Ligas em aços.

O que são ligas de aço?

Em qualquer tipo de aço em que um ou mais elementos são adicionados para obter uma característica desejada ou propriedade física, por exemplo, resistência térmica ou resistência à corrosão, etc., eles são chamados de ligas de aço.

Os elementos mais comuns que são adicionados a essas ligas de aço são molibdênio, manganês, níquel, silício, boro, cromo e vanádio.

Esse tipo de post, embora possam parecer longos e chatos de ler, são na verdade fundamentais para entender melhor como se comportam os aços que são usados, é um aspecto da cultura de um fabricante de facas que eu acho que são um aspecto importante para entender como os aços se comportam e as diversas influências das ligas.

Claramente, você ainda pode construir uma faca, mas esse tipo de conhecimento o torna mais consciente de como o que você está usando se comporta.

Quantas vezes você já leu em um site de facas ou ouviu de um amigo que ele comprou uma faca feita com aço vanádio, ou mais simplesmente quando você estava em um brico ou uma loja de ferragens para comprar uma broca e você leu sobre os pedaços de parede em widia, Ou aqueles com 8% de cobalto para cortar aço?

Aqui neste post se você lê-lo até o final com calma e paciência e será mais fácil entender o que significa para um aço conter esses elementos de liga.

Cada aço tem sua própria “receita” (composição química) feita com seus próprios ingredientes (elementos de liga), que misturados nas doses certas lhe conferem características únicas.

Existem basicamente dois métodos para criar essas receitas:

• usando matérias-primas puras (receitas precisas e de alta qualidade são criadas);
• ou usando elementos derivados da reciclagem de aços existentes (receitas sujas são criadas contendo quantidades, embora pequenas, de elementos de liga indesejados).

Quantas vezes você já ouviu de um amigo que ele comprou uma faca feita com aço vanádio, ou o ouviu falar sobre as pontas da parede widia, ou aquelas com 8% de cobalto para cortar aço?

Vou agora explicar-lhe o que significa para um aço conter esses elementos de liga.

Cada aço tem sua própria receita (composição química) feita com seus próprios ingredientes (elementos de liga), que misturados nas doses certas lhe conferem características únicas.

Existem basicamente dois métodos para criar essas receitas:

• usando matérias-primas puras (receitas precisas e de alta qualidade são criadas);
• ou usando elementos derivados da reciclagem de aços existentes (receitas sujas são criadas contendo quantidades, embora pequenas, de elementos de liga indesejados).

Elementos de liga de aço e sua função em aços utilizados para talheres

Como eles influenciam os elementos de liga nas características do aço é uma pergunta que é frequentemente feita por aqueles que estão procurando o aço certo para fazer sua faca artesanal, mas muitas vezes os mesmos fabricantes usam alguns tipos de aços um pouco para a moda, um pouco porque se você usar certos aços “você não está errado” e um pouco porque eles estão acostumados a usar um determinado aço e o conhecem bem e continuam a usá-lo.

Características do aço

O aço pode ser considerado, como uma primeira aproximação, como uma liga binária constituída por ferro e uma porcentagem de carbono não superior a 2,11%, além da qual as ligas obtidas são chamadas de ferro fundido.

É importante considerar que nos aços o carbono não aparece como um constituinte independente, mas é sempre combinado com o ferro na forma de carboneto (Fe₃C) também chamado de cementita.

Portanto, é mais correto considerar aços como ligas de ferro e cimentita.

Esta característica é de fundamental importância durante os processos de transformação dos aços e de facto diferentes condições de transformação implicam uma decomposição diferente da cimentita, com consequente variação no teor de carbono, na estrutura molecular e, em geral, nas características físico-químicas da liga de aço.

Tratamentos térmicos

A transformação das ligas de aço ocorre através de tratamentos térmicos que podem ser divididos em três fases fundamentais:

• pré-aquecimento,
• manutenção à temperatura,
• resfriamento controlado.

Trazendo o fluido a temperaturas acima de 723 ° C, a liga de aço assume uma conformação estável chamada Austenita na qual o carbono é uniformemente disperso em solução sólida.

Em temperaturas acima de 912 ° C, as moléculas de ferro são dispostas de forma a dissolver uma maior quantidade de carbono (ferro gama com rede cúbica centrada na face).

Na fase de resfriamento, o ferro assume a configuração alfa (rede cúbica centrada no corpo) que tem menor poder de solubilidade do que o carbono.

Isso implica que quantidades de carbono insolúvel migram para formar outros compostos moleculares.

A liga resultante, portanto, depende da porcentagem de carbono e pode consistir em:

• ferrita+perlita em aços (hipoeutectóides) com percentuais de carbono de 0,77<%.
• perlita em aços (eutectoides) com porcentagens de carbono = 0,77%.
• Perilita+Cementita secundária em aços (hipereutectóides) com uma percentagem de carbono de >0,77%.

Estes três elementos têm características mecânicas muito diferentes:

ferrite tem baixa dureza, cerca de 90 Brinell, baixa resistência à tração (280-300 N/mm²) e grande plasticidade;
perlite tem uma dureza de cerca de 250 Brinell e uma alta resistência à tração, cerca de 900 N / mm²;
A cimentita tem uma dureza muito alta e uma alta fragilidade.

Pode-se deduzir que as características mecânicas da liga resultante estão intimamente ligadas à presença desses três elementos.

Tempo de resfriamento

O tempo de resfriamento também afeta muito a composição da liga.

Tomemos por exemplo um aço com 0,44% C (hipoeutectoide).

Após um resfriamento lento do estado austenítico à temperatura ambiente, ele consistirá em aproximadamente 50% de ferrita e 50% de perlita.

Ao acelerar o processo de resfriamento, a porcentagem de ferrite tende a diminuir, enquanto a de perlita aumenta.

Isso é explicado pelo fato de que, em um resfriamento rápido, os átomos de carbono não têm tempo de migrar para se acumular em folhas de cimentita, permanecendo incorporados nas moléculas de ferrita e aumentando o volume de perlita.

Portanto, um aço resfriado com velocidade significativamente alta apresenta características mecânicas semelhantes às de um aço com maior teor de carbono, mas resfriado lentamente.

Se a taxa de resfriamento exceder um determinado valor (característico do tipo de aço) chamado de velocidade crítica de endurecimento, a liga assume uma estrutura diferente da estrutura normal de ferrita e perlita.

É composto de martensita e tem uma dureza muito maior do que o normal.

O resfriamento realizado com velocidade suficiente para levar o aço ao estado martensítico é chamado de têmpera.

Ao submeter o aço endurecido a uma nova fase de aquecimento a temperaturas moderadas (300-500 ° C) inicia-se o processo de têmpera, no qual o ferro alfa inicia a expulsão dos átomos de carbono que foram incorporados à força durante a fase de endurecimento.

Esses átomos estão concentrados em minúsculos grânulos de carboneto de ferro que ajudam a formar ligas com menor dureza e fragilidade do que a martensita.

Análise dimensional

O tamanho da fundição é um aspecto adicional que influencia a composição estrutural da liga de aço.

Em princípio, durante a fase de resfriamento, as moléculas de carbono tendem a migrar para áreas de temperatura mais alta, de modo que as seções periféricas tendem a ter um menor teor de carbono.

Além disso, para grandes peças fundidas é impensável respeitar os tempos de resfriamento lentos, porque isso pode levar até anos.

Portanto, você é forçado a forçar a taxa de resfriamento com as consequências que acabamos de ver.

Daqui resulta que, na fase de concepção da liga, este fenómeno deve ser tido em conta para uma dose óptima do teor de carbono de acordo com as características exigidas da própria liga.

Classificação dos aços por teor de carbono

Dependendo do teor de carbono, os aços são divididos em:

• extra doce: carbono entre 0,05% e 0,15%;
• sementes doces: carbono entre 0,15% e 0,25%
• doces: carbono entre 0,25% e 0,40%;
• sementes duras: carbono entre 0,40% e 0,46%;
• duro: carbono entre 0,60% e 0,70%;
• muito duro: carbono entre 0,70% e 0,80%;
• extra duro: carbono entre 0,80% e 0,85%.

Embora haja uma tendência a considerar os aços macios como menos valiosos , pode-se dizer mais precisamente que a qualidade de uma liga de aço é tanto melhor quanto mais suas características atendem aos requisitos das aplicações para as quais se destina.

Então, se você faz facas você tem que pensar no aço a ser utilizado para aquele uso específico e ligado às características que uma faca deve ter e no seu campo de aplicação.

Uma faca de mergulho, uma faca de sobrevivência, uma faca de cozinha, uma faca do dia a dia para carregar em muitas ocasiões, uma faca pesada, etc.

Como você pode imaginar, a escolha do aço muda porque a resistência à corrosão, a estanqueidade do fio, a resistência à flexão do aço, etc. são uma das coisas a serem observadas, que se conectam com a escolha do design, espessura do aço, qualidade da execução do tratamento térmico, custo da faca, etc., mas, como é claro, não pode ser uma escolha aleatória.

Também é claro que se você quer uma faca de topo existem alguns aços que são uma garantia, digamos que você nunca está errado, mas que claramente automaticamente trazem o preço da faca para valores mais importantes e que para algumas aplicações são excessivos.

Como os elementos de liga afetam as características do aço

As características físico-mecânicas de uma liga de aço podem ser modificadas pela adição de elementos de liga secundários, além de carbono, de modo a dar-lhe propriedades específicas adequadas para usos específicos.

Os fabricantes que constroem facas, os mais atentos, olham para essas características para escolher o aço mais adequado para a realização da faca considerando o uso pretendido, o tipo de acabamento da lâmina, o valor para o dinheiro, etc.

Aqui está uma lista de elementos de liga que são normalmente utilizados na produção de aços:

C – Carbono

É o principal elemento na estruturação de ligas de aço, é o elemento que não pode faltar quando se trata de aço.

• Aumenta a sua dureza e endurecibilidade.
• Aumenta fortemente a dureza em todos os estados de tratamento e especialmente em ligas submetidas a endurecimento.
• Na forma de cimentita secundária, em aços hipereutectóides também determina sua fragilidade.

É o principal elemento de todo o aço.

O carbono é usado em todos os aços.

Al – Alumínio

É usado principalmente em aços de grão fino.

Sendo um dos principais elementos de liga de ferro e aço, o alumínio (Al) desempenha o papel de desoxidação e refinamento de grãos, o que pode melhorar a resistência ao impacto do aço e reduzir a tendência ao frio e ao envelhecimento.

• O alumínio também pode melhorar a resistência à corrosão do aço, especialmente quando usado com molibdênio, cobre, silício, cromo e outros elementos produzirão melhores resultados.
• A adição de Al no aço Cr-Mo ou Cr pode melhorar sua resistência ao desgaste, e a presença de Al no aço para ferramentas de alto carbono pode fazer com que o endurecimento seja quebradiço.
• Mas Al afetará a propriedade de trabalho a quente, a propriedade de soldagem e a propriedade de corte do aço.

É amplamente utilizado em ligas especiais, incluindo aço nitretado, aço resistente a ácidos inoxidáveis, aço resistente ao calor, liga eletrotérmica, liga magnética dura e magnética macia e assim por diante.

• Tem um efeito desoxidante energético.
• Forma nitretos muito duros com nitrogênio.
• Combinado com Molibdênio e Cromo de notável dureza superficial.
• Dá resistência à oxidação a quente.
• Piora a soldabilidade.
• De fato, além de ter um alto poder de desoxidação, refina muito o grão de aço.
• Usado em conjunto com molibdênio e cromo aumenta a dureza da superfície.
• Misturado com nitrogênio, por outro lado, permite criar nitriros muito duros.

No entanto, seu uso também traz efeitos negativos, na verdade diminui a resiliência, soldabilidade, encolhimento (ou seja, a redução da seção transversal sofrida por um corpo submetido à tração), forjabilidade e resistência à oxidação.

Usado no tipo aços: não usado em aço para talheres.

B – Boro

Em percentagens muito pequenas, a aptidão para tratamentos térmicos aumenta.

• É usado em ligas de baixo para aumentar a temperabilidade e, portanto, sua aptidão para tratamentos térmicos em doses entre 0,0005 e 0,003%.

Usado no tipo de aços: 30 MN B5.

Co-Cobalto

Usado muito em aços de trabalho a quente rápidos e super rápidos.

• Não forma carbonetos por si só, mas é um multiplicador de efeitos dos outros elementos.
• Previne a oxidação e torna a martensita mais estável, mas diminui a penetração de endurecimento.

Usado no tipo de aços: CPM S110V, N690Co, VG10, ATS-55, COS-laminado.

Cr – Cromo

É um dos elementos mais utilizados na cementação e têmpera de aços, normalmente acompanhado de níquel e molibdênio.

• Ele aumenta fortemente a capacidade de endurecimento porque reduz fortemente a taxa de resfriamento crítica.
• Aumenta a resistência ao desgaste.
• Aumenta a estabilidade da têmpera.
• Reduz a fragilidade do frio.
• Com porcentagens superiores a 12% por cento, é usado em aços inoxidáveis ferríticos e martensíticos para melhorar a resistência à corrosão.

É o elemento que distingue os chamados aços carbono dos aços inoxidáveis, na verdade eles se tornam inoxidáveis quando sua presença é maior ou igual a 12%.

Como regra geral, é usado em conjunto com níquel e molibdênio.

Aumenta a resistência à corrosão, resistência ao desgaste e estabilidade do temperamento.

Também aumenta a dureza, o limite de elasticidade e a formação de carbonetos resistentes ao desgaste, melhora a resistência à tração e reduz a fragilidade a frio.

Usado em todos os aços inoxidáveis e em alguns carbonáceos em pequenas quantidades.

– Cobre

Melhora a resistência à corrosão atmosférica.

Pode causar falhas estruturais como resultado do trabalho a quente.

• É frequentemente usado em aços CORTEN (elemento de baixa liga) e melhora sua resistência à corrosão atmosférica e à resistência à fadiga.

Usado no tipo de aços: COR-TEN, 125 SC, C70.

Mn – Manganês

Está presente em pequenos tenores em todos os tipos de aço.

• Reduz a fragilidade térmica causada por sulfuretos de outros elementos.
• Reduz a taxa de resfriamento aumentando a temperabilidade do aço.
• Aumenta a resistência mecânica.
• Em altas porcentagens, aumenta a resistência ao desgaste, mas torna o aço muito suscetível à fragilidade da têmpera.

É provavelmente um dos elementos de liga mais utilizados no aço depois do carbono.

Ele se comporta um pouco como o alumínio como um desoxidante, mas também como um dessulfurizador, na verdade, reduz a fragilidade quente causada pelos sulfuretos de outros elementos.

Ele consegue reduzir a velocidade de resfriamento, aumentando assim a temperabilidade, também aumenta a resistência mecânica e a dureza.

Usado em quase todos os aços, mas em graus de quantidade nestes: O1, 5160, A2, 440, N690.

Mo – Molibdênio

É um dos elementos mais utilizados no tratamento de aços, muitas vezes combinado com níquel e cromo.

• Isso afeta muito o aumento da temperabilidade, a estabilidade da têmpera e a diminuição da sensibilidade ao superaquecimento.
• Aumenta a dureza, a tenacidade e a resistência ao desgaste.
• Aumenta muito a resistência mecânica ao calor.
• Reduz fortemente a fragilidade da têmpera em aços suscetíveis a ela.
• Também amplamente utilizado em todos os aços, muitas vezes combinados com níquel e cromo.
• Afeta significativamente a temperabilidade e a estabilidade na têmpera.

Ele consegue aumentar a dureza, resistência ao desgaste, tenacidade, resistência à corrosão e resistência à fadiga.

Usado em quase todos os aços, mas em graus quantitativos nestes: ATS-34, CPM 3V, CPM S90V, CPM M4, Niolox, Becut, Sleipner, A2, Vanadis 4.

N – Nitrogênio

Usado principalmente em aços inoxidáveis para aumentar a resistência mecânica e estabilizar o estado da austenita.

• É usado em aços inoxidáveis, pois aumenta muito a resistência à corrosão (pitting), também aumenta a resistência mecânica e estabiliza o estado da austenita.
• Também é usado para a produção de processos de sinterização e recozimento.

Usado no tipo de aços: NITRO B, 14C28N, 420MOD.

Ni – Níquel

O níquel também é amplamente utilizado no tratamento de aços.

• Combinado com cromo e molibdênio aumenta a aptidão para o tratamento térmico.
• Mesmo a baixas temperaturas, melhora a complexa tenacidade da resistência.
• Provoca a redução de pontos críticos, reduz a velocidade de resfriamento crítica, aumentando a capacidade de endurecimento.
• Aumenta a dureza e a resistência mecânica.
• Reduz a sensibilidade ao superaquecimento.
• Aumenta a dureza, a resistência mecânica, a resistência à corrosão e a temperabilidade.
• Não forma carbonetos.

Usado no tipo de aços: AUS 8, D2, N695, O1, CPM M4.

Nb – Nióbio (Nb)

É um metal duro, com a capacidade de refinar grãos.

• Seu uso evita lascamento
• Aumenta a resistência ao desgaste, criando assim um aço capaz de ter uma grande resistência ao prego de borda.

Usado no tipo de aços: CPM S35VN, CPM S110V, Niolox, Cos, CTS-XHP.

P – Fósforo

Diminui a fragilidade quando usado em altas concentrações.

• Também aumenta a dureza, a resistência à corrosão e a usinabilidade.
• Se uma concentração de 0,2% for excedida, a resiliência decai para 0.

Usado no tipo de aço: 125 SC, Shirogami 1, Shirogami 2.

Pb – Chumbo

Facilita a usinagem para máquinas-ferramentas.

• Aumenta a usinabilidade do aço, mas não tem efeito conhecido sobre as propriedades mecânicas do aço quando usado em faixas de concentração específicas.

Usado no tipo de aço: 125 SC, Shirogami 1, Shirogami 2.

Sim – Silício

Como o manganês, está presente em todos os tipos de aço.

• Aumenta a dureza, a resistência, a temperabilidade, a estabilidade de têmpera e a resistência ao desgaste.
• Aumenta o limite de elasticidade, por isso é usado em aços de mola e laminações magnéticas.
• Os aços de silício têm uma tendência à fragilidade, fibrosidade e aumento de grãos.
• Juntamente com o manganês, está presente em todos os tipos de aço e, como o manganês, é usado para desoxidar.
• Aumenta em temperabilidade, dureza, resistência, estabilidade de têmpera e resistência ao desgaste.
• É frequentemente usado em aços de mola, pois é capaz de aumentar o limite de elasticidade.
• Por outro lado, os aços de silício têm uma tendência à fragilidade e inchaço dos grãos.

Usado em grandes porcentagens no tipo aços: M390, N690, N695, 420, 440C, AUS 8, Sleipner, Becut.

Ti – Titânio

• Aumenta a resistência à corrosão em aços inoxidáveis.
• Reduz o tamanho do grão.
• Inibe a fragilidade das estruturas de aço inoxidável soldadas.
• Pertence ao grupo do cromo e é o elemento que tem a maior tendência a formar carbonetos.
• Neutraliza a formação de austenita em aços com alto teor de cromo, aumenta a resistência à corrosão em aços inoxidáveis e reduz o tamanho dos grãos.
• Reduz a dureza e a temperabilidade em aços com teor médio de cromo e forma carbonetos altamente abrasivos, reduzindo assim a usinabilidade da ferramenta, subtraindo assim o carbono da matriz.

Usado no tipo de aço: NITINOL, 316 Ti

V – Vanádio

Tem uma tendência muito forte para a formação de carbonetos, portanto, aumenta a dureza mesmo quando quente, a estabilidade à têmpera e reduz a sensibilidade ao superaquecimento.

• Não é normalmente usado em aço de construção.
• Como o titânio, ele também pertence ao grupo do cromo.
• Ele tende a formar muitos carbonetos, mas subtrai carbono da matriz, então muitos aços sinterizados com um alto teor de V têm enormes quantidades de carbono em sua receita de liga.
• Juntamente com o tungstênio, dá aos aços extrema dureza, mesmo em altas temperaturas.
• Eles são divididos em aços rápidos (vanádio-tungstênio) e aços super rápidos (vanádio-tungstênio-cobalto).

Na talhere, confere características como alta resistência ao impacto e dureza, ao mesmo tempo em que inibe o crescimento do trigo.

Usado no tipo de aços: CPM S90V, CPM M4, D2, Vanadis 23, Elmax, M390, Niolox, Becut, SG2, Aogami.

W – Tungstênio

• Dá dureza e resistência ao desgaste.
• É usado em aços de alta velocidade e aços de trabalho a quente.
• Limita a condutividade térmica do aço.
• Seus efeitos são muito semelhantes aos do molibdênio dando dureza e resistência ao desgaste.

Uma liga com a presença de tungstênio é extremamente dura e resistente ao calor e tem excelente temperabilidade.

Graças à sua condutividade térmica é amplamente utilizado em aço rápido, pois não perde a têmpera até 600 °, e em aço autoendurecedor, pois endurece espontaneamente no ar depois de atingir a temperatura austenítica.

Usado no tipo de aços: VG7, W1, W2, CPM M4, Aogami, Cos, Vanadis 23, M390.

S – Enxofre

É também um elemento a ser considerado prejudicial, mas, se usado em pequenas quantidades, ajuda a aumentar a trabalhabilidade.

Usado no tipo de aços: 125SC, C70, C100.

Conclusões

Neste ponto, a situação parece ter se tornado simples, mas não é assim.

O que eu escrevi para você é apenas um punhado para aproximá-lo um pouco mais do mundo da metalurgia.

Agora, no entanto, se você quiser entender algo mais, tente ver a tabela abaixo e tente entender para que serve um aço em vez de outro.

Finalmente, resumimos os efeitos dos elementos de liga, fazendo referência explícita a variações nas características do aço:

• Dureza aumentada: [Cr,Mn, Mo, Ni, Si, V].
• Aumento da dureza quente: [Cr, Mo, V]
• Diminuição da taxa de resfriamento crítico e consequente aumento da temperabilidade: [Cr,Mn, Mo, Ni, Si, V].
• Melhoria da resistência-tenacidade complexa: [Cr, Mn, Mo, Ni].
• Diminuição da sensibilidade ao superaquecimento: [Cr, Mo, Ni, V].
• Aumento da estabilidade da têmpera: [Cr, Mo, V].
• Redução da tendência à fragilidade do temperamento: Mn.
• Aumento do limite de elasticidade: [Mo, Si, V].

O efeito exercido por um único agente de liga não é necessariamente cumulativo com a aplicação simultânea de vários elementos.

O efeito resultante depende das interações mútuas entre os vários elementos.