Nesta unidade temática, você vai aprender

• A identificar:

  • As diferentes classificações dos aços;

  • A influência dos elementos de liga;

  • Os aços carbono e aços liga.

Classificação dos Aços

Os aços podem e são classificados por diferentes critérios. Desde após a Revolução Industrial e o modelo de Ford de produção seriada na indústria, a substituição de um produto era facilitada pela rápida identificação do material. As empresas fabricantes de aços apresentaram um critério de identificação, isso foi crescendo e, no intuito de uniformização, vários institutos e associações normativas de vários países trabalharam também para essa identificação. As classificações mais comuns se baseiam em (ASM Handbook, v.1):

Influência dos Elementos de Liga

Ao longo dos anos, os aços foram sendo aperfeiçoados. Essas alterações foram motivadas por necessidades de melhoria nas suas propriedades. Já tinha sido percebida nessa evolução a influência que alguns elementos químicos provocavam nos aços, dessa forma passaram a ser chamados de elementos de liga, pois eles geram diferentes soluções sólidas, compostos intermetálicos e diversos carbonetos. O que em tempos remotos foi conseguido de forma empírica, hoje é trabalhado de forma projetada, ou seja, os elementos são inseridos de forma a provocar mudanças com fins específicos. Esses fins são classificados de forma geral, como aumentar as propriedades mecânicas, resistência mecânica, tenacidade, ductilidade ou outra, e também para conferir melhorias na resistência à corrosão, estabilidade a baixas ou altas temperaturas, controlar tamanho de grão, melhorar conformabilidade, melhorar propriedades elétrica e magnéticas, melhorar resistência específica, e assim por diante.

Aços ao carbono e baixa liga

Como já colocado no primeiro capítulo, aço é uma liga ferro e carbono, com valores de carbono até 2,1%, mais alguns elementos residuais (SANTOS, 2015). Os aços de construção mecânica também são subdivididos em aços só ao carbono, baixa liga (quando o somatório de todos os percentuais de liga, exceto carbono for menor que 5%) e alta liga (quando o somatório de todos os percentuais de liga, exceto carbono for maior que 10%).

Uma forma bastante usual no Brasil para a apresentação dos aços de construção mecânica ao carbono e baixa liga é dada pela norma brasileira ABNT NBR NM 87 (2000). Esta norma é baseada na norma americana SAE J403 e J404. A classificação por esse método apresenta-se por famílias de um elemento ou grupo de elementos químicos principais, na forma de quatro algarismos. A primeira família da série 1XXX se refere aos aços basicamente só ao carbono (CALLISTER & RETHWISCH, 2016; SMITH & HASHEMI, 2012). As séries de 2X a 9X são atribuídas às outras famílias de aços baixa liga, conforme Tabela 1. Os dois últimos (ou três) algarismos se referem ao percentual médio de carbono multiplicado por 100. Por exemplo, o aço ABNT 1045 possui o percentual de carbono de 0,45% em média, ou seja 45/100.

O infográfico apresenta a forma de leitura do nome dos aços segundo a norma brasileira.

Outra apresentação de nomenclatura bastante comum em nosso mercado segue a norma alemã DIN 17100 com respeito à resistência mecânica (tipo a ASTM), ou a 17200 que classifica por composição química. Esta última é colocada como na Tabela 2.

No caso dos aços baixa liga, a norma apresenta os aços com a nomenclatura conforme Tabela 3.

Sendo ainda auxiliada pela tabela de multiplicador dos elementos químicos vistos na Tabela 4.

Mais alguns exemplos para reforçar o tema na Tabela 5.

Seguindo essa ideia de expressar a nomenclatura dos aços, a norma americana ASTM apresenta os aços estruturais tanto por composição química como por resistência mecânica. A norma ASTM é subdividida da seguinte forma pelas letras de A a G, Tabela 6.

Aços alta liga

Com respeito a essa categoria, esses aços apresentam um percentual de liga superior a 10% em somatório de teores, ou bastando somente um a ultrapassar esse valor. É possível separar algumas famílias desse grupo de aços, os quais são: aços hadfield, aços maraging, aços inoxidáveis e aços ferramenta.

Aços Hadfield

Os aços hadfield são conhecidos como aços alto carbono e alto manganês. Esses aços são utilizados devido à sua alta resistência mecânica, alta tenacidade, mas principalmente por sua alta resistência ao desgaste. A norma ASTM A 128 traz algumas opções de variação desses valores de carbono e manganês, que normalmente ficam entre 1,0 a 1,4% de carbono e 10 a 14% de manganês. Esse alto teor de manganês faz com que a austenita seja estável na temperatura ambiente. Então, devido ao seu uso em situações de desgaste, o encruamento faz com que a austenita se transforme em martensita por deformação mecânica, aumentando assim sua resistência mecânica ao desgaste. É também chamado de aço autocicatrizante, pois à medida de seu uso e desgaste superficial, nova austenita se transforma em martensita cumprindo assim sua função. Esses aços são aplicados em ferramentas pneumáticas, dentes de retro-escavadoras, mandíbulas de máquinas de britar, entre outros.

Aços Maraging

Os aços maraging são uma categoria de aços especiais de ultra alta resistência mecânica, chegando a atingir 2400 MPa. A sua denominação vem da junção das palavras martensita e aging (envelhecimento em inglês), ou pelo processo de endurecimento por precipitação. Sua composição química é em alto níquel, de 18 a 20%, cobalto de 8 a 10%, além de alguns outros como molibdênio e titânio. O seu endurecimento não ocorre devido ao carbono, que possui valor muito baixo, na ordem de 0,05% máx. O tratamento de envelhecimento promove uma precipitação de compostos intermetálicos. Sua aplicação é quase que exclusiva na indústria aeronáutica e aeroespacial. As diferentes ligas e propriedades mecânicas são regulamentadas pela norma ASTM A 538.

Aços Inoxidáveis

Essas ligas ferrosas chamadas de aços inoxidáveis começaram a ser desenvolvidas na primeira metade do século XX. O principal elemento de liga adicionado é o cromo em um percentual acima de 11%, porém aços que possuem qualquer percentual de cromo na liga já apresentam uma melhora em resistência à corrosão. A função do cromo no aço é pela formação de um óxido de cromo. Esse óxido forma um filme fino aderente à superfície do aço que o protege contra a corrosão. Essa proteção atua não só em temperatura ambiente, mas em temperaturas altas também. Esses aços são mais conhecidos e classificados pela fase microestrutural presente na temperatura ambiente e, basicamente, há cinco famílias chamadas de Ferríticos, Martensíticos, Austeníticos, Duplex e PH. (SANTOS, 2015; CALLISTER & RETHWISCH, 2016; SMITH & HASHEMI, 2012).

Nessa outra família, os aços inoxidáveis martensíticos, apresentam um teor maior de carbono podendo chegar até mais de 1,0%. Devido a esse teor de carbono, podem ser temperados e revenidos para aumento de resistência mecânica. Já o valor do cromo varia de 12 a 18%. Essa fase martensítica presente na temperatura ambiente também mantém essas ligas com característica magnética. Aqui tem também uma variante, que são os supermartensíticos com teor de carbono extremamente baixos e adições de Ni e Mo.

Já os aços austeníticos têm um diferencial que é o alto teor de níquel, podendo chegar a 35%. A influência do níquel nessas ligas faz com que a fase austenita seja estável na temperatura ambiente, não, portanto, endurecíveis por têmpera. Como essa fase é CFC, ela apresenta maior tenacidade, sendo importante para aplicações criogênicas. Outro fator dessa fase é que ela torna o aço não magnético, conferindo melhor resistência à corrosão dessas três primeiras famílias, e a presença do níquel torna-as mais onerosas. Um grande problema de corrosão deles é o chamado de sensitização, ou seja, quando esses aços são expostos a temperaturas relativamente altas, na faixa de 500 a 800 ºC, o cromo pode se combinar com o carbono (apesar de seu valor ser baixo, <0,08%) e formar carboneto de cromo, retirando o cromo de sua função protetora, principalmente em contorno de grão. Como remediação, podem ser tomadas algumas medidas, como reduzir ao máximo o teor de carbono (<0,03%), conhecidos como classe L (low carbon), o 304L, por ex.; adicionar elementos de liga com maior afinidade com o carbono que o cromo, por ex., Ti, Nb, V; ou solubilizar a liga e resfriar rapidamente. Nesse grupo estão as ligas austeníticas, obtidas pelas adições de manganês e nitrogênio.

Por fim, os aços PH (abreviação de phase hardening - endurecimento por precipitação) que possuem resistência mecânica elevada por tratamento térmico (ao estilo dos martensíticos) e ótima resistência à corrosão (similar aos austeníticos). Isso se dá pela presença de níquel na liga e adições de elementos tipo cobre, alumínio, titânio e/ou tântalo, que promovem os precipitados por envelhecimento para endurecimento da liga após a têmpera. São Conhecidos por PH 17-4 ou PH 17-7 (primeiro valor se refere ao teor de cromo e o segundo ao níquel).

A norma americana AISI apresenta numeração dos aços inoxidáveis variando de 200 a 500, como consta na Tabela 7.

Aços Ferramentas

Os aços ferramentas são uma classe de aços que foram surgindo à medida da necessidade de melhores resultados na produtividade de fabricação dos mais diferentes produtos. São aços de alta liga projetados para serem utilizados na fabricação de ferramentas de corte, matrizes e moldes. Para atender esse destino, precisam exibir certas propriedades como elevada resistência mecânica, alta dureza e dureza a quente, resistência ao choque, alta tenacidade e resistência ao desgaste, entre outras. A fim de obter essas características, uma maior variedade e um maior percentual de elementos de liga são introduzidos, com o fim de por meio de tratamentos térmicos específicos possam atingir esses resultados.

Ao longo dos anos foram surgindo, devido a necessidade, várias ligas para atender a essa demanda. Hoje, conforme classificação segundo a AISI, os aços ferramentas são agrupados em famílias, que compreendem os aços rápidos (T, M), aços para trabalho a quente (H) e trabalho a frio (D), resfriados em água (W), resistentes ao choque (S), aços para moldes (P), resfriados ao ar (A), ao óleo (O) para fins especiais, entre outros, ver tabela 8 (SANTOS, 2015; COSTA e SILVA, MEI, 2006).

Aços rápidos são aços temperáveis ao ar, óleo ou banho de sal. Bastante usados como ferramentas de usinagem e pequenas matrizes. Possuem alto teor de tungstênio (até 20%) aliado sempre ao cromo (4%) e vanádio (1 a 4%), podendo ter ou não molibdênio e cobalto. Classificados em: ao tungstênio, ao tungstênio-cobalto, ao molibdênio e ao molibdênio- cobalto.

Aços para trabalho a quente são temperáveis em óleo ou ao ar e possuem altos teores de cromo, tungstênio e molibdênio, além de silício e vanádio. Apresentam médio carbono para suportar melhor impacto em condições de calor, abrasão, pressão em temperaturas de trabalho até 500 ºC na conformação e cisalhamento de metais.

Aços para trabalho a frio são temperáveis em óleo, de baixo ou alto teor de liga, os tipos temperáveis ao ar são de médio ou alto teor em liga. O cromo pode atingir valores como 12%, nestes aços o teor de carbono é elevado, atingindo 2,35%. São empregados em matrizes onde a matéria prima trabalha na temperatura ambiente.

Aços temperáveis em água são simplesmente ao carbono, ou com pequenos teores de vanádio, ou cromo, ou ambos.

Aços resistentes ao choque são temperáveis em óleo, possuem presença de silício em teores relativamente alto (até 2,00%) e baixos teores de cromo, molibdênio e tungstênio. Apresentam teor de carbono médio para garantir melhor tenacidade.

A seleção do aço ferramenta pode ter início pelo carbono e sua aplicação de acordo com a tabela 9.

Dependendo da classe do aço ferramenta, seu tratamento térmico poderá ser bem trabalhoso tendo-se o cuidado após têmpera com a presença de austenita retida e da necessidade de mais de um revenimento o que poderá acarretar em um aumento de dureza pelo chamado endurecimento secundário (SANTOS, 2015; COSTA e SILVA, MEI, 2006).