Z25 vs Z35 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de fabricação frequentemente enfrentam a escolha entre dois graus de produto próximos ao especificar aço para trabalho estrutural, de retenção de pressão ou de fabricação pesada. A decisão entre Z25 e Z35 geralmente equilibra a resistência necessária e o desempenho através da espessura em relação ao custo, soldabilidade e disponibilidade. Os contextos de decisão comuns incluem cascos de vasos soldados, chapas pesadas para pontes e estruturas fabricadas onde o risco de rasgamento lamelar (delaminação) ou a tenacidade direcional é uma preocupação.

Em um nível alto, o Z35 é posicionado como o grau de maior desempenho em comparação com o Z25: geralmente oferece maior resistência à ruptura lamelar e maior resistência, frequentemente alcançada por meio de química controlada e processamento termo-mecânico. O Z25 é selecionado onde resistência e tenacidade adequadas são necessárias a um custo mais baixo e com fabricação e soldagem mais fáceis. Esses graus são comparados porque visam domínios de aplicação semelhantes, mas diferem na estratégia de liga e no processamento para otimizar as compensações acima.

1. Normas e Designações

• Principais normas onde graus de produtos com prefixo Z ou numerados de forma semelhante podem aparecer: designações nacionais e proprietárias (EN, ASTM/ASME, JIS, GB) ou normas de usina. Nota: Z25 e Z35 são rótulos de grau de produto usados por alguns moinhos e especificadores; não são nomes universais da ASTM como S275 ou S355.
• Classificação por família:
• Z25: tipicamente um aço estrutural de baixa liga ou microligado (faixa de baixa a média resistência).
• Z35: tipicamente um aço microligado ou de baixa liga de maior resistência otimizado para melhorar o comportamento através da espessura e maior resistência de escoamento/tensão.
• Os usuários devem mapear Z25/Z35 para a especificação padrão específica ou certificado do moinho do fornecedor para verificação de compras e design.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

A química exata do Z25 e Z35 é específica do fornecedor. A tabela abaixo fornece elementos de liga típicos de aços nesta faixa de desempenho e intervalos qualitativos ou indicativos comuns nos dados de produtos do moinho. Sempre verifique com o certificado de análise.

Tabela: Intervalos de composição típicos (indicativos; consulte o certificado do moinho) | Elemento | Z25 (estratégia típica) | Z35 (estratégia típica) | |---|---:|---:| | C (carbono) | Baixo a médio; otimizado para soldabilidade e ductilidade (indicativo: ~0,08–0,20%) | Baixo a médio; controlado para equilibrar resistência e soldabilidade (indicativo: ~0,08–0,22%) | | Mn (manganês) | Moderado para ajudar na resistência e endurecimento (indicativo: ~0,3–1,2%) | Moderado a ligeiramente mais alto para aumentar a resistência (indicativo: ~0,4–1,4%) | | Si (silício) | Pequenas quantidades para desoxidação (≈0,1–0,4%) | Semelhante, controlado para tenacidade (≈0,1–0,4%) | | P (fósforo) | Mantido baixo para tenacidade (<0,03%) | Mantido baixo para tenacidade (<0,03%) | | S (enxofre) | Mantido baixo para ductilidade (<0,02%) | Mantido baixo para ductilidade (<0,02%) | | Cr, Ni, Mo (liga) | Geralmente mínimo ou ausente em graus básicos; pode conter pequenas adições em variantes ligadas | Pode conter pequenas adições controladas para melhorar o endurecimento e a tenacidade em graus variantes | | V, Nb, Ti (microligação) | Pode incluir microligação em traços (níveis em ppm) para refinar o grão e aumentar a resistência | Mais provável que contenha microligação projetada e processamento para melhorar a tenacidade através da espessura | | B (boro) | Tipicamente ausente ou em níveis muito baixos | Pode ser usado em adições mínimas por alguns moinhos para aumentar o endurecimento (ppm) | | N (nitrogênio) | Controlado para gerenciar a estabilidade de inclusões e resistência | Controlado; baixo N geralmente ajuda na tenacidade |

Como a liga afeta as propriedades: - Carbono e manganês aumentam a resistência e o endurecimento, mas podem reduzir a soldabilidade e a tenacidade se excessivos. - Elementos de microligação (Nb, Ti, V) permitem aumento de resistência por meio do refino de grão e endurecimento por precipitação sem grandes aumentos de carbono. - Intersticiais controlados baixos (P, S, N) e práticas de aço limpo melhoram a ductilidade e o desempenho através da espessura.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas e respostas típicas:

• Z25:
• Rotas de processo: laminação a quente convencional com normalização opcional ou têmpera leve.
• Microestrutura: predominantemente ferrita–pearlita ou ferrita de grão fino com pearlite controlada; variantes microligadas mostram precipitados finos que aumentam a resistência de escoamento.

• Resposta ao tratamento térmico: a normalização refina o grão e melhora a tenacidade; tratamentos de resfriamento rápido e têmpera são incomuns para esta classe.

• Z35:

• Rotas de processo: pode usar laminação controlada (processamento termo-mecânico controlado, TMCP) e resfriamento acelerado para refinar a microestrutura e promover constituintes finos bainíticos/ferríticos.
• Microestrutura: ferrita de grão mais fino com bainita dispersa ou bolsões de martensita/bainita temperados em algumas variantes de baixa liga; controle de inclusão projetado para reduzir o risco de rasgamento lamelar.
• Resposta ao tratamento térmico: TMCP e resfriamento controlado aumentam a resistência e melhoram a tenacidade através da espessura de forma mais eficaz do que a simples normalização; resfriamento rápido e têmpera é possível se especificado, mas muda a classificação.

Efeito das rotas comuns: - Normalização: refina o tamanho do grão e homogeneiza a microestrutura; melhora a tenacidade para ambos os graus. - Resfriamento rápido e têmpera: aumenta substancialmente a resistência, mas requer controles de solda e pré-aquecimento/pós-aquecimento mais rigorosos. - TMCP: permite maior resistência e tenacidade com boa soldabilidade ao refinar a microestrutura sem grande liga.

4. Propriedades Mecânicas

Os valores mecânicos exatos dependem da certificação do moinho, forma do produto (chapas, bobinas, peças forjadas) e tratamento térmico. A tabela a seguir fornece intervalos comparativos indicativos e descritores qualitativos; verifique valores específicos nos documentos de compra.

Tabela: Propriedades mecânicas indicativas (intervalos típicos; consulte dados do moinho) | Propriedade | Z25 (indicativo) | Z35 (indicativo) | |---|---:|---:| | Resistência à tração | Moderada — tipicamente na faixa baixa a média para aços estruturais | Mais alta — tipicamente acima do Z25, refletindo maior resistência de prova | | Resistência de escoamento | Faixa baixa/média (adequada para estrutural geral) | Mais alta; projetada para cargas estáticas mais altas | | Alongamento (%) | Boa ductilidade; adequada para conformação e fabricação | Ligeiramente mais baixa ou comparável; depende do processamento | | Tenacidade ao impacto (Charpy, - ou temperatura especificada) | Moderada; depende da limpeza e do processamento | Maior tenacidade através da espessura e tenacidade direcional; projetada para resistir ao rasgamento lamelar | | Dureza (HB ou HRC) | Moderada | Mais alta, mas ainda dentro das faixas soldáveis para muitos graus |

Qual é mais forte, mais resistente ou mais dúctil, e por quê: - Resistência: O Z35 é projetado para fornecer maior resistência de escoamento e tração do que o Z25 por meio de uma combinação de conteúdo de liga ligeiramente mais alto e controle de processo. - Tenacidade: O Z35 tende a oferecer resistência melhorada à tenacidade através da espessura e resistência à delaminação devido a práticas de aço mais limpas, controle da forma das inclusões e processamento termo-mecânico. Isso é crucial onde existe risco de rasgamento lamelar. - Ductilidade: O Z25 pode mostrar alongamento uniforme marginalmente mais alto em algumas condições devido à menor resistência; no entanto, o Z35 processado cuidadosamente pode manter boa ductilidade enquanto aumenta a resistência.

5. Soldabilidade

A soldabilidade é guiada principalmente pelo equivalente de carbono e pela endurecibilidade. Para avaliação qualitativa, você pode usar o equivalente de carbono IIW e o índice Pcm:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação (qualitativa): - Z25: Com carbono relativamente baixo e química mais simples, tende a ter um $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ mais baixos — resultando em soldagem mais fácil, menor necessidade de pré-aquecimento/pós-aquecimento e menor suscetibilidade a trincas a frio. - Z35: Maior resistência e microligação adicional ou Mn ligeiramente mais alto podem aumentar marginalmente o $CE_{IIW}$ e o $P_{cm}$. Isso exige especificações de procedimento de soldagem (PQR/WPS) mais cuidadosas, possível pré-aquecimento e atenção ao controle de hidrogênio. - Em ambos os graus: espessura, configuração da junta e práticas de fabricação (limpeza, desidratação de hidrogênio, seleção de eletrodos) influenciam significativamente o desempenho da solda. Verifique com a qualificação do procedimento de soldagem usando a química alvo da chapa.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Graus não inoxidáveis: Z25 e Z35 são tipicamente aços de baixa liga não inoxidáveis. A proteção contra corrosão é fornecida por revestimentos e design:
• Galvanização a quente, primers ricos em zinco, revestimentos epóxi ou metalização são estratégias de proteção comuns.
• Selecione o sistema de revestimento com base no ambiente (categorias de corrosividade C3–C5 ou marinho vs. rural/industrial).
• Considerações inoxidáveis: PREN não é aplicável a menos que o grau seja uma liga inoxidável. Para referência, ligas inoxidáveis usam: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ —usado para estimar a resistência à corrosão por pite.
• Quando considerar inoxidável: Se resistência à corrosão a longo prazo sem revestimentos externos for necessária, mude para a família inoxidável em vez de depender do Z25/Z35.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Conformabilidade

• Corte: Ambos os graus podem ser cortados a fogo, cortados a plasma ou cortados a laser; a maior resistência do Z35 pode exigir parâmetros de corte ajustados e produzir zonas afetadas pelo calor mais duras.
• Maquinabilidade: O Z25 geralmente é mais fácil de usinar devido à menor resistência e menor endurecimento por precipitação. O Z35, com microligação e maior resistência, pode ser mais difícil para o desgaste das ferramentas; escolha ferramentas e velocidades de acordo.
• Conformabilidade e dobra: O Z25 geralmente oferece melhor dobrabilidade em uma determinada espessura devido à menor resistência. O Z35 pode ser formado se projetado adequadamente, mas os raios de dobra mínimos podem ser maiores e o retorno elástico maior.
• Entrada de calor e conformação: Para conformação pesada ou conformação pós-solda, considere o tratamento térmico especificado do grau e assegure-se de que os processos não induzam perda indesejada de resistência.

8. Aplicações Típicas

Tabela: Usos típicos para cada grau | Z25 (usos típicos) | Z35 (usos típicos) | |---|---| | Chapa estrutural geral e vigas onde resistência padrão e boa soldabilidade são prioridade | Componentes e chapas fabricadas pesadas onde maior resistência e melhor desempenho através da espessura são necessários | | Estruturas fabricadas, transportadores e trabalho em aço geral | Saia de vasos de pressão, flanges pesadas e estruturas soldadas com risco de rasgamento lamelar | | Tanques e bins soldados de médio porte com revestimentos para proteção contra corrosão | Pontes, elementos estruturais offshore ou próximos à costa onde a tenacidade através da espessura é crítica | | Aplicações que priorizam custo, facilidade de aquisição e soldagem simples | Aplicações que priorizam maior capacidade de carga, resistência à fadiga e risco reduzido de delaminação |

Racional de seleção: - Escolha Z25 quando custo, fabricação simples e boa ductilidade/soldabilidade geral forem os principais fatores. - Escolha Z35 quando uma chapa mais forte e resistente com desempenho projetado através da espessura for necessária (por exemplo, juntas soldadas grossas, montagens soldadas de suporte pesado).

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: O Z35 geralmente tem um custo adicional em relação ao Z25 devido ao controle de química mais rigoroso, microligação, processamento TMCP ou etapas adicionais de qualificação. O custo adicional varia por região e produtor.
• Disponibilidade: O Z25 é frequentemente mais amplamente disponível em vários tamanhos de moinho, espessuras e formas de produto. O Z35 pode estar disponível como chapas e bobinas padrão, mas pode ser limitado em espessuras especiais ou em pedidos de pequenos lotes; os prazos de entrega podem ser mais longos para material Z35 certificado.

10. Resumo e Recomendação

Tabela resumindo as principais compensações | Característica | Z25 | Z35 | |---|---:|---:| | Soldabilidade | Alta; PQR/WPS mais fácil | Boa, mas mais atenção necessária ao pré-aquecimento/controle de hidrogênio | | Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Resistência moderada com boa ductilidade | Maior resistência com melhor tenacidade através da espessura | | Custo | Mais baixo | Mais alto |

Recomendações: - Escolha Z25 se: - Seu projeto prioriza custo-benefício, soldagem simples e desempenho estrutural geral. - A espessura da chapa, configuração da junta e condições de serviço não apresentam riscos elevados de rasgamento lamelar ou estresse através da espessura. - Você requer ampla disponibilidade e prazos de entrega curtos.

• Escolha Z35 se:
• Você precisa de maior resistência de escoamento/tensão e resistência aprimorada ao rasgamento lamelar ou através da espessura.
• O design inclui conexões soldadas pesadas, chapas grossas ou condições onde a tenacidade direcional é importante (propensas à fadiga ou carregamento cíclico).
• Você aceita um custo de material mais alto e possivelmente controles de fabricação mais rigorosos para um resultado estrutural mais durável.

Nota final: Z25 e Z35 são rótulos de grau de produto abreviados cuja química exata e garantias mecânicas devem ser obtidas do certificado do moinho e da especificação aplicável. Para aplicações críticas de segurança ou de contenção de pressão soldadas, sempre especifique as propriedades mecânicas necessárias (escoamento, tração, impacto a temperatura), os valores máximos de química permitidos e os procedimentos de solda necessários nas compras e desenhos.