COMPORTAMENTO DE RESISTÊNCIA À CORROSÃO EM JUNTAS SOLDADAS DE UM AÇO ARBL

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1 6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 6 th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 11 a 15 de abril de 2011 Caxias do Sul RS - Brasil April 11 th to 15 th, 2011 Caxias do Sul RS Brazil COMPORTAMENTO DE RESISTÊNCIA À CORROSÃO EM JUNTAS SOLDADAS DE UM AÇO ARBL Batista, S. R. F., srfbatista@yahoo.com.br 1 Costa, J. A. M., jamc_hanna@yahoo.com.br 1 Ferreira, W. E. I., wilmanitaliano@hotmail.com 1 Leal, V. S., vs.leal@uol.com.br 1 Figueiredo, K. M., kleberfig@yahoo.com.br 1 Souza, R. C., sregina@ufma.br 2 Tanaka, A., tanaka@ufma.br 2 1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão, DMM/IFMA, Avenida Getúlio Vargas, 04, Monte Castelo, Cep São Luis Ma, Brasil, 2 Universidade Federal do Maranhão, DF/UFMA, Avenida dos Portugueses, s/n, Bacanga, Cep São Luis Ma, Brasil. Resumo: A resistência à corrosão da junta soldada, em chapas de aço de Alta Resistência e Baixa Liga (ARBL), foi investigada através da técnica Eletroquímica de Reativação Potenciocinética de Ciclo Duplo, em solução eletrolítica 0,5M H 2 SO 4 + 0,01M KSCN. O material foi soldado utilizando-se a técnica de soldagem ao arco elétrico com eletrodo tubular e proteção gasosa, e a preparação das juntas soldadas se deu através da deposição em múltiplos passos com variação da energia de soldagem por passo. O processo de corrosão foi analisado com base na determinação do grau de sensitização, através da razão entre as máximas densidades de correntes de reativação I r e de ativação I a, ou seja, I r /I a. Foi possível mostrar que o grau de sensitização, em solução 0,5M H 2 SO 4 + 0,01M KSCN, da junta soldada pelo processo de múltiplos passos com energia média de 1,04J/mm é bastante alto, caracterizando uma estrutura do tipo ditches. O exame metalográfico das superfícies das amostras via Microscopia Ótica (M. O.), revelou que o processo de corrosão é semelhante ao pite na região do metal base. Concluiu-se, que a corrosão por pite no metal base, é atribuída à presença de sítios anódicos nesta região, devido o ciclo térmico gerado durante a soldagem, e da formação de um par galvânico entre os metais base e de solda. Palavras-chave: aço ARBL COS AR COR 500, junta soldada, sensitização, corrosão localizada, microestrutura. 1. INTRODUÇÃO Um dos grandes problemas na união de metais e ligas metálicas pelo processo de soldagem por fusão é o chamado fenômeno da sensitização. Existem na literatura (Bond, 1969; Streicher, 1973; Lee et alii., 1985), várias teorias que sustentam a formação de precipitados nos contornos de grãos dos materiais metálicos, conseqüente de tratamentos térmicos que ocorrem durante o processo de soldagem, tornando-os bastante susceptíveis à corrosão intergranular. Segundo Fedele ( em juntas soldadas durante a fusão, ocorrem aquecimentos e resfriamentos cíclicos não homogêneos nas regiões adjacentes às soldas. Estas variações térmicas conseqüentes dos aquecimentos elevados e dos resfriamentos lentos podem criar regiões termicamente afetadas como a Zona Termicamente Afetada (ZTA), o Anódo Consumível (AC), e o próprio Metal Base (MB). Conseqüentemente, estas regiões podem apresentar diferenças químicas e microestrutural bastante significativas, devido a micro-segregação dos elementos de liga, das transformações de fases, da precipitação de carbonetos e/ou nitretos, e do tamanho de grãos. Estes fatores podem prejudicam bastante as propriedades mecânicas e de resistência à corrosão da junta soldada, tornando-a fragilizada. O aço ARBL COS AR COR 500 é um aço estrutural com adição de elementos de liga como o Manganês (Mn), Fósforo (P), Silício (Si), Alumínio (Al), Cobre (Cu) e Cromo (Cr) em sua composição química, que lhes confere combinações de melhores propriedades mecânicas, soldadura e resistência à corrosão, em relação aos aços carbono convencionais. O cobre Cu, o cromo Cr e o fósforo P, proporcionam a formação de um filme de óxidos compacto e aderente à superfície, que funciona como uma barreira entre o aço e o ambiente, protegendo-o contra a corrosão (Rulkowski et al., 1992; Souza e Queirós Pinto, 1988). E, estas características têm sido o principal atrativo de sua utilização para a fabricação de estruturas de iluminação, torres de transmissão de energia e de telecomunicações, e equipamentos, muitas vezes expostos em ambientes de grau corrosivo considerável para os aços estruturais comuns Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011

2 (Rulkowski et al., 1992; Souza e Queirós Pinto, 1988; ASM Metals Handbook, 1978; Cosipa s/a, Atualmente no Maranhão, empresas como o CONSÓRCIO ALUMAR e a COMPANHIA VALE do RIO DOCE, vêm utilizando o aço ARBL COS AR COR 500 também na fabricação de dutos com costura, para o transporte de produtos contendo substâncias ativamente corrosivas (soda cáustica, petróleo enriquecido com enxofre, vapor d água, etc.), e eles têm apresentado vida útil bastante prolongada mesmo quando expostos internamente a estas substâncias e externamente ao ambiente salino e atmosfera úmida, característico das regiões litorâneas do estado do Maranhão, onde estes dutos são instalados. As estruturas tubulares são usadas principalmente por apresentarem grande durabilidade com baixo custo. É bem conhecido, que a técnica mais utilizada para a união de metais e ligas metálicas é a técnica de soldagem por fusão. Portanto, diante das discussões já anteriormente reportadas, é de grande importância o estudo e a caracterização das juntas soldadas por fusão destes materiais, para ter-se maior confiabilidade na sua seleção e aplicação. O presente trabalho tem como objetivo, estudar quantitativamente a resistência à corrosão localizada da junta soldada de aço ARBL COS AR COR 500 na forma de chapa, utilizando a técnica Eletroquímica de Reativação Potenciocinética de Ciclo Duplo (ERP CD), e também testes de imersão. 2. MATERIAIS E MÉTODOS O material em estudo é um aço ARBL com denominação comercial COS AR COR 500, que pode ser enquadrado na série ASTM A588, correspondente ao aço ASTM A588 Gr CG, na forma de chapa com dimensões de 200mmx190mm, espessura de 12,5mm e chanfro em ângulo de 60 o C, como indicado na Fig. (1). A composição química nominal dos elementos constituintes deste aço, em porcentagem de peso, é mostrada na Tab. (1) segundo o fabricante (COSIPA S/A). Para a obtenção dos corpos de prova, para o estudo, as chapas foram soldadas aos pares e de topo em múltiplos passos na posição plana. O processo de soldagem utilizado, foi o processo ao arco elétrico com arame tubular e corrente contínua com eletrodo positivo (polaridade inversa, CC + ). O metal de adição utilizado foi o arame AWS E 80C G de 1,6mm de diâmetro, designado sob a norma American Welding Society (AWS) A 5.29, e como gás de proteção uma mistura de 75% de argônio (Ar) e 25% de dióxido de carbono (CO 2 ), a uma vazão de 21L/min. A composição química dos elementos constituintes do eletrodo de soldagem, é mostrada na Tab. (2) segundo o fabricante (ESAB S/A). E, os parâmetros de soldagem das chapas, estão indicados na Tab. (3). 60 o 12,5mm 190mm 200mm Figura 1. Esquema das chapas para soldagem. Tabela 1. Composição química do aço ARBL COS AR COR 500 (em % de peso). C Mn P S Si Al Cu Cr Nb+V+Ti / / Fonte: COSIPA S/A Tabela 2. Composição química do eletrodo de soldagem (em % de peso). C Si Mn Cr Ni Cu Fonte: ESAB S/A Tabela 3. Parâmetros de soldagem utilizados no estudo. Passo Corrente (A) Voltagem (V) Velocidade de soldagem (mm/min.) Temperatura de aquecimento ( o C) Energia de soldagem (kj/mm)

3 Para os testes de corrosão, as amostras foram preparadas de acordo com as normas ASTM G 5 e ASTM G 61. Após a soldagem das chapas e o corte no sentido transversal do cordão de solda, as amostras foram embutidas em resina poliéster, com a superfície que fica em contato com a solução eletrolítica medindo 1cm 2. Em seguida, foram lixadas até a grana 1200 e polidas com suspensão de alumina 1μm. Prosseguindo, após os testes de corrosão, as amostras foram atacadas por imersão com os reagentes nital a 5% [HNO 3 (5mL) + etanol (100mL)], como pré-ataque, e metabissulfito de potássio [K 2 S 2 O 5 (10g ) + H 2 O (100mL) destilada], como ataque final, de acordo com a norma ASTM E 407. Este procedimento de ataque metalográfico, revela melhor as microestruturas das regiões da junta soldada (Metal Base MB, Zona Termicamente Afetada ZTA e Lente de Soldagem LS). Foi utilizada uma célula eletroquímica de três eletrodos, como recomendado pela norma ASTM G 61: um eletrodo de referência de calomelano saturado (Hg/Hg2Cl2), um contra-eletrodo de platina (Pt) e o eletrodo de trabalho (amostra medindo 1cm 2 de superfície de contato com a solução eletrolítica). A Figura (2) mostra o sistema eletroquímico utilizado para a realização dos testes de corrosão. Figura 2. Sistema eletroquímico utilizado para a realização dos testes de corrosão. A técnica Eletroquímica de Reativação Potenciocinética de Ciclo Duplo, foi utilizada, para avaliar quantitativamente o grau de sensitização das amostras, o qual está relacionado com a susceptibilidade à corrosão intergranular, segundo a norma ASTM G 108. Embora esta norma seja designada para aços austeníticos, ela pode também, ser utilizada para outros aços com bons resultados. Os testes de corrosão foram realizados, em solução 0,5M H 2 SO 4 (27,8%) + 0,01M KSCN (0,972g), como eletrólito, à temperatura ambiente de 25 o C e pressão atmosférica de 1atm. A velocidade de varredura do potencial foi de 1mV/s. Também foram feitos ensaios de perda de massa por imersão das amostras em solução 3,5% NaCl, como indicado na Fig. (3). 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Figura 3. Esquema do ensaio de perda de massa por imersão. A Figura (4) mostra a curva DL EPR geral da junta soldada (Metal Base MB, Zona Termicamente Afetada ZTA e Metal de Solda MS), obtida em solução eletrolítica 0,5M H 2 SO 4 + 0,01M KSCN. Note que na varredura do potencial no sentido anódico (do potencial de corrosão até a reversão), a junta soldada apresenta um valor máximo da densidade de

4 corrente anódica I a = 43,34mA a um potencial específico E a =0,02mV, relacionados com a ativação da junta soldada, e em seguida sofre passivação. Este resultado indica a sensibilidade da junta soldada do aço ARBL COS AR COR 500 (ASTM A588 Gr CG) à corrosão generalizada, isto é, a formação do filme passivo. O surgimento do pico máximo de densidade de corrente anódica I a é atribuído à nucleação e crescimento do filme passivo durante a varredura do potencial desde o potencial de corrosão até o potencial de passivação, ou seja, até onde a densidade de corrente permanece constante ou cresce muito lentamente. Durante a varredura anódica do potencial (ativação), em aproximadamente 400mV até 100mV, ocorre a corrosão do ferro podendo formar os produtos solúveis Fe 2+, Fe 3+ e íons hipoferrosos FeO 2 H - ou os produtos insolúveis como o hidróxido ferroso branco Fe(OH) 2 que é instável, de acordo com o diagrama de Pourbaix para o ferro (Scully, 1990). Após atingir o valor de potencial de aproximadamente 200mV, o ferro passiva com os óxidos insolúveis Fe 2 O 3 e Fe 3 O 4, que são aderentes e impermeáveis. Ao atingir o valor de potencial de 250mV, foi realizada a reversão do potencial catodicamente até o potencial de corrosão, isto é, a reativação da junta soldada na solução eletrolítica. Durante a reativação, no sentido catódico, as regiões anódicas (mais reativas) são atacadas novamente, e geram o pico máximo de densidade de corrente de reativação I r =19,25mA a um potencial específico E r = 270mV. Este pico de reativação representa a quantidade de região anódica ou de sítios preferenciais de corrosão presente na microestrutura, segundo a norma ASTM G 108. A comparação entre os valores dos potenciais de ativação E a =0.02mV e de reativação E r = 270mV, indica que os fenômenos da ativação e da reativação ocorrem a potenciais bem diferentes como indicado na Fig. (4). Assim, as regiões anódicas da junta são mais ativas na reativação do que na ativação (Er<E a ). Figura 4. Curva DL EPR da junta soldada do aço ARBL COS AR COR 500. O valor do grau de sensitização, determinado pela razão I r /I a, segundo a norma ASTM G 108, foi de 0,44. Este resultado indica um grau de sensitização significativamente alto (I r /I a»0,05) e caracteriza uma estrutura do tipo ditches, isto é, material sensitizado, (Majidi e Streicher 1986). Entretanto, a sensitização não ocorreu seletivamente nos contornos de grãos, como na maioria dos casos, ela está distribuída dispersamente na matriz ferrítica. Isto confirma, que a junta soldada do aço ARBL COS AR COR 500 (ASTM A588 Gr CG) sofre sensitização quando soldada pelo processo de soldagem ao arco elétrico com eletrodo tubular e proteção gasosa, utilizando a mistura argônio (Ar) mais dióxido de carbono (CO 2 ) e, os parâmetros de soldagem descritos na Tab. (3), soldagem em múltiplos passos, com variação da energia de soldagem por passo. Assim, os resultados sugerem que a junta soldada tem um comportamento eletroquímico heterogêneo que induz o processo de corrosão galvânica nas regiões mais anódicas. O processo de corrosão localizada da junta soldada é mostrado na foto-micrografia da Fig. (5).

5 Figura 5. Microestrutura da junta soldada. A foto-micrografia da Fig. (5) mostra a microestrutura da junta soldada do aço ARBL COS AR COR 500 (ASTM A588 Gr CG), obtida via microscopia ótica (MO). A microestrutura é composta de ferrita acicular AF, ferrita de contorno de grão PF(G) e ferrita poligonal intragranular PF(I) no metal de solda M.S.; ferrita de segunda fase alinhada FS(A) e ferrita de segunda fase não alinhada FS(NA) na ZTA e o metal base com microestrutura composta de ferrita e perlita. Note também, que o processo de corrosão por pite ocorre intensamente na região da ZTA e do metal base. Este resultado sugere que estas regiões têm comportamento eletroquímico mais anódico, em relação ao restante da microestrutura da junta. A Figura (6) mostra a microestrutura da região do metal base. Nota-se, que o aspecto do processo de corrosão é semelhante ao do pite, e está distribuído em pontos discretos da microestrutura. Isto pode ser atribuído à formação de sítios preferenciais de corrosão devido a tratamentos térmicos durante o processo de soldagem. A corrosão por pite na ZTA e no metal base é atribuída à formação de um par galvânico dentro da junta, entre as áreas anódicas da ZTA e do metal base com o metal de solda, (Solomon e Devine 1982), caracterizando o fenômeno conhecido como efeito pilha. A microestrutura do metal solda, não apresentou qualquer processo corrosivo após os ensaios de corrosão. Isto é devido, esta região ter comportamento eletroquímico catódico dentro da junta soldada. A Figura (7) mostra a microestrutura do metal de solda. Figura 6. Microestrutura do metal base.

6 Figura 7. Microestrutura do metal de solda. A Figura (8) mostra as curvas de perda de massa das amostras após imersão em solução 3,5%NaCl, e os valores das medições das perdas das massas estão listadas na Tab. (4). Nota-se, no diagrama da Fig. (8), que todas as curvas são semelhantes e apresentam um comportamento linear da variação das perdas das massas com o tempo. Os resultados indicam também, que os valores das variações das perdas das massas ocorrem principalmente nas primeiras 24 horas após o início do ensaio e depois permanecem constantes em quase todas as outras medições para cada curva, conforme indicado na Tab. (4). Isto sugere, que o filme passivo se forma e cresce logo nas primeiras 24 horas e depois permite muito lentamente a passagem de espécies agressivas da solução para contato com o metal base e conseqüente formação de óxidos do filme passivo ou o início do processo corrosivo. Figura 8. Curvas de perda de massa, obtidos em solução 3,5%NaCl.

7 Tabela 4 - Valores das medições das perdas das massas. Tempo de imersão (H) Variação de massa m* (g) CP 1 CP 2 CP 3 CP 3 CP 4 CP ,01 0,01 0,01 0,06 0,01 0, ,01 0,01 0,02 0,04 0,05 0, ,0 0,02 0,0 0,07 0,05 0, ,01 0,01 0,01 0,04 0,03 0, ,0 0,01 0,01 0,04 0,03 0, ,0 0,01 0,02 0,03 0,04 0, ,01 0,02 0,0 0,02 0,02 0, ,0 0,03 0,0 0,01 0,03 0,04 * m = m f m i, onde m f é a massa final e m i é a massa inicial. A foto-micrografia da Fig. (9) mostra as microestruturas das amostras após os testes de imersão em solução 3,5%NaCl. Note que neste caso o ataque ocorre igualmente em toda a microestrutura da junta soldada. Isto sugere que o filme passivo tem uma formação uniforme de óxidos sobre a microestrutura, mas apresenta muitos defeitos pontuais favorecendo a formação de pites nas três regiões, metal de solda, ZTA e metal base. Isto ocorre porque o filme que se forma sobre a superfície metálica é composto principalmente pelos óxidos ferrosos Fe 2 O 3 e Fe 3 O 4, que são bastante espessos e porosos, e possuem muitos defeitos. 4. CONCLUSÕES Figura 9. Microestrutura geral após testes de imersão em solução 3,5%NaCl por 192 horas. A junta soldada do aço ARBL COS AR COR 500, sofre sensitização quando soldada pelo processo ao arco elétrico com eletrodo tubular e energia média de soldagem de 1,04kJ/mm; Os fenômenos da ativação e da reativação ocorrem a potenciais específicos bem diferentes; O processo de corrosão da junta é galvânico e ocorre mais intensamente nas regiões de comportamento mais anódico da ZTA e do metal base; O aspecto do processo de corrosão é semelhante ao do pite, e está distribuído heterogeneamente em pontos discretos da microestrutura. 5. REFERÊNCIAS ASM, Metals Handbook, 1978, Properties and selection: iron and steels, 9 ed., Vol. 1. Cosipa s/a,

8 Bond, A. P., 1969, Mechanism of intergranular corrosion in ferritic stainless steels, Transactions of the Metallurgical Society of AIME, Vol. 245, pp Fedele, R., Corrosão Intergranular em Juntas Soldadas Parte I, Lee, J. B. et alii., 1985, An analytical electron microscope examination of sensitized AISI 430 stainless steel, Corrosion, Vol. 41, No. 2, pp Majidi, A. P. and Streicher, M. A., 1986, Four Nondestructive Electrochemical tests for detecting sensitization in type 304 and 304L Stainless Steels, Nuclear Technology, Vol. 75, pp Rulkowski, E. S., Alé, R. M., Pinto, J. A. Q., 1992, Estudo do desempenho de juntas soldadas de aços estruturais frente a diferentes condições ambientais, Congresso Latino Americano de soldagem, pp Scully, J. C., 1990, The fundamentals of corrosion, Ed. Pergamon press, New York, 226 p. Solomon, H. D. and Devine, Jr. T. M., 1982, Duplex stainless steels A tale of two phases, In: Lula, R. A. (Ed.), ASM, Metals Park, Ohio, pp Souza, J. G., e Queirós Pinto, J. A., 1988, Avaliação da resistência à corrosão atmosférica do aço patinável USI-SAC- 50 não revenido: Resultado de 6 anos de ensaio, CEBECIMAT 8, pp Streicher, M. A., 1973, The role of carbon, nitrogen and heat treatment in the dissolution of iron-chromium alloys in acids, Corrosion, Vol. 29, No. 9, pp CORROSION RESISTANCE BEHAVIOUR IN WELDED JOINTS OF A HSLA STEEL Batista, S. R. F., srfbatista@yahoo.com.br 1 Costa, J. A. M., jamc_hanna@yahoo.com.br 1 Ferreira, W. E. I., wilmanitaliano@hotmail.com 1 Leal, V. S., vs.leal@uol.com.br 1 Figueiredo, K. M., kleberfig@yahoo.com.br 1 Souza, R. C., sregina@ufma.br 2 Tanaka, A., tanaka@ufma.br 2 1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão, DMM/IFMA, Avenida Getúlio Vargas, 04, Monte Castelo, Cep São Luis Ma, Brasil, 2 Universidade Federal do Maranhão, DF/UFMA, Avenida dos Portugueses, s/n, Bacanga, Cep São Luis Ma, Brasil. Abstract: The corrosion resistance of welded joints of a High Strength and Low Alloy (HSLA) steel, was investigated by the Double Loop Electrochemical Potentiokinetic Reactivation (DL EPR) technique, in 0.5M H 2 SO M KSCN electrolytic solution. The material was welded to made use of at the electric arc with tubular electrode and gaseous protection welding technique, and the preparation of welded joints itself to give by deposition in multistep with variation from the welding energy for step. The corrosion process was analyzed with base in the determination of sensitization degree, by the ratio between the reactivation I r and activation I a current densities maxima, i. e., I r /I a. Was possible shows that the sensitization degree, in 0.5M H 2 SO M KSCN solution, of welded joint by multistep process with medium energy of 1.04kJ/mm is enough high, characterizing a structure of diches type. The metallographic inspection from the specimens surfaces by optical microscopy (OM), to reveal that corrosion process is similar to pitting in the region of base metal. It follows, that the pitting corrosion in the base metal, is attributed the presence of anodic sites in this region, due to thermal cycle generated during the welding, and of the formation of a galvanic pair between base and weld metals. Keywords: HSLA COR AR COR 500 steel, welded joint, sensitization, localized corrosion, microstructure.