P: Recentemente, iniciamos um trabalho que exige que alguns componentes sejam fabricados principalmente em aço inoxidável 304, soldado a si mesmo e a aço carbono. Estamos enfrentando problemas com trincas na solda entre aço inoxidável e aço inoxidável em espessuras de até 31,75 mm (1,25"). Foi mencionado que temos baixos níveis de ferrita. Você poderia explicar o que é isso e como solucionar o problema?
A: Essa é uma ótima pergunta. Sim, podemos ajudá-lo a entender o que significa baixa ferrita e como evitá-la.
Primeiramente, vamos analisar a definição de aço inoxidável (SS) e como a ferrita se relaciona com juntas soldadas. O aço preto e suas ligas contêm mais de 50% de ferro. Isso inclui todos os aços carbono e inoxidáveis, bem como alguns outros grupos. Alumínio, cobre e titânio não contêm ferro, sendo, portanto, excelentes exemplos de ligas não ferrosas.
Os principais componentes dessa liga são o aço carbono com teor de ferro de pelo menos 90% e o aço inoxidável com teor de ferro de 70 a 80%. Para ser classificado como aço inoxidável, deve conter no mínimo 11,5% de cromo. Níveis de cromo acima desse limite mínimo promovem a formação de uma película de óxido de cromo nas superfícies do aço e previnem a formação de oxidação, como ferrugem (óxido de ferro) ou corrosão por ataque químico.
O aço inoxidável é dividido principalmente em três grupos: austenítico, ferrítico e martensítico. Seus nomes derivam da estrutura cristalina que os compõe à temperatura ambiente. Outro grupo comum é o aço inoxidável duplex, que apresenta um equilíbrio entre ferrita e austenita em sua estrutura cristalina.
Os aços austeníticos da série 300 contêm de 16% a 30% de cromo e de 8% a 40% de níquel, formando uma estrutura cristalina predominantemente austenítica. Estabilizadores como níquel, carbono, manganês e nitrogênio são adicionados durante o processo de fabricação do aço para auxiliar na formação da proporção austenita-ferrita. Alguns exemplos comuns são os aços 304, 316 e 347. Oferecem boa resistência à corrosão e são utilizados principalmente nas indústrias alimentícia, química, farmacêutica e criogênica. O controle da formação de ferrita proporciona excelente tenacidade em baixas temperaturas.
O aço inoxidável ferrítico é um aço da série 400, totalmente magnético, com teor de cromo entre 11,5% e 30% e estrutura cristalina predominantemente ferrítica. Para promover a formação de ferrita, são adicionados estabilizadores como cromo, silício, molibdênio e nióbio durante a produção do aço. Esses tipos de aço inoxidável são comumente utilizados em sistemas de escapamento e transmissões automotivas, com aplicações limitadas em altas temperaturas. Alguns exemplos de aços inoxidáveis ​​utilizados são: 405, 409, 430 e 446.
Os aços martensíticos, também conhecidos como série 400, como o 403, 410 e 440, são magnéticos, contêm de 11,5% a 18% de cromo e possuem estrutura cristalina martensítica. Essa combinação apresenta o menor teor de ouro, tornando-os os mais econômicos de produzir. Oferecem alguma resistência à corrosão, resistência mecânica superior e são comumente utilizados em utensílios de mesa, equipamentos odontológicos e cirúrgicos, panelas e alguns tipos de ferramentas.
Ao soldar aço inoxidável, o tipo de substrato e sua aplicação em serviço determinarão o metal de adição apropriado a ser utilizado. Se estiver utilizando um processo de soldagem com gás de proteção, pode ser necessário prestar atenção especial às misturas de gases de proteção para evitar certos problemas de soldagem.
Para soldar o aço inoxidável 304 a si mesmo, você precisará de um eletrodo E308/308L. O "L" significa baixo teor de carbono, o que ajuda a prevenir a corrosão intergranular. O teor de carbono desses eletrodos é inferior a 0,03%. Quando esse valor é excedido, aumenta o risco de deposição de carbono nos contornos de grão e de ligação do cromo para formar carbonetos de cromo, o que reduz efetivamente a resistência à corrosão do aço. Isso se torna evidente se a corrosão ocorrer na zona termicamente afetada (ZTA) das soldas de aço inoxidável. Outra consideração para o aço inoxidável de grau L é que ele apresenta menor resistência à tração em altas temperaturas de operação do que os aços inoxidáveis ​​convencionais.
Como o aço inoxidável 304 é austenítico, o metal de solda correspondente conterá a maior parte da austenita. No entanto, o próprio eletrodo conterá um estabilizador de ferrita, como o molibdênio, para promover a formação de ferrita no metal de solda. Os fabricantes geralmente especificam uma faixa típica para a quantidade de ferrita em um metal de solda. Como mencionado anteriormente, o carbono é um forte estabilizador austenítico e, por esses motivos, é essencial evitar sua adição ao metal de solda.
Os índices de ferrita são derivados do gráfico de Scheffler e do gráfico WRC-1992, que utilizam fórmulas equivalentes de níquel e cromo para calcular o valor que, quando plotado no gráfico, fornece um número normalizado. Um índice de ferrita entre 0 e 7 corresponde à porcentagem em volume da estrutura cristalina ferrítica presente no metal de solda; no entanto, em porcentagens mais altas, o índice de ferrita aumenta mais rapidamente. Lembre-se de que a ferrita no aço inoxidável não é a mesma que a ferrita do aço carbono, mas sim uma fase chamada ferrita delta. O aço inoxidável austenítico não sofre transformações de fase associadas a processos de alta temperatura, como o tratamento térmico.
A formação de ferrita é desejável por ser mais dúctil que a austenita, mas deve ser controlada. O baixo teor de ferrita pode proporcionar soldas com excelente resistência à corrosão em algumas aplicações, porém, elas são extremamente suscetíveis a trincas a quente durante a soldagem. Para condições gerais de uso, o teor de ferrita deve estar entre 5 e 10, mas algumas aplicações podem exigir valores menores ou maiores. O teor de ferrita pode ser facilmente verificado no local de trabalho com um indicador de ferrita.
Já que você mencionou problemas com trincas e baixo teor de ferrita, deve analisar cuidadosamente o metal de adição e garantir que ele produza ferrita suficiente – cerca de 8% deve ser o ideal. Além disso, se estiver usando soldagem a arco com arame tubular (FCAW), esses metais de adição geralmente utilizam um gás de proteção composto por 100% de dióxido de carbono ou uma mistura de 75% de argônio e 25% de CO2, o que pode fazer com que o metal de solda absorva carbono. Você pode optar pelo processo de soldagem a arco com eletrodo revestido (GMAW) e usar uma mistura de 98% de argônio e 2% de oxigênio para reduzir a possibilidade de depósitos de carbono.
Na soldagem de aço inoxidável com aço carbono, deve-se utilizar o metal de adição E309L. Este metal de adição é especialmente desenvolvido para soldagem de metais dissimilares e forma uma certa quantidade de ferrita após a dissolução do aço carbono na solda. Como o aço carbono absorve parte do carbono, estabilizadores de ferrita são adicionados ao metal de adição para contrabalançar a tendência do carbono de formar austenita. Isso ajuda a prevenir trincas térmicas durante a soldagem.
Portanto, se você deseja reparar trincas a quente em soldas de aço inoxidável austenítico, verifique a consistência do metal de adição de ferrita e siga as melhores práticas de soldagem. Mantenha a entrada de calor abaixo de 50 kJ/pol, mantenha temperaturas entre passes moderadas a baixas e assegure-se de que as juntas de solda estejam limpas antes da soldagem. Use o medidor apropriado para verificar a quantidade de ferrita na solda, concentrando-se em 5-10.
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