Definição de Aço Carbono e os Cinco Elementos do Aço
Ligas de ferro-carbono contendo menos de 2% de carbono são chamadas de aço. Os cinco elementos do aço carbono referem-se aos principais constituintes de sua composição química, ou seja, C (Carbono), Si (Silício), Mn (Manganês), S (Enxofre) e P (Fósforo).
Além disso, durante o processo de fabricação do aço, gases como O (oxigênio), H (hidrogênio) e N (nitrogênio) inevitavelmente se misturam.
Além disso, no processo de desoxidação Alumínio-Silício, o Al (alumínio) está inevitavelmente presente no aço fundido, e quando o Als (alumínio solúvel em ácido) está igual ou superior a 0,020%, ele desempenha um papel no refinamento do tamanho do grão.
Os efeitos dos elementos químicos nas propriedades do aço
1. Carbono (C):
À medida que o teor de carbono no aço aumenta, o limite de escoamento e a resistência à tração aumentam, mas a plasticidade e a resistência ao impacto diminuem. Quando o teor de carbono excede 0,23%, a soldabilidade do aço deteriora-se.
Portanto, para aços estruturais de baixa liga utilizados para soldagem, o teor de carbono geralmente não excede 0,20%. O maior teor de carbono também reduz a resistência do aço à corrosão atmosférica; o aço com alto teor de carbono em armazenamento ao ar livre é propenso a enferrujar. Além disso, o carbono pode aumentar a fragilidade ao frio e a sensibilidade ao envelhecimento do aço.
2. Silício (Si):
O silício é adicionado no processo de fabricação do aço como redutor e desoxidante, de modo que o aço calmo contém 0,15-0,30% de silício. Se o teor de silício no aço exceder 0,50-0,60%, o silício é considerado um elemento de liga. O silício pode aumentar significativamente o limite elástico, o ponto de escoamento e a resistência à tração do aço, tornando-o amplamente utilizado em aço para molas.
Ao adicionar 1,0-1,2% de silício ao aço estrutural temperado e revenido, sua resistência pode ser aumentada em 15-20%. O silício, em combinação com elementos como molibdênio, tungstênio e cromo, aumenta a resistência à corrosão e à oxidação, útil para a fabricação de aço resistente ao calor.
O aço de baixo carbono contendo 1-4% de silício tem permeabilidade magnética extremamente alta e é usado na indústria elétrica para chapas de aço silício. Um aumento no teor de silício reduz a soldabilidade do aço.
3. Manganês (Mn):
No processo siderúrgico, o manganês atua como um excelente desoxidante e dessulfurizante, sendo que o aço em geral contém 0,30-0,50% de manganês. Quando mais de 0,70% é adicionado ao aço carbono, ele é denominado “aço manganês”.
Este tipo de aço não só possui tenacidade suficiente em comparação ao aço em geral, mas também possui maior resistência e dureza, melhorando a temperabilidade do aço e as propriedades de processamento térmico.
Por exemplo, o ponto de escoamento do aço 16Mn é 40% superior ao do aço A3. O aço contendo 11-14% de manganês apresenta resistência ao desgaste extremamente alta, tornando-o adequado para caçambas de escavadeiras, revestimentos de moinhos de bolas, etc. Um aumento no teor de manganês enfraquece a resistência à corrosão do aço e diminui sua soldabilidade.
4. Fósforo (P):
Geralmente, o fósforo é prejudicial ao aço. Aumenta a fragilidade do aço a frio, deteriora sua soldabilidade, reduz a plasticidade e piora seu desempenho de flexão a frio. Conseqüentemente, o teor de fósforo no aço geralmente deve ser inferior a 0,045%, com o aço de alta qualidade exigindo níveis ainda mais baixos.
5. Enxofre (S):
O enxofre é normalmente prejudicial ao aço. Induz fragilidade a quente, reduzindo a ductilidade e tenacidade do aço, levando a trincas durante o forjamento e laminação. O enxofre também é prejudicial ao desempenho da soldagem e reduz a resistência à corrosão.
Portanto, geralmente é necessário que o teor de enxofre seja inferior a 0,055%, com o aço de alta qualidade exigindo menos de 0,040%. Adicionar 0,08-0,20% de enxofre ao aço pode melhorar a usinabilidade; esse aço é frequentemente referido como aço de corte livre.
6. Cromo (Cr):
Em aços estruturais e para ferramentas, o cromo aumenta significativamente a resistência, a dureza e a resistência ao desgaste, mas simultaneamente reduz a plasticidade e a tenacidade. O cromo aumenta a resistência à oxidação e à corrosão do aço, tornando-o um elemento integrante dos aços inoxidáveis e resistentes ao calor.
7. Níquel (Ni):
O níquel aumenta a resistência do aço, mantendo boa plasticidade e tenacidade. O níquel tem alta resistência à corrosão por ácidos e álcalis e apresenta resistência à ferrugem e ao calor em altas temperaturas.
Porém, por ser um recurso escasso, o níquel deve ser substituído por outros elementos de liga sempre que possível, principalmente em aços níquel-cromo.
8. Molibdênio (Mo):
O molibdênio refina a estrutura dos grãos do aço, aumenta a temperabilidade e a resistência térmica e mantém resistência suficiente e resistência à fluência em altas temperaturas (fluência refere-se à deformação sob tensão de longo prazo em altas temperaturas).
A adição de molibdênio ao aço estrutural melhora as propriedades mecânicas e suprime a fragilidade causada pelo calor no aço-liga. Em aços ferramenta, aumenta a dureza a quente.
9. Titânio (Ti):
O titânio é um forte desoxidante do aço. Densifica a estrutura interna do aço, refina o tamanho do grão, reduz a sensibilidade ao envelhecimento e a fragilidade ao frio e melhora a soldabilidade. A adição de titânio apropriado ao aço inoxidável austenítico 18Cr-9Ni pode prevenir a corrosão intergranular.
10. Vanádio (V):
O vanádio é um excelente desoxidante para o aço. A adição de 0,5% de vanádio ao aço refina a estrutura do grão, aumentando a resistência e a tenacidade. Carbonetos formados a partir de vanádio e carbono podem melhorar a resistência à corrosão do hidrogênio sob alta temperatura e pressão.
11. Tungstênio (W):
O tungstênio tem alto ponto de fusão, alta densidade e é um elemento de liga caro. O carboneto de tungstênio possui alta dureza e resistência ao desgaste. A adição de tungstênio ao aço para ferramentas aumenta significativamente a dureza a quente e a resistência térmica, tornando-o adequado para ferramentas de corte e matrizes de forjamento.
12. Nióbio (Nb):
O nióbio refina o tamanho do grão e reduz a sensibilidade ao superaquecimento e a fragilidade da têmpera do aço, aumentando a resistência, mas reduzindo a plasticidade e a tenacidade. A adição de nióbio ao aço comum de baixa liga aumenta a resistência contra a corrosão atmosférica e a corrosão por hidrogênio, nitrogênio e amônia em altas temperaturas. O nióbio melhora a soldabilidade. Quando adicionado ao aço inoxidável austenítico, pode prevenir a corrosão intergranular.
13. Cobalto (Co):
O cobalto é um metal precioso raro, frequentemente usado em aços especiais e ligas, como aço resistente ao calor e materiais magnéticos.
14. Cobre (Cu):
O aço refinado a partir do minério Daye pela Wuhan Iron and Steel geralmente contém cobre. O cobre aumenta a resistência e a tenacidade, especialmente a resistência à corrosão atmosférica. A desvantagem é que tende a causar falta de calor durante o processamento a quente e, se o teor de cobre exceder 0,5%, a plasticidade diminui significativamente. Quando o teor de cobre é inferior a 0,50%, isso não afeta a soldabilidade.
15. Alumínio (Al):
O alumínio é um desoxidante comum no aço. A adição de uma pequena quantidade de alumínio ao aço pode refinar o grão e melhorar a resistência ao impacto, como no aço 08Al usado para estampagem profunda de chapas finas.
O alumínio também possui resistência à oxidação e resistência à corrosão. Quando usado junto com cromo e silício, pode melhorar significativamente a resistência à incrustação e à corrosão em alta temperatura do aço. A desvantagem do alumínio é que ele afeta a trabalhabilidade a quente, a soldabilidade e a usinabilidade do aço.
16. Boro (B):
A adição de vestígios de boro pode melhorar a densidade e as propriedades de laminação a quente do aço, aumentando sua resistência.
17. Nitrogênio (N):
O nitrogênio pode aumentar a resistência, a tenacidade a baixas temperaturas e a soldabilidade do aço, além de aumentar sua sensibilidade ao envelhecimento.
18. Terras Raras (Xt):
Os elementos de terras raras referem-se aos 15 elementos lantanídeos com números atômicos 57-71 na tabela periódica. Esses elementos são todos metais, mas seus óxidos são como “terra”, por isso são comumente chamados de terras raras.
A adição de terras raras ao aço pode alterar a composição, forma, distribuição e propriedades das inclusões no aço, melhorando assim várias propriedades, como tenacidade, soldabilidade e trabalhabilidade a frio. A adição de terras raras ao aço arado pode melhorar sua resistência ao desgaste.
Processo de produção
1. Como é feito o aço?
A principal tarefa da siderurgia é ajustar o teor de carbono e os elementos de liga do aço dentro da faixa especificada de acordo com os requisitos de qualidade do tipo de aço que está sendo produzido e reduzir o teor de impurezas como P, S, H, O, N abaixo dos limites permitidos.
O processo de fabricação do aço é essencialmente um processo de oxidação. O excesso de carbono na carga do forno é oxidado e queimado em gás CO e escapa, enquanto outros elementos como Si, P, Mn são oxidados e entram na escória. Parte do S entra na escória e parte é descarregada como SO2.
Quando a composição e a temperatura do aço fundido atendem aos requisitos do processo, o aço pode ser rosqueado. Para remover o excesso de oxigênio do aço e ajustar a composição química, podem ser adicionados desoxidantes e ferroligas ou elementos de liga.
2. Breve introdução à produção de aço para conversores
O metal quente transportado do carro torpedo, após tratamentos de dessulfuração e bloqueio de escória, pode ser despejado no conversor como carga principal, junto com menos de 10% de sucata de aço. Em seguida, o oxigênio é soprado no conversor para queimar, o excesso de carbono no metal quente é oxidado e libera uma grande quantidade de calor. Quando a sonda detecta o baixo teor de carbono predeterminado, o sopro de oxigênio é interrompido e o aço é aproveitado.
As operações de desoxigenação e ajuste de composição geralmente ocorrem na concha; em seguida, cascas de arroz carburizadas são lançadas sobre a superfície do aço fundido para evitar que ele seja oxidado, prontas para serem enviadas para a área de lingotamento contínuo ou fundição em molde.
Para tipos de aço de alta demanda, argônio soprado, tratamento de vácuo RH e tratamento de pulverização de pó (pulverização de pó de Si-Ca e cal modificada) podem efetivamente reduzir gases e inclusões no aço e reduzir ainda mais o carbono e o enxofre. Após essas medidas de refino secundário, a composição pode ser ajustada com precisão para atender aos requisitos de materiais de aço de alta qualidade.
3. Lançamento Preliminar
Os lingotes de aço fundido são aquecidos em um forno de reaquecimento usando o novo processo de carregamento a quente e entrega a quente, e depois laminados em placas, tarugos, tarugos quadrados pequenos e outros produtos laminados preliminares através de um laminador de desbaste e um laminador contínuo.
Após o corte da cabeça e da cauda, a limpeza da superfície (limpeza por chama, retificação), produtos de alta qualidade também requerem descascamento e detecção de falhas para tarugos laminados preliminares. Após passarem pela fiscalização, são armazenados no almoxarifado.
Atualmente, os produtos da laminação preliminar são lajes preliminares, tarugos quadrados laminados, tarugos de aço para cilindros de oxigênio, tarugos de tubos redondos de engrenagens, tarugos de eixo de veículos ferroviários e aço para moldes de plástico.
A laje preliminarmente laminada abastece principalmente o laminador a quente como matéria-prima; o tarugo quadrado laminado, além de ser fornecido externamente, é enviado principalmente para o laminador de fio-máquina de alta velocidade como matéria-prima. Devido ao avanço das placas de lingotamento contínuo, a demanda por placas pré-laminadas foi bastante reduzida e, portanto, mudou para os outros produtos acima.
4. Laminação Contínua a Quente
Usando placas de lingotamento contínuo ou placas de desbaste como matéria-prima, elas são aquecidas em um forno de aquecimento passo a passo e entram no laminador bruto após a descalcificação com água de alta pressão.
Os materiais laminados brutos são cortados na cabeça e na cauda e depois entram no laminador de acabamento, onde é implementada a laminação controlada por computador. Após a laminação final, passam por resfriamento laminar (taxa de resfriamento controlada por computador) e enrolamento por uma bobinadeira, formando uma bobina quente.
A cabeça e a cauda da bobina quente geralmente aparecem em formato de língua e rabo de peixe, com baixa precisão de espessura e largura, e defeitos como ondulação, bordas dobradas e formatos de torre são comuns nas bordas.
A bobina é relativamente pesada, com diâmetro interno de 760 mm (que geralmente é preferido na indústria de fabricação de tubos). A bobina a quente, depois de cortada na cabeça, cauda e bordas, e passando por múltiplas rodadas de endireitamento e achatamento na linha de acabamento, é posteriormente cortada em placas ou rebobinada, formando produtos como placas de aço laminadas a quente, chapas laminadas a quente achatadas bobinas e tiras longitudinais.
Se a bobina acabada laminada a quente for lavada com ácido para remover a incrustação e depois lubrificada, ela se tornará uma bobina decapada laminada a quente. Este produto, com sua tendência de substituição local de chapas laminadas a frio e seu preço moderado, é amplamente preferido pelos usuários.
5. Laminação Contínua a Frio
Bobinas de aço laminadas a quente são utilizadas como matéria-prima, que são primeiro lavadas com ácido para remover a película de óxido e depois laminadas a frio. O produto é uma bobina laminada dura. A deformação contínua a frio causa o endurecimento por trabalho, o que aumenta a resistência e a dureza da bobina laminada dura e reduz sua tenacidade e plasticidade.
Como resultado, seu desempenho de estampagem se deteriora e só pode ser utilizado para peças com deformação simples. Bobinas laminadas duras podem ser usadas como matéria-prima para plantas de galvanização por imersão a quente, uma vez que essas plantas são equipadas com linhas de recozimento. O peso das bobinas laminadas duras geralmente varia de 6 a 13,5 toneladas, com diâmetro interno de 610 mm.
As placas e bobinas de laminação contínua a frio padrão deverão passar por recozimento contínuo (em unidade CAPL) ou recozimento em forno tipo campânula para eliminar o endurecimento por trabalho e as tensões de laminação, atingindo os indicadores de desempenho mecânico estabelecidos pelas respectivas normas.
As placas de aço laminadas a frio têm qualidade de superfície, aparência e precisão dimensional superiores em comparação com as placas laminadas a quente, com espessuras de produto laminadas até cerca de 0,18 mm, portanto, são altamente preferidas pelos usuários.
O processamento profundo de produtos à base de bobinas de aço laminadas a frio resulta em produtos de alto valor agregado. Os exemplos incluem galvanização galvanizada, galvanização por imersão a quente, galvanoplastia resistente a impressões digitais, bobinas de chapa de aço com revestimento colorido, placas de aço compostas com amortecimento de vibração e placas de aço laminadas de PVC.
Esses produtos, com suas qualidades estéticas e de alta resistência à corrosão, têm ampla aplicação.
Após o recozimento, as bobinas de aço laminadas a frio devem passar por acabamento, incluindo corte da cabeça e da cauda, corte de borda, nivelamento, achatamento, rebobinamento ou revestimento de cisalhamento longitudinal. Os produtos laminados a frio são amplamente utilizados na fabricação de automóveis, eletrodomésticos, interruptores de instrumentos, construção, móveis de escritório e outras indústrias.
O peso de cada chapa de aço agrupada é de 3 a 5 toneladas, enquanto o peso dos subrolos achatados geralmente varia de 3 a 10 toneladas por rolo, com diâmetro interno de 610 mm.
A maior parte do processamento do aço é realizada através de métodos baseados em pressão, fazendo com que a peça de aço (por exemplo, tarugos ou lingotes) sofra deformação plástica. O processamento do aço pode ser dividido em trabalho a frio e trabalho a quente com base na temperatura aplicada. Os principais métodos para processamento de aço incluem:
Rolando: Este é um método de processamento de pressão em que uma peça de metal passa por uma lacuna entre um par de rolos rotativos de vários formatos. A compressão dos rolos reduz a área da seção transversal do material e aumenta seu comprimento. Este é o método mais comum de produção de aço, utilizado principalmente para a produção de perfis, chapas e tubos. Inclui laminação a frio e a quente.
Forjamento: Este método de processamento por pressão utiliza o impacto alternativo de um martelo de forjamento ou a pressão de uma prensa para transformar a peça no formato e tamanho desejados. Geralmente é dividido em forjamento livre e forjamento em matriz, frequentemente usado para produzir materiais grandes e forjamento em matriz aberta com dimensões de seção transversal maiores.
Desenho: Isso envolve puxar peças metálicas já laminadas (perfis, tubos, produtos, etc.) através dos furos da matriz em um processo que reduz a área da seção transversal e aumenta o comprimento. Este método é amplamente utilizado em trabalho a frio.
Extrusão: Este processo envolve colocar o metal em um cilindro de extrusão selado e aplicar pressão em uma extremidade. O metal é extrudado através de um orifício de matriz específico para produzir produtos acabados com o mesmo formato e tamanho. Este método é usado principalmente para a produção de materiais metálicos não ferrosos.
6. Propriedades mecânicas do aço
6.1 Taxa de Rendimento
A relação entre o limite de escoamento é o quociente entre o limite de escoamento e a resistência à tração (σs/σb). Quanto maior a taxa de rendimento, mais resistente é o material. Por outro lado, quanto menor a relação de limite de escoamento, melhor será a plasticidade e a conformabilidade de estampagem. Por exemplo, a taxa de limite de escoamento da chapa de aço de estampagem profunda é ≤0,65.
O aço para molas é geralmente usado dentro da faixa limite elástica e não pode sofrer deformação plástica sob carga. Portanto, é necessário que o aço da mola tenha um limite elástico e uma relação de resistência ao escoamento tão altos quanto possível após a têmpera e o revenido (σs/σb≥0,90). Além disso, a vida à fadiga está frequentemente fortemente correlacionada com a resistência à tração e a qualidade da superfície.
6.2 Plasticidade
Plasticidade refere-se à capacidade de um material metálico de sustentar deformação permanente antes de falhar sob tensão. A plasticidade é normalmente representada pelo alongamento e redução das taxas de área. Quanto maior o alongamento e redução das taxas de área, melhor será a plasticidade.
7. Resistência ao Impacto
A tenacidade ao impacto, representada por αk, refere-se ao trabalho de impacto despendido por unidade de área da seção transversal no entalhe de um corpo de prova de metal quando ele fratura sob uma carga de teste de impacto especificada.
O corpo de prova comum é 10×10×55mm com um entalhe em V de 2 mm de profundidade, e o padrão adota diretamente o trabalho de impacto (valor J Joule) AK, não o valor αK, porque o trabalho de impacto por unidade de área não tem significado prático .
O trabalho de impacto é mais sensível para examinar a transformação de fragilidade de materiais metálicos em diferentes temperaturas, e os acidentes catastróficos de fratura sob condições reais de serviço estão frequentemente relacionados ao trabalho de impacto do material e à temperatura de serviço.
Portanto, as normas muitas vezes estipulam valores específicos de trabalho de impacto a uma determinada temperatura e exigem que a FATT (Temperatura de Transição de Aparência de Fratura) seja inferior a uma determinada temperatura.
A chamada FATT é a temperatura correspondente à fratura frágil que ocupa 50% da área total após um grupo de corpos de prova de impacto ser quebrado em diferentes temperaturas. Devido à influência da espessura da placa de aço, para placas com espessura ≤10mm, amostras de impacto de tamanho 3/4 (7,5×10×55mm) ou amostras de impacto de 1/2 tamanho (5×10×55mm) podem ser obtidas.
Contudo, deve-se notar que apenas os valores de trabalho de impacto sob as mesmas especificações e a mesma temperatura podem ser comparados.
Somente sob as condições estipuladas na norma, o trabalho de impacto pode ser convertido no trabalho de impacto da amostra de impacto padrão de acordo com o método de conversão padrão e depois comparado.
8. Teste de dureza
A capacidade de um material metálico de resistir à penetração de um penetrador (uma esfera de aço endurecido ou um penetrador de diamante com um cone ou ângulo de 120 graus) é chamada de dureza. Dependendo dos métodos de teste e escopos aplicáveis, a dureza pode ser classificada em dureza Brinell, dureza Rockwell, dureza Vickers, dureza Shore, bem como microdureza e dureza em altas temperaturas. Os produtos metalúrgicos geralmente usam dureza Brinell e dureza Rockwell.
9. Padrão Corporativo da Baosteel (Q/BQB)
As classes de aço nos padrões corporativos da Baosteel podem ser divididas aproximadamente em três fontes: aquelas transplantadas do padrão JIS japonês, do padrão DIN alemão e aquelas desenvolvidas e produzidas pela própria Baosteel.
As classes de aço transplantadas do padrão JIS geralmente começam com S (Aço); aqueles transplantados do padrão DIN geralmente começam com ST (Stahl, a palavra alemã para “aço”); As classes de aço desenvolvidas e produzidas pela própria Baosteel geralmente começam com B, a inicial da grafia fonética da Baosteel.
10. Placas e tiras de aço estrutural laminadas a quente e a frio
O aço estrutural é geralmente classificado por resistência, e os números no tipo de aço geralmente representam a resistência à tração mínima. Como esse tipo de aço é comumente usado para fabricar componentes estruturais, ele é denominado aço estrutural.
Os mecanismos de fortalecimento do aço estrutural tendem a favorecer a descarbonização e o fortalecimento da ferrita com soluções sólidas de manganês, o refinamento da perlita e a adição de microligas para fortalecimento por precipitação, fortalecimento de sedimentos e fortalecimento de grãos finos.
Isso garante que, ao mesmo tempo que aumenta a resistência, o aço mantém boa tenacidade, índices de plasticidade e excelente soldabilidade.
