Metalografia de Ligas de Ni
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5/27/2018 Metalografia de Ligas de Ni
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Metalografia
das Ligas eSuperligas de
Nquel
M. Eng. Alexandre FarinaPesquisador em Ligas de Ni
Pesquisa e Desenvolvimento
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5/27/2018 Metalografia de Ligas de Ni
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Definio e conceitos sobre Superligas e Ligas de Nquel
Processo de Fabricao
Metalografia das ligas de Nquel
Monel, Inconel, Incoloy, Nimonic
Superligas base de Nquel
Sumrio
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5/27/2018 Metalografia de Ligas de Ni
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
So ligas que apresentam uma ou mais propriedades muito acima das
ligas convencionais (aos carbono, aos ferramenta, aos inoxidveis,
etc...). As superligas mais conhecidas so base de Ni, mais h ligas
base de Co, Fe, etc...
Propriedades desejadas
Resistncia Mecnica
Trao, Toro, Fadiga, Impacto, Fluncia
Resistncia Corroso
Resistncia Oxidao
Definio de Superligas
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Devido as elevadas propriedades mecnicas estas ligas podem ser
divididas em duas classes:
Ligas trabalhadas termo-mecanicamente (Wrougth Alloys)
Forjadas e Laminadas
Com ou sem Tratamentos Trmicos
Ligas no trabalhadas termo-mecanicamente
Fundio de Preciso
Monocristalinas
Solidificao Direcional
Definio de Superligas
Principal diferena entre estas classes: PLASTICIDADE
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
O que torna estas ligas Superligas?
Fases com comportamentos que fogem aos comportamentos padro:
Fase gNi3(Al,Ti)Estrutura cbica (CFC) do tipo L12Fase gNi3NbEstrutura ortorrmbica do tipo DO22
Fase bNiAlEstrutura cbica (CCC) do tipo B2
Fases Ordenadas:Os tomos ocupam preferencialmente
estas posies na rede cristalina!
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Limite de Escoamento da fase Ni3(Al,Ti)
Limite de escoamento aumenta com a temperatura
AISI 316
Inconel 713
Limite de escoamento funo de
adies de elementos de liga
~1100MPa // 600C
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Limite de Escoamento da fase Ni3(Al,Ti)
O aumento gerado por uma mudana do sistema de escorregamento
na super-estrutura cristalinaPara a fase gNi3(Al,Ti) isto ocorre pela mudana do escorregamento
no plano (111) para o plano (110) em alta temperatura.
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Fase Ni(Al,Ti)
As fases intermetlicas apresentam caractersticas especiais, porm
nem todas podem ser utilizadas para ligas estruturais.A fase b apresenta comportamento cermico, com fratura frgil sob
trao. Esta propriedade impede seu uso em estruturas.
No entanto a dureza desta fase equivalente a de um carboneto
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Resistncia a Fluncia (10.000h)
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Limite de Escoamento
Comparao com ao Fe-12Cr-0.6Mo (~AISI 420)
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Processos de Fabricao
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Processo de Fabricao
Processo Especial Convencional
FusoVIM (Vaccum induced
melting)
EAF (Electric Arc
Furnace)
Refuso / Refino
ESR (ElectroslagRemelting)
VOD (vacuum oxygendecarburisation)
VAR (Vaccuum Arc
Remelting)
AOD (Argon-Oxygen
Decarburization)
Forjamento Forjamento em prensas hidrulicas.Geralmente para peas grandes e barras.
Laminao Laminao (plana e barras)
Acabamento Desbaste, Retfica, etc...
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Processos de Fabricao - Fuso
EAF (Electric Arc Furnace)Fuso por arco voltaico
Fuso e vazamento ao ar
Refino do metal lquido por escria
H oxidao do banho metlico
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Processos de Fabricao - Fuso
VIM (Vacuum Induc t ion Melting)Fuso e vazamento sob vcuo
Pouco refino do metal lquido
Reduzida oxidao do banho metlico
Possibilidade de vazamento de ligas que so
facilmente oxidadas com oxidao mnima
Ligas com Al, TiApenas refino por presso (vcuo)
Presso de vapor
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Processos de Fabricao - Refino
VOD (Vacuum Oxyg en Decarbur izing)Descarburao por injeo de gs
Refino do metal lquido
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Processos de Fabricao - Refino
AOD (Arg on -Oxyg en Decarbu r izing)Descarburao por injeo de gs Ar/O
Maior refino do metal lquido em relao ao VOD
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Processos de Fabricao - Refuso
ESR (Electros lag Remelt ing)Refuso por arco voltaico com escria
Refino da estrutura bruta de fuso
Eliminao de impurezas para a escria
Uso da reao metal-escria
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Processos de Fabricao - Refuso
VAR (Vacuum Arc Remelt ing)Refuso sob vcuo por arco voltaico
Refino da estrutura bruta de fuso
Eliminao de impurezas para a superfcie do lingote
Presso de vapor
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Processos de Fabricao - Forjamento
Forjamento:Prensagem a quente/frio de um lingote ou pea, em geral, de grande porte
Recalque (aumentar a deformao do material)
Altera a microestruturarefino do tamanho de gro
Desbaste (reduzir a espessura do material)
Altera a microestruturarefino do tamanho de gro
Acabamento (alisamento da superfcie)
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Processos de Fabricao - Forjamento
Forjamento:Prensagem a quente/frio de um lingote ou pea, em geral, de grande porte
Recalque (aumentar a deformao do material)
Altera a microestruturarefino do tamanho de gro
Desbaste (reduzir a espessura do material)
Altera a microestruturarefino do tamanho de gro
Acabamento (alisamento da superfcie)
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Processos de Fabricao - Laminao
LaminaoReduo da espessura do material
atravs da passagem deste entre dois
cilindros com (barras) ou sem (planos)
entalhes
Refino da microestrutura atravs da
reduo do tamanho de gro
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Superli gas de Nqu el
Processos de Fabricao - Acabamento
AcabamentoTorneamento,
Fresamento,
Retfica,
Trefilao
M l f i d L i
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Microestrutura
M t l f i d L i
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Ligas de Ni Principais Fases
Fase Estrutura Frmula Comentrio
g' FCCL12 Ni3(Al,Ti)Principal fase para endurecimento da
matriz da maioria das ligas de Ni
h HCPDO24 Ni3Ti
Fase deletria e metaestvel formada em
altas temperaturas. Em geral precipita na
forma de agulhas de Widmansttten
g" BCTDO22 Ni3Nb
Principal fase para endurecimento de ligas
contendo Nb. Em geral a precipitao
ocorre na forma de discos coerentes com
a matriz g
d Ortorr. (Cu3Ti) Ni3Nb
Fase frgil e deletria as propriedades.
Precipita em alta temperatura na forma de
agulhas (baixa temperatura
superenvelhecimento) ou filmes nos
contornos de gro (altas temperaturas
solubilizao).
M t l f i d L i
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Ligas de Ni Principais Fases
Fase Estrutura Frmula Comentrio
M(C,N) FCCM(C,N) onde M =
Ti, Nb, Hf, Zr ...
Carbonetos primrios ou secundrios.
Dependentes do teor de C e de N das
ligas e dos elementos formadores.
Elevam as resistncias ao desgaste e
mecnica
M23C6 FCC (Cr,Fe,Mo,W)23C6
Carbonetos precipitados durante o
envelhecimento das ligas para
aumento da resistncia mecnica. Em
geral precipitao em glbulos e
placas nos contornos de gro.
M6C FCC Fe3Mo3C Carboneto. Secundrio
M7C3 Ortorr. (Fe,Cr,Mn)7C3
Carboneto secundrio em geral
observado na forma de partculas
intergranulares.
M t l f i d L i
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Ligas de Ni Principais Fases
Fase Estrutura Frmula Comentrio
M3B2 Tetragonal Mo2FeB2, Nb3B2Boreto presente em ligas com elevado
teor de B.
m Rombodr. (Fe,Co)7(Mo,W)6
Presente em ligas com elevado teor de
Mo e de W. Precipita na forma de
agulhas de Widmanstten em altastemperaturas.
Laves Hexagonal
Fe2Nb, Fe2Ti,
Fe2Mo, Co2Ta,
Co2Ti
Fase deletria. Precipita-se na forma
de glbulos alongados aps exposio
altas temperaturas.
Sigma TetragonalFeCr, FeCrMo,
CrFeMoNi, CrCo,
CrNiMo
Fase deletria precipitada na forma de
glbulos em geral alongados em ligas
que permaneceram por longos
perodos entre 540C e 980C
M t l f i d L i
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5/27/2018 Metalografia de Ligas de Ni
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Evoluo da Microestutura das Ligas de Ni
Metalograf ia das L igas e
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Evoluo da Microestutura das Ligas de Ni
Diagrama Ni-Cr (Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C)
Liga Binria Ni-20Cr
Matriz Austentica
Metalograf ia das L igas e
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Evoluo da Microestutura das Ligas de Ni
Diagrama Ni-Cr (Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C)
Isoterma de 1150CAl-Cr-Ni
Liga Ternria Ni-20Cr-1.0Al
Matriz Austentica
Metalograf ia das L igas e
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Evoluo da Microestutura das Ligas de Ni
Diagrama Ni-Cr (Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C)
Isoterma de 1050CCr-Ni-Ti
g+g
Liga Quaternria
Ni-20Cr-1.0Al-2.0Ti
Matriz Austentica com
Ni3(Ti,Al)
Metalograf ia das L igas e
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Evoluo da Microestutura das Ligas de Ni
Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C)
Liga Quinria
Ni-20Cr-1.0Al-2.0Ti-0.05C
Matriz Austentica com
Ni3(Ti,Al) e TiC
TiC
Nimonic 80A:
Sol. 1080C/1h
Env. 700C/16h
Metalograf ia das L igas e
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Extremamente resistentes corroso, em especial em ambientes marinhos com
gua parada, porm com baixa resistncia mecnica em relao as demaissuperligas de Ni. Resistncia compatvel com aos especiais.
Aplicao principal nas indstrias naval e petroqumica
Principais ligas: Monel 400 (VRC400) e Monel K500 (VRC500K)
Ligas de Ni-Cu (Monel)
Metalograf ia das L igas e
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Ligas de Ni-Cu (Monel)
A liga Monel foi desenvolvida
inicialmente partindo-se de sulfetos
de Ni e de Cu e fazendo reduo
simultnea dos minrios como
fonte de Cu e de Ni
Monel tem um L apenas pois na
poca no era permitido nomes de
famlias em produtos!
Metalograf ia das L igas e
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5/27/2018 Metalografia de Ligas de Ni
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Ligas de Ni-Cu (Monel)
Liga Ni Cu Fe Mn C Si S Outros
Alloy
40063.0 min 28.0~34.0 2.50 0.20 0.30 0.50 0.024 ---
Alloy
40140.0~45.0 Bal. 0.75 2.25 0.10 0.25 0.015 ---
Alloy
R-40563.0 min 28.0~34.0 2.50 2.00 0.30 0.50 0.025~0.06 ---
Alloy
450 29.0~33.0 Bal. 0.4~1.0 1.00 --- --- 0.021.0Zn, 0.05Pb,
0.02P
Alloy
K50063.0 min 27.0~33.0 2.00 1.50 0.25 0.50 0.01
2.30~3.15Al,
0.35~0.85Ti
Valores sozinhos indicam mximo da faixa
Composio Qumica
Metalograf ia das L igas e
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5/27/2018 Metalografia de Ligas de Ni
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Ligas de Ni-Cu (Monel)Monel K500
Matriz bifsica (duas austenitas) com disperso de TiC e aps solubilizaoe envelhecimento apresenta precipitao de Ni3(Al,Ti)
1330C
liquidus
1280C
solidus
815C
g g + g
760C
g g1+ g2
65%Ni
30%Cu
1140C700C 763C
42%Ni
56%Cu
Composio da Matriz
g1
g2
g
g
TiC
gg1
LFraoMolardeF
ases
Metalograf ia das L igas e
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5/27/2018 Metalografia de Ligas de Ni
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Ligas de Ni-Cu (Monel)
Monel K500Laminada a quente e
solubilizada em alta temperatura.
Ataque com Glicergia
Microestrutura
Ligas com matriz austentica podendo apresentar disperso de precipitadosde Ni3(Al,Ti) e carbonitretos do tipo M(C,N)
Nitrognio sempre residual (abaixo de 0.05%)
Carbono pode ser adicionado em teores inferiores a 0.30%
Monel K500Macrografia de amostra
bruta de laminao. Ataque com HNO3
eletroltico
Metalograf ia das L igas e
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5/27/2018 Metalografia de Ligas de Ni
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Resistentes a altas temperaturas com excelentes propriedades mecnicas. Elevadaresistncia oxidao e resistncia razovel a corroso.
Aplicao principal nas indstrias aeroespacial, nuclear e petroqumica,
vlvulas automotivas, turbinas (avio e gs).
Principais ligas: Inconel 718 (VAT 718), Inc. 600 (VAT 600), Inc. 751 (VAT 751)
Sist. de exausto
Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel)
Metalograf ia das L igas e
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Valores sozinhos indicam mximo da faixa
Composio Qumica
Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel)
Liga Ni Cr Fe Co Mo Nb Ti Al C Mn Si Outros
Alloy
600
72.0
min
14.0~
17.0
6.0~
10.00.15 1.0 0.5 0.50
Alloy
617
44.5
min
20.0~
24.0
3.010.0~
15.0
8.00~
10.00
0.600.8~1
.5
0.05~
0.15
1.0 1.00.5Cu,
0.006BAlloy
625
58.0
min
20.0~
23.05.0 1.0
8.00~
10.00
3.15~
4.150.40 0.40 0.10 0.50 0.50
Alloy
690
58.0
min
27.0~
31.0
7.0~
11.00.05 0.05 0.50 0.50Cu
Alloy
718
50.0~
55.0
17.0~
21.0Bal. 1.0
2.80~
3.30
4.75~
5.50
0.65~
1.15
0.20~
0.800.08 0.35 0.35
0.30Cu,
0.006B
Alloy
751
70.0
min
14.0~
17.0
5.0~
9.0
0.70~
1.20
2.00~
2.600.10 1.0 0.50 0.50Cu
Alloy
C-276Bal.
14.5~
16.5
4.0~
7.02.50
15.0~
17.00.01 1.0 0.08
0.35V,
3.50W
Metalograf ia das L igas e
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5/27/2018 Metalografia de Ligas de Ni
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Metalograf ia das L igas e
Superli gas de Nqu el
Inconel 718
Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel)
Liquidus
1350C
Solidus
1210C
M(C,N)
1260C
Ni3Nb (d)
1020C
Ni3Al (g)
900C
M23C6700C
Ferrita
590C
Laves
540C
Sigma
500C
Sigma830C
FraoMolard
eFases
Metalograf ia das L igas e
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5/27/2018 Metalografia de Ligas de Ni
40/55
g g
Superli gas de Nqu el
Inconel 718Forjada a quente e solubilizada
em alta temperatura (1030C/2h).
Ataque com Glicergia
Microestrutura
Inconel 751Laminada, solubilizada
(1120C/1h) e envelhecida (750C/4h).
Ataque com Glicergia.
Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel)
Microestrutura
Ligas com matriz austentica.Em geral apresentam disperso de precipitados de Ni3(Al,Ti) e Ni3Nb alm
de carbonitretos do tipo M(C,N)
Metalograf ia das L igas e
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5/27/2018 Metalografia de Ligas de Ni
41/55
g g
Superli gas de Nqu el
Inconel 718Forjada e solubilizada
em alta temperatura (1030C/2h) e
envelhecida: 718C/8h+650C/8h.
Ataque com Glicergia
Microestrutura
Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel)
Microestrutura
Ligas com matriz austentica.Em geral apresentam disperso de precipitados de Ni3(Al,Ti) e Ni3Nb alm
de carbonitretos do tipo M(C,N)
Inconel 718Laminada e tratada a (1040C/1h +
980C/8h + 760C/8h + 650C/8h)
MET + Atom Probe: Nb=verde, Al=verm., Ti=azul e
Metalograf ia das L igas e
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5/27/2018 Metalografia de Ligas de Ni
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g g
Superli gas de Nqu el
Inconel 625Bruta de Forjamento
Ataque com Glicergia
Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel)
Inconel 625Forjada e solubilizada em alta
temperatura (1200C/30min).
Ataque com Glicergia
Liga Ni Cr Fe Co Mo Nb Ti Al C Mn Si
Alloy 625 58.0min20.0
~23.05.0 1.0
8.00
~10.00
3.15
~4.150.40 0.40 0.10 0.50 0.50
Metalograf ia das L igas e
-
5/27/2018 Metalografia de Ligas de Ni
43/55
g g
Superli gas de Nqu el
Resistentes a corroso em altas temperaturas (em especial por cloretos), comboas propriedades mecnicas, porm inferiores as ligas Inconel. Resistncia a
oxidao reduzida.
Aplicao principal na indstria petroqumica.
Principais ligas Incoloy A-286 (VAT A286) e Incoloy 925 (VRC925)
Ligas de Ni-Fe-Cr (Incoloy)
Metalograf ia das L igas e
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5/27/2018 Metalografia de Ligas de Ni
44/55
g g
Superli gas de Nqu el
Valores sozinhos indicam mximo da faixa
Composio Qumica
Ligas de Ni-Cr-Fe (Incoloy)
Liga Ni Cr Fe Co Mo Nb Ti Al C Mn Si Outros
Alloy
A-286
72.0
min
14.0~
17.0
6.0~
10.0--- --- --- --- --- 0.15 1.0 0.5 0.50
Alloy
825
38.0
~46.0
19.5
~23.5
22.0
min ---
2.5
~3.5 ---
0.6
~1.2 0.2 0.05 1.0 0.5
1.5~3.0
Cu
Alloy
92544.0 21.0 28.0 --- 3.0 --- 2.1 0.3 0.01 --- --- ---
Alloy
800HT
30.0~
35.0
19.0~
23.0
39.5
min--- --- ---
0.15~
0.60
0.15~
0.60
0.06~
0.101.5 1.0 ---
Metalograf ia das L igas e
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5/27/2018 Metalografia de Ligas de Ni
45/55
Superli gas de Nqu el
Incoloy A-286Laminada,
solubilizada (980C/1h) e
envelhecida (720C/16h)
Ataque com Glicergia
Microestrutura
Incoloy 800H (g+g+Ti(C,N) +
M23C6)
1) Solubilizada
2) Solubilizada e Envelhecida
por 15anos a 815C
Ataque com Marble.
Ligas de Ni-Cr-Fe (Incoloy)
Microestrutura
Ligas com matriz austentica. Apresentam disperso de precipitados deNi3(Al,Ti) alm de carbonitretos do tipo M(C,N) e carbonetos do tipo M23C6
2)1)
2)
Metalograf ia das L igas e
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Superli gas de Nqu el
Boa resistncia corroso a alta temperatura, em especial por sulfatos,
excelente resistncia fluncia e fadiga quente.Aplicao principal na indstria automotiva na fabricao de vlvulas para
motores de combusto interna e industria petroqumica e aeroespacial.
Principais ligas Nimonic 80A (VAT80A) e Nimonic 90 (VAT90)
Ligas de Ni-Cr (Nimonic)
Metalograf ia das L igas e
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Superli gas de Nqu el
Valores sozinhos indicam mximo da faixa
Composio Qumica
Ligas de Ni-Cr (Nimonic)
Liga Ni Cr Fe Co Mo Nb Ti Al C Mn Si Outros
Nimonic
80ABal.
18.0
~21.03.0 2.0 --- ---
1.8
~2.7
1.0
~1.80.10 1.0 1.0 ---
Nimonic
86Bal. 25.0 --- --- 10.0 --- --- --- 0.05 0.03Ce
Nimonic
90Bal.
18.0
~21.01.5
15.0~
21.0--- ---
2.0
~3.0
1.0
~2.00.13 1.0 1.0 0.02B
Metalograf ia das L igas e
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Superli gas de Nqu el
Nimonic 80ALaminada, solubilizada
(1080C/1h) e envelhecida (700C/16h)
Ataque com Glicergia
Microestrutura
Ligas de Ni-Cr (Nimonic)
Microestrutura
Ligas com matriz austentica. Apresentam disperso de precipitados deNi3(Al,Ti) e carbonitretos do tipo M(C,N)
Nitrognio sempre residual (abaixo de 0.05%)
Nimonic 90Laminada, solubilizada
(1080C/8h) e envelhecida (700C/12h +
850C/2h). Ataque com Glicergia
Metalograf ia das L igas e
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Superli gas de Nqu el
Ligas com elevada quantidade de fases intermetlicas (g,g)
Elevada resistncia mecnica (trao, fluncia)
Elevada resistncia quente
Microestrutura geralmente em Blocos
Superligas de Ni
CMSX-4
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Superli gas de Nqu el
Superligas de Ni
Metalograf ia das L igas e
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Superli gas de Nqu el
Superligas de Ni (Monocristalinas)Processo de Fabricao (palheta de turbina CMSX-6)
Metalograf ia das L igas e
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Superli gas de Nqu el
Superligas de Ni Waspaloy
MicroestruturaSimilar a microestrutura da liga Nimonic 80A.
Diferena:
Maior quantidade de g
Elevada resistncia mecnica quente
Grande disperso de partculas
13.5%CoElevada resistncia oxidao
4.5%Mo
Elevada dificuldade para usinar
Aplicaes:
Indstria aeroespacial (turbinas)
Mquinas de trao e fluncia
Metalograf ia das L igas e
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Superli gas de Nqu el
Superligas de Ni Inconel 738Microestrutura
Metalograf ia das L igas e
S
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Superli gas de Nqu el
Superligas de Ni MAR-M 246Microestrutura
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