Relatório Final de Iniciação Científica

Faculdade de Tecnologia José Crespo Gonzales

Estudo influência do tratamento de solubilização no cordão de solda realizado pelo processo GTAW autógeno e automático no Aço Inoxidável AISI 321H

Orientador: Prof. Msc. Marcos Dorigão Manfrinato Aluno: David Junio Garcia

1

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus por me proporcionar força e determinação nessa etapa da minha vida. Agradeço a minha mãe Maria Neusa de Oliveira e ao meu irmão Claudinei Marcos Vieira por me fazerem um homem de carácter e com princípios, que ajudaram na construção dessa conquista. A minha namorada Josi Oliveira por estar sempre me motivando. A uma amiga, mãe, professora e adjetivos, Zeia Colli que me ajudou muito e sempre me motivou na vida pessoal e acadêmica, apresentando os benefícios da graduação. Ao meu orientador Msc Marcos Dorigão Manfrinato e Dra Luciana Sgarbi, pela orientação e suporte no presente trabalho. Ao corpo docente da FATEC de Sorocaba, por ter agregado todo tipo de conhecimento para a vida, que levarei para o resto dela. Aos meus amigos que contribuíram de alguma forma.

2

RESUMO O objetivo desse trabalho é determinar o efeito do tratamento de solubilização

nas propriedades do aço 321H após o processo de soldagem GTAW autógena. O processo de soldagem foi realizado na empresa Senior Flexonics Brasil, adotando o procedimento de soldagem e soldador qualificado, conforme norma ASME. Após a soldagem foram realizados ensaios não destrutivos dos cordões de solda como o liquido penetrante e raios-X. Após a soldagem os cordões de solda foram submetidos a um processo chamado planish, que consiste em uma leve redução do reforço de solda por meio de uma espécie de laminação que torna os grãos dos materiais encruada aumentando suas propriedades mecânicas, e em seguida foi feito tratamento de solubilização a 1050°C para remover os precipitados de carbonetos de cromo (Cr23C6) que ocorrem preferencialmente nos contornos de grãos na zona afetada pelo calor. O cordão de solda com tratamento de solubilização e sem tratamento foram caracterizados e comparados, ambos tiveram os resultados dos testes de análise metalográfica, determinação dos microconstituintes presentes na zona fundida, zona afetada pelo calor e metal de base, medidas de perfil de microdureza conforme norma Petrobras N133 revisão 14, determinação da resistência a tração com carregamento de carga perpendicular ao cordão de solda. Todos os ensaios foram realizados no material soldado com e sem tratamento de solubilização. Obtido os resultados pode se comparar que o tratamento térmico dissolveu a estrutura encruada pelo processo planish, e também os carbonetos, tais fenômenos refletiram no comportamento dos testes de dureza e tração apresentados no trabalho.

Palavra chave: Soldagem autógena, aço inoxidável, Solubilização, carboneto

3

ABSTRACT: The objective of this study is to determine the effect of treatment in the solubilization properties of steel 321H after the GTAW welding process autogenous. The welding process was performed in the company Senior Flexonics Brazil, adopting the welding procedure and qualified welder, ASME standard. After welding were performed non-destructive testing of weld beads as the penetrating liquid and X-rays. After welding the weld seams were subjected to a process called planish, which consists of a mild reduction of the weld reinforcement by means of a sort of lamination makes foundry hardened grains of the material increasing their mechanical properties, and then it was made Treatment solubilizing at 1050 °C to remove the precipitated chromium carbide (Cr23C6) which occur preferentially in the grain boundaries in the heat affected zone. The weld bead with treatment of solubilization and untreated were characterized and compared, both had the results of metallographic analysis tests, determination of microconstituents present in the molten zone, the heat affected zone and base metal hardness profile measures as standard Petrobras N133 review 14, determining the tensile strength with cargo loading perpendicular to the weld bead. All assays were performed in the welded material with and without treatment solubilization. Obtained results can be compared that the heat treatment dissolved the structure foundry hardened by planish process, and also the carbides such phenomena reflected in the behavior of hardness tests and tensile presented in the work. Keyword: autogenous welding, stainless steel, solubilization, carbide

4

5

Sumário 1 - INTRODUÇÃO ................................................................................................................................. 6 2 - OBJETIVO ........................................................................................................................................ 9 4 – MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................................................................... 22 5 – RESULTADOS E DISCUSSÕES .................................................................................................. 26

5.1 - Análise Química ....................................................................................................................... 26 5.2 – Metalografia ............................................................................................................................. 26 5.3 – Microdureza ............................................................................................................................. 31 5.4 - Ensaio de Tração ...................................................................................................................... 32

6 – CONCLUSÕES ............................................................................................................................... 35 7 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................ 36

6

1 - INTRODUÇÃO

As ligas de aços inoxidáveis apresentam características de possuir boa resistência à corrosão devido ao alto teor de cromo presente em solução sólida, geralmente no mínimo 12% de cromo. São baseadas nos sistemas ferro-cromo, ferro-cromo-carbono e ferro-cromo-níquel, mas podem conter adições de outros elementos de liga tais como molibdênio, manganês, silício, cobre, titânio, nióbio, vanádio e nitrogênio, que alteram suas microestruturas e propriedades (Metals Handbook, 1987).

Os aços inoxidáveis são divididos em categorias distintas de acordo com sua microestrtutura predominante e presença de precipitados endurecedores, as quais são: Ferríticos, Austeníticos, Martensíticos, Duplex, Super Duplex, Hiper Duplex e endurecíveis por precipitação.

Os aços inoxidáveis austeníticos são utilizados para fabricar estruturas, trocadores de calor, riser, juntas de expansão metálicas ou reparo em componentes (Tremarin, 2007). Os aços inoxidáveis apresentam baixa condução térmica de calor, dessa forma, a utilização de qualquer processo de fabricação à quente apresenta elevados gradientes térmicos na região vizinha do local. Um dos processos de fabricação mais utilizado na produção de tais equipamentos, são as soldagens. Utiliza-se geralmente os processos de soldagem a TIG, MAG, arco submerso e eletrodo revestido para fabricar os equipamentos ou executar algum reparo. (Tremarin, 2007).

Para qualquer processo de soldagem a condução de calor do cordão de solda modifica a granulometria, transformação de fase e precipitação de carbonetos nos contornos de grãos, como ilustra a Figura 1, causando um efeito chamado sensitização (Manfrinato, 2014).

7

Figura 1: Microestrutura típica de uma zona afetada pelo calor (ZAC) (Manfrinato, 2014).

Quando aquecidos para trabalhos a quente ou soldagem entre 450 e 850ºC, os aços

inoxidáveis austeníticos sensitizam. Os elementos cromo e carbono se combinam nessa faixa de temperaturas para precipitar nos contornos de grão como carbonetos de cromo (Cr23C6).

Esta precipitação é conhecida como sensitização. Como cada molécula de carboneto de cromo contém, em peso, aproximadamente 95% de cromo, uma grande quantidade de cromo é removida das adjacências dos contornos de grão durante essa precipitação. Como consequência tem-se uma forte descromatização das regiões próximas aos contornos de grão, regiões que não resistirão ao ataque de certos meios agressivos. Esta forma de corrosão é conhecida como corrosão intergranular e a Figura 2 ilustra esse tipo de corrosão em um aço inoxidável (Paredes, 2011).

Figura 2: Corrosão intergranular no contorno de grão – ASTM A240 Gr304 (Lippold, 2005)

8

Em função desse fenômeno o aço inoxidável austenitico AISI 321 foi desenvolvido para evitar a sensitização, através da adição de titânio. Este elemento apresenta maior afinidade com o carbono do que com o cromo e induzem a formação de carbonetos, reduzindo drasticamente a quantidade de carbono na matriz.

A adição de elemento estabilizante nesse aço inoxidável tem o objetivo de eliminar a sensitização e inibir o crescimento de grão pelo ancoramento dos contornos de grão por partículas de precipitados (Silva, 2007). Dessa forma, este tipo de aço inoxidável estabilizado pode ser utilizado em equipamentos para indústria de petroquímica e química que operam na faixa de temperatura de 500°C à 800°C, mas para tal devem passar por um tratamento térmico de solubilização (Tavares, 2008).

Este tratamento térmico é uma espécie de têmpera e visa garantir a manutenção da estrutura austenítica à temperatura ambiente. Consiste em aquecer-se o aço a uma temperatura suficientemente elevada entre 1050°C a 1100°C a fim de remover as modificações estruturais resultantes dos processos de soldagem, dissolver os carbonetos presentes (sobretudo os de cromo) e, após o tempo necessário à temperatura, resfriar rapidamente em água (Chiaverini, 2008). Podemos também utilizar materiais com baixo teor de C, como os aços inoxidáveis com o sufixo “L” (304L, 316L, etc.), com o baixo teor de C retardando a formação de carbonetos (Lippold, 2005).

9

2 - OBJETIVO

O tratamento térmico de solubilização tem sido largamente utilizado em aços inoxidáveis austeníticos soldados que irão trabalhar em ambientes corrosivos. Estes estão submetidos a condições severas de fadiga, vibração mecânica e corrosão. O tratamento térmico de solubilização tem o objetivo de eliminar os carbonetos formados na zona afetada pelo calor proveniente do cordão de solda, com isso recuperar as propriedades de resistência à corrosão do aço inoxidável austeníticos.

O objetivo deste trabalho foi realizar a soldagem TIG de uma junta em “I” soldada de maneira autógena e automática para determinar as propriedades mecânicas do cordão de solda e da zona afetada pelo calor. Realizou-se a solubilização da junta soldada para verificar se ocorreu a perda de propriedades mecânicas. Através da realização deste trabalho, pretendeu-se: comparar os valores de dureza e de tração da junta soldada obtido para o material soldado e material soldado e solubilizado, e determinar os fatores que influenciam no resultado, como por exemplo, microestrutura, composição química dos contornos de grãos e parâmetros de processo;

10

3 - REVISÃO BIBIOGRAFICA 3.1 - SOLDAGEM

A soldagem é o mais importante processo de união de metais mais utilizado industrialmente. Este método de união, tem importante aplicação desde a indústria microeletrônica até a fabricação de navios, indústrias químicas, petroquímicas e nucleares.

A definição adotada pela Associação de Soldagem Americana (AWS), órgão de maior expressão no assunto define soldagem como ¨ Processos de união de metais para obter a coalescência (união) localizada de metais e não metais, produzida por aquecimento até uma temperatura adequada, com ou sem a utilização de pressão e/ou material de adição¨.

Uma maneira de classificar os processos de soldagem consiste em agrupa-los em dois grupos baseando-se no método dominante para produzir a solda, Figura 3: Processo de soldagem por pressão/deformação ou processo de soldagem por fusão (Marques, 2009).

Figura 3: Processos de soldagem e afins, segundo AWS (Marques, 2009).

O processo de soldagem TIG (Tungsten Inert Gas) utiliza como fonte de calor um arco

elétrico mantido entre um eletrodo não consumível de tungstênio e a peça a soldar. A proteção

11

gasosa da região de soldagem é feita por um fluxo de gás inerte, como ilustra a Figura 4. A soldagem pode ser feita com ou sem metal de adição (autógena) e pode ser manual ou automática (Wainer, 2011).

Figura 4: Processo de Soldagem TIG esquemático (Wainer, 2011).

Uma característica importante desse processo é o excelente controle da energia

transferida para a peça, devido ao controle independente da fonte de calor. Isso torna o processo bastante adequado para a soldagem de peças de pequenas espessuras, e aliado à eficiente proteção contra contaminação, permite a soldagem de materiais de difícil soldabilidade, com ótimos resultados.

Outra característica típica do processo de processo TIG é a possibilidade de se usar o próprio metal de base como metal de adição quando este não estiver disponível ou se tornar inviável, sendo definida como soldagem autógena. A soldagem autógena é aquela onde não se adiciona metal de adição, ou seja, no caso de união de duas peças, elas são posicionadas juntas (sobrepostas ou em raiz sem abertura, entre outros tipos de junta) e o eletrodo de tungstênio funde as duas peças sem adicionar qualquer consumível (vareta ou arame em bobina). É comum em chapas muito finas. A soldagem TIG pode, portanto, ser autógena ou com metal de adição (Marques, 2009).

Este processo é aplicável na maioria dos metais e suas ligas, numa ampla faixa de espessura. Entretanto, em virtude de seu custo relativamente elevado, é usado principalmente na soldagem de metais não ferrosos e aços inoxidáveis, na soldagem de peças de pequena espessura (da ordem de 1 a 2 mm) e em passes de raiz de tubulações (Marques, 2009).

3.2 - AÇO INOX

Há quase um século, os aços são os materiais industriais mais amplamente empregados. Possivelmente, o principal fator que levou o aço a ocupar este papel preponderante

12

na engenharia é o amplo espectro de propriedades e características de desempenho que pode ser obtido a custos baixos, especialmente devido à disponibilidade do ferro na crosta terrestre e à extrema otimização dos processos de fabricação do aço (Costa e Silva, 2010).

Naturalmente, o aço é um material em constante evolução, e os padrões de qualidade, bem como os níveis de propriedades que podem ser atingidos hoje com aços convencionais, superam, em muito, as características de aços que eram considerados especiais há poucas décadas (Costa e Silva, 2010).

Os aços inoxidáveis são um grande grupo de ligas especiais desenvolvidas primordialmente para resistir a corrosão. Outras características desejáveis podem incluir excelente conformidade, alta tenacidade a temperatura ambiente e as temperaturas criogênicas, a boa resistência a oxidação e a fluência em temperaturas elevadas. O cromo é o elemento de liga que confere resistência à corrosão de aços inoxidáveis, mais muitos outros elementos podem ser adicionados para estabilizar as outras fases, proporcionar maior resistência a corrosão, ou produzir melhores propriedade mecânicas (Krauss, 1995).

Os aços inoxidáveis são ligas resistentes à corrosão e, apresentam um teor mínimo de cromo de 12%, necessário para conferir ao mesmo tal propriedade. Outros elementos de liga também elevam a resistência contra a corrosão, como o Cu, Al, Si, Mo e, particularmente o Ni, que é um dos principais elementos de liga dos aços inoxidáveis austeníticos (Fortis, 2009).

A resistência à corrosão de ligas à base de Fe e Cr está associada ao fenômeno de passivação, isto é, à formação de uma camada de óxidos mistos (de ferro, cromo e de outros elementos de liga e a dissolução dessa camada no meio corrosivo.

As composições mais comuns dos aços inoxidáveis (por exemplo 12% Cr, 18% Cr, 8% Ni etc.) foram descobertas no começo do século XX. A partir dessas composições foram estudados os efeitos de diversos elementos de liga e residuais como, carbono, nitrogênio, molibdênio etc. Novas composições vêm sendo desenvolvidas desde então com base nos resultados da pesquisa. Uma vez que a microestrutura tem efeito dominante sobre as propriedades, os aços inoxidáveis são classificados com base na microestrutura em temperatura ambiente.

Para fins de classificação e de discussão de suas propriedades, os aços inoxidáveis em cinco categorias (Costa e Silva, 2010).

13

Aços inoxidáveis martensíticos Estes aços caracterizam-se por serem aços-cromo, contendo cromo entre 11,5 e 18,0; eles tornam-se martensíticos e endurecem pela têmpera. Dentro desse grupo podem ser ainda classificados três classes: turbina, cutelaria e resistência ao desgaste.

Aços inoxidáveis Ferriticos Nesse grupo, o cromo é ainda o principal elemento de liga, podendo atingir valores muito elevados, superiores a 25%. Como o teor de carbono é baixo máximo de 0,20%- a faixa austenítica fica totalmente eliminada e, em consequência esses aços não são endurecíveis pela têmpera.

Aços inoxidáveis Austenítico A maior parte dos aços austeníticos comumente empregados pertence ao grupo mais conhecido e populares são os 18-8 em que o teor médio de cromo é 18% e o de níquel 8%.

Aços inoxidáveis Dúplex O desenvolvimento dos aços inoxidáveis denominados ``dúplex`` vem resultando, nos últimos anos, na sua crescente utilização, principalmente em aplicações industriais que exigem maior resistência à corrosão, maior resistência à oxidação e tenacidade adequada, dos que as apresentadas pelos outros aços inoxidáveis. Esses aços se caracterizam por ter uma estrutura bifásica ferrítico-austenítica, determinada sobretudo pelos teores de ferro, cromo e níquel.

Aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação São aços desenvolvidos logo após a Segunda Guerra Mundial que se caracterizam por poderem ter suas propriedades mecânicas melhoradas por tratamento de envelhecimento (Chiaverini, 2008). 3.3 - AÇO INOXIDAVEL AUSTENITICO

Os aços inoxidáveis austeníticos representam o maior dos grupos gerais de aços inoxidáveis e são produzidos em quantidades mais elevadas do que qualquer outro grupo. Eles têm boa resistência à corrosão na maioria dos ambientes. Os aços inoxidáveis têm forças equivalentes às dos aços macios, cerca de 210MPa (30Ksi) força mínima de rendimento à temperatura ambiente, e não são transformação endurecível. Propriedades de impacto de baixa

14

temperatura são bons para estas ligas, o que os torna úteis em aplicações criogênicas. Temperaturas de serviço pode ser de até 760°C ou mesmo superior, mas a resistência de oxidação destes aços está limitada a tais temperaturas elevadas. Aços inoxidáveis podem ser significativamente reforçada pelo trabalho a frio. Eles são muitas vezes usados em aplicações que requerem uma boa resistência atmosférica ou elevada temperatura de corrosão. Eles são geralmente considerados bom a ser soldável se as devidas precauções forem seguidas.

Elementos que promovem a formação de austenita, principalmente o níquel, são adicionados a estes aços em grandes quantidades (geralmente acima de 8% em peso). Outros elementos de promoção da austenita são C, N e Cu. Carbono e nitrogênio são forte promotor de austenita, tal como pode ser visto a partir do valor em várias fórmulas de equivalência de níquel.

Aços inoxidáveis incluem tanto as ligas da série 200 e 300, conforme designado pelo Instituto Americano de Aço Inoxidável (AISI). As ligas da série 200 contêm altos níveis de carbono, manganês e nitrogênio e são usados em aplicações especiais, tais como onde é necessária resistência requerida. Estas ligas também têm teor de níquel mais baixo do que as ligas da série 300 para equilibrar os altos níveis de carbono e nitrogênio. As ligas da série 300 são as mais utilizadas dos aços inoxidáveis austeníticos. A Tabela 1 apresenta a composição química nominal de alguns aços inoxidáveis austeníticos da série 300 comumente encontrada no mercado

Tabela 1: Composição química nominal do aço inoxidável austenítico da série 300 (Costa e

Silva, 2010).

15

Os aços inoxidáveis, AISI 321 e AISI 347, contêm pequenas adições de Nb e Ti respectivamente para combinar com carbono e reduzir a tendência para a corrosão intergranular devido à precipitação do carboneto de cromo.

As ligas contendo titânio e nióbio, tais como o tipo AISI 321 e AISI 347, são conhecidos como os aços inoxidáveis estabilizados já que a adição destes dois elementos estabiliza a liga contra a formação de M23C6 carbonetos de cromo. Uma vez que o nióbio e titânio formam estáveis carbonetos do tipo MC a uma temperatura elevada, a formação de carbonetos ricos em cromo é restrita. A adição destes elementos em níveis de até 1,0% em peso reduz eficazmente o teor de carbono e torna a matriz de precipitação de carbonetos de cromo mais difícil. Este reduz a possibilidade de sensibilização que pode conduzir a corrosão intergranular nas ligas austeníticas. (Lippold, 2005). 3.4 - SENSITIZAÇÃO

Quando aquecidos para trabalhos a quente ou soldagem entre 450 e 850ºC, os aços inoxidáveis austeníticos sensitizam. Cromo e carbono se combinam nessa faixa de temperaturas para precipitar nos contornos de grão como carbonetos de cromo (Cr23C6). Esta precipitação é conhecida como sensitização. Como cada molécula de carboneto de cromo contém, em peso, aproximadamente 95% de cromo, uma grande quantidade de cromo é removida das adjacências dos contornos de grão durante essa precipitação. Como consequência temos um forte descromização das regiões próximas aos contornos de grão, regiões que não resistirão ao ataque de certos meios agressivos. Esta forma de corrosão é conhecida como corrosão intergranular (Paredes, 2011).

O efeito do carboneto Cr23C6 é bem conhecido que ocorre a precipitação de carbonetos nos ZAC durante a soldagem. Geralmente, a precipitação de carbonetos é fácil, Figura 5, porque esta requer apenas difusão de carbono para os locais com maior concentração de fortes formadores de carboneto, como Cr, Mo, etc (Guan, 2005).

16

Figura 5: Micrografia óptica da interface do metal de base e zona fundida para o aço

inoxidável AISI 321 (Guan, 2005).

A sensitização foi devida à energia térmica, a qual promovida a migração do carbono para formar carbonetos (Cr23C6), a Figura 6 os quais geram zonas esgotadas onde a concentração de cromo insuficiente para formar o filme passivo (Santillan, 2010).

Figura 6: Carbono precipitado na ZAC (Zona afetada Pelo Calor (Santillan, 2010).

O carbono exerce profunda influência no comportamento da sensitização, possibilitando

o estudo dos carbonetos presentes na estrutura austenítica. O uso de ligas de baixo carbono minimiza o risco de sensitização, conforme ilustra a Figura 7. O tempo e temperatura de precipitação é mostrado na figura contento a curva típica de aços do gênero (Lippold, 2005).

17

Figura 7: Curvas de sensitização para vários teores de carbono (Paredes, 2011).

3.5 - CORROSÃO

Pode - se definir corrosão como ação de deterioração, geralmente em metais, causada por um agente químico ou eletroquímico de seu meio, associada de esforços físicos ou não. Tal deterioração pode causar alterações em suas características sejam elas: resistência ao desgaste, variações da composição química e modificações estruturais. Os processos de corrosão são considerados reações químicas e eletroquímicas que se passam geralmente na superfície de separação entre o metal e o meio corrosivo.

A corrosão pode ocorrer sob diferentes formas, e o conhecimento das mesmas é muito importante nos processos corrosivos. As formas (ou tipos) de corrosão podem ser apresentadas considerando- se a aparência ou forma de ataque e as diferentes causas de corrosão e seus mecanismos que estão ilustrados na Figura 8, como: Uniforme, por placas, alveolar, puntiforme ou por pite, intergranular (ou intercristalina), intragranular (ou transgranular ou transcristalina), filiforme, por esfoliação, grafitica, dezincificação, em torno de cordão de solda e empolamento pelo hidrogênio (Gentil, 2006).

18

Figura 8: Formas de corrosão (http://www.icz.org.br/portaldagalvanizacao/galvanizacao-

corrosao.php)

Corrosão Intergranular A corrosão intergranular pode ocorrer em numerosos meios, particularmente em

condições ácidas, como em ambientes ricos em ácido sulfúrico, misturas de ácido sulfúrico e nítrico ou clorídricos e nítricos, ácido nítrico quente e ácido orgânico quente. Aços contendo Mo e com um teor máximo de 0,08% sofrem corrosão intergranular devido à soldagem somente em condições severas como, por exemplo, quando imersos em ácido acético quente com cloretos.

A teoria mais aceita para a corrosão intergranular em aços inoxidáveis austeníticos soldados envolve a formação de uma região empobrecida em Cr, junto aos contornos de grão, devido à precipitação de carbonetos de cromo. Os próprios carbonetos de cromo precipitados não são atacados, mas como eles contêm maior teor de cromo que a matriz, a sua formação requer a difusão deste elemento das áreas adjacentes, que se tomam empobrecidas de cromo e, portanto, menos resistentes à corrosão, conforme ilustra a Figura 9.

Alternativamente tem sido sugerido que os precipitados são coerentes e que as tensões devido a esta coerência se concentram nos contornos de grão, tornando-os sensíveis à corrosão

19

preferencial. Outra teoria baseia-se no ataque preferencial dos contornos de grão devido á precipitação dos carbonetos, que seriam mais nobres e que, portanto, tornariam os contornos de grão anódicos. Em geral, não é possível achar evidências sobre qual teoria é mais provável.

Existem várias maneiras de se minimizar o risco de corrosão intergranular em soldas. O método mais comum envolve a adição de Nb ou Ti ao metal de base, já que estes elementos possuem maior afinidade pelo carbono que o cromo e tenderiam a formar carbonetos do tipo NbC ou TiC. Estes possuem menor solubilidade que o carboneto de cromo, tendendo a não se dissolverem durante trabalho a quente e recozimento do aço. Assim a quantidade de carbono em solução em aços estabilizados com Nb ou Ti é, em geral, muito baixa e, quando o aço é aquecido na faixa de temperaturas de sensibilização à corrosão intergranular, o carboneto de cromo não se precipita. Para este objetivo é adicionada uma quantidade de titânio 4 a 5 vezes maior que o teor de carbono do aço ou uma de nióbio 8 a 10 vezes maior (Paredes, 2011).

Figura 9: Mecanismo de corrosão intergranular baseado no empobrecimento de cromo das

regiões adjacentes aos contornos de grão (Paredes, 2011)

O ataque intergranular também pode ocorrer em determinadas situações nas séries estabilizadas, tais como o tipo 347 e 321, como ilustra a Figura 10. Este ataque, ocorre normalmente em uma região apenas muito estreita adjacente ao limite da zona fundida. Às vezes é chamado de ataque ¨knifeline¨ linha de faca, ilustrada pela Figura 11, porque a solda aparece como se tivesse sido cortado com uma faca. Este tipo ocorre quando os carbonetos estabilizados (NBC) ou TiC dissolver a temperaturas elevadas na região imediatamente adjacente à zona de fusão. Após arrefecimento carbonetos ricos CR- formará mais rapidamente do que o NbC ou TiC, resultando numa região estreita sensibilizado. Mais distante do limite de fusão NBC e TiC não se dissolvem e sensibilização não ocorre (Lippold, 2005).

20

Figura 10- Precipitação de carbonetos no contorno de grão e esgotamento de cromo local

(Lippold, 2005)

Figura 11: Ataque intergranular( knifeline) na ZAC de um aço inoxidável austenítico

(Lippold, 2005)

3.6 - TRATAMENTO TÉRMICO DOS AÇOS INOXIDÁVEIS Esses aços não são endurecíveis por não possuírem temperaturas de transformação

típicas A1e A3. Contudo, podem ser submetidos a determinados tratamentos térmicos a seguir descritos: alivio de tensões, Estabilização, tratamentos termos-químico e solubilização.

Solubilização - Este tratamento é uma espécie de têmpera e visa garantir a manutenção da estrutura austenítica à temperatura ambiente. Consiste em aquecer-se o aço a uma temperatura suficientemente elevada para remover as modificações estruturais resultantes dos processos de fabricação, dissolver os carbonetos presentes (sobretudo os de cromo) e, após o tempo necessário à temperatura, resfriar rapidamente. O resfriamento deve ser rápido para

21

evitar a precipitação de carbonetos, a qual acontece na faixa 450ºC - 850ºC. A Tabela indica alguns valores de temperatura para o tratamento de solubilização, conforme ilustra a Tabela 2. O tempo à temperatura depende das dimensões das peças e deve ser o mínimo necessário. Para espessuras da ordem de 1,5 a 3,0 mm o tempo é de 3 a 5 minutos. O resfriamento é em água ou o ar em peças de muito pequena espessura (décimos de milímetros) (Chaverini, 2008). Tabela 2: Tabela com as temperaturas de solubilização para os aços inoxidáveis austeníticos

conforme indicação da norma ASTM A358/A358M.

Um conhecimento detalhado das mudanças na microestrutura e nas propriedades

mecânicas que ocorrem no AISI 321 antes e após o tratamento solubilização é de grande interesse, uma vez que a ductilidade e tenacidade do AISI 321 aços inoxidáveis podem alterar drasticamente após o serviço durante um longo tempo. A fragilização do composto intermetálico, não só tem propriedades prejudiciais como a perda ductilidade e aumento da dureza, mas também sobre a resistência à corrosão intergranular. Depois de tratamento de solubilização a 1050°C, as microestruturas do AISI 321 em serviço para 80.000 horas a 700°C indica que o teor de fase sigma diminui significavamente, e os grãos de austenita crescem (Guo, 2011).

22

4 – MATERIAIS E MÉTODOS

Para o desenvolvimento deste trabalho, foi utilizado o aço inoxidável austeníticos AISI 321H de espessura 1,54mm, e para comprovar sua composição química nominal realizou-se a análise química com auxílio do espectrômetro de emissão óptica, Espectromax LMX06.

Para a execução deste trabalho, foi realizado a soldagem TIG automática de maneira autógena em chapa de dimensões de 300mm x 100 mm. Os parâmetros de soldagem, como tensão, corrente, tipo de gás, vazão de gás de solda e de proteção, velocidade de soldagem, são parâmetros comerciais e estão apresentados na Tabela 3.

Tabela 3: Parâmetros de soldagem pelo processo GTAW automático e autógeno.

Tensão Corrente Tipo de gás

Vazão gás de solda

Vazão gás de proteção

Velocidade de soldagem

8,6 V 130 A Ar 14 L /min 3 L/min 18 pol/min

A soldagem GTAW foi realizada em um equipamento Seam welder da marca JetLine, ilustrada na Figura 12, com controlador de altura da tocha e velocidade de soldagem. O equipamento possui uma fonte de tensão da marca Miller modelo MaxStar200.

Figura 12: Dispositivo de solda automática GTAW JetLine pertencente à empresa Senior do

Brasil Ltda (Kawano, 2013).

O dispositivo de soldagem GTAW automático possui uma tocha refrigerada e utiliza um eletrodo de tungstênio com thório (EWTh-2) de 2,4mm de diâmetro e 30° de ângulo de

23

apontamento do eletrodo. O gás de proteção do arco elétrico e também da raiz foi o argônio. A Figura 13 apresenta a fixação das chapas utilizando pinças, o backing (barramento) de cobre com a entrada de gás de proteção para a raiz, igual ao realizado por (Kawano, 2013).

Figura 13: Ilustração do sistema de fixação de chapas e alimentação de gás de proteção do

barramento de cobre da JetLine (Kawano, 2013).

Após o término do processo de soldagem as chapas foram submetidas a um processo chamado planishing no qual executa se uma conformação mecânica, para a diminuição do reforço da solda, conforme ilustra a Figura 14, pois o procedimento possibilita apenas 10% de reforço em relação a espessura da chapa, porém, o processo aumenta as propriedades pois a chapa sofre conformação, no entanto, o material fica encruado.

Figura 14: Sistema do processo planishing (http://www.techweld.net/planishing.html)

24

Parte da chapa soldada foi submetida ao tratamento térmico de solubilização. A temperatura de solubilização foi de 1040°C, o tempo de patamar de 25 minutos e o resfriamento feito em água a tempera ambiente, 25°C.

Após a realização do processo de solda e o tratamento de solubilização, um pedaço de cada chapa foi cortada na Cut off para a realização da metalografia do material estudado, e assim determinar o tamanho da zona afetada pelo calor (ZAC), zona fundida (ZF) e microestrutura do metal de base (MB).

Para avaliar a microestrutura formada na zona fundida, zona afetada pelo calor e o metal de base os cordões de solda foram cortados transversalmente. Após o corte foram embutidas em baquelite e posteriormente lixadas. A sequência de lixamento em água obedeceu à ordem crescente de granulométrica da lixa (120, 240, 320, 400, 600, 1200 e 2000). Após a lixamento as amostras foram polidas com óxido de alumina de granulométrica de 1μm e 0,5μm. As amostras foram preparadas conforme o estabelecido pela norma ASTM E 3-11.

Para revelar a microestrutura do aço inoxidável austenítico ASTM A240 Gr 321H utilizou-se a reagente água régia (50%HCl e 50% HNO3). Posteriormente foram feitas as análises de microscopia óptica para determinar a microestrutura do material estudado e realizada análise via MEV/EDS da marca Hitachi, para uma varredura dos contornos de grão e determinação de precipitados na ZAC.

Foram realizadas análises de microdureza do perfil do cordão de solda, conforme especificação da norma Petrobras N133, conforme ilustra a Figura 15. A carga utilizada foi de 0,1 kg, utilizando um microdurômetro da marca Mitutoyo modelo HM 220. Assim, foi determinado o perfil de dureza ao longo da zona fundida, zona afetada pelo calor e metal de base.

Figura 15: Perfil de microdureza para soldagem realizada em chanfro em V (Petrobras N

133).

25

O levantamento das propriedades mecânicas do material, tais como limite de escoamento, limite de resistência, foram realizados em uma máquina de ensaio de tração uniaxial, utilizado uma máquina universal da marca EMIC com capacidade de 100kN com uma velocidade de deformação de 3 mm/min.

Os ensaios de tração foram realizados de acordo com as normas ASTM A370-14 e ASTM E8M-13. As dimensões dos corpos de prova de tração estão de acordo com a norma ASTM E8M-13 e a Figura 16 apresenta as dimensões e o cordão de solda no centro do corpo de prova. Foram realizados o ensaio de tração para o material soldado e para o material soldados e solubilizados. Os corpos de prova foram cortados em uma máquina de eletroerosão a fio. Realizou-se o ensaio de tração para 3 corpos de prova por condição de soldagem e também 3 corpos de prova soldado e solubilizado.

Figura 16: Dimensões do corpo de prova de tração, conforme a norma ASTM E8M-13.

26

5 – RESULTADOS E DISCUSSÕES 5.1 - ANÁLISE QUÍMICA

O resultado da análise de composição química está apresentado na Tabela 4. Conforme analisado através da composição química nominal deste material, observa-se que os valores obtidos estão de acordo com a norma.

Tabela 4: Composição química encontrada pelo espectrômetro do AISI 321H (ASTM A240

grade 321H). C Si Mn Cr Ni Ti P S

Obtido 0,04 0,2 1 19 9,48 0,2 0,03 0,005

Nominal 0,04-0,10

1,00 max

1,00 max 17 - 19 9 - 12 0,60

max 0,04 max

0,03 max

5.2 – METALOGRAFIA

Na Figura 17 é apresentada a imagem metalográfica da região de transição da solda dos materiais com e sem tratamento térmico. Com o ensaio é possível analisar as regiões da material base (MB), zona afetada pelo calor (ZAC) e zona fundida (ZF).

27

Figura 17: Cordão de solda do aço inoxidável austenítico AISI 321H soldado pelo processo GTAW autógeno. (a) sem tratamento e aumento de 500x, (b) sem tratamento e aumento de

200x, (c) com tratamento e aumento de 500x, (d) com tratamento e aumento de 200x.

Com a análise da Figura 17(d) na resolução de 200x, foi possível observar um aumento no tamanho de grãos do material que foi submetido ao tratamento térmico de solubilização. Ocorreu a dissolução dos precipitados de contorno de grão na zona de afeta pelo calor como pode ser observados nas Figuras 17(b) e 17(d).

Os constituintes de menor tamanho como os carbonetos, existentes no material, são impossíveis de serem analisados com o método comum de microscopia óptica. Foi necessário recorrer ao o uso do MEV/EDS, pois, pelo fato de ser eletrônico possibilita a visão por meio de projeção. Tais carbonetos estão apresentados na Figura 18.

A B

C D

28

Figura 18: Presença dos carbonetos na matriz e no contorno de grão. (a) Sem tratamento 4000x, (b) Com tratamento 4000x, (c) Sem tratamento 3000x, (d) Com tratamento 3000x

Os carbonetos se comportaram de maneiras diferentes no material solubilizado e no

material não solubilizado. Foi possível perceber que ao ser submetido ao tratamento térmico de solubilização os carbonetos se encontram na matriz ao invés do contorno de grão, e suas dimensões e composições químicas foram alteradas. Para o material solubilizado os carbonetos de contornos de grão foram eliminados e surgiram carbonetos dentro do grão, como ilustra a Figura 18(d). A variação da composição química pontual dos carbonetos e do grão foram analisadas via EDS e estão apresentados na Figura 19.

(a) (b)

(d) (c)

29

%wt Fe 70,4 Cr 19,45 Ni 7,05 C 3,08 Ti 0

%wt Fe 72,34 Cr 15,96 Ni 9,09 C 2,06 Ti 0

Figura 19: Composição química em percentagem em peso (%wt) para diferentes regiões na ZAC do aço AISI 321H soldado sem tratamento térmico de solubilização. (a) contorno de

grão; (b) região central do grão. Pela análise química pontual realizada pela técnica EDS na ZAC, conforme ilustra a

Figura 19, ocorreu a formação de carbonetos de cromo no contorno de grão, porém não é possível determinar exatamente qual é o tipo de carboneto de cromo que se formou no contorno do grão. Comparando a composição química do elemento cromo no contorno de grão e no centro do grão verifica-se que a composição química no contorno é muito maior no contorno de grão que no interior do grão, dessa forma, a quantidade de ferro é maior no centro do grão. O aumento da concentração de ferro e a diminuição da concentração do cromo no centro do grão diminuem a resistência a corrosão do material pois diminuir o filme passivo do oxido de cromo.

(a)

(b)

30

Observa-se também nas imagens MEV da Figuras 18(a) e 18(c) (ZAC sem sofrer tratamento térmico de solubilização) a presença de precipitados no meio do grão. As análises químicas pontuais dos carbonetos precipitados no centro do grão foram realizadas via EDS estão apresentadas na Figura 20.

A presença de titânio nos dois pontos da análise química pontual da Figura 20, demonstra que os carbonetos dentro do grão são possivelmente carbonetos de titânio (TiC).

%wt Fe 67,91 Cr 12,65 Ni 8,46 C 5,34 Ti 5,63

%wt Fe 69,61 Cr 14,40 Ni 6,88 C 6,05 Ti 3,06

Figura 20: Composição química em percentagem em peso (%wt) para diferentes precipitados no centro do grão na região na ZAC do aço AISI 321H soldado sem tratamento térmico de

solubilização. (a) ponto 1; (b) ponto 2. A Figura 21 apresenta a análise química pontual via EDS da ZAC do aço AISI 321H

soldado com tratamento térmico de solubilização. Nesta Figura 21 não se observa a presença de carbonetos nos contornos de grão, apenas carbonetos dentro do grão. O tratamento térmico de solubilização dos carbonetos de contornos de grão foi eficiente, pois na Figura 21(a) a

(a)

(b)

31

composição química do elemento cromo, 17,30%wt, está de acordo com a composição química apresentada pela Tabela 4, composição química nominal do aço AISI 321H, o cromo varia de 17 a 19%wt. A Figura 21(b) apresenta a composição química do carboneto dentro do grão após realizar o tratamento de solubilização e observa-se a presença de titânio e um aumento da composição de carbono em relação a matriz, Figura 21(a), que possivelmente pode ser um precipitado de carboneto de titânio (TiC).

%wt Fe 70,01 Cr 17,30 Ni 6,85 C 5,83 Ti 0,00

%wt Fe 67,53 Cr 17,79 Ni 7,02 C 7,19 Ti 0,47

Figura 21: Composição química em percentagem em peso (%wt) para diferentes regiões do grão na região na ZAC do aço AISI 321H soldado com tratamento térmico de solubilização. (a) centro do grão; (b) precipitado dentro do grão. 5.3 – MICRODUREZA

O perfil de microdureza do cordão de solda contempla as distintas regiões do metal de base (MB), zona afetada pelo calor (ZAC) e zona fundida (ZF), conforme ilustra a Figura 22. O material sem tratamento térmico apresentou maior microdureza que o material que se realizou

(a)

(b)

32

o tratamento de solubilização. Todas as regiões do cordão de solda, ou seja, o metal de base, a zona afetada pelo calor e também na zona fundida apresentaram maior microdureza pois após a soldagem o cordão de solda sofreu o processo de planish, que consistem em deformação (encruar os grãos) do cordão de solda afim de diminuir o reforço de solda da face e da raiz.

O tratamento de solubilização além de realizar a eliminação dos carbonetos presentes nos contornos de grãos, faz uma recristalização e cresce os grãos, conforme ilustrado na Figura 17(d). O aumento do tamanho de grão produz uma redução da microdureza, como observado na Figura 22 e essa diminuição da dureza aumenta a ductilidade e diminui a resistência mecânica a tração das regiões do cordão de solda.

Figura 22: Perfil de microdureza do cordão de solda na transversal conforme norma Petrobras

N133 para o aço inoxidável AISI 321H soldado sem tratamento térmico (S/T) e com tratamento térmico de solubilização (C/T).

5.4 - ENSAIO DE TRAÇÃO

Foram realizados três ensaios de tração para o material sem solubilização e três ensaios para o material solubilizado. A Figura 23 apresenta a curva tensão-deformação para os corpos de prova com dimensões conforme a Figura 16.

33

Figura 23: Curva tensão deformação para corpos de prova de tração soldado do aço inoxidável AISI 321H com carregamento de tração no sentido perpendicular ao cordão de solda.

Os corpos de prova soldados não submetidos ao tratamento térmico de solubilização possuem um limite de resistência a tração de 662,2 MPa, bem maior que os corpos de prova que foram submetidos ao tratamento de solubilização, 605 MPa. O limite de escoamento para os corpos de prova sem tratamento térmico foi de 321,2 MPa e para os corpos de prova com tratamento térmico de solubilização foi de 224,5 MPa. Os corpos de prova sem tratamento térmico de solubilização apresentaram maiores propriedades mecânicas devido ao processo planish, que deformam os grãos do cordão de solda e da zona afetada pelo calor, levando ao seu encruamento, com isso, aumenta a sua dureza e resistência mecânica a tração.

As ductilidades dos corpos de prova submetidos ao tratamento de solubilização foram maiores que as dos corpos de prova sem tratamento térmico, isto ocorreu devido ao aumento do tamanho de grão durante o tratamento térmico de solubilização.

O processo de planish produz efeitos diferentes nas propriedades de dureza, dessa forma, sua ductilidade fica comprometida, conforme os resultados do perfil de dureza e ensaio de tração.

Para melhorar a visualização dos resultados das curvas tensão-deformação a Tabela 5 apresenta as médias das deformações (L), redução percentual de área (Ra%), limite de escoamento (Le[MPa]) e limite de resistência a tração (LR [MPa]).

34

Tabela 5: Valores em média de 3 corpos de prova para as condições de ensaio de tração com tratamento de solubilização e sem tratamento para o aço inoxidável AISI321H soldado.

ΔL (mm) Ra % Le (MPa) LR (MPa)

Corpo de prova sem tratamento 16,7 ± 1,36 42,8 ± 5,17 321,2 ± 9,39 662,2 ± 11,37

Corpo de prova com tratamento térmico

de solubilização 20,8 ± 0,72 45,3 ± 4,65 224,5 ± 3,55 605,0 ± 12,17

As análises da superfície de fratura dos corpos de prova revelaram que o local do

rompimento de todos os corpos de prova submetidos ao ensaio de tração foi no material de base, longe da zona afetada pelo calor, comprovando que o procedimento de soldagem autógeno TIG foi eficiente, mesmo na condição sem o tratamento térmico de solubilização, como ilustra a Figura 24. A seta da Figura 24 apresenta a região da zona fundida. Outra observação da Figura 24 é que todas as fraturas foram dúcteis, como era esperado pela curva tensão-deformação, Figura 23 e a Tabela 5 apresentarem alta deformação plástica.

Figura 24: Superfície de fratura para os corpos de prova de tração do aço inoxidável AISI

321H soldado e carregado no sentido transversal ao cordão de solda. (a) corpo de prova sem tratamento térmico, (b) corpo de prova com tratamento térmico de solubilização.

A B

35

6 – CONCLUSÕES O estudo atual proporcionou o conhecimento da influência do tratamento de

solubilização no cordão de solda realizado pelo processo GTAW autógeno e automático no Aço Inoxidável AISI 321H. Foi possível constatar que os corpos de prova que não foram submetidos ao tratamento térmicos obtiveram maior resistência mecânica em função da sua estrutura encruada. Uma vez que o encruamento gera tensões e existe uma ligeira diminuição no tamanho de grãos, com grãos menores há menos chances de o material escoar. O tratamento de solubilização por sua vez dissolve carbonetos, mas, alivia as tensões residuais do material, logo é entendido a comparação no ensaio de tração

Embora a presença de carbonetos em regiões de contorno de grão também influencie no ganho de resistência, o principal objetivo do tratamento térmico se aplica na dissolução dos carbonetos, pois, a presença dos carbonetos em locais indesejados geram a corrosão intergranular.

Conforme analisado, o efeito da solubilização exerceu uma influência na resistência do material tornando se visível, no entanto, o material precisa ser tratado em função da proteção contra a corrosão intergranular, porém, as defasagens encontradas das propriedades mecânicas não influenciam no projeto.

36

7 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Tavares, S.S.M., Souza, V.M., Souza, J.A., Kina, A.Y.. Influência dos tratamentos Térmicos na Resistência à Corrosão Intergranular do Aço Inoxidável AISI 347 Fundido. Tecnologia em Metalurgia e Materiais, vol.4, n°3, pg 18-22, 2008. Lippold, J.C., Kotecki, D.J.. Welding Metallurgy and Weldability of Stainless Steel. 3° edição, Wiley Interscience Publication, 2005. Silva, E.S.. Efeitos do Tratamento Térmico de Solubilização sobre Crescimento de Grão e o Grau de Sensitização dos Aços Inoxidáveis Austeníticos AISI 321 e AISI 347. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Maranhão, São Luís, 2007. Tremarin, R.. Estudo das Propriedades Mecânicas e Resistência a Corrosão do Aço AII 304 e Variantes Estabilizadas com Nióbio. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) – Universidade Federal de Santa Catarina, Curso de Engenharia de Materiais, 2007. Manfrinato, M.D.. Metalurgia da Soldagem - Notas de aula da disciplina Soldagem II, FATEC Sorocaba, 2014. Kawano, F.H.. Caracterização Microestrutural e Propriedades Mecânicas de Juntas Similares e Dissimilares no Processo GTAW Automático. Monografia (Especialização em Engenharia de Soldagem) Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Programa de Educação Continuada em Engenharia, 2013. Chiaverini,V. Aços e Ferros Fundidos. São Paulo: ABM, 2008. Costa e Silva, A. L. V., Mei, P. R. Aços e Ligas Especiais, 3° edição. Editora Edgard Blucher, 2010. Krauss, G.. Steels: Heat Treatment and Processing Principles. Materials Park, Ohio: ASM International, 1990. Paredes, R.S.C.. Texto do Curso de Aços Inoxidáveis Metalurgia e Soldabilidade- Departamento de Engenharia Mecânica – DEMEC- Universidade Federal do Paraná – UFPR, Paraná,Labats, 2011

37

Guan, K., Xu, X., Xu, H., Wang, Z.. Effect of Aging at 700°C on Precipitation and Toughness of AISI 321 and AISI 347 Austenitic Stainless Steel Welds. Nuclear Engineering and Design, vol. 235, pg 2485-2494, 2005. Santillan, S.N., Valdes, S.B., Schorr, V.M., Martinez, R.A., Colton, S.J.. Corrosion of the Heat Affected Zone of Stainless Steel Weldments. Anti Corrosion Methods and Materials, vol.57, n° 4, pg. 180-184, 2010. Zhao, Y., Ma, H., Wang, L., Sun, C., Guo, C.. Effect of Solution Treatment on Microstructures and Mechanical Properties of AISI 321 Service. Acta Metallurgica Sinica, vol. 24, n°3, pg. 243-248, 2011. Marques, P.V., Modenesi, P.J., Bracarense, A.Q.. Soldagem – Fundamentos e Tecnologia. 1° edição. Editora UFMG, 2009. Wainer, E., Brandi, S.D., Homem de Mello, F.D.. Soldagem: Processos e Metalúrgia. 8° reimpressão. Editora Edgard Blucher, 2011. Gentil, V.. Corrosão. 4° edição, editora LTC, 2006. N133 – Soldagem. Petrobras/Contec SC-26 Soldagem. Revisão K, 2012. ASTM E3 – Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens. ASTM International, WEST Conshohocken, PA, 2011. ASTM E8M - Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. ASTM International, WEST Conshohocken, PA, 2013. ASTM E190 - Standard Test Methods for Guided Bend Test for Ductility of Welds. ASTM International, WEST Conshohocken, PA, 2014. ASTM A240 – Standard Specification for Chromium and Chromium-Nickel Stainless Steel Plate, Sheet, and Strip for Pressure Vessels and for General Applications. ASTM International WEST Conshohocken, PA, 2015. ASTM E370 - Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products. ASTM International, WEST Conshohocken, PA, 2014.

38

ASTM E358/A358M - Standard Specification for Electric Fusion Welded Austenitic Chromium –Nickel Stainless Steel Pipe for High temperature Service and General Applications. ASTM International, WEST Conshohocken, PA, 2014. http://www.techweld.net/planishing.html, acessado 03/12/2015 http://www.icz.org.br/portaldagalvanizacao/galvanizacao-corrosao.php, acessado 03/12/2015