Centro Universitário Padre Anchieta Controle de Processos Químicos Ciência dos Materiais Prof Ailton 4- AÇOS CARBONO

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1 4- AÇOS CARBONO 4.1- INTRODUÇÃO De todos os materiais o aço carbono é, como veremos, o material de maior uso, sendo empregado na maioria dos equipamentos de processo, ficando a utilização de qualquer outro material restrita aos casos que não é possível o emprego do aço carbono. A razão é que o aço carbono, além de ser um material de fácil usinagem, de boa soldabilidade, de fácil obtenção e encontrado em todas as formas de apresentação, é o material metálico de menor preço em relação à sua resistência mecânica. Para mostrar a predominância do aço carbono, basta dizer que a produção desse material corresponde a 90% da soma da produção de todos os outros materiais metálicos. Em uma refinaria de petróleo típica, a percentagem em peso do aço carbono, no total de todos os equipamentos de processo é aproximadamente 95%. Os aços carbono são ligas metálicas de ferro e carbono, possuindo uma quantidade entre 0,05 e 2,0%, em peso, de carbono, contudo, na prática, a quantidade de carbono nunca supera o valor de 1,5%, sendo que nos equipamentos de processos a quantidade máxima de carbono é de 0,35%. Alem de ferro e carbono, esses aços podem conter pequenas quantidades de: manganês, enxofre, fósforo, alumínio e silício. De acordo com a norma NBR 6215 pode possuir elementos de liga em teores residuais máximos de Cr =0,20%, Ni =0,25%, Al 0,10%, B = 0,0030%, Cu = 0,35%. A resistência mecânica do aço carbono vai de 32 a 66kg/mm 2, seu limite de escoamento está entre 17 a 28kg/mm 2 e seu alongamento é de 18 a 35%. É lógico que os tratamentos térmicos e a deformação a frio podem ocasionar valores fora do intervalo acima. 4.2 EFEITO DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA As propriedades dos aços carbono são profundamente afetadas pelas variações de sua composição química. O aumento de carbono causa um aumento do LR (limite de resistência) do LE (limite de escoamento) e na temperabilidade (possibilidade de formação da estrutura metaestável martensita), na dureza, e diminui a ductilidade. O aumento da temperabilidade dificulta a solda devido ao endurecimento do material. Veja a figura 4.1. Observe que o tratamento térmico de normalização produz um aço com maior LR e LE e menos dúctil do que o tratamento térmico de recozimento. Como já havíamos estudado, podemos dizer que para uma mesma composição química, as chapas grossas do aço carbono possuem menores LR e LE pois as chapas finas sofrem um maior numero de passe de laminação, o que contribui para melhorar a resistência mecânica. Para uma mesma especificação de LR e LE as chapas grossas de aço carbono necessitam mais carbono (que as chapas finas) Veja a tabela

2 TABELA 4.1 Quantidade de carbono para um mesmo limite de resistência do aço carbono versus espessura do chapa Espessura < 25mm 25mm- 50mm- 100mm- > 200mm 50mm 100mm 200mm % de C 0,20% 0,22% 0,24% 0,26% 0,28% Como a soldabilidade e a temperabilidade do aço carbono é muito influenciada pela quantidade de carbono, adota-se na prática um índice denominado equivalente de carbono que é dado pela seguinte equação equivalente de C % Mn % Cr + % Mo + % V = % C % Ni + % Cu + 15 Para os aços com pequena quantidade de carbono (até 0,25%, aproximadamente) a soldabilidade é função principalmente do equivalente de carbono, sendo a soldagem tanto mais difícil quanto maior for esse índice. Recomenda-se que o equivalente de carbono seja sempre 32

3 menor que 0,45. Para aços com mais que 0,25% de carbono o fator predominante para a soldabilidade é a própria percentagem de carbono Influencia dos elementos de liga (teores residuais) a) Manganês (Mg): A adição do manganês resulta num aumento da dureza do material e na resistência mecânica do aço, com menor prejuízo para a soldabilidade e para a ductilidade do aço. O maior teor de Manganês no aço carbono é de 1,6%. Ainda o Mg combate o efeito nocivo do enxofre e aumenta a tenacidade do aço, promovendo uma diminuição da transição dúctil frágil. b) Alumínio (Al): O alumínio assim como o silício, não estão presentes em todos os aços, funcionam como desoxidantes, que se combinam com o oxigênio, removendo as bolhas de gás que se formam na solidificação do metal em fusão. Os aços totalmente desoxidados são chamados aços acalmados. Um aço semi acalmado tem uma quantidade insuficiente de Al ou Si para a desoxidação. c) Silício (Si): é usado como desoxidante do aço. Favorece sensivelmente a resistência mecânica (limite de escoamento e de resistência) e a resistência à corrosão, reduzindo porém a soldabilidade. d) Fósforo (P): aumenta o limite de resistência, favorece a resistência à corrosão e a dureza, prejudicando, contudo, a ductilidade e a soldabilidade. Quando ultrapassa certos teores, o fósforo torna o aço quebradiço. e) Enxofre (S): é extremamente prejudicial aos aços. Desfavorece a ductilidade, em especial o dobramento transversal, e reduz a soldabilidade. Nos aços comuns, o teor de enxofre é limitado a valores abaixo de 0,05%. f) Cobre (Cu): aumenta de forma sensível a resistência à corrosão atmosférica dos aços, em adições de até 0,35%. Aumenta também a resistência à fadiga, mas reduzem, de forma discreta, a ductilidade, a tenacidade e soldabilidade. g) Níquel (Ni): O níquel aumenta a resistência mecânica, a tenacidade e resistência à corrosão. Reduz a soldabilidade. h) Cromo (Cr): aumenta a resistência mecânica à abrasão e à corrosão atmosférica. Reduz, porém, a soldabilidade. O cromo melhora o desempenho do aço a temperaturas elevadas. i) Nióbio (Nb): é um elemento muito interessante, quando se deseja elevada resistência mecânica e boa soldabilidade; teores baixíssimos deste elemento permitem aumentar o limite de resistência e, de forma notória, o limite de escoamento. É um componente, quase obrigatório nos aços de alta resistência e baixa liga; além de não prejudicar a soldabilidade, permite a diminuição dos teores de carbono e de manganês, melhorando, portanto, a soldabilidade e a tenacidade. Entretanto, o seu efeito sobre a ductilidade é desfavorável. 33

4 j) Titânio (Ti): aumenta o limite de resistência, a resistência à abrasão e melhora o desempenho do aço a temperaturas elevadas. É utilizado também quando se pretende evitar o envelhecimento precoce. Podemos visualizar as mudanças nas propriedades mecânicas do aço carbono devido aos teores residuais de elementos de liga na tabela 4.2 TABELA SOLDABILIDADE E TRATAMENTOS TÉRMICOS Para os aços carbonos exigem-se os seguintes tratamentos térmicos e cuidado com a solda Pré-aquecimento a 110 O C e aquecimento entre os passes, em peças com espessura superior a 12mm, para qualquer aço e em qualquer espessura para os aços com teor de carbono acima de 0,30%. Quando a solda for em lugar de importância recomenda-se este tratamento térmico para qualquer espessura em aços com teor de carbono maior que 0,26%. O pré-aquecimento e o aquecimento destinam-se a diminuir a velocidade de resfriamento da solda possibilitando a liberação de hidrogênio e a não formação de martensita. Tratamentos térmicos de alivio de tensão a 600 O C para os casos i) Vasos de pressão (norma ASME, Seção VIII divisão I parágrafo UCS-56) (1) Espessuras até 50mm: tratamento durante 24min para cada 10mm de espessura com no mínimo 15min (2) Espessura acima de 50mm: tratamento obrigatório durante 2h acrescidos de 6min para cada 10mm de espessura acima de 50mm ii) Tubulações (norma ASME B-31.3): tratamento obrigatório para as espessuras acima de 19mm na proporção de 1h para cada 25mm de espessura. Emprego de eletrodos de baixo hidrogênio sempre que se tenha uma ou mais das seguintes condições: 34

5 i) Espessura igual ou maior que 25mm ii) Quantidade de carbono superior a 0,22% iii) Limite de escoamento do aço acima de 35mm Radiografia total das soldas importantes em partes com espessuras superiores a 30mm 4.4- EFEITOS DE ALTAS TEMPERATURA NOS AÇOS CARBONO De um modo geral pode-se dizer que o aumento da temperatura faz diminuir o limite de resistência dos materiais metálicos assim com seus limites de escoamento, dureza e o módulo de elasticidade. A variação do limite de escoamento e de dureza acompanha, aproximadamente o limite de resistência do material. Devido à diminuição do LR com o aumento de temperatura, todos materiais têm uma temperatura limite de emprego, acima da qual sua resistência está tão baixa que obriga a adotar espessuras muito grandes. A figura 4.2 mostra o gráfico do limite de resistência versus temperatura para alguns materiais, entre eles o aço carbono (índice 1). LR (kg/mm 2 ) Aço carbono (0,24% C) 2 Aço liga 1/2 % Mo 3 Aço liga 1 ¼ Cr ½ Mo 4 Aço liga 2 ¼ Cr 1 Mo 5 Aço liga 5 Cr ½ Mo 6 Aço inoxidável 410 e 430 (temp e revenido) 7 Aço inoxidável tipo Aço inoxidável tipo Incoloy 800H 10 Hasteloy Temperatura ( 0 C) Figura 4.2 Podemos observar que o máximo do limite de resistência para o aço carbono é alcançada na temperatura de 250 O C. Vale lembrar que a curva do limite de resistência versus temperatura depende da qualidade do aço, do processo de fabricação e dos tratamentos térmicos. Acima de 400 O C o limite de resistência diminui rapidamente com o aumento de temperatura. As deformações por fluência iniciam-se na temperatura de 370 O C. A temperatura de 35

6 formação de carepa para aços carbono expostos ao ar é 540 O C e à água é de 430 O C. Para meios altamente oxidantes a temperatura de formação de carepa pode ser muito menor. A utilização prolongada do aço em temperaturas superiores a 420 O C pode causar a corrosão seletiva denominada grafitização, que é a decomposição da cementita (carboneto de ferro Fe 3 C) e liberação de carbono livre na forma de grafite. Para temperaturas acima de 400 O C recomenda-se a utilização de aços totalmente acalmados (desoxidados). A desoxidação deve ser feita com o silício por este promover o aparecimento de grãos grossos em contrapartida do alumínio que diminui o tamanho dos grãos e favorece a grafitização. Recomendam-se os seguintes máximos de temperatura para os serviços com aços-carbono totalmente acalmados 450 O C: para as partes principais sujeitas a esforços no serviço contínuo 480 O C: para partes secundarias no serviço contínuo 520 O C: para peças sem grandes esforços e em curtos períodos. 4.5 EFEITO DAS BAIXAS TEMPERATURAS NOS AÇOS CARBONO Por os aços carbonos apresentarem uma estrutura metalúrgica cúbica de corpo centrado, esses apresentam a transição dúctil-frágil em baixas temperaturas. O aumento da concentração de carbono influencia a transição dúctil-frágil aumentando a faixa de transição como pode ser observado na figura 4.3. Para serviços em baixa temperatura recomenda-se a utilização do manganês até a concentração de 1,6% em peso, pois este desloca a curva de transição dúctil-frágil para menores temperaturas como pode ser observado na figura 4.4. A desoxidação também desloca a curva de transição dúctil-frágil para menores temperaturas sendo preferencial realizada com alumínio por este promover a diminuição dos grãos da estrutura metalúrgica. De forma geral é recomendado os seguintes cuidados com aços carbono em trabalhos a baixas temperaturas Menores que -45 O C: mesmo de curta duração, não utilizar aço carbono De -45 O C a 0 O C exigência de aços de baixo carbono, alto manganês, grão finos, normalizado e submetidos a testes de impacto. De 0 O C a 15 O C emprego de aços de grãos finos e submetidos a teste de impacto, pelo menos para peças com espessura maiores de 12mm Maiores de 15 O C teste de impacto para espessuras maiores que 50mm 36

7 figura 4.3 figura CORROSÃO NOS AÇOS CARBONOS. Como o ferro é um metal próximo da extremidade anódica da série galvânica, dificilmente haverá algum caso que o aço carbono não seja corroído. O aço carbono só apresenta boa resistência a corrosão quando: o meio é fortemente alcalino sem tensão o meio neutros desaerados em meios de total ausência de água ou umidade O contacto com a atmosfera ou qualquer outro meio contendo oxigênio, água ou umidade, produz no aço carbono uma forma de corrosão uniforme generalizada, conhecida como FERRUGEM. A ferrugem normalmente não passiva o aço, porque a camada de óxidos é altamente porosa e não impede o prosseguimento da corrosão. Em atmosferas não poluídas e com umidade inferior a 60%, pode-se admitir que o progresso da ferrugem é muito lento para a temperatura ambiente. Em geral, é obrigatório o uso de revestimento anticorrosão ou pintura em peças de aço carbono que esteja, em contacto com a atmosfera. A adição de pequenas quantidades de elementos de liga, tais como: Cromo, cobre, nióbio ou níquel, melhoram sensivelmente a resistência do aço à corrosão atmosférica, criando aços que dispensam pintura, denominados aços patináveis. Esses aços desenvolvem uma camada de oxido muito aderente e protetora que serve como revestimento. O contacto (do aço com o solo) pode resultar em um grave processo de corrosão uniforme e corrosão por pites perfurante. Por esse motivo é obrigatório que haja um revestimento protetor em qualquer peça de aço carbono enterrada ou em contacto com o solo. Para água doce, a corrosão é desprezível, desde que não existam minerais ou gases dissolvidos, e o ph seja superior a 8. Os cloretos e sulfetos são bastante agressivos, principalmente os cloretos oxidantes (férrico, cúprico etc). Acima do ph 11 geralmente ocorre a passivação do aço. Para águas salgada ou salobra, o aço carbono é inaceitável em qualquer caso, 37

8 devido a severa corrosão por pites e corrosão generalizada, assim nesses casos exige-se a utilização de revestimentos anticorrosivos ou pintura, ou ainda proteção catódica. O aço carbono pode ser empregado com vapor da água, até as temperatura indicadas no item 4.4. sendo a corrosão bastante baixa desde que haja um tratamento adequado da água de alimentação da caldeira. O condensado proveniente do vapor pode ser muito corrosivo para o aço carbono, quando há presença de CO 2 e formação de ácido carbônico 4.7 TIPOS DE AÇOS CARBONO Os aços carbono empregados para os equipamentos de processo podem ser classificados em seis tipos gerais que serão descritos a seguir Aço de baixo carbono composição química: C até o,25%, Mn até 0,90%, Si até 0,5% (alguns aços) limite de resistência: 32Kg/mm 2 < LR < 40Kg/mm 2 (1 Kg/mm 2 = 9,78 MPa) limite de escoamento: 17 Kg/mm 2 < LE < 20 Kg/mm 2 Alongamento máximo: 35% Qualidade: aços não acalmados ou semi acalmados Temperaturas limites: Serviço contínuo 350 o C Características: fácies de trabalho a frio, fácies de soldar Utilização: tubos de pequeno dímetro (até 4 ) Possível fragilidade em serviços abaixo de 10 O C Aço de médio carbono não acalmado composição química: C até o,3 5%, Mn até 1,20% limite de resistência: 40Kg/mm 2 < LR < 66Kg/mm 2 limite de escoamento: 20Kg/mm 2 < LE < 28Kg/mm 2 Alongamento máximo: 33% Qualidade: aços não acalmados de grão grosso Temperaturas limites: Serviço contínuo 400 o C Características: não tão fácies de trabalho a frio, soldas veja o item 4.2 Utilização: vasos de pressão, tubos de grande dímetro Possível fragilidade em serviços abaixo de 15 O C Aço de médio carbono acalmado composição química: C até o,3 5%, Mn até 1,60%, Si até 0,6% limite de resistência: 40Kg/mm 2 < LR < 66Kg/mm 2 limite de escoamento: 20Kg/mm 2 < LE < 28Kg/mm 2 Alongamento máximo: 33% Qualidade: aços acalmados Temperaturas limites: ver item 4.4 (estes aços são preferidos em temperaturas superiores a 400 O C) Características: não tão fácies de trabalho a frio, soldas veja o item Aços para baixa temperatura Os aços carbonos especiais para baixa temperatura costumam ter uma quantidade de carbono intermediaria entre os aços de baixo carbono e de médio carbono e qualidade mecânicas semelhantes aos aços de médio carbono, para tal a quantidade de Mn utilizada é um pouco maior (até 1,60%), compensando a diminuição de C. Alguns aços para baixa temperatura são acalmados 38

9 com Al que também refina os grãos e melhora a resistência ao impacto. Os aços com adição de alumínio não devem ser utilizados para temperaturas acima de 380 O C, pois resistem menos ao fenômeno de fluência e o alumínio incentiva a grafitização Aços de qualidade estrutural Denominam-se aços de qualidade estrutural, os aços destinados, principalmente para a construção de estruturas metálicas em geral. No campo dos equipamentos de processos, esses aços podem ser empregados como suportes e para peças internas ou externas, não sujeitas à pressão, e para tanques de armazenagem e outros vasos sem pressão. Os aços de qualidade estrutural não tem composição química completamente definida e, por essa razão, podem ter, as vezes, a quantidade de carbono relativamente alta, ficando difíceis de soldar. Não devem ser empregados em temperaturas inferiores a 0 O C e geralmente apresentam fragilidade abaixo de 15 O C. O limite recomendado de temperatura elevada para esses aços é 200 O C Aços carbono de alta resistência Os aços carbono de alta resistência são aços que após a laminação recebem o tratamento térmico de tempera e revenido. Este tratamento térmico aumenta sensivelmente o limite de resistência do material podendo alcançar os valores de 65kg/mm 2 (637MPa) e também o limite de escoamento e de dureza. A composição química desses aços se aproxima da composição química dos aços de baixo carbono, com a quantidade de manganês mais alta. Como a percentagem de carbono é baixa, a solda é muito fácil. Entretanto é bastante difícil manter as propriedades de alta resistência na regia próxima a solda, o que exige cuidados e tratamentos especiais. A maioria desses aços não é adequada para temperaturas elevadas (usualmente 200 O C) e são mais suscetíveis a corrosão sob tensão que os demais aços carbonos. Geralmente estes aços são empregados para vasos de altas pressões ou de grandes dimensões, e, também, para tanque de volumes muito grandes. 4.9 FORMAS DE APRESENTAÇÃO E LIMITES DE FABRICAÇÃO Para o emprego em equipamento de processo, os aços carbono podem ser encontrados sob várias formas de apresentação. Chapas grossas: espessura de 4,8mm a 50,8mm dimensões até 2438mm por 9144mm. De acordo com a norma P-EB-35 são as seguintes espessuras normalizadas usuais para chapa grossas.(tabela 4.3) 39

10 Tabela 4.3- espessuras normalizadas pela norma P-EB-35 em mm 6,30 8,00 9,50 12,50 16,00 19,00 22,40 25,00 31,50 37,50 50,00 63,00 75,00 100,00 Tabela 4.3 Chapas finas: espessuras até 4,8mm (3/16 ), dimensões de 1524mm(5 ) por 6096mm (20 ). As chapas finas são encontradas em formato retangular avulso ou como bobinas Barras: redondas até 7 de diâmetro; retangulares até 12 x 1, e quadradas até 6 x 6. Perfis: duplo T dimensões até 20 x 7, peso até 148kg/m; perfil [ dimensões até 15 x 3 3/8 peso até 82kg/m cantoneiras de abas iguais e cantoneiras de abas diferentes. Tubos sem costura diâmetro nominal ate 14, peso ate 120kg/m 1848kg/m Tubos com costura: grande variedade de diâmetro e pesos até 54 de diâmetro e Chapas cladeadas para serviços corrosivos. 4.9 ESPECIFICAÇÕES COMERCIAIS DE AÇOS CARBONO Todas as designações numéricas referem-se a especificação da ASTM (American society for testing and Materials), exceto a especificação API-5L de tubos para condução, que é dado pelo API (American Petroleum Institute). A tabela 4.4 mostra uma relação das especificações comerciais dos aços carbonos para diversos tipos e formatos. 40

11 Anexo A Tipos de aço e sua classificação Os vários tipos de aços utilizados na industria da construção mecânica podem ser classificados com o sistema de codificação SAE/AISI que usa em geral quatro algarismos na forma ABXX onde: A e B - números que identificam os principais elementos de liga presentes no aço e seus teores dados em porcentagem de peso. XX - indicam a porcentagem em peso de carbono do aço dividido por 100. Isso significa dizer que um aço identificado como 1045 contém 0,45 % em peso de carbono em sua composição química. Quando a letra B aparece entre os dois primeiros números e os dois últimos indica que o aço tem um teor de boro no mínimo 0,0005% em peso (o boro, quanto presente no aço em teores muito baixos, facilita a têmpera do aço, aumentando a sua resistência). Quando o teor de carbono excede 1% o sistema admite a utilização de cinco algarismos. O aço prata, utilizado principalmente na fabricação de anéis, esferas e roletes de rolamentos, pois apresenta uma dureza elevada, é codificado como o que corresponde a, 1,5% Cr e 1% de carbono. Designação SAE AISI TIPO DE AÇO 10XX C10XX Aços carbono comuns 11XX C11XX Aços de usinagem (ou corte) fácil, com alto S 13XX 13XX Aço manganês com 1,75% de Mn 23XX 23XX Aços Níquel com 3,5% de Ni 25XX 25XX Aços Níquel com 5,0% de Ni 31XX 31XX Aços Níquel Cromo com 1,25% de Ni e 0,65% de Cr 33XX E33XX Aços Níquel Cromo com 3,5 % de Ni e 1,55 Cr 40XX 40XX Aços Molibdênio com 0,25% de Mo 41XX 41XX Aços Cromo Molibdênio com 0,50% ou 0,90% de Cr e 0,12% ou 0,20% de Mo 43XX 43XX Aços Níquel cromo com molibdênio com 1,80% de Ni e 0,20% ou 0,25% de Mo 46XX 46XX Aços Níquel Molibdênio com 1,55% ou 1,80% de Ni e 0,20% ou 0,25% de Mo 47XX 47XX Aços Níquel Cromo Molibdênio com 1,05%de Ni, 0,45% de Cr e 0,20 de Mo 48XX 48XX Aços Níquel Molibdênio com 3,5 % de Ni e 0,25% de Mo 50XX 50XX Aços cromo com 0,28% ou 0,65% de Cr 50BXX 50BXX Aços cromo boro com baixo teor de Cr e no mínimo 0,0005% de B 51XX 51XX Aços cromo com 0,80 a 1,05% de Cr 61XX 61XX Aço cromo vanádio com 0,8 ou 0,95% de Cr a 0,1% ou 0,15% de v 86XX 86XX Aços níquel molibdênio com baixos teores de Ni, Cr e Mo 87XX 87XX Idem 92XX 92XX Aço silício manganês com 0,85% de Mn e 2,0% de Si 93XX 93XX Aços silício manganês com 3,25% de Ni, 1,20% de Cr e 0,12% de Mo 94BXX 94BXX Aço níquel cromo molibdênio com baixos teores de Ni, Mo e no mínimo 0,0005% de B 98XX 98XX Aço níquel cromo molibdênio com 1,0% de Ni,0,80 de Cr e 0,25% de Mo Sistema de codificação SAE/AISI 41

12 Exemplos de classificação de aços Sistema de classificação AISI /SAE 1XXX - aço sem liga aço sem liga com 0,45C aço de corte fácil com 0,45C (com Mn S) aço de elevada resistência com 0,45C e 1,75Mn 2XXX - aço ao Ni aço com 0,45C e 3,5Ni aço com 0,45C e 5,0Ni 3XX - aço austenítico resistente à corrosão ou refractário 3XXX - aço ao Cr Ni aço com 0,45C 1,25Ni e 0,60Cr aço com 0,45C 1,75Ni e 1,0Cr aço com 0,45C 3,50Ni e 1,55Cr 4XX - aço ferrítico ou martensítico resistente à corrosão ou refractário 4XXX - aço ao Mo aço com 0,45C e 0,25Mo aço com 0,45C 0,50 ou 0,95Cr e 0,25Mo aço com 0,45C 1,80Ni 0,50 ou 0,80Cr e 0,25Mo aço com 0,45C 1,80Ni e 0,25Mo aço com 0,45C 3,5Ni e 0,25Mo 5XXXX - aço ao Cr aço com 1C e 0,50Cr aço com 1C e 1,00Cr aço com 1 C e 1,45Cr 6XXX - aço ao Cr V Sistema de abreviatura DIN C45 - aço sem liga com 0,45C Ck 45 - semelhante ao anterior mas de qualidade superior, dito aço especial 45CrMo 4 - aço fracamente ligado com 0,45C 1Cr e Mo não quantificado X200Cr12 - aço fortemente ligado com 2C 12Cr 42