VIII SEMINÁRIO BRASILEIRO DO AÇO INOXIDÁVEL Título INFLUÊNCIA DO TUNGSTÊNIO NA RESISTÊNCIA À FLUÊNCIA DA LIGA 25Cr­35Ni Autor Marcelo Augusto Vieira Graglia Engenheiro Mecânico e Mestre em Engenharia pela Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá FEG­UNESP. Doutorando em Ciências Sociais pela Pontifícia Universidade Católica de São Paulo ­ PUC Professor da Faculdade de Engenharia e Faculdade de Administração da Fundação Armando Álvares Penteado – FAAP. Professor da Faculdade de Administração, Economia e Autuaria da PUC­SP. Professor do curso de pós­graduação Administração para Engenheiros da Fundação Educacional Inaciana Pe. Sabóia de Medeiros – FEI. Abstract The petrochemical processes have in the materials technology a limiting factor to their development. New alloys have been researched for utilization under higher temperatures. In the present study the contribution of the addition of tungsten element on the alloy 25Cr­35Ni­0,45C creep resistance is analysed for higher content percentage than the applicabled nowadays and its behaviour under high temperatures, of about 980 ºC and, mainly, of about 1100ºC. Resumo Os processos petroquímicos têm na tecnologia dos materiais um fator limitante ao seu desenvolvimento. Novas ligas vêm sendo pesquisadas para aplicação a temperaturas mais elevadas. Este trabalho analisa a contribuição do elemento tungstênio sobre a resistência à fluência da liga 25CR­ 35Ni­ 0,45C (ASTM A­297 grau HP) em porcentagens de massa superiores as utilizadas atualmente e seu comportamento a temperaturas elevadas, na ordem de 980 ºC e, principalmente, na ordem 1100 ºC. Introdução O desenvolvimento de processos químicos e petroquímicos, além de aplicações nas indústrias aeronáutica e aeroespacial tem tornado os materiais um fator de limitação em função do comportamento de suas propriedades mecânicas a altas temperaturas. A necessidade de aumento de produção e eficiência nas plantas petroquímicas tem levado a um aumento da temperatura e pressão de trabalho nos fornos de pirólise,
VIII SEMINÁRIO BRASILEIRO DO AÇO INOXIDÁVEL responsáveis pelo craqueamento de hidrocarbonetos como a nafta e o gás de óleo para obtenção de eteno, e fornos de reforma catalítica, responsáveis pela produção de hidrogênio. Com isso, se faz necessária a utilização de materiais com maior resistência mecânica e, principalmente, resistência a altas temperaturas. A indústria busca desenvolvimentos, investindo em diversas pesquisas nesta área [1,2]. Uma característica importante da resistência mecânica a altas temperaturas é que esta deve ser considerada, sempre, em relação a uma escala de tempo. As propriedades de tração a temperatura ambiente da maioria dos metais de engenharia são, para fins práticos, independentes do tempo. Além disso, nos ensaios mecânicos à temperatura ambiente, o comportamento anelástico do material tem conseqüência prática, enquanto que a temperaturas elevadas a taxa de deformação e o tempo de exposição passam a influenciar diretamente na resistência mecânica do material. O fenômeno caracterizado pela deformação progressiva do material sob um valor constante de tensão é chamado de fluência e, normalmente, passa a ser significativo quando se trabalha a temperaturas superiores a 50 % da temperatura de fusão do material. A busca por materiais que atendam a esta demanda tem estimulado a substituição dos tubos dos fornos inicialmente fundidos por centrifugação com aços do tipo HK40 (25% Cr ­ 20% Ni ­ 0,4% C) por tubos de aço HP45 (25% Cr ­ 35% Ni ­ 0,4% C) e até mesmo a modificação da composição química básica destes aços pela adição de elementos formadores de carbonetos com cinética de crescimento mais lenta, como o nióbio e o titânio [3]. Com o aumento da temperatura, aumenta­se a influência do endurecimento por solução sólida sobre a resistência a fluência. Para temperaturas superiores a 1100°C, os carbonetos secundários coalescem mais rapidamente do que a 1050°C. Ribeiro [4] estudou a liga HP­45 modificando­a com a adição de elementos de liga como o nióbio, tungstênio e outros, e comparando o desempenho destas ligas modificadas. A 980ºC, o tungstênio não contribuiu significativamente no aumento da resistência à fluência. Ensaios preliminares sugeriram o estudo da influência do tungstênio sobre a liga HP­45 a mais alta temperatura. Material e Métodos As ligas utilizadas neste trabalho para analisar o efeito de determinadas adições de tungstênio sobre a resistência à fluência do aço ASTM A­297 grau HP (25Cr ­ 35Ni ­ 0,45C) foram preparadas a partir de matéria­prima virgem. A liga 1 é caracterizada pela adição de 1% de tungstênio e a liga 2 pela adição de 4% de tungstênio. A liga 3, de aplicação comercial e desenvolvida pelas Indústrias Villares, é denominada V2535NB e não apresenta participação de tungstênio em sua composição química e foi parcialmente analisada para fins comparativos. As ligas foram fundidas em forno de indução, com capacidade para 150 Kg e foram vazadas em coquilhas para se produzirem tubos centrifugados. Os tubos possuíam as seguintes dimensões: diâmetro externo de 143 mm, diâmetro interno de 110 mm e comprimento igual a 3800 mm. As amostras para ensaios foram retiradas de segmentos de tubo de 410 mm de comprimento localizados em uma região do tubo oposta ao lado do vazamento.
VIII SEMINÁRIO BRASILEIRO DO AÇO INOXIDÁVEL As variáveis do processo de centrifugação, temperatura de vazamento (1600 ºC), temperatura da coquilha (180ºC), rotação da coquilha (1350 rpm) e espessura de tinta (0,8mm) foram mantidas constantes. As amostras para os ensaios de fluência foram retiradas no sentido longitudinal do tubo, sendo que os corpos de prova foram confeccionados conforme norma ASTM­E8M Tension Testing of Metallic Materials e ensaiados conforme norma ASTM­E139 ­ Conducting Creep, Creep rupture and stress ­ rupture tests of metallic materials. Os ensaios de fluência foram realizados em equipamentos ATS ­ Applied Test Systems, Inc., Kanthal Super 33, modelos PC­120/240­30 e PC­120/240­20. O aquecimento foi realizado em fornos série 3320 de 3600 W, para temperaturas máximas de 1650 °C. O aquecimento foi realizado por meio de resistências elétricas metálicas, com três zonas de aquecimento. A temperatura foi medida através do uso de dois termopares de chromel­alumel, localizados na região de seção reduzida dos corpos­de­prova e distanciados 20 mm um do outro. O gradiente de temperatura entre os dois medidores foi de no máximo 1°C e a temperatura durante todo o ensaio não variou mais do que 3,5°C. Os sinais de temperatura foram registrados em um registrador Chessel (USA), modelo 4001, de 30 canais. Para as ligas 1 e 2, foram realizados ensaios de fluência a 980°C para tensões iniciais de 35 MPa, 40 MPa, 46 MPa e 50 MPa e a 1100°C para tensões iniciais de 17 MPa, 20 MPa, 24 MPa, 30 MPa e 35 MPa, com o objetivo de se observar o comportamento destes materiais em condição de fluência. Foram levantadas curvas representando o comportamento das ligas 1 e 2 individualmente. Também foram construídos gráficos com sobreposição das curvas representativas do comportamento de cada liga a fim de se observar eventuais diferenças de performance entre as ligas 1 e 2. Para a liga 3 foram realizados ensaios de fluência a 1100°C para tensões iniciais de 17 MPa, 20 MPa e 24 MPa. A curva representativa do comportamento desta liga, cuja composição química não acusa presença do elemento tungstênio, foi sobreposta às curvas relativas às ligas 1 e 2 com o objetivo de se comparar a performance de materiais contendo tungstênio em relação a outro isento deste elemento químico. Para todos os ensaios de fluência realizados foi medido o tempo até ruptura e realizados pelo menos dois ensaios para cada condição de tensão. Resultados Ensaios de fluência realizados a 980°C A figura 1 apresenta os resultados obtidos nos ensaios de fluência realizados à temperatura de 980°C para valores de tensão inicial de 35 MPa, 40 MPa, 46 MPa e 50 MPa para as ligas 1 e 2. O parâmetro analisado foi tempo até ruptura.
VIII SEMINÁRIO BRASILEIRO DO AÇO INOXIDÁVEL A figura 1 repr esent a o co mport ament o das ligas 1 e 2 e m t er mos de t empo at é rupt ura para diversos níveis de t ensão. 450 Liga 1 400 Liga 2 350 Horas 300 250 200 150 100 50 0 35 40 46 50 MPa Figur a 1 – Tempo at é rupt ura das ligas 1 e 2 em função da var iação dos valo res de t ensão para t emperat ura de ensaio de 980 ºC. Obser vando ­se a figura 1, not a­se acent uada queda no t empo at é rupt ura para as duas ligas em função do au ment o da t ensão de ensaio ap licad a. Ensaios de fluência realizados a 1100°C A figura 2 apresenta os resultados obtidos nos ensaios de fluência realizados à temperatura de 1100°C para valores de tensão inicial de 17 MPa, 20 MPa, 24 MPa, 30 MPa e 35 MPa para as ligas 1 e 2. Para a liga 3 foram realizados ensaios a 17 MPa, 20 MPa, 24 MPa,. O parâmetro analisado foi tempo até ruptura.
VIII SEMINÁRIO BRASILEIRO DO AÇO INOXIDÁVEL A figura 2 repr esent a o co mport ament o das lig as 1 e 2 e m t er mo s de t empo at é rupt ura para diversos níveis de t ensão à 1100ºC. 200 Liga 1 180 Liga 2 160 Horas 140 120 100 80 60 40 20 0 17 20 24 30 35 MPa Figur a 2 – Tempo at é rupt ura das ligas 1 e 2 em função da var iação dos valo res de t ensão para t emperat ura de ensaio de 1100ºC. Obser vando ­se a figura 2, not a­se acent uada queda no t empo at é rupt ura para as duas ligas em função do au ment o da t ensão de ensaio ap licad a.
VIII SEMINÁRIO BRASILEIRO DO AÇO INOXIDÁVEL A figura 3 representa o comportamento das ligas 1, 2 comparativamente ao comportamento da liga 3 em termos de tempo até ruptura para diversos níveis de tensão. 200 Liga 1 Liga 2 Liga 3 180 160 140 Horas 120 100 80 60 40 20 0 17 20 24 30 35 MPa Figur a 3 – Tempo at é rupt ura das ligas 1, 2 e 3 em função da var iação dos valo res de t ensão para t emperat uras de ensaio de 1100ºC. Obser vando ­se a fig ura 3 no t a­se que à part ir de 20 MP a, não há diferença sig nificat iva ent re o desempenho das ligas 1, 2 e 3. Para o meno r valo r de t ensão aplicado, 17 MPa, a liga 1 apresent o u desemp enho sig nificat ivament e super io r ao apresent ado pelas lig as 2 e 3. Discussão Observando­se a figura 1 nota­se acentuada queda no tempo até ruptura para as duas ligas em função do aumento da tensão de ensaio aplicada. A partir de 46 Mpa, não há qualquer diferença significativa entre o desempenho das ligas 1 e 2 no ensaio à temperatura de 980ºC. No ensaio a 1100ºC, o fenômeno é notado à partir de 20 MPa, conforme figura 2. Estudos realizados anteriormente [4], indicaram que na faixa de temperatura de 980 ºC até 1050º C, a adição de tungstênio não contribui para melhoria na resistência à fluência para as ligas tipo HP­45.
VIII SEMINÁRIO BRASILEIRO DO AÇO INOXIDÁVEL A diferença do comportamento da curva relativa à liga 1 em relação à liga 2, como apresentado na figura 1, pode ser atribuída a diferença quantitativa de tungstênio que existe entre as duas ligas. A quantidade de soluto, no caso tungstênio, interferiria no mecanismo de endurecimento por solução sólida [5]. Observando­se a figura 2 nota­se que a partir de 20 MPa, para temperatura de ensaio de 1100ºC, não há diferença significativa entre o desempenho das ligas 1, 2 e 3. Entretanto, para o menor valor da tensão aplicada, 17 MPa, a liga 1 apresentou desempenho significativamente superior ao apresentado pelas ligas 2 e 3. Segundo Monteiro e Silveira [6] , os mecanismos de deformação que atuam nas situações de fluência são diretamente relacionados com a tensão aplicada e variável importante a ser considerada. Desta forma, os ensaios realizados com aplicação de menores valores de tensão permitem uma melhor análise do desempenho das ligas estudadas e conseqüente comparação entre as mesmas. Com o aumento da temperatura, aumenta­se a influência do endurecimento por solução sólida sobre a resistência à fluência [ 4 ]. Este mecanismo justificaria o melhor desempenho da liga 1 contendo tungstênio em comparação à liga 3, que não apresenta este elemento em sua composição. Conclusões A liga contendo tungstênio num teor de 1% em massa apresenta maior resistência à fluência para temperatura de 1100ºC comparativamente à liga contendo 4% de tungstênio em massa e à liga com composição base 25Cr­35Ni­0,45C (ASTM A­297 grau HP) isenta deste elemento. A adição de tungstênio num teor de 4 % em massa não contribuiu para a melhoria da resistência à fluência da liga 25Cr­35Ni­O,45C para temperatura de 1100ºC. Agradecimentos ­ Ao Prof. Dr. Herman Jacobus Cornelis Voorwald pela orientação e apoio técnico. ­ Ao Eng°. Cortines, pelo imenso apoio prestado na obtenção dos recursos necessários à realização desta pesquisa. ­ Ao técnico Hélio de Oliveira, pelo esforço e dedicação na realização dos trabalhos experimentais e ao Engenheiro Alexandre Sokolowski, do Centro de Pesquisa de Aços Villares, pelo apoio na realização de diversos ensaios.
VIII SEMINÁRIO BRASILEIRO DO AÇO INOXIDÁVEL Refer ências Bibliográficas [1] EGNELL, L. et al. Sandvik 12R72: evaluation of its properties as canning material in fast reactors. Paris: Sandvik, 1971. 33p. [2] PERSSON, N. G., LAURI, P. Sandvik 12R72: a strong and ductile austenitic steel for high­temperature service. s.l.: Sandvik, 1978. 10p. [3] EMYGDIO, P. R., PACHECO, M., SANTARÉM, M. V. M. Estudo da microestrutura e comportamento mecânico de um aço tipo HP45 com adição de nióbio. IN: SEMINÁRIO BRASILEIRO SOBRE AÇOS INOXIDÁVEIS, 2, 1990, São Paulo. Anais do II Seminário Brasileiro sobre Aços Inoxidáveis...São Paulo: s.n., 1990. p.193­4 [4] RIBEIRO, E. A. A. G.Efeitos do nióbio, titânio e tungstênio sobre a resistência à fluência e resistência à carburação da liga 25Cr­35Ni­0,45C (ASTM A­297 grau HP). São Paulo, 1991. 100p. Tese (Doutorado em Engenharia ­ Metalurgia) ­ Escola Politécnica, USP. [5] LACY, C. E., GENSAMER, M. Trans. Am. Soc. Met. v.32, p.88­110, 1944 apud DIETER, G. E. Metalurgia Mecânica. 2.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1981. 653p. [6] MONTEIRO, S. N., SILVEIRA, T. L. Mecanismos de fluência nos aços inoxidáveis austeníticos. In: CONGRESSO ANUAL DA ABM, 33, 1978, Rio de Janeiro: Anais do 33º Congresso Anual da ABM... Rio de Janeiro: ABM, 1979. vol. 35, 1979. p.327­30. MARCELO AUGUSTO VIEIRA GRAGLIA Rua Iraque, 58 Condomínio Jardim da Glória, Granja Viana, Cotia – SP – CEP 06711­160 Email: [email protected]