Aços Inoxidáveis

Aços Inoxidáveis

(Parte 1 de 6)

Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro. CCT- Centro de Ciência e Tecnologia

Aços Inoxidáveis

Campos dos Goytacazes, 20 de Abril de 2010

Pedro Netto da Silva Engenharia Metalúrgica e de Materiais

Aços Inoxidáveis

Campos dos Goytacazes, 20 de Abril de 2010

1. Introdução4
2. Definições5
3. Classificação dos Aços Inoxidáveis9
3.1. Martensíticos10
3.2. Ferríticos12
3.3. Austeníticos14
3.4. Duplex17
4. Influência dos Elementos de Liga19
5. Sistema Fe – Cr40
6. Sistema Fe – Cr – Ni42

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 X 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 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- 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 C (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 ocorre, modificando novamente a estrutura cristalina, a qual torna a ser C. 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 2,1% de carbono, além de certos elementos residuais, resultantes do processo de fabricação” (CHIAVERINI, V. p.2, 2005)

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 148ºC. Essa quantidade máxima de 2,1%, 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 2,1% 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 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.

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 1,5% 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;

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

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

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