Segregação no Aço: Detecção, Impacto e Prevenção no Controle de Qualidade

Definição e Conceito Básico

A segregação na indústria do aço refere-se à distribuição desigual ou concentração de elementos de liga, impurezas ou constituintes microestruturais dentro de um lingote de aço, bloom, billet ou produto acabado. Ela se manifesta como zonas localizadas onde certos elementos ou fases estão presentes em concentrações mais altas ou mais baixas do que a composição nominal do aço. Esse fenômeno pode afetar negativamente as propriedades mecânicas, resistência à corrosão, soldabilidade e integridade geral dos produtos de aço.

Fundamentalmente, a segregação é uma heterogeneidade microestrutural resultante do processo de solidificação, fundição ou tratamentos térmicos subsequentes. É uma preocupação crítica de qualidade porque pode servir como locais de iniciação para fissuras, corrosão ou outros mecanismos de falha. No contexto mais amplo da garantia de qualidade do aço, a segregação é um defeito chave que deve ser minimizado ou controlado por meio de um design de processo adequado, seleção de materiais e testes.

A segregação é frequentemente classificada como macrosegregação ou microsegregação com base em sua escala. A macrosegregação envolve grandes zonas visíveis detectáveis em nível macro, enquanto a microsegregação refere-se a variações composicionais microscópicas dentro de grãos ou fases individuais. Abordar a segregação é essencial para garantir uniformidade, desempenho previsível e segurança de componentes de aço em aplicações exigentes, como indústrias estruturais, de vasos de pressão ou aeroespaciais.

Natureza Física e Fundação Metalúrgica

Manifestação Física

No nível macro, a segregação aparece como zonas ou faixas distintas dentro do aço, frequentemente visíveis como diferenças de cor, opacidade ou aparência da superfície. Por exemplo, em lingotes fundidos, a macrosegregação pode se manifestar como grandes regiões alongadas com diferentes tonalidades ou texturas, indicando variações na composição ou microestrutura.

Microscopicamente, a segregação se manifesta como regiões localizadas com microestruturas alteradas, como fases enriquecidas ou empobrecidas, contornos de grão não uniformes ou distribuições de precipitados. Sob microscopia óptica ou eletrônica, essas zonas podem ser identificadas por diferenças no contraste de fase, composição elemental ou características microestruturais, como inclusões de carboneto ou sulfeto.

Características típicas incluem gradientes de concentração através da zona, limites de fase distintos ou a presença de fases secundárias que diferem da matriz. Essas características estão frequentemente associadas à frente de solidificação, onde elementos solutos são rejeitados ou acumulados, levando à heterogeneidade composicional.

Mecanismo Metalúrgico

A segregação origina-se principalmente durante o processo de solidificação do aço. À medida que o metal fundido esfria e solidifica, elementos solutos como carbono, manganês, enxofre ou fósforo tendem a se particionar entre as fases sólida e líquida de acordo com seus coeficientes de partição. Elementos com coeficientes de partição inferiores a um tendem a ser rejeitados para o líquido restante, levando ao seu acúmulo nas regiões interdendríticas ou intergranulares.

Esse processo resulta em heterogeneidade microestrutural, com zonas enriquecidas de certos elementos ou fases se formando à medida que a frente de solidificação avança. Por exemplo, o enxofre pode se segregar como inclusões de sulfeto de manganês, enquanto o carbono e o manganês podem se concentrar em regiões específicas, formando carbonetos ou outras fases.

A extensão da segregação depende de fatores como taxa de resfriamento, temperatura de vazamento, composição da liga e geometria da fundição. O resfriamento lento ou fundições grandes tendem a promover uma segregação mais pronunciada devido a tempos de solidificação mais longos e processos de difusão.

As mudanças microestruturais associadas à segregação incluem a formação de tamanhos de grão não uniformes, fases secundárias e inclusões. Essas heterogeneidades podem atuar como concentradores de tensão ou locais de iniciação de corrosão, comprometendo o desempenho do aço.

Sistema de Classificação

A segregação é classificada com base em sua escala, severidade e natureza. Os critérios de classificação comuns incluem:

• Macrosegregação: Visível a olho nu ou com baixa ampliação, frequentemente associada a grandes diferenças composicionais através do produto fundido. A severidade é classificada como leve, moderada ou severa com base no tamanho e na extensão das zonas segregadas.

• Microsegregação: Detectada através de análise microscópica, com o grau de diferença de concentração quantificado por meio de análise química ou medições de microprobes. É classificada como menor, aceitável ou crítica, dependendo da magnitude da variação composicional.

• Tipo de segregação: Com base no elemento envolvido, como segregação de enxofre, segregação de manganês ou segregação de carbonetos.

Em aplicações práticas, normas como ASTM E45 ou ISO 4967 fornecem diretrizes para classificar e avaliar a severidade da segregação, frequentemente correlacionando-a com desvios nas propriedades mecânicas ou critérios de aceitação de defeitos.

Métodos de Detecção e Medição

Técnicas de Detecção Primárias

Os métodos primários para detectar a segregação incluem inspeção visual, análise metalográfica, análise química e técnicas avançadas de imagem.

• Inspeção Visual: Zonas de macrosegregação são frequentemente detectáveis através da exame da superfície ou seccionamento, revelando diferenças de cor ou textura.

• Microscopia Óptica: Usada para observar microsegregação, revelando heterogeneidades microestruturais, fases secundárias ou inclusões. A preparação da amostra envolve polimento e ataque para melhorar o contraste.

• Análise Química: Técnicas como espectroscopia de emissão óptica por faísca (OES), plasma acoplado indutivamente (ICP) ou análise de microprobes quantificam a distribuição elemental através da amostra. Esses métodos fornecem dados composicionais precisos em escalas micro ou macro.

• Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) com Espectroscopia de Raios X por Dispersão de Energia (EDS): Permite mapeamento microestrutural e composicional detalhado, identificando zonas de segregação localizadas.

• Fluorescência de Raios X (XRF): Para análise composicional em massa, útil na detecção de macrosegregação.

• Tomografia Computadorizada (CT): Imagem avançada não destrutiva para visualizar zonas de segregação internas em grandes fundições.

A escolha do método de detecção depende da escala da segregação, resolução necessária e equipamentos disponíveis.

Padrões e Procedimentos de Teste

Normas internacionais relevantes incluem ASTM E45 (Métodos de Teste Padrão para Determinar o Conteúdo de Inclusões do Aço), ASTM E1251 (Método de Teste Padrão para Microsegregação), ISO 4967 (Aço — Microestrutura e segregação) e EN 10204.

Um procedimento típico envolve:

1. Preparação da Amostra: Cortar seções representativas do produto de aço, seguidas de montagem, moagem, polimento e ataque para revelar a microestrutura.

2. Exame Microscópico: Usando microscopia óptica ou eletrônica para identificar heterogeneidades.

3. Mapeamento Químico: Empregando análise de microprobes ou EDS através da zona suspeita de segregação para quantificar variações elementares.

4. Registro de Dados: Documentar o tamanho, forma e diferenças composicionais das zonas de segregação.

Parâmetros críticos incluem temperatura, composição do reagente, ampliação e área de análise, todos influenciando a sensibilidade da detecção.

Requisitos da Amostra

As amostras devem ser representativas de todo o lote ou lote fundido, com seleção cuidadosa para incluir áreas propensas à segregação, como o centro de grandes lingotes ou seções grossas.

A condicionamento da superfície envolve polimento até um acabamento espelhado e ataque com reagentes apropriados para revelar características microestruturais. Para microanálise, as amostras devem estar livres de cont