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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM ENGENHARIA NAVAL E OFFSH ORE
ENGL61 – CONSTRUÇÃO NAVAL I.
Professor: DSc. Carlos Alberto Caldas de Sousa
Atividade em Grupo Utilização do aço inoxidável como material de const rução em uma plataforma de petróleo.
EQUIPE:
André Oliveira
Celso Brasil
Ernesto Marcos
Salvador, 22 de Março de 2013.
UFBA – UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA EPUFBA – ESCOLA POLITÉCNICA DA UFBA DEM – DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA CEENO – CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM ENGENHARIA NAVAL E OFFSHORE ENGL61 – CONSTRUÇÃO NAVAL I
UTILIZAÇÃO DO AÇO INOXIDÁVEL COMO MATERIAL DE CONSTRUÇÃO EM UMA PLATAFORMA DE PETRÓLEO André Oliveira, Celso Brasil, Ernesto Marcos
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SUMÁRIO: 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 3
2. AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS .................................................................. 5
3. AÇOS INOXIDÁVEIS FERRÍTICOS ....................................................................... 7
4. AÇOS INOXIDÁVEIS MARTENSÍTICOS ............................................................... 8
5. AÇOS INOXIDÁVEIS ENDURECIDOS POR PRECIPITAÇÃO (PH) .................... 11
5.1 Aços Inoxidáveis Endurecíveis por Precipitação Semi – Austeníticos ............ 15 5.2 Aços Inoxidáveis Endurecíveis por Precipitação Austeníticos ........................ 16 5.3 Aços Inoxidáveis Endurecíveis por Precipitação Martensíticos ........................ 17 5.4 Aço Inoxidável Endurecível por Precipitação PH ............................................ 17
5.4.1 Resistência à Corrosão dos Aços Inoxidáveis Endurecíveis por Precipitação ............................................................................................................ 20
6. AÇOS INOXIDÁVEIS DUPLEX ............................................................................. 22
7. AÇOS INOXIDÁVEIS SUPERDUPLEX ................................................................ 24
8. AÇOS INOXIDÁVEIS SUPERAUSTENÍTICOS .................................................... 24
9. AÇOS INOXIDÁVEIS SUPERMARTINSÍTICOS ................................................... 25
10. AÇOS INOXIDÁVEIS SUPERAUSTENÍTICOS .................................................... 26
11. CONCLUSÃO ....................................................................................................... 27
12. BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................... 28
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1. INTRODUÇÃO
Os aços inoxidáveis não são como ouro (Au) e prata (Pt), metais nobres que não
reagem com o meio ambiente. Os metais que constituem os aços inoxidáveis reagem
com bastante facilidade. Um deles, em particular o Cr, possibilita a formação de filmes
que protegem essas ligas de ataques subseqüentes. Este fenômeno, pelo qual o metal
ou a liga deixam de ser corroídos, quando termodinamicamente deveríamos esperar o
contrário, é conhecido como passividade. Os filmes passivos são extraordinariamente
finos (nos aços inoxidáveis são filmes de uma espessura aproximada de 30 a 50
angströns, sendo um angström o resultado da divisão de 1mm por dez milhões) e isso
cria grandes dificuldades para uma interpretação definitiva sobre a forma e a natureza
dos mesmos, sabe-se que a formação destes filmes é favorecida pela presença de
meios oxidantes.
A resistência à corrosão nas ligas de ferro-cromo foi identificada pela primeira
vez em 1821 pelo francês metalúrgico Pierre Berthier, que notou sua resistência contra
o ataque de alguns ácidos e sugeriu seu uso em talheres. Os Metalúrgicos do século
19 foram incapazes de produzir uma combinação de baixo teor de carbono, com
elevado teor de cromo como encontrado na maioria dos modernos aços inoxidáveis e
as ligas de alto cromo, o aço por eles produzido era demasiadamente frágil para ter uso
prático.
No final de 1890 Hans Goldschmidt na Alemanha desenvolveu uma reação
exotérmica pela oxidação do alumínio por óxidos de Ferro, Magnésio ou Cromo
denominada aluminotérmica (Thermite) podendo atingir 3.500°C, que foi utilizada para
produção de carbono-livre de cromo. Entre 1904 e 1911 vários pesquisadores,
particularmente Leon Guillet na França, já havia desenvolvido ligas cuja composição
assemelhava-se ao que hoje seria considerado aço inoxidável. O aço estudado na
Inglaterra era uma liga Fe-Cr, com cerca de 13% de Cr, próximo ao que hoje
chamamos de 420.
Em 1908, na Alemanha, Friedrich Krupp Germaniawerft construiu um veleiro de
366 toneladas Germânia com um casco de aço cromo-níquel. Em 1911, Philip
Monnartz publicou trabalho sobre a relação entre o teor de cromo e resistência à
corrosão. Em 17 de outubro de 1912, Krupp engenheiros, Benno Strauss e Eduard
Maurer patentearam aço inoxidável austenítico com a marca ThyssenKrupp Nirosta.
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Desenvolvimentos semelhantes estavam ocorrendo simultaneamente nos Estados
Unidos, onde Christian Dantsizen e Frederick Becket produziam aço inoxidável ferrítico.
Os aços inoxidáveis são ligas de ferro (Fe), carbono (C) e cromo (Cr) com um
mínimo de 10,50% de Cr. Outros elementos metálicos também integram estas ligas,
mas o Cr é considerado o elemento mais importante porque é o que dá aos aços
inoxidáveis uma elevada resistência à corrosão.
A Indústria do Petróleo prescinde da utilização de aço para a construção de
plataformas, equipamentos e ferramentas, o aço inoxidável é o material mais
empregado na fabricação de tubulações para trocadores de calor, Risers, Válvulas,
Árvores de Natal, . Neste segmento o inoxidável austenítico AISI 316L é bastante
utilizado em consequência da presença de molibdênio, que propicia uma melhor
resistência à corrosão, em relação ao AISI 304L. No entanto, necessidades impostas
por condições mais agressivas de trabalho, como maior resistência a corrosão em
soluções aquosas, contendo cloretos tem provocado a corrosão localizada deste meio
no aço AISI 316L. Portanto, outras composições de inoxidáveis tem sido
desenvolvidas, como por exemplo, o aço super-duplex UNS S32750.
O aço UNS S32750 é usado em aplicações onde é necessária elevada
resistência mecânica associada à alta resistência a corrosão, em especial na área
petroquímica e em componentes em contato com água do mar, portanto, sujeito a
aplicações em meios aquosos com a presença de cloretos.
A indústria de offshore exige vários pré-requisitos que são muito importantes
para o uso do aço em aplicações específicas, tais como: Peças para Cabeça de Poço,
Árvore de Natal, Manifold, Risers, PLEM/PLET, Conectores, Ferramentas para
Perfuração. As principais propriedades e exigências são resistência ao desgaste, ao
impacto e a corrosão, por trabalharem em águas profundas, sob condições severas e
de altas pressões, e na presença de cloretos.
Dentre as várias utilizações para Aços e Ligas Especiais no campo do Petróleo e
Gás, podemos relacionar alguns, já consagrados:
− Construção Mecânica: 4340, F11, F22, 8630, 4130, 4140, 4330 (Similar ASTM) − Ligas à base de Níquel: N06625, N07718, N06617, N08825 (Similar UNS) − Endurecíveis por Precipitação: 17-4PH, 17-7PH, 15-5PH, 13-8PH (Similar ASTM) − Aços Inoxidáveis Martensíticos: 410, 420, 416 (Similar AISI), 1.4313 (Similar WNr) − Aços Inoxidáveis Austeníticos: 304, 304L, 316, 316L, 317L, 321, 347 (Similar AISI),
XM19 (ASTMA182)
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− Aços Inoxidáveis Duplex e Super Duplex: 1.4460, 1.4462, 1.4410, 1.4501, 1.4507 (Similar WNr)
− Maraging: Maraging 250, Maraging 300.
O setor metalúrgico tem estudado e desenvolvido ligas metálicas para atender
as mais variadas exigências, com propriedades inovadoras, neste aspecto podemos
citar os aços Triplex, TWIP (Twinning Induced Plasticity) e TRIP (transformation
induced plasticity).
A constante necessidade do ser humano de buscar soluções aos mais diversos
inconvenientes gerados na aplicação dos materiais o fez evoluir. O reflexo desta
evolução é facilmente identificado nos materiais e tecnologias que nos rodeiam
atualmente. Os aços inoxidáveis duplex e os aços triplex são bons demonstrativos
desta evolução. Estes são materiais com excelente desempenho mecânico e de
resistência à corrosão.
2. AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS
Classificação de acordo com a fase predominante a temperatura ambiente
Austeniticos: composição tipíca 18% Cr e 8% Ni, A adição de níquel como elemento de
liga, em determinadas quantidades, permite transformar a estrutura ferrítica em
austenítica e isso tem como conseqüência uma grande mudança em muitas
propriedades. Os aços inoxidáveis austeníticos (figura 7), dos quais o 304 (18%Cr-
8%Ni) é o mais popular, têm excelente resistência à corrosão, excelente ductilidade
(existe aqui uma grande mudança nas propriedades mecânicas se os comparamos
com os ferríticos) e excelente soldabilidade. Os inoxidáveis austeníticos são utilizados
em aplicações em temperatura ambiente, em altas temperaturas (até 1.150º C) e em
baixíssimas temperaturas (condições criogênicas), uma série de alternativas que
dificilmente são conseguidas com outros materiais. O aço 304 é um material com
grandes possibilidades em suas aplicações, a tal ponto que podemos encontrá-lo em
nossas casas (em um garfo ou em uma panela, por exemplo) e também na indústria,
em aplicações de grande responsabilidade. Dependendo do meio ambiente, o 304 não
é o austenítico mais utilizado. Um dos problemas enfrentado pelo 304 (e o mesmo
ocorre com outros aços inoxidáveis) é o da ação corrosiva provocada pelo ânion
cloreto, Cl(-). Dependendo da concentração de cloretos no meio, da temperatura e do
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pH, três formas de corrosão podem ocorrer: por pites, por frestas e sob tensão. Dessas
três formas de corrosão, os ferríticos também são propensos às duas primeiras e
podemos dizer que, em geral, os austeníticos possuem melhor resistência que os
ferríticos às corrosões por pites e em frestas (devido à ação do níquel, que favorece a
repassivação do material nas regiões onde o filme passivo foi quebrado por estas
formas de corrosão). A adição de molibdênio (cerca de 2%) transforma o 304 no aço
inoxidável 316, um material muito mais resistente à corrosão por pites e por frestas.
Podemos mencionar, como exemplo, que o 304 austenítico é recomendado para
trabalhar, em temperatura ambiente, com águas que contêm, no máximo, 200 ppm
(partes por milhão) de cloreto. O 316, nas mesmas condições, é recomendado em
águas que contenham até 800 ppm de cloreto. Se a quantidade de cloreto é mais alta
(ou mesmo sendo mais baixa, se a temperatura é mais elevada ou se o meio possui
características ácidas), adições maiores de molibdênio são necessárias, como é o caso
do aço 317. A corrosão por pites e a corrosão por frestas, que mencionamos, são
formas de corrosão extraordinariamente localizadas e são bastante parecidas, pelo
menos em seus mecanismos de propagação. Como o próprio nome indica, na corrosão
por frestas é necessário que exista um interstício. O interstício pode ter sido criado na
construção do equipamento (um problema de projeto) ou pode ser consequência do
próprio processo, como por exemplo, uma incrustação ou um depósito nas paredes do
mesmo. O 316 é um pouco melhor que o 304 na corrosão sob tensão (a corrosão que
envolve normalmente três fatores: meio agressivo, em nosso caso, cloretos,
temperatura e, como o nome indica, tensões, sejam estas aplicadas ou residuais do
processo de fabricação). Mas as vantagens do 316 sobre o 304, nesta forma de
corrosão, são muito limitadas. A corrosão sob tensão é conhecida como o calcanhar de
Aquiles dos aços inoxidáveis austeníticos. Um grande aumento no teor de níquel
diminui o risco de corrosão sob tensão. É muito importante observar que os aços
inoxidáveis ferríticos são imunes a esta forma de corrosão. A quantidade máxima de
carbono nos aços 304, 316 e 317 é de 0,08%. Quando esses materiais são submetidos
a temperaturas entre 425 e 850 C, o carbono e o cromo se combinam e se precipitam
como carboneto de cromo (Cr23C6). Esta precipitação ocorre preferencialmente nos
contornos de grão do material, o que provoca um empobrecimento de cromo nas
regiões adjacentes dos mesmos. O fenômeno é conhecido como sensitização e um
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material sensitizado (dependendo da intensidade da precipitação de carbonetos de
cromo) pode ficar com quantidades de cromo em solução sólida, nas adjacências dos
contornos de grão, tão baixas que essas regiões já não terão a resistência à corrosão
dos aços inoxidáveis. Os materiais sensitizados sofrerem corrosão quando estão em
contato com determinados meios, em particular meios ácidos. Como o empobrecimento
do cromo ocorre nas adjacências dos contornos de grão, esse tipo de corrosão, que
acaba destacando os grãos do material, é conhecida como corrosão intergranular. Os
materiais sensitizados são também mais propensos às formas de corrosão
anteriormente mencionadas. Como o cromo precipita como carboneto, uma solução
óbvia é reduzir a quantidade de carbono nestes materiais. Os aços inoxidáveis 304L,
316L e 317L, com carbono máximo de 0,03% são as versões extra baixo carbono para
os aços 304, 316 e 317 e são utilizados na fabricação de equipamentos que trabalham
com meios capazes de provocar corrosão em materiais sensitizados. Elementos
estabilizadores, como titânio e nióbio, podem ser adicionados com o objetivo de evitar a
sensitização, pois esses elementos têm, como já foi comentado, uma afinidade química
com o carbono superior àquela que tem o cromo. Carbonetos desses metais são
precipitados, impedindo desta maneira a precipitação de carbonetos de cromo.
Exemplos destes tipos de aço são o 321 e o 347, basicamente aços 304 estabilizados.
O 316Ti é a versão estabilizada do 316.
3. AÇOS INOXIDÁVEIS FERRÍTICOS
Os aços inoxidáveis ferríticos contêm, em geral, uma quantidade de cromo superior a
dos martensíticos. Possuem em média de 15% a 20% Cr, baixo teor de C, e não
possuem Ni. Isso melhora a resistência à corrosão, mas em parte sacrifica outras
propriedades, como a resistência ao impacto. O mais popular dos aços ferríticos é o
430. Com cromo superior a 16%, é um material com ótima resistência à corrosão. Sua
capacidade de estampagem também é boa, mas estampagens muito profundas não
podem ser conseguidas com esse tipo de aço. A maior limitação para a utilização do
aço 430 é a soldabilidade do mesmo. As soldas nesse aço são frágeis e de menor
resistência à corrosão. A formação parcial da martensita (mesmo com o baixo conteúdo
de carbono), a precipitação de carbonitretos de cromo e o crescimento excessivo do
tamanho do grão nas regiões soldadas são as principais causas que acarretam o mal
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desempenho deste material na soldagem. As aplicações do 430 se restringem àquelas
que não precisam de soldagem, ou quando as soldas não são consideradas operações
de alta responsabilidade. Por exemplo, uma pia de cozinha pode ser soldada com a
mesa, mas não se pode construir um tanque para estocar ácido nítrico (mesmo que o
430 resista muito bem a este ácido). Uma solução para este problema de soldabilidade
seria fazer o recozimento depois de soldar. Porém, isto aumenta os custos e, muitas
vezes, pelas características da estrutura soldada, um recozimento não é possível.
Outra alternativa (que é utilizada na prática) é a de adicionar, como elementos de liga,
estabilizadores como o titânio e o nióbio. Os elementos estabilizadores têm uma
grande afinidade química com o carbono, formando então carbonetos destes
elementos. Ataca-se desta maneira, principalmente, a formação de martensita (fase
rica em carbono) e a precipitação de carbonitretos de cromo. O crescimento de grão
das regiões soldadas é também, em parte, limitado pela presença de elementos
estabilizadores. Entre os aços inoxidáveis ferríticos estabilizados, podemos mencionar
o 439 (com aproximadamente 17% de cromo), o 441 (semelhante em cromo ao anterior
mas com um excesso de nióbio), o 409 (com 11% de cromo) e o 444 (com 18% de
cromo e aproximadamente 2% de molibdênio). Todos eles podem ser soldados pelo
fato de serem aços inoxidáveis ferríticos estabilizados. O aço 439 também apresenta
um melhor comportamento que o 430 na estampagem e uma melhor resistência à
corrosão (devido ao Ti, o enxofre precipita como sulfeto de titânio e não como sulfeto
de manganês, inclusões estas últimas que são preferencialmente atacadas na corrosão
por pites).
4. AÇOS INOXIDÁVEIS MARTENSÍTICOS
Nos aços inoxidáveis martensíticos o carbono está em uma determinada concentração
que permite a transformação de ferrita em austenita em altas temperaturas. A
composição em média contém o teor máximo 18% de Cr, não contém Ni, e o teor de C
maior que nos ferriticos. Durante o resfriamento, a austenita se transforma em
martensita. A martensita é uma fase rica em carbono, frágil e muito dura. Esses aços
são fabricados e vendidos pela indústria siderúrgica no estado recozido, com estrutura
ferrítica, baixa dureza e boa ductilidade. Somente depois de um tratamento térmico de
têmpera, terão uma estrutura martensítica sendo muito duros e pouco dúcteis. Mas
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nestas condições (temperados) é que serão resistentes à corrosão. Entre os aços
inoxidáveis martensíticos, o mais conhecido é o aço 420, com pouco mais de 12% de
Cr e aproximadamente 0,35% de C. No estado recozido, ferrítico, o 420 não possui boa
resistência à corrosão atmosférica. Isso se deve à operação de recozimento que é
realizada a uma temperatura próxima aos 760°C, temp eratura na qual o C e o Cr
presentes no aço se combinam para formar carboneto de cromo, Cr23C6, que precipita.
Cada molécula de Cr23C6 precipitada possui, em peso, aproximadamente 95% de Cr.
Como o aço 420 tem muito carbono e pouco cromo (quando comparado com outros
inoxidáveis), praticamente a metade de cromo do aço 420 acaba sendo precipitado e
retirado da solução sólida. Nesta condição, o material não resiste à corrosão
atmosférica (não existe um mínimo de 10,50% de Cr na solução sólida). Assim, o aço
inoxidável 420 (como todos os martensíticos) tem que sofrer a operação da têmpera,
que transforma a ferrita em austenita e esta última em martensita durante o
resfriamento. Com a têmpera, o carbono forma parte da fase martensítica e não está
disponível para ser precipitado como carboneto de cromo. Somente depois de
temperados, estes materiais passam a ser resistentes à corrosão. A alta dureza do
material temperado (estrutura martensítica) faz com que estes materiais sejam muito
utilizados na fabricação de facas. A resistência ao desgaste é muito forte. Outros aços
inoxidáveis martensíticos são variantes do aço 420. O aço 410 possui uma quantidade
máxima de carbono de 0,15%. Sendo a martensita uma fase rica em carbono, é
evidente que este aço, ao ser temperado, atingirá uma dureza menor que a do 420. O
aço P498V (designação interna da ArcelorMittal Inox Brasil) ou aço EN 1.4116, com um
teor de carbono de aproximadamente 0,47%, com cromo um pouco superior ao do aço
420, com presença de molibdênio e de vanádio (V), apresenta, depois de temperado,
durezas maiores que as atingidas com o 420. O molibdênio, como elemento de liga,
melhora a resistência à corrosão deste material e o vanádio melhora a tenacidade.
Existem também os aços 440 (tipos A, B e C), com teores mais altos de carbono (maior
dureza na têmpera) e valores mais elevados de cromo e molibdênio (melhor resistência
à corrosão). O aço 420F, fabricado normalmente na forma de produto não plano, é uma
variante do 420 na qual o aumento na quantidade de enxofre facilita a usinagem do
material. A adição de elementos de liga ou o controle dos mesmos em determinados
valores é sempre feita com objetivos previamente determinados. Um aço inoxidável
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como o 904L, com 20% de cromo, 25% de níquel, 4,5% de molibdênio, 1,5% de cobre
e com carbono máximo 0,02%, que entra na categoria dos superausteníticos possui tal
composição química por motivos definidos, para ser utilizada em aplicações
específicas, em condições muito agressivas. Através da composição química deste
material, podemos esperar: garantia de que o material não será sensitizado em um
processo de soldagem (baixos valores de carbono), ótima resistência às corrosões por
pites e em frestas (altos valores de cromo e principalmente de molibdênio), melhor
resistência à corrosão sob tensão que o 304 e o 316 (alto conteúdo de níquel). Além
disso, os valores elevados de níquel e molibdênio (e também a presença de cobre),
melhoram a resistência à corrosão em meios ácidos. Para evitar problemas de
corrosão associados à sensitização do material, é reduzida a quantidade de carbono,
mas, às vezes, quando a corrosão não é uma ameaça, teores mais altos de carbono
podem desempenhar um papel benéfico. Os aços 304H e 316H são semelhantes aos
tipos 304 e 316, com a diferença que, nos tipos “H”, o carbono mínimo é de 0,04%. São
aços utilizados em altas temperaturas nas quais ocorre precipitação de carbonetos de
cromo. Uma fina rede de carbonetos de cromo precipitados ajudará estes aços a
conservarem melhor as propriedades mecânicas em altas temperaturas. Aumentos
significativos de cromo e níquel, como no aço 310 (25%Cr-20%Ni), aumentam
consideravelmente a resistência à oxidação em altas temperaturas porque a
temperatura de descamação passa a ser maior. Trabalhando em contato com o ar, o
304 é recomendado em serviços contínuos até temperaturas de 925ºC porque, para
temperaturas maiores, os óxidos formados começam a se desprender provocando
novas oxidações do material ficando sem uma barreira de óxidos que o defenda.
Eventos sucessivos de formação de uma camada de óxidos e descamação da mesma
vão reduzindo a espessura do material. Nas mesmas condições, o 310 resiste a
temperaturas de até 1.150ºC. É um dos aços inoxidáveis refratários, dos quais
podemos mencionar também o 314 que, além de altos valores de cromo e níquel,
possui também um elevado conteúdo de silício. O aço 304 é um material com
excelente ductilidade. Em alguns casos de estampagem muito profunda, um aumento
no níquel permite melhorar ainda mais esta característica. Com esta finalidade tem sido
desenvolvido o aço 305. Mesmo que os aços austeníticos não sejam magnéticos,
depois de um processo de estampagem, ou em uma conformação a frio, como na
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laminação, nas partes que sofreram maior deformação, pode ser observado um certo
caráter magnético. Isso é consequência da transformação parcial da austenita em
martensita, que ocorre por deformação a frio. Reduções nos valores de níquel (quando
comparamos com o 304), diminuem a estabilidade da austenita, permitindo uma maior
formação de martensita na laminação a frio. Isso é utilizado para a fabricação de aços
inoxidáveis para aplicações estruturais, como é o caso do aço 301 (com valores
aproximados de 17% de cromo e 7% de níquel), que é fabricado e vendido na condição
de laminado (sem tratamento térmico posterior) com diversos graus de dureza e
propriedades mecânicas.
Também utilizados em aplicações estruturais, os aços da série 200 são o resultado de
uma substituição parcial de níquel por manganês. A resistência à corrosão destas ligas
(Fe-Cr-Ni-Mn) é inferior a dos aços equivalentes da série 300. Algumas ligas da série
200, de mais recente fabricação, contendo cobre (Cu), permitem a utilização de alguns
destes aços em outras aplicações (não apenas estruturais), como por exemplo, em
estampagem profunda. Nos austeníticos, há também uma versão do 304 com alto
enxofre, para melhorar a usinagem: o aço 303. É fabricado somente como produto não
plano. Grandes aumentos de níquel nos levam às ligas Ni-Fe-Cr, onde o elemento em
maior porcentagem já não é o ferro e sim o níquel. São conhecidas como ligas à base
de níquel (não são classificadas como aços inoxidáveis) e possuem excelente
resistência à corrosão em muitos meios em altas temperaturas.
5. AÇOS INOXIDÁVEIS ENDURECIDOS POR PRECIPITAÇÃO (P H)
Aços inox endurecíveis por precipitação (PH – Precipitation Hardenable) são
ligas ferro-cromo (12 a 17%) – níquel (4 a 8%) – molibdênio (0 a 2%) - pequenas
adições de elementos de liga Al, Cu, Ti, e Mo, com matriz martensítica (de baixo
carbono), endurecida pela precipitação de compostos intermetálicos formados pela
adição de elementos (em teores menores) como alumínio, cobre, titânio e nióbio, ou
com matriz austenítica, podendo haver também os semi-austeníticos. Possuem
resistência à corrosão comparável à dos austeníticos e resistência mecânica
comparável à dos martensíticos.
Estes aços foram desenvolvidos devido à limitada resistência mecânica
alcançada pelos aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos através do endurecimento por
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solução sólida ou encruamento, e a limitada ductilidade e tenacidade dos aços
inoxidáveis martensíticos.
A alta resistência é alcançada com um tratamento térmico relativamente simples,
sem que ocorra a perda de ductilidade e resistência à corrosão quando comparado
com aços de níveis de resistência semelhantes. Isto é possível pelo uso de um ou
ambos os mecanismos de endurecimento: formação da martensita e endurecimento por
precipitação Três classes de aços inoxidáveis PH tem sido desenvolvidas: semi-
austenítica, austenítica e martensítica. A Tabela 2.1 mostra a composição química e a
Tabela 2.2 apresenta os tratamentos térmicos típicos para os principais aços desta
classe.
Composição química dos aços inoxidáveis endurecívei s por precipitação (%em peso)
Ligas C Mn Si Cr Ni Mo P S Outros
Martensíticos
PH13-8Mo 0,05 0,10 0,10 12,25
a 13,25
7,5 a
8,5
2,0 a
2,5 0,01 0,008 0,90 a 1,35 Al;
0,01N
15-5PH 0,07 1,00 1,00 14,0
a 15,5
3,5 a
5,5 - 0,04 0,03
2,5 a 4,5 Cu; 0,15 a 0,45 Nb
17-4PH 0,07 1,00 1,00 15,0
a 17,5
3,0 a
5,0 - 0,04 0,03 3,0 a 5,0Cu;
0,15 a 0,45Nb
Custom450 0,05 1,00 1,00 14,0
a 16,0
5,0 a
7,0
0,5 a
1,0 0,03 0,03
1,25 a 1,75Cu; 8x%Cmin.Nb
Custom455 0,05 0,50 0,50 11,0
a 12,5
7,5 a
9,5 0,50 0,04 0,03
1,5 a 2,5Cu; 0,8 a 1,4Ti; 1,0 a 0,5Nb
Semi-austeníticos
PH15-7Mo 0,09 1,00 1,00 14,0
a 16,0
6,5 a
7,75
2,0 a
3,0 0,04 0,04
0,75 a
1,5 Al
17-7PH 0,09 1,00 1,00 16,0
a 18,0
6,5 a
7,75 - 0,04 0,04
0,75 a
1,5 Al
AM-350 0,07
a 0,11
0,50 a
1,25 0,50
16,0 a
17,0
4,0 a
5,0
2,50 a
3,25 0,04 0,03
0,07 a
0,13N
AM355 0,10
a 0,15
0,50 a
1,25 0,50
15,0 a
16,0
4,0 a
5,0
2,50 a
3,25 0,04 0,03
0,75 a
0,13N
Austeníticos
A-286 0,08 2,00 1,00 13,5
a 16,0
24,0 a
27,0
1,0 a
1,5 0,025 0,25
1,9-2,35Ti; 0,35maxAl; 1,0 – 0,5V;
0,003-0,01B
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Tratamentos térmicos típicos para os aços inoxidáve is endurecíveis por precipitação
Ligas Tratamento de Solubilização
Condicionamento da austenita
Transformação da martensita Envelhecimento
Martensíticos
PH13-8Mo 925ºC – 30min - - 510 – 620ºC, 4h
15-5PH 1035ºC – 30min - - 480ºC, 1h;
495 - 620ºC, 4h
17-4PH 1035ºC – 30min - - 480ºC, 1h; 495 - 620ºC, 1h
Custom450 1035ºC – 1h - - 480 - 620ºC, 4h
Custom455 830ºC – 1h - - 480 - 535ºC, 4h
Semi-austeníticos
PH15-7Mo 1065ºC – 30min 955ºC – 10min Resfriamento a 75°C, 8h 510ºC – 1h
17-7PH 1065ºC – 30min 760ºC – 90min Resfriamento a 15°C, 30min 565ºC – 90min
AM-350 1065ºC – 90min 930ºC – 90min Resfriamento a 75°C, 3h 455ºC – 3h
AM355 1025ºC – 90min 930ºC – 90min Resfriamento a 75°C, 3h 535ºC – 3h
Austeníticos
A-286 900ºC – 2h - - 730ºC – 16h
Na metalurgia o mecanismo de endurecimento por precipitação é mais familiar
para ligas de alumínio, envolvendo a formação de partículas de segunda fase a partir de
uma solução sólida supersaturada induzindo deformação e, por conseqüência,
distorcendo a rede cristalina do metal.
A máxima resistência ocorre antes que partículas distintas sejam formadas,
estágio conhecido como pré-precipitação. Durante este período, os átomos das fases
precipitadas tendem a acumular-se de forma contínua e coerente com a matriz. A
máxima deformação e conseqüentemente máxima resistência ocorrem durante esta
etapa. Conforme os precipitados crescem, eles alcançam um tamanho crítico e formam
uma interface entre as duas fases. Esta perda de coerência reduz a deformação na
rede, diminuindo a resistência e produzindo um fenômeno conhecido com
superenvelhecimento.
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Como a maioria dos processos metalúrgicos, o endurecimento por precipitação é
dependente do tempo e da temperatura. Altas temperaturas produzem uma resistência
máxima mais rapidamente do que baixas temperaturas, entretanto adquirem um nível
de resistência final mais baixo.
Os aços inoxidáveis PH geralmente possuem boa ductilidade e tenacidade com
moderada à boa resistência à corrosão. A melhor combinação de resistência mecânica
e resistência à corrosão são alcançadas com ligas martensíticas devido aos altos
teores de cromo, níquel e molibdênio, bem como o reduzido teor de carbono. O baixo
teor de carbono propicia boa tenacidade e ductilidade reduzindo, entretanto, a
resistência ao desgaste nessas ligas.
O aço inoxidável endurecível por precipitação mais conhecido é o 17-4 PH.
Como todo aço PH, contém cromo e níquel e o envelhecimento é obtido pela adição de
cobre. O nióbio é utilizado para estabilizar o carbono. Em outras ligas, o
envelhecimento é adquirido com a adição de outros elementos de liga como titânio,
alumínio ou nióbio. O molibdênio também pode ser adicionado para melhorar as
propriedades mecânicas ou a resistência à corrosão. O carbono é normalmente restrito,
exceto nas ligas semi-austeníticas que requerem este elemento para promover a
transformação de fase.
Para as ligas semi-austeníticas e martensíticas, a resistência máxima é obtida
pelo envelhecimento na faixa de 455 a 510°C. Temper aturas muito elevadas aumentam
a tenacidade e a ductilidade, porém reduzem o nível máximo de resistência.
Os aços inoxidáveis PH possuem tensão de escoamento variando de 515 a
1415 MPa, limite de resistência à tração de 860 a 1520 MPa e alongamento de 1 a 25%.
Devido a sua alta resistência e menor custo, a maioria das aplicações para os aços
inoxidáveis PH encontram-se na indústria aeroespacial e em outras indústrias de alta
tecnologia.
Geralmente os aços inoxidáveis PH resistem melhor do que os aços inoxidáveis
martensíticos da série 400 ao ataque em meios corrosivos. Na maioria dos meios sua
resistência à corrosão aproxima-se do aço inoxidável austenítico AISI 304.
Algumas ligas novas com alto teor de níquel e baixo teor de carbono são
extremamente resistentes à corrosão sob tensão, quase que imunes a este fenômeno
mesmo nas ligas mais convencionais, a corrosão sob tensão não tem sido um problema
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significativo quando temperaturas de envelhecimento mais elevadas são utilizadas em
aplicações mesmo envolvendo exposição a íons cloreto.
A combinação de propriedades é o aspecto chave em relação ao uso dos aços
inoxidáveis endurecíveis por precipitação. Existem aços mais resistentes, com maior
resistência à corrosão e de mais fácil fabricação. Entretanto, poucos materiais combinam
todos estes aspectos como os aços inoxidáveis PH. Em muitas aplicações, eles têm
substituído os aços de alta liga, pois oferecem vantagens não encontradas em nenhum
destes tipos de materiais.
5.1 Aços Inoxidáveis Endurecíveis por Precipitação Semi – Austeníticos
Os aços endurecíveis por precipitação semi-austeníticos tem sua composição
balanceada de forma que sua temperatura inicial de transformação martensítica (M)
esteja abaixo da temperatura ambiente. Deste modo, sua microestrutura é austenítica
com 5 a 20% de ferrita quando resfriados ao ar a partir da temperatura de solubilização.
Alta ductilidade e facilidade de conformação são obtidas nestas condições. Depois da
conformação, a transformação para martensita é alcançada por um tratamento de
condicionamento onde as temperaturas inicial (M) e final (M) de transformação
martensítica são elevadas através da precipitação de carbonetos nos contornos de grão
desestabilizando a microestrutura austeno-ferrítica. Se uma baixa temperatura de
condicionamento for utilizada (730 a 760°C), a M at inge um valor próximo à temperatura
ambiente e então a transformação para martensita é completa após resfriamento. Se
uma alta temperatura de condicionamento for utilizada (930 a 955°C), menos
carbonetos são precipitados e a M permanece abaixo de zero, então um resfriamento
sub-zero é requerido para completar a transformação martensítica. Portanto, a
martensita produzida desta forma contém maior teor de carbono, apresentando maior
resistência que a produzida pela transformação a baixas temperaturas. A transformação
pode ser também alcançada por trabalho a frio. Em todos os casos o endurecimento é
obtido pelo envelhecimento em temperaturas na faixa de 455 a 565°C.
A liga PH15-7Mo é um exemplo de um aço endurecível por precipitação semi-
austenítico. Após o tratamento térmico de solubilização possui tensão de escoamento
de apenas 380 MPa, valor bem próximo às ligas de aços inoxidáveis austeníticos
convencionais. Com o tratamento térmico de condicionamento a 955°C ocorre a
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precipitação de carbonetos e a desestabilização da austenita que se transforma em
martensita mediante subseqüente resfriamento. O envelhecimento realizado a 510°C
propicia a precipitação de compostos intermetálicos de níquel-alumínio e a martensita
envelhecida pode atingir uma resistência de aproximadamente 1500 MPa. Se o
envelhecimento for realizado em temperaturas mais elevadas ocorre o crescimento dos
precipitados e a conseqüente perda de resistência do aço.
Valores de resistência de aproximadamente 2100 MPa podem ser alcançados
em chapas e tiras laminadas, devido ao trabalho a frio (aproximadamente 60% de
redução) produzir a transformação da austenita para a martensita. Entretanto, desta
forma o ganho das propriedades é alcançado com o sacrifício de tenacidade e
ductilidade.
Estas ligas são produzidas em diversas formas, preferencialmente em tiras e
laminados planos, e possuem aplicações bem particulares como em painéis com
estrutura em forma de colméia soldados por brasagem utilizados em aeronaves.
5.2 Aços Inoxidáveis Endurecíveis por Precipitação Austeníticos
Nesta família de aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação a M é tão baixa
que eles não podem ser transformados em martensita, mantendo a microestrutura
austenítica mesmo para temperaturas sub-zero. O endurecimento nestas ligas é
alcançado pela precipitação de compostos intermetálicos na matriz austenítica.
A liga A-286 é o protótipo dos aços endurecíveis por precipitação austeníticos.
Possui altos teores de elementos de liga, (15Cr-25Ni-1Mo-2Ti) resultando em maior
resistência à corrosão quando comparadas com as ligas martensíticas ou semi-
austeníticas. Ao contrário dos aços inoxidáveis austeníticos da série 300, a liga A-286
pode ter sua resistência aumentada com um tratamento térmico de envelhecimento a
720°C resultando na precipitação de compostos inte rmetálicos de níquel-titânio.
Entretanto, sua tensão de escoamento de aproximadamente 590 Mpa é considerada
baixa quando comparada às ligas martensíticas e semi-austeníticas.
Metalurgicamente estes aços possuem uma microestrutura austenítica muito
estável, mesmo sob grande quantidade de trabalho a frio. Das três classes de aços
inoxidáveis endurecíveis por precipitação, esta possivelmente tem a menor utilização
preferencialmente em aplicações em altas temperaturas como em motores a jato,
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turbinas, ciclones, carcaças, fixadores, bombas de processo, reatores, etc.
5.3 Aços Inoxidáveis Endurecíveis por Precipitação Martensíticos
Os aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação martensíticos são
possivelmente os mais conhecidos desta classe de aço, sendo a liga 17-4 PH a mais
utilizada. Eles são usados principalmente na forma de barras, vergalhões, arames,
forjamento pesado e em menor escala como chapas finas.
Possuem a composição química balanceada de modo que sua temperatura final
de transformação martensítica (M) esteja pouco acima da temperatura ambiente,
transformando-se completamente em martensita após o tratamento térmico de
solubilização.
Estes aços foram desenvolvidos na década de 40 e desde então inúmeras ligas
tem sido elaboradas. Metalurgicamente as ligas desta família são muito similares, isto é,
possuem microestrutura martensítica depois do tratamento térmico de solubilização em
alta temperatura, seguido de um simples tratamento de envelhecimento de 1 a 4 horas
de 480 a 620°C dependendo das propriedades desejada s.
A resistência à corrosão destes aços pode ser comparada com a resistência dos
aços inoxidáveis austeníticos mais comuns, sendo superiores em todos os aspectos aos
aços inoxidáveis martensíticos temperados e revenidos. Em muitos casos, devido à
baixa variação dimensional após tratamento térmico e à baixa temperatura de
envelhecimento, eles podem ser usinados nas suas dimensões finais antes do
tratamento térmico, resultando em um custo total menor quando comparados aos aços
de baixa liga convencionais temperados e revenidos, como o AISI 4340.
5.4 Aço Inoxidável Endurecível por Precipitação (PH) O aço Inox PH, especificamente 0 17-4 PH, é o protótipo dos aços inoxidáveis
endurecíveis por precipitação martensíticos. Após tratamento de solubilização sua
tensão de escoamento se encontra acima de 750 MPa. O endurecimento final é, então,
alcançado com o tratamento de envelhecimento. O efeito de alívio de tensões do
tratamento de envelhecimento aumenta também a ductilidade e a tenacidade. Altas
temperaturas e longos tempos aumentam a tenacidade e promovem melhor ductilidade,
entretanto, com perda de resistência e dureza. Fenômeno conhecido como
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superenvelhecimento. Nesta liga, o endurecimento por precipitação é alcançado com a
adição cobre. Quando envelhecida a 480°C, os precip itados são tão finos que só
podem ser detectados por microscopia eletrônica de transmissão. A tensão de
escoamento neste caso atinge aproximadamente 1200 Mpa
Designações Comercialmente esta liga é denominada de 17-4 PH, entretanto outras especificações também são aplicadas: UNS 17400; AISI S17400; AMS 5604, 5622, 5643; ASME AS 564 (630); ASTM A 564 (630), A 693 (630), A 705 (630); MIL SPEC MIL-C-24111, MIL-S-81591; SAE J467 (17-4PH); DIN X 5 CrNiCuNb 17 4 4. Composição Química
Composição química da liga 17-4PH (% em peso)
Ligas C* Mn* Si* Cr Ni P* S* Cu Nb
17-4PH 0,07 1,00 1,00 15,0 a 17,5 3,0 a 5,0 0,04 0,03 3,0 a 5,0 0,15 a 0,45
Tratamentos Térmicos e Propriedades Mecânicas
O tratamento térmico para o aço inoxidável endurecível por precipitação
martensítico 17-4PH consiste basicamente em duas etapas:
a) tratamento de solubilização realizado em alta temperatura para manter o cobre
em solução sólida. b) tratamento térmico de envelhecimento para precipitação de compostos
intermetálicos de cobre.
Os valores máximos de resistência mecânica e dureza são alcançados com o
envelhecimento em temperaturas menores. Entretanto nestas situações a ductilidade e a
tenacidade atingem seus valores mais baixos. As Tabelas 2.4 e 2.5 mostram os
tratamentos térmicos e as propriedades mecânicas do aço 17-4PH.
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Tratamentos térmicos de solubilização e envelhecime nto para o aço 17-4PH
Condição de Tratamento
Tratamento de Solubilização Resfriamento
Temperatura de Envelhecimento (ºC)
Tempo de Permanência (h) Resfriamento
E 480 1035ºC, 30 min. ar 480 1 ar
E 500 1035ºC, 30 min. ar 495 4 ar
E 550 1035ºC, 30 min. ar 550 4 ar
E 580 1035ºC, 30 min. ar 580 4 ar
E 600 1035ºC, 30 min. ar 595 4 ar
E 620 1035ºC, 30 min. ar 620 4 ar
E 760 1035ºC, 30 min. ar 760 2 ar
E 760 superenvelhecimento
1035ºC, 30 min. ar 620 4 ar
Tratamentos térmicos e as propriedades mecânicas do aço 17-4PH
Condição de Tratamento
Limite de Resistência a Tração (MPa)
Limite de Escoamento
(MPa)
Alongamento (%)
Redução da Área (%)
Dureza (HRc)
Impacto Charpy V (J)
E 480 1310 1172 10 7,5 a 8,5 40 -
E 500 1172 1069 10 3,5 a 5,5 38 6,8
E 550 1069 1000 12 3,0 a 5,0 35 -
E 580 1000 862 13 5,0 a 7,0 32 27
E 600 965 795 14 7,5 a 9,5 31 34
E 620 931 724 16 6,5 a 7,75 28 41
E 760 793 517 18 6,5 a 7,75 24 75
E 760 superenvelhecimento 793 517 18 6,5 a 7,75 24 75
Aplicações
Conexões: Um exemplo típico pode ser encontrado em luvas de acoplamento
hidráulico para altas pressões que anteriormente eram usinadas em barras de AISI
4140 e eletrodepositadas para proteção contra corrosão e agora são fabricadas em 17-
4PH com uma redução de custo de 52%. A liga 17-4 PH permitiu simplificar e acelerar a
usinagem, eliminar operações de tratamento térmico a altas temperaturas (que causam
distorções em seções de parede fina do aço AISI 4140), e eliminação de operações de
eletrodeposição.
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Equipamentos usados em campos de petróleo: Somadas as características de
resistência mecânica, dureza e resistência à corrosão, a liga 17-4 PH torna-se bastante
atrativa para as severas condições encontradas em campos de petróleo. Como
exemplo: peças de válvulas e de bombas, luvas para recuperação de sondas, conexões
de “risers”, etc.
Válvulas para atmosferas marinhas: Utilizadas em substituição aos aços
inoxidáveis martensíticos convencionais, aumentando a vida útil.
Parafusos de apoio de esferas de rolamento: A combinação de propriedades do aço
17-4PH atende as severas exigências destes tipos de componentes tanto em
temperatura ambiente como em temperaturas moderadamente elevadas.
Outras aplicações: Peças de máquinas de enchimento de ampolas, peças de
empacotadoras de leite, molas, engrenagens, componentes de reatores nucleares,
instrumentos cirúrgicos, material fotográfico, instalações criogênicas, etc.
5.4.1 Resistência à Corrosão dos Aços Inoxidáveis Endurecíveis por Precipitação
Com exceção das ligas ferríticas e austeníticas, a resistência à corrosão nos
aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação é secundária. A dureza e a resistência
mecânicas são prioritárias na especificação destes aços.
Em geral, os aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação possuem resistência
à corrosão comparável aos aços inoxidáveis austeníticos e superior aos inoxidáveis
martensíticos.
A seguir estão citadas as formas de corrosão a que estes aços podem estar
submetidos:
Corrosão generalizada: O conteúdo de cromo relativamente alto proporciona boa
resistência à corrosão generalizada nestas ligas. Entretanto, o tratamento térmico e a
microestrutura resultante têm grande importância. As reações de precipitação e
envelhecimento podem afetar negativamente a resistência à corrosão. Portanto, é
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recomendável evitar a máxima precipitação quando a resistência à corrosão é
fundamental.
Corrosão por pites: A resistência à corrosão por pites na maioria das ligas inoxidáveis
endurecíveis por precipitação na condição envelhecida é baixa.
Corrosão intergranular: Aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação normalmente
contêm carbonetos de cromo junto às fases precipitadas, empobrecendo de cromo
nestas zonas e por conseqüência favorecendo o ataque de ácidos corrosivos.
Corrosão – erosão: A resistência ao desgaste erosivo é função da dureza, portanto os
aços endurecíveis por precipitação martensíticos são próprios para melhorar a
resistência contra os efeitos erosivos da velocidade.
Fragilização pelo hidrogênio: A maioria das avaliações da resistência de aços
inoxidáveis de alta-resistência em atmosferas livres de sulfetos tem sido realizadas em
atmosferas marinhas ou em soluções contendo cloretos. Associado aos parâmetros que
determinam a resistência a fragilização pelo hidrogênio, a tensão de escoamento tem
sido identificada como tendo efeito dominante. A fragilização pelo hidrogênio pode
ocorrer na maioria dos materiais de alta resistência sem restrição de composição ou
microestrutura, especialmente quando.
a) microestrutura suscetível do aço (martensita, ferrita,...);
b) tensões residuais de tração;
c) teor de hidrogênio dissolvido no material;
d) temperatura abaixo de 150 ºC.
Aços endurecíveis por precipitação podem exibir fragilização pelo hidrogênio em
atmosferas marinhas para tensões de escoamento acima de 1035 MPa. Em amostras
entalhadas ou pré-trincadas a fragilização por hidrogênio pode ocorrer para menores
tensões de escoamento.
O tratamento térmico de superenvelhecimento nos aços endurecíveis por precipitação
pode diminuir significativamente a tensão de escoamento e, conseqüentemente,
aumentar a resistência à fragilização pelo hidrogênio.
A resistência à fragilização pelo hidrogênio pode ser aumentada pela adição de
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elementos de liga como nióbio e introduzindo ferrita δ dentro da estrutura. Inclusões de
sulfeto de manganês são prejudiciais, pois podem favorecer a formação de pites que
atuam como sítios de iniciação de trincas.
6. AÇOS INOXIDÁVEIS DUPLEX
Os aços inoxidáveis duplex são ligas Fe-Cr-Ni-Mo, contendo até 0,30% em
peso de nitrogênio na forma atômica, que apresentam microestruturas bifásicas
compostas por uma matriz ferrítica e pela fase austenítica precipitada com morfologia
arredondada e alongada (MARCELO; CASTELETTI).
Aço duplex é composto pela combinação de dois tipos de microestrutura:
Ferrítica e austenítica. Sua principal característica é a excelente resistência à
corrosão em meios agressivos devido à sua habilidade em se passivar, ou seja, acionar
a camada superficial que é responsável pela proteção do aço em meios agressivos
(esta camada é extremamente fina 3° a 50A) e perman ecer no estado passivo em
diversos meios aos quais é submetido. Devido ao efeito do refino de grão obtido pela
estrutura austenítica-ferrítica e ao endurecimento por solução sólida, estes aços
apresentam resistência mecânica superior aos aços inoxidáveis austeníticos e
ferríticos. Suas aplicações se dão principalmente no ramo da indústria petroquímica
(em unidades de dessalinização, dessulfuração e equipamentos para destilação) e
papel e celulose (em digestores, plantas de sulfito e sulfato e sistemas de
branqueamento).
Possui características muito especiais, dentre elas está o seu
comportamento super plástico indicado pelas grandes deformações as quais pode ser
sujeito sem a ocorrência de estricção em temperaturas próximas da metade da sua
temperatura de fusão. Além da sua super plasticidade estão entre as propriedades
mecânicas dos aços duplex a alta resistência à corrosão e a sua resistência mecânica
superior a dos aços inoxidáveis comuns. Estes aços possuem limites de resistência à
tração da ordem de 770 MPa, limite de escoamento próximo de 515 MPa, e
alongamento em 50mm de 32% em média.
A soldabilidade destes materiais requer cuidados, quanto ao
superaquecimento, aporte de calor, temperatura entrepasses não superior a 150 °C,
velocidade de resfriamento, pois quando aquecidos e posteriormente resfriados,
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formam precipitados, que interferem diretamente na resistência do material soldado,
especialmente nos testes de impacto.
Aço Inox duplex (% em peso)
Liga Cr Ni Mo N C
composição 22,0 5,0 3,0 0,15 0,02
Em outras palavras, o termo Duplex reflete a composição microestrutural do aço
a qual deve ser considerada, também durante a fase de fusão, o balanceamento
microestrutural que o aço terá após sua solidificação definirá a composição de ferrita e
austenita. Isto é, resume-se nas concentrações de ferrita e austenita na microestrutura
final após tratamento térmico de solubilização e resfriamento em água.
Uma estimativa da fração volumétrica de ferrita na microestrutura pode ser feita
através do quociente entre os elementos estabilizadores da ferrita, chamados de Cr
equivalente e os elementos estabilizadores da austenita, chamados de Ni equivalente.
Existem várias maneiras de se calcular esses valores, mas a mais usada baseia-se na
norma ASTM A800/A800M.
Paralelamente ao balanço microestrutural, também se controla a resistência
equivalente à corrosão por pite (PREN), que indica quão resistente à formação de pite,
em meios contendo íons cloreto, esses materiais são. A maneira de calcular esse
índice também é muito discutível, pois alguns autores sugerem a inclusão dos
elementos tungstênio e cobre.
Também é possível estimar-se as características mecânicas tais como: Limite de
Escoamento (L.E.), Limite de Resistência (L.R.) e Alongamento (AL), baseando-se nas
frações volumétricas de ferrita. Apesar de serem equações experimentais, elas têm
uma boa aproximação da realidade, mostrando desvios infeiores a 8%.
Todos esses controles descritos anteriormente devem ser adotados na fase de
aciaria, isto é, com o metal no estado líquido, onde ainda é possível ajustar a
composição química para se ter um material otimizado do ponto de vista metalúrgico.
No tratamento térmico de solubilização, seguido por resfriamento em água,
promove-se a completa dissolução da fase sigma e de outros intermetálicos e fases
carbônicas, que precipitam durante a solidificação, desde que seja executado
adequadamente, pois se trata de difusão atômica, que é uma função de duas variáveis:
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tempo e temperatura, e os átomos que devem se mobilizar (cromo e molibdênio) são
relativamente grandes quando comparados ao átomo de ferro.
Tipos de aço Duplex
E N 10088 / Wnr.1.4460 / SIS SS 14 23 24 / 1.4462 / N4460
Aço inoxidável austeno-ferrítico (duplex). Aplicação geral em indústrias químicas e petroquímicas.
E N 10088 / 1.4462 / N4462
Aço inoxidável austeno-ferrítico (duplex). Aplicação geral em indústrias químicas, petroquímicas e de petróleo.
7. AÇOS INOXIDÁVEIS SUPERDUPLEX
Os aços inoxidáveis superduplex diferenciam dos duplex apensas nas
concentrações de cromo, níquel, molibdênio e nitrogênio que essas ligas apresentam,
sendo que alguns desses elementos interferem diretamente na resistência à corrosão
por pite, que é uma forma de ataque químico em ambientes contendo íons halogênios,
dentre eles destaca-se o íon cloreto (Cl-) (MARCELO; CASTELETTI).
Apresentam elevada resistência mecânica, boa tenacidade, excelente
resistência a corrosão sob tensão e á fadiga. Possuem limite de escoamento duas
vezes maior que os austeníticos.
8. AÇOS INOXIDÁVEIS SUPERAUSTENÍTICOS
Os aços inoxidáveis super austeníticos vêm sendo utilizados cada vez mais em
diversos segmentos industriais, devido as suas elevadas propriedades mecânicas e de
resistência à corrosão. Em geral, os aços 904L são recomendados para aquelas
aplicações onde as propriedades de resistência a corrosão dos aços AISI 316L e 317L
não são suficientes. A adição de elevados teores de níquel, molibdênio e cobre,
presentes na liga 904L, garantem a resistência a corrosão superior à dos aços
inoxidáveis austeníticos comuns, em particular em ambientes contendo ácido sulfúrico,
fosfórico e acético. No entanto, existe uma limitação para a aplicação em ácidos
hidroclorídricos (GUEDES, 2012).
Os aços inoxidáveis superdúplex são freqüentemente utilizados em aplicações
onde é necessária grande resistência mecânica combinada a resistência à corrosão,
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mas durante envelhecimento isotérmico, determinadas seqüências de tratamento
térmico, conformação a quente ou soldagem, pode ocorrer a precipitação de fases
indesejáveis, que causam tanto redução de propriedades mecânicas quanto afetam a
resistência à corrosão. Particularmente entre 700°C e 900°C, pode ocorrer a formação
de fase sigma, por três mecanismos distintos: como produto da decomposição
eutetóide da ferrita original (gerando também austenita secundária), através de
nucleação e crescimento a partir da ferrita original, e a partir da austenita presente,
após o total consumo da ferrita. Já entre 300°C e 5 50°C, pode ocorrer a formação de
fase alfa linha a partir da ferrita presente, por processos de nucleação e crescimento ou
decomposição espinodal da ferrita original. Nestas situações, ocorre empobrecimento
em cromo e molibdênio da matriz não transformada, reduzindo a resistência a
corrosão, além de redução da tenacidade devido a formação destas fases.
Tipos de aço Superduplex
ASTM A 182 grau F55 UNS S32760 WNr. X2CrNiMoCuWN
25-7-4 / N4501
Aço inoxidável superduplex que combina alta resistência à corrosão com elevadas propriedades mecânicas. Aplicação geral na indústria química e petroquímica, indústria de papel e celulose.
ASTM A 182 grau F53 UNS S32750 WNr. 1.4410 DIN X2CrNiMoN25-7 / VDF53
Aço inoxidável do grupo dos superduplex que combina alta resistência mecânica e excelente resistência ao trincamento por corrosão sob tensão e ao ataque por pite e fresta. Aplicações na indústria química e petroquímica.
9. AÇOS INOXIDÁVEIS SUPERMARTINSÍTICOS
Os aços inoxidáveis supermartensíticos (Supermartensitic Stainless Steels -
SMSS) podem ser classificados em três grupos: os microligados com Nb (SMSS+Nb),
os microligados com Ti (SMSS+Ti) e não microligado (SMSS). Exibem propriedades
mecânicas e resistência à corrosão muito melhores quando comparados aos aços
inoxidáveis convencionais. Estes aços são muito utilizados em componentes de
equipamentos nas indústrias químicas, petroquímicas e do petróleo, devido também a
sua boa ductilidade aliada ao seu menor custo. Dentre os tipos de corrosão, a
formação de pites é muito comum em água do mar e a mais difícil de controlar.
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Os aços inoxidáveis supermartensíticos são usados em ambientes agressivos
devido à sua boa soldabilidade, boas propriedades mecânicas em temperaturas mais
elevadas e superior resistência à corrosão sob tensão. A corrosão por pites é um tipo
de ataque muito localizado, onde a destruição é confinada a pequenas áreas,
resultando em pequenos furos que penetram o metal, enquanto que as outras partes
de sua superfície permanecem passivas. Adições de Nb e Ti são realizadas em um aço
inoxidável supermartensítico com o intuito de minimizar o efeito de sensitização e
promover o refino de grãos e modificando os aspectos microestruturais e a resistência
à corrosão por pites em água do mar natural e artificial.
A adição dos elementos de liga como Nb e Ti ao aço supermartensítico promove
um considerável refino de grãos bem como um aumento nos valores de microdureza
Vickers. Em testes de corrosão, para água do mar natural e artificial, dos aços
supermartensítico se observa recuperação na passivação com posterior formação de
pites. O aço ligado com titânio apresenta o melhor desempenho frente a corrosão
quando comparado com os outros aços inoxidáveis. Em todos os casos, a corrosão,
bem como os tamanhos dos pites são mais acentuados no caso da água do mar
natural, em comparação com a água sintética, isso justifica a utilização como material
de construção em Offshore.
Composição química nominal em porcentagem em massa dos aços.
Composição Química
Liga C Cr Ni Mo Mn Si S P Nb Ti
SMSS 0,013 12,50 5,05 2,12 0,30 0,18 0,0014 0,005 - -
SMSS+Nb 0,019 12,50 5,36 2,10 0,31 0,21 0,0010 0,005 0,20 -
SMSS+Ti 0,017 12,50 5,39 2,09 0,30 0,30 0,0010 0,005 - 0,13
10. AÇOS INOXIDÁVEIS SUPERAUSTENÍTICOS
Os aços inoxidáveis super austeníticos vêm sendo utilizados cada vez mais em
diversos segmentos industriais, devido as suas elevadas propriedades mecânicas e de
resistência à corrosão. Em geral, os aços 904L são recomendados para aquelas
aplicações onde as propriedades de resistência a corrosão dos aços AISI 316L e 317L
não são suficientes. A adição de elevados teores de níquel, molibdênio e cobre,
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presentes na liga 904L, garantem a resistência a corrosão superior à dos aços
inoxidáveis austeníticos comuns, em particular em ambientes contendo ácido sulfúrico,
fosfórico e acético. No entanto, existe uma limitação para a aplicação em ácidos
hidroclorídricos (GUEDES, 2012).
Os aços inoxidáveis superaustenítico são assim denominados porque possuem
uma elevada resistência à corrosão por pite, quando comparados com os aços
inoxidáveis austeníticos convencionais. Além dessa característica, reúnem, também,
excelentes propriedades mecânicas, tornando-os uma das opções na fabricação dos
componentes utilizados em equipamentos da indústria petrolífera. A usinagem é um
processo bastante utilizado na fabricação desses componentes.
11. CONCLUSÃO
Os aços austeníticos são o grupo principal de aços inoxidáveis; a composição
mais comum é 18% Cr e 8% Ni (ex. aços 18/8, tipo 304). Um aço com melhor
resistência à corrosão é criado pela adição de 2-3% de molibdénio, geralmente
chamado de “aços à prova de ácido”: (tipo 316). O grupo MC também inclui aços
inoxidáveis superausteníticos com um teor de Ni acima de 20%. Os aços austeníticos
endurecidos por precipitação (PH) possuem uma estrutura austenítica na condição
tratada por calor e um teor de Cr superior a 16% e um teor de Ni superior a 7%, com
aproximadamente 1% de alumínio (Al). Um aço endurecido por precipitação típico é o
aço 17/7 PH.
Os aços austeniticos são destinados a reservatórios de pressão de gases
liquefeitos e componentes afins ou para casos onde a temperatura dos componentes
estruturais não é moderada pelo oceano. O aço austenitico AISI 316 é chamado
também de “aço naval” por ser muito utilizado em embarcações devido a sua alta
resistência a corrosão em meios cloretados (água salgada).
Os aços duplex são utilizados em bombas hidráulicas usadas na indústria
petrolífera. Pelo seu elevado limite de escoamento (duas vezes superior aos aços
austeníticos) os aços duplex permitem fabricar paredes de vasos e trocadores com
significante redução de espessura, desta forma reduz o peso e consequentemente gera
uma maior economia na fabricação de plataformas.
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