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 associados 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. O teor de carbono desses eletrodos é inferior a 0,03%. Se esse valor for 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 uso geral, 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 esteja produzindo 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, formando 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.
Em resumo, se você deseja reparar trincas a quente em soldas de aço inoxidável austenítico, verifique se há metal de adição de ferrita suficiente e siga as boas 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 um medidor apropriado para verificar a quantidade de ferrita na solda, buscando um valor entre 5 e 10.
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