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Centro Universitário do Leste de Minas Gerais Soldagem Soldagem dos aSoldagem dos açços inoxidos inoxidááveisveis Prof. Reginaldo Pinto Barbosa Centro Universitário do Leste de Minas Gerais Soldagem Soldagem dos aSoldagem dos açços inoxidos inoxidááveis veis martensmartensííticosticos IntroduIntroduçãçãoo Aços inoxidáveis martensiticos � Comportamento metalúrgico similar ao dos aços carbono temperáveis, e quando aquecidos a uma temperatura suficientemente alta são austenitizados. � Limites usuais de composição dos aços inoxidáveis martensíticos: Cr > 10,5 a 18%. � São considerados os aços inoxidáveis de pior soldabilidade. � Ao serem resfriados, a austenita irá se transformar podendo formar: • Ferrita + carbonetos (baixa velocidade de resfriamento) • Martensita (alta velocidade de resfriamento). � São normalmente utilizados na condição temperado e revenido, ou na condição recozida; � Além de Fe, Cr e C podem ter adições de Mo, V, W ou Ni, usados principalmente para melhorar a resistência à fluência a alta temperatura; � Elementos estabilizadores da austenita podem ser usados em substituição parcial ao carbono para melhorar a soldabilidade dos mesmos. � Utilização de 2-4%Ni para obtenção de um aço totalmente temperável, com 16- 20%Cr e apenas 0,1%C → aço com melhor soldabilidade e melhor resistência à corrosão IntroduIntroduçãçãoo Aços inoxidáveis martensiticos 403 C≤ 0,15 Cr 11,5/13 Si≤ 0,50 Mn≤ 1,00 Aplicação Tipo turbina: para lâminas forjadas ou usinadas de turbina e compressor. 410 C≤ 0,15 Cr 11,5/13,5 Si≤ 1,00 Mn≤ 1,00 Aplicação Tipo turbina: aço inox de baixo custo para aplicações gerais, na forma de peças temperadas ou chapas e tiras recozidas. 414 C≤ 0,15 Cr 11,5/13,5 Ni 1,25/2,50 Si≤ 1,00 Mn≤ 1,00 Aplicação Tipo turbina: para molas, lâminas de facas, etc. 416 C≤ 0,15 Cr 12/14 P,S ou Se≥ 0,07 Mo ou Zr≤ 0,6 Si≤ 0,50 Mn≤ 1,00 Aplicação Tipo turbina, de usinagem fácil. 431 C≤ 0,20 Cr 15/17 Ni 1,25/2,5 Si≤ 1,00 Aplicação Tipo turbina: melhores propriedades mecânicas e resistência à corrosão dentre os tipos martensíticos ou endurecíveis. 420 C≤ 0,15 Cr 12/14 Si≤ 1,00 Mn≤ 1,00 Aplicação Tipo cutelaria: instrumentos cirúrgicos, mancais de esfera, válvulas, etc. ACE 498 DIN 1.4110 C 0,42/047 Cr 13/13,5 Mo 0,50/0,55 Aplicação Maior dureza, resistência ao desgaste, facas profissionais. 440A- C 0,6/0,75 440B- C 0,75/0,95 440C- C 0,95/1,20 Cr 16/18 Mo ≤ 0,75 Si≤ 1,00 Mn≤ 1,00 Aplicação Tipo cutelaria e resistente ao desgaste: dureza elevada; para cutelaria, instrumentos cirúrgicos, válvulas, mancais anti-fricção, etc. Microestrutura da regiMicroestrutura da regiãão soldadao soldada Aços inoxidáveis martensiticos � Solidificação da poça de fusão � A poça de fusão se solidifica na forma de ferrita δ que, com o resfriamento transforma-se em austenita e depois em martensita. � Metais de adição austeníticos (308, 309 ou 310) � Zona fundida não endurecível. � Boa tenacidade e ductilidade na condição soldada. � Característica da ZAC � Devido à sua elevada temperabilidade, a ZAC se transforma em martensita no resfriamento. Microestrutura da regiMicroestrutura da regiãão soldadao soldada Aços inoxidáveis martensiticos Metal Base: 420 Metal de adição: 430 Metal Base: 420 Metal de Adição: 316L Procedimentos de soldagemProcedimentos de soldagem Aços inoxidáveis martensiticos � Elevada Temperabilidade: ZF e ZAC formam martensita no resfriamento, sendo este o principal problema na soldagem dos aços inoxidáveis martensíticos � Problemas relacionados à estrutura martensítica e trincas à frio. � Teor de carbono → determina necessidade e parâmetros dos tratamentos de pré e pós aquecimento. � Pré aquecimento da ordem do Mi (350 – 400ºC) � Diminuir velocidade de resfriamento (martensita); � Reduzir nível de tensões residuais; � Redução do teor de hidrogênio dissolvido. � O fator principal para determinar a necessidade e os parâmetros dos tratamentos térmicos de pré e pós aquecimento é o teor de carbono: Carbono (%) Temp. Pré-aquecimento (oC) Energia de Soldagem Trat. Pós Soldagem < 0,10 15 (mínima) normal opcional 0,10 a 0,20 205 - 260 normal resfriar lentamente 0,21 a 0,50 260 - 315 normal tratamento necessário > 0,50 260 - 315 elevada tratamento necessário Procedimentos de soldagemProcedimentos de soldagem Aços inoxidáveis martensiticos � Elevada Temperabilidade: ZF e ZAC formam martensita no resfriamento, sendo este o principal problema na soldagem dos aços inoxidáveis martensíticos � Problemas relacionados à estrutura martensítica e trincas à frio. � Teor de carbono - determina necessidade e parâmetros dos tratamentos de pré e pós aquecimento. � Fissuração a frio pelo hidrogênio � Presença de hidrogênio (T < Mf); � Pré aquecimento de 200 a 250oC → possibilita que o hidrogênio absorvido na soldagem seja liberado; � Energia de soldagem elevada → TTAS (difusão do hidrogênio) evitando a queda da temperatura até a ambiente. � O risco de trincamento esta relacionado ao teor de carbono do material> OBS: Aços inoxidáveis martensíticos com teor de carbono superior a 0,30% geralmente não são soldados devido à sua alta dureza. � Utilização de metal de adição austenítico Teor de Carbono (%) 0,068 0,133 0,206 0,45 0,6 Dureza Vickers (HV) 364 462 480 580 620 Tratamento tTratamento téérmico prmico póós soldagems soldagem Aços inoxidáveis martensiticos � Funções do tratamento térmico pós soldagem: � Revenir ou recozer a ZF e a ZAC para diminuir a dureza ou melhorar a tenacidade. � Diminuir as tensões residuais associadas com a soldagem. � Permitir a difusão do hidrogênio. � Revenimento entre 600 a 850oC, por algumas horas, para se obter na região de solda propriedades mecânicas semelhantes às do metal base; � Recozimento pleno da solda para obtenção da estrutura completamente ferrítica. Tipo Faixa de temperaturas para revenimento (oC) Faixa de temperaturas para recozimento (oC) 410, 420 650 - 760 830 - 890 440A, 440B, 440C 620 - 650 845 - 900 498 620 - 650 845 - 900 Centro Universitário do Leste de Minas Gerais Soldagem Soldagem dos aSoldagem dos açços inoxidos inoxidááveis veis ferrferrííticosticos IntroduIntroduçãçãoo Aços inoxidáveis ferríticos � Basicamente ligas Fe-Cr � Baixo C (0,15%) / Alto Cr (13 a 17%) � Estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) � Para teores de 12 a 13% Cr são bifásicos na faixa de temperatura de 900 a 1200ºC, sofrendo transformação parcial. � Magnéticos � Não endurecíveis por tratamento térmico � Baixo custo em relação aos austeníticos IntroduIntroduçãçãoo Aços inoxidáveis ferríticos � Efeito do carbono e do nitrogênio no campo da austenita (γ). � Deslocamento da linha de contorno (γ+α)/α no sistema Fe-Cr com o aumento das adições de carbono (a) ou nitrogênio (b). IntroduIntroduçãçãoo Aços inoxidáveis ferríticos � Principais ligas ferríticas: 430, 409, 439, 441 e 444. � Comparação da soldabilidade e resistência a corrosão das ligas ferríticas SOLDABILIDADE RESISTÊNCIA À CORROSÃO fragilização boa430 OK (estabilizado) menor (somente 11% Cr)409 RESISTÊNCIA À CORROSÃO OK (estabilizado)439 melhor que o 430 (presença Ti) 441 OK (estabilizado) melhor que 439 (Cr>17,5%; presença Ti) 444 OK (estabilizado) melhor que o 439 (presença Ti+ Mo) IntroduIntroduçãçãoo Aços inoxidáveis ferríticos Este aço é muito utilizado em aplicações que não precisam de soldagem ou quando a solda não é considerada de alta responsabilidade Aço 430A (16% Cr): (não estabilizado Por quê? � Formação parcial da martensita � Crescimento excessivo do tamanho de grão boa resistência à corrosão boa capacidade de estampagem limitação: soldabilidade Microestrutura da regiMicroestrutura da regiãão da soldao da solda Aços inoxidáveis ferríticos � Microestrutura da solda de um aço inoxidável ferrítico Comparação das regiões de uma junta soldada com um diagrama Fe-Cr Microestruturada regiMicroestrutura da regiãão da soldao da solda Aços inoxidáveis ferríticos T(oC) METAL BASE αααα REGIÃO BIFÁSICA (ZAC) REGIÃO DE CRESCIMENTO DE GRÃO (ZAC) ZONA FUNDIDA Microestrutura da regiMicroestrutura da regiãão da soldao da solda Aços inoxidáveis ferríticos Microestrutura de uma junta soldada de um aço 430 apresentando martensita na ZAC � Formação da martensita Aços inoxidáveis ferríticos Alternativas para melhorar o Aço 430 na soldagem � Fazer recozimento depois da solda: procedimento caro e muitas vezes impossível � Adicionar elementos de liga estabilizadores: Ti e Nb � Há formação de carbonetos destes elementos, portanto evita-se a formação de martensita � Evita-se a formação de carbonitretos de cromo, portanto a resistência à corrosão do material é melhorada � O crescimento de grão também é limitado pela presença de elementos de liga e precipitados Ti e Nb tem muita afinidade química com o carbono/nitrogênio, logo: Microestrutura da regiMicroestrutura da regiãão da soldao da solda Aços inoxidáveis ferríticos Microestrutura da regiMicroestrutura da regiãão da soldao da solda Ferritico Estabilizado (Ti e Nb) Ferritico não estabilizado (temperado) Comparação entre a ZAC de aço ferritíco estabilizado e não estabilizado Procedimentos de soldagemProcedimentos de soldagem Aços inoxidáveis ferríticos � Baixa energia de soldagem, pelo uso de eletrodos de menor diâmetro e/ou baixa corrente de soldagem. � Proporciona um resfriamento mais rápido e, consequentemente, menor probabilidade de problemas de fragilização (fase sigma, dos 475ºC e do crescimento de grão). � Pré aquecimento de até 200ºC, principalmente em peças mais espessas. � Embora pareça paradoxal, tem pequeno efeito no tempo de permanência nas temperaturas de crescimento de grão, mas serve para manter a temperatura da junta acima da temperatura de transição, garantindo ductilidade suficiente para resistir às tensões residuais durante a soldagem. � Tratamento térmico de 650-780 º C serve para aliviar as tensões, e melhorar as propriedades mecânicas da junta. � Nessa faixa de temperatura a difusão é ainda baixa para que o crescimento de grão (que já é grande na ZF e na ZAC) preocupe ainda mais. Procedimentos de soldagemProcedimentos de soldagem Aços inoxidáveis ferríticos � Deve-se fazer a soldagem heterogênea, ou seja, com eletrodo austenítico ou liga de níquel. � No caso de se utilizar metal de adição ferrítico, o mesmo pode conter Al, Ti ou Nb, para refinar o grão da ZF. � Quando soldando aços com baixos teores de intersticiais, recomenda-se processos com proteção gasosa de gases inertes. � Uma vez que podem aumentar a tendência de formação de martensita no metal de solda. � A contaminação por hidrogênio e oxigênio também fragilizam as soldas de inox ferrítico. � Devem ser eliminados os procedimentos e fontes destes elementos, tais como umidade, óleos, graxas, contaminação atmosférica devido deficiência do sistema de proteção gasosa, etc. Centro Universitário do Leste de Minas Gerais Soldagem Soldagem dos aSoldagem dos açços inoxidos inoxidááveis veis austenaustenííticosticos IntroduIntroduçãçãoo Aços inoxidáveis austeníticos � São o maior grupo de aços inoxidáveis em uso. � Propriedades: � Boa tenacidade e ductilidade � Boa resistência mecânica e à corrosão a temperaturas elevadas. � Elevada capacidade de endurecimento por deformação plástica. � Soldabilidade relativamente boa. Sofrem transformação austenítica � Principais ligas são aquelas contendo 18% Cr e 8% Ni (304). � Sensitização � Baixa solubilidade do carbono na austenita a baixas temperaturas. � Precipitação M23C6: reduz resistência a corrosão. � Influência dos elementos de liga: Mo, Nb e Ti. Microestrutura da zona fundidaMicroestrutura da zona fundida Aços inoxidáveis austeníticos � Solidificação da poça de fusão � A poça de fusão pode se solidificar como austenita primária ou ferrita primária. � Com o rápido resfriamento ocorre retenção da ferrita delta na matriz austenítica. � Característica da zona fundida � Predominantemente austenítica. � Boa ductilidade sendo comparável a do metal base. � Não é sensível à fissuração pelo hidrogênio � Deve conter entre 4 a 10% de ferrita delta para evitar trincas a quente. � Teor de ferrita deve ser controlado para evitar perda de resistência à corrosão, baixa tenacidade e não tornar-se magnética. Microestrutura da zona fundidaMicroestrutura da zona fundida Aços inoxidáveis austeníticos Zona fundida de uma solda de aço austenítico Linha de Fusão e ZF Zona Fundida Procedimentos de soldagemProcedimentos de soldagem Aços inoxidáveis austeníticos � Principais problemas associados à soldagem: fissuração e trincas a quente e sensitização. � Soldar com baixa energia de soldagem: problemas de distorção e não são endurecíveis. Utilizar arcos mais curtos. � Pré aquecimento é desnecessário. � Martelamento de passes intermediários: reduzir tensões internas de tração. � Temperaturas interpasses sempre inferiores a 200ºC: evitar permanência na faixa de sensitização (450 - 850ºC). � Alívio de tensões deve ser feito quando a espessura for grande ou quando houver acúmulo de cordões de solda em peças complexas. � Usar metal de adição de baixo carbono ou estabilizado (sensitização). � Usar metal de adição que proporcione a presença de ferrita delta na zona fundida. � Para evitar trinca a quente, usar eletrodo com baixo teor de S, P e Si. � Atentar para os problemas de distorção durante a soldagem. Centro Universitário do Leste de Minas Gerais Soldagem Problemas na soldagem dos aProblemas na soldagem dos açços os inoxidinoxidááveisveis Problemas nas soldagem dos aços inoxidáveis � Esta forma de fissuração é considerada um dos maiores problemas de soldabilidade dos aços estruturais comuns, particularmente para processos de baixa energia de soldagem. � Ela pode ocorrer tanto na ZAC como na ZF. � A trinca se forma quando o material está próximo da temperatura ambiente (temperaturas inferiores a 400ºC). � A sua formação inicia-se com um período de incubação, tendendo a crescer de forma lenta e descontínua e levando até 48 horas após soldagem para a sua completa formação. � As trincas podem ser longitudinais, transversais, superficiais ou sub-superficiais, se originando, freqüentemente, a partir de concentradores de tensão, como a margem ou a raiz da solda. Fissuração pelo hidrogênio � A fissuração pelo hidrogênio é causada quando ocorrem simultaneamente 3 fatores: Fissuração pelo hidrogênio � Durante a soldagem, o hidrogênio proveniente de moléculas de material orgânico e umidade que são dissociadas no arco é absorvido pela poça de fusão, ficando em solução na solda após a solidificação. � O hidrogênio difunde-se rapidamente no aço, atingindo regiões da ZF e, principalmente, da ZAC cuja microestrutura é fortemente fragilizada pela sua presença. � Com a ocorrência de tensões de tração (residuais e externas), fissuras podem ser formadas. (a) presença de hidrogênio na região da solda: Problemas nas soldagem dos aços inoxidáveis (b) formação de microestrutura de elevada dureza, capaz de ser fortemente fragilizada pelo hidrogênio, � Microestruturas de elevada dureza, particularmente a martensita, são, em geral, mais sensíveis à fissuração pelo hidrogênio. (c) solicitação de tensões residuais e externas. Fissuração pelo hidrogênio � O nível de tensões residuais na solda pode ser minimizado, reduzindo, assim, a chance de fissuração, por medidas que podem ser tomadas no projeto. � Cita-se, por exemplo, a seleção adequada da disposição das soldas e da sequência de montagem do componente ou estrutura. � Na execução, a adoção de sequências especiais de deposição e cuidados para se evitar a presença de mordeduras, reforço excessivo e falta de penetração na raiz também ajudam a minimizar o nível de tensões localizadas na solda e, desta forma, a chancede fissuração . Problemas nas soldagem dos aços inoxidáveis Fissuração pelo hidrogênio � Processos que usam elevada energia de soldagem, como a soldagem a arco submerso e por eletroescória, apresentam menor risco de fissuração pelo hidrogênio. � Cuidado com a especificação errônea do consumível: eletrodo de pequeno diâmetro (baixa energia) e teor de hidrogênio elevado. � Em geral, cuidados devem ser tomadas para evitar a contaminação de consumíveis ou do metal base com umidade, óleos ou graxa, pois estas substâncias podem fornecer hidrogênio à solda. � A fissuração por hidrogênio pode ser controlada pelo pré-aquecimento da peça a ser soldada. Esta medida reduz a velocidade de resfriamento, possibilitando a formação de uma estrutura menos dura na ZTA e propiciando um maior tempo para que o hidrogênio escape da peça antes que se atinja as temperaturas de fragilização por este elemento. � Em casos particularmente sensíveis à fissuração, a junta ou toda a peça pode ser mantida aquecida após a soldagem (pós-aquecimento). Como evitar: Problemas nas soldagem dos aços inoxidáveis Trincas a quente em aços austeniticos Problemas nas soldagem dos aços inoxidáveis Como evitar: � Menor teor de enxofre e fósforo no metal base e no metal de adição; � Usar sempre que possível, metal de adição que propicie haver ferrita delta na estrutura da zona fundida; � Uso de menor energia de soldagem; � Evitar contaminação por oxigênio. � Ocorre em temperaturas elevadas (acima de 1150oC). � O tipo de trinca é intergranular. � Mecanismo: grãos envoltos por um filme líquido, não resistindo aos esforços de contração. � Normalmente as trincas estão localizadas na zona fundida, embora possam ser encontradas também na ZAC ( trincas ou fissuras de liquação). � Normalmente as trincas são superficiais (detecção por liquido penetrante). Problemas nas soldagem dos aços inoxidáveis Trinca de solidificação em chapas de aço inoxidável austenítico 310. Trincas a quente em aços austeniticos Formação de fase sigma Problemas nas soldagem dos aços inoxidáveis � A fase sigma é um composto intermetálico de Fe-Cr em que a razão de composição é de aproximadamente um átomo de cromo para um átomo de ferro � Forma-se em temperaturas elevadas (550 a 950ºC). � Apresenta uma dureza de 750 a 1000 Vickers (fase dura e frágeil). � Esta fase só se forma em teores de cromo acima de 20%, após grande tempo de exposição, o qual se reduz bastante se o aço é totalmente ferrítico. � Quanto á soldagem, o cuidado a ser tomado é não soldar aços inoxidáveis que tenham fase sigma. Nesses casos quase sempre há formação de trincas. � A fase sigma pode ser destruída após um tratamento térmico a temperaturas acima de 1000°C. � Isto, entretanto, não imuniza o material contra novas precipitações de fase sigma e, portanto, sempre se deve ter cuidado quando se trabalha a temperaturas elevadas por longo período de exposição. . Fragilização a 475ºC Problemas nas soldagem dos aços inoxidáveis � O nome deriva do aspecto de que a 475°C a fragilização dos aços ferríticos é máxima. � Ocorre como precipitação de zonas de ferrita ricas em cromo (fase α’), que causam um efeito de endurecimento por precipitação. � Formação de uma fase rica em Cr (30%) e Mo, dura e frágil. � Tem sido observada em todos os aços Fe-Cr, e em maior escala nos de mais alto cromo. � A fragilidade pode ser associada com o aumento da dureza. � Apesar de ser um tipo de fragilização possível de acontecer nos aços inox ferríticos, é um tipo de ocorrência quase impossível de aparecer apenas devido a processos de soldagem. Microestrutura de um aço inoxidável ferrítico fragilizado a 4750C Problemas nas soldagem dos aços inoxidáveis � Os aços ferríticos não apresentam variação estrutural, desde a temperatura ambiente até a fusão. � Nas altas temperaturas que ocorrem na zona afetada pelo calor e na zona fundida, estão sujeitos ao crescimento irreversível e exagerado dos grãos. � Esse fenômeno de crescimento dos grãos ocorre acima da temperatura de 1100°C. � O principal efeito do crescimento de grão é aumentar a temperatura de transição dúctil-frágil. Fragilização pelo crescimento de grão Como evitar: � Uso de menor energia de soldagem. � É aconselhável que o metal de adição depositado contenha Ti ou Nb e baixos teores de intersticiais (C e N). Problemas nas soldagem dos aços inoxidáveis � Precipitação de carbonetos de Cr no contorno de grão da austenita. Faixa crítica: 450 a 850oC. � Ao se precipitarem, os carbonetos empobrecem a região vizinha em cromo, tornando-a menos resistente ao ataque de certos ácidos que, agindo sobre o aço, provocarão arrancamento de grãos e a desintegração total do material. . � Nas juntas soldadas há sempre uma região da ZAC que está sujeita à faixa de sensitização. � Quando ocorre, a corrosão intergranular se dá como uma faixa paralela e próxima, mas não adjacente ao cordão de solda. Corrosão intergranular Como evitar: � Tratamento de hipertêmpera. � Usar metal base de baixo teor de carbono (304L ou 316L) ou estabilizado ao Ti (321) ou Nb (347). � Usar metal de adição estabilizado ao Ti ou Nb ou com baixo teor de C. � Manter temperaturas interpasses inferior a 200ºC. Corrosão sob tensão Problemas nas soldagem dos aços inoxidáveis � Esforço conjugado de temperatura, tensões de tração e meio agressivo (principalmente cloretos). � Trincas intergranulares ou transgranulaes. � Há um tempo de incubação, em que a trinca se forma, mas não aparece. A seguir, propaga-se rapidamente . � A velocidade de corrosão é muito lenta quando o teor de níquel vai a mais de 40% ou desce a menos de 5%. � A soldagem pode contribuir indiretamente, pelas tensões residuais de tração, resultantes dos diferentes ciclos térmicos de soldagem. � Aços austeno-ferríticos resistem melhor que os austeníticos. Trinca de CST na zona afetada pelo calor (ZAC) - Aço 304 Trinca de CST no metal de solda AISI 304 / Eletrodo E308L-16 Corrosão sob tensão Problemas nas soldagem dos aços inoxidáveis Como evitar? � Redução do nível de tensões através de tratamento térmico de alívio de tensões (entre 900 e 1000°C); � Utilizar martelamento � Substituir aço inox austenítico por aços inoxidáveis ferríticos ou duplex; � Controle da energia de soldagem. Trincamento transgranular e ramificado em estrutura austenítica, transversal ao cordão de solda e à direção da tensão de tração aplicada.
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