Tratamentos térmicos de aços inoxidáveis

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1 Tratamentos térmicos de aços inoxidáveis

2 Aços inoxidáveis Aços de alta liga contendo ao menos 10% Cr Originados no início do século XX Stainless Steel Aço sem mancha Principal característica: resistência a corrosão devida a formação de uma camada de PASSIVAÇÃO - Filme de óxido de cromo (Cr 2 O 3 ) insolúvel na superfície do metal - A camada é muito fina para ser vista - Se forma quando em contato com O 2 e é impermeável à agua e ao ar - Se danificada, ela é reformada rapidamente - Susceptíveis a sensitização, corrosão por pitting, frestas e ambientes ácidos - A passivação pode ser melhorada adicionando-se Ni, Mo e V

3 Aços inoxidáveis Utilizados na indústria de alimentos: utensílios, transporte, tanques de armazenamento Equipamento cirúrgicos Indústria aeroespacial Equipamentos industriais diversos (PETRÓLEO) e indústria automobilística

4 Aços inoxidáveis F-35 Joint Strike Fighter (JSF) Lightning II, built by Lockheed Martin airframe 17-7 PH 600 series SS

5 Aços inoxidáveis Tonéis da fábrica da Heineken em Jacareí SP

6 Aços inoxidáveis Elementos estabilizadores da ferrita (Ferritizantes) Cr eq = [%Cr + %Mo + (1,5 x %Si) + (0,5 x %Nb)] Elementos estabilizadores da austenita (Austenitizantes) Ni eq = [%Ni + (30 x %C) + (0,5 x %Mn)]

7 Aços inoxidáveis Tipos: Austeníticos Martensíticos Ferríticos Duplex Endurecíveis por precipitação (PH) Aços Maraging (Martensíticos endurecíveis por precipitação) Resistência a corrosão Austeníticos (~25% Cr, alto Ni) Ferríticos(~15% Cr) Martensíticos (~12% Cr, porém os mais resistentes mecanicamente)

8 Aços inoxidáveis Classificação AISI: Mais de 150 ligas de aços inoxidáveis diferentes Série 200 = Cr, Ni, Mn (austeníticos) Série 300 = Cr, Ni (austeníticos) Série 400 = Somente Cr (Ferríticos/martensíticos) Série 500 = Baixo Cr (<12%, Martensíticos) Série 600 = Endurecíveis por precipitação PH (17-7 PH, 17-4 PH e 15-5 PH)

9 Aços inoxidáveis austeníticos Ligas Fe-Cr-Ni (Cr entre 16-30%, Ni entre 8-35% e C<0,08%) Após tratamento adequado: 100% matriz austenítica. Não são endurecíveis por têmpera e (normalmente) por precipitação. Mais produzidos (cerca de 70%) Não magnéticos, dúcteis, tenazes, porém são os mais caros (alto %Ni)

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11 Aços inoxidáveis austeníticos

12 Aços inoxidáveis austeníticos O principal tratamento térmico dos aços inoxidáveis austeníticos é a solubilização, que consiste em um recozimento em altas temperaturas ( C) seguido de resfriamento rápido em água ou ao ar. Função: aumento de resistência a corrosão intragranular (evitar sensitização).

13 Aços inoxidáveis austeníticos Objetivo da solubilização: aumento de resistência a corrosão intragranular (evitar a sensitização). M 23 C 6 precipitado em contorno de grão

14 Aços inoxidáveis austeníticos Não sensitizado Corrosão no contorno de grão Sensitizado

15 Aços inoxidáveis austeníticos Outros tratamento relevante: Estabilização: favorece a precipitação de outros carbonetos menos estáveis que o M 23 C 6, mas que removem menos Cr da matriz, reduzindo o efeito de sensitização (MC e M 7 C 3 ). Após a solubilização, recozer o aço em temperaturas entre 845 e 955 C por cerca de 5h.

16 Aços inoxidáveis martensíticos Ligas Fe-Cr (11-18%) e %C 0,1-1,2. >%Cr >%C (para estabilizar a austenita) São equivalentes aos aços para têmpera e revenimento O teor de Cr mais elevado que os aços comuns confere, além da resistência a corrosão, maior resistência ao amolecimento Supermartensíticos: %C<0,05 baixos teores de elementos residuais. Martensíticos-austeníticos: teores de Ni suficientes para promover estabilização parcial de austenita bem como transformação martensítica.

17 Aços inoxidáveis martensíticos Baixo carbono para turbinas estrutura acicular martensítica Médio carbono para cutelaria estrutura martensítica muito fina Alto carbono resistentes ao desgastes estrutura martensítica ultrafina contendo carbonetos primários

18 Aços inoxidáveis martensíticos As composições interceptam o campo austenítico permitindo endurecimento por têmpera.

19 Aços inoxidáveis martensíticos AISI 410 TÊMPERA: austenitização entre 925 C e 1100 C (dependendo do teor de Cr e C) resfriamento em óleo ou ao ar. Pré-aquecimento prévio à C para evitar fissuras e empenamentos em peças com secções finas e cantos vivos (baixa condutividade térmica destes aços). Alto teor de Cr: promove elevada temperabilidade (resfriamentos ao ar e em óleo suficientes)

20 Aços inoxidáveis martensíticos Temperatura de REVENIMENTO depende da dureza final desejada. Dureza do revenido: 25 à 56 HRC (dependendo da temperatura e elementos de liga) Faixa típica C Dureza máxima 60 HRC (mais alto carbono) AISI 410 AISI 410 (TP+RV/20 HRC) Durezas baixas podem ser atingidas na faixa entre C: 25 HRC AISI 420 (TP+RV/20 HRC)

21 Aços inoxidáveis martensíticos RECOZIMENTO: para quando se faz necessário conformação mecânica severa. Temperaturas de recozimento variam de 750 a 900 C por tempos de 2 a 4h, seguido de resfriamento lento. Tempos totais de tratamentos muito longos (devido ao resfriamento lento) AISI 410 recozido Propriedades de alguns aços inoxidáveis martensíticos no estado recozido

22 Aços inoxidáveis ferríticos Contém teores de Cr entre 10,5-27%p. Pequenas adições de Ni e Mo Tipos: 405, 430, 430F, 446, 502 Magnéticos Apresentam menores resistências que os austeníticos Baratos

23 Aços inoxidáveis ferríticos

24 Aços inoxidáveis ferríticos O único tratamento térmico dos aços inoxidáveis ferríticos é o RECOZIMENTO (ou SOLUBILIZAÇÃO), seguidos em alguns casos por um TRATAMENTO DE ALÍVIO DE TENSÕES que confere as melhores características de baixa dureza, ductilidade e resistência a corrosão através de uma microestrutura ferrítica, podendo apresentar carbonetos dispersos,, livre de intermetálicos deletérios. Tipo Temperatura ( C) Tratamento Meio de resfriamento Água ou Ar Água ou Ar Forno C/h até 593 C; depois ao ar 430F Água ou Ar Água ou Ar

25 Aços inoxidáveis ferríticos Estes aços apresentam um fenômeno chamado de FRAGILIDADE A 475 C, quando expostos a temperaturas na faixa entre 400 e 525 C por longos períodos ou quando resfriados lentamente, que refletem na diminuição da resistência ao impacto. Causa da diminuição da tenacidade: precipitação de fase α (ferrita altamente liga ao cromo). Tamanho: 20 à 200 angstrons. Medidas: prevenção ou recozimento em temperaturas bem acima de 475 C seguido sempre de resfriamento rápido.

26 Aços inoxidáveis ferríticos A fase sigma é a principal fase deletéria destes aços por se precipitar no contorno de grão, reduzindo a resistência mecânica do aço, bem como promovendo SENSITIZAÇÃO (redução localizada da resistência à corrosão). Com o tratamento promove-se a solubilização de fases deletérias as propriedades mecânicas e a resistência a corrosão como as fases sigma (σ- FeCr) e chi (χ-fe30cr18mo4). A precipitação destas fases é evitada através de resfriamento pós-solubilização.

27 Aços inoxidáveis duplex (ferríticos-austeníticos) Composições balanceadas combinadas com tratamento térmico adequado fornecem uma microestrutura composta por ferrita e austenita (50-50%) Composições típicas: 18% Cr 28%, 2,50% Ni 8% 1% Mo 5% Baixo carbono: 0,01% C 0,08% Alto carbono: 0,3% C 0,5%

28 Aços inoxidáveis duplex (ferríticos-austeníticos) Resistências a corrosão intermediárias aos ferríticos e austeníticos, porém com menor teor de Ni (reduzindo custos) Apresentam mais que dobro do limite de escoamento dos austeníticos convencionais e maior resistência ao impacto que os ferríticos. Aço duplex S2205 solubilizado Aço duplex 6A fundido solubilizado Seção do diagrama ternário Fe- Cr-Ni com 65% em peso de Fe.

29 Aços inoxidáveis duplex (ferríticos-austeníticos) Devido aos teores de Cr e Mo estes aços estão sujeiros a três tipos de fragilização: Fragilização devido a formação de rede de carbonetos na austenita (para liga de alto C) (sensitização) Fragilização devido a precipitação de α (475 C) Fragilização devido a precipitação de fase sigma (σ)

30 Aços inoxidáveis duplex (ferríticos-austeníticos) Curvas de transformação isotérmica de precipitação em aço 2505 após solubilização a 1050 C, comparada com as dos aços 2507 e Efeito do teor de molibdênio na precipitação das fases sigma e chi em Fe-28%Cr. Tratamento típico: solubilização à 1050 C, seguido de resfriamento em água.

31 Aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação (PH) Aços com alto teores de Ni e Mo, e com baixíssimos teores de carbono. Apresentam resistências mecânicas muito altas, razoável tenacidade e resistência a corrosão superior aos martensíticos convencionais. São classificados de acordo com a microestrutura da matriz após a solubilização, podendo ser: austeníticos, semi-austeníticos e martensíticos. F-35 Joint Strike Fighter (JSF) Lightning II, built by Lockheed Martin airframe 17-7 PH 600 series SS O efeito endurecedor é consequência da precipitação de carbonetos e intermetálicos de elementos adicionados para essa finalidade. Principais elementos: Ti, Al, Nb, V e Cu.

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33 Aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação (PH) Fases precipitadas Ricas em Ni e Al: γ -Ni 3 (Al,Ti), Ni 3 Ti, β-nial Laves de Fe, Mo e Nb: Fe 2 (Mo,Nb) Ricas em cobre Nitretos: Cr 2 N Carbonetos e carbonitretos ricos em Ti e Nb. Principais: fases ricas em Ni tipo Ni 3 M (M= Al, Ti, Nb ou Mo). Alguns precipitados (ex.: NiAl em PH 13-8 Mo) são coerentes, muito finos (70 Angstrons) e mesmo quando precipitados em altas temperaturas por longos períodos são bastante resistentes ao coalescimento. Precipitação de carbonetos finos nas ilhas de ferrita em aço PH 15-5 após tempera e envelhecimento (40 HRC).

34 Aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação (PH) 17-4 PH (AISI 630) Solubilizado (1050 C/1h): Martensita + ferrita (minoritária) Envelhecido à 595 C / 4h: Precipitados de Cu na martensita Estado Ciclo realizado RT (MPa) LE (MPa) A (%) (HRC) Solubilizado 1035 C/30 min, óleo Envelhecido 465 /1 h, ar

35 Aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação (PH) 17-4 PH (AISI 630)

36 Aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação (PH)

37 Aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação (PH)

38 Aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação (PH) Alternativa ao tratamento sub-zero: Condicionamento da Austenita tratamento isotérmico à 760 C / 2,5 h: Promove precipitação de Cr 23 C 6 na austenita, removendo carbono desta e aumentando a temperatura M i e M f.

39 Aços maraging (MARtensite+AGE hardening) São aços endurecidos por reações que NÃO envolvem carbono. Mecanismo de aumento de dureza: PRECIPITAÇÃO DE INTERMETÁLICOS EM UMA MATRIZ MARTENSÍTICA. Diferente dos aços inoxidáveis, os maraging não apresentam Cr em sua composição. Principal elemento de liga: Ni (resistência à corrosão/oxidação) Blocos empacotados de martensitas em ripa em aço maraging 18 Ni (250)

40 Aços maraging (MARtensite+AGE hardening) Teor de carbono máximo = 0,03%

41 Aços maraging (MARtensite+AGE hardening) Mecanismo de endurecimento: Formação de clusters de ricos em ferro e cobalto e/ou ricos em níquel Precipitação de Ni 3 M (M = Mo, Ti, Al) Precipitação de Fases de Laves (Fe 2 Mo) Precipitação mais atuante: precipitação coerente de Ni 3 Mo em agulhas de 25x500 Angstroms

42 Aços maraging (MARtensite+AGE hardening) 18Ni (300) solubilizado e envelhecido - a) ripas de martensita alinhadas, b) discordâncias emaranhadas com agulhas de Ni3(Mo,Ti) muito finas dispersas, c) precipitados em forma de agulha de Ni3(Mo,Ti).

43 Aços maraging (MARtensite+AGE hardening) O tratamento dos aços maraging consiste de SOLUBILIZAÇÃO, seguida de ENVELHECIMENTO. SOLUBILIZAÇÃO: Recozimento em cerca de 820 C, seguido de resfriamento ao ar. PRODUTO DA SOLUBILIZAÇÃO: Martensita CCC de Fe-Ni, muito dúctil e tenaz (devido ao baixíssimo teor de carbono), sem precipitados. Dureza: HRC.

44 Aços maraging (MARtensite+AGE hardening) Temperatura ideal típica de envelhecimento: 480 C Dureza do aço maraging 18Ni(250) contra o tempo de envelhecimento para várias temperaturas de envelhecimento.

45 Tratamento A: solubilização por 1h a 820 C envelhecido por 3h em 480 C. Tratamento B: solubilização por 1h a 820 C envelhecido por 12h em 480 C. Tratamento C: recozimento por 1h a 1150 C envelhecimento por 1 h a 595 C solubilização a 1h a 820 C envelhecido 3h a 480 C.

46 Tenacidade à fratura de aços maraging comparados vários aços de ultra alta resistência em função da resistência à tração.