EROSÃO-CORROSÃO DO AÇO ABNT 8550 NITRETADO

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1 EROSÃO-CORROSÃO DO AÇO ABNT 855 NITRETADO doi: /tmm.348 Flávio José d Silv 1 Diogo Sntn Sores 2 Smuel Deoterônio d Silv 2 Ricrdo Reppold Mrinho 3 Mrcelo Torres Pizz Pes 3 Sinésio Domingues Frnco 5 Resumo O ojetivo deste trlho é vlir o efeito d microestrutur e d nitretção n resistênci à erosão e erosãocorrosão, em como o efeito sinérgico. Amostrs do ço ABNT 855 form trtds termicmente por têmper/revenido e recozimento e, termoquimicmente, por nitretção plsm. Os testes de erosão form relizdos com águ de torneir e os de erosão-corrosão com águ do mr sintétic, mos contendo rei com grnulometri entre 3 mm e 6 µm. Os prâmetros de teste form: velocidde médi de impcto de 15 m/s, concentrção de rei 6%, ângulos de impcto 3 e 9º. A tx de desgste foi vlid trvés de perd de mss. Os resultdos mostrrm que microestrutur do ço sem nitretção não influenciou significtivmente n resistênci erosão-corrosão. As perds de mss em condições de impcto norml à superfície de teste form sistemticmente menores do que s medids com incidênci olíqu, indicndo um comportmento dúctil do mteril. Ns mostrs nitretds, verificou-se um comportmento frágil devido à presenç d cmd rnc mis extern. Aixo dest, n zon de difusão, o comportmento pss ser dúctil. Devido à severidde d erosão, não foi possível identificr nenhum efeito sinérgico com corrosão. A nitretção umentou significtivmente resistênci à erosão. Plvrs-chve: Erosão; Corrosão; Nitretção por plsm; Sinergi. Astrct ON THE CORROSION-EROSION OF PLASMA NITRIDED ABNT 855 STEEL ABNT 855 steel smples were het treted y quenching nd tempering t 89 /64ºC nd nneled t 89ºC. These smples were plsm nitrided nd tested in respect to its erosion nd corrosion-erosion resistnce y using sustitute se wter with snd prticles. The wer tests were crried out in test rig specilly developed for this purpose, where jet of se wter with snd is impinged ginst the test specimen. The impingement velocity ws 15 m/s t ngles of 3 9º nd the snd concentrtion 6%. All tests were performed t room temperture. In order to mesure the synergic effects etween corrosion nd erosion, pure erosion nd corrosion tests were done. The wer mechnisms were evluted with the id of scnning electron microscopy nd lser interferometry. The results showed tht the steel microstructure did not hve ny significnt effect on the corrosion-erosion performnce nd the wer mss lost t norml impingement ws systemtic lower thn those t olique ones, suggesting ductile wer ehvior. On the nitrided smples frgile ehvior ws oserved, where the white lyer hs negtive effect on the wer performnce. After removl of this lyer the wer ws oserved to e in the ductile mode. Despite of this the plsm nitriding incresed sustntilly the corrosion-erosion resistnce of the ABNT 855 steel. Key words: Erosion; Corrosion; Plsm nitriding; Synergic effects. 1 INTRODUÇÃO Nos diferentes setores d indústri, muitos componentes e equipmentos estão sujeitos à ção erosiv de prtículs sólids em meios líquidos, principlmente no trnsporte de meios lmcentos. No cso de líquidos quimicmente gressivos, como por exemplo, n indústri petrolífer, lém do efeito d erosão, corrosão tmém pode levr dnos, principlmente qundo estes dois ftores intergem sinergeticmente produzindo txs de desgste mior do que som dos seus efeitos seprdmente. (1) Nestes csos é importnte seleção de 1 Professor, Deprtmento de Engenhri Mecânic UFES, Vitóri-ES, Brsil. 2 Grdundo n Fculdde de Engenhri Mecânic UFU, Uerlândi-MG, Brsil. 3 Engenheiro d Petrorás, CENPES RJ, Rio de Jneiro, Brsil. 4 Professor Doutor, Fculdde de Engenhri Mecânic UFU, Uerlândi-MG, Brsil. 46 Tecnologi em Metlurgi e Mteriis, São Pulo, v.3, n.4, p , r.-jun. 27

2 mteriis ou processos térmicos e termoquímicos que grntm um mior resistênci à erosão, corrosão e erosão-corrosão em plicções envolvendo estes fenômenos. O processo de nitretção tem sido mplmente usdo pr melhorr s proprieddes de superfície de um extens vriedde de mteriis. Normlmente, cmd nitretd é compost de dus regiões, um superficil, denomind de cmd de compostos ou cmd rnc, e outr, logo ixo dest, de zon de difusão ou precipitção. Nos ços, cmd de compostos é formd essencilmente por nitretos de ferro (γ'-fe 4 N e/ou ε-fe 2-3 N). A zon de difusão pode ser descrit como microestrutur originl do núcleo do metl, onde o nitrogênio pode ser encontrdo intersticilmente dissolvido dentro d ferrit ou so form de precipitdos de nitretos de ferro ou de outros elementos de lig presente no ço trtdo. As distorções introduzids pelo nitrogênio no reticuldo umentm sensivelmente durez d peç. (2) Dentre s proprieddes conferids os ços nitretdos são citds o umento d durez superficil, d resistênci o desgste, d resistênci à fdig e d resistênci à corrosão. (3) Com relção à corrosão, nitretção pode umentr resistênci à corrosão, dependendo do tipo de metl e do meio corrosivo. (4) No cso de ços não ligdos ou de ix lig, em gerl, proteção contr corrosão é melhord significtivmente com nitretção. Já como relção à erosão, poucos trlhos são encontrdos n litertur ordndo o desempenho de mostrs nitretds. O enfoque principl dos trlhos sore cmds nitretds é direciondo sicmente pr crcterizção ds proprieddes físics, mecânics e triológics, envolvendo rsão e o deslizmento. Considerndo que microestrutur do sustrto pode desempenhr um ppel importnte ns proprieddes mecânics e eletroquímics, em como n resistênci à erosão, neste trlho present-se um estudo relizdo no ço ABNT 855, nos estdos eneficido e recozido com posterior nitretção. O ojetivo é dquirir informções cerc do efeito d microestrutur e d nitretção n resistênci à erosão e erosão-corrosão, em como o efeito sinérgico. d zon de difusão. As mostrs form sumetids nálises metlográfics. A composição ds fses foi identificd por difrção de Rios X. Os testes de erosão e erosão-corrosão form relizdos em um equipmento no qul um jto d mistur erosiv (fluido+prticuldo sólido) é direciondo contr mostr de teste. (5) O fluido é circuldo trvés de um om que o impulsion de um tnque de cerc de 12 litros pr um ico. No corpo do ico ejetor um região de ix pressão é formd devido o efeito venturi. Por sucção s prtículs rsivs são misturds o fluido resultndo em um jto rsivo homogêneo sore superfície d mostr. Após incidênci do fluxo sore mostr, s prtículs rsivs e o fluido são seprdos por decntção e filtrgem e, então, recirculds. A Figur 1 present detlhes construtivos do equipmento de erosão utilizdo nos testes. M V Mnômetro Vcuômetro Inversor de frequênci Arsivo IF Águ Amostr Venturi B Filtro Amostr Bom 2 MATERIAIS E MÉTODOS O mteril utilizdo nos testes foi o ço ABNT 855, cujos teores, expressos em % em peso dos elementos químicos estão presentdos n Tel 1. Bico Tel 1. Composição químic (% em peso) ABNT 855. C S P Si Mn Cr Ni Mo Al Cu N V Análise,32,3,1,28,74 1,71,94,17 1,6,23,1,2 Os trtmentos térmicos relizdos form: têmper (89 C/3 min/óleo) seguid de revenimento (64 C/3 min); e recozimento (89 C/resfrimento o forno), como o ojetivo de se oter um microestrutur mrtensític e um estrutur ferrític-perlític, respectivmente. Prte ds mostrs foi sumetid à nitretção plsm, qul foi relizd n tempertur de 55 C, tempo de nove hors com mistur gsos de 76%N 2 /24%H 2. Est condição de nitretção promove formção d cmd rnc e Figur 1. Detlhes construtivos do equipmento, ) representção esquemátic do método jto; e ) detlhes de ico e do port mostr. Utilizou-se águ de torneir nos testes de erosão e águ do mr sintétic segundo norm ASTM D nos ensios de erosão-corrosão. Os prâmetros de teste form: velocidde de impcto de 15 m/s, concentrção de rei 6% Tecnologi em Metlurgi e Mteriis, São Pulo, v.3, n.4, p , r.-jun

3 com grnulometri de 3 mm-6 µm, ângulos de impcto de 3 e 9. A tempertur mntid em 25 C trvés de um sistem de refrigerção. Durnte os testes, o ph foi controldo entre 8,15 e 8,25. Pr cd condição de teste form relizds três repetições, e cd teste rei foi trocd. Os testes tiverm durção máxim de dus hors e 3 minutos com prds de 15 minutos em 15 minutos pr determinção d perd de mss. A tx de desgste (grms de mteril removido /grms de rsivo) foi determind dividindo-se perd de mss pelo fluxo de prtículs erosivs. Os mecnismos de desgste form vlidos trvés de microscopi eletrônic de vrredur. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO As mostrs eneficids presentrm durez médi de 38 HV3 e s mostrs recozids um durez médi de 188 HV3. N nálise d constituição ds cmds nitretds, verificou-se que est é formd sicmente por nitretos do tipo ε e γ', que correspondem o esperdo pr esse ço. (6) Verificou-se que microestrutur originl do sustrto não influenciou no tipo de nitreto de ferro formdo, ou sej, s microestruturs ferrític-perlític e mrtensític presentrm s mesms fses. A durez máxim otid pós nitretrção foi de 1.1 HV,5. A Figur 2 mostr o specto típico ds mostrs nitretds. Foi possível oservr, tnto pr s mostrs recozids qunto pr s temperds, presenç de um dens cmd rnc de proximdmente 25 µm. Logo ixo dest cmd, oserv-se um 9 hors, 76% N 2 9 hors, 76% N 2 1 mm Figur 2. Fotomicrogrfis d mostrs nitretds (MEV). ) Temperd revenid; e ) recozid. 1 mm rede grosseir de precipitdos ciculres, indicndo o início d zon de difusão que teve um profundidde de no máximo 4 µm. A seguir serão nlisdos e discutidos os resultdos dos testes de erosão e erosão-corrosão. 3.1 Erosão N Figur 3 present-se vrição d perd de mss em função do tempo pr testes de erosão ns mostrs eneficids. Not-se um relção perfeitmente liner, com índices de correlção R 2 superiores,999. Acumultivo d perd de mss (mg) y = 3,9866x - 4,2882 R 2 =,9993 y = 2,4875x +,9698 R 2 =, Tempo (min) Beneficido-3º Beneficido-9º Figur 3. Evolução d perd de mss cumuld em mostrs do ço ABNT 855 eneficido Teste de erosão com ângulo de incidênci de 3 e 9, concentrção médi de rei 6% (peso) e velocidde médi de impcto de 15 m/s. A erosão de mteriis dúcteis depende fortemente do ângulo de impcto e tipicmente present s miores txs de erosão entre 2 e 3. (7) Oserv-se nos resultdos, que s txs de erosão form em distints pr os ângulos de incidênci testdos. As miores txs de erosão pr o ângulo de incidênci de 3 e s menores txs pr o ângulo de 9 indicm um comportmento dúctil do mteril testdo. Igul comportmento foi oservdo ns mostrs recozids. Oserv-se, n Figur 4, que não existem diferençs n tx médi de desgste entre microestrutur ferrític-perlític e microestrutur mrtensític, principlmente pr o ângulo de incidênci de 9. Segundo Hutchings, (7) o endurecimento por trtmento térmico ou por deformção mecânic não lev mudnç significtiv n resistênci à erosão. No cso do ângulo de incidênci de 9, o possível encrumento d superfície erodid cusdo pelo impcto ds prtículs se sorepõe qulquer diferenç de durez entre s mostrs eneficids e recozids. Já pr o ângulo de 3, o encrumento pelo impcto é menor e s prtículs tum riscndo ou sulcndo superfície. Neste cso, um umento n durez poderi levr um contriuição mior n resistênci à erosão, como o oservdo n mostrs eneficids. 48 Tecnologi em Metlurgi e Mteriis, São Pulo, v.3, n.4, p , r.-jun. 27

4 Tx de desgste (g/g)x Tempo (min) Recozido-3º Recozido-9º Beneficido-3º Beneficido-9º Figur 4. Evolução d tx de desgste em mostrs do ço ABNT 855 eneficido e recozido Teste de erosão com ângulo de incidênci de 3 e 9, concentrção médi de rei 6% (peso) e velocidde médi de impcto de 15 m/s. Oserv-se, n Figur 4, um pequen tendênci um menor resistênci o desgste de mostrs recozids, de menor durez, 3, porém, esttisticmente est diferenç não é significtiv. Segundo Wng, (8) um umento n durez do mteril result em um mior resistênci à erosão. Ele testou vários mteriis com diferentes durezs otids por trtmentos térmicos. Ele sugere um mecnismo em que prtícul erosiv penetr e cort o mteril, o que contece em ângulos de incidênci rsos. Acredit-se, que pr ângulos menores que 3 este efeito sej em mis evidente e significtivo. O specto típico ds superfícies desgstds é mostrdo n Figur 5. Microcorte e microsulcmento são os mecnismos principis sugeridos qundo prtícul erosiv tu em ângulos de incidênci rsos. Direção de impcto 1 Figur 5. Aspecto topográfico típico de mostrs do ço ABNT 855 eneficido sumetids à erosão com ângulos de incidênci de ) 3 ; e ) 9, rei com grnulometri,3 mm-,6 mm e velocidde médi de impcto de 15 m/s. 1 Oserv-se o deslocmento de mtéri por deformção plástic resultndo em protuerâncis ns lteris e nos finis dos sulcos/riscos, s quis são removids nos impctos suseqüentes. A incidênci oliqu result em um superfície deformd e encrud formd por crters decorrentes do impcto sucessivo ds prtículs erosivs. Os tmnhos dos eventos oservdos são prticmente os mesmos com o tempo de erosão Os resultdos dos testes de erosão ns mostrs nitretds são mostrdos n Figur 6. Primeirmente, oserv-se que s txs de desgste são sistemticmente menores que quels oservds ns mostrs sem nitretção (Figur 4 e Figur 6). Tx de desgste (g/g)x Tempo (min) Recozido-(NCCB)-3º Recozido-(NCCB)-9º Beneficido-(NCCB)-3º Beneficido-(NCCB)-9º Figur 6. Evolução d tx de desgste em mostrs nitretds, com presenç de cmd rnc, do ço ABNT 855 recozido e eneficido Teste de erosão com ângulos de incidênci de 3 e 9, concentrção médi de rei 6% (peso) e velocidde médi de impcto de 15 m/s. Este resultdo pode ser ssocido os efeitos enéficos do nitrogênio, o qul ument durez dos mteriis, propriedde importnte pr resistênci o desgste, resistênci à fdig e resistênci à corrosão. Diferentemente dos resultdos d Figur 4, onde tx de erosão é prticmente constnte com o tempo, tx de erosão ds mostrs nitretds vri com o tempo. Isto se deve às mudnçs ns proprieddes do mteril o longo d cmd nitretd, qul é compost pel cmd rnc mis extern e logo ixo del, tem-se zon de difusão, seguid do sustrto do mteril. Inicilmente oserv-se um comportmento frágil do mteril testdo, isto é, um mior tx de erosão pr incidênci olíqu ds prtículs, onde prticmente tod energi de impcto é usd n destruição d cmd rnc. Um nálise feit por interferometri d profundidde d crter de desgste mostr que nos primeiros 15 minutos cmd rnc teve um remoção quse totl. A profundidde máxim d crter de desgste foi, em médi, 43 µm pr o ângulo de incidênci de 3 e 64 µm pr o ângulo de incidênci de 9, vlores estes em superiores à espessur médi d cmd rnc que foi de 25 µm. Os perfis ds crters de desgste são presentdos n Figur 7. As crters de desgste ds mostrs sem nitretção tiverm profundiddes superiores 8 µm. Com 3 minutos de teste, resistênci o desgste é mesm pr os diferentes ângulos de impcto. N seqüênci, região solicitd é compost, sicmente, pel zon de difusão e, prtir del, oserv-se um comportmento dúctil, onde s menores txs de desgste são oservds pr o ângulo de incidênci de 9. Tecnologi em Metlurgi e Mteriis, São Pulo, v.3, n.4, p , r.-jun

5 mm 3.2 Erosão-corrosão mm c mm d mm Figur 7. Perfil topográfico ds superfícies erodids por 15 minutos pssndo pelo centro de impingimento. Amostrs nitretds 3 e 9 ( e c) e sem nitretção 3 e 9 ( e d). O gráfico d Figur 8 present os resultdos dos testes de erosão e erosão+corrosão relizd ns mostrs sem nitretção. Oserv-se, que pr o mesmo ângulo de incidênci tx de desgste envolvendo erosão e erosão+corrosão é mesm, indicndo que nests condições de teste não houve nenhum efeito sinérgico significtivo. A interção entre erosão e corrosão tem sido ordd em dois regimes diferentes. (9) Um qundo erosão ument tx de corrosão, chmdo de efeito ditivo, e outr qundo corrosão ument erosão chmd de efeito sinérgico. Qundo corrosão impede erosão, pel formção de um cmd Tx de desgste (g/g)x1-8 8 Erosão + corrosão Erosão Erosão + corrosão 3 9 Figur 8. Comprção d médi de desgste entre testes purmente erosivos e testes de erosão+corrosão em mostrs do ço ABNT 855, eneficido e recozido. Testes com ângulos de incidênci de 3 e 9, concentrção médi de rei 6% (peso) e velocidde médi de impcto de 15 m/s (testes com 6 minutos de durção). Recozido Beneficido Erosão protetor, o efeito sinérgico é dito negtivo. O domínio d erosão e d corrosão vi depender de muits vriáveis, tis como velocidde de impcto, ângulo de incidênci, concentrção e tmnho de prtículs erosivs, tipo de fluido (ph, viscosidde, tempertur, potencil eletroquímico), dentre outros. Um form de determinr estes domínios é verificr rzão entre s tx de erosão e corrosão e qundo est rzão é mior que 1, o processo é sicmente governdo pel erosão. (9) Mps de erosão-corrosão pr o ferro puro em soluções contentos NCl, indicm que pr velociddes de impcto superiores 7 m/s erosão é dominnte. (9) Ns condições de testes usds neste trlho, onde velocidde de impcto médi foi de 15 m/s, tx de erosão foi muito superior tx de corrosão em águ do mr. Dest form, usênci de efeitos sinérgicos oservd nos resultdos deste trlho provvelmente se deve à severidde d erosão impost frente à corrosão. Os testes de erosão e erosão-corrosão relizdos ns mostrs nitretds tmém não indicrm nenhum efeito sinérgico. Acredit-se, que o motivo foi o mesmo verificdo pr os testes relizdos ns mostrs sem nitretção. 4 CONCLUSÕES A microestrutur do ço sem nitretção não influenciou significtivmente n resistênci à erosão e erosão-corrosão; s perds de mss em condições de impcto norml à superfície de teste form sistemticmente menores qundo comprds com s oservds n incidênci olíqu, indicndo um comportmento dúctil do mteril; nitretção umentou significtivmente resistênci à erosão; e cmd rnc presentou um comportmento frágil ns condições testds; e devido à severidde d erosão, não foi possível identificr nenhum efeito sinérgico com corrosão. Recomend-se o uso d nitretção em plicções envolvendo erosão-corrosão. Agrdecimentos Os utores grdecem Petrorás pelo poio finnceiro e o LAMEF/UFRGS pel relizção dos trtmentos termoquímicos e pelos ensios de difrção de Rios X. 5 Tecnologi em Metlurgi e Mteriis, São Pulo, v.3, n.4, p , r.-jun. 27

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