Classificação de aço inoxidável
1. De acordo com a composição químicapode ser dividido em: aço inoxidável cromo, aço inoxidável cromo-níquel, aço inoxidável cromo-manganês, aço inoxidável cromo-níquel-molibdênio, aço inoxidável com ultrabaixo carbono, aço inoxidável com alto teor de molibdênio, aço inoxidável de alta pureza, etc.
2. De acordo com a estrutura metalográficapode ser dividido em: aço inoxidável martensítico, aço inoxidável ferrítico, aço inoxidável austenítico, aço inoxidável ferrítico austenítico, etc.
3. De acordo com as características de desempenho e usos do aço: como aço inoxidável resistente ao ácido nítrico (grau de ácido nítrico), aço inoxidável resistente ao ácido sulfúrico, aço inoxidável resistente à corrosão, aço inoxidável resistente ao estresse, aço inoxidável de alta resistência, etc.
4. De acordo com as características funcionais do aço: como aço inoxidável de baixa temperatura, aço inoxidável não magnético, aço inoxidável de corte livre, aço inoxidável superplástico, etc.
O processo de desenvolvimento de classes de aço inoxidável é mostrado na figura abaixo:
Efeito dos elementos de liga na microestrutura e propriedades do aço inoxidável
Observação: 口 – efeito forte, 
—— Ação moderada, ▲ – ação fraca
Maneiras de melhorar a resistência à corrosão do aço inoxidável
(1) Para obter uma curva de polarização anódica estável da zona de passivação para um meio específico, certifique-se de que o aço inoxidável esteja preparado adequadamente.
(2) Aumentar o potencial do eletrodo do substrato de aço inoxidável e ao mesmo tempo reduzir a força eletromotriz da célula galvânica corrosiva pode ajudar a melhorar sua resistência à corrosão.
(3) Melhorar a estrutura monofásica do aço e reduzir o número de microbaterias pode melhorar sua resistência à corrosão.
(4) Para formar uma película protetora estável na superfície do aço, a adição de elementos como silício, alumínio e cromo pode ajudar a criar uma película protetora densa em muitas situações de corrosão e oxidação, aumentando assim a resistência à corrosão do aço.
(5) Eliminar ou reduzir vários fenómenos irregulares no aço é também um passo vital para aumentar a sua resistência à corrosão.
Adicionar elementos de liga ao aço é o principal método usado para melhorar sua resistência à corrosão.
A adição de diferentes elementos de liga pode funcionar de uma ou várias maneiras simultaneamente para melhorar a resistência à corrosão do aço.
Efeito dos elementos de liga na polarização e no potencial do eletrodo do ferro
O tipo e o conteúdo dos elementos de liga têm impacto direto na resistência à corrosão do aço inoxidável. A principal função dos elementos de liga é influenciar o desempenho de polarização do ferro e do potencial do eletrodo.
1. Efeito dos elementos de liga nas propriedades de polarização do ferro
O processo de polarização anódica de metais comumente usados, como Fe, Cr, Ni e Ti, segue um padrão de polarização único.
Após a passagem do ânodo, o potencial anódico aumenta e a corrente anódica (taxa de corrosão) muda de acordo, quase com o mesmo padrão.
A forma típica da curva de polarização é mostrada na figura abaixo.
À medida que o potencial de polarização anódica aumenta, a corrente de corrosão não diminui uniformemente. Em vez disso, primeiro aumenta, depois diminui até um mínimo e mantém esta corrente através de um certo estágio de aumento de potencial antes de aumentar novamente.
Esta curva de polarização é chamada de curva de polarização anódica com transição de ativação e passivação. É dividido em três regiões: região de ativação (A), região de passivação (B) e região de superpassivação (T).
Fig. curva de polarização anódica de metais de transição ativados e passivados
A polarização desempenha um papel significativo na melhoria da resistência à corrosão dos metais. Fatores que melhoram a polarização anódica ou catódica podem aumentar a resistência à corrosão, enquanto fatores de despolarização podem reduzi-la.
Diferentes elementos de liga têm efeitos variados nas propriedades de polarização do ferro. Elementos que expandem a zona de passivação, o que reduz o potencial da zona ECP e P e aumenta o potencial do ponto Er, podem melhorar a resistência à corrosão do aço. Por outro lado, todos os elementos que melhoram o desempenho da passivação, fazendo com que os pontos ICP e I1 se movam para a esquerda, podem reduzir a corrente de corrosão e melhorar a resistência à corrosão.
Elementos que aumentam o potencial do ponto Er tendem a reduzir a corrosão por pites porque, quando o potencial flutua próximo ao potencial de superpassivação e o potencial do ponto Er é baixo, pode levar à quebra local do filme de passivação, resultando em corrosão por pites.
Entre os elementos de liga comumente usados no aço, o Cr pode melhorar significativamente o desempenho de passivação do ferro puro, aumentar o potencial dos pontos Ecp, Ep e Er e deslocar a posição dos pontos Icp e I1 para a esquerda. Portanto, é o elemento mais eficaz para aumentar a resistência à corrosão do ferro.
Além do Cr, elementos de liga como Ni, Si, Mo, etc. também podem melhorar o desempenho da passivação e expandir a zona de passivação em vários graus.
O Mo, por exemplo, não apenas melhora o desempenho de passivação do ferro, mas também aumenta o potencial do ponto Er, o que melhora a resistência à corrosão por pites do ferro.
2. Influência no potencial do eletrodo do ferro
Em geral, o potencial do eletrodo de uma solução metálica sólida é inferior ao de outros compostos. Portanto, durante o processo de corrosão, a solução sólida metálica tem maior probabilidade de corroer como ânodo.
Uma maneira de aumentar a resistência à corrosão do ferro é aumentar o potencial do eletrodo. Estudos demonstraram que a adição de Cr ao ferro para formar uma solução sólida pode aumentar significativamente o potencial do eletrodo do material resultante, conforme ilustrado na figura abaixo.
Ao elevar o potencial do eletrodo de um material, sua resistência à corrosão pode ser acentuadamente aumentada.
Fig. efeito do cromo no potencial do eletrodo da liga Fe Cr
Devido ao bom efeito do cromo na passivação do ferro e no potencial do eletrodo, o cromo se tornou o principal elemento de liga de vários aços inoxidáveis.
Efeito dos elementos de liga na resistência à corrosão e na estrutura da matriz do aço inoxidável
A estrutura da matriz do aço inoxidável é crucial para alcançar as propriedades mecânicas e de processo desejadas, além de garantir excelente resistência à corrosão.
Dois tipos de aços inoxidáveis, aço ferrítico monofásico e aço austenítico monofásico, apresentam resistência superior à corrosão.
O efeito dos elementos de liga na estrutura da matriz depende principalmente de eles atuarem como estabilizadores de ferrita (α) ou estabilizadores de austenita (γ).
Quando o elemento estabilizador é dominante, pode-se obter aço inoxidável α monofásico; caso contrário, obtém-se aço inoxidável γ monofásico.
1. Efeito dos elementos de liga na resistência à corrosão do aço inoxidável
1. Cromo
O cromo é o elemento primário que determina a resistência à corrosão do aço inoxidável. Quando o teor de cromo (razão atômica) atinge entre 1/8 e 2/8, o potencial do eletrodo do ferro salta, levando a uma melhoria na resistência à corrosão do aço. O cromo também é um elemento estabilizador que ajuda a aumentar a durabilidade geral do material.
Uma razão para isso é que o óxido de cromo é relativamente denso e pode formar uma película protetora que resiste à corrosão.
2. Carbono e nitrogênio
O carbono desempenha um papel essencial na produção de aço inoxidável, pois estabiliza fortemente a austenita, com capacidade estabilizadora cerca de 30 vezes maior que a do níquel. Além disso, o carbono é o principal elemento utilizado para fortalecer o aço inoxidável. No entanto, o carbono também pode formar uma série de carbonetos com o cromo, o que pode impactar significativamente a resistência à corrosão do aço inoxidável. Além disso, o carbono pode piorar as propriedades de processamento e soldagem do aço inoxidável e fazer com que o aço inoxidável ferrítico se torne quebradiço.
Portanto, é crucial controlar cuidadosamente e aplicar carbono durante a produção e desenvolvimento de aço inoxidável. A combinação de carbono e cromo tem efeito significativo na formação de estruturas de aço inoxidável, conforme demonstrado na figura abaixo.
A figura mostra que quando o teor de carbono é baixo e o teor de cromo é alto, obtém-se uma estrutura de ferrita, enquanto uma estrutura de martensita é obtida quando o teor de carbono é alto e o teor de cromo é baixo.
No aço inoxidável com cromo, um aumento no teor de carbono levará à formação de martensita quando o teor de cromo estiver abaixo de 17%. Por outro lado, um baixo teor de carbono e 13% de cromo resultará na formação de aço inoxidável ferrítico.
À medida que o teor de cromo aumenta de 13% para 27%, aumenta a capacidade de estabilização da ferrita, o que, por sua vez, provoca um aumento no teor de carbono (de 0,05% para 0,2%). Apesar do aumento no teor de carbono, a matriz de ferrita ainda pode ser mantida.
Fig. efeito do carbono e do cromo na microestrutura do aço inoxidável
3. Níquel
O níquel é um dos três elementos importantes do aço inoxidável, pois pode melhorar a resistência à corrosão do material. Como elemento estabilizador da fase γ, o níquel é o principal componente necessário para obter austenita monofásica e promover sua formação em aço inoxidável.
Um dos principais benefícios do níquel é que ele pode efetivamente reduzir o ponto Ms, mantendo a austenita estável em temperaturas muito baixas (-50 ℃) sem sofrer transformação martensítica. No entanto, aumentar o teor de níquel reduzirá a solubilidade do carbono e do nitrogênio no aço austenítico, aumentando assim a tendência desses compostos de dessolvatar e precipitar.
À medida que o teor de níquel aumenta, o teor crítico de carbono da corrosão intergranular diminui, tornando o aço mais suscetível a este tipo de corrosão. No entanto, o efeito do níquel na resistência à corrosão por pites e na resistência à corrosão em frestas do aço inoxidável austenítico não é significativo.
Além de seus benefícios de resistência à corrosão, o níquel também pode melhorar a resistência à oxidação em alta temperatura do aço inoxidável austenítico. Isto se deve principalmente à capacidade do níquel de melhorar a composição, estrutura e propriedades do filme de óxido de cromo. No entanto, é importante notar que a presença de níquel pode reduzir a resistência do aço à vulcanização em altas temperaturas.
4. Manganês
O manganês é um elemento formador de austenita relativamente fraco, mas desempenha um papel crucial na estabilização da estrutura da austenita.
No aço inoxidável austenítico, o manganês substitui parcialmente o níquel e 2% de Mn equivale a 1% de Ni.
O manganês também pode aumentar a resistência à corrosão do aço inoxidável cromo em ácidos orgânicos, como ácido acético, ácido fórmico e ácido glicólico, e é mais eficaz que o níquel.
No entanto, quando o teor de cromo no aço excede 14%, a adição apenas de manganês não pode resultar em uma única estrutura de austenita.
Como o aço inoxidável austenítico tem melhor resistência à corrosão quando o teor de cromo está acima de 17%, a indústria emprega principalmente aço Fe-Cr-Mn-Ni-N, como 12Cr18Mn9Ni5N, como substituto para ligas contendo níquel. A quantidade de aço inoxidável austenítico Fe-Cr-Mn-N isento de níquel usada é relativamente menor.
5. Nitrogênio
Nos estágios iniciais, o nitrogênio foi usado principalmente nos aços inoxidáveis austeníticos Cr-Mn-N e Cr-Mn-Ni-N para economizar Ni. No entanto, nos últimos anos, o nitrogênio tornou-se um elemento de liga essencial do aço inoxidável austenítico Cr Ni.
A adição de nitrogênio ao aço inoxidável austenítico pode estabilizar a estrutura austenítica, melhorar a resistência e aumentar a resistência à corrosão, especialmente para corrosão local, como corrosão intergranular, corrosão por picadas e corrosão em frestas.
Em aço inoxidável austenítico comum de baixo carbono e ultrabaixo carbono, a resistência à corrosão intergranular pode ser melhorada. O nitrogênio afeta o processo de precipitação do carboneto de cromo durante o tratamento de sensibilização, aumentando a concentração de cromo na fronteira do grão.
No aço inoxidável austenítico de alta pureza, onde não há precipitação de carboneto de cromo, o nitrogênio aumenta a estabilidade do filme passivo e reduz a taxa média de corrosão. Embora o nitreto de cromo precipite em aço com alto teor de nitrogênio, a taxa de precipitação do nitreto de cromo é lenta. Assim, o tratamento de sensibilização não causará deficiência intergranular de cromo, tendo pouco efeito na corrosão intergranular.
O nitrogênio também pode inibir a segregação de fósforo no limite do grão e melhorar a resistência à corrosão intergranular do aço.
Atualmente, o aço inoxidável austenítico contendo nitrogênio possui principalmente alta resistência e resistência à corrosão. Ele pode ser dividido em três tipos: tipo de controle de nitrogênio, tipo de nitrogênio médio e tipo de alto nitrogênio.
O tipo de controle de nitrogênio envolve a adição de 0,05% ~ 0,10% N ao aço inoxidável austenítico Cr Ni de carbono ultrabaixo (C ≤ 0,02% ~ 0,03%) para melhorar a resistência, otimizar a resistência à corrosão intergranular e aumentar a resistência à corrosão sob tensão do aço.
O tipo de nitrogênio médio contém 0,10% ~ 0,50% N e é fundido e derramado sob pressão atmosférica normal. Por outro lado, o teor de nitrogênio do tipo alto nitrogênio é superior a 0,40%.
Geralmente é fundido e vazado sob condições de pressão crescente. Este tipo de aço é utilizado principalmente no estado de solução sólida ou estado de trabalho semi-frio, pois possui alta resistência e resistência à corrosão.
Atualmente, o aço austenítico com alto teor de nitrogênio e teor de nitrogênio variando de 0,8% a 1,0% foi aplicado com sucesso em aplicações práticas e iniciou a produção industrial.
6. Elementos de titânio, nióbio, molibdênio e terras raras
O titânio e o nióbio são elementos que podem formar fortemente carbonetos, que podem reagir preferencialmente com o carbono do que com o cromo, evitando assim a corrosão intergranular e melhorando a resistência à corrosão do aço.
Ao adicionar titânio e nióbio ao aço, é importante manter uma certa proporção com o teor de carbono.
O molibdênio, por outro lado, pode aumentar a capacidade de passivação do aço inoxidável e ampliar a gama de meios de passivação. Isso significa que pode suportar ácido sulfúrico quente, ácido clorídrico diluído, ácido fosfórico e ácidos orgânicos. O filme de passivação criado com molibdênio é altamente estável em vários meios e tem menor probabilidade de se dissolver.
O aço inoxidável contendo molibdênio é resistente à corrosão por pites, pois pode proteger o filme passivo contra danos causados por Cl-.
Quando elementos de terras raras como Ce, La e Y são adicionados ao aço inoxidável, eles podem dissolver-se ligeiramente na matriz. Este processo ajuda a purificar o contorno de grão, modificar as inclusões, homogeneizar a estrutura e reduzir a precipitação de precipitados e segregação no contorno de grão. Isto leva a uma melhoria na resistência à corrosão e nas propriedades mecânicas do aço.
2. Efeito dos elementos de liga na microestrutura do aço inoxidável
A influência dos elementos de liga na estrutura da matriz do aço inoxidável pode ser classificada em duas categorias:
- Elementos formadores de ferrita, como cromo, platina, silício, titânio, nióbio, etc.
- Elementos formadores de austenita, como carbono, nitrogênio, níquel, manganês, cobre, etc.
Quando estes elementos com diferentes funções são adicionados ao aço simultaneamente, a microestrutura do aço inoxidável depende dos seus efeitos abrangentes.
Para simplificar o tratamento, o efeito dos elementos formadores de ferrita é convertido no efeito do cromo, conhecido como equivalente de cromo (Cr), enquanto o efeito dos elementos formadores de austenita é convertido em equivalente de níquel (Ni).
Com base no equivalente de cromo (Cr) e no equivalente de níquel (Ni), é criado um diagrama para representar a composição real do aço e o estado estrutural resultante, conforme mostrado na figura a seguir.
Fig. diagrama de estrutura de aço inoxidável
A figura ilustra que o aço 12Cr18Ni9 pertence à família dos aços inoxidáveis austeníticos e está localizado na zona da fase a.
Por outro lado, o aço inoxidável Cr28 é classificado como aço inoxidável ferrítico e pode ser encontrado na zona da fase ferrítica.
Enquanto isso, o aço inoxidável 30Cr13 se enquadra na categoria de aço inoxidável martensítico e está situado na zona da fase martensítica.
Para obter uma estrutura de austenita monofásica, é necessário um equilíbrio específico de elementos de liga. Caso contrário, alguma estrutura de ferrita aparecerá no aço, resultando em uma estrutura multifásica.
Efeito da composição e microestrutura da liga nas propriedades mecânicas do aço inoxidável
1. Mecanismo de reforço de aço inoxidável
O fortalecimento do aço inoxidável é alcançado através de vários mecanismos, incluindo fortalecimento de solução sólida, fortalecimento de transformação de fase, fortalecimento de segunda fase, fortalecimento de refinamento de grãos, fortalecimento de precipitação e fortalecimento de subestrutura.
A figura abaixo ilustra a contribuição desses mecanismos para o limite de escoamento em aço inoxidável austenítico de 8% ~ 10% Ni.
Conforme representado na figura, o cromo, o silício e o carbono fornecem fortalecimento da solução sólida à matriz, resultando em um aumento de várias vezes na tensão de escoamento da matriz austenítica.
Outro mecanismo de fortalecimento é a existência da ferrita α como segunda fase, juntamente com o refinamento do tamanho do grão e a precipitação de precipitados, o que aumenta significativamente a resistência da austenita.
A figura destaca que, no aço inoxidável austenítico, o reforço da solução sólida é um mecanismo crucial, e o refinamento do grão é o que mais contribui para a resistência geral.
Fig. fatores que afetam a resistência do aço inoxidável austenítico
2. Resistência e plasticidade de vários aços inoxidáveis
As propriedades dos diferentes aços inoxidáveis variam dependendo da sua composição e estrutura.
Consulte a figura abaixo para uma comparação da resistência e plasticidade de vários aços inoxidáveis.
Fig. comparação de resistência e plasticidade de vários aços inoxidáveis e ferro puro
Entre todos os aços inoxidáveis, o aço inoxidável austenítico tem a melhor ductilidade, enquanto o aço inoxidável endurecido por precipitação tem a maior resistência.
O aço inoxidável martensítico apresenta boas propriedades mecânicas gerais, caracterizadas por alta resistência e algum grau de ductilidade.
O aço inoxidável duplex, que é uma combinação de aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos, apresenta maior resistência e melhor ductilidade.
O aço inoxidável ferrítico e o aço inoxidável austenítico têm propriedades de resistência semelhantes, mas a ductilidade deste último é muito maior do que a de outros tipos de aço inoxidável. (Para efeito de comparação, a curva do ferro puro também está incluída na figura).
Efeito do meio corrosivo na resistência à corrosão do aço inoxidável
A resistência à corrosão do metal não é determinada apenas pelo seu material, mas também pelo tipo, concentração, temperatura, pressão e outras condições ambientais do meio corrosivo.
Em aplicações práticas, a capacidade oxidante do meio corrosivo tem maior impacto na corrosão do metal. Portanto, ao selecionar tipos de aço inoxidável para ambientes de trabalho específicos, é importante considerar as características do meio corrosivo.
Em meios fracamente corrosivos, como atmosfera, água e vapor, a resistência à corrosão do aço inoxidável pode ser garantida desde que o teor de Cr da solução sólida na matriz de aço inoxidável seja superior a 13%. Isso o torna adequado para uso em componentes como válvulas de compressores de água, pás de turbinas de geradores de vapor e tubulações de vapor.
No entanto, em meios oxidantes como o ácido nítrico, os íons NO3- têm uma forte capacidade oxidante. Isto resulta na formação de uma película de óxido na superfície do aço inoxidável com curto tempo de passivação, comprometendo assim a sua resistência à corrosão.
O H+ no ácido atua como um despolarizador catódico. À medida que a concentração de H+ aumenta, a despolarização do cátodo se fortalece e o teor de cromo necessário para a passivação também aumenta. Portanto, apenas o filme de óxido que contém alto teor de cromo apresenta boa estabilidade em ácido nítrico.
Em ácido nítrico em ebulição, o aço inoxidável 12Cr13 não é resistente à corrosão. No entanto, os aços Cr17 e Cr30 com teor de cromo de 17% a 30% são resistentes à corrosão em ácido nítrico com concentração de 0% a 65%.
Em meios não oxidantes, como ácido sulfúrico diluído, ácido clorídrico e ácido orgânico, o teor de oxigênio desses meios corrosivos é baixo e o tempo de passivação precisa ser estendido. Quando o teor de oxigênio no meio é baixo até certo ponto, o aço inoxidável não pode ser passivado. Por exemplo, no ácido sulfúrico diluído, o SO42- no meio não é um oxidante, e o teor de oxigênio dissolvido no meio é relativamente baixo, tornando-o incapaz de passivar o aço. Conseqüentemente, a taxa de corrosão do aço inoxidável com cromo é ainda mais rápida que a do aço carbono.
Assim, o aço inoxidável Cr geral ou o aço inoxidável Cr Ni são difíceis de atingir o estado de passivação e não são resistentes à corrosão quando se trabalha neste tipo de meio. Para melhorar a capacidade de passivação do aço, elementos como molibdênio, cobre e outros precisam ser adicionados.
O ácido clorídrico é um ácido não oxidante conhecido por causar corrosão no aço inoxidável. Para evitar a corrosão, é necessária uma liga Ni-Mo para formar uma película protetora estável na superfície da liga.
Em ácidos orgânicos fortes, a passivação do aço inoxidável cromo e cromo-níquel é difícil devido ao baixo teor de oxigênio no meio e à presença de H+. A adição de Mo, Cu, Mn e outros elementos ao aço pode melhorar sua capacidade de passivação. Portanto, o aço inoxidável Cr-Mn é considerado a melhor opção.
Para tornar o aço resistente à corrosão e fácil de passivar, uma certa quantidade de Mo e Cu é adicionada ao aço.
Em meios contendo Cl-, o filme de óxido na superfície do aço inoxidável é facilmente destruído, levando à corrosão por pites do aço. Como resultado, a água do mar é altamente corrosiva para o aço inoxidável.
É importante notar que nenhum aço inoxidável pode resistir à corrosão de todos os tipos de meios. Portanto, a seleção do aço inoxidável deve ser baseada no ambiente de corrosão específico e nas características dos vários tipos de aço inoxidável.
