SUPER LIGA INCONEL 625 -...

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Anhanguera Educacional Ltda. Correspondência/Contato Alameda Maria Tereza, 4266 Valinhos, SP - CEP 13278-181 [email protected] Coordenação Instituto de Pesquisas Aplicadas e Desenvolvimento Educacional - IPADE Publicação: 1 de novembro de 2012

Trabalho realizado com o incentivo e fomento da Anhanguera Educacional

Wendel Carlos Souza Prof. Laurentino Corrêa de Vasconcellos Neto

Curso: Engenharia de Produção Mecânica

FACULDADE ANHANGUERA DE TAUBATÉ - UNIDADE II

Trabalho apresentado no 10º Congresso Nacional de Iniciação Científica – CONIC.

RESUMO

Este trabalho consiste em apresentar resultados mensurados em ensaios laboratoriais de espectrometria, micrografia óptica, microscopia eletrônica por varredura, ensaio de dureza e ensaio de tração. Tendo como finalidade avaliar as características mecânicas e a ZTA (Zona Térmica Afetada) do ASTM 4140 e a liga de Inconel 625 depositado por soldagem manual. O ensaio de espectrografia consiste em utilizar os espectroscópios para uma rápida detecção de determinadas substâncias no ASTM 4140, a dureza do Inconel 625 será mensurada através do método ROCKWELL C, a micrografia consistirá em estudar a superliga com o auxílio de microscópio óptico visualizando sua textura interna e identificando a ZTA do aço carbono com a deposição de Inconel. Com o auxilio do equipamento EDS (Energy Dispersive spectrometer) será realizado o ensaio de microscopia por varredura identificando os elementos químicos da liga de Inconel 625 e as quantificando com precisão, e finalizando, será ensaiado um CP de Inconel 625, previamente dimensionado para o ensaio destrutivo de tração. Obtido os resultados, os dados serão comparados tecnicamente com padrões já existentes.

Palavra-Chave: liga; espectrometria; micrografia; Inconel 625.

ANUÁRIO DA PRODUÇÃO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DISCENTE

Vol. 13, N. 18, Ano 2010

SUPER LIGA INCONEL 625

426 Super liga Inconel 625

Anuário da Produção de Iniciação Científica Discente Vol. 13, N. 18, Ano 2010 p. 425-437

1. INTRODUÇÃO

Todos engenheirandos, engenheiros e pesquisadores aplicados, estão vitalmente

relacionados com os materiais para uso convencionais e extremos. Quer o produto seja

uma ponte, um carro ou mesmo uma árvore de natal para operar em altas profundidades

no oceano sob alta pressão e baixas temperaturas.

Considere por um instante a variedade de materiais usados em um equipamento

de extração de petróleo. Fazer uma escolha necessita-se levar em conta as propriedades e

resistência mecânica dos materiais, as ligas de Inconel 625 (Ni-Cr-Mo), níquel (metal de

transição de coloração branco-prateada, excelente condutor de eletricidade e calor, dúctil e

maleável não pode ser laminado, pode ser polido ou forjado facilmente, apresenta certo

caráter ferromagnético) – cromo (metal de transição, duro, frágil, de coloração cinza

semelhante ao aço, muito resistente à corrosão, é empregado principalmente em

metalurgia para aumentar a resistência à corrosão e dar um acabamento brilhante) –

Molibdênio (metal de transição de coloração branca prateado, com elevada dureza e com

um dos pontos de fusão mais altos entre todos os elementos puros. Em pequenas

quantidades, é aplicado em diversas ligas metálicas de aço para endurecimento e torná-

los resistente a corrosão), referem-se a uma família de super ligas de alta resistência

térmica e à corrosão. Estas ligas contêm uma alta quantidade de níquel e podem ser

consideradas como “super aços- inoxidáveis”, são altamente resistente a ácidos orgânicos

e minerais, possui propriedades mecânicas excelentes em temperaturas até 1050ºC e

temperaturas muito inferiores a 0ºC.

O Inconel 625 trata-se de uma liga de níquel austenítica amassável com elevada

resistência a corrosão perante meios agressivos tanto sob condições oxidantes como

também redutoras, é uma liga ternária com excelente resistência mecânica após 815ºC

(1500ºF), apresenta excelentes resultados em soluções aquosas de acido sulfúrico, acido

clorídrico, acido fluorídrico, acido fosfórico, acido nítrico, ácidos orgânicos e outras bases,

sendo especialmente resistente a corrosão por PIT ou alveolar (ataque perfurante

causados pelo oxigênio dissolvido na água), que ocorre principalmente nos tubos e na

área de pré-aquecimento, é uma escolha favorável para aplicações em água salgada e

operações sob alta pressão. É também muito solicitado em outros ambientes extremos

como em indústrias navais, aeroespacial, processamento químico, reatores nucleares e

equipamento de controle de poluição. Durante muitos anos foram aplicadas em sistemas

de exaustão em carros de fórmula um devido as suas características e propriedades

mecânicas, conforme verificação na tabela de propriedades e aplicações (Figura 1),

extraída do site www.specialmetals.com.

Wendel Carlos Souza, Laurentino Corrêa de Vasconcellos Neto 427


Figura 1 - Propriedades e aplicações.

2. OBJETIVO

O objetivo da pesquisa é mensurar os resultados dos ensaios laboratoriais realizados.

Analisando as variáveis nos processos envolvendo a superliga Inconel 625 em ensaios

destrutivos e não destrutivos, confrontando os resultados com resultados já existentes,

avaliando a ZTA (zona térmica afetada) da deposição por solda de Inconel 625 com aço

ASTM 4140, observando suas características e possíveis alterações em ambas as

estruturas.

3. METODOLOGIA

Para a efetivação deste trabalho fez-se necessário metodologias e técnicas de ensaios

metalúrgicos, técnicas de Negociação para firmar parcerias junto às empresas Cameron do

Brasil LTDA de Taubaté-SP, que forneceu os materiais ASTM 4140 e a barra de Inconel

625, Grupo Gerdau de Pindamonhangaba-SP, que disponibilizou o ensaio microscopia

quantitativa por varredura em EDS e espectrometria em suas dependências na cidade de

Pindamonhangaba-SP, MWL do Brasil que colaborou com a realização dos ensaios de

tração e micrografia em suas dependências na cidade de Caçapava-SP e a escola SENAI

Felix Guisard de Taubaté-SP que disponibilizou um torno CNC horizontal para usinagem

e dimensionamento do CP de Inconel para ensaio de tração.

3.1. Ensaios metalúrgicos

Ensaios de tração: normalmente utilizam-se corpos de prova de seção circular

ou de seção retangular, como mostra a ilustração a seguir (Figura 2).



Figura 2 - Ensaios de tração.

A parte útil do corpo de prova, identificada por Lo, é a região onde são feitas as

medidas das propriedades mecânicas do material. Por acordo internacional, sempre que

possível, um corpo de prova deve ter 10 mm de diâmetro e 50 mm de comprimento

inicial. Não sendo possível, deve-se adotar um corpo com dimensões proporcionais a

essas, suas dimensões e tolerâncias de usinagem são normalizadas pela ISO/R377

enquanto não existir norma brasileira correspondente. A norma brasileira (NBR 6152,

dez./1980) somente indica que os corpos de prova devem apresentar bom acabamento de

superfície e ausência de trincas.

Ensaio de Micrografia: A técnica do ensaio de micrografia foi dividida nas

seguintes fases:

Escolha e localização da secção a ser estudada.

Realização de uma superfície plana e polida no lugar escolhido.

Exame ao microscópio para a observação das ocorrências visíveis sem ataque químico.

Ataque da superfície por um reagente químico adequado (Nítal 3%).

Exame ao microscópio para a obtenção da textura.

Obtenção de documentos que reproduzam e conservem o aspecto observado (fotografia).

Ensaio de dureza: é a medida da resistência de um material a uma deformação

plástica localizada (Resistência à penetração) e avaliada a partir da capacidade de um

material "riscar" o outro, este ensaio consisti em deixar uma pequena impressão na

superfície da peça pela aplicação de pressão com uma ponta de penetração na peça

(Figura 3) em um equipamento chamado durômetro (Figura 4).



Figura 3 - Exemplo.

Figura 4 - Durômetro.

Espectrometria de massa: é uma técnica analítica poderosa que é usada para

identificar compostos desconhecidos, quantificar materiais conhecidos e elucidar as

propriedades químicas e estruturais das moléculas. A detecção de compostos pode ser

conseguida para quantidades tão pequenas como 10-15g para um composto de massa de

1000dalton. Uma vez realizada a queima superficial de uma pequena quantidade de

material a ser analisado, compara-se o espectro obtido com outros de materiais

conhecidos, mensurando informações. O esquema de como funciona um espectrógrafo é

apresentado na Figura 5.



Figura 5 – Funcionamento de um espectrógrafo.

Microscopia por Varredura: A microscopia consiste em analisar em EDS

(Energy Dispersive Spectrometer), identificando os elementos químicos encontrados e os

quantificando, a análise oferece aos pesquisadores um resultado semi-quantitativo da

região analizada.

4. DESENVOLVIMENTO

Ambos os materiais foram fornecidos em forma de tarugos brutos. Esta primeira etapa

consistiu em preparar os Corpos de provas pelo processo de usinagem, estabelecendo as

formas necessárias para a efetivação dos ensaios, conforme mostram as figuras 6 e 7.

Figura 6 - Corpo de prova. Figura 7 - Corpo de prova.

Para a realização da deposição do Inconel 625, primeiramente realizamos um

ensaio com líquido penetrante (LP) para garantir a integridade do material ASTM 4140 no

processo de usinagem, pois, eventuais trincas ou outros problemas seriam avaliados como

ocasionados pela deposição da solda no processo. Na deposição do Inconel 625 no Aço

ASTM 4140 foram usados consumíveis (eletrodo) ER-NiCrMo3 de diâmetro 5/32” e um

eletrodo de tungstênio de 1/8” / EWLA 2. Foram realizados quatro (04) inter-passes

mantendo um aquecimento no CP de 195ºC controlado por pirômetro que foi mantido

com uma regulagem constante de 120 PA (Pico Amperes) e 18V (Voltagem) controlados



por um amperímetro para garantir o processo de soldagem realizado por um soldador

devidamente qualificado para posição de soldagem 1G.

Após a realização desta etapa, o CP foi dividido simetricamente e usinado, para

garantir um bom acabamento superficial e otimizar a preparação do polimento para os

ensaios a serem realizados posteriormente. Um CP foi devidamente identificado e

encaminhado para tratamento de alívio de tensões (AL), que foi realizado a uma

temperatura constante de 525ºC em um período de 5 horas e sendo resfriado em

temperatura ambiente, o outro CP não sofreu AL, conservando suas características

primárias.

Iniciando o ciclo de ensaios não destrutivos, realizamos o ensaio de microscopia

eletrônica por varredura no CP que não sofreu alivio de tensões, este ensaio foi realizado

no EDS – JSM 6490LV, apresentando os seguintes resultados quantitativos nas regiões

identificadas na Figura 8.

Figura 8 - Imagem em máquina digital mostrando o depósito de ICONEL

e regiões a serem analisadas em MEV.

Apresentação dos resultados mensurados no ensaio de microscopia eletrônica

por varredura em EDS (Figuras 9 e 10) nas regiões identificadas na Figura 8. O resultado

da Região 03 (Figura 8) não será mencionado por se tratar da região de material de base

ASTM 4140:



Figura 9 - Apresentação de resultados.

Figura 10 - Apresentação de resultados.

Finalizando os ensaios de composição química realizamos somente no aço ASTM

4140 o exame de espectrometria, o objetivo foi o detalhamento mais robusto de sua

composição química e sua real caracterização, que apresentou os seguintes resultados,

como mostra a Figura 11.



Figura 11 - Resultados do exame de espectrometria.

Nos ensaios de dureza foram realizados em uma conceituada Faculdade da

cidade de Taubaté-SP, em temperatura ambiente e sob o método Rockwell C referenciada

pela Figura 14 de propriedades mecânicas a seguir.

Foram ensaiados dois (02) pontos no CP com alivio de tensões, um ponto central

(P2) e outro mais a extremidades (P1) do Inconel 625 (Figura 12). Foram encontrados nos

ensaios 22 HRC no ponto P2 e 25 HRC no ponto P1, repetidos os mesmos procedimentos

no CP sem o AL, foram encontrados respectivos 17 HRC e 20 HRC.

Figura 12 - Ensaio de dureza.

O ensaio de tração foi realizado em um CP devidamente dimensionado, com L0

= 50 mm e diâmetro d1 seção 9,97mm em um equipamento universal de Ensaios de tração

LOS – LOSENHAUSENWERK, apresentando os seguintes resultados (Figura 13).



Figura 13 - Resultado do Ensaio de tração.

Encerrando os ensaios realizamos na amostra normalizada o ensaio de

micrografia, com a finalidade de avaliar a ZTA do Inconel 625 depositado no aço ASTM

4140. A amostra foi preparada com lixa 220, 400, 600 e 1200 e posteriormente polida com

pasta diamante de três (03) e um (01) mícron. Para a revelação da macroestrutural

realizamos ataque químico com NITAL 3%, com duração de imersão de 15s, observado

em microscópio óptico KONTROL com aumento de 100X e 400X.

Figura 14-I - Inconel 100X Figura 14-II - Inconel 400X Figura 14-III - ZTA 100X

Figura 14-IV - ZTA 400X Figura 14-V - ASTM 4140 400X



5. RESULTADOS

A escolha do aço ASTM 4140 e o processo de soldagem para a deposição do Inconel 625

foi proposital para simular um revestimento em sua pior condição de processo.

Normalmente esta condição é muito desfavorável, porque causa um aumento

considerável de Fe na região do revestimento, ficando superior a 10% quando o processo

de soldagem sofre variações em sua execução e assim interferindo nas principais

características mecânicas do Inconel 625, principalmente em sua alta resistência a

corrosão. No ensaio realizado em EDS identificamos um teor de Fe = 9,85 no núcleo da

deposição (região 02 da Figura 12) e de Fe=17,79% na região 01, próximo a ZTA.

O método de soldagem realizado nas condições mencionadas nesta pesquisa não

garantiu o desenvolvimento do processo, pois, avaliando a Figura 8 identificamos que o

teor de Fe no núcleo, região 02 analisada pelo EDS apresentou o resultado superior a 10%

de Fe, sendo que a liga em sua melhor condição apresenta Fe=5%, conforme Figura 15,

extraída do site www.specialmetals.com.

Figura 15 - Resultados da liga.

Este resultado com alto índice de Fe migrando para o Inconel 625 pode ser

confirmado nas micrografias, observa-se nos ensaios realizados no Inconel muitos pontos

de Fe com precipitação de carbono no núcleo região que apresentou 9,85% de Fe (Figura

14-I) Inconel 100X e (Figura 14-II) Inconel 400X.

A mesma análise pode ser observada na região da ZTA, há um aumento

considerado de Fe (17,79%) migrando para o Inconel e Ni migrando para o ASTM 4140.

A avaliação no EDS no aço ASTM 4140 somente comprovou que se trata de uma

liga de 97,55% de Fe e para a confirmação de seu teor de carbono, solicitamos o ensaio de

espectrometria que mensurou o resultado de C = 0,4231%, conforme indicação da Figura

13.

Os ensaios de dureza caracterizaram divergências mínimas do padrão

especificado (Figura 15). Da especificação 29 HRC, encontramos no CP com alivio de

tensões 25 HRC, onde concluímos que o ensaio de dureza foi satisfatório com o confronto

das informações estabelecidas e almejadas.



A observação mais relevante desta fascinante liga se encontra no ensaio de

tração, o CP de Inconel 625 sofreu um alongamento de 44,4% de seu L0, ocasionando uma

estricção de 66,85% de seu diâmetro inicial de 9,97mm.

Os resultados mensurados pelos ensaios laboratoriais nesta Iniciação Científica

comprovam a eficácia e necessidade de se ter um processo bem elaborado, padronizado e

robusto para a execução de tarefas, pois, quando se segue padrões pré-estabelecidos,

garantindo a qualidade é possível se ter controle sobre as diversas variáveis que possam

vir a ocorrer no processo de produção e no produto.

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Com os dados obtidos através das realizações dos ensaios nas amostras foi possível

observar de fato o comportamento mecânico e estrutural da Superliga depositada no aço

ASTM 4140, assim como as dificuldades de estabilização de um processo envolvendo

materiais de alto custo. Com a ampla visão estabelecida através dos ensaios e debates com

profissionais especialistas em metalurgia observa-se uma gama muito ampla de

oportunidades em melhorias para processos e métodos envolvendo a liga de Inconel 625,

dentre elas, melhorias no processo de soldagem.

Os estudos realizados nesta Iniciação Científica comprovaram pelas

características mecânicas, que o Inconel 625 se tratar de uma liga de baixa usinabilidade

principalmente quando depositado por solda em outros materiais, como exemplo o aço

ASTM 4140. Para esta questão, vale a pena aplicar esforços para outros estudos, pois,

atualmente, empresas do ramo de óleo e gás desprendem grandes esforços para

otimização de processos e maximização de volumes em usinagem desta liga de Inconel. A

efetivação desta pesquisa se deu parte da disponibilidade e empenho das empresas e

entidades que se demonstraram muito eficientes e apoiaram de fato a pesquisa cientifica

em vigência, Super Liga Inconel 625.

REFERÊNCIAS

BERNARDES, Renato. Comportamento de aços inoxidáveis comerciais e Inconel na resistência à corrosão naftênica de petróleos nacionais. Dissertação Submetida ao corpo docente do programa de Pós Graduação de Engenharia da UFRJ, Rio de Janeiro, dezembro de 2005.

CALLISTER JR., Willian D.. Ciência e Engenharia de Materiais. 2ª Edição. Editora: LTC, 2005.

CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia Mecânica I. 2ª edição, São Paulo. Editora: McGraw, 1986.

COLPAERT, Hubertus. Metalográfia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. 3ª Edição, São Paulo. Editora Edgard Blucher, 2000.



FAZANO, C. A. T. V. - A Prática Metalográfica, Hemus Livraria Editora Ltda,

São Paulo, 1980.

INCONEL®alloy 625, PDF Disponível em: <www.specialmetals.com>, acesso em: 14/05/2010.

VAN VLACK, Lawrence Hall. Princípio de Ciências e Tecnologia dos Materiais. 4ª. Edição. Editora: Elsevier, Campus, 2003.

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