8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação
18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil
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AVALIAÇÃO DO DESGASTE POR CAVITAÇÃO DE REVESTIMENTO DE
AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO E LIGAS DE COBALTO OBTIDO
PELO PROCESSO MIG/MAG ARAME FRIO NA POSIÇÃO HORIZONTAL
Hebert Roberto da Silva, [email protected]
Washington Martins da Silva, [email protected]
Alberto Arnaldo Raslan, [email protected]
Valtair Antonio Ferraresi, [email protected] 2
1
Universidade Federal de Mato Grosso, Campus de Rondonópolis - Rodovia Rondonópolis-Guiratinga, KM 06 (MT270) - Bairro Sagrada Família, Rondonópolis – MT, CEP 78735-910.
2
Universidade Federal de Uberlândia, Campus Santa Mônica - Bloco 1M – Térreo, Av. João Naves de Ávila, 2121 Bairro Santa Mônica. Uberlândia – MG, CEP 38400-902.
Resumo: As turbinas hidráulicas são projetadas para obter um alto rendimento e durabilidade sem, contudo, eliminar
um fenômeno de ação contínua conhecido como cavitação. Atualmente a principal solução para turbinas hidráulicas
consiste no revestimento superficial do substrato, em geral de aço carbono ou baixa liga, pelo depósito de um material
mais nobre por soldagem. Dentre os materiais aplicados para revestimento incluem-se aços inoxidáveis austeníticos e
ligas de cobalto. Foi proposta uma avaliação experimental para verificar a influência das variáveis operacionais
sobre a resistência ao desgaste por cavitação de revestimentos soldados pelo processo MIG/MAG arame frio. O
processo MIG/MAG arame frio será empregado na posição horizontal, visando sua avaliação em condições idênticas
às soldagens de campo. Busca-se com isso obter produtividade, qualidade e melhorias na resistência a cavitação
através de misturas de diferentes tipos de arames. Visando alcançar os objetivos deste trabalho foram realizadas
avaliações do desgaste por cavitação das amostras através da quantificação da perda de massa. Apesar da
sensibilidade no ajuste, os resultados obtidos com as soldagens de revestimento, com arame em aço inoxidável
austenítico e ligas de cobalto, mostraram que a metodologia adotada pode ser considerada promissora,
principalmente quando o objetivo é a adição de elementos de liga, aliados a alta produtividade. Outro fator
fundamental é a resistência superior ao desgaste por cavitação quando se faz o uso das ligas de cobalto.
Palavras-chave: Aços Inoxidáveis Austeníticos, Ligas de Cobalto, Soldagem na Posição Horizontal.
1. INTRODUÇÃO
A erosão por cavitação raramente causa uma interrupção forçada, no entanto aumenta significativamente o tempo
gasto em uma parada programada para manutenção. O dano cavitacional é frequentemente a causa da parada
programada, uma vez que muda o perfil hidrodinâmico do equipamento, levando a altas tensões dinâmicas no rotor e
nas estruturas associadas a ele, além de provocar queda na eficiência e redução da vida útil do equipamento. De acordo
com Gonçalves (2007), a principal causa de dano nos rotores é a ocorrência de cavitação e o surgimento de trincas por
fadiga, além do eventual reparo de possíveis defeitos de fundição durante a fabricação.
Allenstein et al. (2014) destacam que o desgaste causado por cavitação exige atenção especial de pesquisadores e
engenheiros em plantas de geração de energia. Isto está relacionado com os elevados custos envolvidos na manutenção
preventiva e corretiva de componentes de máquinas hidráulicas continuamente expostas à cavitação.
Para o revestimento de grandes superfícies, são preferidos os processos de soldagem automáticos e mecanizados
com elevada taxa de deposição, como o MIG/MAG e o arame tubular. A proposta da soldagem MIG/MAG com adição
de arame frio surgiu como uma variante do processo de soldagem MIG/MAG duplo arame. Esta nova versão da
soldagem MIG/MAG utiliza um equipamento convencional (fonte de tensão constante) com um cabeçote extra para
alimentação do arame frio conectado à tocha de soldagem. A adição de um arame eletrodo energizado gera um único
arco voltaico e o arame frio (não energizado) é adicionado à poça de fusão através de um cabeçote auxiliar adicional
(MOUGO et al., 2011).
Ao estudar o processo de soldagem MIG/MAG arame frio, Cruz Júnior et al. (2011) afirmaram que os fatores que
podem influenciar as características de um cordão de revestimento (penetração e reforço) são variáveis correlacionadas
de forma dependente com o processo (nível de corrente, tipo de gás de proteção, diâmetro do eletrodo, comprimento do
arco, distância tocha-peça, posição de soldagem, configuração da junta, velocidade de soldagem, taxas de deposição do
material de adição, etc.). Em especial, sabe-se que o tecimento ou oscilação da tocha de soldagem tem ação
preponderante sobre o revestimento. O tecimento é caracterizado por parâmetros de regulagem, sendo os principais a
frequência e a amplitude de oscilação, e os tempos de parada central e lateral.
Díaz et al. (2011) reforçam a importância do estudo em posições diferentes da plana, como capaz de viabilizar o
emprego de processos de soldagem nas mais variadas aplicações práticas como, por exemplo, na recuperação de pás de
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turbinas hidráulicas que sofreram erosão por cavitação, sendo a identificação de resultados em outras posições uma
condição fundamental.
Segundo Díaz et al. (2011), é previsível que a capacidade de soldagem fora da posição plana dependa, entre outros
fatores, das características da poça de fusão (incluindo, por exemplo, fluidez, volume e nível de agitação) e do arco
elétrico (estabilidade, temperatura, comprimento e pressão). Por sua vez, esses fatores também devem ser afetados pelo
modo de transferência metálica, propriedades da escória (como viscosidade e densidade), composição do gás de
proteção, nível de corrente de soldagem, além de outros parâmetros. Em função da combinação desses fatores, pode
haver na soldagem fora de posição tendência de escorrimento da poça, formação de corcovas (humps) e geração de
maiores níveis de respingos.
A aplicação de aço carbono com revestimento em aço inoxidável austenítico é uma utilização muito comum na
indústria. Modenesi (2001) observou, na aplicação de arame AWS ER308 na primeira camada de revestimento de um
aço estrutural, que a solda tem grandes chances de situar-se na região martensítica do diagrama de Schaefler. Com isso,
apresentará uma elevada dureza, normalmente conjugada com uma grande restrição devido à elevada espessura do
metal base (no caso, em torno de 100 mm), tornando-se sujeita à fissuração na presença de hidrogênio. Os Stellites
compõem atualmente uma família de 57 ligas, que em termos de composição química, são classificadas como ligas
quaternárias Co-Cr-W-C. O cromo varia entre 19 e 35%, e está presente em todas as ligas atuais. Tungstênio e
molibdênio não são elementos obrigatórios, sendo que o tungstênio é encontrado na composição de 72% das ligas e o
molibdênio em 58% das ligas existentes. Naquelas em que se faz presente, o tungstênio varia entre 0,5 e 19% e o
molibdênio varia entre 0,25 e 18%. Carbono é o elemento que rege a formação de carbonetos e varia entre 0,1 e 3,3%.
O objetivo deste trabalho é obter uma avaliação experimental para verificar a influência das variáveis operacionais
sobre a resistência ao desgaste por cavitação de revestimentos soldados pelo processo MIG/MAG arame frio.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Para a soldagem MIG/MAG com arame frio, a bancada experimental, consiste da fonte de soldagem, do sistema de
alimentação do arame eletrodo, do sistema de alimentação do arame frio, suporte do corpo de prova, tocha de soldagem,
sistemas de aquisição e sistema de monitoramento. O alimentador de arame frio é um acessório ao sistema de soldagem
similar ao utilizado para alimentação de arame eletrodo no processo TIG. Sua função é introduzir continuamente o
arame na poça de fusão simultaneamente à adição do arame energizado.
Os ensaios de cavitação foram realizados pelo método de vibração ultrassônica, segundo a ASTM G32-10 (2010),
em um equipamento Sonic Mills, modificado para o método indireto, ou método da amostra estacionária. Neste método,
as bolhas geradas pelo contra-corpo agem sobre a amostra de teste, provocando um dano cavitacional de 40 a 60%
menor que o verificado no método direto (SILVA et al., 2013). A distância entre a amostra e o contra-corpo influi
diretamente no desgaste, sendo o valor de 0,5 mm a distância onde a intensidade é máxima.
2.1. Materiais e Parâmetros de Soldagem
O material selecionado como metal de base foi o aço ABNT 1020 por ser facilmente encontrado no mercado, o que
o faz economicamente viável para esta pesquisa.
Foram confeccionadas chapas de testes nas dimensões de 300 mm de comprimento, 60 mm de largura e 12,5 mm de
espessura, sendo escovadas para a remoção de sujeiras. Durante os testes preliminares nas soldagens na posição
horizontal inicialmente, a chapa de teste foi fixada na bancada sendo depositado o cordão de revestimento. Porém,
devido à presença de defeitos com o escorrimento do cordão de solda (humping), utilizou-se uma chapa fina de aço
comum para ancoramento do primeiro cordão de solda depositado (ver detalhe na Figura 1). Esta chapa foi cortada na
dimensão de 300 mm de comprimento, 25 mm de largura e 3 mm de espessura. A Figura 1 mostra a configuração da
montagem da chapa de teste com uso do recurso de ancoramento para a soldagem na posição horizontal.
Figura 1. Montagem da chapa de teste com a chapa de ancoramento para a posição horizontal.
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Os metais de adição utilizados na soldagem são arames de aço inoxidável com baixa porcentagem em massa de
carbono, com especificação ER308LSi, Stellite 6 e Stellite 21. Na Tabela 1, são apresentadas as composições químicas
dos arames eletrodos.
Tabela 1. Composição química do arame eletrodo.
Liga
C
Co
Mo
N
Cr
Mn Si
Fe
Ni
ER 308LSi
0,02
0,0
0,0
0,06
20,0
1,6
0,8
68,7
10,5
Stellite 6
1,10
70,1
0,0
0,00
28,0
0,5
0,3
0,0
0,0
Stellite 21
0,25
63,0
5,0
0,00
27,0
0,5
0,3
0,0
3,0
Para a realização dos testes, foi utilizado o gás de proteção cuja composição é de 98%Ar+2%O2. Este gás é o mais
utilizado pela indústria na soldagem de aços inoxidáveis, sendo viável na aplicação da combinação com ligas de
cobalto.
2.2. Planejamento dos Experimentos
Neste estudo foram propostos inicialmente ensaios usando o metal de adição do tipo aço inoxidável austenítico de
soldabilidade mais estável com realização de dois testes (AF1 e AF2). A partir disso partiu-se para a combinação entre
os arames em aço inoxidável austenítico e ligas de cobalto. Nas últimas condições de soldagem usou-se somente as
ligas de cobalto. Para efeito de comparação na condição de soldagem AF7 utilizou-se a liga de cobalto Stellite 21,
soldada pelo processo MIG/MAG convencional. Logo, chegou-se a uma proposta conforme Tabela 2, onde CS é a
condição de soldagem, U é a tensão (V), Valim é a velocidade de alimentação, Valim AF é a velocidade de alimentação do
arame frio e Vsold é a velocidade de soldagem.
Tabela 2. Ensaios propostos para o processo MIG/MAG arame frio na posição horizontal.
CS
AF1
AF2
AF3
AF4
AF5
AF6
AF7
U (V)
23
23
23
23
23
23
23
Valim (m/min)
7,5
7,5
7,5
7,5
7,5
7,5
7,5
Valim AF (m/min)
1
1
1
1
1
1
-
Vsold (cm/min)
60
60
80
80
60
60
60
Metal Adição
ER308LSi
ER308LSi
ER308LSi
ER308LSi
Stellite 6
Stellite 21
Stellite 21
Arame Frio
ER308LSi
ER308LSi
Stellite 6
Stellite 21
Stellite 21
Stellite 6
-
As variáveis foram ajustadas visando à obtenção de condições adequadas de soldagem que contemplem o uso do
arame eletrodo em aço inoxidável austenítico, bem como as combinações em ligas de cobalto. O objetivo é encontrar
ajustes únicos dos parâmetros elétricos para todos os ensaios em MIG/MAG arame frio, minimizando variações
significativas na energia de soldagem.
Em todos os corpos de prova, adotou-se a configuração de ângulo da tocha de soldagem e injetor de arame frio em
80° (Fig. 2), com o tecimento da tocha de soldagem em 1,5 Hz com amplitude de 5 mm.
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Figura 2. Vista superior do ajuste da tocha e injetor no processo MIG/MAG arame frio na posição horizontal.
Após a soldagem do revestimento nas chapas de teste, retirou-se uma amostra para cavitação de acordo com a Fig. 3.
A amostra foi fixada em um porta-amostra dentro do líquido (água destilada) e posicionada a uma distância de 0,5 mm
de um contra-corpo de aço inoxidável AISI 304, montado no sonotrodo. A regulagem da distância entre a amostra e o
contracorpo foi feita através de um dispositivo pneumático, com um sensor de fim de curso e um micrômetro com
resolução de 0,01 mm. A frequência de vibração do sonotrodo é de 19,3 ± 0,1 kHz e a amplitude de oscilação foram
mantidas em 45 μm, pico a pico. A temperatura de ensaio foi de 25 ± 2 °C, controlada através de um sistema de
refrigeração. A profundidade de imersão da amostra no líquido de teste foi de aproximadamente 5 mm. A Figura 3
apresenta detalhes da montagem do sistema de fixação da amostra.
Figura 3. Representação esquemática do método indireto e dimensões do corpo e contra corpo; (1) sonotrodo, (2)
contra corpo em aço inoxidável 304 e (3) amostra de teste (SILVA et al., 2013).
Para determinação do desgaste, o ensaio foi interrompido em intervalos de tempo regulares de 1 h, as amostras
foram limpas com acetona em banho ultrassônico por 5 min. A perda de massa foi determinada através de balança
analítica com resolução de 0,001 mg e máxima massa de 210 g. A balança utilizada é do fabricante Sartorius, com
certificado de calibração n.º 1726/2013, emitido pela Mitutoyo Sul Americana Ltda. Foram realizadas 5 medições de
massa para determinação dos valores médios.
Os tempos totais de erosão cavitacional foram de 20 h para aço inoxidável austenítico e 40 h quando presentes as
ligas de cobalto, objetivando a determinação da taxa máxima de erosão em regime permanente.
3. ENSAIOS DE CAVITAÇÃO
Neste item, são apresentados e discutidos os resultados de erosão cavitacional nas amostras, com a utilização do
método gravimétrico para avaliação.
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A amostra AF1 foi submetida ao ensaio de cavitação durante um período de 20 horas com a determinação horária da
perda de massa. A taxa de erosão e a perda de massa acumulada estão apresentadas na Fig. 4 (a) e (b). De acordo com a
Fig. 4 (a), provavelmente a incubação foi superada a partir da 2ª hora, passando pela acumulação durante o período da
2ª à 8ª hora, com regime estacionário da 9ª a 20ª hora. Na Figura 5, a taxa de cavitação foi de 1,083 mg/h para o
intervalo da 10ª à 20ª hora com uma correlação superior à 99%, indicando uma evolução muito linear ao fim do ensaio.
A amostra AF2 revestida com aço inoxidável austenítico apresentou um desempenho a erosão muito próximo à
AF1, com valor da taxa de cavitação de 1,065 mg/h e perda de massa acumulada de 17 g.
A amostra AF3, composta por aço inoxidável austenítico e Stellite 6, foi submetida ao ensaio de cavitação durante
40 horas, com a determinação horária da perda de massa. A taxa de erosão instantânea para o ensaio AF3 é apresentada
na Fig. 6. Provavelmente após as 2 horas iniciais, rompeu-se a fase de incubação, entrando em um regime estacionário
até as 40 horas. A perda de massa acumulada está apresentada na Fig. 6 (b) com valor total de 18,42 mg. Na
determinação da taxa de erosão visando a uma maior correlação na regressão linear, foi avaliada na região entre 15 e 40
horas, como mostrado na Fig. 7.
A região escolhida está de acordo com o procedimento proposto na norma ASTM G-32-10 (2010), ou seja, usando a
porção final mais íngreme da curva para a definição da taxa de erosão. A taxa de erosão média foi de 0,48 mg/h (Fig. 7)
com uma correlação acima de 99%.
2,5
20
15
1,5
D (mg)
Tx (mg)
2,0
1,0
10
5
0,5
0,0
0
5
10
15
Tempo (horas)
0
20
0
5
10
15
20
Tempo (horas)
(a)
(b)
Figura 4. Amostra AF1 (a) Taxa de cavitação da amostra e (b) perda de massa acumulada.
20
D (mg)
15
10
y = 1,0831x - 4,4624
R² = 0,9995
5
10
12
14
16
18
20
Tempo (horas)
1,0
20
0,8
15
D (mg)
Tx (mg)
Figura 5. Taxa de cavitação para a amostra AF1 entre 10 e 20 horas.
0,5
0,3
10
5
0,0
0
0
5
10
15
20
25
Tempo (horas)
30
35
40
0
5
10
15
20
25
Tempo (horas)
30
35
40
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(a)
(b)
Figura 6. Amostra AF3 (a) Taxa de cavitação e (b) perda de massa acumulada.
A amostra AF4 tem seu desempenho à erosão por cavitação instantânea e a perda de massa acumulada na Fig. 8.
Apesar de a incubação ser superada após as 4 horas iniciais de ensaio, a perda de massa acumulada atingiu valores da
ordem de 30 mg.
A avaliação da região entre 15 e 40 horas para a amostra AF4 está na Fig. 9. Nota-se que a taxa de erosão de 0,93
mg/h é muito superior a AF3. Nos ensaios de cavitação, a leve adição de ligas de cobalto no processo MIG/MAG arame
frio afetou em ambos os casos a resistência ao desgaste. Analisando a taxa de erosão média para os ensaios com uso de
aço inoxidável austenítico com valores acima de 1 mg/h, tem-se 0,93 mg/h para a adição de Stellite 21 e 0,48 mg/h para
Stellite 6.
D (mg)
20
15
10
y = 0,4832x - 0,3768
R² = 0,9958
5
15
20
25
30
35
40
Tempo (horas)
Figura 7. Taxa de cavitação para AF3 entre 15 e 40 horas.
1,5
35
25
D (mg)
1,0
0,5
20
15
10
5
0,0
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0
5
10
Tempo (horas)
15
20
25
30
Tempo (horas)
(a)
(b)
Figura 8. Amostra AF4 (a) Taxa de cavitação e (b) perda de massa acumulada.
35
30
D (mg)
Tx (mg)
30
25
20
15
y = 0,9311x - 5,6911
R² = 0,9959
10
5
15
20
25
30
35
40
Tempo (horas)
Figura 9. Taxa de cavitação para a amostra erodida AF4 entre 15 e 40 horas.
35
40
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Para a amostra AF5, com adição de ambos os arames em ligas de cobalto é possível notar que para vários intervalos
de 1 hora não ocorreu perda de massa significativa. Em geral, existiram pontos de perda de massa maiores, com valores
em torno de 0,1 a 0,2 mg/h que são referentes aos pontos de 1, 10, 12, 20 e 22 horas. A perda de massa total atingiu o
valor de 1,4 mg, sendo muito inferior aos valores obtidos para a aplicação em MIG/MAG arame frio com aço
inoxidável austenítico e combinação com as ligas de cobalto.
Na Figura 10, está apresentada a taxa de cavitação e perda de massa acumulada para o ensaio AF5. Os pontos de
desgaste de maior nitidez são os já citados com perda de massa acima de 0,1 mg/h. Os demais são de pouca variação,
sendo necessário muito rigor nas medições de massa para detectar qualquer mudança.
Com relação a perda de massa acumulada apresentada na Fig. 10 (b), destaca-se uma característica diferenciada da
curva, com formação de degraus de crescimento do desgaste. Isto acontece porque a existência de um ponto de perda de
massa detectado como, por exemplo, em 10 horas gera um salto na Fig. 10 (b). Na sequência do teste, a perda de massa
é pequena com o aspecto de formação de uma linha levemente inclinada entre 10 e 20 horas.
0,5
2,0
1,5
0,3
D (mg)
Tx (mg)
0,4
0,2
1,0
0,5
0,1
0,0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0,0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Tempo (horas)
Tempo (horas)
(a)
(b)
Figura 10. Amostra AF5 (a) Taxa de cavitação e (b) perda de massa acumulada.
Ao usar a metodologia da taxa de erosão média, através de ajuste de uma curva regressão linear o valor é de 0,0148
mg/h (Fig. 11). Usou-se a faixa de perda de massa de 20 a 40 horas por representar uma região considerável e íngreme
da curva, como recomenda a ASTM G32-10 (2010). A correlação é baixa para o ensaio de cavitação de AF5 em
decorrência da flutuação na perda de massa para alguns pontos isolados, sendo comuns valores próximos a zero.
D (mg)
1,50
1,25
y = 0,0148x + 0,809
R² = 0,8396
1,00
20
25
30
Tempo (horas)
35
40
Figura 11. Taxa de cavitação para a amostra erodida AF5 entre 20 e 40 horas.
O ensaio AF6, com uma maior quantidade da liga de cobalto Stellite 21, apresentou uma taxa de erosão levemente
superior à AF5, com uma variação no somatório da perda de massa acumulada perceptível, atingindo um total de 3,204
mg. A Figura 12 apresenta a taxa de erosão para AF6, com picos de maior intensidade em 16 e 17 horas.
A perda de massa acumulada no ensaio AF6 está apresentada na Fig. 12 (b). Ocorreu um ponto de elevação na perda
de massa acumulada logo após as 15 horas. Para o estágio após 30 horas, houve uma estabilização da perda de massa
acumulada, tendo em vista que o valor da taxa de erosão aproxima-se de zero. Na Figura 13, a taxa de erosão média da
amostra AF6 foi de 0,069 mg/h, com uma correlação de 84,24%.
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4
0,5
3
D (mg)
Tx (mg)
0,4
0,3
0,2
2
1
0,1
0,0
0
0
5
10
15
20
25
Tempo (horas)
30
35
40
0
5
10
15
20
25
Tempo (horas)
(a)
30
35
40
(b)
Figura 12. Amostra AF6 (a) Taxa de cavitação e (b) Perda de massa acumulada.
3,50
D (mg)
3,00
2,50
y = 0,069x + 0,7291
R² = 0,8424
2,00
1,50
20
25
30
Tempo (horas)
35
40
Figura 13. Taxa de cavitação para a amostra AF6 entre 20 e 40 horas.
A mistura de arames proposta em AF6 apresentou um desempenho inferior à AF5 com relação ao desgaste por
cavitação. Entretanto, ao comparar com os demais ensaios com uso de aço inoxidável austenítico, o desgaste de AF5 é
extremamente inferior.
No ensaio AF7 a proposta foi soldado com MIG/MAG convencional, usando o arame Stellite 21. A perda de massa
acumulada atingiu valores da ordem 1,79 mg, com pontos de leve crescimento às 8, 11, 16 e 30 horas. Na Figura 14, a
taxa de erosão instantânea de AF7 apresentou picos relevantes com maior perda de massa. Com isso, a evolução da
perda de massa acumulada em AF7 conforme Fig. 14 (b) possui degraus, como ocorreu no teste AF5.
2,0
0,5
1,5
0,3
D (mg)
Tx (mg)
0,4
0,2
1,0
0,5
0,1
0,0
0,0
0
5
10
15
20
25
Tempo (horas)
(a)
30
35
40
0
5
10
15
20
25
Tempo (horas)
30
35
40
(b)
Figura 14. Amostra AF7 (a) Taxa de cavitação e (b) perda de massa acumulada.
A Figura 15 apresenta a taxa de cavitação média para o ensaio AF7, com valor da ordem de 0,03 mg/h e correlação
de 96,82%. Em AF7, como os valores da perda de massa apresentaram uma menor variação, com um crescimento
relativamente uniforme, a correlação apresentada é maior.
Com o objetivo comparar os resultados em termos de taxa de erosão e perda de massa acumulada para a cavitação
em MIG/MAG arame frio, em todas as diferentes combinações de arames em aço inoxidável austenítico e/ou ligas de
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18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil
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cobalto propôs-se a Fig. 16. De forma geral, na Fig. 16, os resultados da taxa de erosão conservam-se superiores para os
ensaios com o arame energizado e frio em aço inoxidável austenítico, como no caso dos ensaios AF1 e AF2. Tais
resultados estão coerentes com Santa et al. (2011) que obtiveram uma redução de 950% na taxa de erosão por cavitação
ao comparar o revestimento em aço inoxidável austenítico AWS E309 e ligas de cobalto depositado pelo processo
eletrodo revestido.
A presença do arame frio em liga de cobalto sempre proporcionou uma redução na perda de massa, destacando-se o
Stellite 6. Da mesma forma, o arame frio e energizado em liga de cobalto como em AF5, AF6 e AF7 reduziu
drasticamente a taxa de erosão. Constatou-se uma perda de massa praticamente insignificante no caso de AF5 com uso
de Stellite 6 energizado. Resultados similares foram obtidos por Hattori e Mikami (2009), comparando a erosão por
cavitação em aço inoxidável austenítico e ligas de cobalto Stellite 6 e 21.
Avaliando a perda de massa acumulada para os ensaios em MIG/MAG arame frio, a Fig. 17 traz o comportamento
para os revestimentos realizados.
O comportamento de AF1 e AF2 é similar, com uma tendência de crescimento elevado da perda de massa após a 5ª
hora. O ensaio AF4 ao utilizar somente o arame frio em Stellite 21 apresenta uma redução do desgaste. No mesmo
sentido, Beiler (2012) ao estudar a utilização da liga Cavitalloy (aço inoxidável austenítico ao cobalto) aplicadas
diretamente ao metal base em revestimento soldado percebeu uma sensível redução na taxa de erosão por cavitação, em
comparação com peças previamente amanteigadas com aço inoxidável 309.
2,00
D (mg)
1,50
1,00
y = 0,0318x + 0,517
R² = 0,9682
0,50
0,00
20
25
30
Tempo (horas)
35
40
Figura 15. Taxa de cavitação para a amostra erodida AF7 entre 20 e 40 horas.
Tx (mg/h)
1,5
AF1
AF2
AF3
AF4
AF5
AF6
AF7
1,0
0,5
0,0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Tempo (h)
Figura 16. Resultados da taxa de cavitação para os ensaios em MIG/MAG arame frio.
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35
30
D (mg)
25
AF1
AF2
AF3
AF4
AF5
AF6
AF7
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Tempo (h)
Figura 17. Resultados de perda de massa acumulada para os ensaios em MIG/MAG arame frio.
Entretanto, é notório o melhor desempenho ao usar o Stellite 6, mesmo somente como arame frio em AF3. Em geral,
os ensaios usando somente ligas de cobalto indicam que a combinação de arame Stellite 6 energizado e Stellite 21 no
arame frio tem o melhor comportamento em relação à perda de massa acumulada. Na erosão por cavitação, persistem
fortes indícios de que o arame Stellite 6 proporciona resultados melhores, tanto no arame energizado como na
combinação com o aço inoxidável austenítico.
4. CONCLUSÕES
Os objetivos propostos no início deste estudo foram alcançados de modo que a aplicação da metodologia proposta
permitiu a análise da geometria do cordão de solda e incerteza. Desse modo, obtiveram-se as seguintes conclusões:
O processo de soldagem na posição horizontal apresenta forte sensibilidade às variações de seus parâmetros, sendo o
ajuste adequado fundamental para evitar os humpings. A capacidade de soldagem na posição horizontal, com o processo
MIG/MAG arame frio, depende, entre outros fatores, do ajuste preciso da posição de entrada do arame frio em relação
ao energizado e de sua velocidade de alimentação.
O aço inoxidável austenítico apresentou grandes perdas de massa (ensaio de cavitação), independentemente do
processo de soldagem utilizado. As misturas de aço inoxidável austenitico e ligas de cobalto apresentam redução do
desgaste, quando comparado com o aço inoxidável austenítico.
Os resultados mostram que pequenas adições de Stellite 6 ao aço inoxidável austenítico na aplicação do
revestimento diminuem sensivelmente o desgaste por cavitação.
A combinação de maior quantidade de Stellite 6, juntamente com Stellite 21 foi a melhor proposta para possíveis
aplicações em turbinas hidráulicas.
5. REFERÊNCIAS
Allestein, A. N. et al. Improvement of cavitation erosion resistance for low-temperature plasma nitride Ca-6NM
martensitic stainless steel. Wear, n. 309, p. 159-165, 2014.
Beiler, D. R. Influência das condições de processo sobre as descontinuidades e resistência à cavitação de revestimentos
soldados sobre aço CA-6NM. 2012. 126 f. Dissertação (Mestrado). Programa de Pós Graduação em Engenharia
Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2012.
Cruz Júnior, L. P. S. et al. Influência da Variação do Tecimento, Ângulo de Ataque e Velocidade de Alimentação sobre
a Geometria de Cordões de Revestimento pelo Processo MIG-DWOA. In: 6º Congresso Brasileiro de Engenharia
de Fabricação, 2011, Caxias do Sul.
Díaz, V. V. Uma contribuição ao Processo de Soldagem Plasma de Arco Transferido (PTA) para Posições Forçadas.
Soldagem & Inspeção, São Paulo, n. 1, p.33-43, Jan/Mar 2011. ISSN 0104-9224 (printed).
Gonçalves, B. H. B.. Estudo Comparativo da Resistência à Erosão por Cavitação do Metal de Solda depositado por um
Arame Tubular tipo 13%Cr – 4%Ni – 0,4%Mo e do Aço Fundido ASTM A 743 CA-6NM. Dissertação (Mestrado
em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Minas Gerais, 2007.
Hattori, S.; Mikami, N. Cavitation erosion resistance of satellite alloy weld overlays. Wear, n. 267, p. 1954-1960, 2009.
Modenesi, P. J. Soldabilidade dos Aços Inoxidáveis. São Paulo: ABS, 2001. 100 p., ISBN 8588746026.
Mougo, A. L. et al. Caracterização Microestrutural de uma Superliga de Níquel Depositada pelos Processos GMAW e
GMAW com Arame Frio em Chapas e Dutos de Aço Carbono. In: XXXVII Congresso Nacional de Soldagem,
2011, Natal.
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Santa, J. F. et al. Cavitation erosion of martensitic and austenitic stainless steel welded coatings. Wear, n. 271, p. 14451453, 2011.
Silva, F. J., et al. Cavitation erosion behavior of ion-nitrited 34 CrAlNi 7 steel with different microstructures. Wear, n.
304, p. 183 - 190, 2013.
6. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluídos no seu trabalho.
FOR STEEL COATING CAVITATION WEAR ASSESSMENT AND
STAINLESS AUSTENITIC COBALT ALLOYS OBTAINED BY PROCESS
MIG / MAG WIRE COLD HORIZONTAL
Hebert Roberto da Silva, [email protected]
Washington Martins da Silva, [email protected]
Alberto Arnaldo Raslan, [email protected]
Valtair Antonio Ferraresi, [email protected] 2
1
Universidade Federal de Mato Grosso, Campus de Rondonópolis - Rodovia Rondonópolis-Guiratinga, KM 06 (MT270) - Bairro Sagrada Família, Rondonópolis – MT, CEP 78735-910.
2
Universidade Federal de Uberlândia, Campus Santa Mônica - Bloco 1M – Térreo, Av. João Naves de Ávila, 2121 Bairro Santa Mônica. Uberlândia – MG, CEP 38400-902.
Abstract: The turbines are designed for high performance and durability without, however, delete a continuous action
of a phenomenon known as cavitation. Currently the leading solution for hydraulic turbines is the surface coating of
the substrate, usually carbon or low alloy steel, by the deposit of a more noble material for welding. Among the
materials used for coating include austenitic stainless steels and cobalt alloys. Proposed an experimental evaluation to
verify the effect of operating variables on the wear resistance cavitation coatings soldiers by MIG / MAG cold wire.
The MIG / MAG cold wire will be used in a horizontal position, for their review under the same conditions to field
welds. It seeks to achieve this productivity, quality and improved cavitation resistance using mixtures of different types
of wires. In order to achieve the objectives of this study were performed by cavitation wear reviews of the samples by
measuring the mass loss. Although the sensitivity adjustment, the results obtained with welding coating, wire austenitic
stainless steel and cobalt alloys have shown that the methodology may be deemed promising, especially when the aim
is the addition of alloying elements, combined with High productivity. Another key factor is the superior wear
resistance cavitation when it makes use of cobalt alloys.
Keywords: Austenitic Stainless Steels, Cobalt alloys, Welding in Horizontal Position.