Como resultado de suas excelentes propriedades físico-químicas, e sua disponibilidade na forma de chapas grossas, chapas finas e barras redondas, a liga RA 602 CA tem sido crescentemente utilizada nas aplicações mais exigentes, incluindo tubos radiantes, muflas para uso até 1204°C, dispositivos de fornos para tratamento térmico de austenitização de aços-ferramenta e outras aplicações extremas de alta temperatura.

Composição Química

A composição da liga está mostrada na Fig. 1. A liga utiliza os benefícios de Cromo, Alumínio e Carbono com “microalloying” = com microadições de Zircônio, Titânio e Ítrio. A combinação do relativamente alto carbono com o alto cromo produz carbonetos grandes tipo Cr23C6. Em adição, formam-se carbonetos submicroscópicos de titânio e zircônio. Mesmo o tratamento de solubilização a 1232°C (2250°F) não irá ressolubilizar estes carbonetos, conferindo assim resistência ao crescimento de grão e excelente resistência à fluência. Um teor nominal de 2% de alumínio possibilita a formação de uma contínua camada autoprotetora de subescamas de alumina, que melhora a resistência à oxidação, a resistência à carburização e a resistência ao “metal-dusting” (esfarelamento metálico). O ítrio aumenta a adesão e a resistência à desfragmentação do óxido, aumentando, assim, a resistência à oxidação.

Propriedades

A liga RA 602 CA tem as melhores propriedades de resistência à fluência e resistência à ruptura entre as ligas trabalháveis à base de níquel. A liga RA 602 CA supera o desempenho das ligas HR-120®, HR-160®, RA333®, 601 e outras similares nas mais altas temperaturas (Fig. 2). A indústria de tratamento térmico tem aceitado ambos HR-120 e Alloy 230 como ligas para uso em bandejas e outros acessórios de fornos devido a sua percebida alta resistência à fluência em altas temperaturas.

A literatura técnica disponível online para ambas, HR-120 e Alloy 230, somente fornece dados de resistência à fluência até 982°C e indica que os dados são extrapolados para temperaturas mais altas. RA 602 CA tem dados de resistência à fluência até a temperatura de 1150°C.

A liga RA 602 CA pode ser usada em ambientes oxidantes com temperaturas de até 1232°C. Os resultados de dois recentes estudos de oxidação são mostrados na Fig. 3. A liga Alloy 230 não estava disponível para estes estudos.

Metal-dusting ou Esfarelamento Metálico (também conhecido como carburização catastrófica ou podridão de carbono) é um fenômeno no qual um alto potencial de carbono separa a liga metálica em grafite e metal na superfície do metal. Isto, por sua vez, leva o metal a reduzir sua espessura e finalmente desintegrar-se. O “Metal-dusting” tipicamente ocorre em temperaturas entre 427-650°C.

Um estudo de mais de uma década atrás (Tabela 1) mostrou que RA 602 CA é uma liga excelente para resistir a tal fenômeno. As condições de teste são 649°C, com uma atmosfera de hidrogênio, monóxido de carbono e vapor d’água em equilíbrio para atingir um potencial de carbono maior que 1%. Note que esta liga estava com acabamento bruto de usina. A liga 601 teve preparação de superfície em três modos e a condição de superfície bruta de usina produziu os piores resultados.

O resultado de um segundo estudo conduzido na zona de metal-dusting em um forno de cementação é mostrado na Tabela 2. Neste estudo, tubos de 1” SCH40 em múltiplas ligas, e em alguns casos múltiplas condições de superfície, foram submetidos a um potencial de carbono de 1,2%, em uma temperatura de 926°C, de forma que o tubo está a aproximadamente 593°C apenas no local onde ele sai do refratário.

Historicamente, muitos consideram a liga RA333 como a melhor escolha para este problema de Metal-dusting. Ocorre que recentemente a disponibilidade de RA333 tem se tornado mais limitada, pois ela só é facilmente disponível na forma de “plate” (chapa grossa) e muito se pesquisou para identificar uma alternativa adequada. Nos últimos anos, um grande esforço para identificar tal liga foi realizado por um dos principais fabricantes norte-americanos de equipamentos de capital em suas instalações de tratamento térmico. Somente duas alternativas adequadas foram encontradas:

Liga 625, a qual é limitada a uma temperatura máxima de forno de 982°C, por causa de seu limite de oxidação; e RA 602 CA, que possui limitação a temperaturas mais altas e é assim a alternativa de escolha.

Em adição ao “Metal-dusting”, ligas usadas para dispositivos no processo de tratamento térmico de cementação, tais como fixadores e grelhas, são escolhidas por sua habilidade de resistir à carburização porque seu teor de carbono é também menor que o potencial de carbono do processo. É bastante conhecido o fato que o Níquel tem uma baixa solubilidade para carbono. Portanto, ligas com mais alto teor de Níquel deveriam ser benéficas para resistência à carburização.

Adicionalmente, Cr, Si e Al são todos elementos formadores de óxidos, e óxidos contínuos destes elementos diminuem a difusão do carbono no metal base. Quando se alternam condições entre oxidante e carburante, carbonetos internos são convertidos em óxidos, liberando CO, alargando os contornos de grãos e soltando o óxido de forma que a resistência à carburização pode ser diminuída. A liga RA 602 CA com uma combinação de alto níquel e uma subcamada de alumina termodinamicamente estável torna esta liga mais efetiva na resistência à carburização. (Tabela 3).

Aplicações

Tubos Radiantes

A empresa Euclid Heat Treating, na cidade de Euclid, Ohio, EUA, concordou em testar tubos radiantes com configuração de 3 pernas, fabricados a partir de chapas na liga RA 602 CA com espessura de 3,05 mm. Estes tubos substituíram os tubos fundidos por centrifugação com espessura de 9,53 mm na liga HX. Estes tubos tipicamente tinham vida útil de, no máximo, 4 anos de serviço. O forno de cementação tinha operação contínua a 954°C em potenciais de carbono entre 1.1 – 1.6. Com a manutenção apropriada, incluindo alinhamento de queimadores e queima semanal de carbono, eles conseguiram obter uma vida útil próxima de 9 anos para os tubos.

Uma fotografia da montagem de tubos após sete anos no forno é mostrada na Fig. 4 (foto do título deste trabalho). O custo inicial por tubo é significativamente maior que o tubo fundido que foi substituído – neste caso, pouco mais que 50%. Entretanto, os custos durante a vida útil do equipamento são significativamente menores usando RA 602 CA. Para um custo 50% mais alto do material obtém-se um mínimo de 100% de aumento na vida útil do tubo. A justificativa de custo real é o ciclo completo de substituição, que para uma típica operação de tratamento térmico pode ser entre 3 a 5 dias para o resfriamento do forno, evacuação de todos os gases atmosféricos e deixar o equipamento seguro para os trabalhadores de manutenção entrarem no forno, trocarem os tubos e reaquecê-lo para nova operação. A receita perdida devido a esta parada de operação do equipamento é o custo mais significativo para a maioria das operações de tratamento térmico.

Muflas

A liga RA 602 CA está provando ser a alternativa adequada para muflas que precisam operar nas mais extremas temperaturas – entre 1177°C e 1204°C. Um fornecedor de serviços de tratamento térmico de peças de aço-ferramenta substituiu uma mufla fabricada com a liga RA Europeia 2.4879 (G-NiCr28W) por uma nova mufla em RA 602 CA.  Passados 2 anos de vida útil, a nova mufla não apresentou nenhum sinal de descaimento lateral ou do teto, trabalhando numa temperatura de processo de 1177°C com atmosfera de 100% de Nitrogênio. Baseados no fato de que ainda não ocorreu descaimento, pode-se estimar que esta mufla deve ter uma vida útil adicional de pelo menos um ano.  As muflas anteriores tinham um histórico de falhar entre 1 ano e 1,5 ano por trincas nas regiões de solda ou por excessiva fluência.

Dispositivos de Tratamento Térmico

Como resultado de sua alta resistência à fluência, a liga RA 602 CA é muito adequada para a fabricação de dispositivos e acessórios em muitas aplicações, inclusive tratamentos térmicos sob vácuo. Uma empresa de tratamento térmico fabricou uma grelha serpentina com a liga RA 602 CA, que foi utilizada por mais de 2.000 ciclos. Esta grelha foi projetada para suportar até 907 kg de carga em uma temperatura de 1191°C a 1238°C e estar sujeita a resfriamentos bruscos em têmpera de Nitrogênio a 6-bar num forno a vácuo. Este dispositivo em particular foi fabricado com chapas de espessura de 4,76 mm originando uma grelha de dimensões de 914,4 x 1372 mm. Uma fotografia desta grelha está mostrada na Fig. 5.

Grelhas similares foram fabricadas para uma empresa que faz brasagem de cobre em trocadores de calor de aço inoxidável. Para esta aplicação, duas grelhas de 914,4 x 1219 mm e 914,4 x 1829 mm tiveram uma vida útil que excedeu 3 anos de serviço suportando 272 a 295 kg em temperaturas operacionais de 118°C. Por sua maior resistência à fluência, estes dispositivos em RA 602 CA proporcionaram uma redução de peso de 7 a 20% de grelhas similares em Alloy 600 e Molibdênio, permitindo aumento de eficiência da operação ou uma redução de energia no processo.

RA 602 CA foi usado para fabricar cestos de tratamento térmico para brocas de aço. O ciclo do processo é 20-45 minutos em temperatura até 1177°C, seguido por resfriamento em Nitrogênio a 2-bar e finalizando com revenimento a 566°C. Cada cesto é usado para até 6 ciclos por dia. O cesto foi construído com barras redondas de diâmetro de 9,525 mm. Após algum tempo é necessário algum endireitamento das barras, mas a frequência e a severidade desta manutenção foram significativamente reduzidas quando comparada aos cestos anteriormente utilizados que eram fabricados em Alloy 600. Uma fotografia destes cestos após 500 ciclos em 90 dias é vista na Fig. 6.

Retortas

A liga RA 602 CA foi usada para substituir uma retorta originalmente fabricada em Alloy 600 para um processo de aluminização em altas temperaturas (CVD aluminizing) com uma temperatura de processo de 1149°C. A retorta está submentida a temperaturas que se aproximam de 1204°C. Esta nova retorta tem um aumento de 6 vezes  na vida útil  quando comparada com  o tempo de um ano da retorta original em Alloy 600.

No teste original, o cliente concordou em construir a retorta com alguns canais em Alloy 600 e, no topo, com alguns canais em RA 602 CA. A temperatura de processo foi de 1093°C. Esta retorta está parcialmente mostrada na Fig. 7. Após diversos meses de operação, os canais em Alloy 600 se deformaram e perderam espessura devido à oxidação, enquanto os canais em RA 602 CA tinham aparência de praticamente novos. A empresa mudou todas as retortas da fábrica para retortas novas fabricadas em RA 602 CA.

Áreas Adicionais de Interesse

Como declarado anteriormente, a liga RA 602 CA exibe excelente resistência à carburização, o que a torna adequada para utilização em cestos a serem utilizados em processos de cementação.  Com o aumento de Carbono, no entanto, não é claro como um cesto soldado irá responder a ciclos de aquecimento em alta temperatura e posterior resfriamento brusco. Um novo teste está sendo conduzido para estudar, em condições reais, uma amostra soldada por resistência, que, por sua vez, está soldada a um cesto novo.

Tradução gentilmente cedida por Claudio Czarnobai, Representante Comercial no Brasil da Rolled Alloys; tel: (11) 3825-2966/ (11) 99112-2703; e-mail: claudioczarnobai@intwinds.com; site: www.itwmetals.com.br/br.

Para mais informações: Marc Glasser da Rolled Alloys, 125 West Sterns Road, Temperance, MI – EUA; tel: (+1) 800-521-0332; e-mail: metallurgical-help@rolledalloys.com; site: www.rolledalloys.com.

[our_team image=”” title=”Referências” subtitle=”” email=”” phone=”” facebook=”” twitter=”” linkedin=”” vcard=”” blockquote=”” style=”vertical” link=”” target=”” animate=””][/our_team]

[1] D. C. Agarwall & U. Brill, “Performance of Alloy 602CA (UNS N06025) in High Temperature Environments up to 1200°C,” Corrosion 2000, Paper number 00521, NACE International, Houston, Texas, 2000;
[2] D. C. Agarwall, U. Brill & J. Kloewer, “Recent Results on Metal Dusting of Nickel Base Alloys and Some Applications,” Corrosion 2001, Paper number 01382, NACE International, Houston, Texas, 2001;
[3] J. P. Kelly, Heat Resistant Alloys, Art Bookbindery, Canada, 2013,    www.rolledalloys.com RA 602 CA case histories.

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Este artigo irá introduzir o leitor a um entendimento amplo dos muitos fatores a serem considerados quando se seleciona uma liga de construção para uma aplicação com resistência ao calor.

Oxidação

A primeira e principal variável a ser considerada é o limite de oxidação de uma liga em particular. Uma camada contínua de óxido de cromo sobre a superfície de ligas inoxidáveis austeníticas é a responsável pela promoção da resistência à oxidação. A presença de silício e alumínio, em níveis elevados o suficiente em uma liga, irá permitir a formação de subcamadas de sílica ou alumina, o que irá aumentar ainda mais a resistência à oxidação. Finalmente, a adição de terras-raras e outros metais pesados irá aumentar mais um nível de resistência à oxidação pela presença de um óxido que irá se ligar aos outros óxidos para criar um óxido mais impermeável, fino e mais aderente, o qual será mais difícil de se quebrar. A camada de óxido mais fina é menos propensa a trincar e lascar do que um óxido mais espesso [1].

O óxido da superfície de qualquer liga resistente à oxidação é o responsável pela sua resistência à oxidação, mas também está submetido a condições que podem eventualmente destruir este óxido. A ciclagem térmica pode retirar a camada de óxido para fora da base ao longo do tempo. A camada pode se quebrar localmente pela formação de verrugas ou nódulos [1]. Quando a camada se quebra em um ponto, ela pode tanto se regenerar como ser o local de iniciação para uma quebra mais séria da camada.

São realizados testes em laboratório para definir os limites de oxidação e comparar as ligas de materiais competitivos. Este tipo de teste pode ser realizado a qualquer temperatura até 1232°C. A medição de escolha é o ganho de massa devido à formação de óxido (e nitreto). As amostras são aquecidas em cadinhos de porcelana, para reter as lascas de óxido. As amostras são retiradas semanalmente. Depois de aplicados os procedimentos para assegurar que nenhuma lasca de óxido seja perdida, eles são resfriados, pesados e depois reintroduzidos no forno até que as amostras fiquem à temperatura por 3.000 horas. O ganho de massa é relatado em mg/cm2.

Este tipo de teste é útil como um guia, mas não simula adequadamente todas as condições a que todas as ligas podem se encontrar em uma utilização de produção real, incluindo os ciclos térmicos mais frequentes, a fluência, as atmosferas estagnantes, as diferenças em atmosferas oxidantes (por exemplo, teor de umidade) e o tempo real. As ligas de construção talvez sejam utilizadas por anos e não meses e as extrapolações podem ou não ser confiáveis.

Apesar de todas estas limitações, o teste de oxidação é útil para comparações. Nestes testes de laboratório, os resultados com perdas menos de 20 mg/cm2 sugerem que uma liga, em forma de placa, não deve perder a sua integridade estrutural com base nas perdas por oxidação. Tendo em conta todas estas considerações, a Fig. 1 mostra os limites de oxidação do portfólio de ligas resistentes à corrosão da Rolled Alloys. A Fig. 2 é uma ilustração de uma experiência real mostrando de forma facilmente observável as diferenças na resistência à oxidação de várias ligas.

Exposição a Outras Atmosferas

No mundo do tratamento térmico os materiais de construção podem ser expostos a outras atmosferas, incluindo: cementantes, nitretantes (e combinações destas duas), de vácuo, hidrogênio, gás inerte, entre outras. Sob vácuo, ou com atmosfera de gás inerte em grande escala, a resistência à oxidação é menos importante porque o objetivo destas atmosferas é a criação de uma atmosfera livre de oxigênio. Também deve ser entendido que os produtos da combustão contêm tanto carbono como nitrogênio em altas temperaturas, o que pode levar à cementação e nitretação. No tratamento térmico comercial, a cementação e a carbonitretação são, geralmente, realizadas na faixa de temperaturas de 870 a 950°C, enquanto a nitretação e a nitrocarbonetação ferrítica são, geralmente, realizadas entre 530 e 565°C.

A cementação, a nitretação e as combinações destes dois processos fragilizam as ligas resistentes ao calor. Desta forma, os materiais já não podem ser endireitados ou soldados em algum ponto no tempo. A fragilização ocorre tanto a partir de mudanças na composição química da superfície devido à atmosfera que se difunde para o metal de base com a exposição prolongada quanto, se a temperatura for suficientemente alta, pelo crescimento do grão. A resistência à cementação (ou nitretação) é dependente do teor de níquel, da integridade da camada de óxido e do tamanho de grão. O níquel reduz a solubilidade de carbono na liga, de modo que ele simplesmente não irá se difundir para dentro do metal [1, 2, 3].

Nas ligas resistentes ao calor, são encontradas na superfície uma combinação de óxido de cromo, sílica e alumina, as quais também são uma camada de defesa contra a cementação. Mesmo que uma atmosfera seja redutora para o ferro, ela ainda pode ser oxidante para o cromo, o silício ou o alumínio. Isto pode ser determinado a partir de um diagrama de Ellingham. Basta dizer que a tendência de uma superfície ser oxidante ou redutora é termodinamicamente complexa, mas pode ser estimada por meio de uma análise cuidadosa dos diagramas de Ellingham [4].

A liga RA330® é utilizada de forma muito comum para fixações nesses ambientes e, normalmente, vai durar um ano. As ligas RA333®, 600, 601 e RA 602 CA® são mais resistentes à cementação, mas a custos crescentes. A liga 800HT, apesar de ter uma composição química semelhante à da liga RA330, com menos Si e uma adição de alumínio, apresenta uma diminuição da resistência à cementação, em grande parte por causa do tamanho de grão grande e da menor quantidade de sílica.

Como resultado destas atmosferas complexas, os testes de cementação são mais difíceis e devem ser adaptados para o ambiente particular com o qual um forno real irá trabalhar. Isto inclui o potencial de carbono, a temperatura e o teor de oxigênio da atmosfera. Este último parâmetro não pode ser salientado o suficiente, porque a formação de uma camada de proteção crítica é fundamental para obter uma comparação válida [1].

A cementação sob vácuo apresenta um problema único. Com as pressões parciais de oxigênio envolvidas neste processo, as camadas de óxido de cromo e de sílica não são termodinamicamente estáveis. Portanto, elas não estão presentes. A resistência à cementação vem em grande parte da alumina, que exige um mínimo de 2,5% ou uma combinação de alumínio e silício de, pelo menos, 3%. Uma prática usual é a de executar testes de cementação de novas ligas por comparação em um forno de cementação real – com amostras soldadas ou fixadas de alguma outra forma – a fim de se obter comparações de “maçãs com maçãs”.

Há uma forma final de cementação a ser considerada, que é o fenômeno de cementação com o pó de carbono. Ela ocorre tipicamente em temperaturas inferiores a 430-650°C e acontece quando um componente é colocado no forno através de uma parede de isolamento. O metal na parede de isolamento está a uma temperatura muito mais baixa e o metal que sai da parede está com a temperatura do forno. Há um grande gradiente térmico na zona próxima à parede. O metal parece ser “comido” na superfície [1]. A liga RA333 tem sido liga escolhida pela indústria de tratamento térmico durante décadas para resistir ao pó de carbono. Um fabricante de equipamentos demonstrou que tanto a liga RA 602 CA quanto a liga 333 são alternativas aceitáveis para aplicações com pós metálicos.

Fluência e Resistência à Ruptura

A resistência à tração não pode ser utilizada como um parâmetro de projeto em temperaturas acima de 540°C. Em seu lugar, existem dois fatores muito importantes na decisão sobre uma liga resistente ao calor: a capacidade da liga de resistir à distorção e à ruptura com uma carga aplicada a temperatura desejada. Estes dois parâmetros são conhecidos como resistência à fluência e à ruptura em alta temperatura, respectivamente. Dito de uma forma simples, a fluência é o fenômeno do metal se deformar a uma temperatura elevada devido ao seu próprio peso ou a partir de uma carga aplicada.

Uma forma visual simples criada para ajudar a compreender o fenômeno de fluência é mostrada na Fig. 3, na qual amostras redondas e perfeitamente concêntricas são soldadas em um fixador, colocadas em um forno por um período de tempo e, em seguida, refrigeradas ao ar. Algumas amostras cederam severamente, enquanto outras mal se deformaram. Aquelas que não se deformaram têm a melhor resistência à fluência. A taxa de fluência é expressa em % por hora e aumenta com a elevação da temperatura.

Durante o ensaio de fluência, existem três estágios: o estágio inicial; o estágio secundário, no qual existe uma inclinação constante da curva, que é a região com menor inclinação da curva; e o estágio final. Nos EUA, é medida a taxa mínima de fluência, que é a taxa constante apresentada no estágio secundário da fluência. Na Europa, é utilizada a fluência total, ou a tensão necessária a uma determinada temperatura para a amostra se alongar em um total de 1%. A taxa mínima de fluência e a taxa de fluência total não são intercambiáveis.

A resistência à ruptura é reportada tanto como a tensão como com o número de horas necessário, para romper uma amostra em uma quantidade específica de tempo. A resistência à fluência é a medida mais crítica. A razão é que, enquanto muitas ligas semelhantes têm resistência à ruptura comparáveis, elas podem não ter resistência à fluência similar. Neste caso, uma liga com muito mais elevada resistência à fluência irá manter a forma durante anos, enquanto outras poderão se deformar, tornando o forno inutilizável.

Finalmente, como muitas variáveis, tanto a fluência quanto a resistência à ruptura não são parâmetros exatos. Poderá haver, em uma mesma liga, variação de teste para teste. Além disso, os critérios de projeto dos fornos e peças devem conter um fator de segurança, uma vez que a falha pode ter consequências em relação à segurança. Desta forma, os critérios de projeto devem considerar valores mais baixos do que os de fluência e de tensão de ruptura reais. Um órgão governamental, a ASME (American Society of Mechanical Engineers), utiliza valores abaixo de 67% da tensão de ruptura extrapolada para 100.000 horas ou uma taxa de fluência mínima de 100% do valor extrapolado para 1% de deformação em 100.000 horas [5].

O Apêndice A (somente online) apresenta, para algumas ligas selecionadas, as propriedades de fluência e de ruptura.

É sabido que materiais com grãos mais grosseiros apresentam maior resistência à fluência e à ruptura do que materiais com grãos mais finos. Entretanto, se faz necessário um balanço de propriedades, já que materiais com grãos mais grosseiros perdem a sua resistência à fadiga térmica, enquanto ganham resistência à fluência e à ruptura.

Finalmente, a oxidação tem um efeito aparente de aumento de resistência sobre algumas ligas acima de 980°C. Quando foram utilizadas amostras finas para os ensaios de fluência e de ruptura, a liga RA333, que é conhecida por ter uma melhor fluência e resistência à ruptura do que a liga RA330, apresentou resistência à fluência inferior [1]. O exame visual mostrou um bom grau de oxidação na liga RA330 e nenhuma oxidação na liga RA333. Utilizando uma amostra mais espessa, o efeito da oxidação foi minimizado e deu resultados mais previsíveis.

Em resumo, um projeto adequado deve levar em conta a resistência à fluência e à ruptura em uma temperatura específica máxima e com um fator de segurança aceitável. Isto será conseguido para um material que não se deforme ou quebre durante um ciclo de vida razoável em uma dada temperatura.

Fragilização

Os materiais com alto cromo e baixo níquel (aços inoxidáveis) mudam de dútil para frágil em qualquer momento a partir de algumas centenas ou de até milhares de horas de serviço na faixa de 590 a 870°C. Isto ocorre devido à precipitação de uma fase intermetálica, dura e frágil, conhecida como fase sigma. Ao mesmo tempo em que a fase sigma pode não ser nociva quando o material está em alta temperatura, pode fragilizar a liga por completo quando a temperatura ambiente.

Além disso, o reparo a temperatura ambiente, com solda, pode acabar propagando as trincas, levando a uma falha catastrófica. Isso pode causar um risco de segurança real no reparo de um componente grande e pesado. Em tal situação, o material tem o potencial de quebrar como um pedaço de vidro, colocando em risco todos os empregados ao redor. Os elementos estabilizadores de ferrita (Cr, Mo, Si) promovem a formação da fase sigma, enquanto os elementos estabilizadores de austenita (Ni, N, C) atrasam a sua formação [2]. Na liga RA330 não é observada uma quantidade apreciável de fase sigma. Isto sugere que a fragilização por fase sigma pode ser completamente suprimida nos aços inoxidáveis com Ni em níveis suficientemente elevados, bem como em todas as ligas à base de níquel [1,2].

A formação da fase sigma tem um componente cinético, o qual é governado por uma curva em C. A composição química também tem um efeito sobre a formação da fase sigma. Como regra geral, todos os elementos que estabilizam a ferrita promovem a formação de fase sigma, especialmente o Si e o Mo, bem como o V, W, Ti e o Nb. Os elementos que estabilizam a austenita retardam a formação de fase sigma. Os grãos grosseiros retardam a formação de fase sigma, enquanto o trabalho a frio prévio a promove [6].

Um estudo da ASME sobre os materiais superaquecedores [7] mostra que a cinética de formação da fase sigma varia para cada liga. Independentemente da liga, o tempo para precipitação é longo. Finalmente, a cinética segue uma curva em C: há uma temperatura no meio da faixa de precipitação na qual a precipitação ocorre em um tempo mais curto.

As curvas em C variam de liga para liga. Os resultados são apresentados na Tabela 1. Um estudo interno realizado pela Rolled Alloys [8] mostra a perda de tenacidade após 10.000 horas de exposição a várias temperaturas (Tabela 2). Em um outro estudo [9] é mostrado como a liga RA330 retém a tenacidade após a exposição de 1.000 horas a 760°C, e os resultados são mostrados na Tabela 3. Finalmente, um estudo da Rolled Alloys [8] sugere que a liga 309 talvez retenha a resistência ao impacto a 870°C mais do que as ligas 310S ou RA 253 MA. Isto é mostrado na Tabela 4. Infelizmente, estes estudos não podem ser extrapolados para outras temperaturas.

Ciclagem e Expansão Térmica

Nas ligas resistentes ao calor, a fadiga térmica corresponde a trincas que ocorrem após repetidos aquecimentos e resfriamentos (têmpera) de uma liga. As ligas resistentes ao calor têm elevados coeficientes de expansão térmica e baixa condutividade térmica. Simplificando, a superfície do metal aquece e resfria antes do centro. Durante o aquecimento, a superfície está se expandindo de forma mais rápida que o centro, o que induz uma deformação no centro. Em seguida, durante a têmpera, a superfície está contraindo mais rápido do que o centro, colocando mais deformação sobre a superfície [1].

O melhor exemplo desse fenômeno é mostrado em cestos de tratamento térmico feitos com arames/barras e é dependente do processo. Como resultado das tensões, os tratamentos de cementação e de aquecimento em banho de sal causam trincas na superfície, as quais se propagam em direção ao centro; e estas trincas são visíveis. Por outro lado, o endurecimento em atmosfera neutra mostrará exatamente o oposto. As trincas se formarão no centro e não darão nenhuma indicação de que algo errado está acontecendo até que as barras se quebrem.

Há alguns caminhos para minimizar este fenômeno:

• Projetar as fixações de forma flexível ou soltas, como grades de uma serpentina (Fig. 4) com seções finas.

• Também podem ser empregadas juntas pregadas.

• Utilizar seções mais finas para diminuir o efeito de aquecimento e resfriamento não-uniformes. Em cestos de arames/barras, a redução do tamanho do diâmetro da haste de 5/8 polegadas para um diâmetro de 0,5 polegada diminui bastante os casos de trincas por fadiga térmica (Fig. 5).

• O emprego de materiais com grãos mais finos e ligas mais resistentes ao crescimento do grão irá resultar em dispositivos de carga que sejam mais dúteis e resistentes a tais trincas.

Tão importante quanto a fadiga térmica é a expansão térmica. Um ponto que os engenheiros de projeto muitas vezes não consideram é que a transferência de calor não é uniforme. Caso a expansão térmica seja contida, ocorrerão tensões de compressão. Quando essas tensões excederem o limite de escoamento de qualquer peça de metal, ela vai se curvar, dobrar ou trincar. Portanto, é importante entender como todas as partes irão aquecer e certificar-se de que existe espaço suficiente para a expansão e a contração.

Outros Fatores

Alguns fatores menos comuns (os quais não serão tratados neste texto) e que algumas vezes necessitam de consideração incluem a sulfetação, a exposição a metais fundidos, riscamento e manutenção apropriada. Quando se considera uma liga resistente ao calor para uma nova aplicação, é bastante sensato entrar em contato com um fornecedor, que tenha um corpo metalúrgico, o qual possa fornecer os dados necessários para um engenheiro de projeto especificar de forma segura um material, sabendo que estão sendo considerados todos os fatores em potencial.

Para mais informações, contate: Marc Glasser na Rolled Alloys; +1 800-521-0332, Metallurgical-help@rolledalloys.com; www.rolledalloys.com.

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[1] Kelly, J., Heat Resistant Alloys, Art Bookbindery, Canada, 2013;

[2] “The Nickel Advantage – Nickel in Stainless Steel,” The Nickel Institute, 2008;

[3] Massalski, Thaddeus, Editor in Chief, Binary Alloy Phase Diagrams, American Society for Metals, Metals Park, Ohio. 1986;

[4] Ellingham, H. J. T. (1944), “Transactions and Communications,” J. Soc. Chem. Ind. (London), 63 (5);

[5] ASME Boiler and Pressure Vessel Code. American Society of Mechanical Engineers. New York, NY. July 2011;

[6] Metals Handbook, V. 1, Tenth Edition, Properties and Selection: Irons, Steels, and High Performance Alloys, ASM International, Materials Park, Ohio, 1990., p. 709;

[7] Lien, George E, editor. Behavior of Superheat Alloys in High Temperature, High Pressure Steam. The American Society of Mechanical Engineers. New York, NY 1968;

[8] Rundell, Gene R. Rolled Alloys Investigation 27-84, Temperance, MI., August, 1984;

[9] Kelly, J. Private Communications with Crucible Inc. Materials Research Center. Jan. 9 and Jun. 22, 1972.

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RA 253 MA® é uma liga versátil que pode ser utilizada numa ampla variedade de aplicações térmicas para a construção de equipamentos. O impulso para o desenvolvimento desta liga foi o rápido aumento nos preços do níquel. Com baixo Cr e baixo Ni, a liga RA 253 MA é uma boa alternativa de baixo custo a outros materiais, que são à base de níquel e mais caros. Com o advento do controle de microligas, esta liga foi projetada tendo o preço comparado ao do aço inoxidável 310 e proporcionando as propriedades de alta resistência comparáveis às propriedades da Inconel® da série 600 com níquel mais elevado.

Quimicamente similar ao aço inoxidável 309, a RA 253 MA oferece resistência à fluência e à ruptura significativamente mais altas que o 310. Seus benefícios incluem resistência à oxidação em até 1.093°C, boa resistência à tração a quente se comparado com os materiais Inconel da série 600 e excelentes propriedades de fluência e ruptura.

A RA 253 MA é um aço inoxidável austenítico “lean” que utiliza cério e silício para criar uma camada de óxido altamente adesiva, resultando em excelente resistência à oxidação. A combinação de carbono e nitrogênio proporciona uma resistência à ruptura em fluência que é o dobro da dos aços inoxidáveis 310 e 309 a 870°C.

A especificação da composição química da liga RA 253 MA está indicada na Tabela 1.

Propriedades em Temperaturas Elevadas

A Fig. 1 mostra a resistência à tração a quente para diversos materiais [1]. Para a maior parte das faixas de temperaturas, a liga projetada é comparável à liga 600, superior ao aço inoxidável 310 e à RA 330®, mas inferior à RA 602 CA®. Apesar da resistência à tração a quente ser reportada para até 1.204°C, devido à perda de resistência à oxidação em 1.093°C, este é o seu limite prático de uso em ambientes oxidantes.

As tensões de projeto para uma placa para vaso de pressão permitidas pela ASME 2010 (revisão 2011) Seção II-D são mostradas na Fig. 2. As tensões permissíveis para a RA 253 MA são mais altas que para o aço inoxidável 310 e que para a RA 330, mas não tão altas quanto para a liga 601. A ASME permite um projeto de tensões para esta liga em até 871°C, mas a RA 253 MA é utilizada em temperaturas mais altas para diferentes aplicações, pois estes limites de temperatura são somente para os vasos de pressão.

As Figs. 3 e 4 mostram a resistência à ruptura real para 10.000 horas e extrapolada para 100.000 horas para várias ligas em altas temperaturas [1]. Os dados mostram que a RA 253 MA tem resistência à fluência e à ruptura sob tensão próximas às da Inconel 601 e da RA 602 CA e superiores à RA 330 e Liga 600.

A Fig. 5 mostra os dados para uma mínima taxa de fluência de 0,0001% por hora [1]. Mais uma vez, a RA 253 MA é superior a todos os demais materiais acima de 704°C. Fluência é a taxa ou velocidade na qual o metal está alongando e, em geral, é reportada como porcentagem por hora. Há um período de tempo no qual a taxa de fluência é essencialmente constante, conhecida como taxa de fluência secundária. Esta taxa é a base principal para projetos em altas temperaturas. Deve-se assumir que o metal vai sofrer fluência mesmo com cargas leves, porque os efeitos desta podem ser vistos nos materiais que não têm nenhuma outra carga além do seu próprio peso. Portanto, na prática, algum critério de fluência é utilizado para o projeto.

A indústria de fornos, historicamente, utiliza um critério de projeto no qual a tensão necessária aplicada é para uma taxa de fluência mínima de 1% em 10.000 horas, ou 0,0001% por hora. O projeto de tensões é alguma fração deste número. A ASME utiliza, em um de seus critérios, uma extrapolação de 100% da tensão para 1% em 100.000 horas, ou 0,00001% por hora [2]. A extrapolação de dados da resistência à ruptura sob tensão e à fluência para 100.000 horas acima de 982°C não é recomendada. A comparação é apresentada aqui apenas como um comparativo geral.

A resistência à ruptura é reportada como uma tensão e número de horas. É a tensão necessária em uma temperatura específica para romper uma amostra por completo dentro de uma quantidade de tempo. Na indústria de fornos, um critério comum para determinar as tensões de projeto é utilizar uma fração da tensão que resultaria em uma ruptura em 10.000 horas. A ASME utiliza aquela que for mais baixa: 67% da tensão de ruptura extrapolada para 100.000 horas ou 100% do extrapolado para uma taxa de fluência mínima de 1% em 100.000 horas [2].

Resistências e Limitações

A RA 253 MA apresenta resistência à oxidação igual ou superior a das muitas outras ligas testadas, incluindo o inox 309 e o 310 [3,4]. A RA 253 MA apresenta uma excelente resistência à oxidação em 1.093°C, a qual é igual ao limite do aço inoxidável 310 e superior ao 309. Enquanto pequenas excursões do forno a até 1.149°C possam ser toleradas, as temperaturas acima de 1.093°C são oxidantes e podem degradar rapidamente o material. Em geral, as melhores práticas devem evitar quaisquer excursões acima dos limites de temperatura sugeridos para qualquer liga.

A RA 253 MA teve um bom desempenho em alguns ambientes levemente carbonetantes, apesar do seu teor de elemento de liga inferior. A experiência mostrou que são necessários apenas vestígios de oxigênio no gás (por exemplo, sob a forma de dióxido de carbono ou vapor de água) para produzir uma camada de óxido fina e dura na RA 253 MA, dando uma boa proteção contra a apreensão de carbono e de nitrogênio. Sob condições de redução, no entanto, o uso da RA 253 MA em ambientes carbonetantes deve ser evitado. Devido ao seu baixo teor de níquel, ela é menos resistente à carbonetação do que as ligas com teores de níquel mais elevados, tais como a RA 330. A Tabela 2 mostra a ductilidade obtida em ensaios de tração em temperatura ambiente de amostras que, em uma simulação, foram expostas por 15 semanas em ciclos entre 930-1.065°C em um “green mix” utilizado para a produção de eletrodos de carbono.

O início da formação da fase sigma na RA 253 MA é significativamente mais lento do que no 310S (Fig. 6). Há também uma faixa de fragilização ferrítica entre 400 e 570°C. Nenhuma destas fases apresentará algum efeito na temperatura de operação. Após o resfriamento, até a temperatura ambiente, o material torna-se muito frágil, deixando-o menos resistente aos ciclos térmicos. Durante a subsequente rampa de aquecimento, se o material estiver altamente contraído e não puder se expandir livremente, haverá um potencial para trincamento.

Resistência à Corrosão em Aplicações em Banho de Sal

A exposição aos sais de sódio e de potássio para o tratamento térmico de aços rápido indica que a RA 253 MA pode ser comparável à Liga 600 (Tabela 3).

Neste ensaio, as amostras na forma de placas foram expostas a 210-252 ciclos em sais de pré-aquecimento a 704-816°C, sal de alta temperatura a 1.200°C e, então, temperados em sal a 593°C. A Tabela 3 ilustra que a RA 253 MA tem potencial para ter um bom desempenho em ambiente de banho de sal, atribuível aos seus elevados teores de silício e de cromo. Ao passo que a seleção da liga é importante, o fator mais importante é uma manutenção realizada regularmente e a limpeza do banho de sal e áreas vizinhas.

No tratamento térmico com banho de sal, a vida útil do cadinho é determinada pela manutenção e não pela liga. Os cadinhos devem ser limpos regularmente. Quando os cadinhos forem trocados, cada pedaço ou gota do antigo sal deve ser removido do refratário do forno.

Resistência à Corrosão

Na presença de oxigênio, a RA 253 MA tem boa resistência em ambiente com enxofre. Entretanto, a RA 253 MA não é resistente à redução em atmosferas com enxofre. Apesar da atmosfera poder ser oxidante, a pressão de oxigênio pode ser extremamente baixa enquanto um aço inoxidável está em serviço. Devido a esta baixa pressão, pode ocorrer um ataque local por sulfetos quando a atmosfera é considerada oxidante.

As amostras expostas a uma atmosfera contendo 13,2% SO2 a 1.010°C por 1.860 horas exibiram oxidação e sulfetação intergranular profundas, como mostrado na Tabela 4.

Microestrutura

A RA 253 MA apresenta a microestrutura mostrada na Fig. 7. Esta tabela de microestruturas também mostra o efeito do tempo e da temperatura na liga. A formação de fase sigma nas temperaturas de 700, 800 e 900°C também é apresentada. Claramente, a precipitação de fase sigma é quase inexistente a 900°C, como evidenciado pela microestrutura e dados de impacto Charpy. Além disso, a curva TTT (Fig.6) de formação da fase sigma mostra que a RA 253 MA necessita de mais de uma ordem de magnitude de tempo para iniciar a precipitação de fase sigma se comparada com os inoxidáveis 310 e 310S [4].

Aplicações para Uso

A RA 253 MA foi utilizada com sucesso em inúmeras aplicações, incluindo (mas não limitado a) recobrimentos de fornos de recozimento tipo sino, muflas com correias transportadoras, escapamentos de automóveis, dutos para ar quente, tubos para torres de resfriamento na indústria de papel e celulose e testes de tratamento térmico para endurecimento neutro.

Para mais informações, contate: Marc Glasser, Tyler Reno ou Paul Whitcraft, da Rolled Alloys, 125 West Sterns Road, Temperance, MI; +1 800-521-0332; metallurgical-help@rolledalloys.com; www.rolledalloys.com. A RA 330 e a RA 333 são marcas registradas da Rolled Alloys. A 602 CA e 253 MA são marcas registradas da Outokumpu VDM. A Inconel é marca registrada da Special Metals.

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[1] J. Kelly, Rolled Alloys Bulletin 100, Revised September 2001.
[2] J. Kelly, Rolled Alloys Bulletin 401, Heat Resistant Alloys©, Revised June 2006.
[3] W. Saum, Rolled Alloys Internal Report, Summary of Oxidation Testing at 2000˚F, August 2002.
[4] C. Manwell, Rolled Alloys Internal Report, Summary of Cyclic Oxidation Testing at 2000˚F, August 2005.
[5] T. Andersson and T. Odelstam – Sandvik 253MA (UNS S30815) – The Problem Solver for High Temperature Applications, A Sandvik Publication, Oct. 1984.
[6] Proprietary Report on the MA Heat Resistant Material Series.

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