Este artigo trata dos aços inoxidáveis para forjamento como parte da continuação da série sobre materiais para forjamento. Serão apresentados uma descrição geral dos aços inoxidáveis e detalhes de sua composição química. Também estão inclusos aplicações de componentes de aços inoxidáveis forjados, detalhes de sua microestrutura e considerações especiais para os forjadores de aços inoxidáveis
Como todos os aços, os aços inoxidáveis são ligas à base de ferro. Eles são considerados uma classe especial de aços devido ao seu alto teor de elementos de liga e às suas propriedades especiais quando comparados aos aços carbono e baixa liga. Como o seu nome indica, essa classe de metais tem boa resistência à corrosão, à qual vem da formação de um filme de óxido de cromo aderente na superfície do metal. Este filme, embora muito fino, impede a degradação do ferro base. No seu conjunto, os aços inoxidáveis têm resistência mecânica razoavelmente alta e dutilidade relativamente boa.
Os aços inoxidáveis são compostos de 55-90% de ferro e de 10-28% de cromo. Com frequência é adicionado níquel à liga, na faixa de 0-22%. Devido ao alto custo do níquel, tais aços são mais caros. O carbono é bastante baixo nestas ligas. Na verdade, algumas das ligas são designadas com um “L” após o seu número para indicar que é muito baixo o carbono. O baixo teor de carbono destas ligas permite que esses aços sejam mais facilmente soldados. Também é encontrado manganês nos aços inoxidáveis entre 1 e 2%.
Tipos de Aços Inoxidáveis
Há quatro tipos principais de aços inoxidáveis: austeníticos, ferríticos, martensíticos e endurecíveis por precipitação. Eles são classificados pelo tipo de microestrutura que possuem. As ligas das séries 200 e 300 compreendem a classe dos austeníticos, os quais têm uma microestrutura com a fase cúbica de face centrada (ou seja, austenita). Os aços inoxidáveis austeníticos são tanto resistentes quanto dúteis. Para a produção da classe dos austeníticos é necessária a presença de níquel, daí vem o seu preço mais elevado. Algumas ligas da classe 400 são ferríticas e outras martensíticas. A microestrutura na classe ferrítica tem estrutura cúbica de corpo centrado (ou seja, ferrita). Os aços inoxidáveis ferríticos não possuem a resistência mecânica alta ou a dutilidade das classes austeníticas.
A série 500 denota os aços martensíticos, os quais têm resistência mecânica mais elevada, mas têm tenacidade e dutilidade baixas. O carbono na classe dos martensíticos pode chegar a até 1,2%. Quanto mais elevado o teor de carbono, maior será a resistência mecânica do aço. Os aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação compõem a classe PH, eles necessitam de tratamentos térmicos após o forjamento para que as reações de precipitação ocorram. As temperaturas de serviço destas classes também são mais limitadas.
Os aços inoxidáveis ferríticos e os austeníticos não sofrem transformações de fases durante o resfriamento, diferentemente dos aços carbono e baixa liga. Os aços da classe ferrítica serão forjados como ferrita e permanecerão com a ferrita no resfriamento. De forma similar, os aços da classe dos austeníticos serão forjados com a austenita e a mesma será mantida no resfriamento. Entretanto, as classes martensíticas serão forjadas com a austenita e necessitarão de uma têmpera para atingir a alta resistência da estrutura martensítica.
Algumas das ligas austeníticas são metaestáveis na temperatura ambiente. Se estas ligas forem deformadas a temperatura ambiente (ou seja, trabalhadas a frio), a austenita se transformará em martensita. Esta transformação causará um aumento local na resistência, mas pode ser difícil de ser controlada.
Em serviço, os componentes de aços inoxidáveis forjados podem, com frequência, operar em temperaturas de até 430°C. Como são metais monofásicos, eles não sofrerão qualquer alteração microestrutural quando utilizados nestas temperaturas elevadas.
Aplicações
Devido à sua resistência à corrosão os aços inoxidáveis podem ser utilizados em válvulas, parafusos, eixos, equipamentos para cozinha e serviços de alimentação. São utilizados componentes de aços inoxidáveis em ambientes corrosivos, como refinarias de petróleo, processamento químico, mineração e perfuração, para prevenir a rápida degradação das peças.
Outro ambiente corrosivo que algumas vezes negligenciamos é o corpo humano. Instrumentos médicos e alguns biomateriais para implantes são feitos de aço inoxidável, os quais não serão degradados com facilidade no interior do corpo humano. A Figura 1 mostra alguns componentes em aços inoxidáveis.
Aços Inoxidáveis para Forjamento
A temperatura de forjamento para os aços inoxidáveis vai de 930 a 1260°C, dependendo da classe específica. A forjabilidade a quente dos aços inoxidáveis é geralmente razoável, mas requerem cargas de forjamento e energia relativamente mais altas. Ao mesmo tempo em que não são tão resistentes à deformação quanto as superligas à base de níquel, o tamanho dos equipamentos para forjamento pode se tornar um problema nas forjarias acostumadas com o forjamento de aços carbono ou baixa liga.
A adição de altos teores de cromo e de níquel resulta em aumento da resistência, mas, também, limita as temperaturas de forjamento dos aços inoxidáveis devido ao seu baixo ponto de fusão. Devido ao seu limite de escoamento mais alto e condutividade térmica mais baixa, o aquecimento necessário para a deformação é mais alto para os aços inoxidáveis se comparado com os aços carbono e baixa liga. Assim, o risco de superaquecimento deve ser considerado. Algumas classes de inoxidáveis encruarão (aumento da resistência durante a deformação) durante o forjamento a quente, o que é incomum para outras ligas de aço. Ao passo que o encruamento ocorre para quase todos os metais a temperatura ambiente, os aços inoxidáveis apresentam maior endurecimento do que qualquer outra liga metálica. Isto significa que o forjamento a frio necessita de cargas muito altas de forjamento. A Figura 2 mostra curvas de tensão-deformação para os aços inoxidáveis forjados a quente e a frio.
O superaquecimento pode resultar em fratura dútil (fragilidade a quente) ou em problemas microestruturais em serviço. Por exemplo, se um aço inoxidável austenítico for aquecido a uma temperatura muito alta durante o forjamento, uma fase deletéria chamada de ferrita delta pode se formar, o que não somente causará degradação nas propriedades, mas, adversamente, afetará a forjabilidade do metal. Em todos os casos, os aços inoxidáveis são bastante sensíveis à temperatura.
Os aços inoxidáveis são mais sensíveis à taxa de deformação do que os aços ao carbono e baixa liga. A velocidade da prensa afetará também a resistência ao escoamento do material em altas temperaturas, para a maioria dos aços inoxidáveis. Assim, se há dificuldades para o preenchimento da matriz, uma velocidade mais lenta da prensa pode ser benéfica para se atingir o preenchimento desejado.
A carepa é leve e compacta na maioria dos aços inoxidáveis austeníticos. Em algumas forjarias, a peça de trabalho é pré-revestida com um lubrificante, o qual diminui o atrito, reduz a tendência à adesão e age como um retardador para a carepa.
Em geral, o aquecimento é realizado em fornos a gás, já que os aços inoxidáveis austeníticos não são ferromagnéticos, havendo a necessidade de um aquecimento por indução eficiente.
Microestruturas
As microestruturas da maioria dos aços inoxidáveis são compostas por uma única fase, revelando, assim, os contornos de grão. A Figura 3 ilustra a microestrutura de um aço inoxidável 304L forjado. Ele foi forjado a 870°C e resfriado ao ar. A única estrutura visível são os contornos entre os grãos de austenita. A Figura 4 apresenta a microestrutura de outro aço inoxidável austenítico, um material essencialmente monofásico com poucos carbonetos visíveis. A forma dos contornos de grão é um indicativo de um longo tempo de recozimento após o forjamento. A Figura 5 é uma foto de um aço inoxidável ferrítico 409C após o recozimento. Os grãos estão relativamente equiaxiais, o que seria esperado de um metal monofásico.
Como a maioria dos aços inoxidáveis são metais monofásicos, o tamanho de grão do componente precisa ser controlado adequadamente. Diferentemente dos aços carbono e baixa liga, a obtenção de propriedades adequadas muitas vezes deve ser feita na forjaria, e não em um tratamento térmico posterior.
Considerações Especiais
O amolecimento ou recozimento de algumas classes pode ser realizado após o forjamento com um aquecimento em temperaturas entre 920 e 1.100°C. Este processo fará com que o componente final seja mais dútil, mas com uma diminuição na sua resistência.
Algumas classes de aços inoxidáveis austeníticos podem ser “sensitizadas”. A sensitização significa que em serviço eles estarão suscetíveis à corrosão intergranular. Tal degradação é altamente indesejável. Para evitar a sensitização é necessário que o forjamento seja realizado acima da temperatura de sensitização (920°C) e resfriado rapidamente para temperaturas abaixo de 480°C. A Figura 6 mostra as faixas de temperatura para os aços inoxidáveis.
Comentários Finais
Os aços inoxidáveis são uma classe importante de ligas para engenharia devido à sua habilidade de resistir à degradação em ambientes corrosivos. A maioria das classes tem forjabilidade razoável, apesar de necessitarem de cargas mais altas e de haver uma maior resistência ao escoamento do que os aços carbono e baixa liga. Por serem materiais monofásicos, é preciso considerar como eles serão forjados e as necessidades para o resfriamento.
Agradecimentos
É apreciado o apoio dado pelo PRO-FAST Program. O PRO-FAST Program é formado por uma equipe dedicada de profissionais que representam tanto o departamento de defesa quanto a indústria. Estes colegas estão determinados a assegurar à nação da indústria do forjamento que estarão posicionados para os desafios do século 21. Os membros-chave desta equipe são: R&D Enterprise Team (DLA J339), Logistics Research and Development Branch (DLS-DSCP) e a Forging Industry Association (FIA). Este trabalho foi preparado originalmente para os cursos FIA Theory & Applications of Forging e Die Design, oferecido pelo Scientific Forming Technologies Corporation.
