Os heróis ocultos: como os elementos moldam as propriedades do aço

Diferentes graus de aço são produzidos controlando precisamente a adição de vários elementos durante o processo de siderurgia para aprimorar o desempenho do aço e atender às necessidades de diferentes aplicações industriais. Este artigo explorará em detalhes como esses elementos afetam as propriedades do aço e analisará suas aplicações na produção real.

Elementos durante a siderurgia

Hidrogênio (H): o hidrogênio é extremamente prejudicial ao aço, pois pode causar fragilização por hidrogênio e defeitos de ponto branco. No aço sólido, o hidrogênio tem solubilidade muito baixa e dissolve-se no aço fundido em altas temperaturas. Durante o resfriamento, não consegue escapar a tempo, levando à formação de microporos de alta pressão dentro do material, o que reduz significativamente a plasticidade, a tenacidade e a resistência à fadiga do aço. Em casos graves, pode até causar trincas e fraturas frágeis. A fragilização por hidrogênio é vista principalmente em aços martensíticos e é menos proeminente em aços ferríticos, aumentando geralmente com a dureza e o teor de carbono. Apesar disso, o hidrogênio pode melhorar a permeabilidade magnética do aço, mas também aumenta a força coerciva e as perdas no núcleo.

Boro (B): o papel principal do boro é aumentar a temperabilidade do aço, economizando assim o uso de metais mais caros, como níquel, cromo e molibdênio. O teor de boro é geralmente controlado entre 0,001% e 0,005%, substituindo certa proporção de níquel, cromo ou molibdênio. No entanto, o boro não pode substituir completamente o molibdênio, pois o molibdênio pode prevenir ou reduzir a fragilidade por revenimento, enquanto o boro pode promover levemente essa fragilidade. A adição de boro ao aço de carbono médio pode melhorar significativamente o desempenho de revenimento de chapas grossas, permitindo que os aços 40B e 40MnB substituam o aço 40Cr, e que o aço 20Mn2TiB substitua o aço cementado 20CrMnTi. No entanto, o efeito do boro enfraquece com o aumento do teor de carbono no aço.

Carbono (C): o carbono é o principal componente depois do ferro e afeta diretamente a resistência, a plasticidade, a tenacidade e a soldabilidade do aço. À medida que o teor de carbono aumenta, a resistência e a dureza do aço aumentam, enquanto a plasticidade e a tenacidade diminuem. Um teor de carbono alto também pode reduzir a soldabilidade e a resistência à corrosão atmosférica do aço.

Nitrogênio (N): o efeito do nitrogênio nas propriedades do aço é semelhante ao do carbono e do fósforo; ele aumenta a resistência, mas diminui a plasticidade e a tenacidade, piorando a soldabilidade e aumentando a fragilidade a frio.

Oxigênio (O): o oxigênio é um elemento prejudicial que entra naturalmente no aço durante o processo de siderurgia, existindo principalmente na forma de inclusões, que reduzem a resistência e a plasticidade do aço e afetam severamente a resistência à fadiga e a tenacidade ao impacto.

Magnésio (Mg): o magnésio pode melhorar a distribuição e a morfologia das inclusões no aço, e quantidades vestigiais de magnésio podem melhorar o desempenho do aço para rolamentos, aumentando a resistência à tração e o limite de escoamento.

Alumínio (Al): como desoxidante ou elemento de liga, o alumínio pode refinar os grãos e fixar o nitrogênio, melhorando a tenacidade ao impacto e reduzindo a fragilidade a frio e a tendência ao envelhecimento.

Silício (Si): o silício, como redutor e desoxidante, pode aumentar a dureza e a resistência do aço, mas mais de 3% reduzirá a plasticidade e a tenacidade. O silício também pode aumentar o limite elástico e a resistência à fadiga do aço.

Fósforo (P): o fósforo é um elemento prejudicial que pode aumentar a resistência e a dureza, mas reduz significativamente a plasticidade e a tenacidade, causando fragilidade a frio.

Enxofre (S): o enxofre, na forma de sulfeto de ferro, causa fragilidade a quente, reduzindo a ductilidade e a tenacidade, afetando a soldabilidade e a resistência à corrosão.

Potássio/Sódio (K/Na): o potássio/sódio, como modificador, pode melhorar o desempenho da ferro fundido branco e do ferro ductil.

Cálcio (Ca): o cálcio pode refinar os grãos, melhorar a resistência à corrosão, a resistência ao desgaste, o desempenho em altas e baixas temperaturas do aço, e aumentar a tenacidade ao impacto e a resistência à fadiga.

Titânio (Ti): o titânio, elemento fortemente formador de carbonetos, pode fixar o nitrogênio e o carbono, melhorar a resistência e a estabilidade de revenimento do aço e prevenir a corrosão intergranular.

Vanádio (V): o vanádio pode refinar a estrutura e os grãos do aço, aumentar a temperabilidade e a estabilidade de revenimento e produzir um efeito de endurecimento secundário.

Cromo (Cr): o cromo pode aumentar a temperabilidade, a dureza e a resistência ao desgaste do aço e é o principal elemento de liga dos aços inoxidáveis e refratários.

Manganês (Mn): o manganês pode aumentar a resistência e a temperabilidade do aço, melhorar o desempenho de conformação a quente e eliminar os efeitos adversos do enxofre.

Cobalto (Co): o cobalto é usado em aços especiais e ligas para melhorar a dureza em alta temperatura e as propriedades mecânicas abrangentes.

Níquel (Ni): o níquel melhora a resistência, a tenacidade e a temperabilidade do aço, reduz a temperatura de fragilidade e melhora a resistência à fadiga térmica e à corrosão.

Cobre (Cu): o cobre melhora a resistência à corrosão atmosférica do aço comum de baixa liga, aumentando a resistência e a relação escoamento/resistência.

Gálio (Ga): o gálio influencia principalmente as propriedades mecânicas do aço por meio de reforço por solução sólida e tem efeito menor de melhoria na resistência à corrosão.

Arsênio (As): o arsênio aumenta o ponto de escoamento e a resistência à tração, mas aumenta a fragilidade e afeta a soldabilidade.

Selênio (Se): o selênio melhora o desempenho do processo de usinagem do aço carbono, do aço inoxidável e do cobre.

Zircônio (Zr): o zircônio tem efeitos de desoxidação, purificação e refino de grãos, melhorando o desempenho em baixa temperatura e o desempenho de estampagem.

Nióbio (Nb): o nióbio aumenta a temperabilidade, a estabilidade de revenimento e a resistência ao hidrogênio do aço, refina os grãos e aumenta a resistência.

Molibdênio (Mo): o molibdênio aumenta a temperabilidade, a resistência térmica e a resistência à corrosão do aço, prevenindo a fragilidade por revenimento.

Estanho (Sn): o estanho desempenha papel importante no aço elétrico, no ferro fundido e no aço de usinagem livre, melhorando as propriedades magnéticas e o desempenho de usinagem.

Antimônio (Sb): o antimônio refina os grãos do aço eletrossilício orientado de alta indução magnética e melhora as propriedades magnéticas.

Tungstênio (W): o tungstênio aumenta a estabilidade de revenimento, a dureza a quente, a resistência térmica e a resistência ao desgaste.

Chumbo (Pb): o chumbo melhora o desempenho do processo de usinagem, mas está sendo gradualmente substituído devido a questões de poluição ambiental.

Bismuto (Bi): o bismuto melhora o desempenho de usinagem do aço de usinagem livre e aprimora as propriedades sísmicas e de tração.

Terras raras (Re): os elementos de terras raras podem desoxidar, dessulfurar e microligar, melhorando a capacidade de deformação das inclusões e o desempenho de fadiga da maioria dos graus de aço.

Conclusão:

Em resumo, a adição de elementos tem impacto profundo no desempenho dos materiais de aço. De melhorar a resistência e a dureza a aprimorar a tenacidade e a resistência à corrosão, cada elemento contribui de sua maneira única. No entanto, a aplicação desses elementos também exige um equilíbrio delicado, pois o uso excessivo ou inadequado pode trazer consequências adversas. Os fabricantes de aço devem otimizar o desempenho do aço de acordo com requisitos de aplicação específicos por meio de formulação científica e processos de produção rigorosos.

Os padrões e regulamentos de produção de aço de diferentes países significam que a composição elementar de graus semelhantes, incluindo chapas resistentes ao desgaste, aço de alta resistência e aço eletrossilício, também pode variar ligeiramente, levando a diferenças sutis no uso real. Para informações detalhadas sobre a composição elementar e seu impacto no desempenho e no uso prático de graus específicos, especialmente produtos laminados a quente, entre em contato conosco e forneceremos serviços de consultoria individualizados com especialistas em aço.