Efeito da Temperatura e Tempo de Austenitização nas ...

Efeito da Temperatura e Tempo de Austenitização nas Transformações deFase da Liga 13Cr2Ni0,1CNeide Aparecida MarianoProfessora da Universidade São Francisco/PPG-ECMneide.mariano@saofrancisco.edu.brMarcus Galendemarcusgalende@bol.com.brUniversidade São Francisco/Engenharia MecânicaCamila Alves LaveliUniversidade São Francisco/Engenharia de Materiaiscamila_lavelly@hotmail.comMarcos Alexandre FernandesMestrando da Universidade São Francisco/PPG-ECMeng_marcosfernandes@yahoo.com.brResumoNovas classes de aços inoxidáveismartensíticos, com baixo teor de carbono,têm sido desenvolvidas, para atenderprincipalmente às necessidades do segmentoda indústria do petróleo. Contudo, o seu usotem sido restrito pelo fato de ser umdesenvolvimento recente e muitas de suaspropriedades ainda são motivos deinvestigação. Neste trabalho foramdeterminados os valores das temperaturasinicial e final da transformação austenítica eas temperaturas de início e fim da formaçãomartensítica, para a liga 13Cr2Ni0,1C,através de ensaios dilatométricos comresfriamento contínuo. Com base nessesresultados, foram obtidas as condiçõesotimizadas dos tratamentos térmicos detêmpera e revenido. A caracterizaçãomicroestrutural das ligas na condição debruta fusão foi realizada por microscopiaótica observando-se uma matriz martensíticacom a presença de ferrita delta.Palavras-chave: aço inoxidável,dilatometria, têmpera, revenido.AbstractNew classes of martensitic stainlesssteels, with low carbon levels, have beendeveloped aiming to meet the needs of thepetroleum industry segment. However, theiruse has been restricted due to the fact it is arecent development and many of itsproperties are still under investigation. Thiswork determines the values of initial andfinal temperatures for the austenitictransformation and the initial and finaltemperatures of martensitic formation foralloy 13Cr2Ni0,1C, by means of dilatometrictests under continuous cooling. Based onthese results the optimized conditions forquench and temper heat treatments wereobtained. The microstructuralcharacterization of the alloys under coarsefusion condition was carried out by opticalmicroscopy and the presence of delta-ferritein the martensitic matrix was observed.Keywords: stainless steel, dilatometry,temper, quenchMetalurgia Física 36

1. IntroduçãoNas últimas décadas foram desenvolvidasnovas classes de aços inoxidáveis martensíticos,com teores de carbono de 0,01-0,1%C, cromo11-13%Cr e níquel 2-6%, com o objetivo deatender principalmente às necessidades dosegmento da indústria do petróleo (Deleu et al.,1999; Kondo et al., 1999; Straube, 1988;Smolenka, et al., 2001).No entanto, o desafio tem sido desenvolverligas que associem boa resistência mecânica,soldabilidade, resistência à corrosão e baixocusto, para serem utilizadas como alternativaviável no campo de produção das indústriasquímica e petroquímica.Essa nova classe de aço inoxidávelmartensítico foi desenvolvida baseando-se nametalurgia dos aços inoxidáveis martensíticosconvencionais com 13%Cr-0,2%C, com oobjetivo de aumentar o teor de cromo na matriz,evitando a precipitação de carbetos do tipoCr 23 C 6 . Para isso, foi necessário diminuir o teorde carbono e conseqüentemente adicionarníquel, entre outros elementos de liga como Cu,Mn e Co, que promovessem a estabilização dafase austenítica (γ) e evitando a formação deferrita delta (δ) na temperatura deaustenitização, que poderiam prejudicar aspropriedades mecânicas do material (Park &Park, 2007).No entanto a redução do teor de carbono e apresença de cromo nos aços inoxidáveismartensíticos, além de estreitar o campoaustenítico. tornam a ferrita delta estável emtemperaturas mais baixas, o que tende adiminuir a tenacidade. Este efeito é compensadocom a adição de níquel, para expandir o campoaustenítico e estreitar o campo da ferrita delta,restringindo-o a temperaturas mais elevadas,porém, abaixa consideravelmente astemperaturas de início (Ms) e de fim (Mf) datransformação martensítica, por isso,normalmente é utilizado um teor máximo de 6%de Ni (Leem et al., 2001; Toussanint & Van DerWinden, 2001).A alta temperabilidade destes aços se deveprincipalmente à presença de níquel e cromo,garantindo que mesmo em peças de grandessecções ocorra a formação da estruturamartensítica em seu núcleo com resfriamento aoar (Toussaint & Dufrane, 2002).Os aços inoxidáveis martensíticosgeralmente são austenitizados acima datemperatura inicial da transformação austenítica,Ac3, temperatura na qual, ocorre a dissoluçãode carbonetos e a decomposição da ferrita delta,oriunda do material de bruta fusão. Atemperatura de austenitização não deve sermuito baixa, pois pode levar a baixos valores detenacidade devido à não-dissolução doscarbonetos, e não deve ser muito alta para evitaro crescimento acentuado dos grãos austeníticos.Assim, o objetivo deste do trabalho foiobter os valores das temperaturas inicial (Ac3) efinal (Ac1) da transformação austenítica e astemperaturas de início (Ms) e de fim (Mf) daformação martensítica. Assim como caracterizara microestrutura e identificar as fases presentesna condição de bruta fusão.2. Materiais e MétodosFoi utilizado o aço inoxidável martensíticofundido 13Cr2Ni0,1C, (ASTM A487/A487M-98), a partir de sucata fundida, utilizando-se umforno convencional a arco elétrico, com refinonum forno AOD (descarbonetação argôniooxigênio).A Tabela 1 apresenta a composiçãoquímica nominal em % em peso, do aço emestudo.Tabela 1- Composição química do açoinoxidável martensítico (% peso).C Si Mn Cr Mo Ni Cu0,095 0,92 0,75 12,61 0,15 2,05 0,028A liga foi caracterizada na condição debruta fusão. Para revelar a microestrutura foiutilizado um ataque químico por imersão atemperatura ambiente e o reagente químicoempregado foi o de Behara. A difração de raios-X foi utilizada para identificar as fases presentesna liga. Os ensaios de dilatometria foramrealizados num dilatômetro de resfriamentorápido modelo RB-1000. Os corpos de prova(cps) foram usinados a partir dos aços no estadode bruta fusão, na forma de cilindros comMetalurgia Física 37

diâmetro de 0,2mm e comprimento de 20-27mm, segundo especificações do equipamento.As curvas dilatométricas foram obtidas emfunção das variações do comprimento do corpode prova (ΔL/Lo) e a taxa de temperaturarequerida. Eles foram austenitizados a 950ºC e1100ºC e os tempos de encharque foram de 10,20 e 30 minutos para ambas as temperaturas,com o objetivo de obter os valores de A c1 ; A c3 ;Ms e Mf. Os ciclos térmicos utilizados estãomostrados na Tabela 2.proporções, a presença de carbonetos queprecipitaram durante a solidificação.Normalmente, essas fases não aumentam aresistência e a dureza da martensita nessa liga,mas podem contribuir para sua fragilização.A Figura 2 mostra os resultados obtidos pordifração de raios–X para a liga sem qualquertratamento térmico prévio. Os picos principaisse referem à fase FeCr e observa-se que apenasos planos da fase ferrita (110), foram difratados.Tabela 2 - Parâmetros utilizados no ciclotérmico para os ensaios de dilatometria.CicloTaxa Tf(ºC)Ti(ºC)térmico(ºC/s)Aquec. 25 5950/1100t=10;20;30minResfr. 950/1100 25 50Ti = temperatura inicial; Tf = temperatura finalintensidade (u.a.)1000800600400200(110) αliga:13Cr2Ni0,1C(211) α3. Resultados e Discussão0(200) αA Figura 1 apresenta a fotomicrografia daliga 13Cr2Ni0,1C na condição de bruta fusão,obtida por microscopia ótica. Não ocorreuvariação significativa da microestrutura nasdireções transversal e longitudinal. E observa-seque estão presentes na matriz martensítica,precipitados de carbonetos (região escura) eferrita (região branca), nos contornos de grão.Figura 1- Microestrutura da liga 13Cr2Ni0,1Cna condição de bruta fusão, obtida pormicroscopia ótica. Ataque químico: Behara.Além dessa fase, observa-se pequenaquantidade de ferrita delta e, em menores0 20 40 60 80 1002θ (graus)Figura 2- Difratograma da liga 13Cr2,0Ni0,1Cna condição de bruta fusão.A Figura 3 apresenta os dilatogramasobtidos durante o aquecimento à 950 o C e1100 o C, seguido de resfriamento. Para efeitoilustrativo, as Figuras 4 e 5 mostram em detalheo trecho de aquecimento e resfriamento dodilatograma, onde ocorrem as transformaçõesaustenítica e martensítica, para a uma dascondições estudadas (austenitização a 1100 o Cpor 30minutos). Observa-se que o tempo deencharque nas temperaturas de austenitizaçãonão tiveram influência significativa nos valoresobtidos de Ac1, Ac3, Ms e Mf.A Tabela 3 mostra os valores médiosobtidos de Ac1, Ac3, Ms e Mf, nas condiçõesestudadas. O diagrama de equilíbrio, para asligas Fe-Cr (Folkhard, 1988), mostra que, para oaço utilizado neste trabalho, o campo da ferritaδ se localiza entre 1300 e 1230ºC. Assim, apesarda temperatura de transformação γ-δ não tersido determinada, recomenda-se que atemperatura mínima de austenitização seja de1000 o C nos tratamentos de têmpera, paraMetalurgia Física 38

garantir que os aços sejam austenitizadossomente dentro do campo da fase gama.Δl/L o(10 -3 )Δl/L o(10 -3 )121086420-2-4-6151050-5-10tempo de encharque:10 minutostempo de encharque:20 minutostempo de encharque:30 minutosTaxa de aquecimento 5 o C/sTaxa de resfriamento 25 o C/sTemperatura=950 o C0 200 400 600 800 1000Temperatura ºC(a)tempo de encharque:10 minutostempo de encharque:20 minutostempo de encharque:30 minutosTaxa de aquecimento 5 o C/sTaxa de resfriamento 25 o C/sTemperatura=1100 o C0 200 400 600 800 1000 1200Temperatura ºC(b)Figura 3 - Dilatograma do aço 13Cr2Ni0,1C. (a)Aquecimento à 950 o C; (b) Aquecimento à1100 o C.Δl/L ox (10 -3 )eixo esquerdoresfriamento10 eixo direito; Temperatura=1100 o C; tempo de encharque de 30min.50-5-10-15-20Mf=85 o CMs=270 o C0 200 400 600 800 1000 1200Temperatura ( o C)Figura 5– Detalhe da região do dilatogramaonde ocorreram as transformações(resfriamento).Tabela 3 - Valores de Ac1, Ac3, Ms e Mfobtidos para a liga 13Cr2Ni0,1C.6004002000-200Temperaturas de autenitização = 950 o Ctempos deencharque (min)Ac1(ºC)Ac3(ºC)Ms(ºC)[d(Δl/lo)/dT] x (10 -3 )Mf(ºC)10 740 920 280 8520 750 910 280 8530 740 910 270 80Temperaturas de autenitização = 1100 o Ctempos deencharque (min)Ac1(ºC)Ac3(ºC)Ms(ºC)Mf(ºC)10 745 920 270 8520 740 920 270 9030 750 910 270 85Δl/L ox (10 -3 )12840eixo esquerdoeixo direitoaquecimentoTemperatura=1100 o C; tempo de encharque de 30min.918 o C900770 o C740806040200-20[d(Δl/lo)/dT] x (10 -3 )As temperaturas de início (Ms) e de fim(Mf) da transformação martensítica sãoinfluenciadas pelos elementos de liga emsolução sólida na austenita e podem serrelacionadas, como sugerido por Folkhard, pelaseqs. (1) e (2) (Folkhard, 1988):Ms = 492-12.%C-65,5.%Mn-10.%Cr-29.%Ni (1)Mf = Ms - 150ºC (2)0 200 400 600 800 1000 1200Temperatura ( o C)Figura 4 – Detalhe da região do dilatogramaonde ocorreram as transformações(aquecimento).Os valores de Ms e Mf calculados estãoapresentados na Tabela 4. Pode-se observar queos valores calculados divergem dos valoresencontrados experimentalmente. Isto se deve aofato das equações propostas serem umaMetalurgia Física 39

simplificação da realidade metalúrgica dos aços.Além disso, a Ms é dependente tanto doselementos de liga solubilizados na austenitaquanto da temperatura de austenitização, umavez que esta variável tem influência nadissolução de precipitados e na concentração deelementos de liga em solução.Tabela 4 - Valores de Ms e Mf calculados.liga Ms (ºC) Mf (ºC)13Cr2Ni0,1C 256 106Pela eq. (1), observa-se a influência docarbono, manganês e níquel na redução datemperatura Ms. Deve-se lembrar, porém, queisso é uma simplificação e que, na realidade, amaioria dos elementos de liga em solução sólidana austenita abaixa a temperatura Ms.A eq. (2) mostra que o intervalo detemperatura inicial e final da transformaçãomartensítica é constante e igual a 150ºC. Aocontrário da temperatura Ms, que é dependentedos elementos de liga solubilizados na austenita.Os resultados obtidos da temperatura Ms,mostraram-se invariável em relação às taxas deresfriamento, conforme observado por Leem(Leem et al., 2001), para taxas entre 0 e 50ºC/s.4. ConclusõesA liga 13Cr2Ni0,1C na condição de brutafusão apresentou uma matriz martensítica compequena quantidade de ferrita delta. A técnicade difração de raios-X não indicou a presençade austenita ou carbonetos nas ligas de brutafusão. Os ensaios de dilatometria permitiramdefinir as temperaturas críticas de transformaçãoAc1, Ac3, Ms e Mf. O tempo de encharque nãoteve influência nos valores de Ac1, Ac3, Ms eMf, para as duas temperaturas de autenitizaçãoutilizadas. Para o intervalo de temperatura deaustenitização 950-1100ºC, não houveinfluência nas temperaturas de transformaçãoMs e Mf, para as duas ligas.5. AgradecimentosOs autores agradecem a FAPESP pelosuporte financeiro ao Projeto de Auxílio àPesquisa Processo N o 05/59183-0.6. ReferênciasDELEU, E.; DHOOGE, A.; DUFRANE, J.J.Weldability and hot deformability ofdifferent supermartensitic stainless steelgrades by weld simulation testing. In:Supermatensitic Stainless Steel 99, Bélgica.Anais…p. 232-240, 1999.FOLKARD, E. Welding Metallurgy ofStainless Steels. New York, Wiem:Springer Verfaf, p. 98-181, 1988.KONDO, K.; UEDA, M.; OGAWA, K.;AMAYA, H.; HIRATA, H.; TAKABE, H.;MIYAZAKI, Y. Alloy design of super 13Crmartensitic stainless steel (Development ofsuper 13Cr martensitic stainless steel for linepipe-1). In: Supermartensitic Stainless Steels99, Bélgica. Anais… p. 11-18, 1999.LEEM, DONG-SEOL et al. Amount ofRetained Austenite At Room TemperatureAfter Reverse Transformation off MartensiteTo Austenite In An Fe-13%Cr-7%Ni-3%SiMartensitic Stainless Steel. ScriptaMaterialia, v. 45, p. 767-772, 2001.PARK, J. Y.; PARK, Y.S. The effects of heattreatment parameters on corrosion resistanceand phase transformation of 14Cr-3Momartensitic stainless steel. Materials Scienceand Engineering A, p. 1131-1134, 2007.SMOLENKA, H. et al. Influence of 12%Crmartensitic steel quality on power gerationequipament reliability. InzynieriaMaterialowa, v. NR-5, p. 857-860, 2001.STRAUBE, H. Developments for AdditionalImprovement of Low Carbon MartensiticCr-Ni Stainless Steels. Conference onMaterials Development in Turbo MachineryDesign. Cambridge, UK. Anais… p. 12-14,1988.TOUSSAINT, P.; VAN DER WINDEN, H.Vices and virtues of supermartensiticstainless steels, In: Stainless Steel World2001. Anais… p. 9-16, 2001.TOUSSAINT, P.; DUFRANE, J. Advances inthe making and base material properties ofsupermartensitic stainless steels (SMSS). In:Supermartensitics 2002, Bélgica. Anais… p.23-27, 2002.Metalurgia Física 40

Neide Aparecida MarianoE-mail: neide.mariano@saofrancisco.edu.brRua Alexandre Rodrigues Barbosa, 45, Itatiba,SP, CEP 13251-900Metalurgia Física 41