AvaliaçÃo do percentual de ferrita delta em metais de solda de aços inoxidáveis austeniticos aisi 317 L



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AVALIAÇÃO DO PERCENTUAL DE FERRITA DELTA EM METAIS DE SOLDA DE AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENITICOS AISI 317L


Francisco de Assis Souza Neto1, Francisco Ilo Bezerra Cardoso2, Theophilo Moura Maciel3

Rua Ceará, 79, Monte Santo, Campina Grande, PB, Brasil, CEP 58400-654 e e-mail (nportosouza@yahoo.com.br)

1 Universidade Federal de Campina Grande, Departamento de Engenharia Mecânica/ Setor de Materiais,Campina Grande, Paraíba,Brasil e e-mail(1. nportosouza@yahoo.com.br)

2 Universidade de Pernambuco, Departamento de Engenharia Mecânica/ Setor de Materiais, Recife, PE, Brasil e e-mail (2. ilo@elogica.com.br)

3 Universidade Federal de Campina Grande, Departamento de Engenharia Mecânica/ Setor de Materiais,Campina Grande, Paraíba,Brasil e e-mail (3 theo@dem.ufcg.edu.br)

RESUMO
Este trabalho teve como objetivo avaliar as técnicas para quantificar o percentual de ferrita δ no Metal de solda do aço inox AISI 317L. Para isso corpos de prova obtidos através da soldagem da chapa do aço AISI 317L sobre a chapa de aço carbono ASTM A-516 Grau 60 utilizando-se o processo de soldagem a Arco Elétrico com Eletrodo Revestido (SMAW) e a Arco Elétrico com Arame Tubular (FCAW) foram submetidos aos métodos por Contagem de Pontos, Magnético e utilizando o Diagrama de Schaeffler. Os resultados obtidos em todos os métodos indicaram percentuais de ferrita δ maior no processo de soldagem eletrodo revestido (SMAW).


Palavras chave: Ferrita delta, metal de solda, aços inoxidáveis austeníticos, Aço AISI 317L.
INTRODUÇÃO
O aço inoxidável austenítico AISI 317L, além de possuir as características de tenacidade e ductilidade presentes em aços desta categoria, possuem uma elevada resistência à corrosão a temperaturas elevadas devido ao elevado percentual de Mo presente em sua composição. Devido a estas características vem sendo estudado para ser utilizado como revestimento tipo lining em torres de destilação de petróleo na forma de chapas soldadas entre si e sobre o casco da torre constituída em chapas de aço carbono ASTM A516 Grau 60 (1, 2, 3).

A ferrita delta é formada durante a solidificação da zona fundida do aço inoxidável austenítico. Para se obter a ferrita delta, o material pode se solidificar inicialmente como austenita e posteriormente como ferrita, inicialmente como ferrita e depois como austenita ou, ainda, inteiramente como ferrita., à medida que a relação entre os teores de Cr e Ni aumenta. Uma solidificação com austenita primária ocorre para uma relação Cr/Ni menor que 1,5 e a solidificação com ferrita primária ocorre para maiores relações Cr/Ni. Para valores desta relação superiores a cerca de 1,95 o material solidifica-se totalmente como ferrita. Além da relação Cr/Ni. A sua presença dependerá das condições de soldagem que controlam a velocidade de resfriamento, ou seja, quanto menor for a energia de soldagem a velocidade de resfriamento será maior, terá menor diluição e uma maior quantidade de ferrita delta (4, 6, 12).

Na soldagem do material austenítico o risco de trincamento é maior quando o metal de solda apresenta-se 100% austenítico (4). Quando se utiliza um material de adição cuja composição química favorece a presença de 5 a 10% de ferrita delta o risco de trincamento a quente é minimizado (10).

A quantidade de ferrita delta necessária para prevenir contra a fissuração de solidificação (trinca a quente) depende do nível de restrição da junta e da quantidade e tipo dos elementos de liga e impurezas presentes na zona fundida. Os consumíveis de soldagem são formulados para fornecerem um depósito contendo uma quantidade adequada de ferrita delta (4).

Por outro lado, a quantidade de ferrita delta deve ser controlada em aplicações em que a junta soldada necessite de uma ótima resistência à corrosão, uma alta tenacidade a baixas temperaturas e quando a peça não puder apresentar qualquer magnetismo residual (4).

Algumas técnicas utilizadas para se calcular a ferrita delta são: métodos por Contagem de Pontos, Magnético e utilizando o Diagrama de Schaeffler. Dentre estes métodos apenas o método por Contagem de Pontos trata-se de uma técnica destrutiva. O método Magnético se baseia na diferença de comportamento frente a um campo magnético apresentado pela ferrita (material ferromagnético) e austenita (material paramagnético). Já o Diagrama de Schaeffler prever a microestrutura da zona fundida com base na composição química dos metais de base (AISI 317L) e de adição, onde a quantidade de ferrita delta dependerá da diluição do processo de soldagem (4).

O objetivo deste trabalho foi avaliar a influência do tipo de método utilizado para quantificar o percentual de ferrita δ em metais de solda do aço inox AISI 317L soldado na forma de lining sobre chapas de aço C-Mn.
MATERIAIS E MÉTODOS

Metal de base e consumíveis de soldagem
O material de base que serviu como substrato para a execução das soldagens das chapas de aço inoxidáveis foi o aço ASTM A 516 Gr 60. A composição química do aço é apresentada na tabela 1.
Tabela 1 – Composição Química (% em peso) nominal do aço ASTM A516 Gr. 60 [8].


Elemento

C

Mn

P

S

Si

Al

Percentual

0,27

0,60- 1,20

0,035

0,04

0,15- 0,40

0,037

O aço inoxidável AISI 317L na forma de chapa com espessura de 3 mm foi fornecida pelo CENPES/PETROBRAS. A composição química é apresentada na tabela 2.


Tabela 2 - Composição química (% em peso) do aço Inox 317L como recebido, obtida por espectrometria ótica computadorizada – SIMISA/PE..

Elemento

C

Mn

P

S

Si

Cr

Ni

Mo

Composição

0,0232

1,792

0,0317

0,0045

0,364

18,724

13,584

3,065

Os processos de soldagem utilizados foram a Arco Elétrico com Eletrodo Revestido (SMAW) e a Arco Elétrico com Arame Tubular (FCAW) Como metal de adição foram utilizados os seguintes consumíveis: eletrodo revestido AWS E 317L-17, com diâmetro de 2,5 mm no processo SMAW e o arame tubular E-317L, com diâmetro de 0,9 mm com proteção gasosa 100% CO2 no processo FCAW. As Tabelas 3(a) e 3(b) mostram a composição química dos metais depositados especificadas pelos fabricantes.


Tabela 3(a) - Composição química (% em peso) do metal depositado SMAW (1).



Elemento

C

Cr

Ni

Mo

Mn

Si

Percentual

< 0,04

19,5

13

3,5

1,0

0,8

Fonte: Kestra Consumíveis de Soldagem. Norma ASME SFA 5.4
Tabela 3(b) - Composição química ( % em peso) do metal depositado FCAW (1)

Elemento

C

Mn

Si

Cr

Ni

Mo

Composição

0,035

1,3

0,7

18,5

13,3

3,4

Especificado pelo fabricante: BÖHLER Norma AWS A5.22-95.
Foram utilizados para este trabalho quatro corpos de provas (CPs), sendo que dois CPs com o processo de soldagem SMAW e os outros dois com o processo FCAW. Para um modelo de CP foi utilizado duas chapas AISI 317L com as seguintes dimensões 3,0 x 50,0 x 80 mm e uma chapa ASTM A516 Gr 60 com as dimensões 25,0 x 100,0 x 200 mm, estas dimensões equivalerão para o modelo CP1 como mostra a Figura 1. Já para o modelo CP2 foram utilizadas duas chapas AISI 317L com dimensões diferentes, sendo elas 3,0 x 120,0 x 180 e 3,0 x 120,0 x 360 mm e uma chapa ASTM A516 Gr. 60 com as seguintes dimensões 25,4 x 300,0 x 410 mm, sendo estes CPs representados na Figura 2.

Figura 1

Figura 2

Para o CP1 as preparações das juntas seguiram os seguintes dados, para abertura (gap) das juntas e número de passes:

- O “gap” foi com 10,0 mm, onde foram executados 3 passes corridos; A Figura 3 ilustra o esquema dos processos de soldagem, demonstrando a seção transversal da junta que será analisada após a soldagem.





Figura 3 – Ilustração dos passes de soldagem no procedimento de soldagem. Processo SMAW e FCAW.
A Tabela 4 apresenta as Especificações dos Procedimentos de Soldagens com as respectivas energias de soldagem obtidas.
Tabela 4 – Parâmetro de Soldagem real

Processo

E (kJ/mm)

η (%)

V (volt)

I (Ampére)

v (mm/s)

FCAW

0,28

75

17,20

121,00

5,60

SMAW

0,23

65

27,71

70,56

5,52

Para o CP2 as preparações das juntas seguiram os seguintes dados, para abertura (gap) das juntas e número de passes:

- para o processo SMAW o “gap” foi com 0,0 mm, onde foram executados 2 passes corridos; e para o processo FCAW o “gap” foi com 10,0 mm, onde foram executados 3 passes corridos laterais e 1 passe de cobertura.
A Tabela 5 apresenta as Especificações dos Procedimentos de Soldagens com as respectivas energias de soldagem obtidas.
Tabela 5 – Parâmetro de Soldagem real


Processo

E (kJ/mm)

η (%)

V (volt)

I (Ampére)

v (mm/s)

FCAW

0,32

75

17,50

125

5,10

SMAW

0,16

65

29,00

68,40

8,30

Estes valores foram obtidos por um sistema de aquisição de dados informatizado que registrava estes valores a cada segundo. Após a realização das soldagens, por soldador qualificado da MPN/PE, foi feita inspeção visual/ dimensional dos cordões de solda e avaliada a presença de trincas superficiais, por Inspetor de Soldagem N1.

As Tabelas 6(a) e 6(b) mostram as composições químicas dos metais de solda obtidos pelos processos SMAW e FCAW respectivamente, no modelo de CP1 através da Espectrometria Ótica, equipamento ARL modelo 3460 na empresa SIMISA/PE.
Tabela 6(a) – Análise química do metal de solda obtida pelo processo SMAW – (% em peso).


Elemento

C

Mn

P

S

Si

Cr

Ni

Mo

Al

Cu

V

Composição

0,009

1,61

0,022

0,003

0,33

18,68

13,32

3,15

0,004

0,17

0,07

Tabela 6(b) – Análise química do metal de solda obtida pelo processo FCAW – (% em peso).



Elemento

C

Mn

P

S

Si

Cr

Ni

Mo

Al

Cu

V

Composição

0.024

1.35

0.025

0.005

0.60

18.05

12.41

3.47

0.005

0.11

0.02

Para determinar a diluição em cada junta soldada do modelo de CP1 foi adotado o seguinte procedimento (figura 4):



Figura 4 – Esquema ilustrativo utilizado para se calcular a diluição macroscópica.


%Diluição (MB AISI 317L) = III / (I+II+III+IV), onde III = III-a+III-b. (A)

%Diluição (Substrato) = I / (I+II+III+IV), onde III = III-a+III-b. (B)


Para a determinação dos valores do Creq e do Nieq. Foram utilizadas as expressões a seguir, a partir do Diagrama de Schaeffler:

Creq = Cr + Mo + 1,5 Si + 0,5 Nb (C)

Nieq = Ni + 30 C + 0,5 Mn (D)
Na determinação da percentagem de ferrita delta por Método Direto ou Contagem de Pontos as análises foram feitas diretamente em amostras metalográficas do modelo de CP1, onde a amostra foi cortada, lixada, polida e atacada com Água Régia Fluorada (HF 15%, NNO3 15%, HCL 45%, H2O 25%) e observada em um microscópio óptico com aumento de 200x. Em seguida foi capturada a imagem em três regiões do metal de solda como mostra a figura 5, e aplicada uma grade com 400 pontos para se fazer a contagem de cada região como pode observar na figura 6. A quantidade de ferrita delta na grade foi analisada e a relação entre o numero de pontos que ficam sobre as regiões de ferrita e o número total destes pontos é determinada. Este processo se repetiu nas três imagens capturadas de cada processo, determinando assim a percentagem media de ferrita delta nos dois processos.


Figura 5 – Indicação dos pontos para medição da Ferrita delta por Contagem de Pontos.



Figura 6 – Ilustração das regiões analisadas no metal de solda com aumento de 200x e a grade do microscópio com 400 pontos. Ponto 2 (centro do cordão de solda).
Utilizando o Método Magnético para determinar a percentagem de ferrita delta no corpo de prova CP2, foi aplicado o método da ferrografia, através de um aparelho portátil para medição de ferrita modelo Feritscope, marca Helmut Fischer. A figura 7 ilustra os pontos onde foram analisadas as percentagens de ferrita delta.

Figura 7 – Esquema para marcação dos pontos para análise do teor de ferrita por Ferrografia.


RESULTADOS E DISCUSSÃO
Para o CP1 os processos SMAW e FCAW proporcionaram diluições no substrato ASTM A516 Gr 60 (B) de 7,67% e 12,23% respectivamente. E uma diluição no metal de base AISI 317L de 27,18 e 16,61 % para os processos SMAW e FCAW, respectivamente. A diluição total para o processo SMAW e FCAW foi de 34,85 e 28,84, respectivamente. Observa-se nestes resultados que a diluição no substrato é maior para o processo FCAW mesmo tendo uma energia de soldagem um pouco mais alta, como pode ser observado nas Figuras 8 e 9.


Figura 8 – Processo FCAW

Figura 9 - Processo SMAW



Na Tabela VII encontram-se os valores do Creq e Nieq para o metal de base (AISI 317L), metais de adição SMAW e FCAW. Lembrando que estes materiais são iguais para os modelos CP1 e CP2.
Tabela 7 – Quantidade de Creq e Nieq (% em peso) calculado com as equações (C) e (D) respectivamente.

Elemento

% Creq

%Nieq

Metal de base (AISI 317L)

22,33

15,18

Metal de adição (SMAW)

24,20

14,20

Metal de adição (FCAW)

22,95

15,00

Obtendo assim uma relação Creq/Nieq para SMAW e FCAW de 1,704 e 1,53%, respectivamente.

Segundo Brooks e Thompson (6), a relação Creq/Nieq sendo maior que 1,5 e menor do que 1,95 a solidificação deverá ocorrer com ferrita primária (4). A Figura 10 apresenta o Diagrama de Schaeffler com a indicação dos pontos representativos das diluições. Sendo o ponto 1 e 2 para SMAW e FACW, respectivamente. Portanto, pelo diagrama, os metais de solda obtidos pelos processos SMAW e FCAW representados pelos pontos 1 e 2 no diagrama deveriam ter, respectivamente, os percentuais de aproximadamente de 8% e 6 % de ferrita delta.




Figura 10 – Diagrama de Schaeffler

Fonte: http://www.grupoogman.com/imagenes/anton.gif
A Tabela 8 apresenta os resultados médios do teor de ferrita delta – ilustrado na figura 11 – obtido para cada um dos pontos das regiões dos corpos de prova CP2 – observado na Figura 7 - pelo método da ferrografia.
Tabela 8 – Resultado da medição do teor de ferrita utilizando o método da ferrografia para o Corpo de Prova soldado com os processos SMAW e FCAW (% em peso)


Região

Metal de Solda (SMAW)

Metal de Solda (FCAW)

1

5,47 ± 1,05

7,39 ± 0,754

2

7,49 ± 0,586

5,68 ± 0,904

3

6,62 ± 1,22

6,49 ± 0,634

4

5,99 ± 1,06

4,03 ± 0,764

5

6,68 ± 1,15

6,1 ± 0,499

Central

3,81 ± 1,12

7,9 ± 1,46

Média

6,45 ±1,032

5,94 ± 0,711


Figura 11 – Ilustração da ferrita delta obtido nos processos de soldagem com ampliação de 200x.


A tabela 9 apresenta os resultados dos CP1 e CP2 obtidos com o uso do diagrama de SCHAEFFLER, método da Contagem de Pontos e Ferrografia, para o metal depositado pelos processos de soldagem FCAW e SMAW.
Tabela 9 – Resumo dos resultados das medições da fração média de Ferrita Delta.




SCHAEFFLER

(CP1 e CP2)



Contagem de Pontos (CP1)

Ferrografia (CP2)

(CP1)FCAW

± 6

9,88

5,94 ± 0,711

(CP2)SMAW

± 8

10,16

6,45 ± 0,711

A partir do Diagrama de Schaaeffler é possível que se obtenha, em primeira aproximação, a microestrutura a ser obtida para uma determinada composição química (9). Para TORRES (10), é importante mencionar que os valores obtidos de ferrita delta através do diagrama de Schaeffler para um dado material de adição, podem sofrer alterações em função da técnica de deposição, taxa de resfriamento, comprimento do arco, contaminação atmosférica e diluição. Entretanto, os resultados obtidos, pelos dois métodos não ficaram muito distantes.

Os valores obtidos pelo Método da Contagem de Pontos no modelo de CP1, foram maiores do que o diagrama de Schaeffler, porém compatível com o esperado para os tipos de consumíveis utilizados onde, por exemplo, para o arame tubular a variação, segundo o fabricante é de 3-8 FN, que é aproximadamente no máximo 10% de ferrita delta (11).

O método de determinação direta da fração volumétrica em amostras metalográficas, principalmente o de Contagem de Pontos, não é considerado muito confiável, pois os seus resultados dependem fortemente das condições de preparação da amostra, em particular, da intensidade do ataque metalográfico. Testes em laboratório indicam, para esta forma de determinação da ferrita, um intervalo de variação dos resultados, para uma dada amostra, de cerca de 5% (4).

Os percentuais de ferrita delta obtido nos metais de solda dos corpos de prova através dos 3 métodos mostraram-se satisfatórios por não ultrapassarem além dos 10,0% do percentual de ferrita delta fazendo com que isso evite a trinca de solidificação (10, 11).
CONCLUSÕES
Os 3 métodos utilizados indicaram percentuais de ferrita delta maior nos metais de solda obtido pelo processo SMAW com relação àqueles obtidos pelo processo FCAW

Os percentuais de ferrita delta utilizando os 3 métodos variaram de 6,0 a 10,0% portanto dentro da faixa tolerável para se evitar a trinca de solidificação.

Os maiores valores de ferrita delta foram obtidos utilizando a técnica de Contagem de Pontos enquanto os menores foram obtidos pelo método Magnético utilizando a Ferrografia.
Referências Bibliográficas


  1. CARDOSO, F.I.B., MACIEL, T.M., NETO, F.A.S., Soldabilidade do Aço Inox 317L para Linings de Torre de Destilação de Petróleo. In: IV CONGRESSO DE ENGENHARIA MECÂNICA, Recife-PE, 2006.

  2. CARDOSO, F.I.B., NETO, F.A.S., MACIEL, T.M., SANTOS, M.A., LEITE, J.P., ABREU, H.F.G., OLIVEIRA, G.L.C. Avaliação de Tensões Residuais de Juntas Soldadas de Aço AISI 317L Sobre o Aço ASTM A-516 GR 60. In: CONGRESSO NACIONAL DE SOLDAGEM, Caxias do Sul-RS, 2007.

  3. CARDOSO, F.I.B., NETO, F.A.S., MACIEL, T.M., SANTOS, M.A. Avaliação da Microestrutura e da Microdureza de Juntas Soldadas de Aço AISI 317L Submetidas a Ensaios de Envelhecimento. In: CONGRESSO NACIONAL DE SOLDAGEM, Belo Horizonte-MG, 2006.

  4. MODENESI, P.J., Soldabilidade dos Aços Inoxidáveis, São Paulo, SENAI-SP, Volume 1, 2001.

  5. BROOKS, J.A. THOMPSON, A.W. “A Fundamental Study of the Beneficial Effects of Delta Ferrite in Reducing Weld Cracking”. Welding Journal, 63(3), 1984, p.71s-83s.

  6. BROOKS, J.A. THOMPSON, A.W. “Microstrutural Development and Solidification Cracking Susceptibility of Austenitic Stainless Steel Welds”. International Materials Reviews, 36(1), 1991, p.16-44.

  7. CARDOZO, F.I.B. Previsão da Dureza em Junta Soldada de um Aço ASTM A 516 Gr. 60 Sujeito à Corrosão sob Tensão com H2S. 2003,167p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Pernambuco, UFPE, Recife.

  8. MONGENFELD, J.J. e SOLARI, M. Origem y Morfologia de la Ferrita Delta im Aceros Inoxidables Austeníticos. In: VI ENTS, 1980, Salvador-BA. Anais. Associação Brasileira de Soldagem, 1980

  9. PADILHA,A.F.; GUEDES, L.C., Aços Inoxidáveis Austeníticos: Microestrutura e Propriedades. Curitiba: Hemus Livraria, 2004.

(10)TORRES, R. Alguns Cuidados na Soldagem de Aços Inoxidáveis. Revista Soldagem & Inspeção. Associação Brasileira de Soldagem. São Paulo. Junho 1995, p28-32.

(11) BÖHLER. Welding Guide Edition 07/2005. BOHLER WELDING Products. Áustria, 2007, 515p.



(12) MONTOLIU, E.C., PINILLA, R.G., Distribución de la Ferrite eu Cordones de Soldadura Austenoferríticas. Ver. Metal Cenin, Vol.14, 1978, p233-237.
Evaluation of delta ferrite percentiles in AISI 317L austenitic steel weld metal
ABSTRACT
In this work δ ferrite percentiles in AISI 317L steel weld metals were evaluated. For this samples obtained from AISI 317L plates welded on ASTM A-516 Gr 60 using SMAW and FCAW welding process were submitted to points counting, magnetic methods and to Schaeffler diagrams. The results obtained indicated greater percentiles in weld metals obtained from SMAW process.


Key-words: delta Ferrite, weld metals, austenitic stainless steel, AISI 317L steel.

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