AVALIAÇÃO DA SOLDAGEM PELO PROCESSO MIG EM AÇO INOXIDÁVEL MARTENSÍTICO

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1 AVALIAÇÃO DA SOLDAGEM PELO PROCESSO MIG EM AÇO INOXIDÁVEL MARTENSÍTICO M.A. Fernandes (1); N.A. Mariano (2); D.H.C. Marinho (2) (1) UNICAMP; (2) UNIFAL-MG Universidade Federal de Alfenas, Campus Poços de Caldas, MG. RESUMO Este trabalho teve como objetivo, avaliar a caracterização da estrutura e propriedades mecânicas após o processo de soldagem do aço inoxidável CA6NM. O processo de soldagem empregado foi o metal ativo gás com arame tubular do tipo fluxo interno. O controle do ciclo térmico no processo de soldagem tem importância fundamental com relação às propriedades da junta soldada, particularmente na zona afetada termicamente. As propriedades mecânicas foram avaliadas através dos ensaios de resistência ao impacto e dureza e a microestrutura através de caracterização metalográfica e difração de raios-x. Os parâmetros e o processo de soldagem utilizado promoveram a dureza e tenacidade adequada às aplicações do aço. O controle da energia de soldagem torna-se um fator essencial podendo afetar a temperatura de precipitação de carbonetos e a nucleação da austenita retida na região da zona afetada termicamente. Palavras-chave: processo metal ativo gás, aços inoxidáveis martensíticos macios; soldagem. INTRODUÇÂO O calor liberado durante o processo de soldagem impõe flutuações de temperatura (ou ciclos térmicos) ao longo da junta soldada que acarretam mudanças microestruturais principalmente nas regiões do metal de base adjacentes à solda, 5437

2 região chamada de zona afetada termicamente (ZAT) e, conseqüentemente, influencia as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão da junta. De acordo com a literatura (1,2,3), à medida que se afasta da linha de fusão de uma solda as temperaturas máximas atingida pelas regiões adjacentes decrescem. Após a soldagem, as características dessas regiões dependem basicamente da temperatura atingida e das condições de resfriamento. Em temperaturas elevadas (em torno de 1300 C) o equilíbrio é estabelecido rapidamente e dita a partição dos elementos formadores (em particular Cr e Mo) dentro da ferrita-δ. Sobre resfriamento, a difusão de Cr e Mo para austenita ocorre, porém dependendo do grau de enriquecimento de Cr e Mo e da taxa de resfriamento, a transformação reversa da ferrita estabilizada pode não ser completa e, assim, esta fica retida nos contornos de grãos austeníticos. A formação dessa microestrutura ferrítica durante a soldagem das ligas martensíticas pode acarretar a sensitização e degradar a resistência à corrosão da junta soldada. Segundo Smith (4), a solubilidade do carbono (e também do nitrogênio) na ferrita é bruscamente diminuída durante o resfriamento e o excesso de carbono precipitam nos contornos de grãos como carbonetos (e carbonitretos) de cromo. Estes precipitados acarretam empobrecimento de cromo nos contornos entre as fases martensita e ferrita. Nawrocki et al. (5), pesquisando aços inoxidáveis ferríticos utilizados na fabricação de caldeiras e vasos de pressão, encontraram que o tratamento de pré e/ou pós-aquecimento é muitas vezes necessário para melhorar as propriedades mecânicas da ZAT e reduzir a suscetibilidade de trincas por hidrogênio. Enquanto Billy et al. (6), em suas pesquisas, encontraram que um dos efeitos benéficos do tratamento de alívio de tensão é a ruptura dos filmes de contorno de grão e fortes reduções nas densidades de discordâncias (7-10). Este trabalho teve como objetivo analisar a microestrutura do aço 13Cr4Ni0,02C após a soldagem e avaliar sua influência na resistência ao impacto e na dureza. MATERIAIS E MÉTODOS A soldagem foi realizada em chapas do aço 13Cr4Ni0,02C, pelo processo MIG, após os tratamentos térmicos de têmpera/revenido (têmpera a 1100ºC, resfriadas ao ar, com posterior revenido a 670ºC, com resfriamento ao ar). O metal de adição 5438

3 utilizado para a deposição foi o arame tubular do tipo metal cored de baixo hidrogênio. Na Fig. 1estão identificadas às regiões da junta soldada em uma das suas seções transversais. Figura 1 Esquema ilustrativo dos cordões de solda. (a) junta em 1/2 V; (b) passes de solda. O processo de soldagem ocorreu após uma temperatura de pré-aquecimento de 140ºC por 40 minutos e com temperaturas entre passes de ºC. O tratamento térmico após soldagem foi realizado a 590±10 C durante 2 horas. A caracterização microestrutural foi realizada por difração de raios-x, para identificar as fases presentes e por microscopia ótica para caracterizar a morfologia das fases. As medidas de dureza e resistência ao impacto foram realizadas nas amostras após a soldagem e o tratamento térmico de alívio de tensões. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Fig. 2 apresenta a fotomicrografia da liga 13Cr4Ni0,02C após os tratamentos térmicos de têmpera/revenido. Observa-se que a microestrutura é formada por uma matriz de martensita revenida, com morfologia de ripas, distribuição homogênea e livre de ferrita. O revenido da martensita aumenta sensivelmente a tenacidade e ductilidade e, em alguns casos, sem redução substancial da resistência mecânica. A elevada dureza e resistência da martensita revenida está diretamente ligada com a alta relação de área entre os contornos de cementita e da matriz. Isto se deve às pequenas e numerosas partículas de cementita que se localizam nos contornos e discordâncias, e agem como barreiras à sua movimentação durante a deformação plástica. Dessa maneira, a matriz que é dúctil, é reforçada pela cementita. 5439

4 10µm Figura 2 Microestrutura liga 13Cr4Ni0,02C na condição de após revenido. Ataque químico Vilella. Em decorrência do ciclo térmico, as regiões da ZAT podem ter suas propriedades alteradas em relação ao metal base. De uma maneira geral, a região que sofre maior alteração e, portanto, onde as propriedades mecânicas podem ser mais prejudicadas, é a região de grãos grosseiros. Exceções podem ocorrer em aços temperados e revenidos, onde todas as regiões podem sofrer o amaciamento. Se ao final da soldagem a temperatura da junta for próxima ou superior a Ms, a microestrutura da região da solda será predominantemente austenítica. Se o material for colocado imediatamente em um forno após a soldagem, antes que a temperatura da solda diminua o suficiente para a formação de uma quantidade significativa de martensita, a microestrutura após tratamento térmico será de ferrita e carbonetos grosseiros. Devido à elevada temperabilidade do aço estudado e os parâmetros de soldagem empregados neste trabalho, tanto o metal de solda quanto o metal base apresentaram uma microestrutura com matriz martensítica revenida, conforme mostram as Figuras 3a; 3b e 3c respectivamente. Na análise microestrutural no metal de solda e na ZAT, por microscopia óptica, não foi possível identificar a presença da austenita retida, esta só foi identificada por difração de raios-x, tanto no metal de solda como na ZAT, enquanto que no metal base não foi detectada. 5440

5 50µm 10µm (a) (b) 10 µm (c) Figura 3 Microestrutura após soldagem e com tratamento térmico de alívio de tensões nas regiões: (a) metal de solda; (b) metal base; (c) ZAT. Ataque químico Vilella. A formação da austenita retida poderá ocorrer em temperaturas acima de 300ºC, a partir da dissolução de carbonetos do tipo, M 3 C. Neste trabalho as temperaturas de entre passes foram de 386 o C a 486 o C, o que explicaria a presença da austenita. A Tab. 1 apresenta os resultados de dureza Brinell do aço após soldagem e tratamento térmico de alívio de tensões. A dureza das regiões do metal base e do metal de solda dependem principalmente da composição química, em particular do teor de carbono, enquanto os parâmetros de soldagem e o tratamento térmico inicial da peça terão pouca influência. Os valores obtidos atendem os requisitos recomendados pela norma de fabricação do aço, ASTM A M. 5441

6 Tabela 1 Valores de dureza Brinell do aço após soldagem e tratamento térmico de alívio de tensões. Regiões Média (µ) (HB) σ* (HB) σ/µ** (%) Metal de Base 252 2,7 1,0 Metal de Solda 276 2,5 0,9 ZAT 256 1,3 0,5 *Desvio padrão; **Coeficiente de variação (12). O entalhe dos corpos de prova para ensaio de resistência ao impacto foi feito na zona afetada termicamente (ZAT) na forma de um V. Os resultados estão apresentados na Tab. 2. Tabela 2 Valores obtidos através dos ensaios de resistência ao impacto (Charpy V) nas regiões da ZAT e metal base. Temperatura Média (µ) σ* σ/µ** região (ºC) (J) (J) (%) ZTA Metal base *Desvio padrão; **Coeficiente de variação (12). O aumento da tenacidade na ZAT em relação ao metal base, se deve a presença da austenita retida nessa região, observada por difração de raios-x. Diversas teorias têm sido propostas para explicar o aumento da tenacidade provocado pela austenita retida, Bilmes et al. (11) propôs o modelo crack bluting, onde sugere que as partículas de austenita retida atuam como absorvedores de energia na ocorrência de uma trinca e durante a propagação da trinca o campo de deformação induz a austenita a se transformar em martensita, que é mais estável e menos densa, a expansão do volume produzido tende a fechar a trinca e a aliviar as tensões na ponta da trinca, melhorando assim a tenacidade. CONCLUSÕES 5442

7 O tratamento térmico de têmpera com posterior revenido proporcionou uma microestrutura formada por uma matriz de martensita revenida, com morfologia de ripas, distribuição homogênea e livre de ferrita. A temperatura entre passes usada no processo de solda influência na formação da austenita retida, tanto na ZAT como no metal de solda. A austenita retida presente na ZAT e no metal de solda proporcionou um efeito benéfico à tenacidade e não provocou alterações significativas no valor de dureza. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a FAPEMIG, CNPq e FAPESP pelo apoio que tem recebido nas pesquisas desenvolvidas. REFERÊNCIAS 1- ENERHAUG, J. A study of localized corrosion in super martensitic stainless steel weldments. 2002, 165 p. Tese (Doutorado em Engenharia) Departamento de Desenvolvimento de Máquinas e Tecnologia de Materiais, Universidade da Noruega de Ciência e Tecnologia, Trondheim. 2- ENERHAUG, J.; STEINSMO, U.M. Factors affecting initiation of pitting corrosion in supermartensitic stainless steel weldments. Science and Technology of Welding and Joining, vol.6, n.5, p , CARROUGE, D.; WOOLLIN, P. Microstructural change in high temperature heat affected zone of low carbon weldable 13%Cr martensitic stainless steels. Stainless Steel World, p.16-23, out., SMITH, L. Sensitization of martensitic stainless steels. Materials Performance, p.55-56, NAWROCKI, J.G. DUPONT, J.N., ROBINO, C.V., PUSKAR, J.D.; MARDER, A.R., The Mechanism of Stress-Relief Cracking in a Ferritic Alloy Steel. Welding Journal, p. 25-s-35-s, BILLY, J. et. al. Stress-relief heat treatment of submerged-arc-welded microalloyed steels. Metals Technology, vol. 7, p , Feb., LIMA, E. et al. Estudo da influência dos parâmetros de soldagem do processo eletrodo tubular na dureza da ZAT. 2005, Centro Universitário do Leste de Minas Gerais: Minas Gerais. 5443

8 8- MILAN, M.T., MALUF, O. SPINELLI, D.; BOSE, W.F. Metais uma visão objetiva. Suprema Gráfica e Editora Ltda, São Carlos, CULLISON, A. Stress Relief Basics: Structural designers must be aware of residual stress in weldments and common methods used to relieve it. Welding Journal, vol. 80, N 9, p. 49, September, GONÇALVES, B. H. B. Estudo comparativo da resistência à erosão por cavitação do metal de solda depositado por um arame tubular tipo 13%Cr - 4%Ni -0,4%Mo e do aço fundido ASTM a 743 CA6NM. 2007, 115 p. Dissertação (Mestre em Engenharia Mecânica) Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte. 11. BILMES, P.D. et al. Characteristics and effects of austenite resulting from tempering of 13Cr-NiMo martensitic steel weld metals. Materials Characterization, vol. 46, p , EVALUATION OF WELDING BY MIG IN MARTENSITIC STAINLESS STEEL ABSTRACT This work evaluated structure s characterization and mechanical properties after the welding process of the stainless steel CA6NM. The employed welding process was the metal active gas with tubular wire. The control of the thermal cycle in the welding process has fundamental importance regarding the properties of the welded joint, particularly in the thermally affected zone. The mechanical properties were appraised through impact resistance tests and the hardness and microstructure through metallographic characterization and Ray-X diffraction. The parameters and the process of welding used promoted the hardness and toughness appropriate to the applications of the steel. Welding energy s control becomes an essential factor that can affect the temperature of carbide precipitation and the nucleation of the retained austenite in the in the region of the in the thermally affected zone. Key-words: metal active gas process, soft martensitic stainless steel, welding. 5444

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