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Metalografia
das Ligas e
Superligas de
Níquel
M. Eng. Alexandre Farina Pesquisador em Ligas de Ni
Pesquisa e Desenvolvimento
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Definição e conceitos sobre Superligas e Ligas de Níquel
Processo de Fabricação
Metalografia das ligas de Níquel
Monel, Inconel, Incoloy, Nimonic
Superligas à base de Níquel
Sumário
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
São ligas que apresentam uma ou mais propriedades muito acima das
ligas convencionais (aços carbono, aços ferramenta, aços inoxidáveis,
etc...). As superligas mais conhecidas são à base de Ni, mais há ligas à
base de Co, Fe, etc...
Propriedades desejadas
Resistência Mecânica
Tração, Torção, Fadiga, Impacto, Fluência
Resistência à Corrosão
Resistência à Oxidação
Definição de Superligas
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Devido as elevadas propriedades mecânicas estas ligas podem ser
divididas em duas classes:
Ligas trabalhadas termo-mecanicamente (Wrougth Alloys)
Forjadas e Laminadas
Com ou sem Tratamentos Térmicos
Ligas não trabalhadas termo-mecanicamente
Fundição de Precisão
Monocristalinas
Solidificação Direcional
Definição de Superligas
Principal diferença entre estas classes: PLASTICIDADE
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
O que torna estas ligas “Superligas” ?
Fases com comportamentos que fogem aos comportamentos padrão:
Fase g’ – Ni3(Al,Ti) – Estrutura cúbica (CFC) do tipo L12
Fase g’’ – Ni3Nb – Estrutura ortorrômbica do tipo DO22
Fase b – NiAl – Estrutura cúbica (CCC) do tipo B2
Fases Ordenadas: Os átomos ocupam preferencialmente
estas posições na rede cristalina!
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Limite de Escoamento da fase g’ Ni3(Al,Ti)
Limite de escoamento aumenta com a temperatura
AISI 316
Inconel 713
Limite de escoamento é função de
adições de elementos de liga
~1100MPa // 600ºC
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Limite de Escoamento da fase g’ Ni3(Al,Ti)
O aumento é gerado por uma mudança do sistema de escorregamento
na super-estrutura cristalina
Para a fase g’ – Ni3(Al,Ti) isto ocorre pela mudança do escorregamento
no plano (111) para o plano (110) em alta temperatura.
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Fase b Ni(Al,Ti)
As fases intermetálicas apresentam características especiais, porém
nem todas podem ser utilizadas para ligas estruturais.
A fase b apresenta comportamento cerâmico, com fratura frágil sob
tração. Esta propriedade impede seu uso em estruturas.
No entanto a dureza desta fase é equivalente a de um carboneto
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Resistência a Fluência (10.000h)
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Limite de Escoamento
Comparação com aço Fe-12Cr-0.6Mo (~AISI 420)
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Processos de Fabricação
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Processo de Fabricação
Processo Especial Convencional
Fusão VIM (Vaccum induced
melting)
EAF (Electric Arc
Furnace)
Refusão / Refino
ESR (Electroslag
Remelting)
VOD (vacuum oxygen
decarburisation)
VAR (Vaccuum Arc
Remelting)
AOD (Argon-Oxygen
Decarburization)
Forjamento Forjamento em prensas hidráulicas.
Geralmente para peças grandes e barras.
Laminação Laminação (plana e barras)
Acabamento Desbaste, Retífica, etc...
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Processos de Fabricação - Fusão
EAF (Electric Arc Furnace)
Fusão por arco voltaico
Fusão e vazamento ao ar
Refino do metal líquido por escória
Há oxidação do banho metálico
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Processos de Fabricação - Fusão
VIM (Vacuum Induction Melting)
Fusão e vazamento sob vácuo
Pouco refino do metal líquido
Reduzida oxidação do banho metálico
Possibilidade de vazamento de ligas que são
facilmente oxidadas com oxidação mínima
Ligas com Al, Ti
Apenas refino por pressão (vácuo)
Pressão de vapor
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Processos de Fabricação - Refino
VOD (Vacuum Oxygen Decarburizing)
Descarburação por injeção de gás
Refino do metal líquido
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Processos de Fabricação - Refino
AOD (Argon-Oxygen Decarburizing)
Descarburação por injeção de gás Ar/O
Maior refino do metal líquido em relação ao VOD
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Processos de Fabricação - Refusão
ESR (Electroslag Remelting)
Refusão por arco voltaico com escória
Refino da estrutura bruta de fusão
Eliminação de impurezas para a escória
Uso da reação metal-escória
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Processos de Fabricação - Refusão
VAR (Vacuum Arc Remelting)
Refusão sob vácuo por arco voltaico
Refino da estrutura bruta de fusão
Eliminação de impurezas para a superfície do lingote
Pressão de vapor
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Processos de Fabricação - Forjamento
Forjamento:
Prensagem a quente/frio de um lingote ou peça, em geral, de grande porte
Recalque (aumentar a deformação do material)
Altera a microestrutura refino do tamanho de grão
Desbaste (reduzir a espessura do material)
Altera a microestrutura refino do tamanho de grão
Acabamento (alisamento da superfície)
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Processos de Fabricação - Forjamento
Forjamento:
Prensagem a quente/frio de um lingote ou peça, em geral, de grande porte
Recalque (aumentar a deformação do material)
Altera a microestrutura refino do tamanho de grão
Desbaste (reduzir a espessura do material)
Altera a microestrutura refino do tamanho de grão
Acabamento (alisamento da superfície)
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Processos de Fabricação - Laminação
Laminação
Redução da espessura do material
através da passagem deste entre dois
cilindros com (barras) ou sem (planos)
entalhes
Refino da microestrutura através da
redução do tamanho de grão
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Processos de Fabricação - Acabamento
Acabamento
Torneamento,
Fresamento,
Retífica,
Trefilação
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Microestrutura
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Ligas de Ni – Principais Fases
Fase Estrutura Fórmula Comentário
g' FCC – L12 Ni3(Al,Ti) Principal fase para endurecimento da
matriz da maioria das ligas de Ni
h HCP – DO24 Ni3Ti
Fase deletéria e metaestável formada em
altas temperaturas. Em geral precipita na
forma de agulhas de Widmanstätten
g" BCT – DO22 Ni3Nb
Principal fase para endurecimento de ligas
contendo Nb. Em geral a precipitação
ocorre na forma de discos coerentes com
a matriz g
d Ortorr. (Cu3Ti) Ni3Nb
Fase frágil e deletéria as propriedades.
Precipita em alta temperatura na forma de
agulhas (baixa temperatura –
superenvelhecimento) ou filmes nos
contornos de grão (altas temperaturas
solubilização).
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Ligas de Ni – Principais Fases
Fase Estrutura Fórmula Comentário
M(C,N) FCC
M(C,N) onde M =
Ti, Nb, Hf, Zr ...
Carbonetos primários ou secundários.
Dependentes do teor de C e de N das
ligas e dos elementos formadores.
Elevam as resistências ao desgaste e
mecânica
M23C6 FCC (Cr,Fe,Mo,W)23C6
Carbonetos precipitados durante o
envelhecimento das ligas para
aumento da resistência mecânica. Em
geral precipitação em glóbulos e
placas nos contornos de grão.
M6C FCC Fe3Mo3C Carboneto. Secundário
M7C3 Ortorr. (Fe,Cr,Mn)7C3
Carboneto secundário em geral
observado na forma de partículas
intergranulares.
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Ligas de Ni – Principais Fases
Fase Estrutura Fórmula Comentário
M3B2 Tetragonal Mo2FeB2, Nb3B2
Boreto presente em ligas com elevado
teor de B.
m Romboédr. (Fe,Co)7(Mo,W)6
Presente em ligas com elevado teor de
Mo e de W. Precipita na forma de
agulhas de Widmanstäten em altas
temperaturas.
Laves Hexagonal
Fe2Nb, Fe2Ti,
Fe2Mo, Co2Ta,
Co2Ti
Fase deletéria. Precipita-se na forma
de glóbulos alongados após exposição
à altas temperaturas.
Sigma Tetragonal
FeCr, FeCrMo,
CrFeMoNi, CrCo,
CrNiMo
Fase deletéria precipitada na forma de
glóbulos em geral alongados em ligas
que permaneceram por longos
períodos entre 540ºC e 980ºC
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Evolução da Microestutura das Ligas de Ni
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Evolução da Microestutura das Ligas de Ni
Diagrama Ni-Cr (Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C)
Liga Binária Ni-20Cr
Matriz Austenítica
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Evolução da Microestutura das Ligas de Ni
Diagrama Ni-Cr (Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C)
Isoterma de 1150ºC – Al-Cr-Ni
Liga Ternária Ni-20Cr-1.0Al
Matriz Austenítica
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Evolução da Microestutura das Ligas de Ni
Diagrama Ni-Cr (Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C)
Isoterma de 1050ºC –Cr-Ni-Ti
g+g’
Liga Quaternária
Ni-20Cr-1.0Al-2.0Ti
Matriz Austenítica com
Ni3(Ti,Al)
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Evolução da Microestutura das Ligas de Ni
Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C)
Liga Quinária
Ni-20Cr-1.0Al-2.0Ti-0.05C
Matriz Austenítica com
Ni3(Ti,Al) e TiC
TiC
Nimonic 80A:
Sol. 1080ºC/1h
Env. 700ºC/16h
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Extremamente resistentes à corrosão, em especial em ambientes marinhos com
água parada, porém com baixa resistência mecânica em relação as demais
superligas de Ni. Resistência compatível com aços especiais.
Aplicação principal nas indústrias naval e petroquímica
Principais ligas: Monel 400 (VRC400) e Monel K500 (VRC500K)
Ligas de Ni-Cu (Monel)
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Ligas de Ni-Cu (Monel)
A liga Monel foi desenvolvida
inicialmente partindo-se de sulfetos
de Ni e de Cu e fazendo redução
simultânea dos minérios como
fonte de Cu e de Ni
Monel tem um L apenas pois na
época não era permitido nomes de
famílias em produtos!
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Ligas de Ni-Cu (Monel)
Liga Ni Cu Fe Mn C Si S Outros
Alloy
400 63.0 min 28.0~34.0 2.50 0.20 0.30 0.50 0.024 ---
Alloy
401 40.0~45.0 Bal. 0.75 2.25 0.10 0.25 0.015 ---
Alloy
R-405 63.0 min 28.0~34.0 2.50 2.00 0.30 0.50 0.025~0.06 ---
Alloy
450 29.0~33.0 Bal. 0.4~1.0 1.00 --- --- 0.02
1.0Zn, 0.05Pb,
0.02P
Alloy
K500 63.0 min 27.0~33.0 2.00 1.50 0.25 0.50 0.01
2.30~3.15Al,
0.35~0.85Ti
Valores sozinhos indicam máximo da faixa
Composição Química
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Ligas de Ni-Cu (Monel) Monel K500
Matriz bifásica (duas austenitas) com dispersão de TiC e após solubilização
e envelhecimento apresenta precipitação de Ni3(Al,Ti)
1330ºC
liquidus
1280ºC
solidus
815ºC
g g + g’
760ºC
g g1 + g2
65%Ni
30%Cu
1140ºC 700ºC 763ºC
42%Ni
56%Cu
Composição da Matriz
g1
g2
g’
g
TiC
g g1
L Fra
ção M
ola
r de F
ases
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Ligas de Ni-Cu (Monel)
Monel K500 – Laminada a quente e
solubilizada em alta temperatura.
Ataque com Glicerégia
Microestrutura
Ligas com matriz austenítica podendo apresentar dispersão de precipitados
de Ni3(Al,Ti) e carbonitretos do tipo M(C,N)
Nitrogênio é sempre residual (abaixo de 0.05%)
Carbono pode ser adicionado em teores inferiores a 0.30%
Monel K500 – Macrografia de amostra
bruta de laminação. Ataque com HNO3
eletrolítico
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Resistentes a altas temperaturas com excelentes propriedades mecânicas. Elevada
resistência à oxidação e resistência razoável a corrosão.
Aplicação principal nas indústrias aeroespacial, nuclear e petroquímica,
válvulas automotivas, turbinas (avião e à gás).
Principais ligas: Inconel 718 (VAT 718), Inc. 600 (VAT 600), Inc. 751 (VAT 751)
Sist. de exaustão
Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel)
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Valores sozinhos indicam máximo da faixa
Composição Química
Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel)
Liga Ni Cr Fe Co Mo Nb Ti Al C Mn Si Outros
Alloy
600
72.0
min
14.0~
17.0
6.0~
10.0 0.15 1.0 0.5 0.50
Alloy
617
44.5
min
20.0~
24.0 3.0
10.0~
15.0
8.00~
10.00 0.60
0.8~1
.5
0.05~
0.15 1.0 1.0
0.5Cu,
0.006B
Alloy
625
58.0
min
20.0~
23.0 5.0 1.0
8.00~
10.00
3.15~
4.15 0.40 0.40 0.10 0.50 0.50
Alloy
690
58.0
min
27.0~
31.0
7.0~
11.0 0.05 0.05 0.50 0.50Cu
Alloy
718
50.0~
55.0
17.0~
21.0 Bal. 1.0
2.80~
3.30
4.75~
5.50
0.65~
1.15
0.20~
0.80 0.08 0.35 0.35
0.30Cu,
0.006B
Alloy
751
70.0
min
14.0~
17.0
5.0~
9.0
0.70~
1.20
2.00~
2.60 0.10 1.0 0.50 0.50Cu
Alloy
C-276 Bal.
14.5~
16.5
4.0~
7.0 2.50
15.0~
17.0 0.01 1.0 0.08
0.35V,
3.50W
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Inconel 718
Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel)
Liquidus
1350ºC
Solidus
1210ºC
M(C,N)
1260ºC
Ni3Nb (d)
1020ºC Ni3Al (g’)
900ºC M23C6
700ºC
Ferrita
590ºC
Laves
540ºC
Sigma
500ºC
Sigma
830ºC
Fra
ção M
ola
r de F
ases
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Inconel 718 – Forjada a quente e solubilizada
em alta temperatura (1030ºC/2h).
Ataque com Glicerégia
Microestrutura
Inconel 751 – Laminada, solubilizada
(1120ºC/1h) e envelhecida (750ºC/4h).
Ataque com Glicerégia.
Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel)
Microestrutura
Ligas com matriz austenítica.
Em geral apresentam dispersão de precipitados de Ni3(Al,Ti) e Ni3Nb além
de carbonitretos do tipo M(C,N)
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Inconel 718 – Forjada e solubilizada
em alta temperatura (1030ºC/2h) e
envelhecida: 718ºC/8h+650ºC/8h.
Ataque com Glicerégia
Microestrutura
Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel)
Microestrutura
Ligas com matriz austenítica.
Em geral apresentam dispersão de precipitados de Ni3(Al,Ti) e Ni3Nb além
de carbonitretos do tipo M(C,N)
Inconel 718 – Laminada e tratada a (1040ºC/1h +
980ºC/8h + 760ºC/8h + 650ºC/8h)
MET + Atom Probe: Nb=verde, Al=verm., Ti=azul e
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Inconel 625 – Bruta de Forjamento
Ataque com Glicerégia
Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel)
Inconel 625 – Forjada e solubilizada em alta
temperatura (1200ºC/30min).
Ataque com Glicerégia
Liga Ni Cr Fe Co Mo Nb Ti Al C Mn Si
Alloy 625 58.0min 20.0
~23.0 5.0 1.0
8.00
~10.00
3.15
~4.15 0.40 0.40 0.10 0.50 0.50
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Resistentes a corrosão em altas temperaturas (em especial por cloretos), com
boas propriedades mecânicas, porém inferiores as ligas Inconel. Resistência a
oxidação reduzida.
Aplicação principal na indústria petroquímica.
Principais ligas Incoloy A-286 (VAT A286) e Incoloy 925 (VRC925)
Ligas de Ni-Fe-Cr (Incoloy)
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Valores sozinhos indicam máximo da faixa
Composição Química
Ligas de Ni-Cr-Fe (Incoloy)
Liga Ni Cr Fe Co Mo Nb Ti Al C Mn Si Outros
Alloy
A-286
72.0
min
14.0~
17.0
6.0~
10.0 --- --- --- --- --- 0.15 1.0 0.5 0.50
Alloy
825
38.0
~46.0
19.5
~23.5
22.0
min ---
2.5
~3.5 ---
0.6
~1.2 0.2 0.05 1.0 0.5
1.5~3.0
Cu
Alloy
925 44.0 21.0 28.0 --- 3.0 --- 2.1 0.3 0.01 --- --- ---
Alloy
800HT
30.0~
35.0
19.0~
23.0
39.5
min --- --- ---
0.15~
0.60
0.15~
0.60
0.06~
0.10 1.5 1.0 ---
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Incoloy A-286 – Laminada,
solubilizada (980ºC/1h) e
envelhecida (720ºC/16h)
Ataque com Glicerégia
Microestrutura
Incoloy 800H (g+g’+Ti(C,N) +
M23C6)
1) Solubilizada
2) Solubilizada e Envelhecida
por 15anos a 815ºC
Ataque com Marble.
Ligas de Ni-Cr-Fe (Incoloy)
Microestrutura
Ligas com matriz austenítica. Apresentam dispersão de precipitados de
Ni3(Al,Ti) além de carbonitretos do tipo M(C,N) e carbonetos do tipo M23C6
2) 1)
2)
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Boa resistência à corrosão a alta temperatura, em especial por sulfatos,
excelente resistência à fluência e à fadiga à quente.
Aplicação principal na indústria automotiva na fabricação de válvulas para
motores de combustão interna e industria petroquímica e aeroespacial.
Principais ligas Nimonic 80A (VAT80A) e Nimonic 90 (VAT90)
Ligas de Ni-Cr (Nimonic)
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Valores sozinhos indicam máximo da faixa
Composição Química
Ligas de Ni-Cr (Nimonic)
Liga Ni Cr Fe Co Mo Nb Ti Al C Mn Si Outros
Nimonic
80A Bal.
18.0
~21.0 3.0 2.0 --- ---
1.8
~2.7
1.0
~1.8 0.10 1.0 1.0 ---
Nimonic
86 Bal. 25.0 --- --- 10.0 --- --- --- 0.05 0.03Ce
Nimonic
90 Bal.
18.0
~21.0 1.5
15.0~
21.0 --- ---
2.0
~3.0
1.0
~2.0 0.13 1.0 1.0 0.02B
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Nimonic 80A – Laminada, solubilizada
(1080ºC/1h) e envelhecida (700ºC/16h)
Ataque com Glicerégia
Microestrutura
Ligas de Ni-Cr (Nimonic)
Microestrutura
Ligas com matriz austenítica. Apresentam dispersão de precipitados de
Ni3(Al,Ti) e carbonitretos do tipo M(C,N)
Nitrogênio é sempre residual (abaixo de 0.05%)
Nimonic 90 – Laminada, solubilizada
(1080ºC/8h) e envelhecida (700ºC/12h +
850ºC/2h). Ataque com Glicerégia
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Ligas com elevada quantidade de fases intermetálicas (g’, g’’)
Elevada resistência mecânica (tração, fluência)
Elevada resistência à quente
Microestrutura geralmente em Blocos
Superligas de Ni
CMSX-4
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Superligas de Ni
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Superligas de Ni (Monocristalinas) Processo de Fabricação (palheta de turbina – CMSX-6)
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Superligas de Ni – Waspaloy
Microestrutura
Similar a microestrutura da liga Nimonic 80A.
Diferença:
Maior quantidade de g’
Elevada resistência mecânica à quente
Grande dispersão de partículas
13.5%Co
Elevada resistência à oxidação
4.5%Mo
Elevada dificuldade para usinar
Aplicações:
Indústria aeroespacial (turbinas)
Máquinas de tração e fluência
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Superligas de Ni – Inconel 738 Microestrutura
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Superligas de Ni – MAR-M 246 Microestrutura
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