Tudo sobre o aço-carbono como material de fabrico

Sabia que metade de todo o aço produzido no mundo é aço-carbono? Este material resistente e útil desempenha um papel importante em muitas coisas que usamos todos os dias. Desde os edifícios onde trabalhamos até aos automóveis que conduzimos, o aço-carbono torna a vida moderna possível. Vamos explorar o que torna este material tão importante para o fabrico.

O que é o aço-carbono?

O aço-carbono é uma mistura de ferro e carbono (entre 0,05% e 2,1% de carbono). Pense no carbono como o "ingrediente secreto" que confere ao aço a sua força. Quanto mais carbono, mais forte é o aço, mas também se torna menos flexível.

Principais benefícios de aço-carbono incluem:

• Forte mas não demasiado pesado
• Fácil de moldar e de trabalhar
• Muito mais barato do que outros metais
• Pode ser reciclado vezes sem conta

O aço-carbono é o cavalo de batalha dos materiais de fabrico. Proporciona aos engenheiros uma boa combinação de resistência, capacidade de trabalho e valor. Vejamos agora os principais tipos.

Tipos de aço-carbono

O aço-carbono apresenta-se em três tipos principais, consoante a quantidade de carbono que contém. Cada tipo funciona melhor para trabalhos diferentes.

Aço de baixo teor de carbono (aço macio)

Este é o tipo mais comum de aço-carbono. É super fácil de trabalhar porque se dobra e molda sem rachar. Também pode ser soldada sem grandes problemas. Embora não seja tão forte como outros tipos, é perfeito para projectos em que a modelação do metal é mais importante do que a resistência final.

O aço com baixo teor de carbono constitui a maior parte do aço utilizado na indústria automóvel e projectos de construção.

Aço médio-carbono

Este tipo de aço atinge um ponto ideal entre resistência e trabalhabilidade. É muito mais forte do que o aço macio, mas pode ser maquinado com relativa facilidade. O aço de médio carbono é frequentemente utilizado para peças que têm de suportar tensões e desgaste.

Os engenheiros escolhem o aço de médio carbono para peças como engrenagens, cambotas e outros componentes de máquinas que precisam de ser simultaneamente fortes e algo flexíveis.

Aço de alto teor de carbono

O tipo mais forte, mas menos flexível, é o aço de elevado teor de carbono. Pode ser extremamente duro através de tratamento térmico, o que o torna perfeito para ferramentas que precisam de cortar, perfurar ou moldar outros materiais.

O aço com alto teor de carbono é ótimo para ferramentas de corteO aço inoxidável é usado para soldar e moldar peças de metal, brocas e molas onde a dureza é mais importante. No entanto, é mais difícil de soldar e moldar sem fissurar.

Propriedades que tornam o aço-carbono valioso

A quantidade de carbono altera significativamente o comportamento do aço. Vejamos algumas propriedades chave:

Resistência e dureza

Com um maior teor de carbono, o aço torna-se mais forte e mais duro. O aço com elevado teor de carbono pode atingir níveis de resistência à tração de 1.200-1.500 MPa, enquanto o aço com baixo teor de carbono varia normalmente entre 400-550 MPa. Isto significa que o aço com elevado teor de carbono pode suportar muito mais força de tração antes de se partir.

Ductilidade (como se dobra)

O aço com baixo teor de carbono dobra-se facilmente sem se partir. Isto torna-o perfeito para ser moldado em formas complexas. À medida que o teor de carbono aumenta, o aço torna-se menos flexível e mais suscetível de rachar quando moldado.

Maquinabilidade

Isto refere-se à facilidade com que o aço pode ser cortado, perfurado ou fresado. Os aços de baixo e médio teor de carbono são mais fáceis de maquinar do que as variedades de alto teor de carbono. Para maquinagem de precisão, esta propriedade é muito importante.

Soldabilidade

O aço com baixo teor de carbono solda-se facilmente sem preparação especial. O aço com elevado teor de carbono necessita de cuidados especiais durante a soldadura para evitar fissuras.

Tratamento térmico: Tornando o aço carbono ainda melhor

Uma das melhores caraterísticas do aço-carbono é o facto de podermos alterar as suas propriedades através do tratamento térmico. Estes processos alteram a estrutura interna do metal para melhorar determinadas qualidades.

Recozimento

Este processo aquece o aço e depois arrefece-o lentamente. Torna o metal mais macio e fácil de trabalhar, removendo as tensões internas. Os fabricantes fazem frequentemente o recozimento do aço-carbono antes de o maquinarem em formas complexas.

Têmpera e revenimento

Este processo de duas fases envolve primeiro o aquecimento do aço a uma temperatura elevada (cerca de 1500°F) e depois o seu arrefecimento rápido em água ou óleo (têmpera). Isto torna o aço muito duro mas quebradiço. O segundo passo, a têmpera, reaquece o metal a uma temperatura mais baixa para reduzir a fragilidade, mantendo a maior parte da dureza.

As ferramentas, engrenagens e molas são frequentemente submetidas a têmpera e revenido para obter o equilíbrio correto entre dureza e tenacidade.

Endurecimento por cementação

Isto cria um revestimento exterior duro, mantendo o interior resistente e flexível. Funciona muito bem para peças que precisam de uma superfície resistente ao desgaste, mas que não devem ser frágeis até ao fim.

Aço carbono vs. outros materiais

Para compreender porque é que os fabricantes escolhem frequentemente o aço-carbono, vamos compará-lo com outros metais comuns:

Aço-carbono vs. Aço-liga

Aço carbono contém principalmente ferro e carbono, com poucos outros elementos. Liga de aço inclui outros metais como o níquel, o crómio ou o molibdénio para criar propriedades específicas.

Enquanto o aço-carbono é mais barato e mais fácil de trabalhar, o aço-liga proporciona um melhor desempenho em condições extremas, como temperaturas muito elevadas ou ambientes corrosivos.

Aço carbono vs. aço inoxidável

A maior diferença é que o aço inoxidável contém pelo menos 10,5% de crómio, o que lhe confere uma excelente resistência à ferrugem.

O aço-carbono enferruja muito mais facilmente do que o aço inoxidável, exigindo revestimentos ou pintura para proteção. No entanto, o aço-carbono é cerca de 20-40% mais barato do que o aço inoxidável, o que o torna a escolha de eleição quando a corrosão não é uma preocupação importante.

Indústrias que dependem do aço carbono

O aço-carbono é a espinha dorsal de muitas indústrias importantes. Vamos explorar onde e como é utilizado:

Construção

Os edifícios, as pontes e os projectos de infra-estruturas utilizam grandes quantidades de aço-carbono. A sua relação resistência/peso e o seu preço acessível tornam-no perfeito para componentes estruturais como:

• Varões para betão armado (vergalhões) no betão
• Vigas em I e suportes estruturais
• Materiais para telhados e revestimentos

Entre 1900 e 2015, foram produzidas cerca de 45 gigatoneladas de aço a nível mundial, sendo a maior parte destinada à construção.

Fabrico de automóveis

Os automóveis dependem fortemente do aço-carbono para os componentes estruturais e mecânicos. As peças normalmente fabricadas em aço-carbono incluem:

• Elementos do chassis e da estrutura
• Componentes do motor
• Eixos e peças de suspensão

O aço-carbono representa cerca de 65% do peso de um automóvel típico, embora o alumínio e os materiais compósitos tenham vindo a conquistar alguma quota de mercado nos últimos anos.

Indústria do petróleo e do gás

O sector da energia depende do aço-carbono para..:

• Brocas
• Condutas
• Tanques de armazenamento
• Componentes estruturais para plataformas

A elevada resistência e o custo relativamente baixo fazem do aço-carbono uma escolha natural para maquinagem energética aplicações.

Ferramentas e equipamentos de fabrico

As ferramentas de corte, matrizes, moldes e maquinaria industrial utilizam frequentemente aço de alto carbono para as suas superfícies de trabalho. A dureza obtida através do tratamento térmico torna estas ferramentas capazes de moldar outros metais.

Trabalhar com aço carbono: Melhores práticas

Ao fabricar com aço-carbono, seguir estas boas práticas ajuda a obter resultados óptimos:

Dicas de maquinagem

1. Utilizar a velocidade de corte correta: Os aços de médio teor de carbono trabalham geralmente melhor com velocidades e avanços moderados.
2. Manter as ferramentas afiadas: As ferramentas cegas criam um excesso de calor que pode danificar tanto a ferramenta como a peça de trabalho.
3. Utilizar um arrefecimento adequado: Os fluidos de corte ajudam a dissipar o calor durante as operações de maquinagem.
4. Adequar a ferramenta ao trabalho: Para o aço com elevado teor de carbono, as ferramentas de carboneto e de cerâmica funcionam frequentemente melhor do que as de aço rápido.

Soldadura de aço-carbono

1. Pré-aquecimento de aços com maior teor de carbono: Evita a fissuração, reduzindo a taxa de arrefecimento após a soldadura.
2. Escolha o material de enchimento correto: O seu teor de carbono deve ser igual ou ligeiramente inferior ao do metal de base.
3. Controlo das taxas de arrefecimento: O arrefecimento lento e uniforme ajuda a evitar tensões e fissuras.
4. Utilizar gás de proteção adequado: Protege a poça de fusão da contaminação por oxigénio.

Prevenir a corrosão

Ao contrário do aço inoxidável, o aço-carbono enferruja quando exposto à humidade e ao oxigénio. Para o proteger:

1. Aplicar revestimentos de proteção: A pintura, o revestimento a pó ou a galvanização constituem barreiras contra a humidade.
2. Utilizar ânodos de sacrifício: Em algumas aplicações, os ânodos de zinco ou de magnésio podem proteger o aço através da ação galvânica.
3. Manutenção regular: Inspecionar e retocar os revestimentos danificados antes que a ferrugem se instale.
4. Controlar o ambiente: Sempre que possível, controlar a humidade e a exposição a produtos químicos corrosivos.

O aço carbono tem 3 a 5 vezes mais probabilidades de enferrujar do que o aço inoxidável, pelo que a proteção é essencial em ambientes húmidos ou ao ar livre.

Factores de sustentabilidade

À medida que o fabrico se torna mais consciente em termos ambientais, o aço-carbono tem algumas vantagens importantes em termos de sustentabilidade:

Reciclabilidade

O aço-carbono é 98% reciclável, em comparação com apenas cerca de 60% para muitos plásticos. A indústria siderúrgica desenvolveu sistemas de reciclagem eficientes que permitem que o aço seja reutilizado muitas vezes com uma perda mínima de qualidade.

Utilização de energia e emissões

Embora a produção de aço seja intensiva em energia, a eficiência melhorou drasticamente:

• Entre 1900 e 2015, a eficiência dos processos de produção de aço registou uma melhoria de 67%
• No entanto, a produção total aumentou 44 vezes, conduzindo a emissões totais 17 vezes mais elevadas

A indústria continua a trabalhar para reduzir a sua pegada de carbono através de uma maior eficiência e do desenvolvimento de métodos de produção mais limpos.

Tendências futuras no fabrico de aço-carbono

O sector do aço-carbono continua a evoluir com várias tendências fundamentais:

Aços avançados de alta resistência (AHSS)

Estes aços mais recentes mantêm as vantagens de custo do aço-carbono, ao mesmo tempo que oferecem rácios de resistência/peso muito mais elevados. Estão a tornar-se cada vez mais importantes nas aplicações automóveis em que os fabricantes necessitam de reduzir o peso, mantendo a segurança.

Métodos de produção mais limpos

Os fornos de arco elétrico (FAE) estão a substituir os altos-fornos tradicionais em muitas instalações novas. Os FEA podem funcionar com eletricidade renovável e utilizam sobretudo aço reciclado, reduzindo consideravelmente as emissões de carbono.

Revestimentos e tratamentos melhorados

As novas tecnologias de revestimento estão a prolongar a vida útil do aço-carbono e a alargar as suas aplicações a ambientes mais corrosivos.

Perguntas mais frequentes

Principais conclusões

O aço-carbono continua a ser uma pedra angular do fabrico moderno porque oferece um excelente equilíbrio de..:

• Acessibilidade20-40%: mais barato do que o aço inoxidável
• Versatilidade: Disponível em vários graus para diferentes aplicações
• Trabalhabilidade: Pode ser moldado, maquinado, soldado e tratado termicamente de forma eficaz
• Força: Resistência à tração de 400-1.500 MPa, dependendo do tipo e do tratamento
• Sustentabilidade98% reciclável com infra-estruturas de reciclagem estabelecidas

Ao selecionar o aço-carbono, faça corresponder o teor de carbono às necessidades da sua aplicação. O aço com baixo teor de carbono funciona melhor para moldagem e soldadura, o aço com teor médio de carbono proporciona um bom equilíbrio para componentes de máquinas e o aço com alto teor de carbono destaca-se em ferramentas e aplicações de desgaste.

Para peças que precisam de resistir a maquinagem complexa mantendo a integridade estrutural, o aço-carbono oferece aos fabricantes uma excelente opção de material que equilibra o custo e o desempenho.

Ao compreender as propriedades do aço-carbono e as melhores práticas para trabalhar com ele, os fabricantes podem tirar partido deste material versátil para criar produtos duradouros e económicos para praticamente qualquer indústria.