Manual Definitivo do Aço Inoxidável: Composição, Tipos e Cuidados

Graus de aço inoxidável, composição, estrutura molecular, produção e propriedades

Neste guia:

• Como o aço inoxidável é feito?
• Do que é feito o aço inoxidável?
• Tipos de aço inoxidável
• Graus de aço inoxidável
• O aço inoxidável é magnético?
• Propriedades mecânicas do aço inoxidável
• Uma visão técnica — microestrutura molecular do aço inoxidável
• Cuidados e manutenção

O aço inoxidável é o nome comum para um grande grupo de ligas ferrosas que são resistentes à ferrugem. Diferente de outras ligas de ferro, o aço inoxidável tem uma camada de passivação estável que o protege do ar e da umidade. Esta resistência à ferrugem o torna uma boa escolha para muitas aplicações, incluindo usos externos, aquosos, de serviços alimentícios e de alta temperatura.

Como o aço inoxidável é feito?

O aço inoxidável pode ser fundido ou forjado. A principal diferença está em como é formado em um produto final. Aço inoxidável fundido é feito vertendo metal líquido em um recipiente de moldagem com uma forma específica. Aço inoxidável forjado começa em uma usina siderúrgica, onde lingoteiras contínuas transformam o aço inoxidável em lingotes, blocos, tarugos ou placas. Estas matérias-primas de fabricação devem então ser moldadas por trabalho adicional. São reaquecidas e retrabalhadas usando técnicas de laminação ou martelamento.

Produtos de aço inoxidável forjado são mais comuns que produtos de aço inoxidável fundido.

Objetos de aço inoxidável fundido são geralmente feitos e finalizados em uma fundição ou sob sua supervisão. Se são um pequeno componente de um produto maior, a fundição pode ir para outras fábricas para montagem. O aço inoxidável forjado começa em uma usina, mas é transformado no produto final em outra fábrica.

Do que é feito o aço inoxidável?

Como todo aço, o aço inoxidável começa com uma mistura de ferro e carbono. O que diferencia esta família de ligas é que o aço inoxidável também tem um mínimo de 10,5% de cromo. Este elemento dá ao aço inoxidável sua característica resistência à oxidação. Quando o aço inoxidável é exposto à atmosfera, o cromo combina com o oxigênio para formar uma fina camada de passivação estável de óxido de cromo (III) (Cr₂O₃). A camada de passivação protege o aço interior da oxidação e se reforma rapidamente se a superfície for arranhada.

Esta camada de passivação é diferente de revestimento. Alguns metais são revestidos com zinco, cromo ou níquel, para proteção superficial. Nesses casos, os benefícios do revestimento são perdidos quando um arranhão penetra no revestimento. O cromo dentro do aço inoxidável fornece mais que esta proteção superficial. Cria seu filme passivo sempre que exposto ao ar. Portanto, mesmo se o aço inoxidável for profundamente arranhado, a camada de passivação se auto-cura.

FERRO + CARBONO = AÇO

+ CROMO = AÇO INOXIDÁVEL
(PELO MENOS 10,5% CROMO)

Ligas Ferríticas

Cromo
(10,5–18%)
Carbono
(0,08–0,15%)

Ligas Ferríticas

Cromo (10,5–18%)
Carbono (0,08–0,15%)

Ligas Martensíticas

Carbono
(0,10–1,2%)
+ Cromo
(12-18%)

A produção pode envolver têmpera ou endurecimento ao ar.

Ligas Martensíticas

Carbono (0,10–1,2%)
+ Cromo (12-18%)

A produção pode envolver têmpera ou endurecimento ao ar.

Ligas Austeníticas

+ Cromo
(16%)
+ Níquel
(8+% )

Pode conter molibdênio, titânio ou cobre.

Ligas Austeníticas

+ Cromo (16%)
+ Níquel (8+% )

Pode conter molibdênio, titânio ou cobre.

Ligas Duplex

+ Cromo (19+%)
+ Molibdênio
+ pequena quantidade de níquel

Geralmente contém molibdênio, cobre ou outros elementos de liga.

Ligas Duplex

+ Cromo (19+%)
+ Molibdênio
+ pequena quantidade de níquel

Geralmente contém molibdênio, cobre ou outros elementos de liga.

Ligas de Endurecimento por Precipitação

+ Cromo
+ Níquel
+ Cobre &/ou outros elementos

A produção deve envolver técnicas de tratamento térmico.

Ligas de Endurecimento por Precipitação

+ Cromo
+ Níquel
+ Cobre &/ou outros elementos

A produção deve envolver técnicas de tratamento térmico.

Tipos de aço inoxidável

Existem várias "famílias" de aço inoxidável. Cada uma dessas famílias tem diferentes proporções de ferro, cromo e carbono. Algumas têm outros elementos, como níquel, molibdênio, manganês ou cobre. As propriedades desses aços variam pelo conteúdo, tornando este um grupo versátil de ligas.

Graus de aço inoxidável

Graus dão uma dica quanto à família de um aço inoxidável particular. Os graus mais comuns são:

• Inoxidável ferrítico: 430, 444, 409
• Inoxidável austenítico: 304, 302, 303, 310, 316, 317, 321, 347
• Inoxidável martensítico: 420, 431, 440, 416
• Inoxidável duplex: 2304, 2205

Às vezes, engenheiros escolhem entre ligas na mesma família, como nos dois graus comerciais populares de aço inoxidável austenítico, 304 vs. 316. No entanto, nem sempre é o caso. Sistemas de escape automotivos frequentemente escolhem entre 304 e 409. Churrasqueiras podem ser encontradas feitas de 304 ou 430.

O aço inoxidável é magnético?

Usar um ímã para determinar se o metal à sua frente é inoxidável não dará uma resposta definitiva. Alguns graus e tipos de aço inoxidável são magnéticos e alguns não — tudo depende dos diferentes elementos na liga.

Graus austeníticos de aço inoxidável (série 3xx) não são magnéticos. Sua geladeira de inox que está limpa de ímãs e arte de geladeira? Aço inoxidável austenítico devido às microestruturas dos cristais. (Leia mais abaixo em nossa seção técnica.)

Graus martensíticos e ferríticos mais comuns, como 430, são magnéticos. Aços duplex, que são uma mistura de aços austeníticos e ferríticos, são geralmente levemente magnéticos. Um ímã no aço ferrítico segura firme. No duplex, pode ser mais fácil de perturbar e deslizar.

Propriedades mecânicas do aço inoxidável

O aço inoxidável é geralmente escolhido porque é resistente à corrosão — mas também é escolhido porque é aço. Propriedades como resistência, limite de escoamento, tenacidade, dureza, resposta ao endurecimento por trabalho, soldabilidade e tolerância ao calor tornam o aço um metal incrivelmente útil em engenharia, construção e manufatura, especialmente dado seu custo. Um engenheiro considera a carga de trabalho e as condições atmosféricas do aço inoxidável antes de decidir sobre um grau.

Propriedades de tração

Propriedades de tração de metais são medidas por puxamento. Uma barra de tração representativa é submetida a força de puxamento, também conhecida como carga de tração. Na falha, a resistência à tração, limite de escoamento, alongamento e redução de área são medidos.

Dureza

Dureza é a capacidade do aço de resistir à indentação e abrasão. Os dois testes de dureza mais comuns são Brinell e Rockwell. No teste Brinell, uma pequena bola de aço endurecido é forçada no aço por uma carga padrão, e o diâmetro da impressão resultante é medido. O teste Rockwell mede a profundidade da indentação. A dureza pode ser aumentada em alguns metais por trabalho a frio, também conhecido como endurecimento por trabalho. Em alguns metais, a dureza pode ser aumentada através de tratamento térmico.

Tenacidade

Tenacidade é a capacidade do aço de ceder plasticamente sob tensão muito localizada. Um aço tenaz é resistente a trincas, tornando a tenacidade uma qualidade altamente desejável usada em aplicações de engenharia. O nível de tenacidade é determinado usando um teste dinâmico. Uma barra de amostra é entalhada para localizar o estresse, então atingida por um pêndulo oscilante. A energia absorvida na quebra da barra de amostra é medida por quanta energia o pêndulo perde. Metais tenazes absorvem mais energia, enquanto metais frágeis absorvem menos.

Ferrítico

Aços inoxidáveis ferríticos contêm ferro, carbono e 10,5–18% de cromo. Podem conter outros elementos de liga como molibdênio ou alumínio, mas geralmente em quantidades muito pequenas. Eles têm uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (BCC) — a mesma que o ferro puro à temperatura ambiente.

Devido à sua estrutura cristalina, aços inoxidáveis ferríticos são magnéticos. Seu teor de carbono relativamente baixo produz resistência correspondentemente baixa. Outras fraquezas do tipo ferrítico incluem baixa soldabilidade e resistência à corrosão reduzida. Eles são, no entanto, desejáveis para aplicações de engenharia devido à sua tenacidade superior. Aços inoxidáveis ferríticos são frequentemente usados para tubos de escape de veículos, linhas de combustível e acabamentos arquitetônicos.

Austenítico

Aços inoxidáveis austeníticos têm uma estrutura cristalina cúbica de face centrada (FCC) e são compostos de ferro, carbono, cromo e pelo menos 8% de níquel. Devido ao seu alto teor de cromo e níquel, são altamente resistentes à corrosão e não magnéticos. Como aços inoxidáveis ferríticos, aços inoxidáveis austeníticos não podem ser endurecidos por tratamento térmico. No entanto, podem ser endurecidos por trabalho a frio. O alto teor de níquel em aços inoxidáveis austeníticos os torna capazes de funcionar bem em aplicações de baixa temperatura.

Os dois aços inoxidáveis mais comuns — 304 e 316 — são ambos graus austeníticos. O principal motor por trás da popularidade dos aços inoxidáveis austeníticos é a facilidade com que podem ser formados e soldados, tornando-os ideais para manufatura de alta eficiência. Existem muitos subgrupos de aços inoxidáveis austeníticos com amplas variações no teor de carbono. As propriedades são ainda mais ajustadas pela adição de elementos de liga como molibdênio, titânio e cobre. Aços inoxidáveis austeníticos são frequentemente usados para produzir pias de cozinha, janelas, equipamentos de processamento de alimentos e tanques químicos. Também são comumente usados para mobiliário externo como bancos, balizadores de aço inoxidável e bicicletários.

Martensítico

Aços inoxidáveis martensíticos têm uma estrutura de corpo centrado tetragonal (BCT). Contêm 12–18% de cromo e têm um teor de carbono mais alto (0,1–1,2%) que aços inoxidáveis austeníticos ou ferríticos. Como a estrutura BCC ferrítica, BCT é magnética. Aços inoxidáveis martensíticos são altamente úteis em situações onde a resistência do aço é mais importante que sua soldabilidade ou resistência à corrosão. A principal distinção é que o aço inoxidável martensítico pode ser endurecido por tratamento térmico devido ao seu alto teor de carbono. Isso os torna úteis para várias aplicações incluindo peças aeroespaciais, cutelaria e lâminas.

Duplex

Aços inoxidáveis duplex são o tipo mais novo de aço inoxidável. Contêm mais cromo (19–32%) e molibdênio (até 5%) que aços inoxidáveis austeníticos, mas significativamente menos níquel. Aços inoxidáveis duplex são às vezes referidos como austenítico-ferríticos porque têm uma estrutura cristalina híbrida ferrítica e austenítica. A mistura aproximadamente meio a meio de fases austeníticas e ferríticas em aços inoxidáveis duplex dá vantagens únicas. São mais resistentes à trinca por corrosão sob tensão que graus austeníticos, mais tenazes que graus ferríticos, e aproximadamente duas vezes mais fortes que uma forma pura de qualquer um. A principal vantagem dos aços inoxidáveis duplex é resistência à corrosão igual ou superior a graus austeníticos no caso de exposição a cloretos.

Aços inoxidáveis duplex também são muito custo-efetivos. A resistência e a resistência à corrosão do aço inoxidável duplex são alcançadas com menor teor de liga que graus austeníticos equivalentes. Aços inoxidáveis duplex são regularmente usados para produzir peças para aplicações expostas a cloretos nas indústrias de dessalinização e petroquímica. Também são usados nas indústrias de construção e edificação para pontes, vasos de pressão e barras de amarração.

Endurecimento por precipitação

Aços inoxidáveis de endurecimento por precipitação podem ter uma gama de estruturas cristalinas, no entanto, todos contêm cromo e níquel. Suas características comuns são resistência à corrosão, facilidade de fabricação e resistência à tração extremamente alta com tratamento térmico de baixa temperatura.

Ligas austeníticas de endurecimento por precipitação foram em grande parte substituídas por superligas de maior resistência. No entanto, aços inoxidáveis semi-austeníticos de endurecimento por precipitação continuam a ser usados em aplicações aeroespaciais, e até aplicados a novas formas. Aços inoxidáveis martensíticos de endurecimento por precipitação são mais fortes que graus martensíticos regulares e frequentemente usados para produzir barras, hastes e fios.

Uma visão técnica: microestrutura molecular do aço inoxidável

Quando metais congelam do estado fundido, eles cristalizam e formam grãos. Esta estrutura cristalina determina muitas das propriedades mecânicas do metal. Muitos fatores influenciam esta microestrutura.

Os tipos de átomos em uma liga mudam a estrutura devido às moléculas formadas por aqueles tipos atômicos. Porcentagens de cada material também determinam quais arranjos os átomos formam.

A temperatura tem um efeito profundo na forma da rede cristalina de um metal. Diferentes estruturas começam a se formar em temperaturas específicas. Ligas têm tabelas de fase que demonstram quais tipos de grãos são comuns em diferentes temperaturas e com diferentes porcentagens de elementos importantes.

Nosso diagrama de fase ferro-carbono ilustra a maneira como temperatura e carbono afetam a formação de grãos no aço. Mostra três fases de formação de ferro:

• Ferrita, ou ferro alfa (α), é o grão padrão formado em temperaturas abaixo de 912°C.
• Austenita, ou ferro gama (γ), tem cristais de grão mais densamente empacotados e aparece entre 912–1394°C.
• Ferro delta (δ) forma-se em calor acima de 1395°C, antes do ferro virar líquido a 1538°C. A fase de ferro delta se assemelha mais ao α-ferro, ou ferrita.

A adição de carbono influencia como os grãos básicos do aço cristalizam, estabilizam e interagem uns com os outros. A temperatura influencia como o carbono é absorvido. A fase austenita de alto calor é saturada com o carbono, com moléculas de metal densamente empacotadas. Em outras temperaturas, nem todo o carbono é absorvido. Cria outras estruturas moleculares. Por exemplo, é comum uma liga ferro-carbono conter moléculas de cementita Fe₃C. Em forma pura, cementita é classificada como cerâmica: é dura e frágil, e empresta estes atributos ao metal final. Grafite também pode se formar a nível molecular. A forma deste grafite pode afetar como o metal se comporta quando atingido. Nódulos de grafite redondos podem deslizar uns sobre os outros quando atingidos, deformando mas não quebrando. Em comparação, um metal com muito grafite em folhas pode cisalhar ao longo dos limites das folhas quando atingido. Quão rapidamente um metal é resfriado, e se é tratado termicamente ou trabalhado, também afetam tamanho e forma do grão.

Aços austeníticos são aqueles que têm uma rede austenita com γ-ferro. No diagrama de fase ferro-carbono, esta rede é normalmente encontrada em altas temperaturas. No entanto, adicionar níquel e/ou manganês permite que a austenita permaneça enquanto o aço esfria. A microestrutura austenita é conhecida como "cúbica de face centrada". Moléculas cúbicas de face centrada emprestam propriedades particulares ao metal.

Microestruturas cúbicas de corpo centrado vs. face centrada

Metal é um cristal feito de uma rede molecular. Cada célula de uma rede é composta de átomos. O número de átomos em cada célula da rede, e como eles se conectam uns com os outros, mudam como esta rede se comporta sob tensão. As redes básicas são primitiva, de corpo centrado e de face centrada.

FORMATOS BÁSICOS DE CÉLULA

Cúbica
Primitiva

• Cada átomo neste cubo primitivo fica no canto da célula. Cada átomo é um ponto de conexão na rede.
• Cada átomo de canto é compartilhado igualmente com as células ao redor. Portanto, cada átomo faz parte de oito cubos adjacentes.
• A célula unitária contém 1 átomo no total. Como cada um dos átomos de canto é compartilhado com oito cubos adjacentes, apenas 1/8 de cada átomo está dentro da célula primitiva. 8 x 1/8 de cada átomo de canto = 1 átomo total.

De Corpo
Centrado
Cúbico (BCC)

• Como a forma cúbica primitiva, há átomos em cada canto da célula.
• Além disso, um átomo fica no meio da célula. Este átomo não é compartilhado por outras células: há 8 células unidas à rede e apenas uma ao átomo.
• A célula unitária contém 2 átomos no total: 
  8 átomos x 1/8 de compartilhamento por átomo, como na estrutura cúbica primitiva, mais o átomo no centro.
• Ferro-alfa (ferrita) e ferro-delta são ambos metais BCC.

De Face
Centrada
Cúbica (FCC)

• A estrutura cúbica de face centrada tem átomos em cada canto da célula e adicionalmente um átomo no centro de cada face do cubo.
• Os átomos "de face" centrada são compartilhados apenas com duas células, e assim cada um contribui com 1/2 do valor de um átomo.
• A célula unitária contém 4 átomos no total:
  8 átomos x 1/8 de compartilhamento para os átomos de canto, e 6 átomos x 1/2 de compartilhamento para os átomos de face centrada.
• Ferro-gama (austenita) é um metal FCC.

O aço, sem níquel ou manganês, alcança uma estrutura cúbica de face centrada (FCC) estável entre 1.674—2.541°F. Nessas temperaturas, o carbono no aço permeia cada célula.

No entanto, este aço, resfriado de forma regular (não têmpera), se tornará ferrítico e cúbico de corpo centrado (BCC). Não manterá a estrutura FCC.

Redes BCC são mais vulneráveis a alguns tipos de tensão mecânica que estruturas FCC mais densamente empacotadas. Não têm o mesmo número de átomos em cada célula mantendo a rede unida. Manter a estrutura FCC mesmo em temperaturas ambientes ajuda a manter sua resistência extra. Isso geralmente é feito com elementos extras adicionados à liga.

Microestruturas de aços ferríticos, austeníticos, martensíticos e duplex

Aço ferrítico é um aço BCC comum. Torna-se frágil em temperaturas criogênicas, perde resistência rapidamente em temperaturas elevadas, e é magnético. Estas propriedades são devidas à forma cúbica de corpo centrado (BCC).

Dentro de cada célula BCC "frouxamente" empacotada, nem todos os elétrons conseguem encontrar e emparelhar com elétrons de spin oposto. São estes elétrons desemparelhados que criam o magnetismo do aço ferrítico. Com apenas dois átomos adicionando resistência a cada célula, o aço ferrítico também é mais fácil de quebrar, especialmente em ambientes quentes ou frios.

Aço austenítico é FCC à temperatura ambiente devido a uma adição de níquel na liga. O aço austenítico é mais dúctil que FCC, mesmo em temperaturas criogênicas. Tem mais resistência ao calor. Também não é magnético. Estas propriedades são devidas à sua forma de face centrada (FCC).

Todas as redes têm "sistemas de escorregamento", ou linhas de cisalhamento, onde a rede pode deslizar quando atingida sem que as células sejam rasgadas. Redes cúbicas têm muita simetria e, portanto, mais planos de escorregamento. Talvez contraintuitivamente, o cristal FCC mais densamente empacotado tem mais linhas de cisalhamento que os cristais BCC frouxamente empacotados. Cristais densamente empacotados deslizam mais facilmente uns sobre os outros. Cada célula tem mais peso atômico e resistência e se mantém unida mais facilmente.

Deformação plástica no nível micro suporta a ductilidade do material no nível macro. É por isso que há uma gama mais ampla de resiliência em estruturas cúbicas de face centrada. Estruturas ferríticas são mais propensas a estilhaçar no impacto, ou fraturar quando esticadas, especialmente em ambientes desafiadores.

Aços inoxidáveis austeníticos são os únicos tipos de inoxidável que não se tornam frágeis e facilmente fraturados em aplicações criogênicas. O aço austenítico mantém a maior parte de sua tenacidade e alongamento mesmo abaixo de -180°C. Embritamento a baixa temperatura é característico de aços ferríticos e duplex. Após uma temperatura de transição, tornam-se propensos a estilhaçar sob tensão.

Aços martensíticos são outro tipo de aço com um tipo de grão muito diferente na superfície. Estes aços não têm uma microestrutura cúbica simples. Martensita é formada por têmpera: um resfriamento rápido da superfície. O choque ambiental causa a rede a se erguer enquanto congela. Microestruturas martensíticas estão sob tensão, em uma forma de corpo centrado tetragonal, e não se alinham uniformemente. Isso permite que superfícies martensíticas sejam mais duras, mas também mais frágeis, mesmo à temperatura ambiente.

Aços duplex são uma adição relativamente nova às variedades de aços inoxidáveis. Estes aços têm uma mistura de microestruturas. Camadas intercaladas de ferrita e austenita dão ao material final propriedades de ambos. As porcentagens menores de níquel e/ou manganês necessárias para o aço inoxidável duplex reduzem o custo comparado ao aço inoxidável austenítico.

Cuidados e manutenção do aço inoxidável

Embora o aço inoxidável seja resistente à ferrugem, não é impermeável. Sua resistência à corrosão baseia-se em sua camada de passivação, que pode ser perturbada quimicamente. Sais, ácidos, arranhões que retêm umidade e depósitos de ferro podem fazer o aço inoxidável tornar-se vulnerável à ferrugem.

Cuidado deve ser tomado ao instalar inox: ferramentas de aço podem alterar a química da superfície do aço deixando depósitos de ferro que tornam a superfície vulnerável. Qualquer lugar que tenha entrado em contato com aço deve ser limpo. Arranhões profundos que possam reter umidade devem ser evitados.

Manutenção de superfícies de inox não é difícil, mas deve ser realizada regularmente se o aço estiver exposto a impactos, arranhões, sal, ferro ou outros químicos. Móveis externos de local devem ser atendidos duas vezes por ano.

A forma de limpar aço inoxidável depende do tipo de problema em questão. Diferentes estratégias são necessárias para diferentes tipos de marcas. Nosso post detalhado de limpeza descreve passos para descoloração, ferrugem, gordura, impressões digitais, cimento ou calcário. É bom lidar com corrosão rapidamente. Quando detectada cedo, WD-40 ou outro lubrificante pode ser tudo que é necessário para remover ferrugem.

Com manutenção e cuidados adequados, as propriedades do aço inoxidável que o tornam tão atraente — a tenacidade do aço unida à resistência à corrosão e brilho do cromo — podem continuar a ser um ativo livre de estresse por anos.

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