Como tratadores térmicos, nós precisamos estar atentos ao que são elementos residuais e como eles podem afetar as nossas operações de tratamento térmico. Ao mesmo tempo em que os certificados e análises de composição química entregues junto com a matéria-prima fazem um trabalho fino na identificação dos principais constituintes químicos e podem indicar a conformidade com uma norma particular de aço, são aqueles péssimos elementos residuais que me fazem perder o sono. Vamos aprender mais.
Hoje, o aço é considerado globalmente como commodity e a sua produção com base em sucatas em forno elétrico a arco é uma prática siderúrgica popular. O uso da sucata tem crescido e continuará a crescer, o que significa a possibilidade de mais elementos residuais no futuro.
Em termos simples, qualquer elemento que esteja presente na composição do aço, mas que não seja uma adição deliberada, é considerado um elemento residual. Eles não podem ser removidos por processos metalúrgicos simples. Os elementos residuais (por exemplo, Cu, Ni, Sn, As, Cr, Mo, Pb, entre outros) são altamente dependentes da classe do aço e podem entrar no aço por meio de quatro fontes principais [1], as quais são:
• Ferro ou ferro gusa;
• Impurezas nas ferroligas adicionadas;
• Refratários;
• Sucata de aço.
Uma distinção importante precisa ser feita entre os elementos residuais que têm efeito devido à sua presença em solução sólida (por exemplo, Mo, Cr, Ni, Cu) e aqueles que têm efeito devido à sua segregação para as interfaces, como superfícies e contornos de grão, (por exemplo, Sn, As, Sb). Além disso, os elementos que têm tamanho atômico menor do que o dos átomos do solvente (por exemplo, C, N, B) talvez também possam segregar para os contornos de grão, competindo com os elementos residuais e, com frequência, protegendo as interfaces de possíveis efeitos prejudiciais devido ao enriquecimento com elementos residuais. [1]
Efeitos no Recozimento e Fabricação [1, 2]
De uma forma geral, os elementos residuais contribuem aumentando a resistência e, consequentemente, diminuindo a ductilidade do aço. Assim, as operações de fundição, conformação, estampagem e recozimento desenvolvidas na usina podem ser afetadas (Tabela 1). Por exemplo, a presença de molibdênio e cromo em aços ultrabaixo carbono aumenta a resistência à deformação a quente, exigindo cargas de laminação mais altas. A presença de estanho e arsênio afetará de forma adversa a cinética de recristalização durante o recozimento contínuo de certas classes de aços laminados a frio e exigirá um aumento na temperatura de recozimento.
O cobre, um dos elementos residuais mais reconhecidos, é responsável por defeitos superficiais relacionados à formação de carepas e trincas (trinca a quente). É um bom indicador da quantidade de sucata utilizada no processo de fabricação do aço, em geral, presente em níveis de 0,20% ou mais. O níquel, se estiver presente na mesma porcentagem, compensa o efeito do Cu, enquanto o Sn e o As amplificam este efeito. A presença de estanho, mesmo em quantidades bem baixas (0,05% adicionado ao aço contendo 0,22% de cobre), aumenta a tendência de ocorrer trincas.
Efeitos na Têmpera e Revenimento
Os processos de acabamento e as propriedades finais também são afetados pelos elementos residuais (Fig.1, Tabela 2). A fragilidade em contorno de grão (Tabela 3), a qual pode ocorrer até mesmo em aços estruturais de baixo carbono, é uma dessas propriedades e é função do tratamento térmico e da composição, sendo função principalmente dos elementos de ligas principais e dos elementos residuais. A maior parte da fragilidade ocorre nos aços com estrutura martensítica na condição temperada e revenida. Esta suscetibilidade é reduzida, de alguma forma, pela presença de estruturas bainíticas, perlíticas ou ferríticas.
A fragilidade em contorno de grão pode se manifestar como fragilidade ao revenido, trincas por corrosão sob tensão, fragilidade ao hidrogênio, ruptura por fluência, trincas no alívio de tensões e crescimento de trincas por fadiga térmica.
Elementos residuais em quantidades totais muito pequenas (< 200 ppm) podem causar fragilidade, mas as concentrações são, em geral, uma função do tempo e da temperatura de tratamento térmico. Os tipos de responsabilidade dos elementos pela fragilização (Tabela 3) podem ser categorizados como:
• Classe 1: Elementos que são a causa primária da fragilidade;
• Classe 2: Elementos que evidenciam a fragilidade;
• Classe 3: Elementos que aumentam a coesão do contorno de grão;
• Classe 4: Elementos que inibem a fragilidade em contorno de grão.
Por exemplo, a presença dos elementos da Classe 2 é necessária para que ocorra a fragilidade ao revenido. Lembrando que a fragilidade ao revenido é o resultado de um resfriamento lento na faixa de temperaturas entre 350 e 575°C ou a manutenção do aço nestas temperaturas por tempos relativamente longos. Alguns elementos (por exemplo, Mo, La, Ce) podem reduzir os efeitos da fragilidade ao revenido, mas afetam outras propriedades como a fadiga (especialmente as terras raras).
Finalmente, a segregação (micro ou macro) pode aumentar o nível tanto dos elementos de liga como dos residuais (especialmente P, S, Sn e As) nas regiões segregadas e, de forma adversa, afetar certas propriedades. A tenacidade e a zona afetada pelo calor na soldagem são exemplos típicos. As práticas de fundição são extremamente importantes para ajudar a reduzir os efeitos da segregação.
Efeitos na Cementação [4]
Em temperaturas elevadas, algumas das impurezas presentes nos aços baixa liga tendem a segregar para áreas como os contornos de grão e próximas à superfície. A cementação a gás, por exemplo, pode ser impactada de forma negativa, já que a transferência de carbono é impedida.
Em um experimento, [4] um aço 16MnCr5 (SAE 5115) foi cementado a gás a 930°C em uma atmosfera de CO-H2O-H2-He. Foi atingido um potencial de carbono de 1,3% após 1.000 minutos para a liga padrão (0,0025% Sb). Aumentando a quantidade de antimônio para 0,017% (170 ppm), este tempo foi para 2.000 minutos, e aumentando ainda mais para 0,058% (580 ppm), este tempo atingiu 6.000 minutos.
Foi encontrada a seguinte sequência para o efeito dos elementos residuais em retardar a cementação a gás: Sb > Sn > P > Cu > (Pb).
Em alguns casos, como na cementação em altas temperaturas, 1.040°C, é vantajoso adicionar deliberadamente certos traços de elementos (por exemplo, Al, Nb, Ti, N) para segurar os contornos de grão e ajudar a prevenir o crescimento excessivo do grão.
Considerações Finais
Os elementos residuais, em geral, chamam a nossa atenção quando estamos resolvendo um problema de tratamento térmico no qual seja crítico conhecer a composição química completa do material sendo investigado (e não somente a composição química como reportada pelo fabricante do aço no certificado de qualidade). Com frequência, o histórico de tratamento térmico prévio também é bastante relevante.
Finalmente, é importante entender como cada elemento residual afeta o aço, seja de forma individual ou em combinação com outros elementos. Indo à frente, com o conhecimento da presença dos elementos residuais, nós podemos projetar melhor os nossos ciclos de tratamento térmico e evitar custos devido a falhas. E agora poderei dormir melhor à noite.
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[1] Herman, J. C., and V. Leroy, Influence of Residual Elements on Steel Processing and Mechanical Properties, Metal Working and Steel Processing Conference, 1996;
[2] Effects of Tramp Elements in Flat and Long Products, European Commission on Technical Steel Research, 1995;
[3] Mohrbacher, Hardy, Effect of Tramp Elements in Unalloyed Low Carbon Steel, Conference Presentation, TAMOP-4.2.1/1-2008-0016, 2008;
[4] Ruck, Andreas, Daniel Monceau and Hans Jürgen Grabke, Effect of Tramp Elements Cu, P, Pb, Sb and Sn on the Kinetics of Carburization of Case Hardening Steels, Steel Research 67 (1996) No. 6;
[5] Krauss, George, Steel: Processing, Structure, and Performance, ASM International, 2005;
[6] McLean, M. and A. Strang, Effects of Tramp Elements on Mechanical Properties of Superalloys, Materials Science and Technology, Volume 11 Issue 1 (01 January 1084), pp. 454-464;
[7] Nickel, Cobalt and Their Alloys, Joseph R. Davis (Ed.), ASM Specialty Handbook, ASM International, 2000.
