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Metalografia

das Ligas e

Superligas de

Níquel

M. Eng. Alexandre Farina Pesquisador em Ligas de Ni

Pesquisa e Desenvolvimento

Metalografia das Ligas e

Superligas de Níquel

Definição e conceitos sobre Superligas e Ligas de Níquel

Processo de Fabricação

Metalografia das ligas de Níquel

Monel, Inconel, Incoloy, Nimonic

Superligas à base de Níquel

Sumário



São ligas que apresentam uma ou mais propriedades muito acima das

ligas convencionais (aços carbono, aços ferramenta, aços inoxidáveis,

etc...). As superligas mais conhecidas são à base de Ni, mais há ligas à

base de Co, Fe, etc...

Propriedades desejadas

Resistência Mecânica

Tração, Torção, Fadiga, Impacto, Fluência

Resistência à Corrosão

Resistência à Oxidação

Definição de Superligas



Devido as elevadas propriedades mecânicas estas ligas podem ser

divididas em duas classes:

Ligas trabalhadas termo-mecanicamente (Wrougth Alloys)

Forjadas e Laminadas

Com ou sem Tratamentos Térmicos

Ligas não trabalhadas termo-mecanicamente

Fundição de Precisão

Monocristalinas

Solidificação Direcional

Definição de Superligas

Principal diferença entre estas classes: PLASTICIDADE



O que torna estas ligas “Superligas” ?

Fases com comportamentos que fogem aos comportamentos padrão:

Fase g’ – Ni3(Al,Ti) – Estrutura cúbica (CFC) do tipo L12

Fase g’’ – Ni3Nb – Estrutura ortorrômbica do tipo DO22

Fase b – NiAl – Estrutura cúbica (CCC) do tipo B2

Fases Ordenadas: Os átomos ocupam preferencialmente

estas posições na rede cristalina!



Limite de Escoamento da fase g’ Ni3(Al,Ti)

Limite de escoamento aumenta com a temperatura

AISI 316

Inconel 713

Limite de escoamento é função de

adições de elementos de liga

~1100MPa // 600ºC



Limite de Escoamento da fase g’ Ni3(Al,Ti)

O aumento é gerado por uma mudança do sistema de escorregamento

na super-estrutura cristalina

Para a fase g’ – Ni3(Al,Ti) isto ocorre pela mudança do escorregamento

no plano (111) para o plano (110) em alta temperatura.



Fase b Ni(Al,Ti)

As fases intermetálicas apresentam características especiais, porém

nem todas podem ser utilizadas para ligas estruturais.

A fase b apresenta comportamento cerâmico, com fratura frágil sob

tração. Esta propriedade impede seu uso em estruturas.

No entanto a dureza desta fase é equivalente a de um carboneto



Resistência a Fluência (10.000h)



Limite de Escoamento

Comparação com aço Fe-12Cr-0.6Mo (~AISI 420)



Processos de Fabricação



Processo de Fabricação

Processo Especial Convencional

Fusão VIM (Vaccum induced

melting)

EAF (Electric Arc

Furnace)

Refusão / Refino

ESR (Electroslag

Remelting)

VOD (vacuum oxygen

decarburisation)

VAR (Vaccuum Arc

Remelting)

AOD (Argon-Oxygen

Decarburization)

Forjamento Forjamento em prensas hidráulicas.

Geralmente para peças grandes e barras.

Laminação Laminação (plana e barras)

Acabamento Desbaste, Retífica, etc...



Processos de Fabricação - Fusão

EAF (Electric Arc Furnace)

Fusão por arco voltaico

Fusão e vazamento ao ar

Refino do metal líquido por escória

Há oxidação do banho metálico



Processos de Fabricação - Fusão

VIM (Vacuum Induction Melting)

Fusão e vazamento sob vácuo

Pouco refino do metal líquido

Reduzida oxidação do banho metálico

Possibilidade de vazamento de ligas que são

facilmente oxidadas com oxidação mínima

Ligas com Al, Ti

Apenas refino por pressão (vácuo)

Pressão de vapor



Processos de Fabricação - Refino

VOD (Vacuum Oxygen Decarburizing)

Descarburação por injeção de gás

Refino do metal líquido



Processos de Fabricação - Refino

AOD (Argon-Oxygen Decarburizing)

Descarburação por injeção de gás Ar/O

Maior refino do metal líquido em relação ao VOD



Processos de Fabricação - Refusão

ESR (Electroslag Remelting)

Refusão por arco voltaico com escória

Refino da estrutura bruta de fusão

Eliminação de impurezas para a escória

Uso da reação metal-escória



Processos de Fabricação - Refusão

VAR (Vacuum Arc Remelting)

Refusão sob vácuo por arco voltaico

Refino da estrutura bruta de fusão

Eliminação de impurezas para a superfície do lingote

Pressão de vapor



Processos de Fabricação - Forjamento

Forjamento:

Prensagem a quente/frio de um lingote ou peça, em geral, de grande porte

Recalque (aumentar a deformação do material)

Altera a microestrutura refino do tamanho de grão

Desbaste (reduzir a espessura do material)

Altera a microestrutura refino do tamanho de grão

Acabamento (alisamento da superfície)



Processos de Fabricação - Laminação

Laminação

Redução da espessura do material

através da passagem deste entre dois

cilindros com (barras) ou sem (planos)

entalhes

Refino da microestrutura através da

redução do tamanho de grão



Processos de Fabricação - Acabamento

Acabamento

Torneamento,

Fresamento,

Retífica,

Trefilação



Microestrutura



Ligas de Ni – Principais Fases

Fase Estrutura Fórmula Comentário

g' FCC – L12 Ni3(Al,Ti) Principal fase para endurecimento da

matriz da maioria das ligas de Ni

h HCP – DO24 Ni3Ti

Fase deletéria e metaestável formada em

altas temperaturas. Em geral precipita na

forma de agulhas de Widmanstätten

g" BCT – DO22 Ni3Nb

Principal fase para endurecimento de ligas

contendo Nb. Em geral a precipitação

ocorre na forma de discos coerentes com

a matriz g

d Ortorr. (Cu3Ti) Ni3Nb

Fase frágil e deletéria as propriedades.

Precipita em alta temperatura na forma de

agulhas (baixa temperatura –

superenvelhecimento) ou filmes nos

contornos de grão (altas temperaturas

solubilização).





M(C,N) FCC

M(C,N) onde M =

Ti, Nb, Hf, Zr ...

Carbonetos primários ou secundários.

Dependentes do teor de C e de N das

ligas e dos elementos formadores.

Elevam as resistências ao desgaste e

mecânica

M23C6 FCC (Cr,Fe,Mo,W)23C6

Carbonetos precipitados durante o

envelhecimento das ligas para

aumento da resistência mecânica. Em

geral precipitação em glóbulos e

placas nos contornos de grão.

M6C FCC Fe3Mo3C Carboneto. Secundário

M7C3 Ortorr. (Fe,Cr,Mn)7C3

Carboneto secundário em geral

observado na forma de partículas

intergranulares.





M3B2 Tetragonal Mo2FeB2, Nb3B2

Boreto presente em ligas com elevado

teor de B.

m Romboédr. (Fe,Co)7(Mo,W)6

Presente em ligas com elevado teor de

Mo e de W. Precipita na forma de

agulhas de Widmanstäten em altas

temperaturas.

Laves Hexagonal

Fe2Nb, Fe2Ti,

Fe2Mo, Co2Ta,

Co2Ti

Fase deletéria. Precipita-se na forma

de glóbulos alongados após exposição

à altas temperaturas.

Sigma Tetragonal

FeCr, FeCrMo,

CrFeMoNi, CrCo,

CrNiMo

Fase deletéria precipitada na forma de

glóbulos em geral alongados em ligas

que permaneceram por longos

períodos entre 540ºC e 980ºC



Evolução da Microestutura das Ligas de Ni




Diagrama Ni-Cr (Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C)

Liga Binária Ni-20Cr

Matriz Austenítica





Isoterma de 1150ºC – Al-Cr-Ni

Liga Ternária Ni-20Cr-1.0Al

Matriz Austenítica





Isoterma de 1050ºC –Cr-Ni-Ti

g+g’

Liga Quaternária

Ni-20Cr-1.0Al-2.0Ti

Matriz Austenítica com

Ni3(Ti,Al)




Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C)

Liga Quinária

Ni-20Cr-1.0Al-2.0Ti-0.05C

Matriz Austenítica com

Ni3(Ti,Al) e TiC

TiC

Nimonic 80A:

Sol. 1080ºC/1h

Env. 700ºC/16h



Extremamente resistentes à corrosão, em especial em ambientes marinhos com

água parada, porém com baixa resistência mecânica em relação as demais

superligas de Ni. Resistência compatível com aços especiais.

Aplicação principal nas indústrias naval e petroquímica

Principais ligas: Monel 400 (VRC400) e Monel K500 (VRC500K)

Ligas de Ni-Cu (Monel)




A liga Monel foi desenvolvida

inicialmente partindo-se de sulfetos

de Ni e de Cu e fazendo redução

simultânea dos minérios como

fonte de Cu e de Ni

Monel tem um L apenas pois na

época não era permitido nomes de

famílias em produtos!




Liga Ni Cu Fe Mn C Si S Outros

Alloy

400 63.0 min 28.0~34.0 2.50 0.20 0.30 0.50 0.024 ---

Alloy

401 40.0~45.0 Bal. 0.75 2.25 0.10 0.25 0.015 ---

Alloy

R-405 63.0 min 28.0~34.0 2.50 2.00 0.30 0.50 0.025~0.06 ---

Alloy

450 29.0~33.0 Bal. 0.4~1.0 1.00 --- --- 0.02

1.0Zn, 0.05Pb,

0.02P

Alloy

K500 63.0 min 27.0~33.0 2.00 1.50 0.25 0.50 0.01

2.30~3.15Al,

0.35~0.85Ti

Valores sozinhos indicam máximo da faixa

Composição Química



Ligas de Ni-Cu (Monel) Monel K500

Matriz bifásica (duas austenitas) com dispersão de TiC e após solubilização

e envelhecimento apresenta precipitação de Ni3(Al,Ti)

1330ºC

liquidus

1280ºC

solidus

815ºC

g g + g’

760ºC

g g1 + g2

65%Ni

30%Cu

1140ºC 700ºC 763ºC

42%Ni

56%Cu

Composição da Matriz

g1

g2

g’

g

TiC

g g1

L Fra

ção M

ola

r de F

ases




Monel K500 – Laminada a quente e

solubilizada em alta temperatura.

Ataque com Glicerégia

Microestrutura

Ligas com matriz austenítica podendo apresentar dispersão de precipitados

de Ni3(Al,Ti) e carbonitretos do tipo M(C,N)

Nitrogênio é sempre residual (abaixo de 0.05%)

Carbono pode ser adicionado em teores inferiores a 0.30%

Monel K500 – Macrografia de amostra

bruta de laminação. Ataque com HNO3

eletrolítico



Resistentes a altas temperaturas com excelentes propriedades mecânicas. Elevada

resistência à oxidação e resistência razoável a corrosão.

Aplicação principal nas indústrias aeroespacial, nuclear e petroquímica,

válvulas automotivas, turbinas (avião e à gás).

Principais ligas: Inconel 718 (VAT 718), Inc. 600 (VAT 600), Inc. 751 (VAT 751)

Sist. de exaustão

Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel)






Liga Ni Cr Fe Co Mo Nb Ti Al C Mn Si Outros

Alloy

600

72.0

min

14.0~

17.0

6.0~

10.0 0.15 1.0 0.5 0.50

Alloy

617

44.5

min

20.0~

24.0 3.0

10.0~

15.0

8.00~

10.00 0.60

0.8~1

.5

0.05~

0.15 1.0 1.0

0.5Cu,

0.006B

Alloy

625

58.0

min

20.0~

23.0 5.0 1.0

8.00~

10.00

3.15~

4.15 0.40 0.40 0.10 0.50 0.50

Alloy

690

58.0

min

27.0~

31.0

7.0~

11.0 0.05 0.05 0.50 0.50Cu

Alloy

718

50.0~

55.0

17.0~

21.0 Bal. 1.0

2.80~

3.30

4.75~

5.50

0.65~

1.15

0.20~

0.80 0.08 0.35 0.35

0.30Cu,

0.006B

Alloy

751

70.0

min

14.0~

17.0

5.0~

9.0

0.70~

1.20

2.00~

2.60 0.10 1.0 0.50 0.50Cu

Alloy

C-276 Bal.

14.5~

16.5

4.0~

7.0 2.50

15.0~

17.0 0.01 1.0 0.08

0.35V,

3.50W



Inconel 718


Liquidus

1350ºC

Solidus

1210ºC

M(C,N)

1260ºC

Ni3Nb (d)

1020ºC Ni3Al (g’)

900ºC M23C6

700ºC

Ferrita

590ºC

Laves

540ºC

Sigma

500ºC

Sigma

830ºC

Fra

ção M

ola

r de F

ases



Inconel 718 – Forjada a quente e solubilizada

em alta temperatura (1030ºC/2h).


Microestrutura

Inconel 751 – Laminada, solubilizada

(1120ºC/1h) e envelhecida (750ºC/4h).

Ataque com Glicerégia.


Microestrutura

Ligas com matriz austenítica.

Em geral apresentam dispersão de precipitados de Ni3(Al,Ti) e Ni3Nb além

de carbonitretos do tipo M(C,N)



Inconel 718 – Forjada e solubilizada

em alta temperatura (1030ºC/2h) e

envelhecida: 718ºC/8h+650ºC/8h.


Microestrutura


Microestrutura

Ligas com matriz austenítica.

Em geral apresentam dispersão de precipitados de Ni3(Al,Ti) e Ni3Nb além

de carbonitretos do tipo M(C,N)

Inconel 718 – Laminada e tratada a (1040ºC/1h +

980ºC/8h + 760ºC/8h + 650ºC/8h)

MET + Atom Probe: Nb=verde, Al=verm., Ti=azul e



Inconel 625 – Bruta de Forjamento



Inconel 625 – Forjada e solubilizada em alta

temperatura (1200ºC/30min).


Liga Ni Cr Fe Co Mo Nb Ti Al C Mn Si

Alloy 625 58.0min 20.0

~23.0 5.0 1.0

8.00

~10.00

3.15

~4.15 0.40 0.40 0.10 0.50 0.50



Resistentes a corrosão em altas temperaturas (em especial por cloretos), com

boas propriedades mecânicas, porém inferiores as ligas Inconel. Resistência a

oxidação reduzida.

Aplicação principal na indústria petroquímica.

Principais ligas Incoloy A-286 (VAT A286) e Incoloy 925 (VRC925)

Ligas de Ni-Fe-Cr (Incoloy)





Ligas de Ni-Cr-Fe (Incoloy)


Alloy

A-286

72.0

min

14.0~

17.0

6.0~

10.0 --- --- --- --- --- 0.15 1.0 0.5 0.50

Alloy

825

38.0

~46.0

19.5

~23.5

22.0

min ---

2.5

~3.5 ---

0.6

~1.2 0.2 0.05 1.0 0.5

1.5~3.0

Cu

Alloy

925 44.0 21.0 28.0 --- 3.0 --- 2.1 0.3 0.01 --- --- ---

Alloy

800HT

30.0~

35.0

19.0~

23.0

39.5

min --- --- ---

0.15~

0.60

0.15~

0.60

0.06~

0.10 1.5 1.0 ---



Incoloy A-286 – Laminada,

solubilizada (980ºC/1h) e

envelhecida (720ºC/16h)


Microestrutura

Incoloy 800H (g+g’+Ti(C,N) +

M23C6)

1) Solubilizada

2) Solubilizada e Envelhecida

por 15anos a 815ºC

Ataque com Marble.

Ligas de Ni-Cr-Fe (Incoloy)

Microestrutura

Ligas com matriz austenítica. Apresentam dispersão de precipitados de

Ni3(Al,Ti) além de carbonitretos do tipo M(C,N) e carbonetos do tipo M23C6

2) 1)

2)



Boa resistência à corrosão a alta temperatura, em especial por sulfatos,

excelente resistência à fluência e à fadiga à quente.

Aplicação principal na indústria automotiva na fabricação de válvulas para

motores de combustão interna e industria petroquímica e aeroespacial.

Principais ligas Nimonic 80A (VAT80A) e Nimonic 90 (VAT90)

Ligas de Ni-Cr (Nimonic)







Nimonic

80A Bal.

18.0

~21.0 3.0 2.0 --- ---

1.8

~2.7

1.0

~1.8 0.10 1.0 1.0 ---

Nimonic

86 Bal. 25.0 --- --- 10.0 --- --- --- 0.05 0.03Ce

Nimonic

90 Bal.

18.0

~21.0 1.5

15.0~

21.0 --- ---

2.0

~3.0

1.0

~2.0 0.13 1.0 1.0 0.02B



Nimonic 80A – Laminada, solubilizada

(1080ºC/1h) e envelhecida (700ºC/16h)


Microestrutura


Microestrutura

Ligas com matriz austenítica. Apresentam dispersão de precipitados de

Ni3(Al,Ti) e carbonitretos do tipo M(C,N)

Nitrogênio é sempre residual (abaixo de 0.05%)

Nimonic 90 – Laminada, solubilizada

(1080ºC/8h) e envelhecida (700ºC/12h +

850ºC/2h). Ataque com Glicerégia



Ligas com elevada quantidade de fases intermetálicas (g’, g’’)

Elevada resistência mecânica (tração, fluência)

Elevada resistência à quente

Microestrutura geralmente em Blocos

Superligas de Ni

CMSX-4



Superligas de Ni



Superligas de Ni (Monocristalinas) Processo de Fabricação (palheta de turbina – CMSX-6)



Superligas de Ni – Waspaloy

Microestrutura

Similar a microestrutura da liga Nimonic 80A.

Diferença:

Maior quantidade de g’

Elevada resistência mecânica à quente

Grande dispersão de partículas

13.5%Co

Elevada resistência à oxidação

4.5%Mo

Elevada dificuldade para usinar

Aplicações:

Indústria aeroespacial (turbinas)

Máquinas de tração e fluência



Superligas de Ni – Inconel 738 Microestrutura



Superligas de Ni – MAR-M 246 Microestrutura

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