ESTUDO DE PROPRIEDADES MECÂNICAS E MICROESTRUTURAIS DO AÇO

7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 7th BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING

20 a 24 de maio de 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ - B rasil May 20th to 24th, 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ – Brazil

© Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2013

ESTUDO DE PROPRIEDADES MECÂNICAS E MICROESTRUTURAIS DO AÇO INOXIDÁVEL SUPERAUSTENÍTICO AISI 904L UTILIZADO COMO REVESTIMENTO INTERNO DE VASOS DE PRESSÃO FABRICADOS EM

AÇO CARBONO ASTM-A-516 GRAU 70

Francisco Carlos Albuquerque Madalena1, [email protected] Jorge Carlos F. Jorge1, [email protected] Luís Felipe G. de Souza1, [email protected] Hector Reynaldo Meneses Costa1, [email protected] Tiago Barbosa Cabral1, [email protected]

1 Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca, Av. Maracanã, 229 – Rio de Janeiro – RJ - CEP 20271-110, PPEMM, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.ome da instituição, endereço para correspondência,

Resumo: Este trabalho avaliou o desempenho do consumível de uma liga super austenítica AISI 904L, em comparação ao consumível de INCONEL 625, sendo estas ligas depositadas através dos processos de soldagem MIG Pulsado (GMAW) e arame tubular (FCAW) respectivamente, em superfícies internas de vasos de pressão fabricados em aço carbono ASTM A 516, grau 70, instalados nas plantas de produção de óleo e gás das plataformas offshore de exploração dos campos petrolíferos do Pré-sal. Para a execução do presente trabalho, foram realizadas soldagens de revestimentos com os materiais e processos mencionados anteriormente, sendo realizadas as seguintes análises: (a) ensaios de microdureza com carga de 500 gf, sendo realizada uma varredura com intervalos de 0,2 mm, abrangendo o substrato, a zona termicamente afetada (ZTA), a zona parcialmente diluída (ZPD) e o revestimento; (b) ensaios de dobramento para a qualificação dos revestimentos com espessura maior ou igual a 5 mm e metal de base maior ou igual a 12,5 mm, sendo realizado dobramento transversal lateral; (c) análise metalográfica do metal depositado, consistindo de macrografia, microscopia ótica (MO) e microscopia eletrônica de varredura (MEV): e (d) análise química dos revestimentos. Para a obtenção da diluição nos depósitos dos materiais dos revestimentos, foi utilizado o método das áreas, que representa a participação do metal de base, na formação dos revestimentos. Os resultados revelaram que os revestimentos em estudo apresentaram um comportamento satisfatório do ponto de vista de soldabilidade, de propriedades mecânicas e microestruturais para a aplicação a que se destinam e, através dos resultados obtidos nas análises químicas, constatou-se que o revestimento AISI 904L apresentou uma composição química, cujo PREN atingiu um valor acima de 40, o que confere a este uma perspectiva de boa resistência à corrosão localizada (pite e fresta). Palavras-chave: revestimento, aço inoxidável super austenítico, INCONEL e propriedades mecânicas.

1. INTRODUÇÃO

A perspectiva de produção de óleos cada vez mais ácidos, gases contendo percentuais maiores de contaminantes e água produzida com a presença de íons cloreto com concentrações acima do percentual normalmente encontrado nos campos de petróleo explorados até então, fazem com que os processos se tornem mais críticos e complexos, exigindo assim, uma busca incessante de novas tecnologias para o desenvolvimento de materiais cada vez mais resistentes às condições adversas em que os equipamentos serão submetidos, a partir da exploração dos campos do Pré-Sal.

Em função desta necessidade, buscam-se alternativas de materiais viáveis para a fabricação de vasos de pressão, utilizados nas plantas de processamento e tratamento dos fluidos produzidos dos campos de petróleo (óleo/gás/água/areia/etc.) em uma instalação offshore, visando redução de peso, de dimensões e de custos na fabricação destes equipamentos, como a utilização de revestimentos internos com ligas resistentes à corrosão (CRA), em alternativa aos vasos de pressão fabricados integralmente em ligas Super Duplex (ASTM A 240, UNS 32750).

Além dos motivos mencionados, esta alternativa tem por finalidade melhorar a resistência à corrosão, podendo ser aplicados por soldagem, por laminação à quente ou por explosão em materiais menos nobres, como no aço carbono, comumente utilizado na fabricação de vasos de pressão e permutadores de calor tipo casco e tubos. As razões para a aplicação desta técnica, além de proporcionar um menor custo de fabricação destes equipamentos, propicia também um ganho significativo na resistência à corrosão dos mesmos (Paranhos,2000). Em geral, estes revestimentos podem ser de

7º C O N G R E S S O B R A S I LE IR O D E E N GE N H A R IA D E F A B R I C A Ç Ã O 1 5 a 1 9 de A br i l d e 2 0 13 . P e n e d o , I t a t i a i a - R J


ligas de aço inoxidável (austeníticas ou super austeníticas), de níquel, de cobalto e de outras ligas resistentes à corrosão, em função das suas excelentes resistências à corrosão localizada em meios corrosivos, conforme recomendado pela norma NORSOK M-001, 2004.

Os revestimentos resistentes à corrosão devem apresentar uma composição química especifica para o meio a que serão submetidos, como na deposição por soldagem de ligas super austeníticas e de níquel sobre um substrato de aço carbono-manganês. Neste caso, a composição química do revestimento deve se aproximar ao máximo da composição do consumível de soldagem, a fim de se obter o mínimo de diluição de ferro (Fe) no revestimento, em especial para as ligas de níquel, pois quanto menor a diluição, menor a probabilidade de formação de microestruturas frágeis e susceptíveis à corrosão (Wainer, 1992). Porém, apesar da boa qualidade destas ligas, a resistência à corrosão destes revestimentos, sob condições severas de serviço, pode depender dos parâmetros de soldagem que afetam a diluição e os fenômenos que ocorrem, durante o ciclo térmico e a solidificação da poça de fusão (microsegregações, precipitação de fases secundárias, zonas parcialmente diluídas, volatilização de elementos de liga na poça de fusão entre outros) (Stephenson, 1990 e Davis, 2006).

Estes revestimentos metálicos depositados por soldagem em substratos menos nobres, podem ser realizados através de vários processos de soldagem ao arco elétrico, com metais de adição desde aços inoxidáveis austeníticos e super austeníticos, além das ligas de Ni (Omar, 1998 e Zeemann, 2008). Na indústria do petróleo, estes revestimentos metálicos são aplicados em equipamentos submetidos a meios agressivos contendo fluidos corrosivos, como água salgada e outros, com altas concentrações de CO2 e H2S (Omar, 1998; Kejelin, 2008 e Doody, 1992).

No intuito de atender às necessidades de mercado, novas tecnologias vêm sendo estudadas com propósito de disponibilizar processos de soldagem com altas produtividade e qualidade, atendendo assim, a demanda de revestir grandes superfícies, através de processos de soldagem automáticos, semi-automáticos e mecanizados com elevada taxa de deposição, como o MIG (GMAW) (Doody, 1992). Para se alcançar uma alta produtividade em um processo de soldagem, deve-se tomar o cuidado com valores elevados de corrente, o que tal fato pode não ser benéfico, quando se trabalha com materiais dissimilares, pois contribui para uma alta diluição e pode acarretar em uma modificação indesejada na composição química dos revestimentos, prejudicando assim, a sua resistência à corrosão.

Apesar do processo MIG pulsado apresentar um melhor controle na diluição do revestimento, este por ser utilizado com mistura Ar + CO2, pode propiciar a formação de óxidos na superfície, durante a soldagem. Daí, a necessidade de se fazer uma limpeza mecânica na superfície, a fim de removê-los, quando a aplicação exigir ensaios por líquido penetrante com critério de aceitação zero, como no caso de revestir face de flanges de bocais.

Sendo assim, e levando-se em consideração a similaridade entre o MIG e o arame tubular (FCAW) com proteção gasosa, optou-se em se aplicar o revestimento de INCONEL 625 com este último, em virtude deste não apresentar a formação de óxido na superfície e da proteção conferida pela escória, durante a soldagem. Além disso, obtém-se uma alta qualidade do metal depositado, boa aparência visual, adequado para soldar vários tipos de aços e em grandes faixas de espessuras, alta taxa de deposição, devido à maior densidade de corrente e, em consequência, maior produtividade e uma maior tolerância com relação à presença de contaminantes, que podem originar trincas (Araújo, 2004).

Porém, comparativamente ao arame sólido, o arame tubular é um processo mais complicado devido à interação fluxo/metal (Wang, 1995). Considerando que a área da seção transversal do eletrodo tubular é menor que a do arame sólido para um mesmo diâmetro, o arame tubular apresenta maiores densidades de correntes (Siewert, 2002), acarretando em uma resistividade elétrica maior e, conseqüentemente, maior calor é gerado por efeito Joule, conforme podendo se obter taxas de fusão de 30 a 35% superiores, utilizando arames tubulares (Medeiros, 1989).

Desta forma os parâmetros de soldagem são extremamente importantes, no sentido de melhor adequar o processo, principalmente no que se refere aos modos de transferências e seus reflexos na qualidade da solda (Wang, 1995).

Em virtude dessas características, o processo Arame Tubular torna-se uma excelente opção, quando o objetivo é qualidade, produtividade e maiores recursos operacionais.

Porém, em função da indisponibilidade de consumíveis de liga super austenítica AISI 904L, com alto percentual de Mo, a comparação será realizada quanto a composição química dos revestimentos aplicados.

Quanto a utilização de gases de proteção, estes influenciam no comportamento do processo, sendo que o gás CO2 proporciona um arco mais intenso com maior penetração e um cordão mais convexo, enquanto que, a mistura de CO2 com Argônio é mais eficiente na função desoxidante, possibilitando um depósito com propriedades mecânicas mais apuradas, além de oferecer um arco mais suave, conveniente a soldagens fora de posição (Oliveira, 2002), obter um melhor acabamento e perfil do cordão, minimizar os respingos e propiciar maiores velocidades de soldagem (Fortes, 2004 e Bracarense, 2000).

Podem ser citados alguns cuidados que devem ser tomados, durante a deposição de uma liga resistente à corrosão em substratos de aço carbono, como o controle do nível de diluição resultante das condições e do processo de soldagem, além da questão da formação das zonas parcialmente diluídas (ZPD), devido à grande diferença de composição química entre as ligas depositadas (CRA) com o aço carbono, pois estas podem se formar ao longo da linha de fusão. Estas zonas podem apresentar variadas espessuras e diversas morfologias, como praias, penínsulas e ilhas, além da composição química intermediária entre o substrato e o revestimento (Omar, 1998; Kejelin, 2008; Doody, 1992 e Avery, 1991). A formação da ZPD é função da composição química e das condições de soldagem, do manuseio do arco elétrico e das variações na turbulência da poça de fusão.

A dureza elevada observada em torno das ZPDs, está associada aos gradientes de composição química existentes ao longo da interface revestimentos/substratos e, conseqüentemente, estes são atribuídos à mistura parcial entre os dois líquidos (substrato e revestimento) e as segregações de solutos, durante a solidificação (Kou, 2007).



A literatura afirma que estas ZPDs podem ser constituídas de martensita, precipitados e/ou fases intermetálicas tais como, Sigma, Chi e Laves (Omar, 1998), o que as tornam susceptíveis a ataques corrosivos por pite, por fresta, fragilização por hidrogênio e corrosão sob tensão, o que pode resultar em falhas na interface entre revestimentos/substratos (Omar, 1998). Portanto, torna-se necessário buscar condições de soldagem que minimizem ou até eliminem estas zonas parcialmente diluídas.

Como a PETROBRAS utiliza a técnica de revestimento por soldagem para a fabricação de vasos de pressão em aço carbono ASTM A 516 Gr 70, utilizando consumíveis ERNiCr-3 T1 (INCONEL 625), este trabalho tem o objetivo de avaliar a soldabilidade, a resistência mecânica e as microestruturas do revestimento aplicado com o consumível da liga de aço inoxidável super austenítica ER 385 (AISI 904L), a fim de verificar a possibilidade de se utilizar tal liga, em algumas aplicações, na substituição ao material atualmente utilizado, principalmente, devido às suas elevadas propriedades mecânicas e de resistência à corrosão localizada, conseguidas através da adição de elevados teores de níquel, molibdênio, cobre e nitrogênio, que conferem a esta liga uma resistência à corrosão superior à dos aços inoxidáveis austeníticos, em particular, para ambientes agressivos, além do fator econômico, pois os consumíveis de aços super austeníticos AISI 904L podem ter um custo de aproximadamente, metade do preço de um consumível de INCONEL 625, o que poderá trazer um ganho significativo no custo-benefício na fabricação de vasos de pressão para as instalações de superfície em plataformas de petróleo.

Quando a liga 904L é utilizada como revestimento de equipamentos de aço carbono ou baixa liga por processos de soldagem, o metal depositado absorve carbono do material de base, devido à diluição. Esse carbono de baixa solubilidade na estrutura austenítica, rica em níquel, tende a formar fase “Sigma e Chi”. Muitas vezes estes equipamentos ainda são submetidos a tratamentos térmicos de alívio de tensões, posteriormente, os quais são realizados nas faixas de temperatura de precipitação destas fases, tornando-se um fator mais agravante (Guedes, 2012).

Devido às preocupações quanto à perda da resistência à corrosão, causadas durante a soldagem pela segregação e pela precipitação de fases nos aços 904L, alguns fabricantes estão desenvolvendo seus consumíveis contendo maiores teores de molibdênio, que compensam a perda deste elemento dissolvido na matriz austenítica. Desta forma, mesmo ocorrendo a segregação e a precipitação, durante a soldagem, o metal depositado manterá o teor de molibdênio dissolvido na matriz, necessário para garantir as propriedades mecânicas e de resistência à corrosão (Guedes, 2012).

Em virtude deste avanço tecnológico em se produzir tais consumíveis com as características apresentadas no parágrafo anterior, ou seja, com maiores concentrações de elementos de liga proporcionando assim, melhores resultados quanto a resistência à corrosão localizada, decidiu-se estudar as propriedades do metal depositado com o arame sólido ER-385 (AISI 904), a fim de avaliar a sua utilização em algumas aplicações de revestimento em vasos de pressão (Guedes, 2012).

Pela composição química do consumível da liga super austenítica ER-385 (AISI 904L), estima-se que o valor de resistência equivalente à corrosão por pite (PREN), seja superior a 40, o que de acordo com a norma ASTM A890/A890M, as ligas que apresentam valores desta grandeza, são considerados aptos para aplicações mais severas, o que significa que esses materiais resistem mais a ataques químicos, principalmente aqueles provocados por soluções aquosas contendo íons halogênios (elementos pertencentes à família 7A da tabela periódica), destacando-se dentre eles o íon cloreto, muito freqüente na água do mar (Martins, 2006).

2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Materiais

Para a realização dos experimentos, foram utilizados os consumíveis de soldagem ENiCrMo3T1 (INCONEL 625) e AWS ER385 (AISI 904L) para a deposição dos revestimentos metálicos resistentes à corrosão (CRA) sobre os substratos de aço carbono ASTM-A-516 grau 70, aplicados através dos processos de soldagem Arame Tubular (FCAW) e MIG Pulsado (GMAW), respectivamente.

A Tab. (1) apresenta a composição química dos consumíveis utilizados, conforme catálogo do fabricante.

Tabela 1. Composição química dos consumíveis utilizados (% em peso)

Item/Elemento Processo C Mn Si S P Cr Ni Mo Nb Fe Cu N

INCONEL 625 Arame Tubular

0,05 0,4 0,4 - - 22 Bal. 8,5 3,3 <1,0 - -

AISI 904L MIG ≤0,02 4,7 0,7 - - 20 25,4 6,2 - - 1,5 0,12

Foram utilizadas chapas de aço carbono ASTM A516 Grau 70, com a composição química mostrada na Tab. (2).

Tabela 2. Composição química do Substrato

Item/Elemento Ni C Cr Mo Fe Al Mn V Cu Si

ASTM A516 Gr. 70N 0,01 0,15 0,02 0,01 Bal. 0,02 0,95 0,03 0,4 0,2



2.2. Soldagem. A aplicação do revestimento com consumível ENiCrMo3T1 (INCONEL 625), foi realizada através do processo de

soldagem Arame Tubular, no modo de transferência globular em 3 camadas, com arame de diâmetro 1,2 mm, na posição plana, com temperaturas de pré-aquecimento e de interpasse de 15°C e 150°C, respectivamente, gás de proteção com composição de 75% Ar + 25% CO2 na vazão de 16 l/min, tensão 25 V na primeira camada e 26 nas demais, corrente contínua de 167 A na primeira camada e 185 A nas demais e velocidade de arame de 38@40 cm/min, com aporte térmico médio de 2,0 kJ/mm.

Enquanto que, para a aplicação do revestimento com o consumível AWS ER385 (AISI 904L), foi realizada através do processo de soldagem MIG (GMAW), no modo de transferência Pulsado em 3 camadas, com arame sólido de diâmetro 1,2 mm, na posição plana, com temperaturas de pré-aquecimento e de interpasse de 15°C e 150°C, respectivamente, gás de proteção com composição química de 98% Ar + 2% CO2 na vazão de 16 l/min, tensão de 28 V na primeira camada e 30 V nas demais, corrente contínua de 170 A na primeira camada e 215 A nas demais e velocidade de arame de 36@40 cm/min., com aporte térmico médio de 2,0 kJ/mm.

A técnica adotada para a deposição das 3 camadas para ambos os revestimentos para os processos de soldagem utilizados, foi através da técnica de soldagem de deposição puxando, com ângulo de posição da tocha de 15° e nível de sobreposição de 50% entre os cordões.

Os corpos-de-prova das amostras, possuem dimensões de 12,5 x 200 x 250 mm, sendo considerada somente a chapa do metal base e dimensões de 100 x 250 mm para os revestimentos.

Após a deposição das ligas AISI 904L e INCONEL 625, os corpos-de-prova foram resfriados ao ar, naturalmente, sem serem submetidos a tratamento térmico posterior.

2.3. Exames Metalográficos.

As amostras foram preparadas pelo método convencional de lixamento e polimento com pasta de diamante de

granulometria de 6, 3 e 1µm para a realização das macros e micrografias. A microestrutura foi revelada pelo ataque combinado do Nital 2%, para revelar a microestrutura do metal de base e Água Régia (Ácido Nítrico + Ácido Clorídrico), para revelar a microestrutura do metal de adição, utilizando a técnica de imersão.

As análises das microestruturas foram realizadas através das imagens obtidas pelos microscópios óptico (MO) e eletrônico de varredura (MEV) e, para a análise quantitativa foi utilizada a técnica EDS (Energy Dispersive Spectroscopy), onde foram analisadas as regiões específicas do revestimento, da ZPD, da ZTA e do substrato, a fim de estimar os elementos de liga e as fases presentes, nestas regiões. 2.4. Ensaios de Microdureza.

Com o objetivo de avaliar a variação de dureza ao longo do revestimento para o substrato, foram realizados ensaios de microdureza, onde os perfis foram levantados com a aplicação de uma carga de 500 gf (HV 0,5), com espaçamento entre pontos de 0,2 mm. 2.5. Análise Química.

Foram realizadas análises químicas dos metais depositados por espectrômetro de emissão ótica. 2.7. Ensaios de Dobramento.

Foram realizados ensaios de dobramento lateral em ambas as amostras, com o modo de preparação dos corpos-de-prova conforme a norma ASME IX, QW 462.5 (d) e critério de aceitação conforme a mesma norma, item QW 163, para a qualificação de procedimento para revestimentos metálicos, com espessura de 12,7 mm, mais o revestimento. 2.8. Determinação da Diluição nos Revestimentos.

Para a obtenção da diluição nos depósitos dos revestimentos, foi utilizado o método das áreas, que representa a participação do metal de base na formação do cordão (Avery, 2007).

A diluição pode ser definida como a relação percentual entre a Área Depositada (Ad) e a soma da mesma com a Área Penetrada (Ap), conforme demonstrada na Fig. (1) e Eq. (1). O cálculo das áreas foi realizado com o auxílio do software AutoCAD.

100)(

(%) xAA

AD

dp

d

+= (I)



Figura 1 - Relação da Área depositada e da Área Penetrada. (Avery, 2007).

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Para uma análise macrográfica dos revestimentos em estudo, foram realizadas macrografias das seções transversais,

onde pode-se notar nas Figs. (2 e 3), a isenção de defeitos ao longo da espessura total dos revestimentos, após a aplicação das 3 camadas dos respectivos consumíveis..

Figura 2. Macrografia da seção transversal da amostra com revestimento de AISI 904L.

Figura 3. Macrografia da seção transversal da amostra com revestimento de INCONEL 625.

Os resultados das análises realizadas através dos microscópios óptico (MO) e eletrônico de varredura (MEV), juntamente com a análise química estimada pelo EDS, indicam a existência de uma região de interface entre o revestimento de INCONEL 625 e o substrato de aço carbono ASTM-A-516 grau 70, chamada de linha de fusão, onde se observa a presença de uma zona de transição, constituída por uma faixa clara, enquanto que no revestimento, pode-se verificar uma região com características de crescimento celular e na região subsequente, nota-se o metal de solda com uma morfologia conhecida como ZPD, que tem como característica uma composição química composta pela mistura do substrato e do revestimento, conforme a micrografia apresentada na Fig. (4) e o espetro na Fig. (5).

Para o revestimento da mesma amostra, observa-se a presença de regiões equiaxiais e colunares, com a presença de precipitados na matriz, conforme podemos ver na Fig. (6).



Figura 4. Microestrutura mostrando a analise de linha da amostra de revestimento com INCONEL 625. 500x.

Figura 5. Espectro da microestrutura da Figura 2 por EDS desde o substrato até o revestimento.

Figura 6. Microestrutura do revestimento com INCONEL 625. 3000x

O mesmo procedimento foi adotado para a amostra de revestimento com AISI 904, Figs. (7 a 9), onde observa-se uma região de interface entre o revestimento de AISI 904L e o substrato de aço carbono ASTM-A-516 grau 70, chamada de linha de fusão, onde observa-se a (redundante) presença de uma zona de transição, constituída por uma faixa escura, enquanto que no revestimento, logo após esta faixa, pode-se verificar uma região com características de crescimento celular e na região subsequente, nota-se o metal de solda com uma morfologia conhecida como ZPD, bastante caracterizada por grãos grosseiros, que tem como característica uma composição química composta pela mistura do substrato e do revestimento, conforme a micrografia apresentada na Fig. (7) e o espetro na Fig. (8).

Para o revestimento da mesma amostra, observa-se a presença de regiões equiaxiais e colunares, sem a presença de precipitados aparentes na matriz, porém, com a presença de poros, conforme podemos ver na Fig. (9).



Figura 7. Microestrutura mostrando a analise de linha da amostra de revestimento com AISI 904. 500x.

Figura 8. Espectro da microestrutura da Figura 4.

Figura 9. Microestrutura do revestimento com AISI 904L. 3000x

Seguindo a avaliação do substrato para o revestimento, tem-se inicialmente uma composição constituída de quase 100% de Fe, correspondendo ao metal de base de aço carbono em estudo. Em seguida, observa-se uma “zona de transição”, cujo teor de ferro cai continuamente ao longo da sua extensão, estabilizando em valores cada vez menores, após alcançar a região do metal depositado, enquanto o níquel cresce gradualmente, alcançando ao final da transição um teor elevado. Os demais elementos liga, como o Cr e Mo, crescem em uma menor taxa, à medida que os pontos de medição se afastam da zona de ligação em direção ao revestimento. Este comportamento é válido para as duas amostras.

O gradiente de composição química observado entre o revestimento e o substrato adjacente ao contorno da poça de fusão, indicam haver uma incompleta mistura entre o metal de adição líquido na poça de fusão e o metal de base líquido durante a soldagem, cujo termo adotado comumente na literatura para esta região é a (ZPD). A formação da ZPD pode ser atribuída ao mecanismo de escoamento do metal líquido no interior da poça de fusão e, segundo os conceitos da mecânica dos fluidos, um líquido escoando sobre uma superfície sólida apresenta uma zona cuja velocidade varia, desde a velocidade de escoamento, até zero na adjacência com o sólido, a qual é denominada de camada limite (Fox, 2004). Assim, no caso da soldagem, onde a ação de diversas forças motrizes causa uma grande agitação do metal líquido na poça de fusão, enquanto que na linha de fusão, onde a agitação é enfraquecida, o líquido pode encontrar-se estagnado ou sob escoamento laminar, o que impede a sua completa mistura (Savage, 1976).

Conforme se pode observar, na região fundida imediatamente próxima a linha de fusão, o metal líquido apresenta uma composição química semelhante à do metal base, com percentual grande de Fe, mas com uma adição pequena de Ni, a qual não ocasiona alterações significativas na temperatura de solidificação, mas é suficiente para estabilizar a fase austenita em temperatura ambiente. Quanto ao modo de solidificação da ZPD, a imagem no MEV da Fig. (4), mostra



que na interface existe inicialmente uma zona clara e que, aparentemente, não apresenta nenhum indício de contorno de grão, nem evidências de interface celular ou dendrítica, sendo um indicativo de solidificação com interface S/L planar.

Com o objetivo de avaliar a variação de dureza ao longo do revestimento para o substrato, foram realizados ensaios de microdureza, onde os perfis foram levantados com uma carga de 500 gf (HV 0,5) e foram realizados ao longo da seção transversal da amostra, incluindo o MB, a ZPD, a ZTA e o MD, com espaçamento entre pontos de 0,2 mm, conforme mostra o levantamento dos perfis de microdureza nas Figs. (10 e 11).

Quanto às propriedades mecânicas, ensaios de microdureza foram realizados sobre a interface, incluindo o substrato, a ZPD, a ZTA e o revestimento, Figs. (10 e 11), como também, pode ser observado, que foram detectadas pequenas diferenças de dureza entre as ZPDs e as regiões adjacentes (substrato e o revestimento) entre as duas amostras, indicando haver indício de formação de martensita ou zona fragilizante nestas regiões, principalmente, na ZPD da amostra de revestimento com AISI 904. Além disso, nota-se um comportamento semelhante de valores de dureza para as duas amostras, variando do menor para o maior valor, na direção do revestimento para o substrato.

Figura 10. Micrografia Ótica das regiões entre o substrato e o revestimento INCONEL 625. 100x

Figura 11. Micrografia Ótica com aumento de 100x das regiões entre o substrato e o revestimento

O rendimento térmico depende do processo de soldagem utilizado, ou seja, os processos que utilizam eletrodo consumível, como no caso dos processos MIG/MAG (Metal Inert Gas/Metal Active Gas) e Arame Tubular (Flux Core Arc Welding), apresentam maiores rendimentos térmicos do que os processos que utilizam eletrodo sem alimentação contínua (Bond, 2008). Como os aportes térmicos utilizados para a aplicação dos revestimentos em estudo foram bem próximos, este fator não foi preponderante para os resultados obtidos.

Os valores de microdureza variam, entre 216 a 380 HV para o revestimento com INCONEL 625 e 200 a 444 HV para o revestimento com AISI 904, na direção dos revestimentos para o substrato, conforme pode-se verificar nas Figs. (12 e 13), onde se evidencia a grande influência da ZPD nas duas amostras analisadas.



Figura 12. Variação dos valores de microdureza Vickers, tomando como base a linha de fusão. INCONEL 625.

Figura 13. Variação dos valores de microdureza Vickers, tomando como base a linha de fusão. AISI 904.

Quanto às análises químicas, podem-se verificar os resultados na Tab. (3), onde são constatadas que as diferenças não foram muito significativas, apesar de em alguns casos ter sido removido mais de 2 mm em relação ao topo.

Tabela 3. Analises químicas de camadas de revestimentos por depósito de solda.

Amostra H(1) C

(%) Cr (%)

Ni (%)

Mn (%)

Si (%)

Mo (%)

N (%)

S (%)

P (%)

Cu (%)

Nb (%)

Ti (%)

Fe (%)

W (%)

Al (%)

Co (%)

Sn (%)

INCONEL 625

5,67 0,0210 20,22 Rest 0,02 0,41 8,77 NE 0 0 NE 3,08 0,06 1,91 0,03 NE 0 0

AISI 904 6,00 0,0433 19,25 25,04 4,48 1,03 5,37 0,14 0 0,02 1,86 0,04 0 Rest 0,09 0,01 0,03 0

(1) Altura a partir do metal base.

A discrepância no teor de manganês para o revestimento com AISI 904 foi mantida, o que significa que o arame utilizado tem uma composição química especial, pois esse elemento foi adicionado propositadamente para aumentar a solubilidade do nitrogênio na liga e foi intencionalmente adicionado para compensar a segregação e precipitação que ocorre com este elemento, durante a soldagem. Os valores elevados de manganês apresentados para o arame sólido, AISI 904, são necessários para evitar a formação de microfissuras e/ou trincas à quente no metal depositado. Estes fatos são abordados pela norma EN 12072. Sendo assim, todos os valores encontrados nas análises químicas estão dentro do previsto.

Com os resultados das análises químicas apresentadas na Tab. (4), pode-se constatar que para o revestimento em INCONEL 625, os valores de Fe apresentaram valores bem abaixo do máximo valor recomendado pela norma ISO 15156, utilizada para a seleção de ligas de níquel, ou seja, máximo de 10 %. Todos os “desvios” apresentados, são devidos à diluição imposta pelo processo de soldagem.

Já com relação ao revestimento com a liga super austenítica, pode-se observar que, por ser um material a base de ferro, sua composição está dentro do previsto e a quantidade de elementos de liga encontrada, principalmente, quanto ao percentual dos elementos que influenciam diretamente na resistência à corrosão por Pite, como Cr, Mo e N, obteve-se valores de PREN acima de 40, conforme pode ser calculado através da Eq. (2) para aços inoxidáveis austeníticos, abaixo (Silva, 2006)



PREN = %Cr + 3.3(%Mo) + 30(%N) (2) Baseado na análise química do revestimento com a liga AISI 904L, conforme Tab. (4), pode-se calcular os valores

de PREN, conforme abaixo: PREN = 19.25 % Cr + 3.3 ( 5.37 % Mo) + 30 (0.14 % N) = 41,17. Conforme pode-se observar, o valor calculado acima do PREN para o revestimento de AISI 904L, indica que este

material pode ser uma alternativa ao revestimento com INCONEL 625, atualmente utilizado, pois mostra que o mesmo possui uma resistência a corrosão localizada bastante elevada, em função do valor calculado ter sido maior do que 40.

Com relação aos ensaios de dobramento, não foram observados quaisquer tipos de descontinuidades e, consequentemente, estes foram considerados aprovados para as amostras analisadas. Este resultado foi considerado de fundamental importância para a qualificação de procedimentos de soldagem para os referidos revestimentos, pois indicou qualitativamente, a ductilidade do material e a sua resistência à flexão do revestimento.

Observou-se que os menores valores de diluição foram obtidos para valores mais baixos de energia e corrente de soldagem e para velocidades de soldagem mais altas (ver item 2.2). Quanto maior for à diluição, maior será a participação de ferro e carbono no metal depositado. Assim, uma diluição reduzida é sempre desejada, pois além de minimizar a formação de microestruturas de alta temperabilidade e susceptíveis a ataque corrosivo, também contribui para evitar trincas de solidificação no MD (Davis, 2006 e Lippold, 2005).

4. CONCLUSÕES

Com base nos resultados experimentais apresentados neste trabalho sobre as diferenças microestruturais e de composição química observadas nas interfaces produzidas com as ligas Inconel 625 e a super austenítica AISI 904L com o aço ASTM A516 Gr. 70 decorrentes do processo de solidificação da poça de fusão, da composição química dos revestimentos, dos resultados dos ensaios de dobramento e do cálculo de diluição, foi possível concluir que:

a) A zona parcialmente diluída (ZPD) que constitui a zona de transição, apresenta uma variação contínua de composição química. Foram encontrados valores maiores de dureza na ZPD o que comprova o comportamento descrito.

b) As variações locais de composição química resultam em alterações nas condições de solidificação. c) Apesar do alto valor calculado do PREN para o revestimento com a liga super austenítica AISI 904L, a sua

aplicação como alternativa ao revestimento atualmente utilizado com a liga INCONEL 625, deverá ser mais detalhadamente analisado, através dos resultados a serem obtidos pelos ensaios de corrosão da norma ASTM G 48 método A. 5. AGRADECIMENTOS

Os autores gostariam de agradecer ao Laboratório de Metalografia e Microscopia Eletrônica do CEFET, pelo suporte nas análises micrográficas MO e MEV, além das medições de dureza, ao Laboratório Metalúrgico da Sulzer Brasil pela realização das análises químicas, a PETROBRAS, a Jaraguá Equipamentos Industriais e a Böhler Welding Group, pela colaboração no desenvolvimento deste projeto.

6. REFERÊNCIAS ASTM A 240 UNS 32750 - Standard Specification for Chromium and Chromium-Nickel Stainless Steel Plate, Sheet,

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Alloys by Use of Ferric Chloride, 2009. 7. DIREITOS AUTORAIS

Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.

7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 7th BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING

20 a 24 de maio de 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ - B rasil May 20th to 24th, 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ – Brazil


STUDY OF MECHANICAL PROPERTIES AND MICROSTRUCTURAL OF THE SUPERAUSTENITIC STAINLESS STEEL AISI 904L USED AS

INTERNAL OVERLAY INTO VESSELS PRESSURE FABRICATED I N CARBON STEEL ASTM A 516, GRADE 70.

Abstract. This study evaluated the performance of a superaustenitic alloy AISI 904L consumable compared to INCONEL 625 consumable and these alloys were deposited through Pulsed MIG (GMAW) and flux cored wire (FCAW) welding processes respectively on the internal surfaces of the pressure vessels fabricated in Carbon Steel ASTM A 516 grade 70, installed on the oil and and gas production plants in the offshore platforms that operate in the Pre salt oil fields. For execution of this present study were made welding overlay with the materials and processes mentioned above, and the following analyzes were performed: (a) microhardness tests with a load of 500 gf, one scan was performed with intervals of 0.2 mm, covering the substrate, the heat affected zone (HAZ), the diluted partially zone (DPZ) and overlay; (b) bending test for the welding overlay qualification with thickness greater or equal to 5 mm and the base metal greater or equal to 12.5 mm, lateral and transverse tests were performed; (c ) metallographic analysis of the welding overlay metal, consisting of macrograph, optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM); and (d) chemical analysis of the overlays. The results showed that the overlay on study showed a satisfactory performance in terms of weldability of mechanical properties and microstructural for the intended application and through the chemical analysis results the AISI 904L overlay presented a chemical composition whose PREN calculated reached values greater than 40, which gives great possibility that this material has a good localized corrosion resistant (pitting and crevice). Keywords: overlay, superaustenitic stainless steel, INCONEL and mechanical properties.

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ESTUDO DE PROPRIEDADES MECÂNICAS E MICROESTRUTURAIS DO AÇO