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. Observamos alguns problemas de fissuras em soldas de aço inoxidável com aço inoxidável de até 31,75 mm (1,25") de espessura. Foi mencionado que temos baixos níveis de ferrita. Você poderia explicar o que isso significa e como solucionar o problema?
A: Essa é uma ótima pergunta. Sim, podemos ajudá-lo a entender o que significa uma baixa contagem de ferrita e como evitar isso.
Primeiramente, vamos revisar a definição de aço inoxidável (SS) e como a ferrita se relaciona com juntas soldadas. Aços e ligas de ferro fundido contêm mais de 50% de ferro. Isso inclui todos os aços carbono e inoxidáveis, além de outros grupos definidos. Alumínio, cobre e titânio não contêm ferro, sendo, portanto, excelentes exemplos de ligas não ferrosas.
Os principais componentes dessa liga são aço carbono com pelo menos 90% de ferro e aço inoxidável com 70 a 80% de ferro. Para ser classificado como aço inoxidável, deve conter pelo menos 11,5% de cromo. Níveis de cromo acima desse limite mínimo promovem a formação de películas de óxido de cromo nas superfícies do aço e previnem a formação de oxidação, como ferrugem (óxido de ferro) ou corrosão causada por ataque químico.
O aço inoxidável é dividido principalmente em três grupos: austenita, ferrita e martensita. Seus nomes derivam da estrutura cristalina à temperatura ambiente que os constitui. Outro grupo comum é o aço inoxidável duplex, que apresenta um equilíbrio entre ferrita e austenita na 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. Para promover a formação da proporção austenita-ferrita, estabilizadores como níquel, carbono, manganês e nitrogênio são adicionados durante o processo de fabricação do aço. 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 a baixas temperaturas.
O aço inoxidável ferrítico é um tipo de aço da série 400, totalmente magnético, que contém de 11,5% a 30% de cromo e possui uma 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 usados ​​em sistemas de escapamento automotivo e usinas de energia, com aplicações limitadas em altas temperaturas. Alguns exemplos de aços inoxidáveis ​​comumente utilizados são o 405, 409, 430 e 446.
Os aços martensíticos, também identificados pela série 400, como 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, o que os torna os mais baratos de produzir. Oferecem alguma resistência à corrosão, excelente resistência mecânica e são comumente utilizados em utensílios de mesa, equipamentos odontológicos e cirúrgicos, panelas e certos tipos de ferramentas.
Ao soldar aço inoxidável, o tipo de substrato e sua aplicação em serviço determinarão o metal de adição apropriado a ser usado. Se você usar um processo de proteção gasosa, poderá ser necessário prestar atenção especial às misturas de gases de proteção para evitar certos problemas relacionados à soldagem.
Para soldar o aço 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. Esses eletrodos têm um teor de carbono inferior a 0,03%; qualquer valor acima disso aumenta o risco de precipitação de carbono nos contornos de grão e sua combinação com o cromo para formar carbonetos de cromo, reduzindo efetivamente a resistência à corrosão do aço. Isso se torna evidente se a corrosão ocorrer na zona termicamente afetada (ZTA) das juntas soldadas de aço inoxidável. Outra consideração para o aço inoxidável de grau L é que ele apresenta menor resistência à tração em altas temperaturas de serviço 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 listam uma faixa típica de quantidades de ferrita para o metal de solda. Como mencionado anteriormente, o carbono é um forte estabilizador austenítico e, por esses motivos, é fundamental evitar sua adição ao metal de solda.
Os índices de ferrita são derivados do diagrama de Schaeffler e do diagrama WRC-1992, que utilizam fórmulas equivalentes de níquel e cromo para calcular o valor, o qual, quando plotado no diagrama, produz um número normalizado. O índice de ferrita entre 0 e 7 corresponde à porcentagem em volume da estrutura cristalina de ferrita presente no metal de solda; entretanto, em porcentagens mais altas, o índice de ferrita aumenta a uma taxa mais rápida. 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 apresenta 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. Baixos teores de ferrita podem produzir soldas com excelente resistência à corrosão em algumas aplicações, mas 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 para algumas aplicações, valores menores ou maiores podem ser necessários. A presença de ferrita pode ser facilmente verificada no local de trabalho utilizando um indicador de ferrita.
Já que você mencionou problemas com trincas e baixa contagem de ferrita, é necessário analisar cuidadosamente o metal de adição e garantir que ele produza ferrita suficiente – cerca de 8% deve ser o ideal. Além disso, se você 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 causar a absorção de carbono no metal de solda. Você pode considerar a mudança para o processo de soldagem a arco com gás e metal (GMAW) e usar uma mistura de 98% de argônio e 2% de oxigênio para reduzir a possibilidade de absorção de carbono.
Para soldar aço inoxidável a aço carbono, é necessário usar o metal de adição E309L. Este metal de adição é especialmente utilizado para soldar metais diferentes e forma uma certa quantidade de ferrita após a diluição do aço carbono na solda. Como parte do carbono é absorvida pelo aço carbono, estabilizadores de ferrita são adicionados ao metal de adição para neutralizar a tendência do carbono de formar austenita. Isso ajuda a prevenir trincas térmicas em aplicações de soldagem.
Em resumo, se você deseja eliminar trincas a quente em juntas soldadas de aço inoxidável austenítico, verifique a quantidade adequada de metal de adição de ferrita e siga as boas práticas de soldagem. Mantenha a entrada de calor abaixo de 50 kJ/polegada, mantenha temperaturas entre passes moderadas a baixas e assegure-se de que as juntas de solda estejam livres de qualquer contaminação antes da soldagem. Use um medidor apropriado para verificar a quantidade de ferrita na junta soldada, buscando um valor entre 5 e 10.
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