O efeito dos elementos comuns no aço fundido

A adição de C ao processo de fundição de aço é uma forma comum de fundição. Quando o teor de C é menor que 2%, chamamos de aço fundido; quando é maior que 2%, chamamos de aço C. Entretanto, o C em si não tem resistência e dureza. No entanto, como Fe(3)C, o carbeto de ferro na solução sólida, o C é o principal elemento de controle da resistência e da dureza.

O papel principal de C:

Na fundição de aço inoxidável, o aumento do teor de C aumenta a resistência, a dureza e a temperabilidade do aço. No entanto, ele reduz a plasticidade, a tenacidade e as propriedades magnéticas e elétricas. A combinação de C e determinados elementos de liga no aço forma vários carbonetos, que têm efeitos diferentes sobre as propriedades do aço.
Conteúdo de C em algumas faixas de fundição de aço: Aço C 0,03 ~ 1,04%, aço para ferramentas de alta velocidade 0,75 ~ 1,60%, aço para ferramentas de trabalho a quente 0,22 ~ 0,70%, aço para ferramentas de trabalho a frio 0,45 ~ 2,85%.

Vemos o Mn no aço fundido no processo de desoxidação e dessalinização, mas, nesse ponto, ele permanece no aço em quantidades inferiores a 1%. Quando a quantidade de Mn no aço excede o 1%, o Mn é um elemento de liga adicionado intencionalmente.

A principal função do Mn:

Para melhorar a resistência à tração, a temperabilidade, a alta tenacidade e as propriedades de processamento da fundição de aço. Nos aços que contêm S, o Mn minimiza a fragilização a quente e a frio causada pelo S. O aço com alto teor de Mn tem alta resistência ao desgaste após trabalho pesado ou impacto. No entanto, há uma tendência de promover o crescimento do grão do aço e aumentar o segundo tipo de fragilidade por têmpera. O elemento Mn é usado em aço estrutural, aço para reforço de aço e aço para molas.
Mn em algumas fundições de aço na faixa de conteúdo: Aço C 0,25 ~ 0,65%, aço Mn 1,6 ~ 1,9%, aço para ferramentas a frio 0,30 ~ 2,50%, aço inoxidável Cr - Ni autêntico 2,00 ~ 15,5%.

O Si é um elemento formador de ferrita. Ele aumenta as temperaturas A(1) e A(3). Como o Si tem um efeito grafítico, geralmente é combinado com o Mn no aço como estabilizador de carbonetos. É um desoxidante comumente usado.

A principal função do Si:

Em aços para chapas elétricas, o Si aumenta a permeabilidade e a resistividade e permite perdas superficiais por histerese. O Si torna alguns aços resistentes a altas temperaturas resistentes à oxidação. E a fundição de aço melhora a temperabilidade, a força e a resistência ao impacto por meio da combinação de Si e Mn. Especialmente após a têmpera e o revenimento, ele pode melhorar o limite de escoamento e o limite elástico do aço. Com o alto teor de Si na fundição de aço, suas propriedades magnéticas e sua resistência aumentam significativamente. No entanto, o Si tende a promover a grafitização e, quando o aço contém altos níveis de C, o efeito é ainda maior.
O teor de Si no aço comum varia de 0,17 a 0,37%.

A principal função do Cr:

A fundição de aço inoxidável contém C suficiente quando o Cr melhora a dureza do aço. Em geral, os aços com baixo teor de Cr contendo 1% C são muito duros. O Cr adicionado ao aço com baixo teor de C pode aumentar a resistência, mas reduz a ductilidade. O Cr melhora a resistência a altas temperaturas e a temperabilidade do aço; no aço com alto teor de C, melhora a resistência ao desgaste.

Quando adicionado em grandes quantidades, até 25%, o Cr melhora a resistência à corrosão devido à formação de uma camada protetora de óxido na superfície do aço. Em combinação com elementos como o Ni, ele melhora a resistência à oxidação e a resistência térmica do aço e melhora ainda mais a resistência à corrosão. O Cr promove o crescimento de grãos, levando ao aumento da fragilidade do aço. O Cr é um elemento amplamente utilizado nos aços estruturais, de ferramentas, de rolamentos, inoxidáveis e resistentes ao calor.

O W é um elemento formador de carboneto sólido. Ele forma os carbetos muito duros e estáveis W(2)C, WC e o carbeto complexo Fe(4)W(2)C. Esses carbonetos se dissolvem muito lentamente e somente em temperaturas muito altas. O W é um componente importante dos aços para ferramentas, especialmente os aços para ferramentas de alta velocidade. Nesses aços, o W aumenta significativamente a dureza após o endurecimento secundário. Como um elemento formador de ferrita, o W reduz a temperatura A(4) e aumenta a temperatura A(3).

O papel principal de W:

O W inibe o crescimento de grãos e, portanto, tem um efeito de refinamento de grãos. O W reduz a descarbonetação durante o trabalho a quente e o tratamento térmico. Ele aumenta a dureza em alta temperatura de aços temperados e revenidos. Em algumas ligas de alta temperatura, o W aumenta a resistência à fluência. A fundição de aço inoxidável contendo W é aquecida a 600~700°C e o carboneto ainda não precipita, evitando assim o amolecimento do aço. É um dos elementos mais usados em aço para ferramentas de alta velocidade e aço para ferramentas de liga. No entanto, ele não é adequado para a resistência à oxidação do aço fundido.
W em algumas faixas de conteúdo de aço: Aço W-Cr 1.75%, aço para ferramentas de alta velocidade 1.15 ~ 21.0%, aço para ferramentas de trabalho a quente 0 ~ 19.0%, aço para ferramentas de trabalho a frio 0 ~ 2.0%, aço resistente a impactos 0 ~ 3.0%.

O Mo é um elemento formador de carboneto robusto. Ele forma o carbeto rígido e estável Mo(2)C, bem como outros carbetos complexos, como Fe(4)Mo(2)C e Fe(21)MoC(6).

O papel principal de Mo:

Uma pequena quantidade pode reduzir efetivamente a taxa de transformação e melhorar a resistência do aço fundido a altas temperaturas e a resistência à fluência. Ela também pode aumentar a resistência à corrosão do aço inoxidável, especialmente em soluções de ácido clorídrico. O W tem uma função semelhante no aço para ferramentas de alta velocidade, geralmente com Mo em vez de W. Isso reduz o acúmulo de carboneto nos aços que contêm W e melhora as propriedades mecânicas. O Mo é um dos componentes essenciais dos aços Mo, que têm alta resistência à tração e boa plasticidade. Nos aços Cr, o Mo é adicionado para melhorar a usinabilidade e as propriedades mecânicas. Nos aços Ni-Mo, o Mo aumenta a dureza da superfície do aço inoxidável fundido.
Mo em algumas faixas de conteúdo de aço: Aço com Mo 0,15 ~ 0,60%, aço para ferramentas de alta velocidade 0 ~ 10,0%, aço para ferramentas de trabalho a quente 0 ~ 5,5%, aço para ferramentas de trabalho a frio 0 ~ 1,8%, aço inoxidável Cr - Ni autêntico 0,~ 4,0%, aço Cr martensita 0 ~ 1,25%, aço ferrocromo 0 ~ 1,25%.

O V é um elemento sólido formador de carboneto. Ele forma o carboneto VC. O V está presente no aço fundido como carbonetos e nitretos de granulação fina e difusa. Eles não se decompõem em temperaturas médias de tratamento térmico e podem inibir o crescimento dos grãos. Uma quantidade suficiente de carbono e V solúvel em temperaturas elevadas causa o efeito de endurecimento secundário mais significativo que se pode observar.

O papel principal de V:

O V é um elemento essencial para o refino de grãos. Ele inibe o crescimento da austenita, e apenas 0,1% de V inibirá efetivamente o crescimento de grãos durante a têmpera. Entretanto, o crescimento de grãos começa imediatamente quando o aço fundido é aquecido a uma temperatura em que o crescimento de grãos inibe a dissolução de partículas de carboneto e nitreto.
A proporção do teor de ferro e carbono superior a 5,7 pode evitar ou reduzir a mídia na corrosão intergranular do aço inoxidável ácido. E melhora significativamente a resistência do aço inoxidável fundido à alta temperatura, alta pressão e capacidade de corrosão por hidrogênio. Pode refinar o grão e diminuir a taxa de transferência de elementos de liga, mas a resistência à oxidação em alta temperatura do aço fundido não é boa.
V em algumas faixas de teor de aço e liga: aço cromo - V 0,10 ~ 0,20%, aço para ferramentas de alta velocidade 0,90 ~ 5,25%, aço para ferramentas a quente 0 ~ 2,20%, aço para ferramentas a frio 0 ~ 5,15%

O Co é um elemento formador de carboneto. Ele tem uma tendência um pouco mais forte de formar carbonetos do que o ferro. Ele melhora as propriedades de alta temperatura do aço e sua resistência à oxidação e à corrosão. O Co é um componente essencial de alguns aços superduros para ferramentas de alta velocidade, algumas ligas de ímã permanente e ligas de alta temperatura.

O papel principal da Co:

O Co aumenta substancialmente a resistência e a tenacidade ao promover o processo de endurecimento por precipitação. O Co se dissolve em ferrita ou austinita e inibe o amolecimento durante o aumento da temperatura.
A faixa de teor de Co em alguns aços e ligas: 0~13,0% para aços para ferramentas de alta velocidade, 0~4,5% para aços para ferramentas de trabalho a quente

O Ti é um elemento formador de carboneto sólido. No estado de solução sólida, o efeito de fortalecimento da solução confiável é extremamente forte, mas simultaneamente reduz a resistência da solução sólida.

O papel principal de Ti:

Nos aços com cromo médio, o Ti retira o carbono da solução sólida e reduz a dureza e a temperabilidade da martensita. Em aços com alto teor de cromo, o Ti impede a formação de austenita. Nos aços inoxidáveis austeníticos, o Ti retira o carbono da solução sólida em altas temperaturas, evitando assim a formação de carbonetos de cromo nos limites dos grãos. Em ligas austeníticas de alta temperatura, o Ti promove o endurecimento por precipitação. Em aços sedimentares de baixa liga e alta resistência, o Ti melhora a resistência do aço. O Ti pode refinar o grão e fixar o carbono, beneficiando a soldabilidade do aço de ferro fundido.
O teor de Ti em aço de baixa liga de alta resistência varia de 0 a 0,10%

O chumbo tem solubilidade limitada no aço fundido. Como tem uma densidade muito mais excelente do que o aço, ele afunda no aço fundido e se separa do aço. Ele está presente no aço na forma de inclusões. Essas inclusões são macias e atuam como lubrificantes intersticiais. Seu teor de cerca de 0,20% e a presença de partículas muito pequenas podem melhorar a usinabilidade do aço sem afetar significativamente outras propriedades.

O Ni não forma carbonetos. A presença de Ni no aço de ferro fundido desestabiliza os carbonetos de ferro e, portanto, promove a grafitização. O Ni atua para fortalecer a ferrita, desenvolvendo soluções sólidas de substituição simples. Como um elemento formador de austenita, o Ni estabiliza a austenita aumentando a temperatura A(4) e diminuindo a temperatura A(3). Se o ferro puro contiver mais de 25% Ni, a liga resultante será austenita pura mesmo se for resfriada lentamente até a temperatura ambiente.

O papel principal de Ni:

Em ligas de aço contendo até 5% Ni, o Ni aumenta a resistência e a tenacidade. O Ni permite a formação de austenita com alto teor de cromo, dando origem aos aços inoxidáveis austeníticos cromo-Ni. Ele é amplamente utilizado, especialmente em aço inoxidável e aço resistente ao calor. Os aços com alto teor de Ni contendo pequenas quantidades de carbono aumentam significativamente a histerese térmica da transformação heterocristalina isotrópica. Isso leva à retenção de martensita em aços martensíticos envelhecidos quando aquecidos a 600°C. O Ni reduz o coeficiente de expansão térmica e, em ligas com alto teor de Ni, aumenta a permeabilidade. Quando o teor de Ni no aço fundido é alto, combiná-lo com cromo pode melhorar significativamente a resistência à corrosão e ao calor do aço.

O Nb aumenta a resistência por meio do endurecimento por precipitação e do refinamento adicional do grão de ferrita.

A principal função do Nb:

Pequenas quantidades de Nb (aprox. 0,02%) podem aumentar efetivamente a resistência à tração e ao escoamento do aço carbono. O Nb é um componente essencial de alguns aços de baixa liga de alta resistência.
Quando o teor excede 8 vezes o teor de carbono, ele pode fixar quase todo o carbono do aço fundido. Os aços autênticos evitam a corrosão intergranular do aço fundido por meios oxidantes. Devido à fixação do carbono no aço e ao efeito de endurecimento por precipitação, ele pode melhorar as propriedades de alta temperatura dos aços de resistência a quente, como a resistência à fluência.

O cobre é um elemento formador de austinita. Como o cobre tende a se grafitizar, ele só é adicionado ao aço doce e em quantidades não superiores a 1,5%.
A principal função do cobre é melhorar a resistência à corrosão e aumentar a resistência à tração da liga por meio do endurecimento por precipitação. O cobre pode aumentar ligeiramente a força de escoamento nos aços em que não ocorre endurecimento por precipitação. Entretanto, a plasticidade e a resistência da fundição de aço inoxidável são reduzidas. O aço carbono aumenta a temperabilidade e diminui a ductilidade. Quando o teor de cobre excede 0,4%-0,5%, a superfície das peças de aço fica mais fácil de produzir rachaduras durante o trabalho a quente.

O Al tem uma capacidade de formação de carboneto menor do que a do ferro. O Al promove a grafitização na fundição de aço inoxidável.

O papel principal de Al:

Al e nitrogênio ou O para produzir dispersões finas eficazes para inibir o crescimento de grãos. Ele gera uma camada eficaz de endurecimento da superfície por meio da difusão do nitrogênio em temperaturas mais baixas (nitretação). E o Al torna o aço resistente à corrosão ao desenvolver uma camada sólida de óxido de Al na superfície do aço fundido. O Al refina os grãos de aço inoxidável fundido, aumentando assim a resistência e a tenacidade do aço.
O teor de Al em alguns aços e ligas varia de 0,01 a 0,03% no aço comum, de 0 a 0,30% no aço inoxidável ferrítico e de 0 a 1,5% no aço inoxidável de endurecimento por precipitação.

B é um sólido muito duro que derrete a 2300°C.

O papel principal de B:

A adição de traços de B (0,0005 a 0,005%) em aço inoxidável fundido totalmente desoxidado pode melhorar significativamente a temperabilidade do aço. Isso se deve a uma redução na taxa de transição de fase durante o resfriamento, mas quando o teor de carbono aumenta, a temperabilidade diminui. Portanto, o B adicionado ao aço de baixo ou médio carbono com teor de carbono <0,6% tem um efeito significativo. Se você adicionar uma pequena quantidade de B, reduza a quantidade de outros elementos de liga mais caros pela metade, ainda fundindo o aço para manter a mesma taxa de transformação. O B melhora a ductilidade e as propriedades mecânicas do aço inoxidável fundido.

O S é o elemento mais prejudicial ao aço fundido. Ele tem o efeito mais prejudicial no aço ao formar o sulfeto frágil FeS. O sulfeto está presente no aço em quantidades tão baixas quanto 0,01% e também pode provocar a precipitação de sulfeto ao longo dos limites dos grãos.

A principal função do S:

Quando uma quantidade suficiente de manganês é adicionada ao aço fundido, o S forma MnS, que é plástico em temperaturas de trabalho a quente. O S pode aumentar as inclusões não metálicas no aço, de modo que a resistência do aço é reduzida e reduz significativamente as propriedades de soldagem do aço. No trabalho a quente, é fácil produzir frágil (frágil a quente), mas um teor ligeiramente maior de S pode melhorar a usinabilidade do aço de baixo carbono.
O teor de S no aço comum é ≤ 0,045%.

O S é o elemento mais prejudicial ao aço fundido. O S tem o efeito mais prejudicial no aço ao formar o sulfeto frágil FeS. O sulfeto está presente no aço em quantidades tão baixas quanto 0,01% e também pode provocar a precipitação de sulfeto ao longo dos limites dos grãos.

A principal função do S:

Quando uma quantidade suficiente de manganês é adicionada ao aço fundido, o S forma MnS, que é plástico em temperaturas de trabalho a quente. O S pode aumentar as inclusões não metálicas no aço, de modo que a resistência do aço é reduzida e reduz significativamente as propriedades de soldagem do aço. No trabalho a quente, é fácil produzir frágil (frágil a quente), mas um teor ligeiramente maior de S pode melhorar a usinabilidade do aço de baixo carbono.
O teor de S no aço comum é ≤ 0,045%.

O N no aço pode tanto formar nitretos quanto se dissolver nos interstícios após a solidificação. Em ambos os casos, o N fragiliza o aço e o torna inadequado para o trabalho a frio. Portanto, o teor de N deve ser tão baixo quanto 0,002% para produzir aços macios com alta plasticidade. A redução do teor de N também reduz o envelhecimento por têmpera. Em aços laminados a quente ou forjados, o fósforo cria as chamadas "zonas anômalas", que se tornam pontos fracos no aço.

O hidrogênio pode se difundir no aço em temperatura ambiente. Essa difusão é mais eficaz durante um aumento lento da temperatura. Um teor de hidrogênio maior que cerca de 0,0005% leva a uma redução na ductilidade do aço. O teor de hidrogênio acima de 0,0005% pode causar a ruptura interna do aço. Isso geralmente ocorre durante o resfriamento do metal após a laminação ou forjamento.
Isso torna o aço suscetível a defeitos inadmissíveis, como pontos brancos, que podem levar à fragilização por hidrogênio e também é um fator essencial que leva à trinca a frio (trinca retardada) na zona afetada pelo calor da solda.

Durante o processo de sopro da produção de aço, uma grande quantidade de O é soprada para a piscina de fusão. No final do processo de sopro, o aço contém excesso de O. Se não for desoxidado, isso afetará a operação de vazamento subsequente. E no processo de solidificação do aço, o O está na forma de precipitação de óxido em grandes quantidades. O aço inoxidável fundido também produzirá inclusões não metálicas de óxido, reduzindo a plasticidade e a resistência ao impacto do aço, tornando-o quebradiço.

Como o teor não excede 0,20%, as propriedades mecânicas gerais do aço inoxidável fundido não são significativas, mas aumentam a sensibilidade da fragilidade da têmpera.

Uma pequena quantidade de Zr desgaseificou, purificou e refinou o papel do grão. A resistência do aço a baixas temperaturas é benéfica. Ela também pode eliminar o fenômeno do envelhecimento e melhorar as propriedades de estampagem do aço.