ESTUDO COMPARATIVO DE AÇOS INOXIDÁVEIS EM APLICAÇÕES MARÍTIMAS

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1 ESTUDO COMPARATIVO DE AÇOS INOXIDÁVEIS EM APLICAÇÕES MARÍTIMAS ¹R. BORGES, ²F. M. MARQUES, ³R. C. COSTA, 4 M. T. BAU, 5 J. F. B. LIRIO, 6 P. R. HOFFMANN, 7 M. D. MARCZAL, 8 K. V. S. DAMIN 1,2,4,5,6,7,8 Instituto Federal de Santa Catarina- IFSC 3 Instituto Federal Catarinense IFC Rua Nereu Ramos, 3450D, Seminário, , Chapecó, Santa Catarina, Brasil fernando.marques@ifsc.edu.br Resumo Os aços inoxidáveis são os materiais metálicos mais comumente utilizados, quando temos como fator importante a corrosão. São ligas compostas de ferro e cromo, sendo que contenha um teor mínimo de 10,5% de cromo, para obter imunidade em ambientes agressivos. Ao entrar em contato com o oxigênio, o cromo sofre uma reação, assim formando uma camada protetora, denominada camada passiva. Em certos meios, geralmente os que possuem íons de cloreto, podem gerar uma instabilidade na camada passiva, assim permitindo ao aço sofrer corrosão acentuada. O tipo mais comum de corrosão que pode ocorrer neste ambiente, é a corrosão por pite, que é definido por um ataque muito localizado, que resulta em pequenas cavidades que penetram o metal, enquanto que o resto de sua superfície permanece passiva. Ao entrar em contato com outros materiais, elementos químicos ou físicos, o aço pode acabar sofrendo um outro processo de desgaste, determinada abrasão. Este trabalho tem como objetivo, comparar o comportamento de dois (2) tipos de aços inoxidáveis, AISI 304 e AISI 420, quando submetidos a um ensaio acelerado de corrosão, segundo a norma ASTM B-117, e quando submetidos a ensaio de resistência abrasiva, de acordo com a norma ASTM G-65. Será possível comparar os efeitos do ensaio de resistência à corrosão através de imagens e pelo cálculo de perda de massa. Para a obtenção dos resultados de resistência abrasiva, os mesmos serão disponibilizados através do cálculo de perda de massa. Com isso, foi possível analisar e determinar, qual aço inoxidável, AISI 304 ou AISI 420, possui maior resistência à corrosão e qual possui maior resistência à abrasão em ambientes que contenham a presença de água salgada. Palavras Chaves Corrosão, abrasão, aço inox, AISI 304, AISI 420, água salgada. INTRODUÇÃO Na indústria naval, o contato com o meio agressivo é iminente, já que ao trabalharmos em um meio que contenha presença de água salgada, geralmente temos como consequência os efeitos dos desgastes corrosivo e abrasivo. Ao serem 5550

2 expostos a determinadas condições mecânicas e/ou atmosféricas, materiais metálicos podem apresentar tais sinais, tanto de corrosão quanto de abrasão. Não podemos confundir corrosão com abrasão. O processo de corrosão pode ser considerado, de certa forma, o processo inverso da metalurgia, o qual tende a transformar o minério de ferro presente em um material de volta ao metal ferro. Já o processo de abrasão se refere ao desgaste não-eletroquímico, que ocorre através da ação abrasiva de fluídos em movimento, que se torna acelerado quando se têm a presença de partículas sólidas em suspensão no meio em que se encontra [1]. O aço inoxidável é o material metálico frequentemente mais utilizado quando o fator corrosão é de extrema importância, sendo que o mesmo possui determinada resistência à abrasão, que varia de acordo com as propriedades presentes no mesmo. A aplicação do material mais apropriado para cada função é de exímia relevância, principalmente se tratando da vida útil de equipamentos, máquinas, peças e/ou sistemas. Devido a esses fatores, este trabalho realizou o estudo de caso, através de testes de corrosão e abrasão, em barras de aço inoxidável com classificaçãões distintas para determinar o comportamento frente aos meios. Serão utilizados para efeito de pesquisa dois tipos de aços inoxidáveis, AISI 304 e AISI 420, em referência ao desgaste corrosivo e ao desgaste abrasivo. Estudos parecidos trazem como objetivo, propor o uso do aço inoxidável AISI 444 aos aços inoxidáveis AISI 304L e AISI 316L, através do comparativo de resistência à corrosão, realizados através de ensaios de impedância e polarização, em ambientes com presença de cloreto e temperatura ambiente de 60 C [2]. Com os resultados em mãos, foi possível determinar o aço inoxidável utilizado no meio/sistema, que possa apresentar um melhor resultado, assim aumentando a vida útil do equipamento/componente. MATERIAIS E MÉTODOS O desenvolvimento prático do trabalho foi iniciado pelo seccionamento de corpos de prova que atendessem às necessidades básicas para realização dos testes almejados. Foi utilizado o torno convencional da marca Nardini modelo NODUS (fig.1), para efetuar o corte, com rotação de 100 rpm, e ferramenta apropriada para cada execução de corte. 5551

3 Para os testes subsequentes foi determinado que os corpos de prova atendessem às dimensões representadas e coerentes com a tabela 1, em que cada tipo de ensaio foi desenvolvido um corpo de prova de cada material. Figura 1. Torno convencional A diversidade das dimensões dos corpos de prova foi em função da disponibilidade das máquinas de ensaios, dessa forma não permitindo a padronização de dimensões dos corpos de prova para todos os testes. Ressalva-se ainda que, para cada ensaio, foram desenvolvidos corpos de prova de dois materiais diferentes, AISI 304 e AISI 420, todos em barras trefiladas de diâmetro de 50 mm. E foi desenvolvida uma réplica para cada corpo de prova referente ao seu ensaio. Tabela 1. Dimensões dos corpos de prova utilizados nos ensaios Ensaio Ø [mm] L [mm] Corrosão 20,00 20,00 Abrasão 35,00 25,00 Comp. química 30,00 10,00 Os corpos de prova utilizados para análise de composição química, que também serviram para análise microestrutural, podem ser representados na figura 2, que indica os pontos de queima e identificação da composição química. O ensaio de composição química ocorreu através de um equipamento denominado espectrômetro de emissão óptica, da fabricante SPECTRO modelo SPECTRO LAB. JR. 5552

4 Corpo de prova Secção analisada Figura 2. Espectrômetro e corpos de prova e secção de análise. Para análise microscópica foi utilizado um microscópio Olimpus modelo BX51, conforme figura 3, que representa o microscópio utilizado. Figura 3. Microscópio de análise Os corpos de prova encaminhados para o teste de desgaste abrasivo, foram inicialmente pesados em uma balança de precisão de marca MARTE, modelo AD Antes de ser encaminhado para o teste de desgaste abrasivo, os respectivos corpos de provas foram submetidos à análise de rugosidade. Utilizou-se um Rugosímetro MITUTOYO - modelo SJ 310 (fig. 4). O parâmetro de rugosidade adotado foi o parâmetro Ra. 5553

5 Figura 4. Rugosímetro A finalidade de medição de rugosidade foi para analisar a superfície da amostra após o processo de usinagem, pois foram determinados os mesmos parâmetros de usinagem para os dois tipos de materiais, representados na tabela 2. Os parâmetros utilizados foram apenas para o último passe de usinagem, afim de comparar qual dos dois aços obteve um melhor acabamento superficial. Tabela 2. Parâmetros de usinagem Material/ Parâmetro vc [m/min.] ap [mm] af [mm/rot.] AISI ,0 0,1 AISI ,0 0,1 O teste de abrasão consiste em alocar o corpo de prova em um abrasômetro tipo roda de borracha (fig. 5), cujo ensaio visa reproduzir as condições de abrasão sob tensões baixas. Todas as condições seguem os padrões estabelecidos pela norma ASTM G65. Figura 5. Abrasômetro 5554

6 Referente à resistência à corrosão dos aços em questão, foi desenvolvida uma célula de corrosão acelerada (fig. 6), baseada na norma ASTM B117, em que o método adotado consiste na imersão dos corpos de prova em solução ácida na proporção de 80% de H2O + NaCl e 20% de HNO3. A ideia desse tipo de ensaio foi de simular, de maneira mais próxima possível, a água encontrada no mar, e o objetivo de adicionar o ácido nítrico foi de acelerar o processo de corrosão. Corpo de prova Figura 6. Célula de Corrosão e corpo de prova em dispositivo A ideia surgiu do sucesso de análise encontrada em testes de corrosão realizados por Souza, 2015, em que o mesmo desenvolveu um dispositivo que expunha a superfície de análise de corrosão, e que também foi aplicado o mesmo dispositivo. Para análise de superfície, foi utilizado um estereoscópio (fig. 7), cuja finalidade, foi analisar as imagens após o processo de corrosão. Corpo de prova Figura 7. Estereoscópio 5555

7 RESULTADOS Partindo-se do pressuposto que a composição química foi o primeiro teste a ser realizado, seguem os resultados da análise desenvolvida. A tabela 3 representa os valores encontrados mediante processo de análise de composição química dos aços. É possível perceber que os materiais atendem as normas de seus respectivos valores de elementos. Tabela 3. Valores de composição química, valores em %. AISI C Si Mn P S Cr Mo Ni 304 0,13 0,64 1,36 0,04 0,01 18,4 0,18 7, ,02 0,44 1,98 0,003 0,004 18,68 0,39 8,5 As figuras 7a e 7b, referem-se aos resultados encontrados mediante análise microestrutural dos aços AISI 420 e AISI 304. Pode-se observar que os contornos de grãos são maiores no AISI 420 do que os encontrados no AISI 304. a b Figura 7. Microestrutura AISI 420 e AISI 304, a e b, respectivamente. Seguindo a sequência dos testes realizados, temos os resultados obtidos no ensaio de rugosidade, cujo valores obtidos, podem ser observados na tabela 4. Tabela 4. Resultado análise de rugosidade AISI Ra [µm] AISI 304 1,65 AISI 420 1,42 Os valores de rugosidade provam que mesmo próximos, o aço AISI 304 apresentou valor maior ao encontrado no AISI 420, portanto se fosse analisada a 5556

8 usinabilidade do aço pela rugosidade, seria comprovado que o aço austenítico apresenta valores inferiores aos martensíticos. Referente ao teste de desgaste abrasivo, foram encontrados valores inferiores para o aço AISI 420, quando comparado ao AISI 304, desta forma foi percebido que a maior resistência à abrasão favoreceu aos aços martensíticos. A tabela 5, representa esses valores, em que foi realizado o cálculo por perda de massa com valores iniciais e finais de pesagem dos corpos de prova. Tabela 5. Resultado ensaio de abrasão por porcentagem em perda de massa AISI Inicio [g] Fim [g] Perda [mm³/m] , ,007 0, , ,416 0,0069 Conforme a tabela 6, em que se encontram os resultados do ensaio de corrosão acelerada, as amostras foram retiradas a cada intervalo de 2,5 horas, totalizando 10 horas, submetidas à pesagem e registrados seus valores de redução de massa. Tabela 6. Perda de massa em gramas a cada intervalo de tempo (horas) AISI/ Tempo 0 2,5 5,0 7, ,18 6,147 10,075 13, ,219 4,078 6,756 6,799 A pesagem inicial dos corpos de prova indicou que o aço AISI 304 apresentou um valor de 50,89 g, enquanto que o aço AISI 420 mostrou um valor de 50,29 g. baseado nos valores da tabela 6, que acusaram que AISI 304, após ensaio de corrosão obteve um peso de 43,491g, desta forma, valendo-se da utilização da equação de perda de massa, foi obtido um valor de 1,44 mm³/min para o aço AISI 304. A mesma metodologia foi aplicada para o AISI 420, que possuía um peso de 50,29 g e após ensaio de corrosão, chegou-se a um valor de 37,64 g. e, novamente, aplicando a equação de perda de massa, chegou-se a um valor de 2,81 mm³/min. Para um melhor entendimento, foi desenvolvida a tabela 7, onde consta os valores de perda de massa acima citados. Tabela 7. Resultado através do cálculo de perda de massa AISI Início [g] Final [g] Perda [mm 3 /min] ,29 37,64 2, ,89 43,49 1,

9 De acordo com a figura 8 pode-se notar que o aço AISI 420 possui menor resistência à corrosão, desde os primeiros intervalos de tempo para medição de massa. Teste de Corrosão Massa Perdida [g] ,25 10,075 6,147 6,756 6,799 3,18 4,078 0,219 2,5 h 5,0 h 7,5 h 10 h Horas de ensaio Figura 8. Gráfico do ensaio de corrosão acelerada. Mediante análise visual das amostras submetidas ao ensaio de corrosão, é possível perceber pelas figuras 9 a e b, respectivamente, referentes aos aços AISI 420 e AISI 304, que a textura do AISI 304 está mais homogênea, quando comparado com o AISI 420. (a) (b) Figura 9. (a) AISI 420 e (b) AISI 304, após ensaios de corrosao acelerada. CONCLUSÃO Mediante os ensaios realizados pode-se concluir que: De acordo com os resultados obtidos no ensaio para análise de composição química, os valores atendem a norma vigente da classificação dos aços. 5558

10 Nas condições submetidas, o aço inoxidável AISI 420 adquiriu um melhor acabamento superficial em relação ao aço inoxidável AISI 304. O aço inoxidável AISI 420 obteve uma maior resistência à abrasão se comparado ao aço inoxidável AISI 304, podendo-se atribuir a sua maior porcentagem do elemento Níquel. O aço inoxidável AISI 304 apresentou uma resistência à corrosão mais elevada do que a apresentada no ensaio do aço inoxidável AISI 420, muito provável, pela presença de maior porcentagem de silício encontrado no AISI 304. Tendo em vista os tópicos acima citados, pode-se concluir, trazendo para o campo da proposta deste trabalho, que o aço inoxidável AISI 304 seria de maior utilidade em um ambiente onde o contato de embarcações com o fundo do mar seja de pouca existência, por se tratar de suas características de resistência corrosiva. Já em regiões caiçaras, cujo ambiente marítimo possui uma profundidade baixa em relação a outros ambientes, o aço inoxidável AISI 420 seria de maior utilidade, pois com a turbulência gerada pelos motores de embarcações, teria um maior contato com materiais abrasivos encontrados no ambiente, e como pôde ser observado neste trabalho, este material obtém uma melhor resistência abrasiva em relação ao aço inoxidável AISI 304. REFERÊNCIAS [1] TRIDAPALLI, C. W. Estudo comparativo de metodologia de ensaios acelerados de corrosão por frestas nas ligas de aço inox AISI 430 e AISI 304. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química), Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, SC, [2] SANCHES, L. P. Estudo comparativo quanto a resistência à corrosão entre aços inoxidáveis utilizados em trocadores de calor. Projeto Final de Curso, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Rio de Janeiro, RJ, [3] MIRANDA, F. E. Comportamento quanto à corrosão de aços inoxidáveis na produção do biodiesel. Dissertação (Mestrado em Processos Químicos e 5559

11 Bioquímicos), Centro Universitário do Instituto Mauá de Tecnologia, São Caetano do Sul, SP, [4] MARIANO, N. A.; PIRES, A. C.; MUROLO, J. P. Avaliação da resistência à corrosão em aço inoxidável martensítico do tipo Cr-Ni em meio marinho sintético simulando atividades em águas profundas. Revista Escola Minas, v.59, no1, p , [5] PICON, C. A. at. al. Estudo do mecanismo de corrosão por pites em água do mar em aços inoxidáveis supermartensíticos microligados com Nb e Ti. Revista Escola de Minas, v.63, no1, p , [6] BOTTON, T. Estudo comparativo da resistência á corrosão em meio ácido e em meio contendo cloreto dos aços inoxidáveis UNS S44400, UNS S30430 e UNS S31630, obtidos por laminação a quente. Dissertação, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, [7] CASTELETTI, L. C. at. al. Avaliação da resistência ao desgaste de aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação nitretados. Revista Escola de Minas, v.63, no.1, p , [8] ASTM Standard B117, Standard practice for operation salt spray (fog) apparatus, v. 3, n. 2, August [9] ASTM Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel Apparatus. ASTM G p , 1991 [10] SOUZA, C. A. B. Análise de Resistência ao Desgaste e a Corrosão do Aço AISI 304 Utilizados em Mineradoras de Carvão. Artigo de Conclusão de Curso, SATC, Criciúma, SC,

12 COMPARATIVE STUDY OF STAINLESS STEELS IN MARITIME APPLICATIONS Abstratct - Stainless steels are the metallic materials most commonly used when we have an important factor corrosion. They are composed of iron and chromium alloys, and contains a minimum content of 10.5% chromium, to obtain immunity in harsh environments. On contact with oxygen, chromium suffers a reaction, thus forming a protective layer, called passive layer. In some places, usually those with chloride ions, can cause instability in the passive layer, thus allowing the steel suffer severe corrosion. The most common type of corrosion that may occur in this environment, pitting corrosion, which is defined by a very localized attack, resulting in small cavities penetrating the metal, while the rest of its surface remains passive. When you contact with other materials, chemical or physical elements, the steel can end up suffering another process of wear, abrasion determined. This study aims to compare the behavior of two (2) types of stainless steel, AISI 304 and AISI 420, when subjected to an accelerated test corrosion, according to ASTM B-117, and when subjected to abrasion resistance test according to ASTM G-65. It will be possible to compare the effects of the corrosion resistance test through images and by calculating weight loss. To obtain the abrasion resistance results, the same will be available through the mass loss calculation. Thus, we can analyze and determine which stainless steel, AISI 304 or AISI 420, has greater corrosion resistance and which has a higher abrasion resistance in environments containing the presence of seawater Keywords Corrosion, abrasion, stainless steel, AISI 304, AISI 420, salt water 5561