1. Tratamento térmico do aço inoxidável ferrítico: O aço inoxidável ferrítico geralmente apresenta uma estrutura ferrítica única e estável. Quando aquecido ou resfriado, não ocorre mudança de fase. Portanto, suas propriedades mecânicas não podem ser ajustadas por tratamento térmico. Seu principal objetivo é reduzir a fragilidade e melhorar a resistência à corrosão intergranular.
① Fragilidade da fase σ: O aço inoxidável ferrítico apresenta grande facilidade na formação da fase σ, um composto metálico rico em cromo. Essa fase é dura e quebradiça, formando-se com facilidade entre os grãos, o que torna o aço frágil e aumenta sua sensibilidade à corrosão intergranular. A formação da fase σ está relacionada à composição do aço. Além disso, elementos como cromo, silício, manganês e molibdênio promovem a formação da fase σ. O processo de fabricação, especialmente o aquecimento e a permanência na faixa de 540 a 815 °C, também contribuem para a formação da fase σ. No entanto, a formação da fase σ é reversível. O reaquecimento a uma temperatura superior à temperatura de formação da fase σ promove sua redissolução na solução sólida.
②Fragilidade a 475 °C: Quando o aço inoxidável ferrítico é aquecido por um longo período na faixa de 400 a 500 °C, ele apresenta características de aumento da resistência e diminuição da tenacidade, ou seja, aumento da fragilidade, que é mais evidente a 475 °C, condição denominada fragilidade a 475 °C. Isso ocorre porque, nessa temperatura, os átomos de Cr na ferrita se rearranjam para formar uma pequena área rica em Cr, coerente com a fase original, causando distorção da rede cristalina, gerando tensão interna, aumentando a dureza do aço e, consequentemente, sua fragilidade. Ao mesmo tempo em que a área rica em Cr é formada, deve haver uma área pobre em Cr, o que tem um efeito adverso na resistência à corrosão. Quando o aço é reaquecido a uma temperatura superior a 700 °C, a distorção e a tensão interna são eliminadas, e a fragilidade a 475 °C desaparece.
③ Fragilidade em altas temperaturas: Quando aquecido acima de 925 °C e resfriado rapidamente, Cr, C, N, etc., formam compostos que precipitam nos grãos e contornos de grão, causando aumento da fragilidade e ocorrência de corrosão intergranular. Esses compostos podem ser eliminados por aquecimento a 750~850 °C seguido de resfriamento rápido.
Processo de tratamento térmico:
① Recozimento: Para eliminar a fase σ, a fragilidade a 475 °C e a fragilidade a altas temperaturas, pode-se utilizar o recozimento, aquecendo a 780~830 °C, mantendo a temperatura e, em seguida, resfriando ao ar ou em forno. Para aços inoxidáveis ferríticos ultrapuros (com teor de C ≤ 0,01% e controle rigoroso de Si, Mn, S e P), a temperatura de recozimento pode ser aumentada.
② Tratamento de alívio de tensões: Após a soldagem e o processamento a frio, as peças podem apresentar tensões. Se o recozimento não for adequado para determinadas circunstâncias, o aquecimento, a manutenção da temperatura e o resfriamento ao ar podem ser utilizados na faixa de 230 a 370 °C para eliminar algumas tensões internas e melhorar a plasticidade.
2. Tratamento térmico do aço inoxidável austenítico: A presença de elementos de liga, como Cr e Ni, no aço inoxidável austenítico faz com que a temperatura de transição vítrea (Ms) caia abaixo da temperatura ambiente (-30 a -70 °C). Para garantir a estabilidade da estrutura austenítica, nenhuma mudança de fase ocorre acima da temperatura ambiente durante o aquecimento e o resfriamento. Portanto, o principal objetivo do tratamento térmico do aço inoxidável austenítico não é alterar as propriedades mecânicas, mas sim melhorar a resistência à corrosão.
A. Tratamento de solubilização do aço inoxidável austenítico
Função:
① Precipitação e dissolução de carbonetos de liga no aço: O carbono (C) é um dos elementos de liga no aço. Além de desempenhar um certo papel no fortalecimento, ele não contribui para a resistência à corrosão, especialmente quando forma carbonetos com o cromo (Cr), o efeito é ainda pior, e esforços devem ser feitos para reduzir sua presença. Por esse motivo, considerando as características do C na austenita, que variam com a temperatura, ou seja, a solubilidade é alta em altas temperaturas e baixa em baixas temperaturas. De acordo com dados, a solubilidade do C na austenita é de 0,34% a 1200 °C, 0,18% a 1000 °C e 0,02% a 600 °C, sendo ainda menor à temperatura ambiente. Portanto, o aço é aquecido a uma alta temperatura para dissolver completamente o composto C-Cr e, em seguida, resfriado rapidamente para que não haja tempo de precipitação, garantindo assim a resistência à corrosão do aço, especialmente a resistência à corrosão intergranular.
② Fase σ: Se o aço austenítico for aquecido por um longo período na faixa de 500-900 °C, ou se elementos como Ti, Nb e Mo forem adicionados ao aço, a precipitação da fase σ será favorecida, tornando o aço mais quebradiço e reduzindo sua resistência à corrosão. A maneira de eliminar a fase σ é dissolvê-la a uma temperatura superior à sua possível temperatura de precipitação e, em seguida, resfriá-la rapidamente para evitar a reprecipitação.
Processo:
Na norma GB1200, a faixa de temperatura de aquecimento recomendada é relativamente ampla: 1000~1150℃, geralmente 1020-1080℃. Considerando a composição específica da liga, seja ela fundida ou forjada, etc., a temperatura de aquecimento deve ser ajustada adequadamente dentro da faixa permitida. Se a temperatura de aquecimento for baixa, os carbonetos de C-Cr não se dissolvem completamente. Se a temperatura for muito alta, também haverá problemas com o crescimento de grãos e redução da resistência à corrosão.
Método de resfriamento: O resfriamento deve ser feito em velocidade mais rápida para evitar a reprecipitação de carbonetos. Nas normas do meu país e de alguns outros, o “resfriamento rápido” após o tratamento de solubilização é indicado. Combinando diferentes literaturas e experiência prática, a escala de “rápido” pode ser definida da seguinte forma:
Teor de C ≥ 0,08%; teor de Cr > 22%, teor de Ni relativamente alto; teor de C < 0,08%, mas tamanho efetivo > 3 mm, deve ser resfriado a água;
Teor de C < 0,08%, tamanho < 3 mm, pode ser resfriado a ar;
Dimensões efetivas ≤ 0,5 mm podem ser refrigeradas a ar.
B. Tratamento térmico de estabilização do aço inoxidável austenítico
O tratamento térmico de estabilização é limitado ao aço inoxidável austenítico que contém elementos estabilizantes de Ti ou Nb, como 1Cr18Ni9Ti, 0Cr18Ni11Nb, etc.
Função:
Como mencionado anteriormente, o Cr combina-se com o C para formar compostos do tipo Cr₂₃C₆ e precipita nos contornos de grão, o que explica a diminuição da resistência à corrosão do aço inoxidável austenítico. O Cr é um forte formador de carbonetos. Sempre que houver oportunidade, ele se combinará com o C e precipitará. Portanto, os elementos Ti e Nb, que possuem maior afinidade do que Cr e C, são adicionados ao aço, criando condições que favorecem a combinação preferencial de C com Ti e Nb, reduzindo a probabilidade de combinação com Cr. Dessa forma, o Cr é retido de maneira estável na austenita, garantindo assim a resistência à corrosão do aço. O tratamento térmico de estabilização tem a função de combinar Ti e Nb com C e estabilizar o Cr na austenita.
Processo:
Temperatura de aquecimento: Esta temperatura deve ser superior à temperatura de dissolução do Cr23C6 (400-825℃), inferior ou ligeiramente superior à temperatura inicial de dissolução do TiC ou NbC (por exemplo, a faixa de temperatura de dissolução do TiC é de 750-1120℃), e a temperatura de aquecimento de estabilização é geralmente selecionada entre 850-930℃, o que dissolverá completamente o Cr23C6, de modo que o Ti ou Nb se combinará com o C, enquanto o Cr permanecerá na austenita.
Método de resfriamento: Geralmente, utiliza-se o resfriamento a ar, mas também podem ser usados o resfriamento a água ou em forno, dependendo das condições específicas das peças. A taxa de resfriamento não tem efeito significativo na estabilização. De acordo com nossos resultados experimentais, ao resfriar da temperatura de estabilização de 900 °C para 200 °C, as taxas de resfriamento foram de 0,9 °C/min e 15,6 °C/min. Em comparação, a estrutura metalográfica, a dureza e a resistência à corrosão intergranular permaneceram praticamente as mesmas.
C. Tratamento de alívio de tensões em aço inoxidável austenítico
Objetivo: Peças fabricadas em aço inoxidável austenítico inevitavelmente apresentam tensões, como tensões de processamento e tensões de soldagem durante o trabalho a frio. A presença dessas tensões acarreta efeitos adversos, como impacto na estabilidade dimensional; a corrosão sob tensão ocorre quando peças tensionadas são utilizadas em meios contendo cloro, H₂S, NaOH e outros. Trata-se de um dano repentino que ocorre localmente, sem precursores, e é extremamente prejudicial. Portanto, peças de aço inoxidável austenítico utilizadas sob determinadas condições de trabalho devem ter suas tensões minimizadas, o que pode ser alcançado por meio de métodos de alívio de tensões.
Processo: Quando as condições permitem, o tratamento de solubilização e o tratamento de estabilização podem eliminar melhor as tensões (o resfriamento em solução sólida com água também produz certas tensões), mas às vezes esse método não é viável, como em tubulações no circuito, peças inteiras sem margens e peças com formatos particularmente complexos e fáceis de deformar. Nesses casos, o método de alívio de tensões por aquecimento a uma temperatura inferior a 450 °C pode ser usado para eliminar parte das tensões. Se a peça for utilizada em um ambiente de corrosão sob alta tensão e a eliminação completa das tensões for imprescindível, deve-se considerar, na seleção dos materiais, o uso de aços com elementos estabilizadores ou aços inoxidáveis austeníticos de ultrabaixo carbono.
D. Tratamento térmico do aço inoxidável martensítico
A característica mais marcante do aço inoxidável martensítico, em comparação com o aço inoxidável ferrítico, o aço inoxidável austenítico e o aço inoxidável duplex, é a possibilidade de ajustar suas propriedades mecânicas em uma ampla faixa por meio de métodos de tratamento térmico, atendendo às necessidades de diferentes condições de uso. Diferentes métodos de tratamento térmico também apresentam efeitos distintos na resistência à corrosão.
① Estado organizacional do aço inoxidável martensítico após têmpera
Dependendo da composição química
0Cr13, 1Cr13, 1Cr17Ni2 são martensita + uma pequena quantidade de ferrita;
2Cr13, 3Cr13 e 2Cr17Ni2 são basicamente estruturas martensíticas;
4Cr13 e 9Cr18 são carbonetos de liga na matriz martensítica;
0Cr13Ni4Mo e 0Cr13Ni6Mo são austenita residual na matriz martensítica.
② Resistência à corrosão e tratamento térmico do aço inoxidável martensítico
O tratamento térmico do aço inoxidável martensítico pode alterar não apenas as propriedades mecânicas, mas também ter diferentes efeitos na resistência à corrosão. Tomemos como exemplo o revenido após a têmpera: após a têmpera para a fase martensítica, utiliza-se o revenido a baixa temperatura, que apresenta maior resistência à corrosão; utiliza-se o revenido a média temperatura, entre 400 e 550 °C, resultando em menor resistência à corrosão; e utiliza-se o revenido a alta temperatura, entre 600 e 750 °C, o que melhora a resistência à corrosão.
③ Processo de tratamento térmico e função do aço inoxidável martensítico
Recozimento: Diferentes métodos de recozimento podem ser usados de acordo com a finalidade e a função a serem alcançadas: se for necessário apenas reduzir a dureza, facilitar o processamento e eliminar tensões, pode-se usar o recozimento em baixa temperatura (também chamado de recozimento incompleto). A temperatura de aquecimento pode ser selecionada entre 740 e 780 °C, e a dureza pode ser garantida entre 180 e 230 HB por resfriamento ao ar ou resfriamento em forno;
A necessidade de melhorar a estrutura de forjamento ou fundição, reduzir a dureza e garantir baixo desempenho para aplicação direta, pode ser atendida por recozimento completo, geralmente aquecido a 870~900℃, resfriado em forno após isolamento, ou resfriado a menos de 600℃ a uma taxa de ≤40℃/h. A dureza pode atingir 150~180HB;
O recozimento isotérmico pode substituir o recozimento completo para atingir o mesmo objetivo. A temperatura de aquecimento é de 870 a 900 °C, e o forno é resfriado para 700 a 740 °C após o aquecimento e a manutenção da temperatura (consulte a curva de transformação), mantendo-se essa temperatura por um longo período (consulte a curva de transformação). Em seguida, o forno é resfriado para menos de 550 °C e a peça é retirada. A dureza pode atingir 150-180 HB. Este recozimento isotérmico também é uma maneira eficaz de melhorar a estrutura deficiente após a forjagem e de aprimorar as propriedades mecânicas após têmpera e revenido, especialmente a tenacidade ao impacto.
Têmpera: O principal objetivo da têmpera do aço inoxidável martensítico é o seu fortalecimento. O aço é aquecido acima da temperatura do ponto crítico, mantido aquecido para que o carboneto se dissolva completamente na austenita e, em seguida, resfriado a uma taxa adequada para obter a estrutura martensítica temperada.
Seleção da temperatura de têmpera: O princípio básico é garantir a formação de austenita e dissolver completamente os carbonetos da liga na austenita, homogeneizando-os. Também é inadmissível que os grãos de austenita se tornem grosseiros ou que haja ferrita ou austenita residual na estrutura após o resfriamento. Isso exige que a temperatura de têmpera não seja muito baixa nem muito alta. A temperatura de têmpera do aço inoxidável martensítico varia ligeiramente entre os diferentes materiais, e a faixa recomendada é ampla. De acordo com nossa experiência, geralmente é suficiente aquecer na faixa de 980 a 1020 °C. Obviamente, para aços especiais, controle de componentes específicos ou requisitos especiais, a temperatura de têmpera deve ser reduzida ou aumentada adequadamente, mas o princípio de aquecimento não deve ser violado.
Método de resfriamento: Devido às características de composição do aço inoxidável martensítico, a austenita é relativamente estável, a curva C desloca-se para a direita e a taxa crítica de resfriamento é relativamente baixa, portanto, o resfriamento em óleo e o resfriamento a ar podem ser usados para obter o efeito de têmpera da martensita. No entanto, para peças que exigem uma grande profundidade de têmpera e propriedades mecânicas, especialmente alta tenacidade ao impacto, o resfriamento em óleo deve ser usado.
Revenimento: Após a têmpera, o aço inoxidável martensítico adquire uma estrutura martensítica com alta dureza, alta fragilidade e alta tensão interna, necessitando, portanto, de revenimento. O aço inoxidável martensítico é basicamente utilizado em duas temperaturas de revenimento:
O revenimento ocorre entre 180 e 320 °C. Obtém-se uma estrutura martensítica revenida, que mantém alta dureza e resistência, mas baixa plasticidade e tenacidade, além de apresentar boa resistência à corrosão. Por exemplo, o revenimento a baixa temperatura pode ser utilizado em ferramentas, rolamentos, peças resistentes ao desgaste, etc.
O revenimento entre 600 e 750 °C resulta na obtenção de uma estrutura martensítica revenida. Esta apresenta boas propriedades mecânicas, como resistência, dureza, plasticidade e tenacidade. O revenimento pode ser realizado em temperaturas limite inferior ou superior, de acordo com as diferentes necessidades de resistência, plasticidade e tenacidade. Esta estrutura também apresenta boa resistência à corrosão.
O revenimento entre 400 e 600 °C geralmente não é utilizado, pois nessa faixa de temperatura ocorre a precipitação de carbonetos altamente dispersos da martensita, resultando em fragilidade de revenido e redução da resistência à corrosão. No entanto, molas, como as de aço 3Cr13 e 4Cr13, podem ser revenidas nessa temperatura, atingindo dureza Rockwell C de 40 a 45, com boa elasticidade.
O método de resfriamento após o revenido geralmente pode ser o resfriamento ao ar, mas para aços com tendência à fragilidade após o revenido, como 1Cr17Ni2, 2Cr13, 0Cr13Ni4Mo, etc., é melhor utilizar o resfriamento em óleo após o revenido. Além disso, deve-se observar que o revenido deve ser realizado logo após a têmpera, não ultrapassando 24 horas no verão e não mais que 8 horas no inverno. Caso o revenido não possa ser realizado dentro do prazo devido à temperatura do processo, medidas também devem ser tomadas para evitar a formação de trincas estáticas.
E. Tratamento térmico do aço inoxidável duplex ferrita-austenita
O aço inoxidável duplex é um membro recente da família dos aços inoxidáveis e foi desenvolvido mais tarde, mas suas características são amplamente reconhecidas e valorizadas. As características de composição (alto teor de Cr, baixo teor de Ni, Mo e N) e de organização do aço inoxidável duplex conferem-lhe maior resistência e plasticidade do que os aços inoxidáveis austeníticos e ferríticos; resistência à corrosão equivalente à do aço inoxidável austenítico; e maior resistência à corrosão por pites, corrosão em frestas e corrosão sob tensão do que qualquer outro aço inoxidável em meio clorado e água do mar.
Função:
① Eliminar a austenita secundária: Em condições de alta temperatura (como fundição ou forjamento), a quantidade de ferrita aumenta. Acima de 1300 °C, pode formar-se uma ferrita monofásica. Essa ferrita de alta temperatura é instável. Quando envelhecida a uma temperatura mais baixa posteriormente, a austenita precipitará. Essa austenita é chamada de austenita secundária. A quantidade de Cr e N nessa austenita é menor do que na austenita normal, portanto, ela pode se tornar uma fonte de corrosão e deve ser eliminada por tratamento térmico.
② Eliminar carboneto do tipo Cr23C6: O aço bifásico precipita Cr23C6 abaixo de 950℃, o que aumenta a fragilidade e reduz a resistência à corrosão, devendo, portanto, ser eliminado.
③ Eliminar os nitretos Cr2N e CrN: Como o aço contém nitrogênio, podem surgir nitretos com o cromo, que afetam a resistência mecânica e à corrosão, e devem ser eliminados.
④ Eliminar fases intermetálicas: As características de composição do aço duplex promovem a formação de algumas fases intermetálicas, como a fase σ e a fase γ, que reduzem a resistência à corrosão e aumentam a fragilidade, devendo, portanto, ser eliminadas.
Processo: Semelhante ao aço austenítico, adota-se tratamento de solubilização, com temperatura de aquecimento de 980 a 1100 °C, seguido de resfriamento rápido, geralmente em água.
F. Tratamento térmico do aço inoxidável endurecido por precipitação
O aço inoxidável endurecido por precipitação é um produto de desenvolvimento relativamente recente. Trata-se de um tipo de aço inoxidável que foi testado, sintetizado e aprimorado na prática humana. Dentre os aços inoxidáveis que surgiram anteriormente, o aço inoxidável ferrítico e o aço inoxidável austenítico possuem boa resistência à corrosão, mas suas propriedades mecânicas não podem ser ajustadas por métodos de tratamento térmico, o que limita sua aplicação. O aço inoxidável martensítico permite o ajuste das propriedades mecânicas por meio de métodos de tratamento térmico em uma faixa mais ampla, porém sua resistência à corrosão é baixa.
Características:
Possui um teor de C mais baixo (geralmente ≤0,09%), um teor de Cr mais alto (geralmente ≥14%) e Mo, Cu e outros elementos, o que lhe confere maior resistência à corrosão, comparável até mesmo à do aço inoxidável austenítico. Através de tratamento de solubilização e envelhecimento, obtém-se uma estrutura com uma fase de endurecimento por precipitação precipitada sobre a matriz martensítica, resultando em maior resistência. A resistência, a plasticidade e a tenacidade podem ser ajustadas dentro de uma determinada faixa, de acordo com o ajuste da temperatura de envelhecimento. Além disso, o método de tratamento térmico de solubilização inicial seguida de endurecimento por precipitação permite a obtenção de peças com baixa dureza após o tratamento de solubilização, que são posteriormente endurecidas por envelhecimento, reduzindo o custo de processamento e apresentando vantagens em relação ao aço martensítico.
Classificação:
① Aço inoxidável com endurecimento por precipitação martensítica e seu tratamento térmico: As características do aço inoxidável com endurecimento por precipitação martensítica são: a temperatura inicial Ms da transformação de austenita em martensita é superior à temperatura ambiente. Após o aquecimento, a austenitização e o resfriamento a uma taxa mais rápida resultam em uma matriz martensítica lamelar. Após o envelhecimento, partículas finas de Cu precipitam da matriz martensítica lamelar, conferindo-lhe maior resistência.
② Tratamento térmico do aço inoxidável semi-austenítico: O ponto Ms deste aço é geralmente ligeiramente inferior à temperatura ambiente, portanto, após o tratamento de solubilização e resfriamento à temperatura ambiente, obtém-se uma estrutura austenítica com resistência muito baixa. Para melhorar a resistência e a dureza da matriz, é necessário aquecê-la novamente a 750-950 °C e mantê-la aquecida. Nesta etapa, os carbonetos precipitam na austenita, a estabilidade da austenita é reduzida e o ponto Ms aumenta acima da temperatura ambiente. Ao resfriar novamente, obtém-se uma estrutura martensítica. Alguns também podem adicionar tratamento a frio (tratamento subzero) e, em seguida, envelhecer o aço para obter finalmente um aço reforçado com precipitados na matriz martensítica.
Pode-se observar que, após o tratamento adequado do aço inoxidável martensítico endurecido por precipitação, suas propriedades mecânicas atingem o desempenho do aço inoxidável martensítico convencional, enquanto sua resistência à corrosão se torna equivalente à do aço inoxidável austenítico. Cabe ressaltar que, embora o aço inoxidável martensítico e o aço inoxidável endurecido por precipitação possam ser reforçados por métodos de tratamento térmico, o mecanismo de reforço é diferente. Devido às características do aço inoxidável endurecido por precipitação, ele tem sido valorizado e amplamente utilizado.
Data da publicação: 06/02/2025