de

titânio e de nióbio à composição do aço, porque estes elementos fixam o

carbono na forma de carbonetos de titânio e de nióbio.

As propriedades mecânicas desses aços dependem essencialmente da

condição do material (recozido ou encruado), da forma do produto acabado ou

semi-acabado (barras, fios, tiras, chapas etc.) e da composição química. Como

esses aços não são endurecíveis por tratamento térmico de têmpera, o

aumento da dureza e da resistência mecânica só pode ser obtido por

encruamento.

A seguir encontram-se listadas as características e aplicações práticas de

alguns aços inoxidáveis austeníticos:

301 e 302 – são os aços inoxidáveis austeníticos mais populares; são

facilmente trabalhados e são empregados em ornamentação, utensílios

domésticos, fins estruturais, equipamento para as indústrias química,

naval, de fabricação de alimentos, de transporte etc.;

302 B – devido à presença de silício, possui melhor resistência à

formação de casca de óxido a temperaturas mais elevadas, sendo

normalmente empregado em peças de fornos;

303 – geralmente é empregado na fabricação de eixos, parafusos,

porcas, peças de carburador, buchas, válvulas etc.;

304 – este tipo é menos suscetível à corrosão intercristalina, por

apresentar baixo teor de carbono; é utilizado em equipamentos para

processamento de alimentos e recipientes criogênicos;

16

308 – maior resistência à corrosão que o 18-8 (Cr-Ni); é aplicado em

fornos industriais e em eletrodos de solda.

309 – apresentam boas resistências mecânica e à oxidação a altas

temperaturas; é aplicado a equipamentos da indústria química, peças de

fornos, estufas, peças de bombas etc.;

309 S – devido ao baixo teor de carbono permite a soldagem com menor

risco de corrosão intercristalina;

310 – possui boa estabilidade à temperatura de soldagem, sendo,

portanto, aplicado a eletrodos de solda, equipamentos para indústria

química, peças de fornos e estufas. Resiste à oxidação até temperaturas

de 1050ºC ou 1100ºC;

316 – é bastante resistente à corrosão química, então é utilizado em

equipamentos para indústria química;

317 – possui resistência à corrosão ainda melhor que o 316; esse tipo de

aço também se aplica a equipamentos para indústria química;

321 e 347 – tipos 18-8 estabilizados contra corrosão intercristalina a

temperaturas elevadas, dessa forma, aplicam-se quando se exige

soldagem, como vasos de pressão, juntas de expansão etc.;

201 e 202 – apresentam resistência à corrosão inferior à dos tipos ao

Cr-Ni, porém, geralmente apresentam melhor resistência mecânica a

temperaturas elevadas;

304 N e 316 N – devido a presença de nitrogênio, possuem melhores

limites de escoamento e ainda são bastante resistentes à corrosão,

resultando em suas aplicações a estruturas como aparelhos de pressão

na indústria química.

17

A Fig. 4 mostra uma micrografia de um aço inoxidável austenítico 304.

Figura 4. Aço inoxidável austenítico ABNT 304. Microestrutura típica. [Adaptado de

http://www.pipesystem.com.br]

3.4. Aços Inoxidáveis Duplex

O desenvolvimento dos aços inoxidáveis duplex tem resultado na

crescente utilização deste, principalmente em aplicações industriais que exigem

maiores resistências à corrosão e à oxidação, além da tenacidade adequada, do

que as apresentadas pelos aços austeníticos. São superiores também por

possuírem melhor resistência à corrosão localizada e melhor resistência ao

trincamento por corrosão sob tensão.

Esses aços se caracterizam por ter uma estrutura bifásica ferrítico-

austenítica, determinada, sobretudo, pelos teores de ferro, cromo e níquel.

Nesses aços, os elementos de liga atuam da seguinte forma:

O cromo e o níquel são os elementos fundamentais no sentido de

conferir a resistência à corrosão;

O molibdênio, entre 0,2 e 5,0% melhora a resistência à corrosão

localizada (por pites), a corrosão generalizada e a corrosão em frestas;

18

O nitrogênio, entre 0,1 e 0,35%, melhora a resistência à corrosão

localizada, além de aumentar a resistência mecânica;

O cobre, até 4,0%, melhora a resistência à corrosão e favorece o

endurecimento por precipitação;

O tungstênio, até 1,2%, também melhora a resistência à corrosão;

O manganês, entre 0,5 e 5,0%, aumenta a resistência à corrosão e a

resistência ao desgaste abrasivo;

O silício, entre 0,5 e 5,0%, além de melhorar a resistência à corrosão,

melhora também a resistência ao calor e ao desgaste;

O carbono, entre 0,01 e 0,5%, aumenta a resistência mecânica e a

resistência ao desgaste.

Outros elementos, como o cobalto, o nióbio, o titânio e o alumínio

podem ser adicionados: o cobalto melhora a soldabilidade e a resistência ao

desgaste; o nióbio melhora a resistência à corrosão e ao desgaste; o titânio e o

alumínio favorecem o endurecimento por precipitação.

As propriedades como resistência mecânica desses aços são, de um

modo geral, superiores às dos aços inoxidáveis austeníticos. Isso se deve ao

fato de as estruturas duplex apresentarem grãos mais finos que os aços

inoxidáveis de uma única fase.

As propriedades superiores dos aços inoxidáveis duplex em relação aos

outros tipos de aços inoxidáveis são a principal causa da utilização crescente

desses materiais em aplicações de grande importância, tais como:

Indústria de processamento químico: em tubulações, bombas, tanques

de produtos químicos, extratores de uréia, trocadores de calor,

evaporação salina, sistemas de refrigeração de água do mar etc.;

Indústria de polpa e papel: em digestores, pré-aquecedores,

evaporadores etc.;

Indústria de geração de energia (fóssil e nuclear): em tubos de injeção

de alta velocidade em poços geotérmicos, trocadores de calor etc.;

19

Indústria de extração de petróleo e gás (in e off-shore): em sistemas de

refrigeração, tubulações e linhas de distensão, estruturas e

revestimentos, transporte de gás sulfuroso, bombas de injeção de água

salgada, bombas, separadores, vasos de pressão etc.

A escolha do tipo adequado de aço duplex, baseado principalmente no

teor de cromo, varia de acordo com o campo de aplicação, em função da maior

ou menos resistência à corrosão, resistência à oxidação e tenacidade desejadas.

[2][4].

A Fig. 5 apresenta uma micrografia típica de um aço inoxidável duplex.

Figura 5. Aço inoxidável duplex. Microestrutura típica. [http://www.scielo.br]

4. Influência dos Elementos de Liga

Os elementos de liga são adicionados ao aço com as seguintes

finalidades:

Melhorar suas propriedades mecânicas a temperaturas elevadas ou

muito baixas;

20

Controlar os fatores que influenciam a temperabilidade;

Aumentar a resistência à corrosão química e à oxidação a temperaturas

elevadas.

Alguns elementos (como níquel, cobre e silício) aumentam a resistência

da ferrita. Já outros elementos (como cromo, manganês, molibdênio e vanádio)

dissolvem-se na ferrita e também formam carbonetos.

Os elementos de liga podem ser classificados em duas categorias:

formadores de austenita e formadores de ferrita.

Alumínio

A solubilidade do alumínio na ferrita é de 36% enquanto na austenita é

de apenas 1,1%. Quando dissolvido na ferrita, aumenta consideravelmente sua

dureza.

Pode ser usado como desoxidante e para o controle do tamanho de

grão, juntamente com titânio, zircônio e vanádio, os quais, no entanto, têm

efeito negativo sobre a temperabilidade, pois seus carbonetos são muito

estáveis e difíceis de dissolver na austenita antes da têmpera. O alumínio não

forma carboneto, mas sob certas circunstâncias, exerce uma influência

grafitizante no carboneto de ferro. É utilizado como adição, em quantidades

entre 0,90% e 1,50% nos aços para nitretação, formando nitreto de alumínio

( ), duro e estável.

Como desoxidante, reage com o óxido de ferro ( ), solúvel, formando

alumina ( ), insolúvel, que permanece no aço sendo menos nocivo que as

inclusões resultantes da desoxidação com silício.

A desoxidação com alumínio tem influência considerável sobre o tipo,

tamanho e distribuição das inclusões de sulfetos. Quando a adição de alumínio

não é suficiente para uma desoxidação completa, formam-se inclusões

esferoidais de sulfetos, de tamanho e distribuição irregular (tipo 1). Já os aços

completamente acalmados apresentam inclusões em cadeias de esferóides ou

depositadas ao longo dos contornos de grãos primários (tipo 2), e quando

ocorre excesso de alumínio, surgem sulfetos mais volumosos, de forma e

21

distribuição irregular. (Teores de alumínio entre 0,015 e 0,025% favorecem o

aparecimento de inclusões do tipo 2)

É o elemento mais atuante na determinação do tamanho de grão

austenítico, devido aos nitretos de alumínio separarem-se nos contornos dos

grãos de austenita e assim impedirem a junção doa cristais de austenita

primária.

Devido à sua afinidade com o nitrogênio, utiliza-se 0,4 a 1,5% de

alumínio nos aços para nitretação, além de 1,5% de cromo e/ou 0,2% de

molibdênio, para constituir-se uma camada de superfície de nitretos ligados

estáveis.

As adições de alumínio aumentam a resistência elétrica e à oxidação das

ligas Fe-Cr a temperaturas elevadas. (Por exemplo: materiais com 20% Cr, 5%

Al e 75% Fe têm uma resistência elétrica cerca de 20% maior que uma liga Ni-

Cr normal).

As ligas KANTHAL contêm, ainda, cobalto; 25% Cr, 5,0% Al, 3,0% Co e

67% Fe.

As ligas Al-Ni para imãs contêm entre 6,0 e 13% de alumínio e suas

propriedades magnéticas provêm de um processo de precipitação, enquanto os

imãs normais têm suas propriedades magnéticas originadas pelas tensões

internas causadas pela transformação da martensita.

Arsênio

A temperatura ambiente, o ferro dissolver até 5% de arsênio, mas a

temperaturas elevadas (cerca de 830ºC), esse percentual pode chegar até 7%

de arsênio dissolvido em solução sólida, sob a forma de arsenieto de ferro

( ).

Devido à sua influência nociva, raramente é adicionado propositalmente

ao aço; quando seu teor ultrapassa 0,025% à temperatura ambiente, o seu

comportamento é semelhante ao do fósforo, ou seja, favorece a cristalização

grosseira e pode causar inclusões perniciosas.

22

Nos aços com baixo teor de carbono, adições de até 0,10% de arsênio

causam um aumento da resistência da ordem de 0,4 kg/mm² para cada 0,01%

de arsênio, e entre 0,10 e 0,80% de arsênio, a resistência aumenta da ordem

de 0,15 kg/mm² para cada 0,01% de arsênio. Contudo, nos aços com maior

teor de carbono, o arsênio causa uma redução da resistência mecânica.

Berílio

A temperatura ambiente, o ferro dissolve apenas 4,5% de berílio, mas a

cerca de 1.150ºC o essa dissolução chega até 8,0%. Se, a essa temperatura, o

teor de berílio atingir 10%, forma-se um eutético de ferro e .

Os aços com 1,0% de berílio são dificilmente forjáveis, têm a

temperabilidade e a resistência mecânica e temperabilidade aumentadas e a

resistência ao impacto e alongamento reduzidos.

O berílio, apesar de elevar a dureza dos aços inoxidáveis ferríticos, os

torna quebradiços.

Boro

A solubilidade do boro na austenita é de apenas 0,0021% a temperatura

de 906ºC. Adicionando-se boro até 0,007% ocorre um aumento da

temperabilidade do aço.

O boro tem grande afinidade com o oxigênio e o nitrogênio, sendo por

isso necessário retirar estes elementos quase por completo do aço, o que é

possível mediante adição de alumínio ou titânio.

Este elemento diminui a velocidade de transformação da austenita em

ferrita e perlita. Com maiores teores de C, este retardamento decresce e

também diminui a sua influência sobre a temperabilidade. O boro tende a

aumentar o tamanho do grão austenítico; nesse caso, é conveniente adicionar-

se vanádio ou titânio, juntamente com alumínio.

Em aços inoxidáveis austeníticos, a presença de boro eleva o limite de

deformação permanente, diminuindo a resistência à corrosão.

23

Cálcio

O cálcio e o ferro são dois elementos mutuamente insolúveis. Como a

850ºC o cálcio já apresenta uma pressão de vapor elevada, a sua adição ao aço

é de difícil realização. Além disso, o cálcio tem grande reatividade e combina-se

facilmente com etc. Por isso, normalmente introduz-se cálcio no

aço sob a forma de ligas como desoxidante e globulizante de inclusões de

alumina. Empregando-se o Ca-Si como desoxidante, os produtos da reação

passam à escória, restando poucas e não-perniciosas inclusões, diferentemente

do caso de utilizar-se alumínio ou silício puros. Outra vantagem do boro é a sua

capacidade de remover o arsênio quase completamente do aço, formando um

composto insolúvel, o .

Adições de 0,05 a 0,1% de cálcio dificultam a formação de certos tipos

de inclusões nos contornos de grãos.

Carbono

As propriedades dos aços são determinadas basicamente pelo seu teor

de carbono, a começar pelo ponto de solidificação do aço, o qual é reduzido

pela adição de carbono.

A austenita, a 1130ºC, pode dissolver até 1,8% de carbono. Esta

solubilidade decresce com a temperatura; a solubilidade do carbono na

austenita cai até a temperatura de 720ºC, quando ocorre uma transformação

eutetóide com formação de perlita (ferrita + cementita). A 715ºC a ferrita só

consegue dissolver até 0,05% de carbono.

No campo da austenita, o aço exibe grande uniformidade de composição

e de textura. Ao resfriar, decompõe-se em ferrita e cementita, se contiver até

0,9% de carbono. Controlando-se as condições de resfriamento, especialmente

a velocidade, pode-se influencia a estrutura.

A cementita, que durante o resfriamento separa-se da austenita,

apresenta-se como lamelas ou esferóides no interior dos grãos e como uma

película nos seus contornos.

24

Quanto mais fina a distribuição da cementita, mais dura será a estrutura

mista de cementita e ferrita. A perlita pode apresentar lamelas de cementita

cuja espessura pode variar entre 0,00001 e 0,002 mm.

Durante o resfriamento de aços com baixo teor de carbono

(hipoeutetóides), antes de se atingir a temperatura eutetóide, ocorre uma

precipitação de ferrita, e quando daqueles com alto teor de carbono

(hipereutetóides), uma precipitação de cementita.

Ao temperar aços ao carbono não-ligados, resulta uma estrutura

acicular, dura, a qual se denomina martensita.

Chumbo

O chumbo é insolúvel no aço líquido e também não forma qualquer

composto com os elementos nele normalmente presentes. No aço sólido,

distribui-se em diminutas formas submicroscópicas, havendo uma leve

tendência de concentrar-se no fundo da lingoteira e associar-se às inclusões de

sulfetos. Os aços ao chumbo têm entre 25 e 35% maior velocidade de corte

que os aços normais.

Quando usado para melhorar a usinabilidade em altas velocidades de

corte, o chumbo é adicionado na lingoteira na proporção de 0,25%.

Cobalto

O cobalto e as austenita são solúveis em qualquer proporção, já a sua

solubilidade na ferrita atinge até 75%.

A sua adição amplia o campo da austenita e aumenta a resistência à

corrosão e ao desgaste, elevando a resistência mecânica e o limite de

deformação permanente, contudo, reduzindo a tenacidade.

Apresenta-se no aço sob a forma de , cuja instabilidade acarreta a

descarbonetação durante o trabalho a quente. O cobalto é um importante

componente dos aços ferramenta ao tungstênio, proporcionando-lhes a dureza

a quente necessária e aumentando a capacidade de corte a altas temperaturas.

25

Além disso, também eleva as temperaturas de têmpera, o que permite uma

melhor dissolução dos carbonetos.

O cobalto é usado em imãs tipo ALNICO (10% Al, 17% Ni, 12% Co e 6%

Cu) porque aumenta a coercividade1 e, até certo ponto, a remanência2. É

utilizado também em ligas indicadas para serviços a temperaturas elevadas

STELLITE (1,0 a 2,5% C, 5,0 a 13% W, 25 a 33% Cr e 50 a 65% Co) e em

ligas para aquecimento pela resistência elétrica KANTHAL (já citada na seção do

alumínio).

Cobre

A austenita pode dissolver até 8,5% de cobre a 1100ºC e 4,5% de cobre

a 830ºC. Na ferrita , abaixo de 650ºC, a solubilidade cai, atingindo 0,35% à

temperatura ambiente. Em aços com baixo teor de carbono, pelo menos 1,0%

de cobre permanece em solução sólida, quando a velocidade de resfriamento é

maior que 25ºC/min. Esta supersaturação favorece a resistência mecânica.

Adições de 0,15 a 0,25% de cobre aumentam a resistência à corrosão

atmosférica e aos ácidos de enxofre. Possivelmente a camada de óxido,

bastante aderente, que se forma protege contra a corrosão progressiva

adicional.

Em alguns casos, a adição de até 0,75% de cobre aumenta o limite

elástico e de ruptura, sem afetar a soldabilidade.

Cromo

O cromo se dissolve em qualquer proporção na ferrita ; já na austenita

o limite de solubilidade é 13%. Com maior teor de carbono (em torno de 0,5%)

a quantidade de cromo dissolvida aumenta para 20%.

1 Coersividade: a intensidade do campo magnético externo que deve ser imposta a uma substância ferromagnética para lhe anular a magnetização. 2 Remanência: num material ferromagnético, indução magnética máxima quando o campo externo é

zero

26

O cromo é um forte gerador de carbonetos, quando em pequenas

quantidades forma o , do sistema ortorrômbico, e em quantidades

maiores forma o , do sistema cúbico, que se dissolve na cementita

formando um carboneto duplo duro e resistente, o qual diminui a tendência a

descarbonetação. Em aços de carbono mais elevado, aumenta a resistência ao

desgaste.

Conforme a sua porcentagem presente, o cromo diminui o teor de

carbono do ponto eutetóide. Por exemplo: com 2,0% de cromo, o eutetóide

forma-se com 0,65% C; com 12% de cromo, este a porcentagem de carbono

desse ponto cai para 0,30%.

O cromo é e3ssencialmente um elemento endurecedor e é comumente

usado com um reforçador da matriz, como níquel, para obterem-se

propriedades mecânicas superiores. Outra propriedade importante dos aços ao

cromo é a resistência ao desgaste e a capacidade de corte, o que se deve à

elevada dureza dos carbonetos de cromo.

Se as ligas Fe-Cr contiverem carbono, formam-se carbonetos como: o

, do sistema rômbico, que pode conter até 15% de cromo; o ,

do sistema trigonal, contendo até 55% de ferro; o , do sistema cúbico;

e o , do sistema ortorrômbico.

Uma elevada dureza superficial pode ser obtida com aços para nitretação

contendo cromo. Devido à sua afinidade com o nitrogênio, o cromo é um

componente importante dos aços NITRALLOY. O mais utilizado desses contém

3,0%C e 0,5% Mo. O cromo também aumenta a resistência ao desgaste; para

rolamentos, usa-se um aço com 1,0% de carbono e 1,5% de cromo.

Aços contendo de 4,0 a 6,0% de cromo são usados em tubos sem

costura, válvulas etc., de refinarias de petróleo, a temperaturas de serviço

acima de 540ºC.

Quase todos os aços para trabalho a quente possuem quantidades

apreciáveis de cromo. Um dos mais comuns contém 12% de cromo e até 2,0%

de carbono. Os carbonetos presentes aumentam a resistência ao desgaste.

O cromo é de extrema importância para a produção de aços inoxidáveis,

sejam eles ferríticos, martensíticos ou austeníticos. Os aços ao cromo com 20 a

27

27% de cromo são utilizados a temperaturas elevadas (até 1000ºC) e em

atmosferas contendo enxofre. Ao serem aquecidos a estas temperaturas, há

uma tendência de crescimento acelerado dos grãos. Para diminuí-la adiciona-se

nitrogênio sob a forma de Fe-Cr contendo .

A adição de níquel aos aços com alto teor de cromo aumenta ainda mais

a resistência à corrosão e à oxidação. Um aço com baixo teor de carbono,

contendo 18% de cromo e 8,0% de níquel, permanece austenítico, mesmo

quando resfriado abaixo da temperatura ambiente. É por isso que esses aços

não são temperáveis. Com adições de molibdênio até 3,0% aumenta-se a

resistência à corrosão, especialmente se for inoculada igual quantidade de

cobre. Esta propriedade deve-se à formação de uma camada delgada de óxido

que constitui-se rapidamente após a exposição a qualquer fluido contendo

oxigênio. Com a presença dessa camada de óxido, o aço fica protegido da

corrosão, enquanto ela permanecer intacta e aderente.

Nos aços com 18% de cromo e 8,0% de níquel normais, a resistência

aos ataques químicos nos contornos de grão é bastante reduzida, quando o aço

é aquecido entre 650ºC e 850ºC.

Se o teor de carbono ultrapassa 0,05%, a tendência à corrosão

intercristalina aumenta rapidamente. Adiciona-se, então, nióbio ou titânio ao

aço, pois estes dois elementos possuem maior afinidade com o carbono, o que

evita a formação de carbonetos de cromo.

O grupo dos imãs permanentes, que comumente têm até 35% de

cobalto e/ou até 6,0% de tungstênio, pode conter entre 3,0 e 10% de cromo.

Enxofre

O enxofre combina-se com o ferro e com o manganês, formando o

sulfeto de ferro ( ) e o sulfeto de manganês ( ), que são insolúveis no aço

quando sólido. O sulfeto de ferro separa-se durante a solidificação, formando

com o ferro e o oxigênio um eutético de baixo ponto de fusão (490ºC),

envolvendo os cristais primários de solidificação.

28

O eutético formado com o sulfeto de manganês tem um ponto de

solidificação bem mais elevado que o formado com o sulfeto de ferro (1195ºC)

e separa-se no aço ainda líquido sob a forma de inclusões esferoidais.

Enquanto nos aços de qualidade limita-se o teor de enxofre a 0,025%,

nos aços para corte fácil adiciona-se até 0,5% desse elemento. O trabalho a

quente desses aços é limitado, assim como é baixa a sua resistência à corrosão,

o que é normalmente compensando com uma adição de molibdênio.

Os sulfetos são muito prejudiciais à solda a arco; o cordão de solda

apresenta poros e trincas, se não são usados eletrodos revestidos (contendo

) e com baixo teor de nitrogênio.

Estanho

No aço, a presença de estanho origina superfícies defeituosas e às

temperaturas de laminação causa a fragilidade a quente. Em chapas para

estampagem profunda, teores desse elemento acima de 0,02% são perniciosos,

e nos aços temperados revenidos, contribui para a fragilidade. O estanho possui

os mesmos efeitos prejudiciais que o fósforo.

Fósforo

A austenita dissolve até 0,5% de fósforo, enquanto a ferrita chega a

dissolver até 2,8% desse elemento. Na ferrita, o fósforo pode causar

endurecimento e, ocasionalmente, fragilidade a frio. Isso significa baixa

resistência ao choque e baixa tenacidade, o que é acentuado pelo aumento da

porcentagem de carbono. A presença de fósforo no aço é também um dos

responsáveis pelos fenômenos de fragilidade de revenido.

Muitos dos efeitos perniciosos do fósforo se devem à sua grande

tendência à segregação tanto micro quanto macroscópica. Ele favorece a

cristalização grosseira e pode causar inclusões perniciosas. Ao laminar ou forjar,

especialmente quando realizados abaixo das temperaturas críticas, criam-se

bandas alternadas de perlita e ferrita enriquecida com fósforo.

29

Embora o fósforo apresente algumas vantagens, como aumento da

resistência ao desgaste e à corrosão, melhoria na usinabilidade dos aços de

corte rápido e aumento da resistência mecânica, seus aspectos prejudiciais nos

aços predominam, sendo ele considerado uma impureza. Por esses efeitos

prejudiciais, o teor máximo de fósforo é rigorosamente controlado nos aços, e

situa-se entre 0,005 e 0,1%, dependendo da qualidade desejada e da aplicação

a que se destina o aço.

Hidrogênio

À pressão atmosférica e a 1350ºC, a solubilidade do na austenita é de

0,0008% (90 ml de a cada 1 kg de ferro). Já na ferrita , a 900ºC, essa

solubilidade cai para 0,0005% (30 ml de a cada 1 Kg de ferro).

No banho líquido, o hidrogênio encontra-se dissolvido sob a forma

atômica. Durante o período oxidante, boa parte dele pode ser removida pela

fervura intensa do banho. Entretanto, com a desoxidação do aço pode ocorrer

introdução de hidrogênio devido à umidade das ferro-ligas e escorificantes, o

que pode ser evitando aquecendo-se as ferro-ligas por um período de 8 a 10

horas, a temperaturas entre 700 e 800ºC.

Durante a solidificação, o hidrogênio excedente propicia a formação de

bolhas e com a continuação do resfriamento, ele tende a juntar-se em fendas

muito pequenas, onde a pressão eleva-se tanto que pode causar rompimentos

localizados; as chamadas trincas capilares. Depois da laminação, aparecem

manchas de formato circular ou elíptico nas superfícies paralelas à direção de

deformação. A essas manchas dá-se o nome de flocos.

O pode ser absorvido durante a decapagem, difundindo-se no aço no

estado atômico; atingindo uma dobra ou uma bolha interna, passa ao estado

molecular, no qual não consegue mais se difundir. A principal consequência da

presença do hidrogênio é tornar o aço quebradiço. No entanto, ele pode ser

removido por difusão quando se eleva a temperatura.

Um tipo especial de fragilidade ao hidrogênio é a corrosão devida aos

álcalis, que ocorre em caldeiras ou vasos de pressão trabalhando a

30

temperaturas elevadas e na presença de soluções alcalinas. Como resultado das

reações químicas, é liberado hidrogênio que, ao difundir-se, vai concentrar-se

nos contornos de grão e, destruindo as ligações, causa o rompimento da peça.

O hidrogênio presente durante a solda de aços mais sensíveis pode

causar. Para diminuir o risco, o revestimento dos elétrons deve ser isento de

materiais que contenham este elemento.

Manganês

A solubilidade do manganês na austenita é ilimitada, contudo, na ferrita

reduz-se a 3,0%.

O manganês reforça a ferrita, aumenta a temperabilidade da austenita e

forma um carboneto semelhante à cementita. As adições de manganês

retardam a temperatura e a velocidade de transformação, além de abaixar os

pontos críticos e causar um pronunciado efeito de histerese entre as

transformações durante o aquecimento ou resfriamento. O manganês aumenta

a soldabilidade e o limite de resistência à tração, com pequena redução da

tenacidade.

Na fabricação do aço, o manganês é utilizado como desoxidante. Sua

ação, porém. É bem menos vigorosa que a do silício.

Se o aço não contiver manganês, o enxofre aparece sob a forma de

sulfeto de ferro, formando um eutético, o qual se funde a 940ºC, depositado

nos contornos de grão, envolvendo-os. Às temperaturas de laminação,

geralmente acima de 1100ºC, este eutético torna-se líquido e causa fragilidade

a quente. O sulfeto de manganês é formado em vez do sulfeto de ferro quando

há cerca de oito vezes mais manganês que enxofre (o MnS foi citado

anteriormente, na seção do enxofre).

A fração de manganês além da necessária para combinar com o oxigênio

e com o enxofre permanece na ferrita sob a forma de solução sólida. Como o

ferro, o manganês também forma carbonetos e com teores elevados de

carbono forma .

31

Se o teor de manganês for maior que 10%, as mudanças de fase e a

precipitação dos carbonetos ocorrem tão lentamente que o aço, ao ser

temperado, permanece austenítico até a temperatura ambiente. Um aço

contendo de 1,0 a 1,4% de carbono e de 10 a 14% de manganês, temperado a

partir de 1000ºC, tem elevado limite de ruptura e extraordinária tenacidade, e

ao ser trabalhado a frio torna-se muito resistente ao desgaste; aços Hadfield.

Molibdênio

O molibdênio é um intensivo formador de carbonetos. Nos aços,

aumenta a tenacidade, a dureza e o limite re ruptura, bem como a elasticidade

e a resistência ao impacto. Aços com teores de Molibdênio entre 0,15 e 0,30%

têm menor suscetibilidade à fragilidade de revenimento. Nos aços para corte

rápido, do ponto de vista de formação de carbonetos, 1,0% de molibdênio é

suficiente para substituir 2,0% de tungstênio.

A austenita dissolve até 3,0% de molibdênio e suas adições abaixam a

zona de transformação dessa microestrutura, formando estruturas de maior

dureza com resfriamento mais lento. Por isso é usado em peças de grande

seção; 0,15% de molibdênio têm o mesmo efeito que 0,20% de cromo ou

1,25% de níquel.

Alguns aços (Mn-, Cr-, Ni-Cr com mais de 0,75% de cromo), ao serem

resfriados lentamente após o revenimento, apresentam baixa resistência ao

impacto. A adição de molibdênio, no entanto, reduz consideravelmente esse

risco.

O molibdênio melhora a resistência à corrosão de aços ao cromo e Cr-Ni.

A adição de 3,0% de molibdênio aumenta a resistência a temperaturas

elevadas de inoxidáveis contendo 18% de cromo e 8,0% de níquel, assim como

a sua resistência ao ataque de soluções de sulfitos (-), sulfatos (

-) e

acetatos ( -).

32

Nióbio

A austenita consegue dissolver até 2,0% de nióbio, a 1220ºC. A 990ºC,

esse valor cai para 1,0% e, a temperatura ambiente, é menor que 0,35%.

O nióbio tem grande afinidade com o carbono e, consequentemente,

forma carbonetos muito estáveis. Quando em excesso ao necessário para a

formação de carbonetos, o nióbio forma um composto metálico de elevado

ponto de fusão (1660ºC), o , o qual entra em solução nas várias fases

do ferro. A formação desse composto e a dos cristais mistos de nióbio e ferro

eleva o limite de ruptura dos aços com baixo teor de carbono. Tais aços têm

granulação fina e boa resistência ao impacto, a baixas temperaturas.

A vantagem do uso do nióbio para refino do grão é que não formam as

indesejáveis inclusões de óxido, pois é um fraco formador desses compostos.

Nos aços semi-acalmados de baixo teor de carbono, o nióbio eleva o

limite de deformação permanente, em 1,4 MPa (15 kg/mm²), e o limite de

ruptura, em 0,9 MPa (10 kg/mm²). Sendo aços mais econômicos, são cada vez

mais utilizados, especialmente em oleodutos e estruturas leves.

Os aços para nitretação frequentemente contêm nióbio, porque o

elemento contido nos cristais mistos combina-se facilmente com o nitrogênio

acima de 400ºC. Os carbonetos e outros compostos de nióbio não participam

da formação de nitretos.

Os aços com 4,0 a 6,0% de cromo tendem a temperar ao ar, o que

causa trincas durante a solda. Para solucionar esse problema, são necessárias

pequenas adições de nióbio, titânio ou alumínio, sendo que o nióbio é o

preferido, devido a pouca tendência à formação de inclusões. O teor de nióbio

deve ser de 7 a 10 vezes o de carbono.

Às temperaturas entre 500ºC e 800ºC, os aços resistentes à corrosão,

especialmente os do tipo 18% cromo e 8,0% níquel, tendem a depositar um

carboneto de cromo ( ), juntamente com cementita, nos contornos de grão.

O empobrecimento localizado em cromo dissolvido resulta numa substancial

redução da resistência à corrosão, além de aumentar a tendência ao

33

aparecimento de trincas de solda. Este fenômeno pode ser reduzido por quatro

meios diferentes:

Limitar o teor de carbono a 0,05%, o que é, no entanto, muito difícil;

Depois de soldar, temperar entre 1050 e 1150ºC, o que nem sempre é

possível;

Aumentar o teor de silício, estabilizando a ferrita;

Adicionar elementos que têm maior afinidade com o carbono do que o

cromo, como o nióbio, o titânio e o tântalo.

Níquel

O níquel dissolve-se em qualquer proporção na austenita, enquanto na

ferrita a sua solubilidade máxima é 10%. Mediante a formação de cristais

mistos, o níquel aumenta a resistência e a tenacidade da ferrita, além de

incrementar um pouco temperabilidade da austenita.

Como provoca redução considerável da temperatura de transformação

da austenita em ferrita (1,0% de níquel reduz a temperatura de

transformação em até 10ºC), os aços contendo mais de 30% de níquel, mesmo

com resfriamento lento, são austeníticos à temperatura ambiente.

Como não forma carbonetos, esse elemento permanece em solução na

ferrita, aumentando a sua tenacidade e resistência. Em aços para construção

mecânica, com baixo teor de carbono, adicionam-se até 5,0% de níquel para

aumentar a dureza e o limite de ruptura sem afetar a tenacidade. Ao ser

resfriado lentamente, um aço deste tipo adquire uma estrutura de perlita fina,

juntamente com ferrita contendo níquel. Os aços com 15 a 20% de níquel têm

uma estrutura quase exclusivamente martensítica com elevada dureza.

Os aços ao níquel têm tratamento térmico mais fácil porque ele reduz

efetivamente a velocidade de resfriamento necessária para se obter o

endurecimento durante a têmpera. A resistência ao impacto a temperaturas

abaixo de zero também é substancialmente aumentada, e com teores elevados

o aço torna-se resistente ao calor e à corrosão.

34

Os aços para cementação, com baixo teor de carbono, têm até 3,0% de

níquel, o que reduz a tendência de distorção, porque não só as temperaturas

de transformação da superfície e do núcleo ficam mais baixas, como também,

aproximadas uma da outra. Por outro lado, o níquel reduz a velocidade de

difusão do carbono. Para reverter esse fenômeno, adiciona-se 1,0% de cromo;

deve-se, porém, evitar um excesso de cromo, senão a superfície pode tornar-se

quebradiça e tende a esfoliar.

A adição de níquel aos aços com baixo teor de carbono aumenta a

resistência ao impacto a baixas temperaturas; por exemplo, um aço contendo

0,1% de carbono e 3,0% de níquel, a -75ºC, tem uma resistência ao impacto

cerca de 3 vezes maior que um aço ao carbono normal.

Embora sejam utilizados aços ligados apenas com níquel, o campo de

aplicação é muito maior para os aços contendo, adicionalmente, cromo e

molibdênio, para aumentar a temperabilidade e a resistência ao desgaste, sem

redução da tenacidade. São típicos os aços contendo entre 1,0 e 4,0% de

níquel e até 1,5% de cromo, frequentemente com até 0,5% de molibdênio,

para reduzir o perigo da fragilidade ao revenimento.

Das diversas ligas contendo níquel, as mais conhecidas são os aços

inoxidáveis e os resistentes ao calor. As ligas para imãs permanentes do tipo

ALNICO contêm de 11 a 32% de níquel, e as ligas INVAR, cujo coeficiente de

dilatação é tão baixo que são utilizadas para padrões de medida, têm entre 36

e 40% de níquel.

O níquel também pode ser aplicado como revestimento de aços com

baixo teor de carbono. Esse tipo de aço é amplamente utilizado na indústria de

alimentos e química.

Nitrogênio

Todos os aços contêm um pouco de nitrogênio, que absorveram da

atmosfera quando se encontravam no estado líquido. A 910ºC, a austenita

dissolve 0,026% desse gás, enquanto a ferrita , apenas 0,001%.

35

O nitrogênio forma, a 600ºC, um eutetóide constituído de ferrita e

nitreto de ferro. Portanto, o nitrogênio não apenas está na forma atômica

difundindo-se no aço, como também na forma de composto.

O nitrogênio é nocivo nos aços com baixo teor de carbono, pois facilita a

corrosão intergranular e provoca a fragilidade ao azul (que ocorre entre 200ºC

e 300ºC). Nos aços para nitretação, aumenta a dureza da superfície ao formar

nitretos, que precipitam nos contornos de grão, impedindo o crescimento dos

mesmos (refino de grão). Em inoxidáveis austeníticos, estabiliza a austenita,

aumentando o limite de escoamento.

Os aços para nitretação, em geral, contêm elementos como cromo e

alumínio, formadores de nitretos que se depositam nos contornos de grão,

aumentando a dureza superficial.

Aços com elevado teor de cromo, ao serem aquecidos acima de 1000ºC

em atmosferas de nitrogênio, absorvem com facilidade este elemento.

Oxigênio

A solubilidade do oxigênio no ferro puro a 1700ºC é 0,45 e a

temperatura ambiente é 0,08%. Na presença de carbono, a solubilidade é ainda

menor.

Embora o oxigênio seja considerado um elemento indesejável no aço, ele

tem um papel importante na sua fabricação. Uma das tarefas principais da

produção do aço é oxidação das impurezas, levando-as à escória. No final do

período de refino, o banho líquido é submetido à ação do carbono, juntamente

com alumínio e outros agentes desoxidantes como Fe-Mn, Fe-Si e Fe-Ti para

transformar o óxido de ferro dissolvido, em CO óxidos complexos de ferro,

manganês, silício, alumínio e titânio. Uma parte desses produtos da

desoxidação chega até a superfície, enquanto outra parte, devido à sua

distribuição muito fina e à rápida solidificação do metal, fica presa no interior do

aço solidificado. Pequenas partículas de óxidos provenientes da escória e do

revestimento refratário são também aprisionadas no interior do aço solidificado.

36

Mediante o controle do teor de oxigênio (e de outros elementos),

podem-se produzir aços acalmados, semi-acalmados, efervescentes, de

granulação grosseira ou fina, resistentes ao envelhecimento ou de têmpera

superficial ou profunda.

Nos aços acalmados, nem todos os produtos da desoxidação passam à

escória. Devido à distribuição das partículas e à rápida solidificação, muitas

delas ficam presas sob a forma de inclusões de óxidos, aluminatos e silicatos

complexos. Estas inclusões podem ser nocivas ao aço quando causam tensões

internas, que podem ocasionar trincas durante o resfriamento depois do

trabalho a quente ou em serviço.

Selênio

Assim como o enxofre, o selênio melhora a usinabilidade, contudo, nos

aços inoxidáveis, diminui a resistência à corrosão. As quantidades de selênio

adicionadas são da ordem de 0,25%.

Silício

A solubilidade do silício na austenita é de 2,0%, mas pode aumentar até

9,0% quando o teor de carbono se eleva a 0,35%. Já a ferrita dissolve até

18,5% desse elemento.

Devido a sua grande afinidade com o oxigênio, o silício, na maioria das

vezes, juntamente com outros elementos, é usado como desoxidante e

desgaseificante do aço. Ele endurece a ferrita pela formação de cristais mistos e

aumenta ligeiramente a temperabilidade da austenita, elevando a temperatura

crítica durante o aquecimento. O silício não forma carbonetos, mas entra em

solução sólida na ferrita e em teores de até 2,5% aumenta a sua resistência

mecânica sem que ocorra perda da ductilidade.

Com teores de silício até 0,3%, as propriedades mecânicas não são

afetadas, mas estes teores são suficientes para facilitar a desoxidação e

asseguram a obtenção de aço acalmado. Com teores mais elevados, a

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temperabilidade aumenta, assim como a resistência, porém diminui a

deformabilidade e a resistência ao impacto.

Nos aços com teores mais elevados de carbono, a presença de silício faz

crescer a temperabilidade e a resistência, bem como a temperatura de

austenização.

O silício é também adicionado aos aços ao cromo, Cr-Ni e Cr-W,

resistentes ao calor, para melhorar a sua resistência à oxidação em

temperaturas elevadas. Essas combinações costumam ser muito utilizadas para

a produção de válvulas em motores a explosão.

Em aços com baixo teor de carbono, como o silício é um forte

desoxidante, reduz bastante o teor de óxidos e a formação de carbonetos, o

que influencia favoravelmente nas propriedades magnéticas.

Chapas contendo de 4,0 a 7,5% de silício são usadas na fabricação de

transformadores. Como a austenita não ocorre com teores de silício acima de

2,5%, o tratamento térmico dessas chapas serve para diminuir as tensões

internas e homogeneizar a estrutura. O recozimento consiste em aquecer o aço

em atmosfera redutora até 800-1000ºC e, em seguida, esfriar lentamente.

As chapas de grãos orientados são inicialmente laminadas a quente e

depois a frio, sendo, em seguida, cobertas com refratário em pó e aquecidas

por um período de 60 horas, a temperatura de 1200ºC, numa atmosfera de

hidrogênio. Este procedimento favorece a orientação preferencial de grande

parte dos cristais.

Titânio

O titânio é formador de carbonetos, os quais se precipitam nos contornos

de grão, refinando a estrutura. Em alguns aços inoxidáveis, é adicionado em

proporções correlacionadas com o teor de carbono, para estabilizar o aço

mediante a dispersão das inclusões de carbonetos, endurecendo a matriz e

evitando a concentração dos mesmos nos contornos de grãos, resultando em

melhor soldabilidade.

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Tungstênio (Wolfrâmio)

A austenita dissolve no máximo 6,0% de tungstênio, enquanto, a

1500ºC, a ferrita dissolve até 33%. A temperatura ambiente, no entanto,

somente 4,2% desse metal é dissolvido.

Pequenas quantidades de tungstênio causam um substancial aumento da

temperabilidade e um pequeno endurecimento da ferrita, devido à formação de

cristais mistos.

O tungstênio tem grande afinidade com o carbono, o que resulta na

formação dos seguintes carbonetos: , e . esses compostos são

extremamente duros e resistentes ao desgaste. Como são de difícil solução na

austenita, os aços contendo tungstênio apresentam granulometria fina. Além

disso, como outros elementos que estimulam a formação da ferrita, o

tungstênio eleva a temperatura da transformação eutetóide, necessitando de

temperaturas têmpera mais elevadas.

O principal campo de aplicação dos aços ao tungstênio é o de

ferramentas de corte, em razão dos carbonetos extremamente duros e

resistentes ao desgaste.

Um dos aços mais utilizados contém 18% de tungstênio, 4,0% de cromo,

1,0% de vanádio e 0,7% de carbono. Teores de tungstênio acima de 18%

aumentam a resistência ao desgaste e a capacidade de corte, porém, reduzem

a tenacidade. Já teores abaixo de 18% de tungstênio fazem a tendência para

granulação grossa aumentar com temperaturas elevadas de têmpera.

Parte desse metal nos aços rápidos pode ser substituída pelo molibdênio,

na proporção de 1 (Mo) para 2 (W). Como o tungstênio é um formador

intensivo de carbonetos, pode ser usado em aços inoxidáveis com 18% de

cromo e 8,0% de níquel para melhorar sua resistência à corrosão intercristalina

e à formação de trincas de solda. O tungstênio é de grande importância na

fabricação de ferramentas de corte em carbonetos sinterizados.

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Vanádio

A austenita consegue dissolver até 1,0% de vanádio; na presença de

0,2% de carbono, esse teor aumenta para 4,0%. Já na ferrita , o vanádio é

solúvel em qualquer proporção. Como o ferro, o vanádio apresenta estrutura

cristalina CCC e forma com ele uma série de soluções sólidas.

Ao reagir com o carbono, forma o carboneto de vanádio ( ), muito

pouco dissolvido na ferrita, porém, de solubilidade bastante elevada na

austenita.

Pela formação de cristais mistos, o vanádio aumenta a dureza da ferrita

e, ao dissolver-se na austenita, incrementa consideravelmente a sua

temperabilidade. O vanádio é um grande formador de carbonetos, o que causa

algumas dificuldades ao revenimento. Os carbonetos finos depositados nos

contornos de grãos reduzem a tendência para crescimento dos mesmos. Devido

a esta característica, é empregado em aços hipereutetóides para ser obtida

uma textura fina. Cerca de 1,0% de vanádio substitui 2,0% de molibdênio ou

4,0% de tungstênio.

Como outros formadores de carbonetos, esse metal eleva a temperatura

de transformação e também reduz o teor de carbono para o eutetóide, e como

seus nitretos são bastante estáveis, é adicionado aos aços NITRALLOY para

melhorar as propriedades da camada externa.

Aços contendo de 0,6 a 1,4% de carbono, de 0,25 a 0,5% de manganês

e de 0,2 a 0,5% de vanádio costumam ser usados para ferramentas, brocas,

laminas de barbear etc.

Zircônio

Assim como o titânio e o vanádio, o zircônio também possui grande

afinidade com oxigênio, nitrogênio, enxofre e hidrogênio. No aço, forma óxidos,

silicatos ou sulfetos, que finalmente divididos, fornecem grande resistência ao

crescimento dos grãos.

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Muitas vezes, adicionam-se 0,3 a 0,4% de zircônio aos aços Cr-Ni

destinados à indústria bélica, para aumentar a dureza e, ao mesmo tempo, a

sua usinabilidade. [4][5]

5. Sistema Fe-Cr

A Fig. 6 apresenta o diagrama de equilíbrio de fases Fe-Cr, no qual pode-

se verificar que, para qualquer relação Fe-Cr a solidificação se inicia com a

formação de ferrita .

Figura 6. Diagrama de equilíbrio de fases Fe-Cr. [Adaptado de http://www.inoxexpert.be]

Por ser um elemento ferritizante, o cromo reduz o campo de existência

da austenita, estabilizando a ferrita para teores de cromo superiores a 13%.

Dessa forma, o campo de existência da austenita é limitado a uma faixa de

temperatura (850-1400ºC), contendo até 12% de cromo, a partir do qual, a

qualquer temperatura ocorre somente ferrita. A temperatura de transformação

de ferrita para austenita para o ferro é 910ºC, e decresce à medida que se

eleva o teor de cromo, até atingir um mínimo, a 850ºC, correspondendo a

8,0% de cromo. Teores crescentes de cromo elevam a temperatura de

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transição progressivamente até 1000ºC, para composições contendo 13% de

cromo.

Os campos de existência da austenita e austenita juntamente com ferrita

podem ser deslocados para maiores teores de cromo na presença de elementos

austenizantes, como carbono e nitrogênio.

A presença de pequenos teores de carbono e nitrogênio são suficientes

para ampliar o campo austenítico até 26% de cromo, na presença das

combinações de 0,19% de carbono e 0,02% de nitrogênio ou 0,25% de

nitrogênio e 0,05% de carbono. E à medida que os campos da austenita e da

ferrita com austenita são deslocados para teores mais elevados de cromo, a

temperatura de transição aumenta.

Às temperaturas inferiores a 850ºC e superiores a 500ºC, além da

ferrita, ocorre a formação de outra fase, denominada sigma ( ), para ligas

contendo de 20 a 70% de cromo. Na mesma faixa de composições em que

pode ocorrer a formação da fase sigma, Fisher, Dulis e Carrol (v. 197, p. 690,

1953) identificaram a presença de um precipitado não magnético, de estrutura

CCC, com teores de cromo variando entre 61 e 83%. A precipitação dessa fase

foi posteriormente confirmada por Wlliams (v.212, p.497, 1958).

De acordo com Williams, ligas Fe-Cr pertencentes à faixa de composição

em que seria possível a formação de fase sigma, se submetidas a temperaturas

na faixa de 400 a 500ºC, ocorreria uma tendência à precipitação da fase rica

em cromo ( ), coerente com a matriz, que também, seria ferrítica, porém rica

em ferro .

À precipitação dessa fase rica em cromo tem sido atribuída a fragilização

e redução da resistência à corrosão a que as ligas Fe-Cr submetidas a

temperaturas próximas a 475ºC, por tempo relativamente curto, estão sujeitas.

Este tipo de fragilização é reversível, sendo possível restaurar a tenacidade do

aço através de seu aquecimento a temperaturas superiores a 550ºC. O tempo

de duração desse tratamento costuma ser tanto menor quanto mais elevada for

a temperatura. [1]

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6. Sistema Fe-Cr-Ni

A metalurgia dos aços inoxidáveis austeníticos (e duplex austenítico-

ferríticos) pode ser mais bem compreendida, inicialmente, pela análise do

sistema Fe-Cr-Ni. Posteriormente deve-se considerar o efeito dos demais

elementos de liga sobre as relações de equilíbrio nesse sistema.

O sistema Fe-Cr-Ni constitui a base dos aços inoxidáveis e resistentes ao

calor, com matriz predominantemente austenítica. As ligas que se encontram

neste grupo podem apresentar, no estado bruto de fundição, estrutura

parcialmente ferrítica ou totalmente austenítica. Além da ferrita e da austenita,

pode ainda estar presente a fase sigma.

Figura 7. Diagrama pseudobinário Fe-Cr-Ni com 70% de ferro. [Adaptado de http://www.scielo.br/scielo]

Devido à sua complexidade, o sistema Fe-Cr-Ni não possui um diagrama

de equilíbrio de fases como os compostos binários, pois apresenta três

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componentes. Contudo, formas alternativas de representação gráfica desse

sistema foram desenvolvidas para solucionar esse problema. O diagrama de

fase pode ser como o representado na Fig. 7, fixa-se uma composição para um

dos componentes (no caso, o ferro), enquanto os teores dos outros dois (cromo

e níquel) variam no eixo horizontal, com a temperatura variando no eixo

vertical. Outra forma de representação desse sistema é por seções isotermas,

na qual é fixada uma temperatura e em cada um dos lados de um triângulo

equilátero variam os percentuais de cada um dos três componentes da liga.

[1][4]

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7. Referência Bibliográfica

[1] PADILHA, A. F. & GUEDES, L. C.; Aços inoxidáveis austeníticos,

microestrutura e propriedades, Editora Hemus, 1994;

[2] CHIAVERINI, V.; Aços e ferros fundidos, 7ª ed., Associação Brasileira

de Metalurgia e Materiais – ABM, 2005;

[3] CALLISTER JR, W. D.; Ciência e engenharia de materiais, uma

introdução, Editora LTC, 2008;

[4] COSTA E SILVA, A. L. V. & MEI, P. R.; Aços e ligas especiais, 2ª ed.,

Editora Edgar Blücher, 2006;

[5] DE ARAUJO, L. A.; Manual de siderurgia, transformação, Editora Arte

& Ciência, 1997, v. 2;

[6] FISHER, R. M.; DULIS, E. J. & CARROL, K. G.; Trans. Am. Inst.

Metall. Pet. Eng., v.197, p. 690, 1953;

[7] WILLIAMS, R. O.; Trans. AIME, v.212, p.497, 1958.

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