Aços Padrão: Composição, Propriedades e Aplicações

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Aço é o termo genérico para uma grande família de ligas ferro-carbono que são maleáveis, dentro de alguma faixa de temperatura, imediatamente após a solidificação do estado fundido.

As principais matérias-primas usadas na fabricação de aço são minério de ferro, carvão e calcário. Estes materiais são convertidos em um alto-forno em um produto conhecido como "ferro-gusa", que contém quantidades consideráveis de carbono, manganês, enxofre, fósforo e silício. O ferro-gusa é duro, frágil e inadequado para processamento direto em formas forjadas. A fabricação de aço é o processo de refino do ferro-gusa, bem como de sucata de ferro e aço, pela remoção de elementos indesejáveis da fusão e posterior adição de elementos desejáveis em quantidades predeterminadas. Uma reação primária na maioria dos processos de fabricação de aço é a combinação de carbono com oxigênio para formar um gás. Se o oxigênio dissolvido não for removido da fusão antes ou durante o vazamento, os produtos gasosos continuam a evoluir durante a solidificação. Se o aço é fortemente desoxidado pela adição de elementos desoxidantes, nenhum gás é evoluído, e o aço é chamado de "morto" ("killed") porque permanece quieto nos moldes. Graus crescentes de evolução de gás (desoxidação diminuída) caracterizam aços chamados "semimortos" ("semikilled"), "encapados" ("capped") ou "com borda" ("rimmed"). O grau de desoxidação afeta algumas das propriedades do aço. Além do oxigênio, o aço líquido contém quantidades mensuráveis de hidrogênio e nitrogênio dissolvidos. Para algumas aplicações críticas de aço, práticas especiais de desoxidação, bem como tratamentos a vácuo, podem ser usados para reduzir e controlar gases dissolvidos.

O teor de carbono de graus comuns de aço varia de alguns centésimos de porcento a cerca de 1 porcento. Todos os aços também contêm quantidades variadas de outros elementos, principalmente manganês, que atua como desoxidante e facilita o trabalho a quente. Silício, fósforo e enxofre também estão sempre presentes, mesmo que apenas em quantidades vestigiais. Outros elementos podem estar presentes, seja como resíduos que não são adicionados intencionalmente, mas resultam das matérias-primas ou da prática de fabricação de aço, ou como elementos de liga adicionados para efetuar mudanças nas propriedades do aço.

Aços podem ser fundidos em forma, ou o lingote ou fio fundido pode ser reaquecido e trabalhado a quente por laminação, forjamento, extrusão ou outros processos em uma forma de fábrica laminada. Aços forjados são os materiais de engenharia mais amplamente utilizados, oferecendo uma multidão de formas, acabamentos, resistências e faixas de temperatura utilizáveis. Nenhum outro material oferece versatilidade comparável para design de produtos.

Classificação Padrão de Aços

Aços forjados podem ser classificados sistematicamente em grupos baseados em alguma característica comum, como composição química, prática de desoxidação, método de acabamento ou forma do produto. A composição química é a base mais frequentemente usada para identificar e atribuir designações padrão a aços forjados. Embora o carbono seja o principal elemento de endurecimento e fortalecimento no aço, nenhum único elemento controla as características do aço. O efeito combinado de vários elementos influencia a resposta ao tratamento térmico, dureza, resistência, microestrutura, resistência à corrosão e conformabilidade. Os aços padrão podem ser divididos amplamente em três grupos principais: aços carbono, aços liga e aços inoxidáveis.

Aços Carbono

Um aço qualifica-se como aço carbono quando seu teor de manganês é limitado a 1,65% (máx), silício a 0,60% (máx) e cobre a 0,60% (máx). Com exceção de desoxidantes e boro quando especificado, nenhum outro elemento de liga é adicionado intencionalmente, mas podem estar presentes como resíduos. Se qualquer um destes elementos incidentais for considerado prejudicial para aplicações especiais, limites máximos aceitáveis podem ser especificados. Em contraste com a maioria dos aços liga, aços carbono são mais frequentemente usados sem tratamento térmico final; no entanto, podem ser recozidos, normalizados, cementados ou temperados e revenidos para melhorar a fabricação ou propriedades mecânicas. Aços carbono podem ser mortos, semimortos, encapados ou com borda, e, quando necessário, o método de desoxidação pode ser especificado.

Aços Liga

Aços liga compreendem não apenas aqueles graus que excedem os limites de teor de elementos para aço carbono, mas também qualquer grau ao qual elementos diferentes dos usados para aço carbono são adicionados, dentro de faixas específicas ou mínimos específicos, para melhorar propriedades mecânicas, características de fabricação ou qualquer outro atributo do aço. Por esta definição, aços liga abrangem todos os aços exceto aços carbono; no entanto, por convenção, aços contendo mais de 3,99% de cromo são considerados "tipos especiais" de aço liga, que incluem os aços inoxidáveis e muitos dos aços para ferramentas.

Em um sentido técnico, o termo aço liga é reservado para aqueles aços que contêm uma quantidade modesta de elementos de liga (cerca de 1-4%) e geralmente dependem de tratamentos térmicos para desenvolver propriedades mecânicas específicas. Aços liga são sempre mortos, mas práticas especiais de desoxidação ou fusão, incluindo vácuo, podem ser especificadas para aplicações críticas especiais. Aços liga geralmente requerem cuidado adicional durante sua fabricação porque são mais sensíveis a operações térmicas e mecânicas.

Aços Inoxidáveis

Aços inoxidáveis são aços de alta liga e têm resistência à corrosão superior aos aços carbono e aços baixa liga convencionais porque contêm quantidades relativamente grandes de cromo. Embora outros elementos também possam aumentar a resistência à corrosão, sua utilidade a este respeito é limitada.

Aços inoxidáveis geralmente contêm pelo menos 10% de cromo, com ou sem outros elementos. Tem sido costume nos Estados Unidos, no entanto, incluir na classificação de aço inoxidável aqueles aços que contêm tão pouco quanto 4% de cromo. Juntos, estes aços formam uma família conhecida como aços inoxidáveis e resistentes ao calor, alguns dos quais possuem resistência e resistência à oxidação muito altas. Poucos, no entanto, contêm mais de 30% de cromo ou menos de 50% de ferro.

No sentido mais amplo, os aços inoxidáveis padrão podem ser divididos em três grupos baseados em suas estruturas: austenítico, ferrítico e martensítico. Em cada um dos três grupos, há uma composição que representa a liga básica de uso geral. Todas as outras composições são derivadas da liga básica, com variações específicas na composição sendo feitas para obter propriedades muito específicas.

Os graus austeníticos são não magnéticos na condição recozida, embora alguns possam tornar-se ligeiramente magnéticos após trabalho a frio. Podem ser endurecidos apenas por trabalho a frio, e não por tratamento térmico, e combinam resistência à corrosão e calor excepcionais com boas propriedades mecânicas em uma ampla faixa de temperatura. Os graus austeníticos são ainda classificados em dois subgrupos: os tipos cromo-níquel e os tipos cromo-manganês-baixo-níquel menos frequentemente usados. A composição básica no grupo cromo-níquel é amplamente conhecida como 18-8 (Cr-Ni) e é o grau austenítico de uso geral. Este grau é a base para mais de 20 modificações que podem ser caracterizadas como segue: a proporção cromo-níquel foi modificada para alterar as características de conformação; o teor de carbono foi diminuído para prevenir corrosão intergranular; os elementos nióbio ou titânio foram adicionados para estabilizar a estrutura; ou molibdênio foi adicionado ou os teores de cromo e níquel foram aumentados para melhorar a resistência à corrosão ou oxidação.

Os graus ferríticos padrão são sempre magnéticos e contêm cromo mas não níquel. Podem ser endurecidos até certo ponto por trabalho a frio, mas não por tratamento térmico, e combinam resistência à corrosão e calor com propriedades mecânicas moderadas e apelo decorativo. Os graus ferríticos geralmente são restritos a uma faixa mais estreita de condições corrosivas que os graus austeníticos. O grau ferrítico básico contém 17% de cromo. Nesta série, há modificações de livre usinagem e graus com teor de cromo aumentado para melhorar a resistência à carepa. Também neste grupo ferrítico está um aço de 12% de cromo (a composição básica do grupo martensítico) com outros elementos, como alumínio ou titânio, adicionados para prevenir o endurecimento.

Os graus martensíticos padrão são magnéticos e podem ser endurecidos por têmpera e revenimento. Contêm cromo e, com duas exceções, não contêm níquel. O grau martensítico básico normalmente contém 12% de cromo. Há mais de 10 composições padrão na série martensítica; algumas são modificadas para melhorar a usinabilidade e outras têm pequenas adições de níquel ou outros elementos para melhorar as propriedades mecânicas ou sua resposta ao tratamento térmico. Outras ainda têm teor de carbono grandemente aumentado, na faixa de aço para ferramentas, e são endurecíveis aos níveis mais altos de todos os aços inoxidáveis. Os graus martensíticos são excelentes para serviço em ambientes brandos como atmosfera, água doce, vapor e ácidos fracos, mas não são resistentes a soluções severamente corrosivas.

Sistemas de Numeração para Metais e Ligas

Vários sistemas de numeração diferentes foram desenvolvidos para metais e ligas por várias associações comerciais, sociedades de engenharia profissionais, organizações de normas e indústrias privadas para seu próprio uso. O código numérico usado para identificar o metal ou liga pode ou não estar relacionado a uma especificação, que é uma declaração dos requisitos técnicos e comerciais que o produto deve atender. Sistemas de numeração em uso incluem os desenvolvidos pelo Instituto Americano de Ferro e Aço (AISI), Sociedade de Engenheiros Automotivos (SAE), Sociedade Americana para Testes e Materiais (ASTM), Instituto Nacional de Normas Americanas (ANSI), Sociedade de Fundidores de Aço da América, Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos (ASME), Sociedade Americana de Soldagem (AWS), Associação do Alumínio, Associação de Desenvolvimento do Cobre, Departamento de Defesa dos EUA (Especificações Militares) e o Escritório de Contabilidade Geral (Especificações Federais).

O Sistema Unificado de Numeração (UNS) foi desenvolvido através de um esforço conjunto da ASTM e da SAE para fornecer um meio de correlacionar os diferentes sistemas de numeração para metais e ligas que têm posição comercial. Este sistema evita a confusão causada quando mais de um número de identificação é usado para especificar o mesmo material, ou quando o mesmo número é atribuído a dois materiais inteiramente diferentes. É importante entender que um número UNS não é uma especificação; é um número de identificação para metais e ligas para os quais especificações detalhadas são fornecidas em outro lugar. Números UNS são mostrados na Tabela 1; cada número consiste em um prefixo de letra seguido por cinco dígitos. Em alguns, a letra é sugestiva da família de metais identificada pela série, como A para alumínio e C para cobre. Sempre que possível, os números nos grupos UNS contêm sequências de numeração tiradas diretamente de outros sistemas para facilitar a identificação do material; por exemplo, o número UNS correspondente para o aço AISI 1020 é G10200. Os números UNS correspondentes aos números AISI-SAE comumente usados que são usados para identificar aços carbono comuns, liga e para ferramentas são dados na Tabela 2.

Resumo

Este artigo descreveu os principais tipos de aços padrão. Saiba mais sobre as propriedades dos materiais no Machinery's Handbook, 30ª Edição, que é publicado e disponível pela Industrial Press na Amazon.

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