AVALIAÇÃO COMPARATIVA DO TITÂNIO E DO AÇO INOXIDÁVEL SUPERAUSTENÍTICO PARA APLICAÇÃO EM PERMUTADORES DE CALOR DO TIPO PLACAS

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1 PROGRAMA FRANCISCO EDUARDO MOURÃO SABOYA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA ESCOLA DE ENGENHARIA UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE Dissertação de Mestrado AVALIAÇÃO COMPARATIVA DO TITÂNIO E DO AÇO INOXIDÁVEL SUPERAUSTENÍTICO PARA APLICAÇÃO EM PERMUTADORES DE CALOR DO TIPO PLACAS RAÍSSA RODRIGUES ALVES CÔRTE JULHO DE 2014

2 RAÍSSA RODRIGUES ALVES CÔRTE AVALIAÇÃO COMPARATIVA DO TITÂNIO E DO AÇO INOXIDÁVEL SUPERAUSTENÍTICO PARA APLICAÇÃO EM PERMUTADORES DE CALOR DO TIPO PLACAS Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa Francisco Eduardo Mourão Saboya de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da UFF como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Ciências em Engenharia Mecânica Orientador: Prof. D. Sc. SÉRGIO SOUTO MAIOR TAVARES UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE NITERÓI, 31 DE JULHO DE 2014

3 AVALIAÇÃO COMPARATIVA DO TITÂNIO E DO AÇO INOXIDÁVEL SUPERAUSTENÍTICO PARA APLICAÇÃO EM PERMUTADORES DE CALOR DO TIPO PLACAS Esta Dissertação é parte dos pré-requisitos para a obtenção do título de MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA Área de concentração: Mecânica dos Sólidos Aprovada em sua forma final pela Banca Examinadora formada pelos professores: Prof. Sérgio Souto Maior Tavares (D.Sc.) Universidade Federal Fluminense (Orientador) Prof. Juan Manuel Pardal (D.Sc.) Universidade Federal Fluminense Prof. Ivan Napoleão Bastos (D.Sc.) Universidade Estadual do Rio de Janeiro

4 À minha querida família

5 Agradecimentos Ao Professor e Orientador Sérgio Souto Maior Tavares por todo apoio, confiança e amizade em todos os momentos da minha vida acadêmica. Aos meus pais e irmão Joaquim, Rosania e Rômulo pela força, incentivo e dedicação. Ao meu namorado Rodrigo, sempre ao meu lado. Ao Professor Juan Manuel Pardal, pelos ensinamentos e amizade. Ao laboratório de Metalografia e Tratamentos Térmicos (LABMETT) da UFF e a todas as pessoas que fazem parte deste, pela ajuda e incentivo constantes.

6 RESUMO Por serem compactos, leves e apresentarem elevado coeficiente global de transferência de calor, os permutadores de calor a placas tem uma aplicação já consagrada em unidades de produção de petróleo offshore. Em função da sua excelente resistência à corrosão, em especial ao cloreto, o titânio tem sido o material aplicado com frequência e seu desempenho tem sido satisfatório. No entanto, as recentes unidades projetadas para grande capacidade de produção, que requerem placas de maiores dimensões, vêm apresentando problemas de estanqueidade, com vazamentos frequentes pelas gaxetas de vedação. A falta de rigidez e resistência mecânica do conjunto de placas em titânio tem sido apontada como a causa mais provável deste tipo de falha. Neste contexto seria importante avaliar materiais que também apresentem um bom desempenho à corrosão ao cloreto, associado a um melhor comportamento mecânico para aumentar a rigidez do conjunto de placas. No presente trabalho, foi avaliada a resistência à corrosão do aço inoxidável superaustenítico 254 SMO para esta aplicação. Foram realizados ensaios de polarização cíclica em amostras de 254 SMO e de titânio comercialmente puro, em diferentes eletrólitos representativos das condições operacionais e em temperaturas de até 80 C. Após destes ensaios foram realizadas análises microestruturais das amostras para observar a ocorrência de pites. Esta análise comparativa permitirá estimar a temperatura limite para aplicação do novo material. Palavras-chaves: Aço inoxidável superaustenítico, Titânio, Permutadores de calor a placas, Propriedades mecânicas, Resistência à corrosão.

7 ABSTRACT For being compact, lightweight and present high overall coefficient of heat transfer, plates heat exchangers has a wide application on offshore oil production units. Due to its excellent corrosion resistance, especially to chloride, titanium has been the often applied material and its performance has been satisfactory. However, recent units designed for large production capacity, requiring larger plates, have presented problems sealing with frequent leaks through gaskets. The lack of rigidity and mechanical strength of the plate in titanium has been identified as the most probable cause of this type of failure. In this context it would be important to evaluate materials that also perform well corrosion the chloride associated with better mechanical behavior to increase the rigidity of the plate. In the present work, the corrosion resistance of stainless steel 254 SMO super austenitic for this application was evaluated. Cyclic polarization tests were carried out on samples of 254 SMO and commercially pure titanium in different electrolytes representative operating conditions and temperatures up to 80 C. After these tests microstructural analyzes of the samples were performed to observe the occurrence of pitting. This comparative analysis will estimate the temperature threshold for application of the new material. Keywords: Super austenitic stainless steel, Titanium, Plate heat exchanger, Mechanical properties, Corrosion resistance.

8 Lista de Ilustrações Figura 1 - Fluxograma de algumas modificações da composição química do aço AISI 304 para produzir propriedades especiais (SEDRIKS, 1996) Figura 2 - Efeito dos elementos de liga nas propriedades nos aços inoxidáveis austeníticos (Adaptada de HIGH PERFORMANCE STAINLESS STEEL, 2014) Figura 3 - Temperaturas críticas de corrosão por pites e frestas em aços inoxidáveis e ligas de Ni (HIGH PERFORMANCE STAINLESS STEEL, 2014) Figura 4 - Temperaturas críticas de corrosão por pites e frestas em aços inoxidáveis austeníticos relacionadas com o PRE (HIGH PERFORMANCE STAINLESS STEEL, 2014) Figura 5 - Efeito da cloração no potencial de circuito aberto na liga 254 SMO em água do mar com e sem cloração contínua (Adaptada de HIGH PERFORMANCE STAINLESS STEEL, 2014) Figura 6 - Influência das diferentes condições da água do mar no potencial de corrosão (Francis et al, 2011) Figura 7 - Características construtivas de um permutador de calor do tipo casco e tubos (TROCALOR, 2007) Figura 8 - Desenho esquemático do trocador casco e tubo (UFMG) Figura 9 - Permutador de calor casco e tubos com espelhos fixos (MUKHERJEE, 1998) Figura 10 - Permutador de calor casco e tubos com espelho flutuante (MUKHERJEE, 1998) Figura 11 - Permutador de calor casco e tubos com tubos em U (MUKHERJEE, 1998) Figura 12 - Desenho esquemático do permutador casco placas (GESMEX, 2012) Figura 13 - Permutador de circuito impresso em comparação com um permutador casco tubo (HEATRIC, 2012) Figura 14 - Características construtivas de um permutador de circuito impresso: a) empilhamento das placas; b) bloco unido por difusão; c) canais e microestrutura metálica (HEATRIC, 2012) Figura 15 - Características construtivas de um permutador de placas (DANTHERM, 2014). 50 Figura 16 - Possíveis desenhos e posições de uma gaxeta (GUT, 2003) Figura 17 - Possibilidades de perfuração para uma placa (GUT, 2003) Figura 18 - Tipos de corrugação das placas para permutador de calor (GUT, 2003) Figura 19 - Desenho esquemático da montagem do conjunto de placas no permutador (ALFA LAVAL, 2014) Figura 20 - Eletrodos de trabalho ensaiados: Ti e 254 SMO, respectivamente Figura 21 - Potenciostato Galvanostato Autolab Figura 22 - Esquema de célula eletrolítica (PARDAL, 2009) Figura 23 - Célula Eletroquímica montada em banho de aquecimento Figura 24 - Microestrutura dos materiais estudados. (a) Ti Gr-1; (b) AISA 254 SMO Figura 25 - Imagem por MEV do aço 254 SMO. (a) Grãos e maclas de austenita com observação de valas intergranulares - características de sensitização; (b) Contorno de grão revelando em detalhe uma região sensitizada Figura 26 - Curvas de polarização cíclica do aço 254 SMO em solução 3,5%NaCl: (a) 25ºC; (b) 40ºC; (c) 60ºC e (d) 80ºC Figura 27 - Curvas de polarização do aço 254 SMO ensaiado em eletrólito composto pela água de formação: (a) 25ºC, (b) 40ºC, (c) 60ºC; (d) 80ºC Figura 28 - Pites produzidos no aço 254 SMO durante ensaio de polarização em solução de água de formação a 80ºC Figura 29 - Curvas de polarização do Ti Gr-1 ensaiado em solução 3,5% NaCl: (a) 25ºC, (b) 40ºC, (c) 60ºC; (d) 80ºC

9 Figura 30 - Curvas de polarização do Ti grau 1 ensaiado em eletrólito composto pela água de formação: (a) 25ºC, (b) 40ºC, (c) 60ºC; (d) 80ºC

10 Lista de Tabelas Tabela 1 Propriedades mecânicas de ligas de titânio (BOYER et al, 1994) Tabela 2 - Composição química dos diferentes graus de titânio puro (em peso) (ZAPP, 2014) Tabela 3 - Graus ASTM para ligas de titânio comercial (ASM HANDBOOK, 2005) Tabela 4 - Composição química de aços inoxidáveis austeníticos (PLAUT et al, 2007) Tabela 5 - Composição química dos aços inoxidáveis austeníticos de alta performance (Adaptada de NICKEL INSTITUTE, 2014) Tabela 6 - Propriedades mecânicas dos AISA segundo ASTM (Adaptada de HIGH PERFORMANCE STAINLESS STEEL, 2014) Tabela 7 - Tensões admissíveis dos AISA segundo ASME (ksi) (Adaptada de HIGH PERFORMANCE STAINLESS STEEL, 2014) Tabela 8 - Tipos de Casco e Cabeçotes segundo a norma TEMA Tabela 9 - Composição do aço 254 SMO analisado (% em peso). Fe balanço.* Tabela 10 - Composição da água de formação (ppm) Tabela 11 - Reagentes utilizados para caracterização de fases Tabela 12 - Comparação de durezas HV30 do Ti Gr-1 e do AISA 254 SMO Tabela 13 Potencial de pites (E pite ) obtidos nos ensaios de polarização cíclica na solução 1 com 3,5% NaCl Tabela 14 - Potencial de pites (Epite) obtidos nos ensaios de polarização cíclica na solução 2 com água de formação

11 SUMÁRIO CAPÍTULO INTRODUÇÃO CAPÍTULO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA TITÂNIO Propriedades do titânio Corrosão do titânio AÇOS INOXIDÁVEIS Influência dos Principais Elementos de Liga nos Aços Inoxidáveis AÇOS INOXIDÁVEIS SUPERAUSTENÍTICOS (AISA) Propriedades Mecânicas Corrosão dos aços inoxidáveis superausteníticos PERMUTADORES DE CALOR Permutadores Casco e Tubo Permutadores Casco e Placas Permutadores de Circuito Impresso Permutadores de placas CAPÍTULO MATERIAIS E MÉTODOS MATERIAIS PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS ENSAIOS DE POLARIZAÇÃO CÍCLICA MICROSCOPIA ÓTICA (MO) ENSAIO DE DUREZA VICKERS RESULTADOS E DISCUSSÕES DUREZA ANÁLISE MICROESTRUTURAL ENSAIOS DE POLARIZAÇÃO CÍCLICA SMO Titânio COMPARAÇÃO ENTRE O TITÂNIO E O 254 SMO CAPÍTULO CONCLUSÕES... 77

12 CAPÍTULO SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS CAPÍTULO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÊNDICE... 84

13 CAPÍTULO 1 1 INTRODUÇÃO A crescente competitividade entre as indústrias de processamento químico tem fomentado o desenvolvimento de novos equipamentos e a otimização de processos visando a redução de custos operacionais e a maximização da eficiência. As indústrias têm aprimorado processos e princípios de operação, onde a conservação de energia e a recuperação de calor têm papel fundamental. Neste contexto o projeto e a operação de unidades de transferência de calor visando à minimização de custos fixos e operacionais com o aumento da eficiência são de extrema importância. Os vasos de pressão constituem os equipamentos mais importantes nas plantas de processamento de petróleo, destacando-se os equipamentos com função de troca térmica entre os fluidos, denominados "trocadores de calor" ou permutadores de calor. Existem vários tipos e modelos adequados às diversas condições de operação, sendo de grande utilização em unidades offshore os modelos casco e tubo e placas Os permutadores de calor do tipo placas são compostos por um arranjo de placas metálicas por onde ocorre a transferência de calor entre dois fluidos. Elas possuem gaxetas de borracha para dar estanqueidade ao conjunto e evitar contaminação entre fluidos. O arranjo de placas é alinhado e prensado através de parafusos de aperto, tipo tirante, formando entre as placas uma série de canais paralelos de escoamento. As placas possuem furos para a entrada e a saída dos fluidos e são corrugadas, o que facilita a turbulência dos fluidos e melhora a troca térmica. Os materiais mais utilizados na fabricação das placas para permutadores são o titânio comercialmente puro e os AI 304, 316L e 254 SMO. O titânio comercialmente puro é conhecido por sua excelente resistência à corrosão e por este razão muito utilizado em

14 14 ambientes com cloretos. Sua resistência mecânica é muito dependente dos elementos de liga e dos tratamentos térmicos e mecânicos. O aço inoxidável superaustenítico (AISA) 254 SMO também apresenta boa resistência à corrosão por frestas e por pites em ambientes contendo cloretos. Por possuir altos teores de cromo, molibdênio e nitrogênio, sua resistência à corrosão em geral é maior do que os aços inoxidáveis austeníticos (AIA) convencionais, sendo comparada à dos aços superduplex. Quando isento de fases intermetálicas deletérias, como as fases sigma (σ) e chi (χ), os aços austeníticos possuem elevada ductilidade e tenacidade ao impacto, mesmo em baixas temperaturas. O titânio tem sido o material mais aplicado nas placas em ambientes agressivos contendo cloretos, com um histórico de boa performance. Entretanto, nas recentes unidades de produção tem se observado um elevado número de falhas nestes equipamentos devido a vazamento externo pelas gaxetas. Com o aumento da capacidade de processamento das plantas offshore, houve a necessidade de se aumentar o porte dos equipamentos. No caso dos permutadores de placa, a troca térmica envolvendo maiores vazões de produção resultou no aumento das dimensões e do número de placas. As ocorrências de falhas devido a vazamentos estão diretamente associadas à expulsão das gaxetas dos canais e ao desalinhamento de placas, indicando uma baixa rigidez do conjunto montado com as placas de titânio. Este problema tende a se agravar em equipamentos com maiores dimensões, devido a maior dificuldade de manuseio das placas durante a manutenção e montagem. Além do problema de vazamento, outra falha recorrente nas placas de titânio é devido à erosão/abrasão de sólidos em suspensão nos fluidos de processos, levando a parada do equipamento devido à contaminação cruzada entre os fluídos. Por esta razão, é importante identificar materiais que apresentem um bom desempenho à corrosão por cloretos e um melhor comportamento mecânico para aumentar a rigidez do conjunto de placas. Além destas características, materiais com maior resistência à erosão/abrasão, boa estampabilidade e adequada relação custo-benefício são candidatos a substituir o titânio nesta aplicação específica. Deste modo, o presente trabalho pretende avaliar a resistência à corrosão do AISA 254 SMO e do titânio em condições semelhantes ao encontrado nos permutadores de calor em ambiente offshore. As propriedades mecânicas dos materiais também foram avaliadas de forma comparativa. Foram realizados ensaios de polarização cíclica em amostras de AISA

15 254 SMO e de titânio comercialmente puro, em diferentes eletrólitos representativos das condições operacionais e em temperaturas de até 80 C. Após estes ensaios, foram realizadas análises microestruturais nas amostras para observar a ocorrência de pites e estimar a temperatura limite para aplicação do AISA 254 SMO.

16 CAPÍTULO 2 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 TITÂNIO A descoberta do titânio (Ti) ocorreu em 1791 pelo inglês William Gregor que reconheceu a sua presença no minério conhecido como ilmenita (FeTiO 3 ) (JOSHI, 2006). Em 1795 ele foi redescoberto no rutilo (TiO 2 ) pelo alemão Martin Heinrich Klaproth, que o batizou de titânio (do latim titans os primeiros filhos da Terra na mitologia grega) (EMSLEY, 2001). O metal puro foi obtido somente em 1910 por Matthew A. Hunter, que aqueceu o cloreto de titânio (TiCl 4 ) com sódio metálico num recipiente de aço sob pressão. No entanto, sua produção comercial só foi iniciada em 1946 quando William J. Kroll, desenvolveu o processo de refino através da redução do TiCl 4 com magnésio metálico (processo Kroll), ainda utilizado atualmente. Por esta razão ele é considerado o pai da indústria do titânio (BAUER et al., 2002). Suas propriedades físicas podem variar de acordo com a quantidade de elementos residuais no processo de purificação. A presença de elementos como oxigênio, ferro, nitrogênio, carbono e hidrogênio, mesmo em pequenas quantidades, provoca mudanças em algumas propriedades mecânicas do titânio puro. Tais elementos se inserem dentro do reticulado cristalino formando soluções sólidas que, como se sabe, introduzem campos de tensão na rede cristalina. Estes campos de tensão interagem com as discordâncias provocando um acréscimo na dureza e resistência à tração, bem como um decréscimo na ductilidade e

17 17 resistência à corrosão. Os elementos intersticiais são os que mais provocam endurecimento e fragilização. Os arranjos cristalinos do Ti e suas ligas podem ser encontrados com estrutura hexagonal compacta estável (fase α), cúbica de corpo centrado (fase β) ou mistura das duas grades (fase α-β) (COOLINGS, 1984). O Ti puro apresenta-se na fase α abaixo de 882ºC. Acima dessa temperatura a estrutura cristalina modifica-se para cúbica de corpo centrado (β), mas quando resfriado o Ti retorna a sua estrutura original (DONACHIE JR, 1988) Propriedades do titânio As propriedades do Ti variam muito de acordo com o teor de elementos intersticiais. O Ti possui excelente resistência à corrosão devido a uma densa camada passiva de óxido que é formada quando exposto ao ar. Uma nova camada de óxido se forma imediatamente em caso de dano ao filme protetor, mantendo, portanto, esta resistência elevada. O Ti possui boa resistência à corrosão e erosão em diferentes meios e moderada resistência em altas temperaturas, tornando-o atraente para diversas aplicações industriais. Possui uma série de características que o distinguem de outros metais leves, tornando a sua metalurgia física complexa e interessante (JOSHI, 2006). O hidrogênio não afeta as propriedades mecânicas do Ti quando em solução. Por possuir elevada difusividade e pequeno diâmetro atômico ele é facilmente absorvido pelas estruturas cristalinas, mesmo a baixas temperaturas. Por esta razão, quando se precipita sob a forma de hidretos de Ti, reduz acentuadamente a ductilidade e a tenacidade. O resfriamento lento a partir de 400ºC até a temperatura ambiente favorece a precipitação de hidretos, assim como o envelhecimento natural. O Ti pode ser usado como recipiente de hidrogênio líquido em temperaturas criogênicas. Entretanto, acima de -100ºC o H pode ser absorvido e se difundir na liga, podendo fragilizar severamente o Ti. O potencial desta fragilização aumenta quando as taxas de difusão do hidrogênio são altas ou quando ocorrem danos ao revestimento protetor do Ti (DONACHIE JR, 1988). O aumento dos teores de oxigênio e, principalmente, nitrogênio também reduz a tenacidade do Ti, mesmo que abaixo dos limites de solubilidade desses elementos. Estes elementos favorecem a formação de estruturas aciculares (chamadas estruturas de Widmanstätten). O carbono, em teores de até 0,3 %, aumenta a resistência mecânica do Ti, podendo formar carbetos, que reduzem sua ductilidade e tenacidade (DONACHIE JR, 1988).

18 18 Adições de elementos de ligas em teores expressivos aumentam a resistência mecânica em comparação com o Ti comercialmente puro. Estes elementos de liga, como Al, V, Cr, Fe, Mn e Sn, são adicionados tanto em sistemas binários como em sistemas ternários e mais complexos em geral. Entretanto, simultaneamente ao aumento de dureza/resistência mecânica ocorre redução de ductilidade. A tabela 1 mostra algumas propriedades mecânicas de diferentes ligas de titânio. Tabela 1 Propriedades mecânicas de ligas de titânio (BOYER et al, 1994) Liga Tipo E (Gpa) LE (Mpa) LRT (Mpa) ε(%) Grau 1 α Grau 2 α Grau 3 α Grau 4 α Grau 6 α Grau 9 quase- α TIMETAL 1100 quase- α Ti-64 α+β Ti-6246 α+β Ti-662 α+β Ti-1023 quase- β Ti-1313 quase- β TNZT β TMZF β Sendo E - Módulo de Young; LE - Limite de escoamento; LRT - Limite de resistência à tração; ε Alongamento. Na tabela 1 pode-se observar o tipo de estrutura cristalina e os valores do módulo de Young, limite de escoamento, limite de resistência à tração e alongamento para diversas ligas de Ti. O Ti puro se caracteriza por apresentar apenas a fase α na temperatura ambiente, não apresentando transformações de fase. Entretanto, a morfologia dos grãos pode ser alterada por resfriamentos rápidos a partir do campo β. Devido à sua estrutura hexagonal, as ligas α, em geral, apresentam boa resistência mecânica, boa tenacidade à fratura e alto módulo de

19 19 elasticidade. Podem ser utilizadas em alta e baixa temperatura devido à grande resistência a fluência e ausência de transição dúctil-frágil. No caso do Ti puro, a microestrutura, incluindo o tamanho de grão, e as propriedades mecânicas só podem ser modificadas por sequências de encruamento e recozimento. A norma ASTM B265 (2013) define uma classificação padrão para o Ti puro e para algumas ligas comerciais. Os graus de 1 a 4 definem o titânio comercialmente puro (cp), com baixos níveis de elementos substitucionais e de oxigênio intersticial (DONACHIE JR, 1988). Na tabela 2 pode-se observar a composição química dos diferentes graus de Ti puro. Tabela 2 - Composição química dos diferentes graus de titânio puro (em peso) (ZAPP, 2014). Fe C N O H Ti Ti Gr-1 0,20 0,08 0,03 0,18 0,015 Bal. Ti Gr-2 0,30 0,08 0,03 0,25 0,015 Bal. Ti Gr-3 0,30 0,08 0,05 0,35 0,015 Bal. Ti Gr-4 0,50 0,08 0,05 0,40 0,015 Bal. puro. A seguir, são descritas resumidamente as principais características dos graus do titânio Titânio grau 1 (Ti Gr-1) Possui a menor resistência mecânica entre os graus de Ti puro, porém apresenta alta ductilidade e facilidade para trabalho a frio. Exibe excelente resistência à corrosão em meios altamente oxidantes, incluindo cloretos. Possui boas propriedades de impacto a baixas temperaturas. Além disso, pode ser facilmente soldado, usinado e trabalhado a quente ou a frio. Apresenta baixa resistência à tração e é não magnético (BOYER et al 1994). Titânio grau 2 (Ti Gr-2) É um pouco mais resistente que o Ti Gr-1 e vem sendo muito utilizado nas indústrias química e naval devido ao balanço em suas propriedades de resistência mecânica e ductilidade. Atualmente é o mais abundante no mercado por ser de fácil fabricação, apresentar boa resistência à corrosão e preço mais competitivo do que o Ti Gr-3.

20 20 Titânio grau 3 (Ti Gr-3) O Ti Gr-3 possui resistência mecânica um pouco maior que o Ti Gr-2 por possuir maior teor de oxigênio e nitrogênio intersticial, porém sua ductilidade está abaixo dos demais. É considerado como uma alternativa ao Ti Gr-2 na construção de grandes vasos de pressão e em tubulações, pois possui a maior resistência à tração dentre os graus indicados no Código ASME. Assim o ganho pela redução de peso devido à menor espessura de parede pode significar uma vantagem econômica. Titânio grau 4 (Ti Gr-4) Apresenta a maior resistência mecânica do grupo do Ti puro, apresentando limite de escoamento mínimo de 480 Mpa (kis 70). Esta classe é adequada em aplicações onde a resistência mecânica e à corrosão são importantes, como indústrias aeronáutica e aeroespacial. A tabela 3 apresenta os diversos graus ASTM para ligas de titânio comercial. Tabela 3 - Graus ASTM para ligas de titânio comercial (ASM HANDBOOK, 2005). Liga Composição (% peso) Grau 1 a 4 Ti (cp) Grau 5 Ti-6Al-4V Grau 6 Ti-5Al-2,5Sn Grau 7 e 11 Ti-(0,12-0,25)Pd Grau 9 Ti-3Al-2,5V Grau 12 Ti-0,3Mo-0,8Ni Grau 13, 14 e 15 Ti-0,5Ni-0,05Ru Grau 16 e 17 Ti-(0,04-0,08)Pd Grau 18 Ti-3Al-2,5V-(0,04-0,08)Pd Grau 19 Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo Grau 20 Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo-(0,04-0,08)Pd Grau 21 Ti-15Mo-3Al-2,7Nb-0,25Si Grau 23 Ti-6Al-4V-0,13O Grau 24 Ti-6Al-4V-(0,3-0,8)Ni-(0,04-0,08)Pd Grau 26 e 27 Ti-(0,08-0,14)Ru Grau 28 Ti-3Al-2,8V-(0,08-0,14)Ru

21 21 Grau 29 Grau 30 e 31 Grau 32 Grau 33 e 34 Grau 35 Grau 36 Grau 37 Grau 38 Ti-6Al-4V-(0,08-0,14)Ru Ti-0,3Co-0,05Pd Ti-5Al-1Sn-1Zr-1V-0,8Mo Ti-0,4Ni-0,015Pd-0,025Ru-0,15Cr Ti-4,5Al-2Mo-1,6V-0,5Fe-0,3Si Ti-45Nb Ti-1,5Al Ti-4Al-2,5V-1,5Fe Corrosão do titânio Neste item serão apresentadas resumidamente as principais características passivantes do Ti que refletem na sua boa resistência à corrosão, bem como os tipos de corrosão mais susceptíveis como galvânica, pites, frestas e erosão. Embora o Ti seja quimicamente reativo, a fina camada de óxido que se forma em sua superfície é geralmente impermeável à ação dos agentes corrosivos mais comuns. Condições redutoras, ambientes altamente oxidantes e a presença de íons fluoreto reduzem bastante a natureza protetora desta camada. Sua estabilidade e integridade podem ser aumentadas significativamente com a adição de inibidores ao ambiente corrosivo (DONACHIE JR, 1988). Este fato permite o uso do Ti em processos industriais nos quais se utilizam soluções ácidas (incluindo ácidos clorídrico e sulfúrico) altamente corrosivas. A adição de sais dissolvidos de ferro, níquel, cobre e cromo e os ácidos nítrico e crômico são inibidores muito eficazes para essa aplicação. O contato do Ti com metais dissimilares (corrosão galvânica) geralmente não acelera a corrosão do Ti, exceto em ambientes com condições redutoras. Nestas condições, o Ti apresenta um potencial semelhante ao do alumínio, sofrendo corrosão acelerada quando em contato com metais mais nobres (platina, ouro e prata). Entretanto, em condições oxidantes normais, o Ti apresenta potencial superior ao de outros materiais metálicos, como AI e ligas de níquel e de cobre. Deste modo, geralmente o Ti não sofre corrosão galvânica e sim leva à corrosão de outros metais com os quais está em contato, principalmente quando a área de Ti exposta é muito superior. Em contato com o hidrogênio o Ti forma camadas de hidretos superficiais, que geralmente são estáveis e não causam problemas. Todavia, em temperaturas superiores a 75ºC

22 22 o hidrogênio pode se difundir através do Ti, causando fragilização. Em alguns ambientes o hidreto de Ti é instável e se decompõe, causando perda de metal (DONACHIE JR, 1988). A corrosão por frestas no Ti ocorre normalmente em soluções de salmoura contendo O 2. Nesta situação, o O 2 se difunde mais lentamente da solução para a fresta do que é consumido no interior da mesma. Em geral, este tipo de corrosão ocorre em soluções quentes de cloretos, sendo também possível observar esta ocorrência em soluções à base de iodetos, brometos e sulfatos. A susceptibilidade cresce com o aumento da temperatura, e da concentração de íons cloretos, reduzindo com a menor concentração de oxigênio dissolvido e do ph. A corrosão por frestas do Ti não foi observada em soluções com ph neutro em temperaturas inferiores a 120ºC. Para valores de ph mais baixos, este tipo de corrosão pode ser encontrada em temperaturas inferiores a 120ºC (DONACHIE JR, 1988). A corrosão por pites é comumente observada em metais passivados, como alumínio, AI e Ti, onde o pite se inicia em imperfeições do filme de óxido. Íons agressivos como, por exemplo, os cloretos, se concentram nesses locais até romper esta camada passiva. O pite ocorre quando o potencial do metal excede o potencial de quebra da película de óxido. Felizmente, o potencial de quebra do filme passivo do Ti é muito elevado na maioria dos ambientes, de modo que este modo de falha não é comum. Algumas falhas em tubos de Ti têm sido associadas à defeitos de fabricação e montagem, onde partículas de ferro se incrustaram no filme passivo. Embora o Ti se comporte como catodo em relação ao aço carbono, nesta situação pode ocorrer a partícula de ferro pode nuclear pites e as condições ácidas locais permitir seu crescimento, impedindo a recuperação do filme passivo e mantém a corrosão até que o Ti seja perfurado (DONACHIE JR, 1988). Para a maioria dos materiais existem velocidades críticas além das quais os filmes protetores são arrancados e um ataque corrosivo acelerado acontece. Este dano é conhecido como corrosão-erosão. A velocidade crítica difere bastante de um material para outro, podendo ser tão baixa quanto 0,6 a 0,9 m/s. Para o Ti, a velocidade crítica na água do mar é alta, superior a 27 m/s. Vários ensaios de corrosão-erosão mostraram que o Ti apresenta significativa resistência a este tipo de ataque. A presença de partículas abrasivas em suspensão num fluido que escoa pode agravar este tipo de corrosão (DONACHIE JR, 1988).

23 AÇOS INOXIDÁVEIS A descoberta do aço inoxidável (AI) ocorreu em 1912 quando, a pedido de um fabricante de armas, o inglês Harry Brearley começou a pesquisar uma liga mais resistente ao desgaste na superfície interior dos canos das armas de fogo. Ao tentar encontrar uma liga metálica com maior resistência a erosão, ele desenvolveu um novo aço com altos teores de cromo. Este aço era extremamente resistente ao ataque químico a base de ácido nítrico (HNO 3 ) normalmente utilizado para revelar a microestrutura dos aços. Assim, o inglês não obteve uma liga metálica resistente ao desgaste, mas uma liga metálica resistente à corrosão. Os AI são ligas de ferrosas contendo uma quantidade mínima de 10,5% de Cr em massa (IMOA, 2009). Os AI podem conter diversos elementos de liga como molibdênio, níquel, vanádio, entre outros. O níquel, por exemplo, melhora a resistência da liga às altas temperaturas, sua ductilidade e soldabilidade. O cromo forma uma fina camada superficial de óxido de cromo (Cr 2 O 3 ) que confere resistência à corrosão ao aço. Todavia, essa resistência depende da estabilidade desta película, cuja espessura é inferior a 0,02µm (CHIAVERINI,1988). A faixa de passividade pode ser expandida com adições de molibdênio, nitrogênio e níquel desde que estes estejam em solução sólida para não haver formação de precipitados ricos em cromo, que fragilizam o material. A resistência à corrosão e as propriedades mecânicas são usualmente as características mais importantes para a seleção dos AI em certas aplicações. Vários elementos podem influenciar na resistência à corrosão por pites nos AI austeníticos em meios contendo cloretos, mas os principais são: Cr, Mo e N. Para se determinar quantitativamente o efeito destes elementos na resistência à corrosão por pites são utilizadas várias fórmulas para representar a Resistência Equivalente ao Pite (PRE - Pitting Resistance Equivalent ou PREN - Pitting Resistance Equivalent Number) como as indicadas nas equações 2.1 e 2.2 a seguir. Quanto maior o valor do PRE maior deverá ser a resistência à corrosão por pites do material (SEDRIKS, 1996). PRE = (%Cr) + 3,3 (%Mo) + 16 (%N) Equação 2.1 PRE = (%Cr) (%Mo %W) + 16 (%N) Equação 2.2 Outros fatores como características de fabricação, propriedades mecânicas em faixas de temperaturas específicas e custos também são relevantes para a escolha do material.

24 24 Os AI podem apresentar diferentes microestruturas de acordo com os elementos de liga presentes, que são divididos em dois grupos: os estabilizantes de ferrita (Cr, Mo, Si, Nb e Ti) e os estabilizantes de austenita (C, N, Ni e Mn) Influência dos Principais Elementos de Liga nos Aços Inoxidáveis Carbono (C) O carbono é um elemento austenitizante, que é adicionado aos AI com as finalidades de promover o endurecimento e/ou obter a estrutura austenítica. No caso dos aços inoxidáveis martensíticos (AIM), o carbono exerce função de endurecimento, aumento da temperabilidade e estabilização da austenita em altas temperaturas, a qual se transforma em martensita no resfriamento do tratamento térmico de têmpera. Assim, a liga AISI 440C é o AIM de mais alto C, com elevada dureza, porém baixa resistência à corrosão na comparação com outras ligas inoxidáveis. O carbono tem grande afinidade pelo cromo e, ao formar carbonetos Cr 23 C 6, provoca queda da resistência à corrosão. Quando se deseja AI de mais alta resistência à corrosão deve-se limitar o teor de carbono a valores o mais baixo possível. Nos aços inoxidáveis austeno-ferríticos, superausteníticos e supermartensíticos modernos, os teores de C são limitados a 0,03%. O mesmo pode-se dizer das ligas austeníticas L ( low carbon ) e dos aços ferríticos modernos de boa soldabilidade. Cromo (Cr) Elemento ferritizante, tem como função principal conferir resistência à corrosão e oxidação em altas temperaturas nos aços através da formação do filme de passivação (Cr 2 O 3 ) na superfície do material. Para proteger o aço contra ações corrosivas do meio ambiente é necessário um teor mínimo de 11% desse elemento. Essa resistência é tão maior quanto maior for o teor de Cr na liga, porém é preciso ter o cromo dissolvido em solução sólida. Aços de teor de cromo igual ou superior a 20% são muito susceptíveis a formação de intermetálicos ricos em cromo, tais como a fase sigma (σ) (GUNN, 2003; IMOA, 2009). A precipitação destes intermetálicos, mesmo em aços de alto teor de Cr e Mo, provoca queda acentuada da resistência à corrosão.

25 25 Níquel (Ni) Elemento estabilizante da austenita (γ), o Ni também melhora a tenacidade e a resistência à corrosão dos AI, porem não é tão eficiente quanto o Cr (GUNN, 2003; IMOA, 2001). Nos aços inoxidáveis austeníticos (AIA) o Ni é utilizado em grande quantidade, em teores tão maiores quanto maiores forem os teores de elementos ferritizantes (Cr, Mo, etc.), de modo a se garantir a estrutura austenítica na liga. Nos aços de estrutura austeno-ferrítica, fazse um balanço dos elementos ferritizantes (Cr, Mo e Si) e austenitizantes (Ni, N e C), de modo a se obter aproximadamente 50% de ferrita e 50% de austenita após um adequado tratamento térmico. Os aços inoxidáveis ferríticos (AIF) e martensíticos (AIM) tradicionais não possuem adições importantes de Ni, porém os modernos aços supermartensíticos e superferríticos já incluem este elemento em sua composição. Nos aços inoxidáveis austeno-ferríticos (AID) altos teores de Ni são prejudiciais, pois ocorre uma precipitação excessiva de γ, produzindo um enriquecimento do Cr e do Mo na fase ferrítica (δ) e conduzindo desse modo à precipitação muito mais intensa de compostos intermetálicos no intervalo de temperatura entre 650ºC e 950ºC (GUNN, 2003). Molibdênio (Mo) Assim como o Cr, é um elemento ferritizante. É muito utilizado nos diversos tipos de AI com o efeito de aumentar a resistência à corrosão, especialmente corrosão por pites (GUNN, 2003; IMOA, 2009). Entretanto, o Mo aumenta também a chance de precipitação de compostos intermetálicos. Cobre (Cu) Eleva os limites de resistência à tração e escoamento. Para se obter ótima resistência à corrosão em soluções com 70% de H 2 SO 4 à 60ºC, adiciona-se 1,5% Cu em AID com 25% Cr. Já em soluções aquecidas de HCl, a adição de 0,5% Cu na liga diminui as taxas de dissolução ativa e de corrosão por frestas. Entretanto, a quantidade de Cu nos AID é limitada a 2%, pois acima disso ocorre a precipitação de finos compostos intermetálicos ricos em Cu que diminuem a ductilidade a quente (GUNN, 2003).

26 26 Nitrogênio (N) O aumento do teor de N favorece a formação de austenita, onde este elemento é dissolvido em solução sólida, reduzindo o risco de formação de nitretos. O N também promove diversos efeitos positivos nos AI, tais como, o aumento da resistência à corrosão por pites, a precipitação de austenita (γ), o aumento da resistência da liga devido ao mecanismo de endurecimento por solução sólida, além de atuar na estabilização dos AID contra precipitação de fases intermetálicas, tais como sigma (σ) e chi (χ) (GUNN, 2003; IMOA, 2001). Nos AIA, aumenta a resistência à corrosão por pite e retarda a formação da fase Cr-Mo. A combinação do N com o Mo resulta em uma ação sinérgica em termos de resistência à corrosão (GUNN, 2003). Manganês (Mn) Aumenta a temperabilidade, soldabilidade e o limite de resistência à tração dos aços, além de estabilizar os carbonetos. Nos AIM, adições de 1 a 2% de Mn têm pouca influência. Porém grandes adições (acima de 10%) aumentam a proporção da austenita residual após têmpera (COLOMBIER, 1967). Pequenos teores de manganês podem precipitar a formação de σ, entretanto, para altos teores ocorre a estabilização da austenita, retardando esta precipitação. A adição de Mn melhora a resistência mecânica da liga sem perda de ductilidade, assim como a resistência à abrasão e ao desgaste. Aumenta a solubilidade do N em solução sólida sem risco de gaseificação na liga. A combinação de Mn e N em AID torna a liga mais resistente à corrosão por pites, porém teores excessivos de Mn (3% a 6%) fazem cair bruscamente à resistência à esse tipo de corrosão (GUNN, 2003). Silício (Si) O Si aumenta a resistência à corrosão da liga em serviços a altas temperaturas e em serviços com presença de ácido nítrico em altas concentrações. Sua adição eleva o limite de escoamento e de resistência à tração, porém causa uma pequena diminuição da tenacidade, usinabilidade e condutividade térmica. Não é um elemento formador de carbonetos. Experimentos realizados em AID com altas proporções de Si (3,5 5,5%) mostraram que esses aços são imunes à corrosão sob tensão (CST), além de apresentar um aumento na resistência à corrosão por pites. Todavia, como o Si favorece a precipitação de fase sigma (σ), seu teor nos AID deve ser limitado a 1% (GUNN, 2003).

27 27 As principais famílias de AI, classificados segundo suas estruturas metalúrgicas, são ferríticos (AIF); martensíticos (AIM); endurecíveis por precipitação (PH Precipitation hardening); austeno-ferríticos, popularmente conhecidos como Duplex (AID); e austeníticos (AIA). A seguir, algumas características e propriedades destas famílias serão descritas. Aços Inoxidáveis Ferríticos (AIF) Os aços inoxidáveis ferríticos (AIF) são ligas Fe-Cr com teor de cromo que pode variar de 10,5 a 30% e adições de elementos como Mn, Ni, Al, Mo, Si e Ti. Apresentam estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC), o que lhes confere propriedades magnéticas. Estas ligas possuem boa ductilidade, conformabilidade, alto valor de limite de escoamento e baixo custo, mas sua resistência mecânica em elevadas temperaturas é relativamente baixa quando comparada com os aços inoxidáveis austeníticos (AIA). Também conhecidos por boa resistência à corrosão, mas se destacam, em relação aos AIA, por serem imunes a fenômenos de corrosão sob tensão. A soldabilidade dos AIF é limitada devido ao crescimento de grãos, o que provoca uma diminuição da tenacidade na zona termicamente afetada (ZTA) e metal de solda (MS). AI superferríticos foram recentemente desenvolvidos com altos teores de Cr e Mo a fim de se obter elevada resistência à corrosão. Podem ocorrer fases intermetálicas deletérias como σ, χ e α dependendo do teor de Cr, tratamento térmico e/ou das condições de serviço. Aços Inoxidáveis Martensíticos (AIM) Os aços inoxidáveis martensíticos (AIM) são ligas Fe-Cr-C contendo entre 10,5 a 18% Cr e o teor de carbono varia de modo a favorecer a formação de austenita na temperatura de tempera para propiciar posterior transformação martensítica no resfriamento (pode exceder 1,2%). Possuem estrutura cristalina CCC distorcida numa condição endurecida, resultando na estrutura martensítica. Podem ser endurecíveis através de tratamento térmico e neste estado apresenta estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado (TCC) devido à presença de maiores teores de carbono quando comparados com os AIF. Exibem alta resistência mecânica com valores de limite de resistência elevados e baixa ductilidade se comparados com os AIA e AIF. Podem ser facilmente trabalhados tanto a quente como a frio, principalmente quando o teor de carbono é baixo. São ferromagnéticos e sua resistência a corrosão decresce a medida que aumenta o teor de C, caracterizando-o como o menos resistente a corrosão dentre os AI.

28 28 Elementos como Nb, Si, W e V são adicionados para modificar a resposta ao revenimento após a têmpera. Os AIM foram desenvolvidos e vem sendo muito utilizados devido a alta resistência mecânica e elevada resistência à corrosão obtidas mediante adições controladas de Ni e Mo e redução de C contidos na liga. Aços Inoxidáveis Endurecíveis por Precipitação (PH) Os aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação (PH) são ligas Fe-Cr-Ni contendo elementos endurecedores por meio de precipitação tais como o Cu, Ti e Al. Possuem entre 12 a 17% Cr, 4 a 8% Ni e até 2% Mo, com matriz martensítica ou austenítica na condição recozida. Aqueles que são austeníticos no estado recozido são frequentemente transformáveis em martensíticos por meio de tratamentos térmicos, às vezes, com um tratamento térmico sub zero. Na maioria dos casos, estes AI podem atingir elevada resistência mecânica através do endurecimento por precipitação da estrutura martensítica. Apresentam resistência à corrosão e mecânica comparável à dos austeníticos e martensíticos, respectivamente. São também chamados de PH (precipitation-hardening), pois possuem como mecanismo de endurecimento a precipitação de partículas finas. Aços Inoxidáveis Austeno-ferríticos (AID) Os aços inoxidáveis austeno-ferríticos, conhecidos como duplex (AID), são formados por uma estrutura dupla de matriz ferrítica com ilhas de austenita em proporções semelhantes, logo apresentam estrutura mista CCC e CFC. Possuem em sua composição de Cr e de Ni, entre outros elementos de liga. Os principais elementos de liga são Cr e Ni, com teores entre 18 a 29% e 3 a 8%, respectivamente. Outros elementos como N, Mo, Cu, Si e W são adicionados para controlar o balanço microestrutural e fornecer resistência à corrosão. A resistência à corrosão dos AID é equivalente à resistência à corrosão dos AIA com teores de elementos de liga semelhantes. No entanto, os AID possuem limites de escoamento, limites de resistência e resistência à CST superiores aos AIA. A tenacidade dos AID está entre os AIA e AIF. Os aços austeno-ferríticos podem ser classificados de acordo com sua resistência à corrosão por pites em Lean duplex, Duplex, Superduplex e Hyperduplex.

29 29 Aços Inoxidáveis Austeníticos (AIA) Os aços inoxidáveis austeníticos (AIA) são ligas ferro-cromo-níquel não magnéticos que apresentam teores de Cr entre 15 a 26%, Ni até 35% e Mn até 15%. Possuem estrutura CFC devido ao uso de elementos austenitizantes como o Ni, Mn e N. A maioria dos AIA não é endurecível por tratamentos térmicos, apenas por trabalho a frio, o que pode torna-los ligeiramente magnéticos em determinadas designações. Apresentam como principais características a boa soldabilidade e excelente resistência à corrosão, alta ductilidade, alta resistência à fluência, porém baixos limites de escoamento e de resistência à temperatura ambiente. Por terem estrutura CFC não possuem transição dúctil frágil com a diminuição da temperatura e, portanto, possui elevada tenacidade. São muito susceptíveis ao fenômeno de corrosão intergranular conhecido como sensitização em consequência do processamento termomecânico ou quando expostos em determinadas temperaturas de serviço. Porém este fenômeno pode ser minimizado com o decréscimo do teor de carbono (C) a valores da ordem de 0,03% ou com o emprego de ligas de AIA estabilizadas ao Nb ou Ti. A adição de molibdênio (2 a 4 %), em determinados graus, aumenta a resistência à corrosão por pites, sempre e quando este elemento se encontre dissolvido em solução solida na matriz. Os elementos Mo, Cu, Si, Al, Ti e Nb podem ser adicionados para garantir certas propriedades em condições específicas, por exemplo, o Mo melhora a resistência à corrosão por pites (ASM, 1990). Os aços da série 200 contem N, Mn de 4 a 15,5%, e Ni até 7%. Os da série 300 contem maiores teores de Ni e o Mn pode chegar até 2%. Os AI desta família são os mais utilizados dentre as outras classes, sendo o AISI 304 o grau mais produzido. A figura 1 mostra a partir do aço AISI 304 quais os AI e as propriedades que podem ser conseguidas com a modificação da composição química.

30 30 Figura 1 - Fluxograma de algumas modificações da composição química do aço AISI 304 para produzir propriedades especiais (SEDRIKS, 1996) A tabela 4 apresenta algumas composições dos AIA contendo os principais elementos de liga. O Cr (na faixa de 15 a 26%) confere aos aços a resistência à corrosão e o Ni favorece a estabilidade da austenita, quando presente na faixa de 5 a 37%. Em alguns aços, o Mo pode está presente na faixa de 2,0 a 4,0% para melhorar a resistência à corrosão por pites do material. Tabela 4 - Composição química de aços inoxidáveis austeníticos (PLAUT et al, 2007). Material AISI C Mn Si Cr Ni Mo N Outros [%peso] 202 0,15 7,5-10,0 1,0 17,0-19,0 4,0-6,0-0, ,12 0,15 14,0-15,5 1,0 16,5-18,0 1,0-1,75-0,32-0, ,08 2,0 1,0 18,0-20,0 8,0-10, ,08 2,0 1,0 16,0-18,0 10,0-14,0 2,0-3, ,08 2,0 1,0 17,0-19,0 9,0-12,0 - - Ti 5x%C

31 31 Os AIA vêm sendo muito utilizados em feixes de tubos de permutadores de calor em sistemas de circuito fechado de água de aquecimento e de resfriamento devido a sua boa resistência à corrosão. Entretanto o teor de cloreto deve ser controlado e as superfícies do material ausentes de depósitos e sujeiras. Por exemplo, o aço AISI 304 pode resistir à corrosão por pites em meios contendo teores de cloreto de 1000 ppm ou superior, isto na ausência de incrustações, frestas, na condição de estagnação (ASM, 1987). Tais condições podem permitir que os íons de cloreto se concentrem na superfície do metal e iniciem o pite. Os AIA podem sofrer um forte ataque localizado na presença de cloretos, principalmente em regiões que apresentam uma heterogeneidade metalúrgica. A deterioração por pites em meios contendo cloreto é um tipo muito grave de corrosão devido à rapidez com que seções metálicas podem ser perfuradas e este processo é intensificado na presença de oxigênio em solução (EL-ROUBI et al., 2006, ASM, 1987). A temperatura e o ph são conhecidos por influenciarem na corrosão por pites. Assim, em condições de baixas temperaturas e elevados ph, os AIA se tornam imunes à corrosão por pites. Entretanto, para um meio particular, um tipo de AI pode ser caracterizado por uma única temperatura, ou uma faixa muito estreita de temperaturas, acima do qual irão iniciar a corrosão por pites, e abaixo do qual a corrosão não ocorrerá. Esta temperatura é conhecida como temperatura crítica de pite (CPT Critical Pitting Temperature). Assim, é possível selecionar um tipo que não estará sujeito à corrosão por pites se o meio e a temperatura não excederem os níveis críticos (EL-ROUBI et al., 2006, ASM, 1990). Alguns AIA apresentam adições de Mo e N de modo a aumentar o PREN. Surgiram então os aços superausteníticos (PLAUT et al, 2007), que foram desenvolvidos para aplicações agressivas, tais como ambientes marinhos e outras aplicações envolvendo altas temperaturas. Os aços da série super possuem elevados valores de PRE, o que indica uma alta resistência à corrosão por pites (HEINO; KARLSSON, 2001). Um dos mais conhecidos é o 254 SMO, que possui uma maior resistência a concentração de cloretos podendo ser empregados em maiores temperaturas. Desta forma, é uma opção aos AID e ligas de níquel (RITONI et al, 2007). O aço 254 SMO, objeto deste estudo, faz parte desta família, e será detalhado a seguir.

32 AÇOS INOXIDÁVEIS SUPERAUSTENÍTICOS (AISA) A família dos aços inoxidáveis austeníticos superausteníticos (AISA), também chamados de aços inoxidáveis de alta performance, apresenta muitas características similares aos aços austeníticos convencionais. Na condição recozida consistem de uma única fase, austenita cúbica de face centrada, e são não magnéticos. Esta estrutura é caracterizada, relativamente, por um baixo limite de escoamento, alta taxa de encruamento, elevada resistência mecânica, boa ductilidade e maleabilidade e excelente tenacidade a baixa temperatura, não sendo endurecidos por tratamento térmicos. Os AISA se distinguem por sua superior resistência a corrosão em uma grande variedade de ambientes agressivos, quando comparados com os AIA convencionais graus 304 e 316. Esta maior resistência ao pite e a corrosão sob tensão é especialmente evidente em ambientes com cloretos, como resultado do alto teor de cromo, níquel, molibdênio e nitrogênio. A produção deste material com baixos teores de carbono permite preservar sua resistência durante o trabalho a quente e operações de soldagem, sendo utilizado extensivamente em tubulações offshore e nuclear, onde a qualidade da solda é extremamente importante. Na tabela 5 a seguir pode-se comparar a composição química e o PRE das principais ligas superausteníticas com a dos AI convencionais 316L e 317L. Tabela 5 - Composição química dos aços inoxidáveis austeníticos de alta performance (Adaptada de NICKEL INSTITUTE, 2014) Nome UNS C N Cr Ni Mo Cu Outros PRE 316L S ,03 0,10 16,0-18,0 10,0-14,0 2,0-3, L S ,03 0,10 18,0-20,0 11,0-15,0 3,0-4, L N ,02-19,0-23,0 23,0-28,0 4,0-5,0 1,00-2, SMO S ,02 0,18-0,22 19,5-20,5 17,5-18,5 6,0-6,5 0,50-1, SMO S ,02 0,45-0,55 24,0-26,0 21,0-23,0 7,0-8,0 0,30-0,60 Mn: 2,0-4,0 Cu: 0,3-0,6 54 A família de ligas dos AISA com 6% Mo, incluindo o 254 SMO, foi originalmente projetada para resistir à corrosão localizada em água do mar à temperatura ambiente. Esta característica é atingida com o uso de um teor relativamente alto de N, Cr e Mo, resultando em um PRE na faixa de 40 a 43. O alto teor de N ajuda a estabilizar a austenita, resultando