ESTUDO DE UM AÇO INOXIDÁVEL DÚPLEX UNS S31803 PROCESSADO EM UM MOINHO PLANETÁRIO

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1 ESTUDO DE UM AÇO INOXIDÁVEL DÚPLEX UNS S31803 PROCESSADO EM UM MOINHO PLANETÁRIO A.E. Yonekubo; E. T. Kubaski; J. D. T. Capocchi; O.M. Cintho. Rua Afonso Pena, 359 CEP Ponta Grossa, PR, Universidade Estadual de Ponta Grossa RESUMO Aços inoxidáveis dúplex são formados por uma mistura de ferrita CCC e austenita CFC. Apresentam limite de escoamento cerca de o dobro dos aços inoxidáveis austeníticos e ferríticos, maior plasticidade e tenacidade que a dos martensíticos e dos endurecíveis por precipitação e excelente resistência à corrosão. Porém, esses aços solidificam-se formando uma microestrutura lamelar com propriedades anisotrópicas. Através da moagem de alta energia, realizada em um moinho planetário, objetivou-se obter um aço inoxidável dúplex de grãos homogêneos equiaxiais. Foram feitos cavacos de um aço inoxidável dúplex UNS S31803, sem tratamento térmico e estes foram submetidos à moagem por 24 horas. Através de prensagem, obtiveram-se pastilhas as quais foram submetidas a tratamentos térmicos a 1200 C por 30, 60, 180 e 240 minutos, com resfriamento ao ar. As amostras foram analisadas por microscopia ótica e microscopia eletrônica de varredura. A partir dos resultados foi possível verificar as microestruturas formadas. Palavras-chave: microestrutura de aço inoxidável dúplex, moagem de alta energia, moinho planetário. INTRODUÇÃO Aço inoxidável dúplex Aços inoxidáveis são classificados freqüentemente de acordo com suas microestruturas em: austenítico,ferrítico, martensítico, duplex, e endurecido por precipitação (1). Aços inoxidáveis dúplex são definidos como uma família de aços que possuem uma microestrutura de duas fases, ferrítica-austenítica, sendo que os componentes de cada fase são ambos inoxidáveis, isto é, contêm mais do que 13% de Cr. Estes aços apresentam uma combinação interessante de propriedades e vantagem aos aços inoxidáveis austeníticos: eles possuem maior resistência à corrosão sob tensão e à corrosão intergranular, e propriedades mecânicas superiores, além de menores custos devido ao menor teor de níquel. As 5651

2 propriedades mecânicas dependem do teor de ferrita na microestrutura. O teor normal de ferrita está entre 60% e 40% do volume (1, 2, 3). Estes aços solidificam-se com uma estrutura ferrítica sendo que a austenita se forma no estado sólido e crescem primeiramente nos contornos de grão da ferrita e somente depois, dentro dos grãos de ferrita. Durante o trabalho a quente, entre 900 e 1200 C, uma microestrutura lamelar com ferrita e austenita intercaladas é formada, devido a energia de interface α-γ ser mais baixa do que as energias dos contornos de fase α-α e γ- γ (1). Essa estrutura provoca uma anisotropia de propriedades. Moagem de alta energia A moagem de alta energia é uma técnica de processamento de pó que permite a produção de materiais homogêneos a partir de misturas de pós elementais, sendo que estes são submetidos a elevadas forças energéticas compressivas de impacto (2,4). A interdispersão dos ingredientes da mistura ocorre por um processo que envolve soldagem sob pressão e fratura das partículas do pó (4). Este tipo de moagem tem sido extensivamente utilizado em estudo de síntese de compostos metaestáveis, de materiais amorfos e nanoestruturados, ativação mecânica de reações químicas, etc. (4). A transferência de material pela difusão durante a moagem de alta energia torna possível alcançar verdadeiro nível atômico o qual é freqüentemente acompanhado pela transformação para fases metaestáveis com uma estrutura de tamanho nanométrico (5). Moinho do tipo planetário O moinho de bolas do tipo planetário é assim denominado devido o movimento dos seus frascos, ser parecido ao movimento dos planetas. Estes frascos são arranjados em um disco de suporte rotacional e um mecanismo especial de movimento faz com que eles rotacionem ao redor dos seus próprios eixos. A força centrífuga produzida pelos frascos que giram ao redor dos seus próprios eixos e a produzida pela rotação do disco de suporte, ambas atuam nos conteúdos do frasco, que consiste do material a ser moído e as bolas de moagem. Como os frascos e o disco de suporte giram em direções opostas, as forças centrífugas alternadamente atuam nas direções direta e oposta. Isto faz com que as bolas de moagem se choquem com as paredes internas do frasco efeito de impacto (6). 5652

3 Trabalhos anteriores mostraram a obtenção de um aço inoxidável dúplex por moagem de alta energia a partir de pós elementares de ferro, cromo e níquel (7). O presente trabalho tem como objetivo a caracterização microestrutural de um aço dúplex comercial obtido a partir do processamento por moagem de alta energia. MATERIAIS E MÉTODOS A partir de uma barra laminada comercial de um aço inoxidável dúplex UR 45N (UNS S31803), fizeram-se cavacos de pequena espessura em um torno mecânico. Estes foram submetidos à moagem de alta energia em um moinho do tipo planetário, que possui um sistema fechado com atmosfera inerte controlada e se encontra no departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Escola Politécnica de São Paulo (EPUSP), da marca Fritsch, modelo Pulverisette 6. Para a moagem utilizaram-se 10 esferas de aço inoxidável, da série AISI 420, de 20 mm de diâmetro e 0,3% em peso em relação à massa dos cavacos, de agente de controle de processo, o ácido esteárico. O poder de moagem (PM) empregado foi de 16:1 e o moinho operou a 300 rpm com operação reversa de 2 horas, em um tempo de 24 horas. O material em pó obtido foi submetido à compactação, e as pastilhas, de aproximadamente 1 grama, adquiridas do ensaio realizado em um molde de 8 mm de diâmetro, foram tratadas termicamente (TT) na temperatura de 1200 C em diferentes tempos: 30, 60, 180 e 240 minutos e resfriadas ao ar, até a temperatura ambiente. Em seguida, as amostras foram embutidas em baquelite, lixadas com lixas d água de granulometria 320 para remoção da camada de óxido e da região próxima à superfície, prosseguindo pelas lixas 400, 600, até a Posteriormente foram polidas com pasta de diamante de 6 µm e 1 µm, nesta ordem, e sílica coloidal de 0,05 µm. Então foram realizadas análises por microscopia ótica. Por fim, foram submetidas ao ataque químico pelo reagente Beraha, cuja composição é dada na tabela 1. E então foram realizadas análises por microscopia eletrônica de varredura (MEV), com o equipamento pertencente ao laboratório de Engenharia de Materiais da Universidade Estadual de Ponta Grossa, marca: Shimadzu, modelo: SSX

4 Tabela 1 Composição do reagente metalográfico Beraha. Componente Quantidade Água destilada 80 ml Ácido Clorídrico (HCl) 20 ml Metabissulfito de potássio (Na 2 S 2 O 5 ) 1 g para cada 100 ml de solução RESULTADOS E DISCUSSÃO A figura 1 mostra fotos da microscopia eletrônica de varredura do pó obtido pela moagem dos cavacos sem tratamento térmico do aço inoxidável dúplex UNS S31803 através do moinho planetário, com tempo de 24 horas e poder de moagem de 16:1. Todos os aumentos são dados em função das barras de escalas nas imagens. Figura 1 Fotos da microscopia eletrônica de varredura do produto de moagem dos cavacos sem TT do aço inoxidável dúplex UNS S31803 através do moinho planetário, por 24 horas e PM de 16:1. Pôde-se observar que os pós do aço obtidos pela moagem tiveram certo grau de disparidade de tamanho, sendo que o objetivo era alcançar uma menor desigualdade e ter grãos mais homogêneos. Possivelmente isso poderá ser melhorado pela utilização de maior quantidade de agente de controle de processo durante a moagem, que tende a facilitar a moagem pela geração de uma maior dispersão dos pós e até mesmo a diminuição de grãos. Neste caso foi usado somente 0,3% em peso de ácido esteárico. Também poderá ser possível obter menores grãos com o aumento do tempo de moagem. Na micrografia com aumento maior, as partículas formadas foram resultantes de repetidos processos de soldagem e fratura conforme se nota pela morfologia da superfície. 5654

5 Foi notável a superfície de elevada fratura dos grãos que a moagem produziu devido ao elevado poder de impacto que ocorre dentro do jarro. A figura 2 mostra fotos da microscopia ótica das pastilhas do aço, sem ataque químico, feita através de compactação do pó e com tratamento térmico a 1200 C por diferentes tempos. (a) 30 minutos (b) 60 minutos (c) 180 minutos (d) 240 minutos Figura 2 Fotos da microscopia ótica dos aços inoxidáveis dúplex UNS S31803 sem ataque químico, moído em moinho planetário, com tempo de 24 horas e PM de 16:1. TT a 1200 C em diferentes tempos. Analisando-se o tratamento térmico realizado nas amostras, percebeu-se que foram obtidos grãos mais finos no tempo de 60 minutos e grãos mais grosseiros e poros maiores em 240 minutos. Mostrando que com o aumento do tempo no tratamento térmico ocorre um coalescimento e crescimento de grãos a partir de uma dada temperatura. Além disso, mesmo nas melhores condições (60 minutos) não foi obtida uma homogeneidade nos tamanhos de grãos. As figuras 3 a 6 mostram fotos da microscopia eletrônica de varredura (MEV) do aço, submetido ao tratamento térmico a 1200 C em diferentes tempos. 5655

6 Ferrita Austenita Figura 3 MEV do aço inoxidável dúplex UNS S31803, moído no moinho planetário por 24 horas, PM de 16:1, submetido a TT a 1200 C por 30 minutos. Ferrita Austenita Figura 4 MEV do aço inoxidável dúplex UNS S31803, moído no moinho planetário por 24 horas, PM de 16:1, submetido a TT a 1200 C por 60 minutos. Austenita Ferrita Figura 5 MEV do aço inoxidável dúplex UNS S31803, moído no moinho planetário por 24 horas, PM de 16:1, submetido a TT a 1200 C por 180 minutos. 5656

7 Austenita Ferrita Figura 6 MEV do aço inoxidável dúplex UNS S31803, moído no moinho planetário por 24 horas, PM de 16:1, submetido a TT a 1200 C por 240 minutos. Observando-se as microestruturas obtidas pelos diferentes tempos de tratamento térmico foi possível detectar a presença de grãos menores dentro de grãos maiores em todas as amostras. Além disso, não foram obtidas estruturas lamelares de ferrita (CCC) e austenita (CFC), mas sim, uma morfologia de grãos mais equiaxial. Sendo que em um menor aumento o tratamento realizado em 60 minutos mostra grãos mais homogêneos. Entretanto, com um maior aumento, visualizou-se a formação de grande quantidade de corrosão localizada em uma das fases da estrutura, a ferrita por ser a fase mais fraca. Esta corrosão foi provocada pelo reagente utilizado, o que indica a necessidade de controle nos parâmetros de ataque metalográfico. A aparência é a de uma corrosão por cavitação, como mostrou o estudo feito por Kwol et. al. (8), sendo que seletivamente no início são os contornos de grãos α-γ que são atacados. A fase α tem uma maior dureza do que a fase γ, sendo que esta é isotrópica e menos susceptível à taxa de deformação do que a estrutura CCC. Conseqüentemente, a resposta da fase γ à erosão por cavitação é similar ao seu comportamento mecânico quase estático. Por outro lado, a fase CCC é também isotrópica, mas possui uma maior susceptibilidade à taxa de deformação. Conforme esta aumenta, a resposta da fase α a uma tensão aplicada por fluxo de material se torna mais difícil e como resultado, a tendência para uma fratura frágil desta fase aumenta e assim, a fase α é atacada seletivamente. A maior ductilidade da austenita leva a uma deformação preferencial e como resultado, ataque inicial ocorre nos contornos de grãos α-γ. Além disso, elementos de liga como o cromo e o molibdênio tendem a ir para a fase ferrítica enquanto que o níquel, nitrogênio e carbono tendem 5657

8 a acumular na fase austenítica. O acúmulo de nitrogênio na austenita age como uma estabilização e concede uma elevação da resistência à corrosão. CONCLUSÕES A moagem de alta energia realizada em moinho do tipo planetário do aço inoxidável dúplex UNS S31803 forneceu uma morfologia não lamelar como desejada. O melhor tempo para o tratamento térmico a 1200 C obtido no estudo foi de 60 minutos, porém em todos os diferentes tempos ocorreu a formação de corrosão localizada na fase ferrítica. REFERÊNCIAS 1. TOTTEN, G. E. Steel heat treatment: metallurgy and technologies. Boca Raton (USA): Taylor & Francis, NILSSON, J. O. Super duplex stainless steels. Materials Science and Technology, London, v. 8, n. 8, p , ago MARTINS, M.; CASTELETTI, L. C. Heat treatment temperature influence on ASTM A890 GR 6A super duplex stainless steel microstructure. Materials Characterization, v. 5, n. 3, p , set BENJAMIN, J. S.; VOLIN, T. E. The mechanism of mechanical alloying. Metallurgical Transactions, v. 5, p , ago ENAYATI, M. H.; BAFANDEH, M. R. Phase transitions in nanostructured Fe-Cr-Ni alloys prepared by mechanical alloying. Journal of Alloys and Compounds, v. 454, n. 1-2, p , abr SURYANARAYANA, C. Mechanical alloying and milling. Progress in Materials Science, v. 46, n. 1, p , jan MOINHOS, C.; CINTHO, O. M. ; KUBASKI, E. T. ; MONLEVADE, E. F. ; CAPOCCHI, J. D. T. High energy milling as a route for obtaining ultra-fine grained duplex stainless steel. In: Ultra-Fine Grained Materials, 4, 2006, San Antonio. Proceedings Warrendale: The Minerals, Metals and Materials Society, v. 1. p KWOK, C. T.; MAN, H. C.; CHENG, F. T. Cavitation erosion and damage mechanisms of alloys with duplex structures. Materials Science and Engineering, v. 242, n. 1-2, p , fev

9 STUDY OF AN UNS S31803 DUPLEX STAINLESS STEEL PROCESSED IN A PLANETARY BALL MILL ABSTRACT Duplex stainless steels are formed by a mixture of BCC ferrite and FCC austenite. They present yield strength of about the double of the austenitic and ferritic stainless steel, greater plasticity and toughness that the one of the martensitic and of the precipitation-hardenable and excellent corrosion resistance. However, those steels solidify forming a lamellar microstructure with anisotropic properties. Through the mechanical alloying, realized in a planetary ball mill, it was aimed to obtain a duplex stainless steel with equiaxed homogeneous grains. Chips were made from a UNS S31803 duplex stainless steel, without heat treatment and these chips were submitted to the milling for 24 hours. Through pressing, it was obtained specimens which were submitted to heat treatments of 1200 C for 30, 60, 180 and 240 minutes, with air cooling. The samples were analyzed by optic microscopy and scanning electron microscopy. From the results on it was possible to verify the formed microstructures. Key-words: duplex stainless steel microstructure, mechanical alloying, planetary ball mill. 5659