Aço inoxidável -Stainless steel

O aço inoxidável é usado para equipamentos industriais quando é importante que o equipamento dure e possa ser mantido limpo

O aço inoxidável , originalmente chamado de aço sem ferrugem , é qualquer um de um grupo de ligas ferrosas que contém um mínimo de aproximadamente 11% de cromo , uma composição que evita que o ferro enferruje e também fornece propriedades resistentes ao calor. Diferentes tipos de aço inoxidável incluem os elementos carbono , nitrogênio , alumínio , silício , enxofre , titânio , níquel , cobre , selênio , nióbio e molibdênio .. Tipos específicos de aço inoxidável são frequentemente designados por seu número AISI de três dígitos, por exemplo, inoxidável 304 . O padrão ISO 15510 lista as composições químicas de aços inoxidáveis ​​das especificações existentes nos padrões ISO, ASTM , EN , JIS e GB em uma tabela de intercâmbio útil.

A resistência do aço inoxidável à ferrugem resulta da presença de cromo na liga, que forma uma película passiva que protege o material subjacente do ataque de corrosão e pode se autocurar na presença de oxigênio. A resistência à corrosão pode ser aumentada ainda mais pelos seguintes meios:

  • aumentar o teor de cromo para mais de 11%
  • adicionar níquel a pelo menos 8%
  • adicionar molibdênio (que também melhora a resistência à corrosão por pite )

A adição de nitrogênio também melhora a resistência à corrosão por pites e aumenta a resistência mecânica. Assim, existem vários graus de aço inoxidável com diferentes teores de cromo e molibdênio para se adequar ao ambiente que a liga deve suportar.

Resistência à corrosão e manchas, baixa manutenção e brilho familiar tornam o aço inoxidável um material ideal para muitas aplicações onde tanto a resistência do aço quanto a resistência à corrosão são necessárias. Além disso, o aço inoxidável pode ser laminado em folhas , placas, barras, fios e tubos. Estes podem ser usados ​​em utensílios de cozinha , talheres , instrumentos cirúrgicos , grandes eletrodomésticos , veículos, material de construção em grandes edifícios, equipamentos industriais (por exemplo, em fábricas de papel, fábricas de produtos químicos , tratamento de água ) e tanques de armazenamento e caminhões-tanque para produtos químicos e alimentos.

A capacidade de limpeza biológica do aço inoxidável é superior tanto ao alumínio quanto ao cobre, possuindo uma capacidade de limpeza biológica comparável ao vidro. Sua capacidade de limpeza, força e resistência à corrosão levaram ao uso de aço inoxidável em plantas farmacêuticas e de processamento de alimentos.

Propriedades

Como o aço, os aços inoxidáveis ​​são um condutor de eletricidade relativamente ruim, com condutividade elétrica significativamente menor do que o cobre. Em particular, a resistência de contato elétrico (ECR) do aço inoxidável surge como resultado da densa camada protetora de óxido e limita sua funcionalidade em aplicações como conectores elétricos. Ligas de cobre e conectores revestidos de níquel tendem a apresentar valores de ECR mais baixos e são os materiais preferidos para tais aplicações. No entanto, os conectores de aço inoxidável são empregados em situações em que o ECR apresenta critérios de projeto mais baixos e a resistência à corrosão é necessária, por exemplo, em altas temperaturas e ambientes oxidantes.

Tal como acontece com todas as outras ligas, o ponto de fusão do aço inoxidável é expresso na forma de uma faixa de temperaturas, e não em uma temperatura singular. Essa faixa de temperatura vai de 1400 (2550) a 1530°C (2790°C), dependendo da consistência específica da liga em questão.

Os aços inoxidáveis ​​martensíticos e ferríticos são magnéticos . O aço ferrítico consiste em cristais de ferrite, uma forma de ferro com até 0,025% de carbono. Devido à sua estrutura cristalina cúbica, o aço ferrítico absorve apenas uma pequena quantidade de carbono, que consiste em um ferro em cada canto e um átomo de ferro central. O átomo central é responsável por suas propriedades magnéticas. Grades com baixo campo coercitivo foram desenvolvidas para eletroválvulas utilizadas em eletrodomésticos e para sistemas de injeção em motores de combustão interna. Algumas aplicações requerem materiais não magnéticos, como ressonância magnética . Os aços inoxidáveis ​​austeníticos recozidos geralmente não são magnéticos , embora o endurecimento por trabalho possa tornar os aços inoxidáveis ​​austeníticos formados a frio ligeiramente magnéticos. Às vezes, se o aço austenítico for dobrado ou cortado, o magnetismo ocorre ao longo da borda do aço inoxidável porque a estrutura cristalina se reorganiza.

Permeabilidade magnética de alguns tipos de aço inoxidável austenítico após recozimento 2 horas a 1050  °C
nota EN Permeabilidade magnética, μ
1,4307 1.056
1,4301 1.011
1,4404 1.100
1,4435 1.000

Galling , às vezes chamado de soldagem a frio, é uma forma de desgaste adesivo severo, que pode ocorrer quando duas superfícies metálicas estão em movimento relativo entre si e sob forte pressão. Os fixadores de aço inoxidável austenítico são particularmente suscetíveis ao desgaste das roscas, embora outras ligas que autogeram uma película protetora de óxido na superfície, como alumínio e titânio, também sejam suscetíveis. Sob deslizamento de alta força de contato, este óxido pode ser deformado, quebrado e removido de partes do componente, expondo o metal reativo nu. Quando as duas superfícies são do mesmo material, essas superfícies expostas podem se fundir facilmente. A separação das duas superfícies pode resultar em rasgos na superfície e até mesmo emperramento completo de componentes metálicos ou fixadores. O desgaste pode ser mitigado pelo uso de materiais diferentes (bronze contra aço inoxidável) ou pelo uso de diferentes aços inoxidáveis ​​(martensítico contra austenítico). Além disso, as juntas rosqueadas podem ser lubrificadas para fornecer uma película entre as duas partes e evitar escoriações. O Nitronic 60, feito por liga seletiva com manganês, silício e nitrogênio, demonstrou uma tendência reduzida à formação de galhas.

História

Um anúncio, como apareceu no New York Times de 1915 , do desenvolvimento do aço inoxidável em Sheffield , Inglaterra.

A invenção do aço inoxidável seguiu uma série de desenvolvimentos científicos, começando em 1798, quando o cromo foi mostrado pela primeira vez à Academia Francesa por Louis Vauquelin . No início de 1800, os cientistas britânicos James Stoddart, Michael Faraday e Robert Mallet observaram a resistência das ligas de cromo-ferro ("aços de cromo") aos agentes oxidantes . Robert Bunsen descobriu a resistência do cromo a ácidos fortes. A resistência à corrosão das ligas de ferro-cromo pode ter sido reconhecida pela primeira vez em 1821 por Pierre Berthier , que notou sua resistência ao ataque de alguns ácidos e sugeriu seu uso em talheres.

Na década de 1840, tanto as siderúrgicas de Sheffield da Grã-Bretanha quanto a Krupp da Alemanha estavam produzindo aço cromo com o último empregando-o para canhões na década de 1850. Em 1861, Robert Forester Mushet patenteou o aço cromo na Grã-Bretanha.

Esses eventos levaram à primeira produção americana de aço contendo cromo por J. Baur da Chrome Steel Works of Brooklyn para a construção de pontes. Uma patente nos EUA para o produto foi emitida em 1869. Isto foi seguido com o reconhecimento da resistência à corrosão das ligas de cromo pelos ingleses John T. Woods e John Clark, que notaram faixas de cromo de 5 a 30%, com adição de tungstênio e "médio carbono". Eles buscaram o valor comercial da inovação através de uma patente britânica para "Weather-Resistant Alloys".

No final da década de 1890, o químico alemão Hans Goldschmidt desenvolveu um processo aluminotérmico ( térmite ) para a produção de cromo sem carbono. Entre 1904 e 1911, vários pesquisadores, principalmente Leon Guillet da França, prepararam ligas que hoje seriam consideradas aço inoxidável.

Em 1908, a empresa de Essen Friedrich Krupp Germaniawerft construiu o veleiro Germania de 366 toneladas com um casco de aço cromo-níquel na Alemanha. Em 1911, Philip Monnartz relatou a relação entre o teor de cromo e a resistência à corrosão. Em 17 de outubro de 1912, os engenheiros da Krupp Benno Strauss e Eduard Maurer patentearam como Nirosta o aço inoxidável austenítico conhecido hoje como 18/8 ou AISI Tipo 304.

Desenvolvimentos semelhantes estavam ocorrendo nos Estados Unidos, onde Christian Dantsizen da General Electric e Frederick Becket (1875-1942) da Union Carbide estavam industrializando aço inoxidável ferrítico. Em 1912, Elwood Haynes solicitou uma patente nos EUA para uma liga de aço inoxidável martensítico, que não foi concedida até 1919.

Harry Brearley

Monumento a Harry Brearley no antigo Laboratório de Pesquisa Brown Firth em Sheffield , Inglaterra

Enquanto procurava uma liga resistente à corrosão para canos de armas em 1912, Harry Brearley do laboratório de pesquisa Brown-Firth em Sheffield, Inglaterra, descobriu e posteriormente industrializou uma liga de aço inoxidável martensítico , hoje conhecido como AISI Tipo 420. A descoberta foi anunciada há dois anos mais tarde, em um artigo de jornal de janeiro de 1915 no The New York Times .

O metal foi posteriormente comercializado sob a marca "Staybrite" por Firth Vickers na Inglaterra e foi usado para o novo dossel de entrada para o Savoy Hotel em Londres em 1929. Brearley solicitou uma patente nos EUA em 1915 apenas para descobrir que Haynes já havia registrado um . Brearley e Haynes reuniram seus fundos e, com um grupo de investidores, formaram a American Stainless Steel Corporation, com sede em Pittsburgh , Pensilvânia.

Aço sem ferrugem

Brearley inicialmente chamou sua nova liga de "aço sem ferrugem". A liga foi vendida nos EUA sob diferentes marcas como "Allegheny metal" e "Nirosta steel". Mesmo dentro da indústria metalúrgica, o nome permaneceu incerto; em 1921, um jornal de comércio o chamou de "aço insustentável". Brearley trabalhou com um fabricante de talheres local, que lhe deu o nome de "aço inoxidável". Ainda em 1932, a Ford Motor Company continuou chamando a liga de aço inoxidável em materiais promocionais de automóveis.

Em 1929, antes da Grande Depressão, mais de 25.000 toneladas de aço inoxidável eram fabricadas e vendidas nos EUA anualmente.

Grandes avanços tecnológicos nas décadas de 1950 e 1960 permitiram a produção de grandes tonelagens a um custo acessível:

Tipos

Existem cinco famílias principais, que são classificadas principalmente por sua estrutura cristalina : austenítica, ferrítica, martensítica, duplex e endurecimento por precipitação.

Austenítico

O aço inoxidável austenítico é a maior família de aços inoxidáveis, representando cerca de dois terços de toda a produção de aço inoxidável. Eles possuem uma microestrutura austenítica, que é uma estrutura cristalina cúbica de face centrada . Essa microestrutura é obtida pela liga de aço com níquel e/ou manganês e nitrogênio suficientes para manter uma microestrutura austenítica em todas as temperaturas, desde a região criogênica até o ponto de fusão. Assim, os aços inoxidáveis ​​austeníticos não são endurecíveis por tratamento térmico, pois possuem a mesma microestrutura em todas as temperaturas.

Os aços inoxidáveis ​​austeníticos podem ser subdivididos em dois subgrupos, série 200 e série 300:

  • A série 200 são ligas de cromo-manganês-níquel que maximizam o uso de manganês e nitrogênio para minimizar o uso de níquel. Devido à sua adição de nitrogênio, eles possuem aproximadamente 50% maior resistência ao escoamento do que as chapas de aço inoxidável da série 300.
    • O tipo 201 é endurecível por trabalho a frio.
    • O tipo 202 é um aço inoxidável de uso geral. A diminuição do teor de níquel e o aumento do manganês resultam em fraca resistência à corrosão.
  • A série 300 são ligas de cromo-níquel que atingem sua microestrutura austenítica quase que exclusivamente por liga de níquel; alguns graus de liga muito alta incluem nitrogênio para reduzir as necessidades de níquel. A série 300 é o maior grupo e o mais utilizado.
    • Tipo 304 : O grau mais conhecido é o Tipo 304, também conhecido como 18/8 e 18/10 por sua composição de 18% de cromo e 8% ou 10% de níquel, respectivamente.
    • Tipo 316 : O segundo aço inoxidável austenítico mais comum é o Tipo 316. A adição de 2% de molibdênio proporciona maior resistência a ácidos e corrosão localizada causada por íons cloreto. Versões de baixo carbono, como 316L ou 304L, possuem teores de carbono abaixo de 0,03% e são usadas para evitar problemas de corrosão causados ​​por soldagem.

Ferrítico

Os aços inoxidáveis ​​ferríticos possuem uma microestrutura de ferrita como o aço carbono, que é uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado , e contém entre 10,5% e 27% de cromo com muito pouco ou nenhum níquel. Esta microestrutura está presente em todas as temperaturas devido à adição de cromo, de modo que não são endurecíveis por tratamento térmico. Eles não podem ser reforçados por trabalho a frio no mesmo grau que os aços inoxidáveis ​​austeníticos. Eles são magnéticos. Adições de nióbio (Nb), titânio (Ti) e zircônio (Zr) ao Tipo 430 permitem boa soldabilidade. Devido à quase ausência de níquel, eles são mais baratos que os aços austeníticos e estão presentes em muitos produtos, que incluem:

  • Tubos de escape de automóveis (Tipo 409 e 409 Cb são usados ​​na América do Norte; graus estabilizados Tipo 439 e 441 são usados ​​na Europa)
  • Aplicações arquitetônicas e estruturais (Tipo 430, que contém 17% Cr)
  • Componentes de construção, como ganchos de ardósia, telhados e dutos de chaminé
  • Placas de energia em células de combustível de óxido sólido operando a temperaturas em torno de 700 ° C (1.292 ° F) (ferríticos com alto teor de cromo contendo 22% Cr)

martensítico

Os aços inoxidáveis ​​martensíticos têm uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado e oferecem uma ampla gama de propriedades e são usados ​​como aços inoxidáveis ​​de engenharia, aços inoxidáveis ​​para ferramentas e aços resistentes à fluência . Eles são magnéticos e não tão resistentes à corrosão quanto os aços inoxidáveis ​​ferríticos e austeníticos devido ao seu baixo teor de cromo. Eles se enquadram em quatro categorias (com alguma sobreposição):

  1. Graus de Fe-Cr-C. Estas foram as primeiras classes usadas e ainda são amplamente utilizadas em aplicações de engenharia e resistentes ao desgaste.
  2. Graus de Fe-Cr-Ni-C. Algum carbono é substituído por níquel. Eles oferecem maior tenacidade e maior resistência à corrosão. O grau EN 1.4303 (grau de fundição CA6NM) com 13% Cr e 4% Ni é usado para a maioria das turbinas Pelton , Kaplan e Francis em usinas hidrelétricas porque possui boas propriedades de fundição, boa soldabilidade e boa resistência à erosão por cavitação .
  3. Graus de endurecimento por precipitação. O grau EN 1.4542 (também conhecido como 17/4PH), o grau mais conhecido, combina endurecimento martensítico e endurecimento por precipitação . Atinge alta resistência e boa tenacidade e é usado na indústria aeroespacial entre outras aplicações.
  4. Graus resistentes à fluência. Pequenas adições de nióbio, vanádio , boro e cobalto aumentam a força e a resistência à fluência até cerca de 650 °C (1.202 °F).

Os aços inoxidáveis ​​martensíticos podem ser tratados termicamente para proporcionar melhores propriedades mecânicas. O tratamento térmico normalmente envolve três etapas:

  1. Austenitização, na qual o aço é aquecido a uma temperatura na faixa de 980–1.050 °C (1.800–1.920 °F), dependendo do grau. A austenita resultante tem uma estrutura cristalina cúbica de face centrada.
  2. Extinção . A austenita é transformada em martensita, uma estrutura cristalina tetragonal de corpo duro centrada . A martensita temperada é muito dura e muito frágil para a maioria das aplicações. Alguma austenita residual pode permanecer.
  3. Revenimento. A martensita é aquecida a cerca de 500 °C (932 °F), mantida à temperatura e, em seguida, resfriada a ar. Temperaturas de revenimento mais altas diminuem a resistência ao escoamento e a resistência à tração, mas aumentam o alongamento e a resistência ao impacto.

A substituição de algum carbono em aços inoxidáveis ​​martensíticos por nitrogênio é um desenvolvimento recente. A solubilidade limitada do nitrogênio é aumentada pelo processo de refino por eletroescória de pressão (PESR), no qual a fusão é realizada sob alta pressão de nitrogênio. Aço contendo até 0,4% de nitrogênio foi alcançado, levando a maior dureza e resistência e maior resistência à corrosão. Como o PESR é caro, teores de nitrogênio mais baixos, mas significativos, foram alcançados usando o processo padrão de descarbonetação de oxigênio por argônio (AOD).

Duplex

Os aços inoxidáveis ​​duplex possuem uma microestrutura mista de austenita e ferrita, sendo a proporção ideal uma mistura de 50:50, embora as ligas comerciais possam ter proporções de 40:60. Eles são caracterizados por maiores teores de cromo (19–32%) e molibdênio (até 5%) e menores teores de níquel do que os aços inoxidáveis ​​austeníticos. Os aços inoxidáveis ​​duplex têm aproximadamente o dobro do limite de escoamento do aço inoxidável austenítico. Sua microestrutura mista oferece maior resistência à corrosão sob tensão de cloreto em comparação com aço inoxidável austenítico Tipos 304 e 316. Os graus duplex são geralmente divididos em três subgrupos com base em sua resistência à corrosão: duplex lean, duplex padrão e super duplex. As propriedades dos aços inoxidáveis ​​duplex são alcançadas com um teor geral de liga mais baixo do que as classes superausteníticas de desempenho semelhante, tornando seu uso econômico para muitas aplicações. A indústria de papel e celulose foi uma das primeiras a usar amplamente o aço inoxidável duplex. Hoje, a indústria de petróleo e gás é a maior usuária e tem pressionado por classes mais resistentes à corrosão, levando ao desenvolvimento de classes super duplex e hyper duplex. Mais recentemente, o lean duplex mais barato (e ligeiramente menos resistente à corrosão) foi desenvolvido, principalmente para aplicações estruturais na construção civil (barras de concreto, placas para pontes, obras costeiras) e na indústria da água .

Endurecimento por precipitação

Os aços inoxidáveis ​​endurecidos por precipitação têm resistência à corrosão comparável às variedades austeníticas, mas podem ser endurecidos por precipitação a resistências ainda mais altas do que outras classes martensíticas. Existem três tipos de aços inoxidáveis ​​endurecidos por precipitação:

  • Martensítico 17-4 PH (AISI 630 EN 1.4542) contém cerca de 17% Cr, 4% Ni, 4% Cu e 0,3% Nb.

O tratamento de solução a cerca de 1.040°C (1.900°F) seguido de têmpera resulta em uma estrutura martensítica relativamente dúctil. O tratamento de envelhecimento subsequente a 475 °C (887 °F) precipita fases ricas em Nb e Cu que aumentam a resistência até acima de 1000 MPa de limite de escoamento. Este nível de resistência excepcional é usado em aplicações de alta tecnologia, como aeroespacial (geralmente após a refusão para eliminar inclusões não metálicas, o que aumenta a vida útil à fadiga). Outra grande vantagem deste aço é que o envelhecimento, ao contrário dos tratamentos de têmpera, é realizado a uma temperatura que pode ser aplicada em peças (quase) acabadas sem distorção e descoloração.

  • Semi-austenítico 17-7PH (AISI 631 EN 1.4568) contém cerca de 17% Cr, 7,2% Ni e 1,2% Al.

O tratamento térmico típico envolve tratamento de solução e têmpera . Neste ponto, a estrutura permanece austenítica. A transformação martensítica é então obtida por um tratamento criogênico a -75 °C (-103 °F) ou por trabalho a frio severo (mais de 70% de deformação, geralmente por laminação a frio ou trefilação). O envelhecimento a 510 °C (950 °F) - que precipita a fase intermetálica Ni 3 Al - é realizado como acima em peças quase acabadas. Níveis de tensão de rendimento acima de 1400  MPa são então alcançados.

  • Austenítico A286 (ASTM 660 EN 1.4980) contém cerca de Cr 15%, Ni 25%, Ti 2,1%, Mo 1,2%, V 1,3% e B 0,005%.

A estrutura permanece austenítica em todas as temperaturas.

O tratamento térmico típico envolve tratamento de solução e têmpera, seguido de envelhecimento a 715 °C (1.319 °F). O envelhecimento forma a precipitação de Ni 3 Ti e aumenta a resistência ao escoamento para cerca de 650  MPa à temperatura ambiente. Ao contrário dos graus acima, as propriedades mecânicas e a resistência à fluência deste aço permanecem muito boas em temperaturas de até 700 °C (1.292 °F). Como resultado, o A286 é classificado como uma superliga à base de Fe , usada em motores a jato, turbinas a gás e peças turbo.

Notas

Existem mais de 150 tipos de aço inoxidável, dos quais 15 são os mais comumente usados. Existem vários sistemas para classificação de aços inoxidáveis ​​e outros, incluindo os tipos de aço US SAE . O Sistema de Numeração Unificado para Metais e Ligas (UNS) foi desenvolvido pela ASTM em 1970. Os europeus desenvolveram a EN 10088 para o mesmo propósito.

Resistência à corrosão

O aço inoxidável (linha inferior) resiste à corrosão da água salgada melhor do que o alumínio-bronze (linha superior) ou ligas de cobre-níquel (linha do meio)

Ao contrário do aço carbono, os aços inoxidáveis ​​não sofrem corrosão uniforme quando expostos a ambientes úmidos. O aço carbono desprotegido enferruja facilmente quando exposto a uma combinação de ar e umidade. A camada superficial de óxido de ferro resultante é porosa e frágil. Além disso, como o óxido de ferro ocupa um volume maior do que o aço original, essa camada se expande e tende a lascar e cair, expondo o aço subjacente a mais ataques. Em comparação, os aços inoxidáveis ​​contêm cromo suficiente para sofrer passivação , formando espontaneamente um filme superficial inerte microscopicamente fino de óxido de cromo por reação com o oxigênio do ar e até mesmo a pequena quantidade de oxigênio dissolvido na água. Este filme passivo evita mais corrosão bloqueando a difusão de oxigênio para a superfície do aço e, assim, evita que a corrosão se espalhe para a maior parte do metal. [3] Este filme é auto-reparável, mesmo quando riscado ou temporariamente perturbado por uma condição de perturbação no ambiente que exceda a resistência à corrosão inerente a esse grau.

A resistência deste filme à corrosão depende da composição química do aço inoxidável, principalmente do teor de cromo. É costume distinguir entre quatro formas de corrosão: uniforme, localizada (pitting), galvânica e SCC (craqueamento por corrosão sob tensão). Qualquer uma dessas formas de corrosão pode ocorrer quando o grau de aço inoxidável não é adequado para o ambiente de trabalho.

A designação "CRES" refere-se ao aço resistente à corrosão.

Uniforme

A corrosão uniforme ocorre em ambientes muito agressivos, normalmente onde os produtos químicos são produzidos ou muito usados, como nas indústrias de papel e celulose. Toda a superfície do aço é atacada e a corrosão é expressa como taxa de corrosão em mm/ano (geralmente menos de 0,1 mm/ano é aceitável para esses casos). As tabelas de corrosão fornecem diretrizes.

Este é tipicamente o caso quando os aços inoxidáveis ​​são expostos a soluções ácidas ou básicas. A corrosão do aço inoxidável depende do tipo e concentração de ácido ou base e da temperatura da solução. A corrosão uniforme é normalmente fácil de evitar devido aos extensos dados de corrosão publicados ou testes de corrosão em laboratório de fácil execução.

O aço inoxidável não é completamente imune à corrosão, como mostrado neste equipamento de dessalinização .

As soluções ácidas podem ser classificadas em duas categorias gerais: ácidos redutores, como ácido clorídrico e ácido sulfúrico diluído , e ácidos oxidantes , como ácido nítrico e ácido sulfúrico concentrado. O aumento do teor de cromo e molibdênio fornece maior resistência aos ácidos redutores, enquanto o aumento do teor de cromo e silício proporciona maior resistência aos ácidos oxidantes. O ácido sulfúrico é um dos produtos químicos industriais mais produzidos. À temperatura ambiente, o aço inoxidável Tipo 304 é resistente apenas a 3% de ácido, enquanto o Tipo 316 é resistente a 3% de ácido até 50 °C (122 °F) e 20% de ácido à temperatura ambiente. Assim, o Tipo 304 SS raramente é usado em contato com ácido sulfúrico. Tipo 904L e Alloy 20 são resistentes ao ácido sulfúrico em concentrações ainda mais altas acima da temperatura ambiente. O ácido sulfúrico concentrado possui características oxidantes como o ácido nítrico e, portanto, os aços inoxidáveis ​​com silício também são úteis. O ácido clorídrico danifica qualquer tipo de aço inoxidável e deve ser evitado. Todos os tipos de aço inoxidável resistem ao ataque de ácido fosfórico e ácido nítrico à temperatura ambiente. Em altas concentrações e temperaturas elevadas, o ataque ocorrerá e os aços inoxidáveis ​​de alta liga são necessários. Em geral, os ácidos orgânicos são menos corrosivos que os ácidos minerais, como o ácido clorídrico e o ácido sulfúrico. À medida que o peso molecular dos ácidos orgânicos aumenta, sua corrosividade diminui. O ácido fórmico tem o menor peso molecular e é um ácido fraco. O tipo 304 pode ser usado com ácido fórmico, embora tenda a descolorir a solução. O tipo 316 é comumente usado para armazenar e manipular ácido acético , um ácido orgânico comercialmente importante.

Os aços inoxidáveis ​​Tipo 304 e Tipo 316 não são afetados por bases fracas, como hidróxido de amônio , mesmo em altas concentrações e em altas temperaturas. Os mesmos graus expostos a bases mais fortes, como hidróxido de sódio em altas concentrações e altas temperaturas, provavelmente sofrerão corrosão e rachaduras. O aumento do teor de cromo e níquel proporciona maior resistência.

Todos os graus resistem a danos causados ​​por aldeídos e aminas , embora no último caso o Tipo 316 seja preferível ao Tipo 304; o acetato de celulose danifica o Tipo 304, a menos que a temperatura seja mantida baixa. Gorduras e ácidos graxos afetam apenas o Tipo 304 em temperaturas acima de 150 °C (302 °F) e o Tipo 316 SS acima de 260 °C (500 °F), enquanto o Tipo 317 SS não é afetado em todas as temperaturas. O tipo 316L é necessário para o processamento de ureia .

Localizado

A corrosão localizada pode ocorrer de várias maneiras, por exemplo, corrosão por pites e corrosão em frestas . Esses ataques localizados são mais comuns na presença de íons cloreto . Níveis mais altos de cloreto exigem mais aços inoxidáveis ​​de alta liga.

A corrosão localizada pode ser difícil de prever porque depende de muitos fatores, incluindo:

  • Concentração de íons cloreto. Mesmo quando a concentração da solução de cloreto é conhecida, ainda é possível que ocorra corrosão localizada inesperadamente. Os íons cloreto podem se concentrar de forma desigual em certas áreas, como em fendas (por exemplo, sob gaxetas) ou em superfícies em espaços de vapor devido à evaporação e condensação.
  • Temperatura: o aumento da temperatura aumenta a suscetibilidade.
  • Acidez: aumentar a acidez aumenta a suscetibilidade.
  • Estagnação: condições de estagnação aumentam a suscetibilidade.
  • Espécies oxidantes: a presença de espécies oxidantes, como íons férrico e cúprico, aumenta a suscetibilidade.

A corrosão por pite é considerada a forma mais comum de corrosão localizada. A resistência à corrosão dos aços inoxidáveis ​​à corrosão por pites é muitas vezes expressa pelo PREN , obtido através da fórmula:

,

onde os termos correspondem à proporção dos teores em massa de cromo, molibdênio e nitrogênio no aço. Por exemplo, se o aço consistisse em 15% de cromo, %Cr seria igual a 15.

Quanto maior o PREN, maior a resistência à corrosão por pite. Assim, o aumento do teor de cromo, molibdênio e nitrogênio proporciona melhor resistência à corrosão por pite.

Embora o PREN de certos aços possa ser teoricamente suficiente para resistir à corrosão por pites, a corrosão em frestas ainda pode ocorrer quando o projeto ruim criou áreas confinadas (placas sobrepostas, interfaces arruela-placa, etc.) ou quando depósitos se formam no material. Nessas áreas selecionadas, o PREN pode não ser alto o suficiente para as condições de serviço. Um bom projeto, técnicas de fabricação, seleção de ligas, condições de operação adequadas baseadas na concentração de compostos ativos presentes na solução que causam corrosão, pH, etc. podem prevenir tal corrosão.

Estresse

O cracking por corrosão sob tensão (SCC) é um craqueamento repentino e falha de um componente sem deformação. Pode ocorrer quando três condições são atendidas:

  • A peça é tensionada (por uma carga aplicada ou por tensão residual).
  • O ambiente é agressivo (alto nível de cloreto, temperatura acima de 50 °C (122 °F), presença de H 2 S).
  • O aço inoxidável não é suficientemente resistente ao SCC.

O mecanismo SCC resulta da seguinte sequência de eventos:

  1. O pitting ocorre.
  2. As rachaduras começam a partir de um local de iniciação do poço.
  3. As rachaduras então se propagam através do metal de modo transgranular ou intergranular.
  4. A falha ocorre.

Enquanto o pitting geralmente leva a superfícies inestéticas e, na pior das hipóteses, à perfuração da chapa de aço inoxidável, a falha por SCC pode ter consequências graves. É, portanto, considerado como uma forma especial de corrosão.

Como o SCC exige que várias condições sejam atendidas, ele pode ser combatido com medidas relativamente fáceis, incluindo:

  • Reduzir o nível de estresse (as especificações de petróleo e gás fornecem requisitos para o nível máximo de estresse em ambientes contendo H 2 S).
  • Avaliação da agressividade do ambiente (alto teor de cloreto, temperatura acima de 50 °C (122 °F), etc.).
  • Selecionando o tipo certo de aço inoxidável: super austenítico, como grau 904L ou superduplex (os aços inoxidáveis ​​ferríticos e os aços inoxidáveis ​​duplex são muito resistentes ao SCC).

Galvânico

A porca da esquerda não é de aço inoxidável e está enferrujada , ao contrário da porca da direita.

A corrosão galvânica (também chamada de "corrosão de metal diferente") refere-se ao dano de corrosão induzido quando dois materiais diferentes são acoplados em um eletrólito corrosivo. O eletrólito mais comum é a água, variando de água doce a água do mar. Quando um par galvânico se forma, um dos metais no par se torna o ânodo e corrói mais rápido do que sozinho, enquanto o outro se torna o cátodo e corrói mais lentamente do que sozinho. O aço inoxidável, por ter um potencial de eletrodo mais positivo do que, por exemplo, aço carbono e alumínio, torna-se o cátodo, acelerando a corrosão do metal anódico. Um exemplo é a corrosão de rebites de alumínio que fixam chapas de aço inoxidável em contato com a água. As áreas de superfície relativas do ânodo e do cátodo são importantes na determinação da taxa de corrosão. No exemplo acima, a área de superfície dos rebites é pequena em comparação com a da chapa de aço inoxidável, resultando em corrosão rápida. No entanto, se fixadores de aço inoxidável forem usados ​​para montar chapas de alumínio, a corrosão galvânica será muito mais lenta porque a densidade de corrente galvânica na superfície do alumínio será uma ordem de magnitude menor. Um erro frequente é montar chapas de aço inox com fixadores de aço carbono; enquanto o uso de aço inoxidável para fixar placas de aço carbono é geralmente aceitável, o contrário não é. Fornecer isolamento elétrico entre os metais diferentes, sempre que possível, é eficaz na prevenção desse tipo de corrosão.

Temperatura alta

Em temperaturas elevadas, todos os metais reagem com gases quentes. A mistura gasosa de alta temperatura mais comum é o ar, do qual o oxigênio é o componente mais reativo. Para evitar corrosão no ar, o aço carbono é limitado a aproximadamente 480 °C (900 °F). A resistência à oxidação em aços inoxidáveis ​​aumenta com adições de cromo, silício e alumínio. Pequenas adições de cério e ítrio aumentam a adesão da camada de óxido na superfície. A adição de cromo continua sendo o método mais comum para aumentar a resistência à corrosão em alta temperatura em aços inoxidáveis; o cromo reage com o oxigênio para formar uma incrustação de óxido de cromo, que reduz a difusão do oxigênio no material. O mínimo de 10,5% de cromo em aços inoxidáveis ​​fornece resistência de aproximadamente 700 °C (1.300 °F), enquanto 16% de cromo fornece resistência de até aproximadamente 1.200 °C (2.200 °F). O tipo 304, o tipo mais comum de aço inoxidável com 18% de cromo, é resistente a aproximadamente 870 °C (1.600 °F). Outros gases, como dióxido de enxofre , sulfeto de hidrogênio , monóxido de carbono , cloro , também atacam o aço inoxidável. A resistência a outros gases depende do tipo de gás, da temperatura e do teor de liga do aço inoxidável. Com a adição de até 5% de alumínio, os graus ferríticos Fr-Cr-Al são projetados para resistência elétrica e resistência à oxidação em temperaturas elevadas. Tais ligas incluem Kanthal , produzido na forma de arame ou fitas.

Acabamentos padrão

Superfície fosca do tubo, com alguns arranhões horizontais
Aço inoxidável 316L, com acabamento fresado não polido

Os acabamentos padrão do moinho podem ser aplicados ao aço inoxidável laminado plano diretamente pelos rolos e por abrasivos mecânicos. O aço é primeiro laminado no tamanho e espessura e depois recozido para alterar as propriedades do material final. Qualquer oxidação que se forma na superfície ( descamação de laminação ) é removida por decapagem , e uma camada de passivação é criada na superfície. Um acabamento final pode então ser aplicado para obter a aparência estética desejada.

As seguintes designações são usadas para descrever acabamentos de aço inoxidável conforme ASTM A480/A480M-18 (DIN):

  • Nº 0: Chapas mais grossas laminadas a quente, recozidas
  • Nº 1 (1D): Laminados a quente, recozidos e passivados
  • Nº 2D (2D): Laminados a frio, recozidos, decapados e passivados
  • Nº 2B (2B): O mesmo que acima com passagem adicional por rolos altamente polidos
  • Nº 2BA (2R): Recozido brilhante (BA ou 2R) igual ao anterior, então recozido brilhante sob condições atmosféricas livres de oxigênio
  • Nº 3 (G-2G:) Acabamento abrasivo grosso aplicado mecanicamente
  • Nº 4 (1J-2J): Acabamento escovado
  • Nº 5: Acabamento acetinado
  • Nº 6 (1K-2K): Acabamento fosco (escovado, mas mais suave que o nº 4)
  • Nº 7 (1P-2P): Acabamento refletivo
  • Nº 8: Acabamento espelhado
  • Nº 9: Acabamento de jateamento de esferas
  • Nº 10: Acabamento colorido a quente – oferecendo uma ampla gama de superfícies eletropolidas e coloridas a quente

Juntando-se

Uma ampla gama de processos de união está disponível para aços inoxidáveis, embora a soldagem seja de longe o mais comum.

A facilidade de soldagem depende em grande parte do tipo de aço inoxidável utilizado. Os aços inoxidáveis ​​austeníticos são os mais fáceis de soldar por arco elétrico , com propriedades de soldagem semelhantes às do metal base (não trabalhados a frio). Os aços inoxidáveis ​​martensíticos também podem ser soldados por arco elétrico, mas, como a zona afetada pelo calor (ZTA) e a zona de fusão (ZF) formam martensita no resfriamento, precauções devem ser tomadas para evitar rachaduras na solda. Práticas de soldagem inadequadas também podem causar açucar (incrustação de óxido) e/ou coloração de calor na parte de trás da solda. Isso pode ser evitado com o uso de gases de purga, placas de apoio e fluxos. O tratamento térmico pós-soldagem é quase sempre necessário, enquanto o pré-aquecimento antes da soldagem também é necessário em alguns casos. A soldagem a arco elétrico do aço inoxidável ferrítico tipo 430 resulta em crescimento de grãos na zona afetada pelo calor (HAZ), o que leva à fragilidade. Isso foi amplamente superado com graus ferríticos estabilizados, onde nióbio, titânio e zircônio formam precipitados que impedem o crescimento de grãos. A soldagem duplex de aço inoxidável por arco elétrico é uma prática comum, mas requer um controle cuidadoso dos parâmetros do processo. Caso contrário, ocorre a precipitação de fases intermetálicas indesejadas, o que reduz a tenacidade das soldas.

Os processos de soldagem a arco elétrico incluem:

Soldagem MIG e TIG são os métodos mais comuns usados.

Outros processos de soldagem incluem:

O aço inoxidável pode ser colado com adesivos como silicone, polímeros modificados com silil e epóxis . Os adesivos acrílicos e de poliuretano também são usados ​​em algumas situações.

Produção

A maior parte da produção mundial de aço inoxidável é produzida pelos seguintes processos:

  • Forno elétrico a arco (EAF): sucata de aço inoxidável, outras sucatas ferrosas e ligas ferrosas (Fe Cr, Fe Ni, Fe Mo, Fe Si) são fundidos juntos. O metal fundido é então derramado em uma panela e transferido para o processo AOD (veja abaixo).
  • Descarbonetação com oxigênio de argônio (AOD): o carbono no aço fundido é removido (transformando-o em gás monóxido de carbono ) e outros ajustes de composição são feitos para atingir a composição química desejada.
  • Fundição contínua (CC): o metal fundido é solidificado em placas para produtos planos (uma seção típica tem 20 centímetros (8 pol) de espessura e 2 metros (6,6 pés) de largura) ou blocos (seções variam muito, mas 25 por 25 centímetros (9,8 em × 9,8 polegadas) é o tamanho médio).
  • Laminação a quente (HR): placas e blocos são reaquecidos em um forno e laminados a quente. A laminação a quente reduz a espessura das placas para produzir bobinas de cerca de 3 mm (0,12 pol.) de espessura. Já os Blooms são laminados a quente em barras, que são cortadas em tiras na saída da laminação, ou fio-máquina, que é enrolado.
  • O acabamento a frio (CF) depende do tipo de produto finalizado:
    • As bobinas laminadas a quente são decapadas em soluções ácidas para remover a incrustação de óxido na superfície, depois laminadas a frio em laminadores Sendzimir e recozidas em atmosfera protetora até obter a espessura e o acabamento superficial desejados. Outras operações, como corte longitudinal e formação de tubos, podem ser realizadas em instalações a jusante.
    • As barras laminadas a quente são endireitadas e, em seguida, usinadas com a tolerância e o acabamento necessários.
    • As bobinas de fio-máquina são posteriormente processadas para produzir barras acabadas a frio em bancadas de trefilação, fixadores em máquinas de fabricação de parafusos e fios em máquinas de trefilação simples ou multipasse.

Os números da produção mundial de aço inoxidável são publicados anualmente pelo Fórum Internacional de Aço Inoxidável. Dos números de produção da UE, Itália, Bélgica e Espanha foram notáveis, enquanto Canadá e México não produziram nenhum. China, Japão, Coréia do Sul, Taiwan, Índia, EUA e Indonésia foram grandes produtores, enquanto a Rússia relatou pouca produção.

Produção mundial de aço inoxidável em produtos planos e longos (toneladas métricas, '000s)
Ano
União Européia
Américas
China
Ásia excluindo a China
Outros países
Mundo
2020 6323 2144 30139 6429 5857 50892
2019 6805 2593 29 400 7894 5525 52 218
2018 7386 2808 26 706 8195 5635 50 729
2017 7377 2754 25 774 8030 4146 48 081
2016 7280 2931 24 938 9956 672 45 778
2015 7169 2747 21 562 9462 609 41 548
2014 7252 2813 21 692 9333 595 41 686
2013 7147 2454 18 984 9276 644 38 506

Composição da produção por famílias de aços inoxidáveis ​​em 2017:

  • Aços inoxidáveis ​​austeníticos Cr-Ni (também chamados de série 300, consulte a seção "Classes" acima): 54%
  • Aços inoxidáveis ​​austeníticos Cr-Mn (também chamados de série 200): 21%
  • Aços inoxidáveis ​​ferríticos e martensíticos (também chamados de série 400): 23%

Formulários

O aço inoxidável é usado em vários campos, incluindo arquitetura, arte, engenharia química, fabricação de alimentos e bebidas, veículos, medicina, energia e armas de fogo.

Custo do ciclo de vida

Os cálculos do custo do ciclo de vida (LCC) são usados ​​para selecionar o projeto e os materiais que levarão ao menor custo ao longo de toda a vida de um projeto, como um edifício ou uma ponte.

A fórmula, de forma simples, é a seguinte:

onde LCC é o custo total do ciclo de vida, AC é o custo de aquisição, IC o custo de instalação, OC os custos de operação e manutenção, LP o custo de produção perdida devido ao tempo de inatividade e RC o custo de materiais de reposição.

Além disso, N é a vida planejada do projeto, i a taxa de juros e n o ano em que um determinado OC ou LP ou RC está ocorrendo. A taxa de juros (i) é utilizada para converter despesas de diferentes anos para o valor presente (método amplamente utilizado por bancos e seguradoras) para que possam ser somadas e comparadas de forma justa. O uso da fórmula de soma ( ) captura o fato de que as despesas ao longo da vida de um projeto devem ser acumuladas após serem corrigidas pela taxa de juros.

Aplicação do LCC na seleção de materiais

O aço inoxidável usado em projetos geralmente resulta em valores de LCC mais baixos em comparação com outros materiais. O maior custo de aquisição (AC) de componentes de aço inoxidável é muitas vezes compensado por melhorias nos custos de operação e manutenção, redução dos custos de perda de produção (LP) e o maior valor de revenda dos componentes de aço inoxidável.

Os cálculos de LCC são geralmente limitados ao próprio projeto. No entanto, pode haver outros custos que uma parte interessada do projeto pode querer considerar:

  • Utilitários, como usinas de energia, abastecimento de água e tratamento de águas residuais e hospitais, não podem ser desligados. Qualquer manutenção exigirá custos extras associados ao serviço contínuo.
  • Custos sociais indiretos (com possíveis consequências políticas) podem ocorrer em algumas situações, como fechamento ou redução do tráfego em pontes, criação de filas, atrasos, perda de horas de trabalho para as pessoas e aumento da poluição por veículos parados.

Sustentabilidade – reciclagem e reutilização

A pegada de carbono média do aço inoxidável (todos os graus, todos os países) é estimada em 2,90 kg de CO 2 por kg de aço inoxidável produzido, dos quais 1,92 kg são emissões de matérias-primas (Cr, Ni, Mo); 0,54 kg de eletricidade e vapor e 0,44 kg são emissões diretas (ou seja, pela usina de aço inoxidável). Observe que o aço inoxidável produzido em países que usam fontes de eletricidade mais limpas (como a França, que usa energia nuclear) terá uma pegada de carbono menor. Os ferríticos sem Ni terão uma pegada de CO 2 menor do que os austeníticos com 8% de Ni ou mais. A pegada de carbono não deve ser o único fator relacionado à sustentabilidade para decidir a escolha dos materiais:

  • ao longo de qualquer vida útil do produto, manutenção, reparos ou início de vida útil (obsolescência planejada) pode aumentar sua pegada geral muito além das diferenças materiais iniciais. Além disso, a perda de serviço (normalmente para pontes) pode induzir grandes custos ocultos, como filas, combustível desperdiçado e perda de horas-homem.
  • a quantidade de material utilizada para prestar um determinado serviço varia com o desempenho, principalmente o nível de resistência, o que permite estruturas e componentes mais leves.

O aço inoxidável é 100% reciclável . Um objeto médio de aço inoxidável é composto por cerca de 60% de material reciclado, dos quais aproximadamente 40% são provenientes de produtos em fim de vida, enquanto os 60% restantes são provenientes de processos de fabricação. O que impede um maior teor de reciclagem é a disponibilidade de sucata de aço inoxidável, apesar de uma taxa de reciclagem muito alta. De acordo com o relatório Metal Stocks in Society do International Resource Panel , o estoque per capita de aço inoxidável em uso na sociedade é de 80 a 180 kg nos países mais desenvolvidos e 15 kg nos países menos desenvolvidos. Existe um mercado secundário que recicla sucata utilizável para muitos mercados de aço inoxidável. O produto é principalmente bobina, folha e espaços em branco. Este material é adquirido a um preço inferior ao nobre e vendido para estampadores de qualidade comercial e casas de chapas metálicas. O material pode ter arranhões, buracos e amassados, mas é feito de acordo com as especificações atuais.

O ciclo do aço inoxidável começa com sucata de aço carbono, metais primários e escória. O próximo passo é a produção de produtos siderúrgicos laminados a quente e acabados a frio em siderúrgicas. É produzida alguma sucata, que é reaproveitada diretamente na aciaria. A fabricação dos componentes é a terceira etapa. Parte da sucata é produzida e entra no ciclo de reciclagem. A montagem dos bens finais e sua utilização não gera qualquer perda material. A quarta etapa é a coleta do aço inoxidável para reciclagem no final da vida útil dos bens (como utensílios de cozinha, fábricas de papel e celulose ou peças automotivas). É aqui que é mais difícil fazer com que o aço inoxidável entre no ciclo de reciclagem, conforme mostrado na tabela abaixo:

Estimativas de coleta para reciclagem por setor
Setor de uso final Resultados Uso, média global Estimativas
2000 2005 Vida útil média
(anos)
Coeficiente
de variação
Para aterro Recolhido para reciclagem
Total Dos quais como aço inoxidável Dos quais como aço carbono
Edificação e infraestrutura 17% 18% 50 30% 8% 92% 95% 5%
Transporte (total) 21% 18% 13% 87% 85% 15%
Dos quais os automóveis de passageiros 17% 14% 14 15%
Dos quais outros 4% 4% 30 20%
Maquinaria industrial 29% 26% 25 20% 8% 92% 95% 5%
Eletrodomésticos e eletrônicos 10% 10% 15 20% 30% 70% 95% 5%
Produtos de metal 23% 27% 15 25% 40% 60% 80% 20%

Aço inoxidável em nanoescala

Nanopartículas de aço inoxidável foram produzidas em laboratório. Estes podem ter aplicações como aditivos para aplicações de alto desempenho. Por exemplo, tratamentos de sulfurização, fosforização e nitretação para produzir catalisadores à base de aço inoxidável em nanoescala podem melhorar o desempenho eletrocatalítico do aço inoxidável para separação de água.

Efeitos na saúde

Há uma extensa pesquisa indicando algum provável aumento do risco de câncer (particularmente câncer de pulmão) pela inalação de fumos durante a soldagem de aço inoxidável. Suspeita-se que a soldagem de aço inoxidável produza gases cancerígenos de óxidos de cádmio, níquel e cromo. De acordo com o Cancer Council Australia , "em 2017, todos os tipos de fumos de soldagem foram classificados como cancerígenos do Grupo 1 ".

O aço inoxidável é geralmente considerado biologicamente inerte. No entanto, durante o cozimento, pequenas quantidades de níquel e cromo são lixiviadas das novas panelas de aço inoxidável em alimentos altamente ácidos. O níquel pode contribuir para os riscos de câncer, principalmente câncer de pulmão e câncer nasal . No entanto, nenhuma conexão entre panelas de aço inoxidável e câncer foi estabelecida.

Veja também

Referências

Leitura adicional

  • Norma Internacional ISO15510:2014. (assinatura obrigatória)
  • Peckner, D.; Bernstein, IM (1977). Manual de Aços Inoxidáveis . Manuais da McGraw-Hill. Nova York, NY: McGraw-Hill. pág. não. não especificado. ISBN 9780070491472. Recuperado em 8 de março de 2020 .
  • Lacombe, P.; Baroux, B.; Béranger, G. (1990). Les aciers inoxydables [ aços inoxidáveis ] (em francês). Paris, FR: Ed. de físico. pág. não. não especificado. ISBN 9780868831428. Recuperado em 8 de março de 2020 .Um editor observou o aparecimento de material relevante nos Capítulos 14 e 15, mas na ausência de um número de página, essa afirmação não pode ser confirmada.
  • Honeycombe, RWK (1981). Aços: microestrutura e propriedades . Londres: E. Arnold. ISBN 0-7131-2793-7. OCLC  7576277 .