Relatrio Tcnico
A influncia causada pela variao do aporte trmico (heat input)
pelo processo a arco submerso (SAW-Submerged Arc Welding) no ao
inoxidvel duplex SAF 2205 (UNS S31803)
Raphael de Almeida Ramires1 [email protected]
Botelho da Rocha1 [email protected] Silveira Romagnolli
Araujo2 [email protected]
(1) Alunos do Departamento de Engenharia Mecnica da Universidade
de Taubat
(2) Professora do Departamento de Engenharia Mecnica da
Universidade de Taubat
Resumo
O ao inoxidvel duplex, por possuir propriedades de resistncia
mecnica e resistncia corroso, tem sido cada vez mais empregado em
vrios setores industriais, principalmente no setor petroqumico onde
suas caractersticas so demasiadamente desejadas. Tendo em vista
isso, de grande importncia verificar as possveis alteraes causadas
na sua microestrutura durante a fabricao e montagem de
equipamentos, principalmente quando submetidos a processos de
soldagem a arco eltrico, tais como por eletrodo revestido
(SMAW-Shielded Metal Arc Welding), TIG (Tungsten Inert Gas),
MIG/MAG (GMAW- Gas Metal Arc Welding) e por arco submerso
(SAW-Submerged Arc Welding).
Este trabalho tem por objetivo avaliar as alteraes induzidas
atravs da variao do aporte trmico (heat input) em juntas soldadas
com utilizao do processo a arco submerso (SAW-Submerged Arc
Welding) no ao inoxidvel duplex SAF 2205 (S31803). Sero realizados
cordes de soldas no material variando o aporte trmico (heat input),
mantendo as demais variveis constantes. Posteriormente, sero
removidas amostras dos cordes, e preparadas atravs do polimento e
posterior ataque qumico adequado, e em seguida sero analisadas por
meio de microscopia tica. Espera-se, conforme literatura,
apresentar alteraes nas mudanas de fases presentes e
consequentemente nas propriedades mecnicas no ao inoxidvel duplex
e, ainda, apresentar a importncia do controle dos parmetros do
processo para a obteno de propriedades desejadas.
Palavras-chave: ao inoxidvel duplex, aporte trmico, heat input,
parmetros de soldagem.
1. INTRODUO
Este trabalho visa analisar a influncia da energia de soldagem
no ao inoxidvel duplex (AID) utilizando o processo de soldagem por
arco submerso (SAW-Submerged Arc Welding).
A ideia de elaborao desta pesquisa surgiu da importncia de se
analisar as alteraes na microestrutura durante os processos de
fabricao e montagem dos aos inoxidveis duplex, os quais tm sido
cada vez mais empregados em setores industriais como o petroqumico,
energtico, naval e plataformas on e offshore. Apesar das
dificuldades encontradas no processo de soldagem (como a perda de
resistncia corroso, provocada pelo aquecimento localizado), este
tipo de ao contm caractersticas e propriedades que justificam sua
utilizao. Alm de ser reciclveis e apresentar resistncia mecnica e
corroso, permite a diminuio considervel de peso de suas estruturas,
possibilitando vantagens no s na questo econmica, mas tambm na de
segurana.
Em termos de soldagem, os aos duplex apresentam boa
soldabilidade. Apesar disso, estes aos so considerados poucos
resistentes ao fenmeno de corroso localizada, como a corroso sob
tenso e por pite em ambientes contendo cloretos. Deste modo, a
minimizao da fragilizao e do processo corrosivo no AID torna a
soldagem um objeto de pesquisa com o intuito de tornar vivel a
soldagem por arco submerso tanto na parte tcnica quanto
econmica.
Devido a este fato, o objetivo deste trabalho o estudo do
parmetro da energia de soldagem a fim de que essa fragilizao seja
amenizada.
2. REVISO DA LITERATURA
Aos inoxidveis duplex
Os aos inoxidveis duplex tem esse nome por se tratar de uma liga
com microestrutura bifsica contendo ferrita e austenita sendo estas
distribudas em aproximadamente 50% de cada. Seu reconhecimento como
uma liga especfica aconteceu em 1982, atravs do Welding Handbook,
anteriormente era classificada como um ao inoxidvel tipo 329, aps
isso o duplex passou a ser bastante difundido em pesquisas e
apresentado em conferncias internacionais para verificar suas
caractersticas quando sujeitado as condies de trabalho, tais como a
soldagem. (Lippold; Kotecki, 2005)
Devido as suas caractersticas de resistncia a corroso e mecnica
serem superiores as do ao inoxidvel. O ao inoxidvel duplex tem o
substitudo em diversas aplicaes, principalmente no setor
petroqumico entre outros, tendo como limite de temperatura de
trabalho entre -40 C a 280 C e seu limite de resistncia acima de
425 Mpa (60 ksi) comparado aos 210 Mpa do ao inoxidvel. (Lippold;
Kotecki, 2005)
Os aos inoxidveis duplex so classificados conforme as normas
ASTM A240 ou ASTM A890 e os consumveis de soldagem conforme AWS
ER/E 2209.
Balano da fase ferrita-austenita
O ao inoxidvel duplex baseado num sistema de liga de Fe-Cr-Ni-N,
onde a sua composio qumica ajustada para obter 50% ferrita e 50%
austenita. Como sua solidificao inicia com 100% de ferrita (figura
2), o nitrognio adicionado para acelerar a formao da austenita e
melhorar a resistncia corroso por pitting, lembrando que em altas
concentraes ele pode acabar facilitando a precipitao de nitretos de
cromo resultando como facilitador da corroso. Outros elementos como
o molibdnio, tungstnio e cobre tambm melhoram a resistncia corroso.
Por possurem baixo teor de carbono (< 0,03%), os aos inoxidveis
duplex so pouco susceptveis a corroso intergranular a partir da
precipitao do carboneto de cromo. Devido ao seu alto teor de liga
(vrios elementos adicionados) o custo do ao inoxidvel duplex acaba
sendo maior que o ao inoxidvel. (Lippold; Kotecki, 2005)
Como mostrado na figura 2, podemos observar que a regio onde
ocorre a transformao da austenita onde com a temperatura esta mais
baixa, tendo em vista isto podem ocorrer precipitaes no desejadas
conforme a variao da temperatura com tempo, como ilustrado na
figura 3. Muitas destas precipitaes fragilizam o ao inoxidvel
duplex e por isso devem ser evitadas ao mximo, a fase sigma () e o
nitreto de cromo so os mais conhecidos. (Lippold; Kotecki,
2005)
A fase sigma por ser muito dura e frgil, pode danificar o
material em suas propriedades mecnicas principalmente a tenacidade
e a resistncia corroso, isto ocorre entre 700C e 900C.
Precipitao de fases
Entre as temperaturas de 300C a 1000C a microestrutura bsica dos
aos inoxidveis duplex, que formada da ferrita e austenita, torna-se
instvel podendo ocorrer a transformao de outras fases como sigma,
alfa linha, chi, austenita secundria, dentre outras. Estas so
denominadas fases secundrias e acontecem preferencialmente na
matriz ferrtica. (PEREIRA, 2009)
Este acontecimento indesejvel, tendo em vista prejudicar as
propriedades mecnicas, principalmente a tenacidade e a de
resistncia corroso dependendo da fase precipitada.
O nitrognio presente na composio qumica exerce uma influncia ao
reduzir a formao das fases intermetlicas, diminuindo a atividade do
cromo, o qual estabilizador dessas fases. (Lippold; Kotecki,
2005)
Tendo em vista o enfoque do estudo, a seguir ser demonstrado
algumas das principais fases que podem ocorrer em altas
temperaturas:
Sigma ()
A fase caracterstica dos aos inoxidveis austenticos, e sendo
assim tambm ocorre nos aos inoxidveis duplex. Esta fase tem uma
dureza muito elevada e isso compromete a tenacidade do material,
causando grande fragilidade e comprometendo a resistncia a corroso
devido ao empobrecimento de cromo e molibdnio ao redor da fase
sigma. (PEREIRA, 2009)
Esta fase possui uma estrutura cristalina tetragonal com 30
tomos por clula, isto explica sua dureza elevada (aproximadamente
940 HV). uma fase no magntica em temperatura ambiente e sua
precipitao ocorre na faixa de temperatura entre 600 a 1000C,
geralmente no contorno de gro ferrita/austenita, isto acontece
quando o tempo de exposio em alta temperatura muito grande.
(PEREIRA, 2009)
Para reduzir a formao da fase sigma seria necessrio diminuir o
teor de cromo na fabricao do ao inoxidvel duplex, sendo isto
impossvel, neste caso oque pode ser feito para elimina-la induzir o
material a tratamento trmico adequado (solubilizao, por exemplo). A
resistncia corroso reduzida com a presena da fase sigma e isto pode
aumentar a velocidade de corroso em at oito vezes, isto deve ser
levado em considerao quando submetido a ambientes cidos onde o
ataque acontece preferencialmente na matriz empobrecida em Cr e Mo
nas adjacncias das partculas de fase sigma. (PEREIRA, 2009)
Fase Chi ()
A fase chi encontrada frequentemente em associao com a fase
sigma, porm no necessita de tempo elevado em exposio alta
temperatura, sua precipitao mais comum quando o ao exposto faixa de
temperatura 400 a 950C em perodos relativamente baixo, pois do
contrrio a fase chi dissolvida na fase sigma. A fase chi mais
difcil de ser encontrada nos aos inoxidveis, devido sua composio
qumica, Fe36Cr12Mo10, para conseguir esta reao necessrio um consumo
grande do cromo e molibdnio, empobrecendo o material destes e
deixando vulnervel a corroso, principalmente por pite. (MAGALHES,
2004)
Sua composio diferenciada da fase sigma, pois ela consegue
dissolver o carbono, constituda principalmente de molibdnio com um
pouco de cromo. Tal como na fase sigma, a fase chi tambm afeta as
propriedades mecnicas e de resistncia corroso do material.
Fase de Laves (R)
Esta fase intermetlica, assim como as demais no desejada no
material, pois diminiu a capacidade de resistncia corroso.
Sua precipitao acontece entre as temperaturas de 550 a 800C, e
mais decorrente que a fase sigma e acontece em materiais com maior
teor de carbono. (MAGALHES, 2004)
Nitretos
Com o nitrognio presente em sua composio, para auxiliar na
formao e estabilizao da austenita, podem ocorrer a precipitao dos
nitretos.
Isto ocorre quando o material aquecido a temperatura em torno de
1300C e o nitrognio dissolvido na ferrita, se resfriado bruscamente
pode acontecer a saturao de nitrognio e com isso a precipitao de
nitretos de cromo nos contornos de gro entre ferrita/austenita.
Isto acontece, por no haver tempo suficiente para o nitrognio
retornar para a austenita. (PEREIRA, 2009)
Nos aos estabilizados com Nibio ou Titnio, os nitretos e
carbonitretos de cromo so praticamente substitudos por
carbonitretos de nibio (Nb) ou de titnio (Ti), este precipitados so
menos prejudiciais ao material. (PEREIRA, 2009)
A precipitao dos nitretos / carbonetos ocorre temperatura em
torno de 550 e 1000C, sendo que o tungstnio e o molibdnio aceleram
a formao em temperaturas maiores. (PEREIRA, 2009)
Austenita secundria (2)
Sua precipitao pode acontecer de algumas maneiras, abaixo de
650C ela ter composio similar a da ferrita com uma transformao
adifusional e caractersticas similares a formao da martensita. Em
temperaturas entre 650 e 800C, ocorrem formas de austenita e at
900C forma-se juntamente com a fase sigma. Ela explicada devido ao
empobrecimento de cromo e molibdnio no em torno fases chi, onde
haver o crescimento em direo da ferrita. (MAGALHES, 2004)
As diferenas com relao a austenita primria, so basicamente na
composio qumica e sua morfologia. Sua composio possui baixo teor de
cromo e molibdnio, elevado de ferro e nquel e sua morfologia so com
hastes levemente cilndricas. (MAGALHES, 2004)
Composio qumica
Abaixo segue uma tabela com a composio qumica do ao inoxidvel
duplex, fornecida por um fabricante do mesmo.
Cada um dos elementos de liga presentes na composio qumica o ao
provoca uma caracterstica nas suas propriedades, tendo em vista
isso, a seguir ser descrito algum destes elementos.
Carbono (C)
O carbono permite o endurecimento por tratamento trmico e
melhora a resistncia dos aos em aplicaes a elevadas temperaturas,
prejudicial resistncia corroso devido a sua reao com o cromo.
Cromo (Cr)
A resistncia corroso depende diretamente do teor de cromo no
material, sendo que quanto maior o teor contido na liga, maior ser
a resistncia corroso. O cromo tambm reage com o oxignio do ar e
cria uma camada (pelcula) passiva, protegendo contra agentes
corrosivos.
Nquel (Ni)
Altera estrutura cristalina da liga, com isso causa o aumento na
ductilidade, resistncia mecnica, soldabilidade e quando associado
ao cromo aumenta a resistncia a corroso.
Molibdnio (Mo)
Contribui para o aumento da resistncia mecnica do ao e para os
aos inoxidveis provoca o aumento da passividade e resistncia
corroso, especialmente a corroso por pites e por frestas.
Nitrognio (N)
Para os aos inoxidveis duplex essencial para aumentar a proporo
da austenita e auxiliar na elevao da resistncia a corroso por
pites, sendo que o nitrognio retarda a formao da fase sigma.
Fsforo (P)
Auxilia os aos inoxidveis proporcionando boa usinabilidade.
Mangans (Mg)
Tem como funo ajudar a eliminar as impurezas presentes no ao.
Quando associado ao nquel pode aumentar consideravelmente a
resistncia mecnica, em pequenas propores, caso contrrio pode
diminuir a resistncia ao desgaste e quando exposto ao enxofre (S)
reage resultando em sulfetos de mangans.
Enxofre (S)
extremamente prejudicial ao ao. Prejudica e desfavorece a
ductilidade, reduz a soldabilidade e diminui a tenacidade.
Silcio (Si)
usado como desoxidante do ao. Favorece a resistncia mecnica e a
resistncia corroso, porm reduz a sua soldabilidade.
Soldagem no ao inoxidvel duplex
Como a soldagem um processo trmico necessrio o devido cuidado na
sua execuo, para evitar que possveis problemas sejam induzidos no
material. Um ponto que deve ser levado em considerao a Zona
Termicamente Afetada (ZTA).
A ZTA pode sofrer alteraes nas suas caractersticas de acordo
como a soldagem executada, levando em conta a temperatura da
soldagem.
Quando se usa uma alta temperatura na ZTA vai ocorrer o aumento
na proporo de ferrita no duplex, ficando entre 50 a 70%. Isto pode
ser evitado fazendo um controle os parmetros de soldagem (como
aporte de calor, pr aquecimento, temperatura de interpasses), no
deixando que o material seja exposto a uma alta temperatura por
tempo significativo, para melhorar a qualidade do ao e diminuir a
ocorrncia de problemas, utilizado a adio de nitrognio no consumvel
de soldagem utilizado (eletrodos, arames e etc). J quando se usa
uma baixa temperatura na ZTA, fica mais provvel que ocorra a
precipitao das fases intermetlicas. (GUNN, 2003)
Processo de soldagem por Arco Submerso
No processo de soldagem por Arco Submerso, o arco eltrico
estabelecido entre o eletrodo nu e o material a ser soldado, sendo
que o arco permanece totalmente submerso em uma camada de fluxo. No
h arco visvel, fagulhas, respingos de material ou fumaa,
caractersticas dos demais processos de soldagem com arco aberto.
Outra diferena deste processo com os demais diz respeito s amplas
faixas de intensidades de corrente, tenso e velocidades de avano
que podem ser usadas. O fluxo, na forma de grnulos, age como
fundente, protegendo o metal de solda lquido, de contaminaes; atua
tambm como desoxidante e isolante trmico, concentrando o calor na
parte slida, formando, assim, a chamada bolha de fuso. A parte
fundida do fluxo flutua sobre essa bolha absorvendo impurezas e
protegendo a solda da atmosfera e outros gases bastante reativos
com o metal de solda, como o oxignio e nitrognio. Aps o
resfriamento do metal, a parte fundida de fluxo endurece e se torna
destacvel, revelando um cordo se solda liso e brilhante, obtendo-se
uma solda com alta densidade e timas propriedades fsicas. Outra
caracterstica importante do fluxo a possibilidade de utiliz-lo para
alterar a composio qumica do metal de solda. O processo permite
alto grau de automatizao, sendo o arame-eletrodo continuamente
alimentado no cabeote ou pistola de soldagem, conferindo a esse
tipo de processo rapidez e economia, quando comparado aos demais
processos de soldagem com arco eltrico. Historicamente, o uso de um
fluxo granulado com um arame eletrodo alimentado continuamente o
que caracteriza o processo teve incio em 1935. Seu uso foi
intensificado no perodo 1939-45, com a automatizao do processo,
permitindo a construo rpida de equipamentos pesados, principalmente
navios e tubos de grandes dimenses. No Brasil, a soldagem ao arco
submerso utilizada amplamente na indstria de equipamentos metlicos,
bem como na recuperao de peas. (WAINER; BRANDI; MELLO, 1992;
WAINER, 1985)
Energia de Soldagem (Aporte Trmico ou Heat Input)
Muitos fatores podem influenciar a microestrutura final de uma
junta de (AID) e, consequentemente, suas propriedades. Dentre esses
fatores, pode-se destacar a composio qumica do ao, a geometria da
junta e os parmetros de soldagem, mais especificamente, a energia
de soldagem.
Por intermdio da energia de soldagem, ou aporte de calor (heat
input), possvel manipular o tempo de resfriamento da junta que, por
sua vez, determinar no s a frao volumtrica das fases do ao como
tambm a precipitao de fases prejudiciais ao desempenho do AID.
Assim sendo, a energia de soldagem deve ser controlada em conjunto
com a espessura da junta.
Para um rpido processo de soldagem associado a uma alta corrente
de soldagem, faz-se necessrio ter um bom controle do aporte de
calor.
(1)
Uma energia de soldagem elevada produz uma velocidade de
resfriamento menor e, consequentemente, ao favorecimento da
precipitao de austenita tanto na zona fundida como na zona afetada
pelo calor (ZAC), equilibrando, assim, a microestrutura. Da mesma
maneira, pode favorecer tambm a precipitao de fases intermetlicas e
o crescimento de gros, resultando em uma considervel queda no s na
tenacidade como na resistncia corroso do material. Por outro lado,
uma baixa energia de soldagem levar a uma velocidade de
resfriamento maior, acarretando na dificuldade de formao de
austenita e, diante disso, uma maior probabilidade de formao de
ferrita (neste caso, ocorre a precipitao de nitretos de cromo
[Cr2N] na ferrita). Em ambos os casos ocorre uma substancial
diminuio na tenacidade e na resistncia corroso do AID. Devido a
este fato, os autores se divergem quanto s operaes envolvendo a
energia de soldagem, pois conhecido que este no o nico parmetro que
influi no procedimento.
A Figura 5 apresenta esquematicamente o efeito da energia de
soldagem na taxa de corroso. Observa-se que a regio A a que contm
uma maior sensitizao (i.e., precipitao de carbonetos de cromo).
Esta regio corresponde sensitizao da ZTA-AT de uma junta soldada
executada com uma energia de soldagem baixa, com uma maior
precipitao de ferrita. medida que a energia de soldagem aumenta
gradativamente, nota-se pela regio B do grfico que a resistncia
corroso intergranular da ZTA-AT aumentada. Isso ocorre devido
redistribuio do cromo e reduo da precipitao de nitretos. Para uma
energia de soldagem muito elevada, regio C, ocorre uma deteriorao
da resistncia corroso intergranular ocasionado pela precipitao de
nitretos nas interfaces /.
Os aos inoxidveis duplex so aos com altos teores de elementos de
liga. Tal fato os torna altamente propensos formao de compostos
intermetlicos a qual tende a reduzir no s as propriedades mecnicas,
como tambm as propriedades de resistncia corroso. Em virtude dos
ciclos trmicos caractersticos da soldagem, a precipitao nos AID se
apresenta na forma de compostos finamente dispersos em regies
preferenciais (contornos de gro /, interfaces /, incluses,
discordncias e aglomeraes de lacunas). A precipitao nesse tipo de
ao bastante dependente da temperatura e do tempo de permanncia na
faixa de resfriamento. Os compostos intermetlicos e fases mais
provveis a precipitarem-se na soldagem de um AID so: nitretos de
cromo (Cr2N), fase sigma () e carbonetos de cromo (M7C3 e M23C6). A
presena desses nitretos pode diminuir tanto a resistncia corroso
localizada, como a resistncia mecnica, principalmente a tenacidade.
(AMARO, 2006; PEREIRA, 2009).
REFERNCIAS
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2008. Projeto de iniciao cientfica (Departamento de Engenharia
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WAINER, E.; BRANDI, S.D.; MELLO, F.D.H. Soldagem Processos e
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WAINER, E. ABM Associao Brasileira de Metais. So Paulo, ABM,
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Figura 1: Microestrutura do ao inoxidvel duplx (GIRO, 2008)
Figura 2: Diagrama de alta temperatura do ao inoxidvel duplx
(Lippold; Kotecki, 2005)
Figura 3: Diagrama de formao de precipitado do ao inoxidvel
duplx (Lippold; Kotecki, 2005)
Figura 4: Composio qumica Duplex 2205 (Catlogo Outokumpu)
Figura 5: Efeito da energia de soldagem na taxa de corroso.
