Os defeitos do aço referem-se a diversas ocorrências anormais na superfície ou no interior do aço durante sua produção ou uso que podem impactar seu desempenho e qualidade.
Defeitos superficiais comuns no aço incluem rachaduras, arranhões, dobras, orelhas, crostas (pele pesada), cicatrizes de soldagem e rebarbas nas extremidades. Além disso, existem defeitos superficiais típicos, como óxidos de rolamento, manchas, fissuras, superfícies esburacadas e inclusões.
As causas dos defeitos do aço são diversas, como danos graves ou desgaste da ranhura de laminação tipo furo anterior, metais estranhos caindo nas peças laminadas e sendo pressionados na superfície do aço, ou defeitos na superfície da peça laminada passada anterior. A atmosfera oxidativa durante o aquecimento também leva à oxidação do aço, formando óxidos como FeO, Fe2O3, Fe3O4 na superfície da peça.
As técnicas de detecção de defeitos de aço se dividem principalmente em detecção visual manual tradicional e detecção automatizada baseada em visão computacional. Nos últimos anos, métodos baseados em aprendizagem profunda, como YOLOv5 e YOLOv7, têm sido amplamente aplicados na detecção automatizada de defeitos superficiais de aço.
Para certos defeitos específicos, como faixas, eles podem ser eliminados através do método de recozimento por difusão em alta temperatura. Este processo envolve aquecimento acima de 1050 ℃ para permitir a difusão uniforme do átomo de carbono, eliminando assim a formação de faixas.
Os defeitos do aço não afetam apenas as propriedades físicas do aço, mas também podem apresentar riscos à segurança durante o uso. Portanto, a detecção e o tratamento de defeitos do aço são cruciais para garantir a qualidade do aço e seu uso seguro.
Quais são as razões e mecanismos específicos dos defeitos do aço?
As razões e mecanismos específicos para os defeitos no aço incluem principalmente os seguintes pontos:
Defeitos superficiais: Esses defeitos incluem rachaduras, arranhões, dobras, orelhas, etc. A formação de rachaduras pode ser devido a bolhas subterrâneas no lingote de aço, rachaduras não limpas e inclusões não metálicas que se rompem ou se estendem durante a laminação, bem como rachaduras internas no lingote de aço que se expande e fica exposto à superfície durante a laminação. Além disso, fatores como condições de resfriamento inconsistentes em ambos os lados da placa de aço, temperatura irregular da peça laminada, deformação irregular durante o processo de laminação e resfriamento irregular da água pulverizada no caminho do rolo da correia de aço também podem causar defeitos superficiais.
Defeitos internos: Isso inclui resíduos de contração, delaminação, manchas brancas, segregação, inclusões não metálicas, frouxidão, etc. Esses defeitos são causados principalmente por motivos de equipamento, processo e operação durante o processo de fabricação do aço.
Defeitos de forma e tamanho: Esses defeitos podem envolver problemas de controle de tamanho durante a produção do aço. Embora o mecanismo específico de geração não esteja detalhado nas informações que procurei, pode-se inferir que está relacionado ao controle de temperatura, distribuição de pressão e outros fatores durante o processo de produção.
Outros fatores: Por exemplo, deficiências causadas por equipamentos, processos e razões operacionais durante o processamento de fundição e laminação (forjamento) de aço carbono, incluindo crostas, inclusões não metálicas, etc. A tecnologia na produção de aço também pode causar diversos tipos de defeitos na superfície, como escamas de laminação, manchas, etc.
Tipos de defeitos de aço
Os materiais constituem a base para a produção de ferramentas duráveis. Durante a produção real, vários tipos de defeitos de material são frequentemente encontrados.
Hoje iremos esclarecê-lo sobre os 16 tipos de defeitos do aço para que você tenha cuidado na hora de selecionar a matéria-prima.
01. Porosidade das matérias-primas
Após a realização de um teste de ataque ácido no aço, descobriu-se que algumas regiões da superfície da amostra não eram densas e apresentavam vazios visíveis.
Esses vazios, que aparecem como manchas escuras com tonalidades de cores irregulares em comparação com outras áreas, são conhecidos como porosidade.
Quando a porosidade está concentrada na parte central da amostra, é chamada de porosidade central, enquanto que se estiver distribuída uniformemente na superfície, é chamada de porosidade geral.
Tanto GB/T9943-2008 para aço para ferramentas de alta velocidade quanto GB/T1299-2014 para aço para ferramentas têm regulamentos específicos em relação à porosidade do aço, mas os suprimentos geralmente excedem o padrão.
A porosidade tem um impacto significativo na resistência do aço e os seus principais perigos são os seguintes:
- A porosidade enfraquece significativamente o aço, tornando-o suscetível a trincas durante processos de trabalho a quente, como forjamento, e também durante o tratamento térmico.
- A porosidade resulta em ferramentas que se desgastam facilmente e apresentam acabamento superficial irregular.
Como a porosidade afeta o desempenho do aço, o aço para ferramentas tem requisitos rigorosos para níveis de porosidade permitidos.
As Figuras 1 e 2 representam matérias-primas de aço W18Cr4V de φ90 mm (abreviado como W18), mostrando padrões de porosidade e rachaduras por porosidade após um tratamento de ataque térmico com HCl 1:1.
A Figura 3 mostra uma imagem de uma fresa ranhurada de aço W18Cr4V que sofreu fissuras severas devido à preservação durante o tratamento térmico, conforme representado através do ataque térmico com HCl 1:1.
Figura 1 Porosidade central
Figura 2 Trincas do aço de porosidade central durante o forjamento de tarugos
Figura 3 Rachaduras no material da fresa devido à porosidade durante o tratamento térmico
02. Resíduo de encolhimento
Durante a fundição de um lingote, o aço líquido condensa e contrai na parte central, formando um furo tubular conhecido como retração.
Normalmente, a retração é encontrada perto do alimentador na cabeça do lingote e deve ser removida durante a formação do tarugo.
No entanto, a porção que não pode ser completamente removida é chamada de resíduo de contração.
Embora seja ideal remover completamente a retração, as siderúrgicas muitas vezes priorizam a eficiência da produção e deixam resíduos, resultando em consequências irreversíveis para os processos subsequentes.
A Figura 4 mostra aço W18 de φ70mm com resíduo de retração e porosidade severa, conforme representado por ataque térmico com HCl 1:1.
A Figura 5 mostra o aço W18 de φ70 mm com resíduo de retração que formou rachaduras após a laminação, conforme representado por ataque térmico com HCl 1:1.
Há alguns anos, uma empresa encontrou resíduos de contração ao serrar aço M2 de φ75 mm.
Figura 4
Figura 5: Trincas causadas pela retração do aço W18
03. Rachadura superficial
Rachaduras longitudinais na superfície de matérias-primas de aço rápido são uma ocorrência comum.
Pode haver várias causas para isso, como:
(1) Durante a laminação a quente, pode ocorrer concentração de tensão durante o processo de resfriamento, levando a rachaduras ao longo das linhas de risco devido à remoção incompleta de rachaduras superficiais ou arranhões causados por furos na matriz.
(2) Furos de matriz de má qualidade ou grandes taxas de avanço durante a laminação a quente podem levar a dobras, que causam rachaduras ao longo das linhas de dobra no processamento subsequente.
(3) Rachaduras podem ser produzidas durante a laminação a quente se a temperatura de parada da laminação for muito baixa ou a taxa de resfriamento for muito rápida.
(4) Fissuras superficiais são frequentemente observadas em aço plano W18 de 13 mm × 4,5 mm que é laminado no inverno frio, indicando que as fissuras também podem ser influenciadas pelas condições climáticas.
No entanto, nenhuma trinca é observada quando o mesmo tipo e especificação de aço é laminado em outros momentos.
A Figura 6 mostra a fissura superficial do aço W18 de φ30mm, com profundidade de 6mm, conforme representado por ataque térmico com HCl 1:1.
Figura 6 Rachadura superficial
04. Rachaduras no centro da matéria-prima
Durante o processo de laminação a quente de aço rápido, a deformação excessiva pode fazer com que a temperatura central aumente em vez de diminuir. Isto pode levar à formação de fissuras no centro do material devido ao estresse térmico.
A Figura 7 mostra a trinca central em aço W18 de φ35mm (gravado com HCl 1:1).
Trincas centrais em matérias-primas de aço rápido são comuns em fábricas de ferramentas, porém são prejudiciais porque são invisíveis e não podem ser detectadas pelo toque. A única maneira de observar essas fissuras é através da detecção de falhas.
Figura 7 Fissura central
05. Segregação
A distribuição desigual de elementos químicos dentro de uma liga durante o processo de solidificação é conhecida como segregação. Isto pode ter um impacto significativo no desempenho do aço, especialmente se houver uma distribuição desigual de impurezas como o carbono.
A segregação pode ser dividida em microssegregação, segregação de densidade e segregação regional.
A segregação de densidade ocorre devido às diferenças na densidade das fases constituintes da liga, fazendo com que os elementos mais pesados afundem e os elementos mais leves flutuem durante a solidificação. A segregação regional é causada pelo acúmulo local de impurezas em lingotes ou peças fundidas.
A Figura 8 mostra uma amostra metalográfica temperada de aço W18 (ataque com solução de álcool HNO3 a 4%), que revela um padrão em forma de cruz.
Análises mais aprofundadas da composição química mostraram que a parte da matriz apresentava menor teor de carbono, enquanto a parte em forma de cruz apresentava maior teor de carbono.
Este formato cruzado é resultado da segregação quadrada causada pela segregação dos componentes de carbono e liga durante o processo de laminação.
A segregação regional grave pode enfraquecer a resistência do aço e torná-lo mais suscetível a fissuras durante o trabalho a quente.
Figura 8 Segregação em forma de cruz (3×)
06. Não uniformidade de carboneto
A extensão em que os carbonetos eutéticos no aço rápido (HSS) se quebram durante o processo de prensagem a quente é chamada de não uniformidade do carboneto. Quanto maior a deformação, maior o grau de fratura do metal duro e menor o nível de não uniformidade do metal duro.
Quando os carbonetos do aço são severamente quebrados, como na forma de fitas grossas, malhas ou grandes acúmulos de carboneto, isso tem um impacto significativo na qualidade do aço. Portanto, é crucial controlar cuidadosamente a não uniformidade do metal duro para garantir a qualidade das ferramentas HSS.
A Figura 9 mostra o efeito da não uniformidade do carboneto na resistência à flexão do aço W18.
Como pode ser visto na figura, a resistência à flexão nos graus 7-8 com não uniformidade é de apenas 40-50% dos graus 1-2, reduzindo a resistência para 1200-1500MPa, o que é equivalente apenas ao nível de graus de tenacidade mais elevados em carbonetos cimentados. O desempenho horizontal é cerca de 85% do desempenho vertical.
A concentração e a distribuição em forma de faixa dos carbonetos também podem resultar em grãos temperados desiguais e na dissolução desigual dos carbonetos, levando a uma tendência aumentada de superaquecimento e a uma redução na capacidade de endurecimento secundário, respectivamente.
A Figura 9 mostra o impacto da não uniformidade do carboneto na resistência à flexão do aço rápido W18Cr4V.
Pode-se observar que a não uniformidade severa do metal duro pode resultar em rachaduras e superaquecimento durante o trabalho a quente, fazendo com que a ferramenta acabada falhe durante o uso.
A Figura 10 ilustra a trinca de têmpera causada por carbonetos zonais grossos em aço W18 (gravado com solução de álcool HNO3 a 4%).
Figura 10 Metal duro zonal grosso
07. Carboneto de rede
O aço que passou por laminação a quente ou recozimento pode formar carbonetos em rede devido às altas temperaturas de aquecimento, aos tempos de retenção prolongados que causam o crescimento dos grãos e aos processos lentos de resfriamento que resultam na precipitação de carbonetos ao longo dos limites dos grãos.
A presença de carbonetos reticulados aumenta muito a fragilidade da ferramenta, tornando-a mais propensa a lascar. Em geral, carbonetos de rede completos não são aceitáveis em aço.
A inspeção para carbonetos de rede deve ser realizada após têmpera e revenido.
A Figura 11 mostra os carbonetos reticulados do aço T12A (atacados com solução de álcool HNO3 a 4%), enquanto a Figura 12 mostra a morfologia dos carbonetos reticulados do aço 9SiCr (acostumados com solução alcoólica HNO3 4%), revelando severo superaquecimento durante o processo de recozimento.
Figura 11 Carboneto de Malha de Aço T12A (500×)
Figura 12 Carboneto de Malha de Aço 9SiCr (500×)
08. Massa endurecida de carboneto
As fresas de ferramentas que executam torneamento ou fresamento HSS podem encontrar uma substância dura e sofrer danos. Esse defeito normalmente não é facilmente encontrado durante o torneamento em alta velocidade, devido à alta velocidade de corte e ao ruído.
No entanto, durante o fresamento, podem ser observados grumos e caos estranho, como um som estridente e desgaste severo da ferramenta ao fresar canais com brocas helicoidais.
Após a inspeção, os blocos brilhantes podem ser vistos a olho nu e apresentam dureza extremamente alta, chegando a 1225HV, enquanto as áreas não duras estão em estado normal de recozimento. Isso é conhecido como “massa endurecida”.
A presença de massas endurecidas resulta em danos à ferramenta e dificulta o corte.
Acredita-se que a formação desses pedaços duros seja causada pela segregação de componentes químicos durante o processo de fundição e pode ser um tipo de metal duro composto de alta dureza ou o resultado da adição de blocos de liga refratária durante a fundição.
A Figura 13 mostra a macroestrutura de uma massa endurecida em aço W18 (ataque com solução de álcool HNO3 a 4%), sendo a substância branca a massa endurecida e as áreas cinza e preta representando os sulcos da broca.
Figura 13 A macroestrutura da massa endurecida de aço W18 (20×)
09. Inclusões
As inclusões são um defeito comum no aço que pode ser classificado em duas categorias: inclusões metálicas e inclusões não metálicas.
Inclusões metálicas se formam devido à fusão incompleta da ferroliga durante o processo de fundição ou à presença de partículas metálicas estranhas que permanecem no lingote de aço.
As inclusões não metálicas são divididas em dois tipos:
(1) inclusões endógenas, causadas principalmente por sistemas de vazamento sujos, remoção de lama refratária de equipamentos ou uso de materiais de carga impuros;
(2) inclusões produzidas e precipitadas devido a reações químicas durante o processo de fundição. A Figura 14 mostra inclusões metálicas encontradas no aço W18, enquanto a Figura 15 mostra inclusões não metálicas causando trincas durante a têmpera (ataque com solução de álcool HNO3 a 4%).
Figura 14 Inclusões metálicas
Figura 15 Trincas causadas por inclusões não metálicas durante a têmpera (400 x)
As inclusões são prejudiciais à qualidade do aço. Eles segmentam a matriz do aço, diminuem sua plasticidade e resistência, tornando o aço suscetível a trincas ao redor das inclusões durante laminação, forjamento e tratamento térmico.
As inclusões também podem causar fadiga no aço, bem como dificuldades durante o corte e retificação. Portanto, o aço ferramenta deve ter requisitos específicos para inclusões.
10. Metal duro a granel
No processo de fundição de aço, pode ocorrer distribuição desigual de carbonetos devido à segregação dos componentes ou quando os carbonetos da liga de ferro não são totalmente fundidos, resultando em grandes carbonetos angulares que persistem sem serem esmagados após o forjamento.
A presença desses carbonetos a granel aumenta a fragilidade da ferramenta e aumenta o risco de tombamento.
Durante o processo de tratamento térmico, esses grandes carbonetos e elementos de liga podem ficar enriquecidos, levando potencialmente a defeitos como superaquecimento, revenido insuficiente e até mesmo rachaduras ao longo dos limites dos grãos.
A Figura 16 mostra o superaquecimento durante a têmpera causado pela segregação dos componentes circundantes de carbonetos grandes (gravados em solução de álcool HNO3 a 4%).
Figura 16 Superaquecimento causado pela segregação de componentes em torno de carbonetos a granel durante a têmpera (500×)
11. Liquidação de carboneto
No processo de solidificação do metal líquido, a segregação de carbono e elementos de liga pode causar a precipitação de grandes blocos de metal duro durante o resfriamento.
Esta segregação, conhecida como liquação, não é facilmente eliminada durante o processamento subsequente e resulta na presença de carboneto zoster a granel na direção da laminação do aço.
A Figura 17 mostra a liquefação de CrMn, gravada com uma solução de álcool HNO3 a 4%.
Figura 17 Liquidação de carboneto (500×)
Os aços com liquefação são altamente frágeis, pois a matriz metálica contínua é rompida, resultando em resistência reduzida. Anteriormente, a liquidação era comumente encontrada em aços CrWMn e CrMn, e usá-los para fazer medidores frequentemente resultava em dificuldade na obtenção de uma superfície lisa.
12. Carbono grafite
Como a temperatura de recozimento é muito alta e o tempo de retenção muito longo, durante o lento processo de resfriamento do aço, os carbonetos se decompõem facilmente em carbono livre, conhecido como grafite.
A Figura 18 mostra a microestrutura do carbono grafite no aço T12A (atacado com solução de álcool ácido amargo a 4%).
Figura 18 Microestrutura de carbono grafítico do aço T12A (500×)
A precipitação do carbono grafite diminui significativamente a resistência e a tenacidade do aço, tornando-o inadequado para a produção de facas e componentes críticos. O aço apresenta fraturas pretas quando contém altos níveis de carbono grafite.
A presença de carbono grafite pode ser determinada através de análises químicas tanto para análises qualitativas quanto quantitativas, e sua forma e distribuição podem ser observadas através de métodos metalográficos.
Além disso, haverá um aumento no tecido de ferrite ao redor do grafite.
13. Falha na mistura e composição
A mistura de materiais em empresas de fabricação de ferramentas e moldes é um problema comum, resultado de uma má gestão e de um defeito de baixo nível. Os materiais mistos podem incluir três aspectos: aço misto, especificações mistas e números de fornos mistos.
O último é especialmente prevalente e pode causar muitos problemas com falsos tratamentos térmicos sem possibilidade de recurso. De vez em quando, também são encontrados componentes de material de ferramenta não qualificados.
Alguns componentes de aço rápido não atendem ao padrão GB/T9943-2008 de aço para ferramentas de alta velocidade, especialmente em relação ao alto ou baixo teor de carbono. Por exemplo, W6Mo5Cr4V2Co5 pertence ao tipo HSS-E, mas tem um teor de carbono inferior ao limite inferior padrão.
Apesar de ser rotulado como HSS de alto desempenho, após tratamento térmico a dureza não chega a 67HRC. As siderúrgicas devem garantir que o aço possa atingir uma dureza de pelo menos 67HRC se pertencer ao tipo HSS-E.
Se uma ferramenta requer uma dureza tão elevada é um assunto interno da fábrica de ferramentas e não é responsabilidade da siderúrgica.
Porém, se a dureza não atingir 67HRC, é culpa da siderúrgica. Existem também muitos casos de composição não qualificada do aço da matriz, levando a disputas contínuas.
14. Descarbonização de matérias-primas
O país estabeleceu padrões para a descarbonetação do aço, no entanto, os fornecedores de aço fornecem frequentemente materiais que excedem esses padrões, resultando em perdas económicas significativas para as empresas fabricantes de ferramentas.
A dureza superficial das ferramentas diminui e sua resistência ao desgaste é baixa após a têmpera para materiais com camada descarbonetada. Portanto, é necessário remover completamente a camada descarbonetada durante a usinagem para evitar possíveis problemas de qualidade.
A Figura 19 ilustra a morfologia de descarbonetação da matéria-prima do aço W18 (gravado em solução de álcool HNO3 a 4%). A zona de descarbonetação é martensita temperada em forma de agulha, enquanto a zona não descarbonetada é composta de martensita temperada, carbonetos e austenita retida.
As Figuras 20 e 21 mostram a descarbonetação dos aços M2 e T12, respectivamente (gravados em solução de álcool HNO3 a 4%).
No caso do aço T12, a camada totalmente descarbonetada é de ferrita, a zona de transição é composta de martensita revenida com baixo teor de carbono e a zona não descarbonetada é composta de martensita revenida e carbonetos.
Figura 19 Camada de descarbonetação austemperada (250×)
Figura 20 Descarbonetação do aço M2
Figura 21 Camada descarbonetada de aço T12A (após têmpera → revenido) (200×)
15. Aço W18 sem efeito óbvio de tratamento térmico
Selecionamos uma barra plana de aço W18 com dimensões de 13mm x 4,5mm de uma empresa específica e a temperamos em banho de sal nas temperaturas de 1210°C, 1230°C e 1270°C.
O tempo de aquecimento foi de 200 segundos e o tamanho do grão foi de 10,5, conforme mostrado na Figura 22. A dureza após a têmpera ficou entre 65 e 65,5HRC, mas surpreendentemente, a dureza diminuiu após o revenido a 550°C por três vezes.
Esta anomalia é referida como “uma anedota.
Figura 22 Têmpera de aço W18 Grau 10,5 (500×)
Parece que o metal duro está nos pregando uma peça, o que significa que quando o metal duro é aquecido, ele não se dissolve em austenita nem precipita durante o processo de revenido.
Isto é simplesmente referido como não ser capaz de entrar ou sair, então onde está o endurecimento secundário?
A raiz do problema é que o metal duro está nos provocando, o que significa que ele não se dissolve na austenita durante o aquecimento e não há precipitação durante o processo de revenido.
É simplesmente o caso de não conseguir entrar ou sair, então de onde vem o endurecimento secundário?
16. Qualidade da Superfície
Defeitos superficiais são facilmente visíveis a olho nu, como:
- Dimensões inconsistentes no contrato;
- Desvio de comprimento e tamanho na oferta real;
- Imperfeições superficiais, incluindo poços superficiais de aço ultrafinos, poços de corrosão, problemas de circularidade, ferraduras, irregularidades excessivas na placa de aço e espessura irregular.
Quais são os impactos específicos dos defeitos do aço nas propriedades físicas do aço?
Os impactos específicos dos defeitos do aço nas propriedades físicas do aço incluem principalmente os seguintes aspectos:
Mudanças na dureza e plasticidade: Influenciada por certos fatores, a resistência do aço pode aumentar, mas ao mesmo tempo, a plasticidade e a tenacidade diminuem, resultando no aumento da fragilidade, fenômeno conhecido como endurecimento. Isso normalmente ocorre sob cargas repetidas, quando o limite elástico aumenta e entra no estágio plástico.
Efeitos na resistência ao desgaste e à fadiga: Os defeitos de qualidade superficial não afetam apenas a aparência estética das tiras de aço laminadas a quente, mas também podem ter efeitos adversos em suas propriedades mecânicas e resistência à corrosão, incluindo resistência ao desgaste e à fadiga.
Desgaste da ferramenta e superfícies irregulares: A presença de frouxidão no material pode levar ao desgaste excessivo e superfícies irregulares das ferramentas feitas a partir dele. Conseqüentemente, o aço para ferramentas tem requisitos rígidos para o nível aceitável de frouxidão.
Dispersão de microestrutura e defeitos: A tenacidade do aço depende principalmente da dispersão da microestrutura e dos defeitos (evitando defeitos concentrados), e não da composição química. A tenacidade sofre alterações significativas após o tratamento térmico.
Efeitos do tratamento de recozimento e normalização: O recozimento pode reduzir a dureza do aço, melhorar a plasticidade, refinar os grãos, eliminar defeitos estruturais causados por fundição, forjamento e soldagem, homogeneizar a estrutura e composição do aço e aliviar tensões internas e endurecimento por trabalho no aço. A normalização tem efeitos semelhantes em grandes peças fundidas, forjadas e soldagens.
