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Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel M. Eng. Alexandre Farina Pesquisador em Ligas de Ni Pesquisa e Desenvolvimento Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Definição e conceitos sobre Superligas e Ligas de Níquel Processo de Fabricação Metalografia das ligas de Níquel Monel, Inconel, Incoloy, Nimonic Superligas à base de Níquel Sumário Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel São ligas que apresentam uma ou mais propriedades muito acima das ligas convencionais (aços carbono, aços ferramenta, aços inoxidáveis, etc...). As superligas mais conhecidas são à base de Ni, mais há ligas à base de Co, Fe, etc... Propriedades desejadas Resistência Mecânica Tração, Torção, Fadiga, Impacto, Fluência Resistência à Corrosão Resistência à Oxidação Definição de Superligas Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Devido as elevadas propriedades mecânicas estas ligas podem ser divididas em duas classes: Ligas trabalhadas termo-mecanicamente (Wrougth Alloys) Forjadas e Laminadas Com ou sem Tratamentos Térmicos Ligas não trabalhadas termo-mecanicamente Fundição de Precisão Monocristalinas Solidificação Direcional Definição de Superligas Principal diferença entre estas classes: PLASTICIDADE Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel O que torna estas ligas “Superligas” ? Fases com comportamentos que fogem aos comportamentos padrão: Fase g’ – Ni3(Al,Ti) – Estrutura cúbica (CFC) do tipo L12 Fase g’’ – Ni3Nb – Estrutura ortorrômbica do tipo DO22 Fase b – NiAl – Estrutura cúbica (CCC) do tipo B2 Fases Ordenadas: Os átomos ocupam preferencialmente estas posições na rede cristalina! Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Limite de Escoamento da fase g’ Ni3(Al,Ti) Limite de escoamento aumenta com a temperatura AISI 316 Inconel 713 Limite de escoamento é função de adições de elementos de liga ~1100MPa // 600ºC Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Limite de Escoamento da fase g’ Ni3(Al,Ti) O aumento é gerado por uma mudança do sistema de escorregamento na super-estrutura cristalina Para a fase g’ – Ni3(Al,Ti) isto ocorre pela mudança do escorregamento no plano (111) para o plano (110) em alta temperatura. Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Fase b Ni(Al,Ti) As fases intermetálicas apresentam características especiais, porém nem todas podem ser utilizadas para ligas estruturais. A fase b apresenta comportamento cerâmico, com fratura frágil sob tração. Esta propriedade impede seu uso em estruturas. No entanto a dureza desta fase é equivalente a de um carboneto Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Resistência a Fluência (10.000h) Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Limite de Escoamento Comparação com aço Fe-12Cr-0.6Mo (~AISI 420) Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Processos de Fabricação Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Processo de Fabricação Processo Especial Convencional Fusão VIM (Vaccum induced melting) EAF (Electric Arc Furnace) Refusão / Refino ESR (Electroslag Remelting) VOD (vacuum oxygen decarburisation) VAR (Vaccuum Arc Remelting) AOD (Argon-Oxygen Decarburization) Forjamento Forjamento em prensas hidráulicas. Geralmente para peças grandes e barras. Laminação Laminação (plana e barras) Acabamento Desbaste, Retífica, etc... Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Processos de Fabricação - Fusão EAF (Electric Arc Furnace) Fusão por arco voltaico Fusão e vazamento ao ar Refino do metal líquido por escória Há oxidação do banho metálico Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Processos de Fabricação - Fusão VIM (Vacuum Induction Melting) Fusão e vazamento sob vácuo Pouco refino do metal líquido Reduzida oxidação do banho metálico Possibilidade de vazamento de ligas que são facilmente oxidadas com oxidação mínima Ligas com Al, Ti Apenas refino por pressão (vácuo) Pressão de vapor Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Processos de Fabricação - Refino VOD (Vacuum Oxygen Decarburizing) Descarburação por injeção de gás Refino do metal líquido Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Processos de Fabricação - Refino AOD (Argon-Oxygen Decarburizing) Descarburação por injeção de gás Ar/O Maior refino do metal líquido em relação ao VOD Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Processos de Fabricação - Refusão ESR (Electroslag Remelting) Refusão por arco voltaico com escória Refino da estrutura bruta de fusão Eliminação de impurezas para a escória Uso da reação metal-escória Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Processos de Fabricação - Refusão VAR (Vacuum Arc Remelting) Refusão sob vácuo por arco voltaico Refino da estrutura bruta de fusão Eliminação de impurezas para a superfície do lingote Pressão de vapor Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Processos de Fabricação - Forjamento Forjamento: Prensagem a quente/frio de um lingote ou peça, em geral, de grande porte Recalque (aumentar a deformação do material) Altera a microestrutura refino do tamanho de grão Desbaste (reduzir a espessura do material) Altera a microestrutura refino do tamanho de grão Acabamento (alisamento da superfície) Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Processos de Fabricação - Forjamento Forjamento: Prensagem a quente/frio de um lingote ou peça, em geral, de grande porte Recalque (aumentar a deformação do material) Altera a microestrutura refino do tamanho de grão Desbaste (reduzir a espessura do material) Altera a microestrutura refino do tamanho de grão Acabamento (alisamento da superfície) Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Processos de Fabricação - Laminação Laminação Redução da espessura do material através da passagem deste entre dois cilindros com (barras) ou sem (planos) entalhes Refino da microestrutura através da redução do tamanho de grão Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Processos de Fabricação - Acabamento Acabamento Torneamento, Fresamento, Retífica, Trefilação Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Microestrutura Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Ligas de Ni – Principais Fases Fase Estrutura Fórmula Comentário g' FCC – L12 Ni3(Al,Ti) Principal fase para endurecimento da matriz da maioria das ligas de Ni h HCP – DO24 Ni3Ti Fase deletéria e metaestável formada em altas temperaturas. Em geral precipita na forma de agulhas de Widmanstätten g" BCT – DO22 Ni3Nb Principal fase para endurecimento de ligas contendo Nb. Em geral a precipitação ocorre na forma de discos coerentes com a matriz g d Ortorr. (Cu3Ti) Ni3Nb Fase frágil e deletéria as propriedades. Precipita em alta temperatura na forma de agulhas (baixa temperatura – superenvelhecimento) ou filmes nos contornos de grão (altas temperaturas solubilização). Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Ligas de Ni – Principais Fases Fase Estrutura Fórmula Comentário M(C,N) FCC M(C,N) onde M = Ti, Nb, Hf, Zr ... Carbonetos primários ou secundários. Dependentes do teor de C e de N das ligas e dos elementos formadores. Elevam as resistências ao desgaste e mecânica M23C6 FCC (Cr,Fe,Mo,W)23C6 Carbonetos precipitados durante o envelhecimento das ligas para aumento da resistência mecânica. Em geral precipitação em glóbulos e placas nos contornos de grão. M6C FCC Fe3Mo3C Carboneto. Secundário M7C3 Ortorr. (Fe,Cr,Mn)7C3 Carboneto secundário em geral observado na forma de partículas intergranulares. Metalografia dasLigas e Superligas de Níquel Ligas de Ni – Principais Fases Fase Estrutura Fórmula Comentário M3B2 Tetragonal Mo2FeB2, Nb3B2 Boreto presente em ligas com elevado teor de B. m Romboédr. (Fe,Co)7(Mo,W)6 Presente em ligas com elevado teor de Mo e de W. Precipita na forma de agulhas de Widmanstäten em altas temperaturas. Laves Hexagonal Fe2Nb, Fe2Ti, Fe2Mo, Co2Ta, Co2Ti Fase deletéria. Precipita-se na forma de glóbulos alongados após exposição à altas temperaturas. Sigma Tetragonal FeCr, FeCrMo, CrFeMoNi, CrCo, CrNiMo Fase deletéria precipitada na forma de glóbulos em geral alongados em ligas que permaneceram por longos períodos entre 540ºC e 980ºC Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Evolução da Microestutura das Ligas de Ni Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Evolução da Microestutura das Ligas de Ni Diagrama Ni-Cr (Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C) Liga Binária Ni-20Cr Matriz Austenítica Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Evolução da Microestutura das Ligas de Ni Diagrama Ni-Cr (Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C) Isoterma de 1150ºC – Al-Cr-Ni Liga Ternária Ni-20Cr-1.0Al Matriz Austenítica Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Evolução da Microestutura das Ligas de Ni Diagrama Ni-Cr (Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C) Isoterma de 1050ºC –Cr-Ni-Ti g+g’ Liga Quaternária Ni-20Cr-1.0Al-2.0Ti Matriz Austenítica com Ni3(Ti,Al) Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Evolução da Microestutura das Ligas de Ni Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C) Liga Quinária Ni-20Cr-1.0Al-2.0Ti-0.05C Matriz Austenítica com Ni3(Ti,Al) e TiC TiC Nimonic 80A: Sol. 1080ºC/1h Env. 700ºC/16h Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Extremamente resistentes à corrosão, em especial em ambientes marinhos com água parada, porém com baixa resistência mecânica em relação as demais superligas de Ni. Resistência compatível com aços especiais. Aplicação principal nas indústrias naval e petroquímica Principais ligas: Monel 400 (VRC400) e Monel K500 (VRC500K) Ligas de Ni-Cu (Monel) Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Ligas de Ni-Cu (Monel) A liga Monel foi desenvolvida inicialmente partindo-se de sulfetos de Ni e de Cu e fazendo redução simultânea dos minérios como fonte de Cu e de Ni Monel tem um L apenas pois na época não era permitido nomes de famílias em produtos! Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Ligas de Ni-Cu (Monel) Liga Ni Cu Fe Mn C Si S Outros Alloy 400 63.0 min 28.0~34.0 2.50 0.20 0.30 0.50 0.024 --- Alloy 401 40.0~45.0 Bal. 0.75 2.25 0.10 0.25 0.015 --- Alloy R-405 63.0 min 28.0~34.0 2.50 2.00 0.30 0.50 0.025~0.06 --- Alloy 450 29.0~33.0 Bal. 0.4~1.0 1.00 --- --- 0.02 1.0Zn, 0.05Pb, 0.02P Alloy K500 63.0 min 27.0~33.0 2.00 1.50 0.25 0.50 0.01 2.30~3.15Al, 0.35~0.85Ti Valores sozinhos indicam máximo da faixa Composição Química Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Ligas de Ni-Cu (Monel) Monel K500 Matriz bifásica (duas austenitas) com dispersão de TiC e após solubilização e envelhecimento apresenta precipitação de Ni3(Al,Ti) 1330ºC liquidus 1280ºC solidus 815ºC g g + g’ 760ºC g g1 + g2 65%Ni 30%Cu 1140ºC 700ºC 763ºC 42%Ni 56%Cu Composição da Matriz g1 g2 g’ g TiC g g1 L F ra ç ã o M o la r d e F a s e s Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Ligas de Ni-Cu (Monel) Monel K500 – Laminada a quente e solubilizada em alta temperatura. Ataque com Glicerégia Microestrutura Ligas com matriz austenítica podendo apresentar dispersão de precipitados de Ni3(Al,Ti) e carbonitretos do tipo M(C,N) Nitrogênio é sempre residual (abaixo de 0.05%) Carbono pode ser adicionado em teores inferiores a 0.30% Monel K500 – Macrografia de amostra bruta de laminação. Ataque com HNO3 eletrolítico Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Resistentes a altas temperaturas com excelentes propriedades mecânicas. Elevada resistência à oxidação e resistência razoável a corrosão. Aplicação principal nas indústrias aeroespacial, nuclear e petroquímica, válvulas automotivas, turbinas (avião e à gás). Principais ligas: Inconel 718 (VAT 718), Inc. 600 (VAT 600), Inc. 751 (VAT 751) Sist. de exaustão Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel) Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Valores sozinhos indicam máximo da faixa Composição Química Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel) Liga Ni Cr Fe Co Mo Nb Ti Al C Mn Si Outros Alloy 600 72.0 min 14.0~ 17.0 6.0~ 10.0 0.15 1.0 0.5 0.50 Alloy 617 44.5 min 20.0~ 24.0 3.0 10.0~ 15.0 8.00~ 10.00 0.60 0.8~1 .5 0.05~ 0.15 1.0 1.0 0.5Cu, 0.006B Alloy 625 58.0 min 20.0~ 23.0 5.0 1.0 8.00~ 10.00 3.15~ 4.15 0.40 0.40 0.10 0.50 0.50 Alloy 690 58.0 min 27.0~ 31.0 7.0~ 11.0 0.05 0.05 0.50 0.50Cu Alloy 718 50.0~ 55.0 17.0~ 21.0 Bal. 1.0 2.80~ 3.30 4.75~ 5.50 0.65~ 1.15 0.20~ 0.80 0.08 0.35 0.35 0.30Cu, 0.006B Alloy 751 70.0 min 14.0~ 17.0 5.0~ 9.0 0.70~ 1.20 2.00~ 2.60 0.10 1.0 0.50 0.50Cu Alloy C-276 Bal. 14.5~ 16.5 4.0~ 7.0 2.50 15.0~ 17.0 0.01 1.0 0.08 0.35V, 3.50W Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Inconel 718 Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel) Liquidus 1350ºC Solidus 1210ºC M(C,N) 1260ºC Ni3Nb (d) 1020ºC Ni3Al (g’) 900ºC M23C6 700ºC Ferrita 590ºC Laves 540ºC Sigma 500ºC Sigma 830ºC F ra ç ã o M o la r d e F a s e s Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Inconel 718 – Forjada a quente e solubilizada em alta temperatura (1030ºC/2h). Ataque com Glicerégia Microestrutura Inconel 751 – Laminada, solubilizada (1120ºC/1h) e envelhecida (750ºC/4h). Ataque com Glicerégia. Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel) Microestrutura Ligas com matriz austenítica. Em geral apresentam dispersão de precipitados de Ni3(Al,Ti) e Ni3Nb além de carbonitretos do tipo M(C,N) Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Inconel 718 – Forjada e solubilizada em alta temperatura (1030ºC/2h) e envelhecida: 718ºC/8h+650ºC/8h. Ataque com Glicerégia Microestrutura Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel) Microestrutura Ligas com matriz austenítica. Em geral apresentam dispersão de precipitados de Ni3(Al,Ti) e Ni3Nb além de carbonitretos do tipo M(C,N) Inconel 718 – Laminada e tratada a (1040ºC/1h + 980ºC/8h + 760ºC/8h + 650ºC/8h) MET + Atom Probe: Nb=verde, Al=verm., Ti=azul e Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Inconel 625 – Bruta de Forjamento Ataque com Glicerégia Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel) Inconel 625 – Forjada e solubilizada em alta temperatura (1200ºC/30min). Ataque com Glicerégia Liga Ni Cr Fe Co Mo Nb Ti Al C Mn Si Alloy 625 58.0min 20.0 ~23.0 5.0 1.0 8.00 ~10.00 3.15 ~4.15 0.40 0.40 0.10 0.50 0.50 Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Resistentes a corrosão em altas temperaturas (em especial por cloretos), com boas propriedades mecânicas, porém inferiores as ligas Inconel. Resistência a oxidação reduzida. Aplicação principal na indústria petroquímica. Principais ligas Incoloy A-286 (VAT A286) e Incoloy 925 (VRC925) Ligas de Ni-Fe-Cr (Incoloy) Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Valores sozinhos indicam máximo da faixa Composição Química Ligas de Ni-Cr-Fe (Incoloy) Liga Ni Cr Fe Co Mo Nb Ti Al C Mn Si Outros Alloy A-286 72.0 min 14.0~ 17.0 6.0~ 10.0 --- --- --- --- --- 0.15 1.0 0.5 0.50 Alloy 825 38.0 ~46.0 19.5 ~23.5 22.0 min --- 2.5 ~3.5 --- 0.6 ~1.2 0.2 0.05 1.0 0.5 1.5~3.0 Cu Alloy 925 44.0 21.0 28.0 --- 3.0 --- 2.1 0.3 0.01--- --- --- Alloy 800HT 30.0~ 35.0 19.0~ 23.0 39.5 min --- --- --- 0.15~ 0.60 0.15~ 0.60 0.06~ 0.10 1.5 1.0 --- Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Incoloy A-286 – Laminada, solubilizada (980ºC/1h) e envelhecida (720ºC/16h) Ataque com Glicerégia Microestrutura Incoloy 800H (g+g’+Ti(C,N) + M23C6) 1) Solubilizada 2) Solubilizada e Envelhecida por 15anos a 815ºC Ataque com Marble. Ligas de Ni-Cr-Fe (Incoloy) Microestrutura Ligas com matriz austenítica. Apresentam dispersão de precipitados de Ni3(Al,Ti) além de carbonitretos do tipo M(C,N) e carbonetos do tipo M23C6 2) 1) 2) Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Boa resistência à corrosão a alta temperatura, em especial por sulfatos, excelente resistência à fluência e à fadiga à quente. Aplicação principal na indústria automotiva na fabricação de válvulas para motores de combustão interna e industria petroquímica e aeroespacial. Principais ligas Nimonic 80A (VAT80A) e Nimonic 90 (VAT90) Ligas de Ni-Cr (Nimonic) Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Valores sozinhos indicam máximo da faixa Composição Química Ligas de Ni-Cr (Nimonic) Liga Ni Cr Fe Co Mo Nb Ti Al C Mn Si Outros Nimonic 80A Bal. 18.0 ~21.0 3.0 2.0 --- --- 1.8 ~2.7 1.0 ~1.8 0.10 1.0 1.0 --- Nimonic 86 Bal. 25.0 --- --- 10.0 --- --- --- 0.05 0.03Ce Nimonic 90 Bal. 18.0 ~21.0 1.5 15.0~ 21.0 --- --- 2.0 ~3.0 1.0 ~2.0 0.13 1.0 1.0 0.02B Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Nimonic 80A – Laminada, solubilizada (1080ºC/1h) e envelhecida (700ºC/16h) Ataque com Glicerégia Microestrutura Ligas de Ni-Cr (Nimonic) Microestrutura Ligas com matriz austenítica. Apresentam dispersão de precipitados de Ni3(Al,Ti) e carbonitretos do tipo M(C,N) Nitrogênio é sempre residual (abaixo de 0.05%) Nimonic 90 – Laminada, solubilizada (1080ºC/8h) e envelhecida (700ºC/12h + 850ºC/2h). Ataque com Glicerégia Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Ligas com elevada quantidade de fases intermetálicas (g’, g’’) Elevada resistência mecânica (tração, fluência) Elevada resistência à quente Microestrutura geralmente em Blocos Superligas de Ni CMSX-4 Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Superligas de Ni Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Superligas de Ni (Monocristalinas) Processo de Fabricação (palheta de turbina – CMSX-6) Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Superligas de Ni – Waspaloy Microestrutura Similar a microestrutura da liga Nimonic 80A. Diferença: Maior quantidade de g’ Elevada resistência mecânica à quente Grande dispersão de partículas 13.5%Co Elevada resistência à oxidação 4.5%Mo Elevada dificuldade para usinar Aplicações: Indústria aeroespacial (turbinas) Máquinas de tração e fluência Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Superligas de Ni – Inconel 738 Microestrutura Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel Superligas de Ni – MAR-M 246 Microestrutura
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