Inclusões Não Metálicas no Aço: Impacto na Qualidade

Conceito e classificação de inclusões

1. Inclusão endógena

Durante o processo de fundição do aço, ocorre uma reação de desoxidação que resulta na produção de óxidos e outros produtos. Se estes produtos não subirem à superfície antes da solidificação do aço fundido, eles permanecerão presos dentro do aço. As seguintes reações ocorrem:

• Mn + FeO → Fe + MnO
• Si + 2FeO → SiO₂ + 2Fe
• 2Al + 3FeO → 3Fe + Al₂Ó₃
• Ti + 2FeO → 2Fe + TiO₂

A presença de impurezas como oxigênio, enxofre e nitrogênio no aço fundido leva à sua precipitação na solução sólida durante o resfriamento e a solidificação, ficando finalmente presas no lingote. A distribuição destas inclusões, conhecidas como inclusões endógenas, é tipicamente uniforme e caracterizada por pequenas partículas.

Embora a operação adequada e a implementação de medidas de processo apropriadas possam reduzir o número de inclusões e alterar a sua composição, tamanho e distribuição, a sua presença é geralmente inevitável.

2. Inclusões estrangeiras

A escória flutuando na superfície do aço fundido durante o processo de fundição e vazamento, bem como materiais refratários ou outros detritos que podem se desprender das paredes internas do forno de produção de aço, da calha de vazamento e da panela, nem sempre são removidos antes o aço fundido solidifica, resultando em sua presença dentro do aço.

Essas inclusões são formadas a partir do contato entre o metal e substâncias externas durante o processo de fundição.

Normalmente, essas inclusões têm formato irregular, tamanho grande e aparência irregular, o que lhes valeu o apelido de “inclusões grosseiras”.

No entanto, estas inclusões podem ser evitadas através de técnicas operacionais adequadas.

Classificação por composição química:

Inclusão não metálica

• Sulfeto: FeS, MnS
• Óxidos: FeO, Al₂Ó₃
• Silicatos: 2MnO·SiO₂
• Nitretos: TiN, ZrN

Classificação por capacidade de deformação:

Inclusão não metálica:

• Inclusão frágil: Al₂Ó₃
• Inclusão plástica: FeS, MnS, 2MnO·SiO₂
• Inclusão invariante: SiO₂

Classificação por morfologia e distribuição:

Inclusão não metálica:

• Classe A – compostos hidrofóbicos
• Classe B – Alumina
• Classe C – Silicatos
• Classe D – Óxidos esféricos
• Classe Ds – Esferoide de partícula única

Classe A (Sulfeto): Inclusões cinzas únicas com alta ductilidade e ampla gama de relações morfológicas, geralmente com extremidades arredondadas.

Classe B (Alumina): A maioria das partículas não é deformada, angular, com pequena proporção morfológica (geralmente menor que 3) e é preta ou azul. Deve haver pelo menos três partículas seguidas ao longo da direção de laminação.

Classe C (Silicato): Inclusões únicas pretas ou cinza escuro com alta ductilidade e ampla gama de razões morfológicas (geralmente maiores ou iguais a 3), geralmente com ângulo agudo na extremidade.

Classe D (Óxido Esférico): Partículas indeformadas, angulares ou circulares com pequenas proporções morfológicas (geralmente menores que 3), pretas ou azuladas e distribuídas irregularmente.

Classe Ds (Single Particle Spherical): Inclusões redondas ou quase redondas de partículas únicas com um diâmetro de 13 μm ou superior.

Limites de classificação da Tabela 1 (mínimo)

Largura de inclusão da Tabela 2

Impacto no desempenho do serviço

• O desempenho de fadiga é reduzido.
• A tenacidade sob impacto e a plasticidade diminuem.
• A resistência à corrosão é diminuída.

A presença de inclusões com tamanho menor que 10μm promove a nucleação da estrutura, e o crescimento dos grãos ocorre durante a soldagem.

(1) A adição de elementos de liga como Nb, V, Ti e outros pode resultar na precipitação de compostos C e N (um tipo de microinclusões) durante o lingotamento contínuo e o aquecimento.

(2) Sulfetos de cálcio, silicatos e óxido ferroso fino podem refinar os núcleos cristalinos, o que é benéfico para a tenacidade, plasticidade e resistência da placa de aço.

No entanto, quando o tamanho das inclusões não metálicas excede 50 μm, a plasticidade, tenacidade e vida à fadiga do aço são reduzidas, e as propriedades de trabalho a frio e a quente, bem como algumas propriedades físicas, são deterioradas.

Em geral, o tamanho das inclusões em nosso aço fundido excede 50μm, reduzindo a tenacidade, a plasticidade e a resistência da chapa de aço.

Além dessas propriedades, as inclusões também têm um impacto negativo na resistência a ácidos, no desempenho à fadiga, no acabamento superficial e no desempenho da soldagem.

Influência no desempenho do processo

1. É fácil rachar durante o forjamento, trabalho a frio, têmpera, aquecimento e soldagem.

2. A qualidade da superfície após a laminação e a rugosidade da superfície das peças após a retificação são reduzidas.

Influência na resistência e alongamento da chapa de aço

Quando as partículas de inclusão são relativamente grandes, excedendo 10 μm de tamanho, especialmente quando o teor de inclusão é baixo, o limite de escoamento e a resistência à tração do aço são significativamente reduzidos.

No entanto, se as partículas de inclusão forem pequenas e medirem menos de 10 μm, o limite de escoamento e a resistência à tração do aço são melhorados.

À medida que a quantidade de pequenas partículas no aço aumenta, a resistência ao escoamento e a resistência à tração também aumentam, mas há uma ligeira diminuição no alongamento.

Influência no desempenho de fadiga

É amplamente aceito que as inclusões são a principal causa da falha por fadiga no aço.

Inclusões frágeis e esféricas com forças de ligação fracas e tamanhos grandes têm um impacto significativo no desempenho à fadiga, com maior resistência levando a maiores riscos, conforme ilustrado na Figura 1.

Para aço de alta resistência, se a superfície do componente for bem processada, o início e a inclusão da trinca tornam-se o modo dominante de trinca por fadiga.

Pequenas inclusões podem ter pouco impacto na nucleação de trincas, mas desempenham um papel benéfico na propagação de trincas por fadiga.

A Figura 2 é uma representação esquemática da formação e crescimento de vazios em torno de pequenas inclusões.

Pensa-se que as covinhas estão associadas a inclusões menores que 0,5 mm.

Fig. 1 tamanho de inclusão e vida à fadiga sob o mesmo nível de tensão

Fig. 2 Diagrama esquemático da formação de microvazios entre inclusões não adjacentes

Exemplos de falhas:

O eixo elástico de um motor de equipamento falha após um período de uso. A Figura 3 mostra o aspecto macroscópico da fratura.

Pela direção das linhas macroscópicas de fadiga na superfície de fratura e das linhas radiais, pode-se observar que a trinca se origina na superfície do eixo elástico e corresponde a uma linha longitudinal na superfície do eixo.

No entanto, as características morfológicas da superfície de fratura original não são claras devido ao desgaste severo na superfície de fratura no ponto de início da trinca.

Conforme mostrado na Figura 4, um exame macroscópico e microscópico de um eixo elástico que não falhou revela a presença de vários graus de fissuras longitudinais na superfície do eixo e inclusões não metálicas na área onde ocorrem as fissuras.

Os resultados da análise do espectro de energia indicam que as inclusões não metálicas nas fissuras são óxido de alumínio. As inclusões esféricas de óxido e as inclusões esféricas de partículas únicas do eixo elástico do motor são classificadas como 2,0.

A principal causa da falha prematura do eixo elástico é a fratura por fadiga resultante da inclusão atuando como fonte de fadiga do núcleo sob a influência de tensões alternadas.

Fig. 3 aspecto macroscópico da fratura da haste elástica do motor fraturado

Fig. 4 Análise SEM de inclusões na haste elástica

Influência na resistência à corrosão

A presença de inclusões não metálicas no aço pode diminuir significativamente a sua resistência à corrosão.

As diferenças na composição química entre as inclusões não metálicas e a base de aço facilitam a formação de uma microcélula entre elas. Isto pode resultar em corrosão eletroquímica na presença de um meio corrosivo ambiental, levando à formação de poços de corrosão e rachaduras. Em casos graves, isso pode resultar em falha de fratura.

Por exemplo, uma tubulação de água de aquecimento feita de aço estrutural de carbono Q235B vazou prematuramente. A Figura 5(a) mostra a aparência macroscópica do cano de água com vazamento, com evidências de corrosão próximo ao ponto de vazamento. A Figura 5(b) mostra que, após a remoção dos produtos de oxidação e corrosão, existem ranhuras claras nas soldas no ponto de vazamento.

Uma análise abrangente de metalografia, inclusões, espectros de energia e testes simulados de corrosão acelerada tanto do tubo de água vazado quanto do tubo de água original revelou que a presença de inclusões de óxido ou inclusões de óxido composto penetrando na superfície interna na junta de solda foi a principal causa de corrosão local, formação de sulcos de corrosão e vazamento prematuro da tubulação de água.

Os meios corrosivos presentes no tubo, como O2, S e Cl, fizeram com que as inclusões não metálicas formassem uma célula de corrosão com o ferro adjacente, levando à corrosão eletroquímica e, por fim, causando vazamento no tubo de água.

Fig. 5 aparência macroscópica de vazamento na tubulação de água

Influência na fratura retardada induzida por hidrogênio

A infiltração de hidrogênio em um material ou a geração de hidrogênio através da interação eletroquímica entre o meio e a superfície do material pode continuar a se difundir sob certas condições e facilmente agregar-se e combinar-se em moléculas de hidrogênio em armadilhas como inclusões.

Quando a pressão das moléculas de hidrogênio nessas armadilhas excede o limite de resistência do material, núcleos de fissuras serão formados.

Com a difusão e agregação contínuas de hidrogênio, o material acabará por sofrer macrofratura.

Existem muitos fatores que afetam a fissuração induzida pelo hidrogênio, mas para um tipo específico de aço, a influência das inclusões é a mais importante, além da influência dos fatores do processo. As inclusões são fortes armadilhas de hidrogênio e a pressão em torno das inclusões não metálicas (especialmente as grandes) é muito alta, com uma força de ligação relativamente fraca entre as inclusões e a matriz.

À medida que a pressão do hidrogénio aumenta, irão formar-se fissuras na interface entre as inclusões e a matriz. A probabilidade de nucleação de fissura induzida por hidrogénio nas inclusões é elevada, e quanto maior o nível e a quantidade de inclusões, maior a susceptibilidade à fissuração induzida por hidrogénio.

Um exemplo de falha é o tanque de armazenamento de GLP de 200 m3 de uma empresa de GLP feito de 16Mn com espessura de placa de 24mm e pressão de trabalho de 1,18 MPa. Após muitos anos de uso, 54 protuberâncias na superfície do tanque esférico haviam rachado, sendo que 20 já estavam rachadas. O exame metalográfico, MEV e análise do espectro de energia revelaram inclusões graves de MNS dentro e ao redor do tambor, juntamente com contenção de hidrogênio.

A razão para o abaulamento foi o acúmulo de hidrogênio que se infiltrou no aço, formando protuberâncias no defeito da interface matriz de inclusão devido à reação catódica de evolução do hidrogênio. A fissura superficial da protuberância foi uma fratura retardada induzida por hidrogênio sob a ação de tensão de tração.

As Figuras 6 e 7 mostram o aspecto macroscópico do bojo nas superfícies interna e externa do tanque de armazenamento e a micromorfologia da superfície da parede interna do tambor e a distribuição superficial dos elementos Mn e S, respectivamente. A inclusão não metálica grave foi o factor material na formação de bolhas de hidrogénio e na quebra das bolhas.

Fig. 6 aparência macroscópica do tambor do tanque

Fig. 7 micromorfologia da superfície da parede interna do tambor e diagrama de distribuição dos elementos Mn e S