Trabalho_1_ENGL61 - Aços e Ligas para Petróleo_Pronto

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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM ENGENHARIA NAVAL E OFFSHORE ENGL61 – CONSTRUÇÃO NAVAL I. Professor: DSc. Carlos Alberto Caldas de Sousa Atividade em Grupo Utilização do aço inoxidável como material de construção em uma plataforma de petróleo. EQUIPE: André Oliveira Celso Brasil Ernesto Marcos Salvador, 22 de Março de 2013.

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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

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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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