PRODUÇÃO DA JUNTA SOLDADA DO AÇO ASTM A335 P11 PARA TUBULAÇÃO DE VAPOR EM CALDEIRAS: CARACTERIZAÇÃO POR ANÁLISE MICROESTRUTURAL E MICRODUREZA Péricles Bosquetti 1, Luiz Antonio Simões 2, Matheus Covre 3, Alessandro Fraga Farah 4, José Roberto Garbin 5, Laura Alves Coelho 6, Mara Regina Mellini Jabur 7, Mirian Isabel Junqueira Sarni 8 1 Professor Doutor da Faculdade de Tecnologia de Sertãozinho. Rua Jordão Borghetti, 480 - Jardim Recreio, Sertãozinho - SP, 14170-120 - (16) 3942-5806 (pericles.bosquetti@fatec.sp.gov.br) 2 Tecnólogo em Mecânica: Processos de soldagem FATEC-Sertãozinho (pericles.bosquetti@fatec.sp.gov.br) 3 Tecnólogo em Mecânica: Processos de soldagem FATEC-Sertãozinho (pericles.bosquetti@fatec.sp.gov.br) 4 Professor Doutor da Faculdade de Tecnologia de Sertãozinho. Rua Jordão Borghetti, 480 - Jardim Recreio, Sertãozinho - SP, 14170-120 - (16) 3942-5806 (alessandro.farah@fatec.sp.gov.br) 5 Professor Doutor da Faculdade de Tecnologia de Sertãozinho. Rua Jordão Borghetti, 480 - Jardim Recreio, Sertãozinho - SP, 14170-120 - (16) 3942-5806 (jose.garbin@fatec.sp.gov.br) 6 Professora Auxiliar Docente da Faculdade de Tecnologia de Sertãozinho, curso de Tecnologia em Mecânica: processos de soldagem. Rua Jordão Borghetti, 480 - Jardim Recreio, Sertãozinho - SP, 14170-120 - (16) 3942-5806 (laurinha.coelho_stz@yahoo.com.br) 7 Professora Mestre da Faculdade de Tecnologia de Sertãozinho. Rua Jordão Borghetti, 480 - Jardim Recreio, Sertãozinho - SP, 14170-120 - (16) 3942-5806 (maramellini@yahoo.com.br) 8 Professora Mestre da Faculdade de Tecnologia de Sertãozinho. Rua Jordão Borghetti, 480 - Jardim Recreio, Sertãozinho - SP, 14170-120 - (16) 3942-5806 (mirian.sarni@hotmail.com) Resumo - Neste trabalho, avaliaram-se as diferenças microestruturais formadas a partir da fabricação de tubulações de vapor (SENAI 2013) em aço-carbono ASTM A335 em que as juntas soldadas que foram utilizadas na união destas tubulações sofreram a aplicação de dois diferentes tipos de tratamento térmico: uma normalização e um revenimento a altas temperaturas, e então sendo feitas comparações com uma amostra das mesmas tubulações que não sofreram tratamentos (BATAGLIN, 2013) na fabricação. Para estas comparações, utilizaram-se ensaios de microdureza Vickers ao longo da seção soldada e análise metalográfica, os quais apontam as principais diferenças microestruturais de cada tratamento térmico e da amostra não tratada (BRACARENSE, 2013). Os tratamentos térmicos mostraram-se adequados melhorando sensivelmente a microestrutura da região soldada e tornando as propriedades mecânicas mais adequadas pela diminuição da dureza e, consequentemente, mais dúcteis. Palavras-Chave: Microestrutura. ASTM A 335 P11. Tratamentos térmicos. Introdução A indústria sucroalcooleira utiliza equipamentos geradores de vapores, devido à grande quantidade de biomassa provinda da cana-de-açúcar que pode assim ser aproveitada pela transformação de sua queima em vapor e sucessivamente em energia mecânica ou elétrica (PASCOALI, 2013). Assim, tem-se que a geração o vapor é de fundamental importância na indústria e seu transporte se faz necessário. Dessa forma, a boa resistência de uma junta soldada, que é a região mais crítica de uma tubulação, bem como os tratamentos térmicos pós-soldagem de uniformização da microestrutura, são importantes para o bom funcionamento destes sistemas, sendo para isso importante a avaliação das diferenças microestruturais e de microdureza ao longo das juntas soldadas (GIMENES, 2013). O aço ligado ASTM A335 P11 é muito utilizado em tubulações por ter bom desempenho quando em uso em alta temperatura, e pode apresentar diferentes comportamentos quando se aplicam diferentes tipos de tratamentos térmicos. Desse modo, para o estudo desses sistemas soldados, produziram-se as diferentes amostras iniciando pelo processo de soldagem TIG (FONSECA, 2013), seguidos da aplicação dos tratamentos térmicos e da avaliação da microdureza e, por fim, a análise da microestrutura das amostras nas diferentes regiões da junta soldada. Avaliou-se uma peça em que foi aplicado um tratamento térmico de normalização a 900 C e, à outra, um alívio de tensão (revenimento a alta temperatura) a 675 C, e comparado com uma amostra em que não houve tratamento (GIMENES, 2013). Em seguida, foi avaliada a microdureza ao longo da junta por meio do ensaio Vickers e fez-se a análise metalográfica para avaliar as diferenças na microestrutura dos tubos de aço soldados nas diferentes regiões (MARQUES et al., 2009).
Parte Experimental Processo de Soldagem TIG Para a soldagem das amostras, utilizou-se fonte inversora de frequência, modelo Thermal Arc 300GTW AC/DC, da Thermandyne, em que os parâmetros utilizados na soldagem foram os mesmos para todos os corpos de prova. Para soldagem TIG realizada, foram utilizados os parâmetros descritos na Tabela 1. Tabela 1 Parâmetros de Soldagem. Região Polaridade Tensão(V) Corrente (A) Raiz CC- 10/20 100/120 Enchimento CC- 20/30 120/160 Acabamento CC- 20/30 120/160 Os outros componentes utilizados na soldagem foram: argônio puro como gás de proteção a 13 L/min; eletrodo de tungstênio de 2,4mm EW Th-2 Tório (vermelho); ângulo de Bisel 45º; temperatura de preaquecimento 94ºC; temperatura de entre passes 35ºC, sendo que os procedimentos de soldagem foram realizadas na TGM Turbinas Indústria e Comercio Ltda, e os principais parâmetros utilizados seguiram especificações EPS de produção já utilizados na empresa. Metal de Adição Utilizou-se a vareta ER 80S-B2, indicada para soldagem de aços baixa liga, ligados ao cromo e molibdênio, sendo estas varetas especialmente indicadas para aços que poderão atingir em condições de trabalho, temperaturas de até 550 C ou ficar submetidos a atmosferas ricas em gases sulfurosos. A Tabela 2 mostra a composição química da vareta. Tabela 2 Composição Química (Típica) %. C Mn Si P S Ni Cr Mo 0,07-012 0,12-0,40 0,40-0,70 0,025 0,025 0,20 1,20-1,50 0,40-0,65 Tratamentos Térmicos Nas amostras estudadas, foram utilizados dois tipos de tratamento térmico: a normalização e o revenimento a alta temperatura para uniformização das microestruturas e uniformização dos tamanhos de grãos. Para a normalização, utilizou-se um forno para tratamento térmico, mantendo a amostra à temperatura de 900ºC por uma hora e, em seguida, resfriou-se ao ar. Para o revenimento, utilizou-se o forno colocando-se a amostra à temperatura de 675ºC por uma hora, sendo em seguida, resfriada ao ar. Preparação das Amostras Após aplicação dos tratamentos térmicos, retirou-se parte do corpo de prova para ser analisado, possibilitando a avaliação do metal de base quanto ao metal de adição incluindo, portanto, a zona de fusão, e região da ZAC (Zona Afetada pelo Calor). Após o corte, as amostras foram preparadas adequadamente para análise metalográfica, lixando-se e polindo-se, e realizando-se o ataque químico utilizando-se o NItal 2% para revelar a microestrutura da região soldada. Análises Metalográficas As análises metalográficas foram realizadas para estudo da morfologia e microestrutura dos aços soldados deste trabalho, aplicando-se ampliações de 100x, 200x e 500x, sendo realizadas em um microscópio ótico da marca Kontrol
modelo IM713 para visualização e identificação das microestruturas feitas por meio de um sistema de captura de imagens integrado, que permitiu o registro das análises realizadas. Análises por Microdureza Vickers Realizou-se ensaio de microdureza Vickers, carga de aplicação de 0,49 Kgf por 15s, penetrador cônico de diamante, na secção transversal à soldagem seguindo o perfil de dureza para chanfro em V da norma Petrobrás N-0133 Rev. H, conforme Figura 1. Figura 1 Perfil de microdureza especificado pela norma N-0133 Rev. H. Resultados e Discussão Análise Metalográfica do Aço ASTM A335 P11 sem Tratamento Térmico Por meio da análise metalográfica, as microestruturas formadas nos aços submetidos, ou não, aos diferentes tipos de tratamento térmico. Nas microestruturas apresentadas, o aço não passou por tratamento algum após a soldagem. As regiões apresentadas são: a região do metal de base, conforme ilustrado na Figura 1; a Figura 2 mostra a zona fundida, ou seja, o metal depositado na soldagem e a ZAC (zona termicamente afetada pelo calor) que é a transição entre a zona fundida e o metal de base, ilustrado na Figura 3. Todas as microestruturas foram obtidas por ataque com NItal 2%. Figura 2 Metal de base do aço ASTM A335 P11 sem tratamento térmico, Nital 2%, aumentos em 200x e 400x.
Figura 3 Região da solda no aço ASTM A335 P11 sem tratamento térmico, Nital 2%, aumentos em 200x e 400x. Figura 4 Região da ZAC no aço ASTM A335 P11 sem tratamento térmico, Nital 2%, aumentos em 100x e 200x. Observou-se, por meio das microestruturas da região de solda (metal fundido) que, nestas regiões, houve a formação dendrítica e grãos colunares, típica de solidificação, o que faz com que essa região deva apresentar características mais frágeis e propriedades mecânicas inferiores, além de ocasionar durezas mais altas, exigindo a aplicação de tratamentos térmicos posteriores. A região da ZAC apresentou uma microestrutura com grãos menores em média que os grãos do metal de base, o que pode ser devido ao baixo tempo de resfriamento pós-soldagem o que refletiu na microdureza mais alta que no metal de base. Aço ASTM A335 Revenido a 650ºC Observaram-se diferenças nas microestruturas encontradas ao analisar a amostra do aço após revenimento a 650ºC por uma hora. A Figura 5 mostra o metal de base revenido; a Figura 6 ilustra a região da solda e, na Figura 7, observa-se a região da ZAC revenida.
Figura 5 Metal de base do aço ASTM A335 P11 Revenido a 650ºC, Nital 2%, aumentos de 200x e 400x. Figura 6 Região da solda no aço ASTM A335 P11 Revenido a 650ºC, Nital 2%, aumentos de 200x e 400x. Figura 7 Região da ZAC no aço ASTM A335 P11 Revenido a 650ºC, Nital 2%, 100x e 200x. Após revenimento, observou-se uma sensível melhora na microestrutura na região da solda, uma vez que foi possível o processo de difusão que favorece a formação das microestruturas ferríticas e perlíticas esperadas, pela composição do metal de solda utilizado. Esse fato melhora as propriedades mecânicas dessa região, bem como tornar a mesma mais dúctil e apropriada para o uso, o que pode ser observado pela sensível queda na microdureza dessa região em relação à mesma sem tratamento. Observou-se também, uma melhor uniformização nos tamanhos de grãos da ZAC em relação à amostra não tratada e um ligeiro aumento, porém esperado, do tamanho médio de grãos do metal de base.
Aço ASTM A335 P11 Normalizado a 900ºC Podem-se ainda observar as diferenças nas microestruturas formadas no aço após processo de normalização a 900ºC por uma hora. A Figura 8 mostra o metal de base normalizado; a Figura 9 ilustra a região da solda e, na Figura 10, observa-se a região da ZAC normalizada. Figura 8 Metal de base ASTM A335 P11 Normalizado a 900ºC, Nital 2%, aumentos de 200x e 400x. Figura 9 Região da solda no aço ASTM A335 P11 Normalizado a 900ºC, Nital 2%, aumentos de 200x e 400x. Figura 10 Região da ZAC no aço ASTM A335 P11 Normalizado 900ºC Nital 2%, aumentos de 200x e 400x. Ao analisar as microestruturas, observou-se o aumento do tamanho de grãos na ZAC (Zona Afetada pelo Calor), bem como na região do metal de base devido ao efeito da normalização, por conta da difusão no forno e durante seu
resfriamento lento ao ar, que favorece ao crescimento dos grãos. A região soldada também apresentou granulometria mais grosseira, que pode ter como consequência, o aumento da microdureza observada nessa região. Resultados dos Ensaios de Microdureza Vickers A Figura 11 apresenta os valores encontrados no ensaio de microdureza Vickers para o corpo de prova que não sofreu tratamento térmico. Figura 11 Perfil de microdureza obtida no CP sem tratamento térmico pós-soldagem. O perfil de microdureza Vickers obtida para o corpo de prova submetido ao tratamento térmico de revenimento a 650ºC está demonstrado na Figura 12. Figura 12 Perfil de microdureza do CP após revenimento a 650ºC pós-soldagem. Os valores de microdureza Vickers encontrados para o corpo de prova submetido ao tratamento térmico de normalização a 900ºC estão representados na Figura 13. Figura 13 Perfil de microdureza do CP após normalização a 900ºC pós-soldagem.
Conclusão Comparando-se as microestruturas e os perfis de dureza encontrados para a soldagem realizada, verificou-se que se faz necessário o tratamento térmico pós-soldagem, visto que a microestrutura obtida após a soldagem sem tratamentos pós-soldagem apresenta a região de metal fundido com alta dureza e microestrutura bruta de solidificação, tornando essa região mais frágil e provavelmente de propriedades mecânicas inferiores. Ambos os tratamentos térmicos pós-soldagem utilizados nos processos de fabricação dos corpos de prova analisados mostraram-se adequados melhorando sensivelmente a microestrutura da região soldada e tornando as propriedades mecânicas mais adequadas, pela diminuição da microdureza em todo perfil das regiões de soldagem e ZAC. Como consequência da diminuição do perfil de microdurezas, obtêm-se propriedades mais dúcteis para o material. Comparando os dois tratamentos pós-soldagem, observou-se que a normalização apresentou grãos ligeiramente mais grosseiros, o que pode ser melhorado com uma diminuição do tempo de austenitização. Referências BATAGLIN, M. Tratamento Térmico. Instituto Federal de Santa Catarina. Chapecó. Disponível em: < http://professores.chapeco.ifsc.edu.br/marcelo/files/2013/03/aula_12_tratamentos-termicos.pdf >. Acessado em 06 de mai. 2013. BRACARENSE, A. Q. Processo de Soldagem TIG GTAW. Universidade Federal de Minas Gerais. Belo Horizonte. Disponível em: <http://www.infosolda.com.br/images/downloads/artigos/ processos_solda/processo-de-soldagemtig-gtaw.pdf >. Acessado em 01 de mai. 2013. FONSECA, A. S. Soldagem TIG. Centro de Formação Profissional Aloysio Ribeiro de Almeida - SENAI Varginha MG. Disponível em: <http://www.elitemaquinas.com.br/site/images/ pdf_files/soldagem_tig.pdf>. Acessado em 25 de abr. 2013. GIMENES J. L. Tratamento Térmico em Juntas Soldadas. Disponível em: < http://www.infosolda.com.br/artigos/metalurgia/323-tratamento-termico-em-juntas-soldadas.html>. Acessado em 06 de mai. 2013 MARQUES, P. V.; MODENESI, P. J.; BRACARENSE, A. Q., 2009, Soldagem: Fundamentos e Tecnologia. 3. ed. Belo Horizonte: UFMG, 2009. PASCOALI, S. Módulo II:Tecnologia dos Materiais I. CEFET/Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina - Unidade de Araranguá Curso Técnico. Disponível em: <https://wiki.ifsc.edu.br/mediawiki/images/a/a1/ Aru_suzy_apostila_tecnologia_dos_materiais.pdf>. Acessado em 13 de mai. 2013. SENAI Programa de Certificação Operacional CST. Tubulação Industrial e estruturas. CST- Companhia Siderúrgica de Tubarão. Disponível em: <http://www.abraman.org.br/arquivos/51/51.pdf>. Acessado em 07 de mai. 2013.