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17 de maio de 2022

Influência dos elementos químicos nos aços

Editoria Serrametal – Esse conteúdo é apenas informativo, pois se trata do universo dos nossos clientes. Nós somos fornecedores de aços especiais.

Figura 1: Tabela periódica.

Os aços são constituídos principalmente por ferro e carbono, com uma pequena quantidade de elementos de liga. A grande diferença entre ferro fundido e aço está na quantidade de carbono. O ferro fundido é composto por uma quantidade de carbono que varia entre 1,7 a 4,5. O aço tipicamente possui entre 0,05 a 1,5 por cento de carbono [1].

A composição química determina o comportamento do material com relação às propriedades mecânicas, usinabilidade, a temperabilidade, a dureza à quente, a capacidade de corte, a resistência à corrosão, resistência ao desgaste, resistência à oxidação e características elétricas e magnéticas.

 

Elemento base – o Ferro (Fe): O elemento de maior quantidade no aço é o ferro, portanto grande parte das propriedades do ferro permanece no aço. Por exemplo, a alta força a tração e a resistência ao calor, essas propriedades são melhoradas com a adição dos elementos de liga e durante o processo de fabricação do aço. Sozinho já é um elemento extremamente versátil, resistente e barato, entretanto a sua maior desvantagem é a sua susceptibilidade à corrosão.

Para os aços ferramenta, como os vendidos na Serrametal, os elementos de liga que mais influenciam o comportamento são os seguintes:

Carbono (C): Depois do ferro o carbono é o elemento de mais importância no aço. O aumento da quantidade de carbono produz um material com maior dureza e menor ductilidade e tenacidade. [2,3]

Fósforo (P) e Enxofre (S): Geralmente ambos destes elementos são indesejáveis para a estrutura do aço. O enxofre em particular promove a segregação da matriz do aço. Ambos reduzem a ductilidade e a soldabilidade do material, por esse motivo, a presença desses materiais é limitada entre 0,3 e 1,5 %, entretanto, são adicionados por melhorarem a usinabilidade. [2, 3]

Silício (Si): O silício é um dos principais desoxidantes para o aço, ajuda a remover bolhas de oxigênio do aço no estado fundido. É o elemento mais comum usado para aço semi e totalmente acalmado (desoxidado). Aumenta a força de tração e a dureza, entretanto menos em relação ao manganês. Também melhora a resistência ao desgaste e a trabalhabilidade, e reduz a temperatura de endurecimento. E assim como o alumínio influencia diretamente na condutividade térmica do aço em relação aos outros elementos de liga. [2, 4]

Manganês (Mn): Possui propriedades semelhantes ao carbono. Aumenta a força de tração e resistência ao desgaste. É um elemento extremamente necessário para os processos de laminação a quente pela combinação de oxigênio e enxofre. [2]

Níquel (Ni): Produz um efeito favorável, aumenta a tração, a dureza e a tenacidade. Melhora o comportamento em baixas temperaturas ao aumentar a resistência à fratura. O níquel é comumente usado em combinação com outros elementos de liga, especialmente cromo e molibdênio. É o componente chave dos aços inoxidáveis, mas em pequenas quantidades pode ser encontrado em aços carbono [2, 3]

Cromo (Cr): É utilizado principalmente para a resistência à corrosão e por essa razão geralmente está presente em conjunto com o níquel e cobre. O cromo reage com o carbono para formar carbetos resistentes ao desgaste, previne a transformação de austenita para  perlita durante o resfriamento das moldagens e afeta a estrutura do aço da matriz metálica do aço, reduzindo a região de ferro γ do diagrama de fase. [2,5]

Molibdênio (Mb): Possui um efeito similar ao manganês e ao vanádio, e é comumente usado em combinação com algum deles. Em particular, melhora a tração a altas temperaturas e a resistência à corrosão. [2, 3]

Tungstênio (W): É usado com cromo, vanádio, molibdênio, ou manganês para produzir aço rápido, que é usado em ferramentas de corte. O tungstênio: aumenta a tração e a tenacidade; aumenta a resistência à corrosão; resiste ao calor; promove grãos finos; e aumenta a dureza. [2, 3]

Vanádio (V): O vanádio melhora a usinabilidade e afeta o processo de solidificação das ligas reduzindo o intervalo de temperatura da cristalização. Os cristais de carbetos de V6C5 são formados durante a separação da austenita primária da solução, bloqueando o crescimento de dendritos de austenita. [5]

Nitrogênio (N): Todos os aços possuem traços de nitrogênio, que melhora as propriedades mecânicas e de corrosão do material, sua quantidade é mais significativa em aços inoxidáveis. Quando é adicionado em aços austeníticos pode simultaneamente melhorar a fadiga, a força a tração, a taxa de endurecimento, desgaste e resistência a corrosão localizada, bem como em aços martensíticos. [6] Em aços ferramenta é muito importante devido a sua presença em tratamentos superficiais de nitretação. [3]

 

Os elementos seguintes são menos relevantes para as propriedades do aço ferramenta:

 

Alumínio (Al): É um dos elementos mais importantes para a desoxidação em pequenas quantidades de material, e também ajuda a formar uma microestrutura cristalina com grãos mais finos e aumenta o grau de resistência. É geralmente usado em combinação com silício com a finalidade de se obter semi ou totalmente aço acalmado. [3]

Titânio (Ti): É usado para controlar o crescimento de grão, que aumenta a tenacidade. Também transforma inclusões de sulfetos na forma alongada, melhorando a força a tração, a resistência à corrosão e a ductilidade. Além de prevenir a formação de austenita em aços com alta quantidade de cromo. Reduz a dureza martensítica e temperabilidade em aços de cromo.

Nióbio (Nb): O nióbio é o elemento chave para o refinamento de grãos, bem como elementos que melhoram a força a tração. O nióbio é um forte formador de carbonetos, o que melhora a ductilidade, dureza, resistência ao desgaste e à corrosão. Entretanto pode ser substituído por vanádio ou tântalo. [3, 7]

Chumbo (Pb): O chumbo mesmo em poucas quantidades é capaz de melhorar a usinabilidade. Produz pouco efeito nas propriedades físicas do aço, e ao contrário da crença popular, não interfere na soldabilidade. [3]

 

Elaboração e Edição: Thiago Cortiz, Nataly Messina Pecelin, Renata Brandolin e Karina França
Conteúdo não pode ser publicado ou redistribuído sem prévia autorização.

 

Referências

  • Cutting Tool Applications, Chapter 3: Machinability of Metals. Disponível em: <https://www.americanmachinist.com/cutting-tools/media-gallery/21895130/chapter-3-machinability-of-metals-cutting-tool-applications>. Acesso em: 17 de maio de 2021.
  • Design of steel structures. MIT department of civil and environmental engineering. Spring semester 1999. Disponível em: <https://web.mit.edu/1.51/www/pdf/chemical.pdf >. Acesso em: 18 de maio de 2021.
  • H, Jeremy. 21 Chemical Elements and Effects on Steel Mechanical Properties. ASTM Steel Disponível em: <http://www.astmsteel.com/steel-knowledge/chemical-elements-and-effects-mechanical-properties/>. Acesso em: 20 de maio de 2021.
  • WANG, Guanghua; LI, Yanxiang. Effects of alloying elements and temperature on thermal conductivity of ferrite. Appl. Phys. 126, 125118 (2019); https://doi.org/10.1063/1.5115441.
  • TODIĆ, Aleksandar; et. al.. The Influence of the Vanadium Content on the Toughness and Hardness of Wear resistant High-alloyed Cr-Mo Steel. FME Transactions. VOL. 45, No 1, 2017 ▪ 131. Disponível em: <https://www.mas.bg.ac.rs/_media/istrazivanje/fme/vol45/1/21_dcikara_et_al.pdf>. Acesso em: 20 de maio de 2021.
  • ELMAGHRABI, Abdelkader. Nitrogen effect in steel. Disponível em: <https://www.steel-360.com/stories/steel/nitrogen-effect-steel#:~:text=All%20steels%20contain%20nitrogen%20in,mechanical%20%26%20corrosion%20properties%20of%20steel.&text=When%20nitrogen%20is%20added%20to,wear%20and%20localized%20corrosion%20resistance.>. Acesso em: 21 de maio de 2021.
  • FILHO, André I.; et. al.. Influence of Niobium and Molybdenum on Mechanical Strength and Wear Resistance of Microalloyed Steels. Res. vol.20 no.4 São Carlos July/Aug. 2017 Epub June 05, 2017.

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