Aços e ligas com propriedades especiais
Índice
Os aços e ligas com propriedades especiais são concebidos quando a durabilidade de um componente já não é determinada exclusivamente por parâmetros mecânicos clássicos e uma função dominante passa para o primeiro plano: resistência ao desgaste, resistência à corrosão, estabilidade a altas temperaturas ou características físicas deliberadamente moldadas, tais como alta resistência elétrica, expansão térmica específica ou propriedades magnéticas. Nestes materiais, a composição química e o processamento não são selecionados «de forma geral», mas diretamente para o mecanismo que deve operar durante a utilização: o material deve endurecer na camada superficial, passivar num determinado ambiente ou formar uma camada protetora em gases quentes.
Na prática, raramente existe uma liga que seja «resistente a tudo». A resistência à corrosão depende fortemente do tipo de ambiente, a resistência à abrasão depende se predomina o «esmerilhamento», o atrito ou o desgaste sob alta pressão e impacto, e as propriedades de alta temperatura devem ser consideradas separadamente como resistência ao calor (resistência à oxidação) e resistência ao calor (resistência à deformação). Portanto, uma descrição significativa dos aços especiais baseia-se na compreensão do «que produz o efeito» e «quais são as condições limites», em vez de memorizar alguns nomes.
Aços resistentes à abrasão
Um material muito característico com elevada resistência à abrasão é o aço austenítico ao manganês 11G12, contendo aproximadamente 1% a 1,3% de C e 11% a 14% de Mn, com uma relação carbono/manganês recomendada próxima de 1:10, porque apenas um teor de carbono suficiente garante a durabilidade da estrutura austenítica. Este aço, conhecido como aço Hadfield, distingue-se por um conjunto invulgar de propriedades: apresenta baixa resistência ao escoamento (na ordem de Re ≈ 400 MPa) e baixa dureza (aproximadamente 210 HB), ao mesmo tempo que tem uma resistência à tração muito elevada (aproximadamente Rm ≈ 1050 MPa) e propriedades plásticas e resistência ao impacto excecionalmente boas (incluindo A ≈ 50% e alta resistência ao impacto Charpy).
A fonte da sua resistência ao desgaste não é a sua «dureza inicial», mas sim o seu comportamento sob carga. Como o aço tem uma baixa resistência ao escoamento, endurece facilmente e de forma muito forte, significativamente mais intensamente do que muitos aços estruturais típicos. Além disso, sob pressão, a austenite na camada superficial pode transformar-se em martensite, o que aumenta localmente a dureza e impede um maior desgaste. Este mecanismo torna o aço Hadfield resistente tanto à abrasão como ao impacto, enquanto os aços endurecidos clássicos, embora resistentes à abrasão, muitas vezes perdem em aplicações de impacto devido à sua fragilidade.
Uma estrutura austenítica homogénea é um pré-requisito para obter as propriedades desejadas. Quando arrefecido lentamente, precipitações de carboneto aparecem juntamente com austenite, o que deteriora as propriedades. Portanto, o aço 11G12 é supersaturado a cerca de 950 °C a 1000 °C com arrefecimento a água para obter a austenite mais homogénea possível. Do ponto de vista prático, o limite de aplicabilidade também é importante: o aço Hadfield é resistente à abrasão principalmente quando o desgaste é acompanhado por pressão superficial significativa; em condições de «moagem» sem pressão, não mostra a sua vantagem. Por este motivo, é utilizado em cruzamentos ferroviários, mandíbulas de britadores e trilhos de veículos, ou seja, onde ocorrem simultaneamente altas pressões e cargas de impacto frequentes. O preço a pagar por estas vantagens é uma maquinabilidade muito difícil — na prática, principalmente admissível com ferramentas de metal duro.
Aços inoxidáveis, resistentes a ácidos e à ferrugem
A corrosão é o processo de destruição do metal causado pelo ambiente externo, começando na superfície e progredindo para o interior, sendo que este progresso é, por vezes, irregular. Em termos de mecanismo, distingue-se entre corrosão química, típica da ação de gases secos a altas temperaturas, e corrosão eletroquímica, que ocorre em líquidos (na maioria das vezes em soluções aquosas) com a participação de eletrólitos e fluxo de corrente em células locais. A observação fundamental é que o processo pode ser inibido se uma camada de produtos de corrosão se formar na superfície que atenda às condições de uma «barreira protetora»: deve cobrir firmemente o metal, não se dissolver no ambiente, aderir bem e ter um coeficiente de expansão semelhante ao do metal, para que não rache durante as mudanças de temperatura. Chega-se assim intuitivamente à ideia dos aços inoxidáveis, cuja resistência resulta da manutenção de uma camada passiva estável e firme.
Nos aços inoxidáveis, o componente mais importante é o crómio, porque apenas um teor suficientemente elevado de Cr permite uma passivação permanente. O material distingue, entre outros, os aços cromados com diferentes teores de carbono e mostra como a composição afeta a estrutura no sistema Fe–Cr–C. Em teores de carbono muito baixos (abaixo de cerca de 0,1%), o campo de ferrite pode se estender por todo o intervalo de temperatura, e o aço tem uma estrutura ferrítica; em carbono médio (aproximadamente 0,20% a 0,30%), a austenita parcial aparece após o aquecimento e, após o arrefecimento, obtém-se uma mistura de ferrite e martensite, obtendo-se aços semiférricos; em teores de carbono mais elevados, o aço transforma-se completamente em austenite após o aquecimento e torna-se martensítico após o arrefecimento. Neste contexto, são apresentados exemplos de aços cromados típicos: 0H13 como ferrítico, 1H13 como semiférrico e 2H13–4H13 como martensítico, com tratamento térmico que consiste em endurecimento de 950 °C a 1000 °C e têmpera de 600 °C a 700 °C, o que permite obter uma ampla gama de resistências, dependendo do teor de carbono. Estes aços são resistentes à corrosão em vapor de água e em alguns ácidos (por exemplo, nítrico ou acético), mas não são resistentes aos ácidos clorídrico e sulfúrico, o que mostra claramente que a «inoxidabilidade» não é absoluta, mas ambiental.
Na prática, também existem aços inoxidáveis cromados com um teor mais elevado de Cr, por exemplo, graus na gama de 16% a 18% de Cr e aproximadamente 0,1% de C (por exemplo, H17), geralmente com uma estrutura ferrítica ou ferrítico-martensítica, utilizados na indústria alimentar ou em produtos de uso diário, assim como aços com 25% a 28% de Cr (por exemplo, H25T) com uma estrutura ferrítica, menos dúctil, mas também úteis como materiais resistentes ao calor a temperaturas mais elevadas. Uma limitação significativa dos aços ferríticos é que eles não sofrem transformação alotrópica, portanto, não podem ser “melhorados” pelo tratamento térmico clássico. O refinamento do grão é obtido principalmente por trabalho plástico.
A maior resistência à corrosão em muitas aplicações é alcançada por aços austeníticos de crómio-níquel. Os tipos modernos contêm normalmente 18% a 25% de Cr e 8% a 20% de Ni, sendo o mais comum o aço 18/8 (e respetivas variantes), que é resistente a muitos meios corrosivos. As adições de ligas permitem que a resistência seja «ajustada»: o molibdénio (aproximadamente 1,5% a 2,5%) aumenta a resistência em ambientes com ácido sulfúrico, o cobre (aproximadamente 3%) reduz a suscetibilidade à corrosão sob tensão, e o silício (aproximadamente 2% a 3%) pode melhorar a resistência ao ácido clorídrico. Para garantir uma estrutura austenítica homogénea, estes aços são submetidos a saturação de 1050 °C a 1100 °C com arrefecimento por água, que é um dos elementos-chave da tecnologia do aço inoxidável.
Ao mesmo tempo, os aços austeníticos de crómio-níquel têm uma «armadilha operacional» típica: uma tendência para corrosão intergranular após exposição a temperaturas no intervalo aproximado de 450 °C a 700 °C, quando os carbonetos de crómio podem ser libertados nas fronteiras dos grãos, esgotando as fronteiras de crómio e removendo localmente a passivação. O material indica formas clássicas de limitar este fenómeno: teor de carbono muito baixo (no intervalo de 0,02% a 0,03%), estabilização com elementos fortemente formadores de carbonetos (titânio, nióbio), recozimento estabilizador a cerca de 850 °C e supersaturação. Este é um bom exemplo de como, em aços especiais, o resultado é determinado não apenas pela composição, mas também pela «história térmica» do material.
Na fronteira entre os aços inoxidáveis clássicos estão os aços que são difíceis de enferrujar, usados principalmente para corrosão atmosférica. A ideia subjacente é que, com o tempo, a superfície fica coberta por uma camada de ferrugem compacta e de baixa permeabilidade que adere bem ao substrato e retarda a corrosão adicional; essa ferrugem protetora denomina-se pátina. O cobre (aproximadamente 0,20% a 0,50%) desempenha um papel importante neste grupo e, para tornar o efeito protetor mais pronunciado, também são utilizados crómio (até aproximadamente 1,3%) e níquel, enquanto o fósforo, na presença destes componentes, aumenta ainda mais a resistência, razão pela qual o seu teor é por vezes aumentado. O conhecido aço «Cor-ten A» e o seu equivalente (10HNAP) são dados como exemplos, que mostram claramente que, por vezes, o objetivo não é a inoxidação completa, mas sim alcançar uma proteção estável em condições atmosféricas.
Resistência ao calor, durabilidade ao calor, deformação e seleção de grupos de materiais
Trabalhar em altas temperaturas impõe dois requisitos diferentes. Resistência ao calor significa resistência ao efeito oxidante de gases a temperaturas acima de 550 °C, ou seja, na faixa de vermelho-quente, onde o aço carbono forma rapidamente incrustações e a taxa de oxidação aumenta rapidamente com a temperatura. A resistência ao calor aumenta com aditivos como crómio, silício e alumínio, que, tendo uma maior afinidade com o oxigénio do que o ferro, formam uma camada compacta e fortemente aderente de óxidos que inibe a oxidação adicional. O material oferece uma relação muito prática: com um teor acima de 10% de Cr, o aço pode ser resistente ao calor a cerca de 900 °C, enquanto garantir resistência ao calor a 1100 °C geralmente requer 20% a 25% de Cr. Também é fundamental que o aço resistente ao calor não sofra transformações alotrópicas no intervalo de temperatura de operação, pois as mudanças de volume associadas podem comprometer a integridade da camada protetora.
O segundo requisito é a resistência ao calor, ou seja, a capacidade de suportar cargas prolongadas a altas temperaturas sem deformação excessiva. É aqui que entra em jogo o fenómeno da deformação lenta: sob tensão constante, o material alonga-se ao longo do tempo, e uma curva típica de deformação lenta inclui uma secção em que a taxa de deformação é aproximadamente constante; é esta secção que é particularmente importante quando se comparam materiais. A deformação plástica pode ser entendida como uma «luta» entre dois processos: o reforço através do aumento da densidade de deslocamento e a recuperação a alta temperatura, que remove esse reforço. Em materiais resistentes ao calor, o objetivo é, portanto, garantir que a estrutura resista à recuperação e à recristalização da forma mais eficaz possível às temperaturas de funcionamento.
Nos aços resistentes ao calor, as adições de molibdénio, tungsténio e vanádio são importantes, mas não proporcionam resistência à oxidação por si só, razão pela qual, na prática, os aços resistentes ao calor combinam-nas com aditivos que aumentam a resistência ao calor, principalmente crómio, mas também silício e alumínio. Se for necessária uma estrutura austenítica, também são utilizados níquel e manganês. O material também indica a abordagem padrão para as características de resistência ao calor (no contexto da deformação plástica) através de valores temporais: a tensão que causa uma deformação permanente específica após um determinado tempo a uma determinada temperatura e a tensão que causa rutura após um determinado tempo a uma determinada temperatura, o que enfatiza que a «resistência a altas temperaturas» está sempre relacionada com o tempo de exposição.
A escolha do material em altas temperaturas depende muito da faixa de trabalho. O material apresenta uma divisão prática: no intervalo aproximado de 350 °C a 500 °C, são utilizados aços ferríticos ou ferrítico-perlíticos; no intervalo de 500 °C a 650 °C, os aços austeníticos são mais comuns; no intervalo de 650 °C a 900 °C, são utilizadas ligas à base de níquel e cobalto; e acima de 900 °C são utilizadas ligas de metais refratários (incluindo molibdénio e crómio). Esta divisão explica bem por que razão os aços Cr-Mo com aditivos moderados são típicos para caldeiras e instalações de energia, enquanto turbinas e motores a jato requerem ligas com uma «classe» completamente diferente de estabilidade estrutural.
No grupo dos aços ferríticos e ferrítico-perlíticos resistentes ao calor, destinados a uma operação de longo prazo, geralmente até cerca de 500 °C a 550 °C, o material apresenta exemplos de aços para tubos de caldeiras contendo aproximadamente 0,1% a 0,2% de C, cerca de 1% a 2% de Cr, e 0,5% a 1% de Mo. São soldáveis, mas requerem pré-aquecimento antes da soldagem e, após a soldagem, a junta é normalizada e temperada (o material especifica o temperamento a aproximadamente 700 °C) para obter a estrutura mais estável possível. Isso mostra que, em aços de alta temperatura, a tecnologia de fabricação de juntas faz parte do «pacote de materiais» e não é um complemento final.
Os aços resistentes ao calor incluem os aços crómio-alumínio, crómio-silício e crómio-níquel, e em aplicações como válvulas de motor, são utilizados aços com maior teor de crómio e silício, por exemplo, os chamados silcrómios contendo aproximadamente 0,4% a 0,5% de C, 8% a 10% de Cr e 2% a 3% de Si. O seu tratamento térmico inclui endurecimento a cerca de 1050 °C e temperamento de 680 °C a 700 °C, o que combina a resistência ao calor do componente (crómio/silício) com os requisitos de resistência do elemento.
Para as condições mais exigentes, especialmente em turbinas e motores a jato, o material é descrito por grupos especiais de ligas resistentes ao calor: ligas austeníticas à base de ferro com crómio e níquel, ligas complexas de Cr-Ni-Co-Fe, ligas à base de cobalto e ligas à base de níquel (nimonic). São indicados os intervalos de temperatura de funcionamento típicas e os tratamentos térmicos característicos, por exemplo, supersaturação e envelhecimento (para ligas Cr-Ni-Co-Fe, supersaturação numa gama de temperaturas muito elevadas e envelhecimento a cerca de várias centenas de graus; para ligas Nimonic, supersaturação na gama de aproximadamente 1050 °C a 1200 °C e envelhecimento a aproximadamente 700 °C). Esta é uma filosofia diferente da utilizada nos aços estruturais: aqui, as propriedades resultam em grande parte da resistência à deformação e do endurecimento por precipitação controlada a altas temperaturas, e não apenas do «endurecimento e revenimento».
Propriedades físicas especiais
Em elementos de aquecimento elétrico e resistência, são necessários materiais com alta resistência específica, baixo aumento de resistência em altas temperaturas e, ao mesmo tempo, alta resistência ao calor, baixa expansão térmica e alto ponto de fusão. O material enfatiza que uma estrutura de solução sólida é vantajosa neste caso, pois este tipo de estrutura promove maior resistência elétrica do que misturas de fases. Na prática, são utilizadas duas famílias principais de materiais: ligas de níquel-crómio (nicrómios) ou aços austeníticos de crómio-níquel com uma composição semelhante aos aços resistentes ao calor, assim como aços ferríticos de crómio-alumínio conhecidos sob nomes comerciais (por exemplo, Kanthal, Alchrom).
Um grupo separado consiste em ligas concebidas para um coeficiente de expansão térmica específico. O material apresenta uma dependência particularmente forte da expansão em relação à composição das ligas Fe-Ni. Um exemplo clássico é o invar, que contém cerca de 36% de Ni e apresenta uma expansão muito baixa no intervalo aproximado de –80 °C a +150 °C, com o coeficiente aumentando significativamente fora dessa faixa. Uma expansão ainda menor num determinado intervalo de temperatura é alcançada pelo superinvar, que contém aproximadamente 30% a 32% de Ni, 4% a 6% de Co, e muito pouco carbono. Estas ligas são usadas em instrumentos e mecanismos que não devem alterar suas dimensões com as oscilações de temperatura, assim como em dispositivos de condensação de gás.
A segunda família de ligas de Fe-Ni é selecionada para que a expansão corresponda à do vidro. Um exemplo é a platina com um teor de aproximadamente 46% de Ni e baixo teor de carbono, usada para fundir vidro em lâmpadas e tubos eletrónicos. Na mesma área de aplicação, existem também bimetais, ou seja, tiras de duas camadas obtidas pela soldagem de materiais com diferentes coeficientes de expansão. Quando tal elemento aquece, a diferença na expansão faz com que ele se curve, o que é usado em dispositivos de medição e controlo de temperatura, interruptores, relés e dispositivos de proteção térmica.
Propriedades magnéticas – materiais macios, duros e não magnéticos
Na engenharia elétrica, os materiais são divididos em magneticamente macios, magneticamente duros e não magnéticos, e os requisitos para cada grupo são diferentes. Os materiais magneticamente macios são fáceis de magnetizar e desmagnetizar, por isso a sua estrutura deve ser de grão grosso e o mais próxima possível do equilíbrio, e o teor de carbono e impurezas nocivas (enxofre, fósforo, oxigénio, azoto) deve ser o mais baixo possível, pois aumentam a coercividade e as perdas. O exemplo mais simples é o ferro tecnicamente puro usado para eletroímans e núcleos de relés, mas os aços de baixo carbono também são frequentemente utilizados. Na prática, os aços de silício, nos quais o silício está presente em uma solução sólida, também são muito importantes; estes são os materiais básicos para chapas de aço elétrico.
O material também destaca que as ligas de Fe-Ni podem apresentar propriedades magnéticas particularmente boas, e a permalói (uma liga de Fe-Ni com alto teor de níquel) é frequentemente citada como um exemplo de liga clássica com permeabilidade magnética muito alta, o que corresponde bem à prática de usar ligas de níquel em equipamentos de precisão. No campo dos ímanes permanentes, ou seja, materiais magneticamente duros, o objetivo é que o material mantenha a sua magnetização após a magnetização, o que requer características estruturais diferentes e, muitas vezes, aditivos de liga diferentes. O material enfatiza que as melhores propriedades magnéticas (no contexto dos ímanes) são exibidas por aços que contêm cobalto, embora a sua utilização seja limitada pela disponibilidade de cobalto.
Uma família muito importante de ímanes de liga são as ligas Fe-Ni-Al-Co, conhecidas como alniko, que normalmente contêm 14% a 28% de Ni, 6% a 12% de Al e 5% a 35% de Co. As suas propriedades são obtidas não só através da sua composição, mas também através de um tratamento térmico que envolve homogeneização a alta temperatura, seguida de supersaturação (em água ou óleo) e, em seguida, envelhecimento numa gama de temperaturas médias. Isto permite que o alnico seja utilizado para fabricar ímanes fortes com pequenas dimensões e baixo peso, o que é crucial em muitos dispositivos.
Em algumas aplicações, no entanto, são necessários materiais não magnéticos, que se comportam de forma neutra num campo magnético. O material indicado aqui é o aço crómio-níquel-manganês (por exemplo, H12N11G6) e aço crómio-manganês (por exemplo, G18H3), que são tratados termicamente por supersaturação e cujas propriedades mecânicas podem ser ainda mais melhoradas por deformação a frio. Isto mostra que, no grupo «magnético», o aço especial pode ser concebido tanto para maximizar como para minimizar os fenómenos magnéticos.
Aços e ligas com propriedades especiais – resumo
Os aços e ligas com propriedades especiais são materiais concebidos para o mecanismo de trabalho dominante, em vez de para uma resistência «média». Nos aços resistentes ao desgaste, como o aço Hadfield, a autoendurecimento sob carga e a possibilidade de transformação da superfície são fundamentais, o que proporciona resistência ao desgaste, mantendo a resistência ao impacto, mas, ao mesmo tempo, introduz limitações operacionais e tecnológicas (pressão, maquinabilidade). Nos aços inoxidáveis e resistentes a ácidos, a base é a passivação baseada principalmente no crómio, enquanto a durabilidade real depende da estrutura, dos aditivos de liga e do histórico térmico, um exemplo disso é o problema da corrosão intergranular em aços austeníticos após aquecimento a determinadas temperaturas. Em aplicações de alta temperatura, os requisitos de resistência ao calor e resistência ao calor devem ser separados, compreendendo o papel da escala protetora e da deformação, e a escolha de materiais varia de aços Cr-Mo a superligas à base de níquel e cobalto, à medida que a temperatura de operação aumenta. Por fim, propriedades físicas como resistência elétrica, expansão térmica, e magnetismo mostram que o aço e as ligas podem ser projetados como componentes funcionais de um dispositivo – desde fios de resistência e bimetais térmicos até ímanes permanentes feitos de alumínio e aço não magnético para utilização em campos magnéticos.
