Inclusões não metálicas: o que são?

Nos últimos tempos, cada vez mais este assunto tem sido objeto de estudos, pois tendo-se o controle da quantidade, tipo, composição química e tamanho das inclusões não metálicas, é possível obter um produto siderúrgico “limpo” com ótima qualidade. O termo “limpo” é um pouco relativo, pois é praticamente impossível produzir uma liga sem a presença de impurezas.

Os produtos siderúrgicos apresentam além do elemento carbono como principal elemento de liga, outros elementos não metálicos, como o fósforo, enxofre, manganês, silício e alumínio, que reagem entre si ou com outros elementos não metálicos como o oxigênio, formando assim as inclusões não metálicas.

Vamos entender um pouco sobre a fabricação do aço.

São as usinas siderúrgicas as produtoras de aços. Este processo inicia com a redução do minério de ferro no alto forno a partir dos gases gerados do coque que é um carvão mineral ou também carvão vegetal, possibilitando a transformação de óxido de ferro (Fe2O3) em metal (Fe). O produto resultante deste processo é o gusa e impurezas eliminadas sob a forma de escória.

Nesta segunda etapa o gusa é oxidado pela injeção de oxigênio sob pressão, diminuindo assim por afinidade, os teores de carbono, fósforo, silício, enxofre e nitrogênio em níveis muito baixos. Para converter o ferro gusa em aço, é preciso que o material passe pelo processo da aciaria, onde é feito o refino do aço, desoxidação, ajuste da composição química e temperatura por meio dos convertedores, o produto obtido é um aço com baixo teor de oxigênio. Em seguida o aço é lingotado e laminado a quente ou a frio.

Fluxo simplificado da produção de uma usina siderúrgica integrada

Mesmo após todas as etapas de produção do aço, ainda não é possível eliminar completamente as impurezas, porém é preciso reduzi-las ao menor nível possível e o mais importante, controlar sua distribuição no produto final.

Agora vamos entender um pouco sobre as inclusões não metálicas e no que elas impactam.

As inclusões não metálicas são partículas de óxidos, incluindo alumina, sulfetos, silicatos e nitretos, e se formam durante o processo de fabricação, ainda no estado líquido, aparecendo em meio à matriz dos aços.

A formação dessas inclusões é uma consequência físico-química das reações metalúrgicas que ocorrem durante o processo de produção do aço, portanto como já mencionado anteriormente, todos os tipos de aços possuem inclusões não metálicas, mesmo que em quantidades relativamente pequenas. O nível de nocividade dessas inclusões está associado a composição química, tamanho, morfologia e distribuição no aço e são formadas principalmente durante o processo de desoxidação, na aciaria. É de extrema importância o controle das inclusões não metálicas pois elas criam um campo de concentração de tensões ao seu redor, ocasionando a propagação de trincas a partir dessas regiões.

Inclusão não metálica do tipo óxido globular observada em um MEV ampliado 1000x

As inclusões não metálicas podem ser classificadas de acordo com a origem de formação, tamanho, morfologia e composição química.

Quanto a origem são classificadas em:

- Endógenas: resultantes das reações no interior do aço, durante o processo de desoxidação ou lingotamento contínuo;

- Exógenas: resultantes da interação do aço líquido com o que está ao redor, escória, refratários, pintura do refratário e atmosfera.

Quanto ao tamanho, podem ser classificadas em microscópicas, de diâmetros entre 1 a 100μm e macroscópicas com diâmetro superior a 100μm.

Quanto a morfologia, de acordo com a norma ASTM E45 (2018), são classificadas em 4 categorias:

- A-Sulfeto, B-Alumina, C-Silicato, D-Óxido Globular, fazendo menção a composição química da inclusão.

Amostra do aço SAE 1060 aprensentando uma trinca ocasionada por inclusões não metálicas

A concentração e localização de tensões na interface entre a inclusão e a matriz dão origem à iniciação da fratura por fadiga. Isso acontece devido da contração térmica das inclusões em relação à matriz durante o resfriamento e da concentração de tensões aplicadas devido à diferença entre as constantes elásticas das inclusões e da matriz. Como resultado, iniciam-se as trincas na interface entre a inclusão e a matriz.

Quanto maior o tamanho das inclusões, menor a resistência a fadiga. Pequenas inclusões não afetam a nucleação de trincas de fadiga, mas podem contribuir para a sua propagação. No geral, a fratura é iniciada em grandes partículas de inclusões, seguida pela formação de vazios que crescem em torno das pequenas inclusões.

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Fonte:

AMERICAN SOCIETY FOR METALS. ASM Handbook Vol. 11: Failure Analysis and Prevention. 12. ed. Estados Unidos da América, ASM Internacional, 2002.

ASTM E45 – Standart Test Methods for determining the inclusion contente of steel, 18 a.

COLPAERT, H. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos. São Paulo: Blucher, 2008.