Oxidação isotérmica e cíclica a 500 e 600°C do aço inoxidável AISI 420

Abstract

O estudo da oxidação de ligas metálicas em altas temperaturas representa um desafio significativo para a durabilidade e o desempenho de componentes industriais. A interação entre os elementos de liga e o oxigênio pode resultar na formação de camadas de óxidos com diferentes características protetoras, afetando a resistência à corrosão. Entre essas ligas, os aços inoxidáveis martensíticos despertam interesse por sua combinação de resistência mecânica e custo reduzido, embora apresentem menor estabilidade oxidativa. Nesse contexto, torna-se essencial compreender os mecanismos de oxidação que ocorrem em diferentes condições térmicas e ambientais. O presente trabalho teve como objetivo avaliar o comportamento do aço inoxidável AISI 420 submetido a ensaios de oxidação isotérmica e cíclica em temperaturas de 500 e 600 °C por até 96 horas e 96 ciclos. O material foi recebido na condição recozida e caracterizado quanto à sua composição química, massa específica, microdureza e microestrutura. As amostras foram cortadas, lixadas, limpas e submetidas a ensaios de oxidação isotérmicos e cíclicos com posterior análise da variação de massa por unidade de área, rugosidade e caracterização microestrutural por microscopia óptica, eletrônica de varredura (MEV) e difração de raios X (DRX). Os resultados indicaram estabilidade térmica para ambas as condições de oxidação, sem tendência clara de ganho ou perda de massa com o aumento da temperatura ou do número de horas/ciclos. A microestrutura do material de partida (antes dos ensaios de oxidação) apresentou uma matriz ferrítica com carbonetos esferoidizados dispersos. Observou-se que as amostras apresentaram regiões oxidadas e não oxidadas, indicando a formação heterogênea de óxidos na superfície. A rugosidade das amostras diminuiu após o lixamento e aumentou após os ensaios de oxidação. A microdureza da amostra sem oxidação foi de 236 ± 12 HV, e a microdureza na seção transversal das amostras oxidadas manteve-se praticamente constante e próxima ao valor do material sem oxidação. As análises de DRX identificaram a presença de ferrita (fase α), carbonetos do tipo (Cr, Fe)23C6 e óxidos de ferro e cromo (Cr, Fe)2O3 em todas as amostras oxidadas. De modo geral, não se observaram diferenças significativas nos resultados entre os ensaios isotérmicos e cíclicos, nem entre as temperaturas de 500 °C e 600 °C.

The study of high-temperature oxidation of metallic alloys represents a significant challenge for the durability and performance of industrial components. The interaction between alloying elements and oxygen can lead to the formation of oxide layers with distinct protective characteristics, thereby influencing corrosion resistance. Among these alloys, martensitic stainless steels are of particular interest due to their combination of mechanical strength and relatively low cost, despite their lower oxidative stability. In this context, understanding the oxidation mechanisms that occur under different thermal and environmental conditions becomes essential.The present work aimed to evaluate the behavior of AISI 420 stainless steel subjected to isothermal and cyclic oxidation tests at temperatures of 500 and 600 °C for up to 96 hours and 96 cycles. The material was supplied in the annealed condition and characterized in terms of its chemical composition, density, microhardness, and microstructure. The samples were cut, ground, cleaned, and subjected to isothermal and cyclic oxidation tests, followed by analysis of mass change per unit area, surface roughness, and microstructural characterization using optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), and X-ray diffraction (XRD). The results indicated thermal stability under both oxidation conditions, with no clear tendency for mass gain or loss as temperature or exposure time/cycles increased. The initial microstructure (prior to oxidation) exhibited a ferritic matrix with dispersed spheroidized carbides. The samples showed both oxidized and non-oxidized regions, indicating heterogeneous oxide formation on the surface. Surface roughness decreased after grinding and increased again following the oxidation tests. The microhardness of the non-oxidized sample was 236 ± 12 HV, and the microhardness measured on the cross-sections of oxidized samples remained essentially constant and comparable to that of the unoxidized material. XRD analyses identified the presence of ferrite (α phase), (Cr,Fe)23C6-type carbides, and mixed iron–chromium oxides (Cr,Fe)2O3 in all oxidized samples.Overall, no significant differences were observed between the isothermal and cyclic oxidation tests or between the temperatures of 500 °C and 600 °C.