Soldabilidade dos Aços Inoxidáveis Soldabilidade dos Aços Inoxidáveis Austeniticos Ramón Sigifredo Cortés Paredes LABATS DEMEC UFPR 2012 1
Aços inoxidáveis: Austeníticos Tipo %C (máx.) %Cr %Ni %Mn (máx.) %Si (máx.) outros 201 0,15 16-18 3,5 5,5 5,5 7,5 1,0 até 0,25%N 301 0,15 16-18 6 8 2,0 1,0-302 0,15 17-19 8-10 2,0 1,0-304 0,08 18 20 8 10,5 2,0 1,0-304L 0,03 18 20 8 12 2,0 1,0-304N 0,08 18-20 8 10,5 2,0 1,0 0,16-0,30%N 316 0,08 16 18 10 14 2,0 1,0 2 3%Mo 316L 0,03 16 18 10 14 2,0 1,0 2 3%Mo 317 0,08 18 20 11 15 2,0 1,0 3 4%Mo 321 0,08 17 19 9 12 2,0 1,0 %Ti = 5 x %C 347 0,08 17 19 9 13 2,0 1,0 %Nb = 10 x %C 310 0,25 24 26 19 22 2,0 1,5-310S 0,08 24-26 19-22 2,0 1,5 -
Esquemas de estruturas de solidificação de aços inoxidáveis a solidificação começa com a precipitação da ferrita delta primária com morfologia dendrítica. No caso 3 a região interdendrítica é formada por um eutético separado, composto por austenita e ferrita delta. Durante o resfriamento posterior, a austenita do eutético cresce consumindo parte da ferrita eutética e da ferrita primária por meio da transformação de fases no estado sólido, controlada pela velocidade de resfriamento.
ESQUEMAS DE ESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO DE AÇOS INOXIDÁVEIS Nos aços da série AISI/ASTM que tem uma relação entre o cromo equivalente e níquel equivalente menor que 1,48 (Cr eq /Ni eq <1,48) solidificam em austenita primaria. A morfologia da ferrita interdendrítica é do tipo vermicular, típica das estruturas de fundição. Impurezas, como o enxofre, aparecem segregadas fortemente na forma interdendrítica. 1,48 Cr eq /Ni eq 1,95 3b, 3c e 3d mostram precipitações de austenita do tipo Wismanstaten, gerando uma estrutura formada por placas de austenita e ferrita delta retida entre as placas
ESQUEMAS DE ESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO DE AÇOS INOXIDÁVEIS Quando a relação Cr eq /Ni eq é maior que 1,95, a fase primária é ferrita delta, nucleando na austenita só no estado sólido preferentemente nos contornos de grão, geralmente o crescimento da austenita é em forma de placas através dos grãos primários, como mostra o caso 4 da Figura. O resultado é uma estrutura de placas de austenita com ferrita delta retida A característica principal da solidificação em fase ferrítica se relaciona com a distribuição do enxofre, que resulta mais uniforme dentro dos grãos primários. As relações de Cr eq /Ni eq que delimitam a aparição dos diferentes tipos de morfologias da ferrita, associados com as diferentes formas de solidificação, podem ser modificados em função da velocidade de resfriamento.
ESQUEMAS DE ESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO DE AÇOS INOXIDÁVEIS Principais elementos estruturais presentes no metal de solda de aços austeníticos: Originados durante a solidificação: - Austenita primária (%) - Ferrita delta primária (% e localização) - Ferrita delta eutética (% e localização) - Microsegregação (conteúdo de P + S e distribuição) - Inclusões não metálicas (tipo, tamanho e distribuição). Originados durante as transformações de fase em estado sólido: - Austenita poligonal (% de austenita em contorno de grão + austenita poligonal) - Placas de austenita (%)
Trinca de Solidificação
H V I v S O aporte de calor tem relação direta com o tamanho da poça de fusão, com a largura da regiões aquecidas ZTA e com as transformação da estrutura que possam ocorrer nessas regiões. Na soldagem dos aços inoxidáveis é possível prever o tempo de resfriamento entre 1200 e 800 ºC em função da energia de soldagem utilizada.
Tempo de resfriamento entre 1200 o C e 800 o C: v R t 12/ 8 f ( e, H, T 800 1200 dt vr o, C...) Fonte: A. J. Ramiréz-Londono, S. D. Brandi, Soldagem & Inspeção, ano 3, vol. 4 (1996) pp. 1-16.
Trinca de Solidificação segregação T1 = Tensão gerada pela expansão térmica T2 = Tensão de contração gerada pela solidificação T1 > T2 Trinca
Trinca de Solidificação
Trinca de Solidificação
Trinca de solidificação na cratera e não cordão de solda
Trinca de Solidificação Trinca a quente Ocorre no metal de solda devido à segregação de impurezas (S,P,C,...). Se agrava com o aumento do aporte de calor. Para evitá-la o metal de solda deve conter de 3 a 8% de ferrita delta. Consumíveis com alto Mn também são recomendados.
EFEITO DA FERRITA DELTA Há pelo menos duas explicações para o efeito benéfico da ferrita delta: 1 ela tem maior capacidade de se deformar em altas temperaturas, o que seria importante para aliviar as tensões geradas durante o processo; e 2 mesmo em percentuais de 5 a 10%, há um efeito de refino de grão, impedindo que se obtenha uma estrutura de grãos colunares com alta concentração de elementos deletérios. Ferrita em solda de aço inoxidável austenítico
EFEITO DA FERRITA DELTA Outros efeitos da ferrita delta no cordão de solda são o aumento da resistência mecânica e a diminuição da tenacidade. Ela também provoca o aumento da resistência à corrosão sob tensão por cloretos. Por outro lado, aços contendo Mo (AISI 316 e 317) sofrem corrosão seletiva da ferrita quando em contato com uréia aquecida e, se utilizados em altas temperaturas, experimentam a formação de fase sigma a partir da ferrita rica em Cr. 42
Recomendações para evitar ou minimizar a trinca a quente -Utilizar aporte de calor adequado e controlar a largura e a forma do cordão. - reduzir ao máximo a diluição para evitar introduzir contaminação do metal de base na solda. - se possível reduzir a restrição ou realizar uma almofada com o próprio consumível antes de soldar com restrição. - se possível utilizar consumível bifásico em ligas monofásicas, mas tendo cuidado principalmente com a resistência à corrosão.
SENSITIZAÇÃO EM SOLDAS MULTIPASSE Regiões da ZTA experimentam temperaturas na faixa de sensitização. O problema pode se agravar com o aumento do aporte de calor e em operações de soldagem multipasse 24.0 m 12.0 m
SENSITIZAÇÃO EM SOLDAS Tampa de Bolier: AISI 304 para aquecimento de água para piscina
SENSITIZAÇÃO EM SOLDAS Corrosão intergranular na Tampa de Bolier de aço AISI 304 para aquecimento de água para piscina
CORROSÃO EM SOLDAS Diversos tipos de corrosão na soldagem na Tampa de Bolier de aço AISI 304 para aquecimento de água para piscina
Trincas e Corrosão intergranular
Medidas para se evitar a corrosão intergranular nos aços inoxidáveis austeníticos: - Regenerando um aço sensitizado - 1050 o C 1100 o C resfriamento em água - 900 o C (healing) - Utilizando aços com baixo teor de carbono ( L ): - 304L, 316L, 317L (%C < 0,03%) - Reduzindo o teor de carbono retarda-se a cinética de precipitação dos carbonetos - Utilizando aços estabilizados ao Ti (AISI 321) ou Nb (AISI 347): - O Nb e o Ti formam carbonetos (NbC e TiC) evitando a formação dos carbonetos de cromo (Cr 23 C 6 ). - Estes aços devem passar por um tratamento de estabilização após a soldagem ou antes da utilização na faixa de 600 o C a 700 o C.
Problemas relacionados à soldagem dos aços estabilizados ao Ti/Nb Corrosão risco de faca Trinca de reaquecimento Como realizar o tratamento de estabilização após a soldagem?
MEDIDAS PARA SE EVITAR A CORROSÃO INTERGRANULAR NOS AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS: - O tratamento térmico de estabilização deve provocar a precipitação de NbC ou TiC, retirando todo o carbono de solução sólida - O tratamento térmico de estabilização deve ser feito na faixa de 850 o C a 950 o C.
TENSÕES RESIDUAIS O nível de tensões residuais em aços inoxidáveis austeníticos pode ser bem alto devido a esta classe de materiais apresentar um coeficiente de expansão elevado Este é um problema que pode provocar o surgimento de trincas de corrosão sob tensão durante o uso. Tratamentos térmicos de alívio de tensões em aços inoxidáveis austeníticos, entretanto, não são de fácil realização, pois requerem temperaturas elevadas (>900 o C) para serem efetivos e se evitar a sensitização. No setor nuclear, para certos usos, tais tratamento são especificados, selecionando-se aços estabilizados ao Ti ou Nb.
ALÍVIO DE TENSÕES RESIDUAIS Alívio de Tensões Térmico [forno, chama, aquecimento indutivo] Mecânico [martelamento, shot peening]
SOLDAGEM DOS AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENITICOS Previsão da soldabilidade dos aços inoxidáveis austeniticos 58
DIAGRAMA DE SHAEFFLER
Exemplo de utilização do diagrama de Shaeffler: Soldagem dissimilar de um aço SAE 4340 (aço baixa liga de alta temperabilidade) com eletrodo austenítico. Selecionar o eletrodo mais apropriado entre os tipos AWS 308L, 309L, 309MoL e 312, considerando um processo de soldagem com diluição de 25%. Material %Cr %Mo %Ni %C %Nb %Si %Mn Ni eq. Cr eq. Figura SAE4340 [1] 1,85 0,25 0,80 0,40-0,03 0,40 7,0* 2,15 1 AWS308L [2] 19,5 0,5 10,5 0.03-0,90 1,5 12,15 21,35 2 AWS309L [3] 23,5 0,5 13,0 0,03-0,90 1,5 14,65 25,35 3 AWS309MoL [4] 23,5 2,5 13,0 0,03-0,90 1,5 14,65 27.35 4 AWS312 [5] 29,0 0,5 9,25 0,10-0,90 1,5 13,00 30,85 5 Exercício: a) Qual o objetivo de se utilizar um eletrodo de aço inox austenítico para soldar um aço SAE 4340? b) Existe alguma desvantagem neste procedimento?
CONTINUAÇÃO EXEMPLO DE UTILIZAÇÃO DO DIAGRAMA DE SHAEFFLER Com o eletrodo AWS 308L obtém-se uma microestrutura de martensita e austenita, não recomendada por ser susceptível à trinca a frio. Com o eletrodo AWS 309L obtém-se uma estrutura quase que totalmente austenítica, contendo menos que 5% de ferrita delta e, portanto, susceptível a trinca a quente. O eletrodo AWS 309MoL fornece uma estrutura de austenita com 10% de ferrita delta, que é considerada ideal. O eletrodo AWS 312 neste caso vai fornecer uma estrutura contendo cerca de 15% de ferrita delta teor já considerado elevado demais
CONTINUAÇÃO EXEMPLO DE UTILIZAÇÃO DO DIAGRAMA DE SHAEFFLER
Diluição na Soldagem 65 A = A2 B = A1
Diluição na Soldagem Processo Diluição [%] Observações Brasagem 0 Neste processo não funde o metal de base Oxigas 1-5 Com material de aporte Eletroescória 5 Eletrodo revestido 30 Primeira passada em junta a topo com chanfro Eletrodo revestido 10-20 Passadas seguintes Arco submerso 60 Resistência 100 Não tem material de aporte MIG 20-40 TIG 20-30
SOLDABILIDADE DOS AÇOS INOXIDÁVEIS 67 Autor Ano Cromo equivalente [%] Níquel Equivalente [%] Schaeffler 1949 Cr + Mo + 1,5Si + 0,5 Nb Ni + 0,5Mn + DeLong et al. 1956 Cr + Mo + 1,5Si + 0,5 Nb Ni + 0,5Mn + + 30N Hull 1973 Hammar e Svennson Siewert et al. WRC Cr + 1,21Mo + 0,48Si + 0,14Nb + 2,27V + 0,72W + 2,20Ti + 0,21Ta + 2,48Al Ni + (0,11Mn 0,0086Mn 2 ) + 14,2N + 0,41Co + 0,44Cu 1979 Cr + 1,37Mo + 1,5Si + 2Nb + 3Ti Ni + 0,31Mn + + 14,2N + Cu 1992 Cr + Mo + 0,7Nb Ni + + 20N + 0,25Cu
Diagrama de DeLong
Diagrama WRC-1992 Permite prever a estrutura da poça de solidificação que utiliza os cálculos de Creq. e Nieq. Ainda neste diagrama observa-se 4 formas de solidificação: A = austenita como fase primária e monofásica, F = ferrita como fase primária e monofásica, AF = austenita primária e um eutético de austenita e ferrita no espaço interdendritico, FA = ferrita primária e um eutético de austenita e ferrita no espaço interdendritico.
DIAGRAMA WRC-1992 Finalmente, o efeito do cobalto não é considerado pelos diagramas de Schaeffler e WRC. No entanto o cobalto é um importante elemento para a resistência à cavitação. Assim desenvolveu-se, a partir do diagrama de Schaeffler, o diagrama de Hull que inclui o cobalto e o manganês. Nieq = Ni + (0,11Mn 0,0086Mn 2 ) + + 14,2N + 0,41Co + 0,44Cu Creq = Cr + 1,21Mo + 0,48Si + 0,14Nb + 2,27V + 0,72W + 2,20Ti + 0,21Ta + 2,48Al
Normas de eletrodos
CONSUMÍVEIS AWS C Cr Ni Mo Mn Si P S Cu E307 0.13 18.0-20.5 9.0-10.5 0.5-1.5 3.30-4.75 0.90 0.04 0.03 0.50 E308 0.08 18.0-21.0 9.0-11.0 0.5 0.5-2.5 0.90 0.04 0.03 0.50 E308L 0.03 18.0-21.0 9.0-12.0 0.5 0.5-2.5 0.90 0.04 0.03 0.50 E308MoL 0.03 18.0-21.0 9.0-12.0 2.0-3.0 0.5-2.5 0.90 0.04 0.03 0.50 E309 0.15 22.0-25.0 12.0-14.0 0.5 0.5-2.5 0.90 0.04 0.03 0.50 E309L 0.03 22.0-25.0 12.0-14.0 0.5 0.5-2.5 0.90 0.04 0.03 0.50 E309MoL 0.03 22.0-25.0 12.0-14.0 2.0-3.0 0.5-2.5 0.90 0.04 0.03 0.50 E310 0.20 25.0-28.0 20.0-22.5 0.5 1.0-2.5 0.75 0.04 0.03 0.50 E312 0.15 28.0-32.0 8.0-10.5 0.5 0.5-2.5 0.90 0.04 0.03 0.50 E316 0.08 17.0-20.0 11.0-14.0 2.0-2.5 0.5-2.5 0.90 0.04 0.03 0.50
CONSUMÍVEIS (seleção) Metal de base Metal de adição recomendado AISI UNS 1 a opção 2 a opção 201 S20100 308 / 308L 316L 202 S20200 308 / 308L 316L 301 S30100 308 / 308L 316L 302 S30200 308 / 308L 316L 304 / 304L S30400 / S30403 308 / 308L 316 / 316L 316 / 316L S31600 / S31603 316 / 316L 318 310 S31000 310 312 321 S32100 347 318 347 S34700 347 318 303Se * S30323 312 309Mo
PREPARAÇÃO E LIMPEZA 74
DIAGRAMA DE SHAEFFLER E CrEQ E NiEQ DE ELETRODOS
DIAGRAMA DE DELONG E CrEQ E NiEQ DE ELETRODOS
PREVISÃO DA FERRITA DELTA % δ = 3 (Creq 0,93 Nieq 6,7) 77
Desvantagens de um alto teor de ferrita delta - Precipitação de nitreto de cromo na ferrita queda de tenacidade e de resistência à corrosão (?) - Perda parcial do efeito de refino de grão da estrutura bifásica queda de tenacidade. Medidas para se evitar - Utilização de arames de soldagem com + alto teor de elementos austenitizantes. - Adição de nitrogênio (2-3%) ao gás de soldagem. - Controle do aporte de calor (não pode ser muito baixo). - (Temperatura de pré-aquecimento)
Desvantagens de um alto teor austenita: - Se associada a um resfriamento muito lento, pode ocorrer fase sigma e/ou carbonetos de cromo na austenita; - Mesmo que se precipitem fases deletérias, o excesso de austenita pode causar perda de resistência à corrosão sob tensão, pois a austenita é a fase susceptível a este problema. Medidas para se evitar: - Controle do aporte de calor (não pode ser muito alto)
Procedimento de Soldagem: Fatores importantes - Projeto de junta - Processo de Soldagem - Aporte de calor - Consumível - Pre-aquecimento - Pós-aquecimento - Controle da temperatura interpasse - Alívio de tensões
PROCEDIMENTO DE SOLDAGEM Problemas de soldabilidade: - Susceptibilidade à formação de trincas a quente. - Perda de resistência à corrosão intergranular para soldas com ligas com C (0.20%) se o ciclo térmico for muito lento. - Possível perda de resistência a meios agressivos pela presença de Ferrita Delta elevado. - Perda de tenacidade no trabalho criogênico ou trabalho a quente pela presença de grande quantidade de ferrita delta. 81
Projeto da Junta Depende muito da Aplicação - estrutural, componente mecânico, componente pressurizado; - componente sujeito ao calor, componente sujeito à corrosão; - área de vedação, área de desgaste ou de corrosão. O projeto de uma junta que vai estar exposta a meio agressivo deve prever raiz rasa (sem frestas), adoçamento quando possível.
Processo e procedimento de soldagem Processo de soldagem processos com proteção gasosa são os mais adequados, embora outros processos possam ser utilizados. Posição de soldagem influencia a penetração e sempre que possível deve-se adotar a posição plana. T de preaquecimento e de interpasse influenciam diretamente nas características de troca de calor e devem ser bem controlados. Aporte de calor o controle de aporte de calor somente é requerido para revestimentos ou quando se requer tenacidade, mas deve ser controlado quando se requer obter resistência à corrosão.
Consumíveis em termos de resistência à corrosão deve-se dar especial atenção às características dos consumíveis e a soldagem similar é sempre preferida. [segundo a agressividade do meio corrosivo ligas de níquel]. Técnica de soldagem alguns processos variam muito as características metalúrgicas em função da forma de soldagem Pós-aquecimento, alívio de tensões quando a união soldada seja submetido à corrosão sob tensão
AÇOS INOXIDÁVEIS ESPECIAIS SÚPER-AUSTENÍTICOS 904L AUSTENITA SÚPER-AUSTENITICO
Aços inoxidáveis súper-austeníticos AISI 904L O aço inoxidável súper-austenítico AISI 904L com 25 % Ni e 20 % Cr com adições de molibdênio (4 a 4,8%) e cobre (entre 1 e 2 %). Distingue-se pela sua excelente resistência à corrosão localizada, à corrosão por pites, à corrosão galvânica e em forma especial à corrosão em ambientes fortemente agressivos. É especialmente empregado em meios sulfurosos, fosfóricos, hidroclóricos, na indústria de fertilizantes, instalações offshore, indústria química e petroquímica, assim como também na produção de papel e celulose. A adição de cobre melhora a resistência à corrosão nos meios ácidos
Soldabilidade dos aços SuperAusteniticos Algumas dificuldades ocorrem nestes aços quando soldados: Pode ocorrer trincas a quente, - sensitização, - formação de fase sigma e segregação, que podem afetar as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão. Nos aços súper-austeníticos, a estrutura austenítica estável, é produzida pelo elevado teor de níquel e controle do teor de nitrogênio, a desvantagem deste tipo de estrutura é que ela só pode ser obtida por solidificação primária da austeníta, o que incrementa a tendência à fissuração a quente.
SOLDABILIDADE DOS AÇOS SUPERAUSTENITICOS Esse fenômeno, associado à segregação de constituintes de baixo ponto de fusão, é acentuado pelo maior coeficiente de dilatação da rede cristalina austenítica, que produz no material grandes esforços de contração térmica, o que facilita a fissuração a quente na forma de trincas de solidificação no metal de solda, ou como trincas de liquação na zona termicamente afetada (ZTA), seja no metal de base como na zona fundida de uma soldagem multipasse. 88
SOLDABILIDADE DOS AÇOS SUPERAUSTENITICOS As trincas de liquação são favorecidas pelo crescimento da ZTA, aumenta a segregação nos contornos de grão, fases de baixo ponto de fusão, e na região parcialmente fundida apresenta segregação do Mo. Com relação à precipitação da fase sigma ( ), se o Cr equivalente for > 17,8 % é esperada a precipitação da fase e se o aço contiver Mo também pode precipitar a fase qui ( ). As fases e são consideradas negativas para as propriedades mecânicas e corrosivas dos aços súper-austeníticos.
SOLDABILIDADE DOS AÇOS SUPERAUSTENITICOS (a) Microestrutura da zona de ligação mostrando a formação das microtrincas de liquação, (a) Soldagem com eletrodo revestido e (b) Soldagem MIG/MAG (b)
Tabela 1. Composição química do metal de base e eletrodos. Composição [%] C Cr Ni Mo Cu Mn Si P S Metal base* 0,02 19-22 22-27 4-4.8 1-2 2,0 0,5 0,03 0,01 ER1 0,02 20,3 25,1 3,5 2,0 2,0 0,6 0,02 ER2 0,25 20,0 25,5 4,8 1,5 1,0 0,9 ND ND MIG1 0,13 20,0 25,0 4,5 1,5 1,7 0,4 ND ND MIG2 Dados do fabricante do aço; ** 0.07% Nitrogênio; ND = não determinado. 0,02* * 0,02 20,0 25,0 4,5 1,5 1,7 0,35 ND ND
SOLDABILIDADE DOS AÇOS SUPERAUSTENITICOS 92
Bibliografia Consultada [1] Márcio de Almeida Ramos, Metalurgia, Edição da PETROBRAS [2] Paulo J. Modenesi, Soldagem dos Aços Inoxidáveis,Ed. Senai. [3] Frederick N. Rhines, Phase Diagrams in Metallurgy - their development and application, McGraw Hill, 1956. [4] ASM Handbook Heat Treatments [5] Apostila Tensões Residuais em soldagem curso de formação de Eng. Inspeção PETROBRAS [6] Tarcísio Reis de Oliveira. Curso de Especialização em Soldagem UFU - 2012 [7] Pedro Silva Teles, Tubulações Industrias - Materiais, projeto e desenho [8] R. Columbier e J. Hochmann, Aceros Inoxidables Aceros Refractarios, Ediciones Urmo / Bilbao [9] Béla Leffler, Stainless stainless steel and their properties [10] A. F. Padilha, Aços Inoxidáveis Austeníticos, Ed. Hemus, 1994