UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARAN
SETOR DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA - PIPE
LIGAS INOXIDVEIS RESISTENTES CAVITAO DEPOSITADAS POR
PLASMA PTA - ARAME
CRISTHIAN RAMOS WILL
CURITIBA
2008
CRISTHIAN RAMOS WILL
LIGAS INOXIDVEIS RESISTENTES CAVITAO DEPOSITADAS POR
PLASMA PTA - ARAME
Dissertao apresentada como requisito parcial obteno do grau de Mestre. rea de concentrao: Engenharia e Cincias dos Materiais, Programa de Ps-graduao em Engenharia PIPE. Setor de Tecnologia, Universidade Federal do Paran.
Prof. RAMN S. CORTS PAREDES, Dr. Ing. - Orientador
CURITIBA
2008
LIGAS INOXIDVEIS RESISTENTES CAVITAO DEPOSITADAS POR
PLASMA PTA - ARAME
CRISTHIAN RAMOS WILL
ESTA DISSERTAO FOI JULGADA PARA OBTENO DO TTULO DE
MESTRE EM ENGENHARIA E CINCIA DOS MATERIAIS
E APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELO PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA - PIPE
____________________________________________________________
Presidente: Prof. RAMN S. CORTS PAREDES, Dr. Ing. Orientador, UFPR
____________________________________________________________
Membro: Prof. AUGUSTO JOSE DE ALMEIDA BUSCHINELLI, Dr. Ing.- UFSC
____________________________________________________________
Membro: Prof. ANA SOFIA CLMACO MONTEIRO DE OLIVEIRA, PhD. - UFPR
CURITIBA, 12 de Maio de 2008
AGRADECIMENTOS
Ao meu orientador Prof. Dr. Eng. Ramn S. Corts Paredes, pela orientao e apoio.
Aos mestres e amigos Andr Capra e Anderson Pukasiewicz, que foram
indispensveis para realizao deste trabalho.
Aos amigos Evandro Calizario, Allan Apter e Joceli Chandelier, pela ajuda na
preparao dos experimentos e ensaios metalogrficos.
Ao Lactec, em especial ao gerente da diviso de sistemas mecnicos, Luis Procopiak,
pelo apoio financeiro e por ter fornecido toda a infra-estrutura necessria realizao deste
trabalho.
Ao Francisco da Durum, pelo fornecimento do arame Durcavit e pelo apoio tcnico.
A Eutetic-Castolin, pelo fornecimento do arame Cavitec.
Ao Departamento de Engenharia Mecnica da UFPR, pelo apoio na realizao dos
ensaios e anlises dos experimentos.
minha esposa Doriani, meu filho Leonardo e meus pais Aldo e Edna, pela
compreenso, amor e dedicao, que me deram condies de chegar at aqui.
Aos demais familiares e amigos, que sempre me incentivaram e torceram por mim.
RESUMO
Neste trabalho foram desenvolvidos procedimentos de soldagem pelo processo
plasma pulsado e posterior tratamento de refuso, para uma liga inoxidvel ao cobalto em
desenvolvimento e as ligas comerciais Cavitec e Cavitalloy.
Esta pesquisa justifica-se pelo fato de que a eroso por cavitao afeta diretamente a
gerao de energia eltrica, j que a recuperao demorada e de elevado custo. Alm disso,
a indisponibilidade do sistema gerador pelo perodo da recuperao tambm um srio
problema. Sendo assim, constante a busca pelo desenvolvimento de ligas e processos de
deposio que aumentem o intervalo entre as paradas de manuteno.
O objetivo deste trabalho desenvolver procedimentos de soldagem e tratamento de
refuso de uma liga em desenvolvimento para obter uma maior resistncia cavitao quando
comparada s ligas comerciais Cavitec e Cavitalloy, oferecendo assim uma alternativa de
fabricao nacional, alm de contribuir no desenvolvimento de procedimentos de soldagem
plasma para as ligas comerciais.
Todos os corpos de prova foram previamente revestidos (amanteigados) com o
eletrodo AWS 5.9 ER309LSi antes de receber o revestimento experimental e as ligas Cavitec
e Cavitalloy, com posterior refuso com o mesmo processo plasma.
Para a qualificao dos revestimentos empregou-se anlise metalogrfica, anlise de
microdureza, ensaio de difrao de raios-X e ensaio de cavitao.
A liga comercial Cavitec obteve maior resistncia cavitao tanto no estado soldado
como no refundido, ficando a liga experimental Durcavit numa posio intermediria entre as
trs ligas, mas com potencialidade na confeco de revestimentos de boa resistncia
cavitao.
O tratamento de refuso superficial no gerou refino de gro nas condies ensaiadas,
mas contribuiu no aumento do perodo de incubao e diminuio da taxa de perda de massa
das ligas Cavitec e Cavitalloy.
Palavras-chave: Cavitao, plasma PTA, ao inoxidvel, refuso, turbinas hidrulicas.
ABSTRACT
In this work, welding procedures were developed using the pulsed plasma process
and refusion after-treatment, for a cobalt stainless alloy in development and the commercial
alloys called Cavitec and Cavitalloy.
This research is self-explained as the cavitation erosion affects directly the electric
energy generation, as the recuperation is slow with high costs. Beyond that, the
unavailableness of the generation system in the recuperation period is serious problem. So, its
constant the search of the development of alloys and depositation process which increases the
break between maintenance stops.
The main target of this job was the development welding procedures and refusion
treatment of an alloy in development, to obtain higher cavitation resistance when compared to
the commercial alloys Cavitec and Cavitalloy, offering a national choice of manufacture,
beyond the fact of developing plasma welding procedures for commercial alloys.
All the samples were previously coated (buttered) with the AWS 5.9 ER309LSi
before receiving the experimental coat and the Cavitec and Cavitalloy alloys, with after
refusion with the same plasma process.
To qualificate the coatings, were used metallographic analysis, microhardness
analysis, X-ray and cavitation attempts.
Cavitec alloy has the best cavitation resistance either welded or remelted and the
Durcavit experimental alloy in intermediate position among the alloys, but with a great
potential to develop coatings with good cavitation resistance.
The remelted treatment did not refine the grain diameter, but in cavitec and
cavitalloy, this technique increase the cavitation resistance.
Keywords: Cavitation, Plasma PTA, Stainless Steel, Refusion, Hydraulic turbines.
SUMRIO
1 INTRODUO ..........................................................................................................11
1.1 DESCRIO DO PROBLEMA..................................................................................12
1.2 OBJETIVOS E CONTRIBUIES ............................................................................14
2 REVISO BIBLIOGRFICA ..................................................................................15
2.1 EROSO POR CAVITAO.....................................................................................15
2.2 MATERIAIS RESISTENTES CAVITAO .........................................................18
2.3 SOLDABILIDADE DOS AOS INOXIDVEIS AUSTENTICOS.........................25
2.3.1 ESTRUTURA DA ZONA FUNDIDA.........................................................................29
2.4 PROCESSO DE SOLDAGEM PLASMA ...................................................................33
2.5 PROCESSO DE REFUSO SUPERFICIAL ..............................................................36
2.6 CARACTERSTICAS DOS PRINCIPAIS PROCESSOS DE REFUSO.................38
2.6.1 REFUSO POR TIG ...................................................................................................38
2.6.2 REFUSO POR PLASMA..........................................................................................38
2.6.3 REFUSO A LASER ..................................................................................................39
3 MATERIAIS E MTODOS......................................................................................40
3.1 METODOLOGIA EXPERIMENTAL.........................................................................40
3.2 MATERIAIS ................................................................................................................41
3.3 EQUIPAMENTOS .......................................................................................................42
3.4 GASES .........................................................................................................................42
3.5 PROCEDIMENTO DE SOLDAGEM .........................................................................43
3.6 CARACTERIZAO DOS REVESTIMENTOS.......................................................45
3.6.1 MICROSCOPIA E ANLISE METALOGRFICA ..................................................45
3.6.2 DIFRAO DE RAIOS X .......................................................................................45
3.6.3 MEDIO DE DUREZA............................................................................................45
3.6.4 ENSAIO DE CAVITAO.........................................................................................45
4 RESULTADOS E DISCUSSO ...............................................................................47
4.1 ASPECTO DOS REVESTIMENTOS SOLDADOS ...................................................47
4.2 ANLISE METALOGRFICA..................................................................................49
4.3 DIFRAO DE RAIOS-X ..........................................................................................56
4.4 MICRODUREZA DAS AMOSTRAS .........................................................................57
4.5 ENSAIO DE CAVITAO.........................................................................................58
5 CONCLUSO.............................................................................................................72
5.1 QUANTO SOLDABILIDADE DAS LIGAS ESTUDADAS..................................72
5.2 QUANTO RESISTNCIA CAVITAO DAS LIGAS ESTUDADAS............72
5.3 RECOMENTAES PARA TRABALHOS FUTUROS ...........................................73
6 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .....................................................................74
7
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Matriz Eltrica Brasileira- situao Janeiro 2007 [6]. ............................................12
Figura 2- Modelo Caracterstico do processo de formao e colapso de uma bolha, onde (a)
colapso produzindo uma onda de choque e (b) colapso produzindo um microjato.
Adaptado de [12]. .............................................................................................................15
Figura 3- Curvas caractersticas da evoluo da perda de massa e parmetros para
representao da taxa de eroso cumulativa (a) e taxa erosiva instantnea, em materiais
sujeitos cavitao (b), adaptado de [10].........................................................................17
Figura 4 - Aspecto de regies cavitadas em ps de turbinas tipo Francis [7]. .........................18
Figura 5 - Resistncia cavitao das ligas estudadas por PAREDES et al [19]. ...................23
Figura 6 - Perda de massa acumulada das ligas estudadas por PAREDES et al [21]. .............23
Figura 7 - Seo vertical do diagrama ternrio Fe-Cr-Ni com 18% de cromo, vlido para teor
de carbono inferior a 0,03%. [18,22]................................................................................26
Figura 8 - (a) Cintica de precipitao de carboneto M22C6 em um ao tipo AISI 304,
contendo 0,05% de carbono, previamente temperado de 1250C, (b) relao entre a
precipitao de M22C6 e corroso intergranular do mesmo material. [22] .......................28
Figura 9 - Diagrama pseudo-binrio Fe-Cr-Ni para um teor de ferro de 70%. [22] ................29
Figura 10 - Exemplos de morfologias da ferrita delta na zona fundida de aos inoxidveis
austenticos. [22]...............................................................................................................30
Figura 11 - Diagramas de Schaeffler (a), De Long (b), Hull (c), WRC 1992 (d) [25].............32
Figura 12 Esquema da tocha Plasma. ....................................................................................34
Figura 13 (a) Esquema do arco piloto e do arco transferido e (b) alimentao de arame na
pistola plasma. ..................................................................................................................35
Figura 14 - Bancada de soldagem.............................................................................................42
Figura 15 Esquema de montagem do dispositivo de ensaio de cavitao [36]. ....................46
Figura 16 Aspecto do revestimento Cavitec..........................................................................47
Figura 17 Aspecto do revestimento Cavitalloy, com uma regio j refundida em destaque.48
Figura 18 Aspecto do revestimento Durcavit. Em (a) visualiza-se a homogeneidade dos
cordes; em (b) observa-se a presena de respingos. .......................................................48
Figura 19 Microestrutura da liga Cavitec soldada. (a) superfcie do corpo de prova do ensaio
de cavitao; (b) seo transversal da amostra.................................................................49
Figura 20 Microestrutura da liga Cavitalloy soldada. (a) superfcie do corpo de prova do
ensaio de cavitao; (b) seo transversal da amostra......................................................49
8
Figura 21 Microestrutura da liga Durcavit soldada. (a) superfcie do corpo de prova do
ensaio de cavitao; (b) seo transversal da amostra......................................................50
Figura 22 Diagrama de Schaeffler para as trs ligas testadas................................................51
Figura 23 Diagrama de Hull para as trs ligas estudadas. .....................................................51
Figura 24 Diagrama WRC1992, modificado por Kotecki, para as trs ligas estudadas........52
Figura 25 Microestrutura da liga Cavitec refundida. (a) superfcie do corpo de prova do
ensaio de cavitao; (b) seo transversal da amostra......................................................53
Figura 26 Microestrutura da liga Cavitalloy refundida. (a) superfcie do corpo de prova do
ensaio de cavitao; (b) seo transversal da amostra......................................................54
Figura 27 Microestrutura da liga Durcavit refundida. (a) superfcie do corpo de prova do
ensaio de cavitao; (b) seo transversal da amostra......................................................54
Figura 28 Macrografia utilizada na medio da zona refundida. ..........................................55
Figura 29 Difratograma da liga Cavitec no estado como soldado.........................................56
Figura 30 Difratograma da liga Cavitalloy no estado como soldado. ...................................56
Figura 31 Difratograma da liga Durcavit no estado como soldado.......................................57
Figura 32 Perfis de dureza das amostras como soldadas.......................................................57
Figura 33 Perfis de dureza das amostras refundidas..............................................................58
Figura 34 - Resistncia cavitao das ligas estudadas na condio soldada. ........................59
Figura 35 - Resistncia cavitao das ligas estudadas na condio refundida. .....................61
Figura 36 Difratogramas das amostras soldadas e refundidas aps 42 horas de ensaio de
cavitao. ..........................................................................................................................62
Figura 37 - Aspecto da liga Cavitec como soldada aps 10 horas de ensaio de cavitao
acelerada.(a) aumento de 400x e (b) aumento de 2000x, destacando as linhas de
transformao de fase. ......................................................................................................64
Figura 38 - Aspecto da liga Cavitalloy como soldada 10 horas de ensaio de cavitao
acelerada. (a) aspecto geral da superfcie da amostra. (b) Ampliao da regio central
(100x). (c) Ampliao da regio mais escura (2000x). (c) Ampliao da regio mais clara
(2000x). ............................................................................................................................65
Figura 39 - Aspecto da liga Durcavit aps 10 horas de ensaio de cavitao acelerada............66
Figura 40 - Aspecto das amostras testadas aps 42 horas de ensaio de cavitao acelerada. ..67
Figura 41- Aspecto da amostra Cavitec refundida aps 10 horas de ensaio de cavitao
acelerada. ..........................................................................................................................68
Figura 42- Aspecto da amostra Cavitalloy refundida aps 10 horas de ensaio de cavitao
acelerada. ..........................................................................................................................69
9
Figura 43- Aspecto da amostra Durcavit refundida aps 10 horas de ensaio de cavitao
acelerada. ..........................................................................................................................70
Figura 44 - Aspecto das amostras testadas aps 42 horas de ensaio de cavitao acelerada. ..71
10
NDICE DE TABELAS
Tabela 1 Resultados encontrados por PAREDES et al [21]..................................................24
Tabela 2 Efeitos dos elementos de liga nos aos inoxidveis austenticos [23]....................28
Tabela 3 Relaes de Cr e Ni equivalentes para aos inoxidveis [25]. ...............................31
Tabela 4 - Composies qumicas das ligas analisadas............................................................41
Tabela 5 - Composio qumica da liga de amanteigamento. ..................................................42
Tabela 6 Variveis da deposio do amanteigamento...........................................................43
Tabela 7 Variveis utilizadas para a liga Cavitec..................................................................43
Tabela 8 Variveis utilizadas para a liga Cavitalloy. ............................................................44
Tabela 9 Variveis utilizadas para a liga Durcavit. ...............................................................44
Tabela 10 Variveis utilizadas na refuso dos revestimentos. ..............................................44
Tabela 11 - Tamanho de gro mdio das amostras soldadas....................................................50
Tabela 12 Valores de Cr e Ni equivalentes. ...........................................................................53
Tabela 13 - Tamanho de gro mdio das amostras refundidas.................................................54
Tabela 14 - Tempo de incubao e taxa de eroso das ligas soldadas testadas........................58
Tabela 15 Energia de falha de empilhamento para as ligas estudadas. .................................60
Tabela 16 Temperatura Md para as ligas estudadas...............................................................60
Tabela 17 - Tempo de incubao e taxa de eroso das ligas refundidas testadas.....................60
Tabela 18 Volume das fases presentes nas amostras aps 42 horas de ensaio de cavitao. 63
Tabela 19 Composio qumica das regies mais claras e mais escuras da amostra
Cavitalloy ref obtida por EDX. ........................................................................................69
11
1 INTRODUO
A eroso por cavitao causa de enormes prejuzos para as empresas geradoras de
energia eltrica, pois compromete o funcionamento de turbinas hidrulicas e leva a constantes
paradas para recuperao das regies cavitadas. Desta forma, quanto mais rpido e
qualificado for o processo de recuperao das reas erodidas e mais resistente cavitao for
a liga utilizada, maior ser o perodo disponvel das turbinas para gerao de energia.
O estado da arte atual conduziu a ligas austenticas ligadas ao Co, que apresentam
mecanismo de resistncia cavitao baseado no endurecimento superficial, associado s
transformaes de fase e/ou geradas por deformaes oriundas dos colapsos das bolhas e/ou microjatos contra a superfcie.
A superior resistncia fadiga destas ligas indicada [1, 2] como o principal
mecanismo que origina uma baixa remoo de material durante a cavitao. A remoo de
material inicia nas bandas de deslizamento e contornos de gro, desenvolvendo-se um estado
avanado de eroso nestas regies por fadiga. A conduta deformao e fratura, tpica de
ligas com baixa energia de falha de empilhamento, tem como resultado uma elevada taxa de
encruamento que acarreta grande perodo de incubao e baixa taxa erosiva.
Muitos estudos foram realizados [3, 4, 5] para desenvolver e otimizar materiais e
procedimentos de recuperao com o intuito de minimizar o problema. Em relao
soldagem, que o processo comumente utilizado na recuperao de regies cavitadas, um dos
focos se concentra na seleo do processo e otimizao dos procedimentos de soldagem para
uma melhor produtividade e qualidade dos depsitos com o menor custo possvel. Outro foco
diz respeito s caractersticas metalrgicas do depsito, onde se busca analisar a
microestrutura e relacion-la com sua resistncia cavitao.
Paralelamente a isso, o desenvolvimento e otimizao de ligas que apresentem
melhores resultados quanto cavitao se faz necessrio para aumentar o intervalo entre
operaes de manuteno nos equipamentos suscetveis a este problema.
12
1.1 DESCRIO DO PROBLEMA
O Brasil detm um dos maiores potenciais hidreltricos do mundo, sendo que,
atualmente, sua matriz energtica composta, predominantemente, por esta fonte, ficando o
restante distribudo entre as outras fontes de gerao, conforme podemos observar na Figura
1.
%
7,90%0,03%
1%
10%
0,90%
70,71%
3,32%
2,17%
1,13%
1,94%0,01%
0,02%
0,19%
0,76%
Hidrulica Gs Natural Gs de Processo leo Diesel
leo Residual Bagao de Cana Licor Negro Madeira
Biogs Casca de Arroz Nuclear Carvo Mineral
Elica Importao
Figura 1 Matriz Eltrica Brasileira- situao Janeiro 2007 [6].
O mercado de energia eltrica experimenta um crescimento da ordem de 4,5% ao
ano, devendo ultrapassar a casa dos 100 mil MW em 2008. O planejamento governamental de
mdio prazo prev a necessidade de investimentos da ordem de R$ 6 a 7 bilhes/ano para
expanso da matriz energtica brasileira, em atendimento demanda do mercado consumidor
[6].
Ao longo das ltimas duas dcadas, o consumo de energia eltrica apresentou ndices
de expanso bem superiores ao Produto Interno Bruto (PIB), fruto do crescimento
13
populacional concentrado nas zonas urbanas, do esforo de aumento da oferta de energia e da
modernizao da economia.
As classes de consumo residencial, comercial e rural obtiveram expressivos ganhos
de participao, enquanto o segmento industrial teve participao menor neste crescimento,
principalmente pela utilizao de tecnologias mais eficientes no uso final da eletricidade,
aliada s medidas de racionalizao de consumo postas em prtica especialmente na dcada
de 90.
O Brasil possui no total 1.630 empreendimentos em operao, gerando 99.315.433
kW de potncia, sendo ainda prevista para os prximos anos uma adio de 26.226.504 kW
na capacidade de gerao do Pas, proveniente dos 85 empreendimentos atualmente em
construo e mais 514 outorgadas [6].
Apesar da previso de grandes investimentos no setor de gerao de energia, a
entrada em operao de novas hidreltricas depende de licitaes, projetos, questes
ambientais, anlise de viabilidade do empreendimento, indenizaes e toda a infra-estrutura
necessria para distribuir a energia. Isto no conseguido em curto prazo. Sendo assim, os
esforos para aumentar a eficincia no parque gerador hidrulico esto cada vez mais
intensos. E uma das contribuies para isso so os estudos para diminuir o tempo gasto nas
manutenes de turbinas erodidas por cavitao. Conseguir ampliar o intervalo entre
manutenes faz com que o equipamento esteja disponvel para gerao por mais tempo, alm
de economizar anualmente uma quantia significativa para as concessionrias, que podero
investir mais em pesquisa e desenvolvimento de novas tecnologias.
Atualmente, grande parte das usinas hidreltricas no pas opera com problemas de
cavitao em suas turbinas. Podemos citar a maior usina da Companhia Paranaense de
Energia (COPEL), a UHEGBM Foz do Areia, que possui quatro unidades geradoras do tipo
Francis que param a cada 15.000 horas para efetuar recuperao de regies erodidas por
cavitao [7].
As turbinas da UHEGBM, assim como a maioria das turbinas tipo Francis e Pelton
em operao, so fabricadas em ao carbono. Mas podem tambm receber um revestimento
soldado de ao inoxidvel austentico nas regies de maior desgaste por cavitao.
Outras turbinas, como as de UHEGJR e UHEGPS (ambas da Copel), so fundidas
em ao inoxidvel martenstico CA6NM, buscando maior resistncia ao fenmeno cavitante.
A recuperao dessas regies afetadas normalmente feita por deposio de material
por soldagem. No princpio utilizava-se a deposio por eletrodo revestido das ligas
inoxidveis da srie 300 como a AWS 309. Apesar de serem mais eficientes que o ao
14
carbono, estas ligas foram superadas por outras de maior resistncia cavitao, como as
ligas Conargem E 725, Hydrolloy HQ 913. Posteriormente, o processo de soldagem
preferencial passou a ser o MIG/MAG, utilizando materiais na forma de arame, como o AWS
309L, Cavitec e o Cavitalloy.
Para se ter noo do volume de material depositado durante a recuperao de uma
turbina erodida por cavitao, na ltima recuperao efetuada na UHEGBM, ocorrida em
2005, foram depositados por soldagem MIG/MAG Pulsado 630 kg de ao inoxidvel
austentico AWS 309LT1(400 kg nas ps e 230 kg na regio de suco), com um custo
aproximado de R$ 205.000,00. Desde a primeira recuperao em 1985, 18.500 kg de material
foram depositados nas turbinas desta usina [7].
Atualmente, novos processos de deposio esto sendo utilizados em carter
experimental, como a asperso trmica.
1.2 OBJETIVOS E CONTRIBUIES
O objetivo deste trabalho avaliar e comparar uma nova liga resistente cavitao
com as ligas comerciais Cavitec e Cavitalloy atravs da deposio pelo processo plasma PTA-
arame e tambm estudar os efeitos da refuso nesses depsitos quando solicitados no ensaio
de cavitao.
Como contribuio, busca-se oferecer futuramente ao mercado uma nova liga com
caractersticas de resistncia cavitao igual ou superior s ligas comerciais a um custo
inferior, visto que a liga experimental aqui analisada ter tecnologia e fabricao nacional,
comparada com suas concorrentes de tecnologia importada.
Espera-se tambm comprovar que a soldagem plasma tem condies de gerar um
depsito soldado que, associado com as ligas estudadas, apresente uma maior resistncia
cavitao, seja na condio normal ou refundida, pois desta forma possvel aumentar os
intervalos entre manutenes de turbinas e diminuir o volume de metal depositado na
recuperao de reas cavitadas, conseqentemente diminuindo custos e aumentando o tempo
disponvel na gerao de energia de cada equipamento.
15
2 REVISO BIBLIOGRFICA
2.1 EROSO POR CAVITAO
A cavitao uma forma de eroso no qual a superfcie encontra-se em contato com
um lquido, como, por exemplo, turbinas hidrulicas.
Quando localmente a presso parcial dos vapores ou gases dissolvidos no lquido cai
a valores iguais ou inferiores presso de vaporizao quela temperatura, bolhas preenchidas
por gases ou vapores ou por ambos, iro se formar. Se por algum motivo a presso do lquido
for rapidamente levantada, as bolhas formadas tendero a implodir ou gerarem microjatos
(vide Figura 2). Na fase lquida, idealmente, estas imploses iro ocorrer concentricamente,
ocasionando rudos indesejveis devido a vibraes locais. Diversos so os trabalhos [8, 9, 10,
11] abordando a dinmica das bolhas no processo erosivo, onde se conclui que os colapsos
por imploses ou por microjatos liberam nveis elevados de energia. Ondas de presso na
ordem de 106 a 109 Pa tm sido medidas e velocidades acima de 1000 m/s, para microjatos de
apenas alguns mcrons de dimetro, foram observadas.
Figura 2- Modelo Caracterstico do processo de formao e colapso de uma bolha, onde (a)
colapso produzindo uma onda de choque e (b) colapso produzindo um microjato. Adaptado de
[12].
16
A avaliao do processo erosivo provocado pela cavitao pode ser enfocada, tanto
qualitativamente, atravs de anlise microscpica (avaliao do aspecto superficial por
microscopia), quanto quantitativamente pela escolha de um determinado parmetro de
desgaste (rugosidade ou perda de massa em funo do tempo).
Independente do tipo de material submetido eroso por cavitao, o
desenvolvimento do processo erosivo em funo do tempo de exposio apresentar-se-,
normalmente, em quatro perodos ou estgios distintos, como indicado na Figura 3 e
relacionadas a seguir em:
a) Incubao tempo durante o qual modificaes no aspecto superficial (micro deformaes) tomam lugar sem uma significante ocorrncia de perda de massa
(taxa erosiva nula ou desprezvel). Quantitativamente definido como a
intercesso no eixo de tempo, de uma linha tangente mxima inclinao da curva
de perda de material em funo do tempo;
b) Acelerao o material previamente deformado, ao continuar absorvendo energia de impacto dos colapsos, origina microtrincas e comea a apresentar um
processo gradual de perda de massa em funo do tempo;
c) Mxima taxa erosiva o processo de perda de massa em funo do tempo atinge o seu mximo e permanece constante;
d) Atenuao etapa posterior ao ponto de mxima taxa erosiva. A rugosidade caracterstica desta etapa absorve parte da energia de impacto, provocando uma
queda na taxa erosiva;
e) Estabilidade nesta etapa a taxa erosiva torna-se quase constante (regime permanente).
17
Figura 3- Curvas caractersticas da evoluo da perda de massa e parmetros para
representao da taxa de eroso cumulativa (a) e taxa erosiva instantnea, em materiais
sujeitos cavitao (b), adaptado de [10].
A Figura 4 mostra regies cavitadas em uma turbina tipo Francis. A regio mostrada
em 4 (a) corresponde a borda de sada da saia. Em 4 (b) verifica-se a eroso por cavitao
ocorrido na regio do bojo da p. A figura 4 (c) mostra o aspecto da regio de suco da p.
Em 4 (d) verifica-se um aspecto geral das reas cavitadas.
18
Figura 4 - Aspecto de regies cavitadas em ps de turbinas tipo Francis [7].
2.2 MATERIAIS RESISTENTES CAVITAO
Apesar do avano tecnolgico no projeto e construo de mquinas hidrulicas, as
possibilidades de eliminao por completo do fenmeno de cavitao, a partir de
modificaes de projeto ou ainda por mudanas nas caractersticas operacionais dos
equipamentos, so limitadas.
Tais modificaes, buscando a eliminao do fenmeno de cavitao, trazem consigo
o inconveniente comum de reduo na eficincia e na potncia destas mquinas hidrulicas.
Olhando pelo lado da produo (eficincia e potncia) interessante, portanto, admitir um
determinado grau de ocorrncia da cavitao, vislumbrando a possibilidade de se reparar as
reas erodidas nas paradas para manuteno ou ento que se garanta uma elevada resistncia
aos danos causados pela cavitao, atravs do emprego de materiais metlicos especiais na
forma de fundido ou de camada depositada.
Desta forma, a convivncia com um nvel tolervel de cavitao conduz
a
c
b
d
19
necessidade de se buscar materiais resistentes ao fenmeno, o que possibilitar construir
mquinas mais rpidas, mais compactas e principalmente com perodos mais longos de
funcionamento entre reparos.
Entre os materiais com caractersticas de resistncia cavitao, destaca-se o caso do
ao inoxidvel austentico que possui boa resistncia ao fenmeno e que foi empregado por
alguns anos na forma de camadas protetoras, depositadas por soldagem, em turbinas
fabricadas em ao carbono.
Um avano na performance das turbinas impostas a condies de alta intensidade de
cavitao deve-se ao desenvolvimento de ligas com alta resistncia a cavitao, tais como os
aos inoxidveis austenticos, de baixo carbono, ligados ao Co. Todavia, em funo do preo
relacionado a estas ligas, almejou-se o desenvolvimento de ligas com similar resistncia
cavitao, porm, com menos elementos de liga de elevado preo como o Co [5].
ZYLLA et al [13], traaram o perfil que um determinado ao dever apresentar para
ter boa resistncia ao fenmeno de cavitao, contendo basicamente os seguintes aspectos:
Alta resistncia para ancoramento das discordncias; Baixa energia de falha de empilhamento que influencia o movimento e formao
das discordncias durante a deformao;
A microestrutura dever apresentar uma distribuio homognea de pontos de ancoramento e igual energia de falhas de empilhamento;
O tamanho dos gros dever ser pequeno para elevar a fora necessria ao arrancamento das partculas superficiais;
O material dever apresentar alta plasticidade para limitar a propagao de trincas.
Os mecanismos atuantes durante o processo de eroso por cavitao j so
conhecidos o suficiente para se poder otimizar a estrutura exposta cavitao a fim de
combater o fenmeno. O que se observa que a tenacidade constitui-se no principal critrio
na resistncia cavitao, contudo, na realidade no existe um material que seja
completamente imune cavitao, devido, principalmente, ao fato de que o material no
poder apresentar ao mesmo tempo todos os pontos citados acima.
Alm das propriedades mecnicas, outras caractersticas como microestrutura,
composio qumica e condio superficial dos materiais exercem importante papel no
processo de resistncia ao fenmeno erosivo provocado por cavitao [13]. Desta forma,
estrutura cristalina, transformao de fase, tamanho de gro, planos de deslizamentos,
20
maclao, porosidade e grau de acabamento superficial entre outros, devem ser levados em
considerao quando do desenvolvimento de pesquisas nesta rea [3, 14].
Verifica-se que a alta resistncia apresentada pelas ligas inoxidveis ao cobalto est
diretamente relacionada a sua baixa energia de falhas de empilhamento, estrutura monofsica
austentica , transformao induzida por deformao ou por combinaes destas [15]. O perodo de incubao apresenta uma relao direta com as propriedades
relacionadas absoro de energia e resistncia do material, isto , resilincia, razo de
compresso ao choque, dureza e tenso de resistncia [4].
A estrutura monofsica apresenta-se como um ponto importante na resistncia cavitao dos aos inoxidveis ligados ao cobalto, contudo quando da existncia de duas
fases, como por exemplo, austenita e ferrita em determinada percentagem, estas se comportam de maneiras diferentes. Neste caso, o fenmeno de cavitao tende a iniciar-se e
ser mais severo sobre a fase , pois sua estrutura CCC no resiste elevada deformao. Um ponto importante a ser considerado, quando da necessidade de resistncia
cavitao, a metaestabilidade estrutural da austenita nos aos inoxidveis austenticos. Tal
caracterstica, neste tipo de ao inoxidvel, propicia uma transformao da estrutura
inicialmente austentica para uma estrutura final composta por uma combinao de mais martensita e martensita induzidas por ao de tenses geradas por cavitao. Uma das formas de medir esta metaestabilidade atravs da temperatura em que ocorre o incio da
transformao martenstica (MS) no resfriamento. Se esta temperatura est prxima da
temperatura ambiente, haver maior facilidade na ocorrncia da transformao de fase
No caso dos aos austenticos com transformao controlada, a temperatura de
transformao martenstica est prxima da temperatura ambiente, possibilitando assim que
ela ocorra por trabalho frio ou encruamento. Elementos como o Ni e Co so austenitizantes,
mas, se o primeiro for utilizado, a temperatura de transformao cairia abaixo da temperatura
ambiente. J com o Co a estrutura pode ser controlada sem reduzir a temperatura de
transformao.
SCHUMANN [16] em seu trabalho de reviso sobre a transformao martenstica
mostra as vrias possibilidades de transformao, seja no resfriamento dos aos ou na
deformao a frio. A transformao martenstica, como resultado da deformao a frio em
aos austenticos, mostra a metaestabilidade destes aos e que pode se formar martensita
acima da temperatura MS (temperatura de incio da transformao no resfriamento) como
resultado de deformao plstica. A temperatura conhecida como Md (Md>MS), representa a
21
temperatura acima da qual nenhuma transformao ocorrer por deformao [17]. A
transformao depende principalmente dos elementos de liga presentes e da tenso aplicada.
A origem das mudanas de fase nos metais expostos a esforos e ou deformao
esto agrupadas em dois tipos principais [15], conforme descritos abaixo em:
martensita (cbica de corpo centrado), onde a fase originalmente (cbica de face centrada) transforma-se em , devido deformaes na rede cristalina [16].
martensita (hexagonal compacta), onde a fase originalmente transforma-se em sob a forma de plaquetas muito finas e alongadas, situadas nos planos octadricos da austenita [16].
Pelo estudo de vrias ligas empregadas na confeco de turbinas hidrulicas,
constatou-se que a liga de cobalto com baixo teor de carbono (Stellite 21) apresentava uma
resistncia cavitao 50 vezes maior em relao ao ao inoxidvel AISI 308 [1]. A partir
dessas informaes, partiu-se para o desenvolvimento de aos inoxidveis austenticos ligados
ao cobalto com similar desempenho cavitao das ligas ao cobalto. Isto foi conseguido em
funo de um balanceamento dos elementos de ligas presentes, isto , eliminao de nquel e a
troca de uma percentagem de Co por Mn, N e C visando uma estrutura austentica com baixa
energia de falha de empilhamento, caractersticas de deformao planar, maclao fina e
elevado endurecimento por deformao.
A energia de falha de empilhamento pode ser descrita como a diferena de energia
livre entre as estruturas (matriz) e . Dessa forma, existe uma relao entre a energia de falha de empilhamento e a fase , isto , as falhas de empilhamento servem de embries para a fase durante a transformao [15, 5].
Materiais com baixa energia de falhas de empilhamento tero caractersticas de
deformao com reduzido deslizamento cruzado, maior separao entre as discordncias
parciais e, finalmente, maior possibilidade de ocorrncia da fase . Pode-se dizer que as caractersticas de estrutura monofsica, baixa energia de falhas
de empilhamento e transformao martenstica, induzida por deformao, esto inter-
relacionadas e constituem um papel importante na boa resistncia cavitao de depsitos
soldados.
O tamanho dos gros obtidos durante a operao de soldagem tem fundamental
22
importncia nas propriedades mecnicas que a camada de solda depositada ir apresentar.
Desta forma, foram desenvolvidas diversas tcnicas, de ordem metalrgica e/ou processual,
visando controlar (refinar) o tamanho dos gros para as dimenses desejadas.
Com aplicao adequada de uma ou mais destas tcnicas poder-se- garantir uma
estrutura final contendo caractersticas como:
Controle dos stios de nucleao da martensita, isto , estabilizao da fase (original) atravs de gros mais refinados e com isso retardando a mudana martensita [19];
Maior dissoluo dos segregados em funo do aumento na rea superficial dos gros por unidade de volume, provocada pelo refinamento [18, 20];
Abaixamento de Ms em decorrncia do refinamento nos gros da fase inicial [19];
Aumento no tempo de incubao antes do incio da transformao martensita [19];
Aumento na fora necessria ao arrancamento das partculas superficiais [13].
Os trabalhos abordando a relao entre defeitos superficiais e suas influncias sobre
o processo de eroso por cavitao [3, 14], relatam a forte influncia destes, comumente
encontrados ao trmino do processo de recuperao das reas erodidas que, de uma maneira
geral, reduzem ou at eliminam o perodo de incubao, em alguns materiais, e servem como
stios de nucleao e propagao do processo o processo erosivo.
Diversos trabalhos foram desenvolvidos buscando novos materiais e/ou processos
que possibilitassem ganho em relao resistncia cavitao.
PAREDES et al [21], numa cooperao entre a Universidade Federal de Santa
Catarina UFSC, o Instituto de Tecnologia Para o Desenvolvimento LACTEC e a COPEL,
comparam o desempenho cavitao de ligas inoxidveis ao Co experimentais com as ligas
comerciais Cavitec e INOX 309L-16. Foram testadas diversas condies para as ligas em
questo, com seus resultados sendo mostrados nas Figuras 5 e 6 e na Tabela 1.
23
Perda de massa acumulada x Tempo de cavitao Ligas em desenvolvimento / Cavitec
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35 40Tempo ( hora )
Perd
a de
mas
sa a
cum
ulad
a (m
g)
CP6R
CP1
CP3
CP4
CavPlasmaCavMig
CP7a
Figura 5 - Resistncia cavitao das ligas estudadas por PAREDES et al [19].
Perda de massa acumulada x Tempo de cavitao Revestimentos Durum e Ao Inoxidvel E309L-16
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 5 10 15 20 25 30 35 40Tempo ( hora )
Perd
a de
mas
sa a
cum
ulad
a (m
g)
CP6RCP1CP3CP4CavPlasmaCavMigE309L-16
Figura 6 - Perda de massa acumulada das ligas estudadas por PAREDES et al [21].
24
Tabela 1 Resultados encontrados por PAREDES et al [21].
Corpo de prova
Tempo de ensaio (h)
Perodo de incubao (h)
Taxa de eroso (mg/h) Amanteigamento
CP1 - Liga exp. Plasma 17 6 0,57 sim
CP3 - Liga exp. MIG 27 12 0,30 no
CP4 - Liga exp. Plasma 27 12 0,30 no
CP6R - Liga exp. Plasma c/ Refuso
24 4,0 0,42 sim
Cavitec Plasma 40 20 0,56 sim
Cavitec MIG 40 24 0,34 sim CP7a - Liga exp. Plasma 40 15 0,46 sim
Inox 309L-16 41 3 6,38 no
25
2.3 SOLDABILIDADE DOS AOS INOXIDVEIS AUSTENTICOS
Os aos inoxidveis austenticos so o maior grupo de aos inoxidveis em uso,
representando cerca de 65 a 70% do total produzido. Ao contrrio dos aos inoxidveis
ferrticos e principalmente dos martensticos, cujas propriedades se assemelham quelas dos
aos baixa liga, os aos austenticos tm uma srie de caractersticas prprias, que os
distingue das outras classes de aos. Devido a isto, a sua soldagem apresenta tambm alguns
aspectos prprios.
Esta classe de materiais caracterizada pelas seguintes propriedades:
Tenacidade e ductilidade superiores a da maioria dos outros aos. Estas propriedades so mantidas at temperaturas muito baixas, no apresentando
transio dctil/frgil. Assim, estes aos so considerados para estruturas soldadas
a serem utilizadas na temperatura de fuso do hlio (4 K), como, por exemplo, a
estrutura de magnetos em reatores experimentais de fuso nuclear;
Boa resistncia mecnica e corroso a temperaturas elevadas, o que permite a sua utilizao em temperaturas consideravelmente superiores temperatura mxima de
servio de aos de baixa liga ou de aos inoxidveis martensticos e ferrticos.
Estas caractersticas so conseguidas principalmente em aos ligados com Mo ou
Si;
Elevada capacidade de endurecimento por deformao plstica (em geral). Esta endurecibilidade no acompanhada por uma elevada perda de ductilidade;
Soldabilidade relativamente boa. A ausncia de transformao martenstica e sua boa tenacidade implicam na sua insensibilidade fissurao pelo hidrognio. A
sensibilidade formao de porosidades tambm baixa e a zona fundida tem
propriedades que se assemelham do metal de base. Assim, geralmente fcil se
obter soldas adequadas sem pr-aquecimento e que podem ser postas em servio
sem tratamentos trmicos ps-soldagem. Entretanto, este resultado somente pode
ser obtido pela escolha adequada do processo de soldagem e do metal de adio, o
26
que deve ser feito de acordo com os princpios da metalurgia da soldagem destes
aos, de sua soldabilidade e de suas condies de servio.
Existe um grande nmero de tipos de aos inoxidveis austenticos, mas as ligas
utilizadas so aquelas contendo cerca de 18% de cromo e 10% de nquel. Por isto, a discusso
sobre a estrutura destas ligas pode se iniciar pelo diagrama pseudo-binrio Fe-18%Cr-Ni,
mostrado na Figura 7.
Segundo este diagrama, para teores de nquel inferiores a 1-1,5%, o material se
comportaria como um ao completamente ferrtico durante o resfriamento a partir de altas
temperaturas. Acima deste teor, existe uma faixa de temperaturas em que a liga bifsica
(austenita mais ferrita delta), que se amplia com o aumento do teor de nquel. Finalmente,
acima de cerca de 3,5% de nquel, existe um intervalo de temperaturas em que a liga
completamente austentica, e que se amplia com maiores teores de nquel Com o aumento na
quantidade deste elemento, a temperatura Ms diminuda, mas at cerca de 7 a 8% de Ni esta
temperatura permanece acima da ambiente e o ao , portanto, do tipo martenstico. Assim, os
aos inoxidveis austenticos so, em geral, ligas contendo 18% Cr e teores de Ni superiores a
8%.
Figura 7 - Seo vertical do diagrama ternrio Fe-Cr-Ni com 18% de cromo, vlido para teor de carbono inferior a 0,03%. [18,22]
Alteraes na quantidade de Cr tm um efeito similar ao j discutido para os outros
27
tipos de aos inoxidveis. Um aumento na quantidade deste elemento amplia a faixa de
existncia da ferrita delta e, conseqentemente, torna necessrio um aumento no teor de
nquel para obteno de uma estrutura austentica temperatura ambiente. Entretanto, um
aumento na quantidade de cromo aumenta a estabilidade da austenita em relao ao
resfriamento e deformao plstica, pois causa uma diminuio na temperatura Ms. Assim,
em diversos aos inoxidveis austenticos, a austenita existe temperatura ambiente como
uma fase metaestvel. Em particular, em aos do tipo 17%Cr e 7%Ni (AISI 301), a austenita
pode se transformar em martensita por deformao a temperatura ambiente ou por tratamento
a baixa temperatura.
O efeito do carbono sobre a estrutura dos aos inoxidveis austenticos acima de
cerca de 900C similar ao do nquel, isto , ele tende a ampliar a faixa de existncia da
austenita e conseqentemente reduz a quantidade de ferrita delta presente a altas temperaturas.
Entretanto, a solubilidade do carbono na austenita diminui com a queda da temperatura. Para
ligas com menos de cerca de 0,03% de carbono, este efeito tem pouca importncia
metalrgica. Para teores superiores, o carbono , em geral, completamente solvel na
austenita a temperaturas superiores a 1000C. Entretanto, durante um resfriamento lento, ou
durante uma breve permanncia entre cerca de 500 a 900C, um carboneto de cromo M22C6 ou (Cr,Fe)23C6 pode se precipitar e prejudicar certas propriedades do material, particularmente
sua resistncia corroso e sua ductilidade a baixas temperaturas. A precipitao de
carbonetos pode ocorrer em diversos pontos da microestrutura, porm sua cintica mais
rpida para precipitao em contornos de gro ou de macla, conforme Figura 8 (a).
28
Figura 8 - (a) Cintica de precipitao de carboneto M22C6 em um ao tipo AISI 304,
contendo 0,05% de carbono, previamente temperado de 1250C, (b) relao entre a
precipitao de M22C6 e corroso intergranular do mesmo material. [22]
Os aos inoxidveis austenticos podem ter adies de outros elementos para a
obteno de propriedades especiais. A Tabela 2 resume os efeitos dos diversos elementos de
liga nestes aos.
Tabela 2 Efeitos dos elementos de liga nos aos inoxidveis austenticos [23].
Elementos Tipos de aos Efeitos
C Todos Promove fortemente a formao de austenita Pode formar carbonetos com o cromo e resultar em corroso intergranular
Cr Todos Promove a formao de ferrita. Aumenta a resistncia oxidao e corroso
Ni Todos Promove a formao da austenita. Aumenta a resistncia alta temperatura, resistncia corroso e ductilidade.
N XXX N Promove fortemente a formao da austenita (semelhante ao C). Aumenta a resistncia mecnica
Nb 347 Reduz a sensibilidade corroso intergranular, combinado com o C. Age como refinador de gro. Promove a formao de ferrita, aumenta a resistncia fluncia.
Mn 2 XX Estabiliza a austenita a temperaturas prximas da ambiente, mas forma ferrita a altas temperaturas. lnibe a fragilidade a quente (hot shortness) pela formao de MnS.
Mo 316, 317 Aumenta a resistncia a alta temperatura. Aumenta a resistncia corroso em meios redutores. Promove a formao de ferrita.
P, Se, S 303, 303 Se Aumentam a usinabilidade, mas promovem fissurao de solidificao durante soldagem. Diminuem ligeiramente a resistncia corroso
Si 302 B Aumenta a resistncia formao de carepa e promove a formao de ferrita. Em todos os tipos, pequenas quantidades so adicionadas para desoxidao.
Ti 321 Reduz a sensibilidade corroso intergranular, combinado com o C. Age como refinador de gro. Promove a formao de ferrita
Cu - Aumenta a resistncia corroso em certos meios. Diminui a sensibilidade fissurao por corroso sob tenso e causa efeitos
29
endurecedores por envelhecimento
Co - Diminui a energia de falha de empilhamento. Facilita a transformao de fase induzida por deformao e aumenta o coeficiente de endurecimento por deformao.
2.3.1 ESTRUTURA DA ZONA FUNDIDA
A microestrutura da solda dos aos da srie 300 difere em alguma extenso da
microestrutura do metal de base. Esta, no caso de um material trabalhado e solubilizado, , em
geral, constituda inteiramente de austenita, enquanto que soldas podem reter quantidades
variveis de ferrita temperatura ambiente. Esta estrutura pode ser analisada com o auxlio da
Figura 9, que mostra o diagrama pseudo-binrio do sistema Fe-Cr-Ni para 70% de ferro. De
acordo com este diagrama, um lquido contendo 70% de Fe, alm de Cr e Ni, pode se
solidificar inteiramente como austenita ou inicialmente como austenita e posteriormente como
ferrita ou inicialmente como ferrita e depois como austenita ou ainda inteiramente como
ferrita, medida que a relao Cr/Ni aumenta. Posteriormente, durante o resfriamento parte
da ferrita formada durante a solidificao pode se transformar em austenita.
Figura 9 - Diagrama pseudo-binrio Fe-Cr-Ni para um teor de ferro de 70%. [22]
A transformao da ferrita delta em austenita completa somente se o ao
permanecer por um tempo suficientemente longo na faixa de temperaturas na qual a cintica
mais rpida. Este no geralmente o caso de soldas, onde o resfriamento rpido causa a
reteno de alguma ferrita at a temperatura ambiente.
30
A morfologia e quantidade de ferrita delta ir depender da composio qumica (no
caso acima, representado pela relao Cr/Ni) e da velocidade de resfriamento. Quanto maior
esta velocidade, menor deve ser a extenso desta transformao. A Figura 10 mostra algumas
morfologias possveis da ferrita delta em funo da relao Cr/Ni.
Figura 10 - Exemplos de morfologias da ferrita delta na zona fundida de aos inoxidveis
austenticos. [22]
Algumas caractersticas das soldas dos aos inoxidveis austenticos resultam desta
estrutura com reteno de ferrita. Ela predominante austentica, possui excelente
ductilidade, comparvel do metal de base, e no sensvel fissurao pelo hidrognio, o
que torna desnecessria a utilizao de pr-aquecimento e, em geral, tratamentos trmicos
ps-soldagem. A ferrita delta considerada, em geral, um constituinte desejvel na zona
fundida devido ao seu efeito favorvel na resistncia fissurao na solidificao.
Por outro lado, a quantidade de ferrita delta deve ser controlada em aplicaes em
que a junta deva apresentar uma resistncia corroso tima, em que seja necessria uma alta
tenacidade da solda a baixas temperaturas e, finalmente, em que a pea deva ser
completamente no magntica (a ferrita delta uma fase ferromagntica).
Alm da composio qumica, as taxas de resfriamento impostas na soldagem tm
uma grande influncia na microestrutura, e por conseqncia nas propriedades das ligas
inoxidveis. Vrias relaes empricas e diagramas prevem a microestrutura formada nestas
ligas aps processo de soldagem.
Para a previso das fases formadas, imprescindvel o conhecimento da quantidade
de cromo, e de nquel equivalentes, ou seja, da relao entre a quantidade dos elementos
31
estabilizadores da ferrita, Creq, e da austenita, Nieq. Para a determinao das fases presentes
foram desenvolvidas diferentes relaes [24]. A Tabela 3 lista as principais relaes utilizadas
na definio das fases presentes em aos inoxidveis.
Tabela 3 Relaes de Cr e Ni equivalentes para aos inoxidveis [25].
Diagrama Ano Cromo equivalente [%] Nquel Equivalente [%] Schaeffler 1949 Cr + Mo + 1,5Si + 0,5 Nb Ni + 0,5Mn + 30C DeLong 1956 Cr + Mo + 1,5Si + 0,5 Nb Ni + 0,5Mn + 30C + 30N
Hull 1973 Cr + 1,21Mo + 0,48Si + 0,14Nb + 2,27V + 0,72W + 2,20Ti + 0,21Ta + 2,48Al
Ni + (0,11Mn 0,0086Mn2) + 24,5C + 14,2N + 0,41Co
+ 0,44Cu Hammar e Svennson
1979 Cr + 1,37Mo + 1,5Si + 2Nb + 3Ti
Ni + 0,31Mn + 22C + 14,2N + Cu
WRC 1992 1992 Cr + Mo + 0,7Nb Ni + 35C + 20N + 0,25Cu
A quantidade de ferrita, martensita e austenita so normalmente estimadas pela
utilizao dos diagramas Schaeffler, DeLong, Hull e WRC 1992, visualizados na Figura 11.
O Diagrama de Schaeffler, Figura 11(a), o diagrama mais comumente utilizado,
porm no prev a ao do N como elemento estabilizador da austenita, e presente em uma
grande quantidade de aos inoxidveis. A ao do N analisado pelo Diagrama de De Long,
Figura 11(b).
A adio de Co, entre outros elementos, modifica o comportamento da estabilizao
da austenita, e esta modificao, analisada pelo diagrama de Hull, Figura 11(c). O Diagrama
de Hull permite analisar o efeito de uma maior quantidade de elementos de liga que os
diagramas de Schaeffler e DeLong. A influncia do Mn pode ser analisada pelo Diagrama de
Hull e mais recentemente observada no Diagrama WRC1992, modificado por Kotecki [26,
27] Figura 11(d).
32
(a) (b)
(c) (d)
Figura 11 - Diagramas de Schaeffler (a), De Long (b), Hull (c), WRC 1992 (d) [25].
Alm da definio da microestrutura formada, o conhecimento da relao entre Creq e
Nieq pode ser utilizado como critrio de avaliao da resistncia cavitao de ligas
inoxidveis. Em relao ao comportamento cavitao de vrios aos inoxidveis e ligas
Ni/Co na condio soldada, Rao e Kung, 1987 [4], observaram que as ligas que apresentavam
melhor comportamento cavitao obtiveram estrutura monofsica austentica e valores da
relao )( eqeqeq NiCrCr + entre 0,4 e 0,7.
33
2.4 PROCESSO DE SOLDAGEM PLASMA
O arco plasma consiste em uma descarga eltrica, sustentada atravs de um gs
ionizado a alta temperatura, produzindo energia trmica suficiente para ser usado em
soldagem, atravs da fuso localizada das peas a serem unidas.
Sob o ponto de vista de suas caractersticas fsicas, pode ser considerado como uma
derivao do processo de soldagem TIG, pois os elementos bsicos so fundamentalmente os
mesmos. Difere do processo TIG principalmente pelo fato do arco estar restringido por um
bocal constritor que limita o seu dimetro e aumenta consideravelmente a densidade de
energia. Tambm na soldagem ao arco PLASMA so utilizados dois fluxos de gs, iguais ou
diferentes. O primeiro, freqentemente argnio (Ar) e denominado de Gs de Plasma,
circunda o eletrodo e sai por um orifcio no bocal constritor na forma de um jato de gs. O
segundo fluxo serve para proteo e passa por um bocal externo, concntrico ao bocal
constritor. Este gs pode ser inerte ou uma mistura de gases. A Figura 12 ilustra, de forma
esquemtica, uma tocha de soldagem utilizada neste processo.
O bocal constritor influencia para que a rea da seo transversal do arco no sofra
uma variao muito grande ao longo de sua extenso, desde a sua sada do orifcio constritor
at o material base, mesmo que ocorram pequenas variaes na distncia tocha-pea. Esta
seria uma das diferenas marcantes entre o processo PLASMA e o TIG. Vrios autores [28,
29] afirmam que tal constrio do arco responsvel por uma srie de vantagens conferidas
ao processo PLASMA, das quais se pode citar:
Mesmo com correntes baixas, o arco estvel; A coluna do arco rgida e de reduzido dimetro, produzindo poa de fuso de
tamanho relativamente reduzido e estreita zona afetada pelo calor;
Como conseqncia do item anterior, a tendncia distoro muito menor; A velocidade de soldagem pode ser mais elevada que no processo TIG; O comprimento do arco exerce pequeno efeito sobre a tenso.
34
Figura 12 Esquema da tocha Plasma.
A soldagem de peas atravs do processo PLASMA pode ser realizada de dois
modos, bastante distintos, para uma ampla faixa de espessuras de chapas. Na soldagem pela
tcnica Melt-in o arco PLASMA usado como fonte de calor para fundir o metal de adio
(quando requerido) e o metal de base, com relativamente pequena ao de penetrao. a
soldagem usual por fuso, tal como realizada no processo TIG. Outra maneira de soldar
atravs do PLASMA pela tcnica Keyhole (Buraco de Fechadura). Neste modo,
formada uma pequena poa de fuso com um furo passante atravs do metal de base. Esta
condio resulta da adequada combinao da vazo do gs de plasma, corrente do arco,
velocidade de soldagem e vazo do gs de proteo. Com o movimento da tocha, o metal
fundido pelo arco forado a fluir ao redor do jato de plasma e para trs, onde a poa de fuso
est se solidificando. Atravs desta tcnica, pode-se realizar soldas em chapas espessas sem
chanfro com a garantia de total penetrao e menor nvel de defeitos [30].
Como no processo PLASMA o eletrodo fica enclausurado, normalmente a abertura
do arco no realizada atravs de toque, como ocorre no processo TIG. Assim o uso do
ignitor de alta freqncia o mtodo usual na abertura do arco neste processo. Este ignitor
gera picos de tenso entre o eletrodo e o bocal constritor, provocando um pequeno
faiscamento que gera condies para que seja estabelecido um arco eltrico de baixa
intensidade, denominado de arco piloto. O arco piloto estabelecido entre o eletrodo e o
bocal constritor atravs do gs de plasma, liberando energia suficiente para aquecer e ionizar
este gs conferindo-lhe caractersticas de um plasma.
Em funo dos valores baixos de corrente, o Arco Piloto no possui energia
Substrato Arco Plasma
Eletrodo Gs de Plasma
Gs de Proteo
Bocal gs
de proteo Orifcio Constritor
Regio de recuo do
eletrodo
35
suficiente para promover a fuso e unio de peas. Entretanto, quando so utilizados maiores
valores de corrente no arco piloto, podendo chegar a casa das centenas de amperes, maior
energia liberada ao gs, promovendo um fluxo contnuo de plasma de alta energia. Nestas
condies, o Arco Piloto passa a ser denominado de Arco no Transferido.
Alguns tipos de equipamento PLASMA utilizam apenas o arco no transferido para
operaes de soldagem. Neste caso, como no h passagem de corrente entre o eletrodo e a
pea, a fuso do material base feita exclusivamente pelo calor transferido pelo jato de gs a
alta temperatura. O fato de a pea no ser parte integrante do circuito eltrico permite
operaes de solda de materiais no condutores de eletricidade [31].
Em outra modalidade da soldagem PLASMA, estabelecido um arco voltaico entre
o eletrodo e a pea de soldagem, denominado de Arco Transferido ou Arco Principal. O arco
piloto exerce fundamental importncia no estabelecimento do arco transferido. O jato de
plasma gerado pelo arco piloto, em contato com a pea de soldagem, se torna uma espcie de
condutor eltrico conectando-a ao eletrodo de tungstnio. Portanto, para promover a passagem
de eletricidade atravs do jato de plasma, basta impor uma diferena de potencial entre o
eletrodo e a pea de soldagem, estabelecendo assim o arco transferido. Neste caso, o calor
transferido pea pela mancha andica sobre ela, assim como pelo jato de plasma. Em funo
destas caractersticas, o arco transferido, por sua prpria natureza, cede maior energia para a
pea, se tornando o tipo de arco mais utilizado na soldagem de metais. O arco piloto e o arco
transferido so representados na Figura 13(a).
Figura 13 (a) Esquema do arco piloto e do arco transferido e (b) alimentao de arame na
pistola plasma.
A adio de material pode ser realizada na forma de varetas, as mesmas utilizadas
36
para o processo TIG de forma manual, ou pode ser realizada de forma automtica, utilizando
arame bobinado (Figura 13 (b)).
Na adio de material de forma manual, as caractersticas do processo so muito
semelhantes soldagem TIG com adio de metal, onde o soldador conduz a pistola de
soldagem com uma das mos, e com a outra mo faz a adio de material. Nesta forma de
soldagem podem ser atingidos bons nveis de qualidade no cordo de solda, j que existe bom
controle do aporte de energia e da adio de material. Contudo, um processo lento, onde a
taxa de alimentao, medida em kg/h se torna baixa, comprometendo a utilizao do processo
em operaes que exigem maior produo.
A adio automtica de arame uma alternativa melhor quando se deseja aliar
qualidade e taxa de produo nos processos TIG e PLASMA. Nesta situao, adicionado
material na forma de arame bobinado, em muitos casos, o mesmo utilizado no processo
MIG/MAG. O arame movimentado at a tocha de soldagem atravs de um cabeote
tracionador, de forma contnua com velocidade controlada. Ao chegar pistola de soldagem,
o arame conduzido ao arco voltaico atravs de um sistema direcionador.
2.5 PROCESSO DE REFUSO SUPERFICIAL
Na soldagem de recobrimento superficial, a microestrutura da camada revestida pode
afetar a resistncia cavitao. A presena de incluses, poros e segregaes prejudicial ao
material, pois influencia diretamente no processo erosivo [32]. O processo de refuso pode
minimizar o problema, melhorando a homogeneidade e refinando a microestrutura do
revestimento. A superfcie refundida adquire dureza elevada, maior resistncia ao desgaste e
corroso, alm de ficar mais lisa, minimizando a rea esmerilhada para correo do perfil
da pea (no caso de ps de turbinas hidrulicas), preservando a estrutura refinada. Tambm se
pode reduzir tenses residuais trativas na superfcie da pea ou substitu-las por tenses
compressivas. Devido menor penetrao trmica, distores da pea so mnimas.
Como o processo necessita de um aporte trmico mnimo para fundir a superfcie do
revestimento, alguns inconvenientes podem surgir [33]. Um deles a evaporao, onde uma
energia de fuso demasiadamente alta pode fazer com que a superfcie do lquido formado
ultrapasse a temperatura de evaporao do metal, transformando a liga em gs ou vapor.
Pequenas bolhas formadas no lquido podem vencer a tenso superficial e se romper, gerando
respingos.
37
Um outro problema que pode surgir a oxidao. O aquecimento excessivo pode
gerar reaes qumicas irreversveis, comprometendo as caractersticas do material. A
oxidao acontece nas superfcies e nos contornos de gros.
Se o material for aquecido de forma heterognea, surgem gradientes trmicos que
podem levar o material fratura. O gradiente de temperatura do metal tende a gerar um
grande diferencial de dilatao, induzindo tenses residuais na superfcie do material.
As propriedades e a qualidade da camada refundida dependem da tcnica de refuso
utilizada, das caractersticas metalrgicas do substrato, da composio qumica do material e
da habilidade do operador (quando no utilizado um processo automatizado).
A microestrutura e as propriedades mecnicas da camada refundida variam em
funo da cintica de solidificao. Em geral, as superfcies refundidas pelo processo de
oxigs tendem a solidificar mais lentamente do que as refundidas pelo processo a laser. Esta
diferena produz microestruturas e propriedades muito diferentes. A energia imposta e o
tempo da interao durante a refuso so os principais fatores de influncia na microestrutura.
A temperatura superficial mxima no pode alcanar uma faixa de intensa vaporizao,
requerendo um limite de aporte trmico. O tempo de interao no pode ser reduzido
significativamente se for requerida uma espessura mnima de camada refundida. [34].
As caractersticas como peso, forma e tamanho do substrato tem grande influncia na
escolha do processo de refuso a ser utilizado. Para substratos grandes e/ou difceis de
transportar, mais conveniente utilizar processos de refuso manuais ou semi-automticos.
Os processos Oxigs, TIG, e Plasma, cujos equipamentos so portteis, servem bem s
aplicaes de campo. O equipamento a laser menos flexvel para as aplicaes de refuso
em campo.
A composio qumica do substrato, temperatura de fuso e suas caractersticas de
expanso e contrao tem grande significncia na seleo do processo de refuso. Os aos de
forma geral so apropriados para refuso. Os aos inoxidveis e a maioria das ligas a base de
Ni so facilmente refundidas superficialmente por todos os processos de refuso com
excelentes resultados [32].
Os substratos geralmente devem ser aquecidos uniformemente a altas temperaturas
durante a refuso para a obteno de superfcies livres de trincas. A seleo do processo de
refuso afetar o aporte trmico e os requisitos de pr-aquecimento. As diferenas de
expanso e contrao entre a camada refundida e o substrato so muito importantes em
aplicaes que envolvam ciclos trmicos, pois diferenas muito grandes podem resultar em
falha por fadiga trmica na camada refundida.
38
A qualidade da camada refundida depender diretamente da habilidade do soldador
quando utilizados processos manuais como Oxigs ou TIG. J em processos automatizados
como laser ou plasma, a influncia do soldador mnima, considerando que os parmetros de
operao estejam previamente acertados.
2.6 CARACTERSTICAS DOS PRINCIPAIS PROCESSOS DE REFUSO
2.6.1 REFUSO POR TIG
A temperatura de fuso do processo TIG obtida mantendo um arco entre um
eletrodo de tungstnio e o substrato. A temperatura do arco pode chegar a 2500 C [35]. Um
gs inerte sustenta o arco e protege o metal fundido da contaminao atmosfrica. O gs
inerte normalmente argnio, hlio, ou uma mistura do hlio e argnio. As fontes de
alimentao convencionais so as normalmente usadas. Tambm so utilizados os
transformadores com alta freqncia.
Suas vantagens esto relacionadas com alta qualidade do cordo refundido,
superfcie refundida com baixa distoro, e controle preciso do aporte trmico.
Suas desvantagens incluem a tolerncia baixa para contaminantes no eletrodo de
tungstnio ou no substrato.
A refuso de superfcie pelo processo TIG pode ser realizado automaticamente
atravs do acoplamento da tocha em um mecanismo oscilador (como o Bugo, por exemplo).
Desta forma, alta qualidade da camada refundida e repetibilidade podem ser produzidas
controlando a oscilao da tocha e a velocidade soldagem.
2.6.2 REFUSO POR PLASMA
O processo de refuso por plasma similar ao processo de refuso por TIG. A
diferena principal que o arco plasma utiliza um bocal constritor que aumenta
consideravelmente a energia do arco.
A refuso por plasma tem como vantagens a maior penetrao em um nico passe e
uma tolerncia maior s variaes da distncia bico/pea, comparada com o processo TIG,
39
alm de outras j citadas no processo de soldagem plasma.
Como desvantagem tem-se a dificuldade de se trabalhar manualmente com este
processo, visto que no se obteria camadas refundidas uniformes.
2.6.3 REFUSO A LASER
A refuso a laser requer densidades de energia mais elevadas que os nveis usados
para a tmpera a laser.
Neste processo, geralmente o feixe de energia tem de 1 a 2 milmetros de dimetro,
produzindo uma rea refundida de 2 a 3 milmetros. Sobrepondo essas reas de passagem do
feixe com sobreposio de 25 a 50%, reas maiores podem ser refundidas.
Alm de ser lenta para grandes superfcies, esta tcnica pode causar revenimento e
trincas nas regies de sobreposio, diminuindo a qualidade da camada refundida.
40
3 MATERIAIS E MTODOS
3.1 METODOLOGIA EXPERIMENTAL
A escolha dos materiais utilizados neste trabalho se baseou na inteno de comparar
a liga comercial com maior volume de utilizao em revestimentos soldados resistentes
cavitao Cavitec, especfica para soldagem MIG, com uma liga comercial em nova verso,
especfica para soldagem plasma Cavitalloy, e uma liga em processo de desenvolvimento,
tambm especfica para soldagem plasma Durcavit. As trs ligas tm caractersticas
semelhantes, com pequenas diferenas na composio qumica.
O processo Plasma PTA arame foi utilizado devido s suas vantagens em relao
aos processos convencionais de revestimentos soldados, como por exemplo, estabilidade de
arco, pequena zona afetada pelo calor (ZTA), menor aporte trmico, gerando menores tenses
residuais na pea, menor diluio, com conseqente diminuio de perda da composio
qumica original, alm de se adequar bem automatizao.
Os substratos de ao carbono foram escolhidos por esta liga ser amplamente utilizada
na confeco de turbinas hidrulicas.
Todas as ligas foram depositadas em duas camadas, tanto para o amanteigamento
quanto para o revestimento, devido ao fato de que a partir de duas camadas no se tem, a
princpio, para os consumveis selecionados, efeitos das modificaes na composio qumica
oriundas da diluio imposta pelo processo de soldagem [3, 32].
Os parmetros de soldagem foram selecionados em experimentos prvios, levando
em conta fatores como a estabilidade do arco, ocorrncia de respingos, formao de poros,
molhabilidade, diluio, etc. Foram desenvolvidos parmetros diferentes para cada liga, tendo
em vista que o objetivo deste trabalho no comparar as ligas nas mesmas condies, mas na
condio tima de soldagem de cada uma delas.
Na caracterizao dos revestimentos, foram utilizadas as Microscopias tica e
Eletrnica de Varredura para avaliao das microestruturas, bem como orientaes de
crescimento e avaliao dos dimetros mdios de gros, presena de precipitados,
profundidade de camada refundida e mecanismos de perda de massa durante a cavitao
acelerada.
A composio qumica dos revestimentos foi obtida atravs de Espectrometria.
41
As fases presentes na microestrutura dos revestimentos e as transformaes de fase
induzidas por deformao foram determinadas por Difrao de Raios-X.
O Ensaio de Microdureza serviu de base para comparaes de propriedades
mecnicas entre os revestimentos soldados, assim como para avaliao das mudanas de
dureza devido a refuso das amostras. A microdureza tambm foi correlacionada com
tamanho de gro e com resultados dos ensaios de cavitao.
Atravs do Ensaio de Cavitao foram determinadas as taxas de perda de massa e o
perodo de incubao das ligas estudadas.
3.2 MATERIAIS
As composies qumicas das trs ligas austenticas ao Co estudadas foram obtidas
conforme a norma AWS 5.18 a partir de depsitos soldados, e esto mostradas na Tabela 4.
Tabela 4 - Composies qumicas das ligas analisadas.
Elementos qumicos (%) Liga Arame (mm)
C Si Mn Cr Ni Co Cu V P N Cavitec tubular 1,2 0,21 2,4 10 13,6 0,12 11,3 0,1 0,06 0,03 0,2
Cavitalloy tubular 1,3 0,21 1,6 9,6 18,7 0,16 11,6 0,04 0,08 0,02 0,37Durcavit tubular 1,6 0,2 1,2 7,0 15,8 0,66 9,0 0,03 0,07 0,01 0,12
Foram preparados, para cada liga, 3 amostras revestidas por soldagem plasma - PTA,
sendo que cada uma delas teve uma parte refundida posteriormente tambm pelo processo
plasma-PTA.
As amostras receberam depsitos de duas camadas de consumvel AWS 5.9
ER309LSi na forma de arame macio para amanteigamento e, posteriormente, duas
camadas das ligas de revestimento, sendo depositados aproximadamente 15 cordes em cada
camada, com sobreposio de 50%.
O metal base utilizado foi ao carbono ABNT 1020, com dimenses 150 x 100 x 25
mm. A composio qumica da liga de amanteigamento, fornecida pelo fabricante, mostrada
na Tabela 5.
42
Tabela 5 - Composio qumica da liga de amanteigamento.
Elementos qumicos (%) Liga Arame (mm) C Si Mn Cr Ni Co Cu V P
ER309LSi tubular 1,2 0,02 0,8 1,8 20 10 - - - -
Aps a deposio do revestimento, os corpos de prova foram divididos em duas
partes, uma apenas revestida e a outra refundida posteriormente.
As regies destinadas ao ensaio de cavitao em cada amostra foram cortadas e
usinadas para adequao de geometria, sendo posteriormente lixadas e polidas.
3.3 EQUIPAMENTOS
Utilizou-se uma fonte de soldagem microprocessada MTE DIGITEC 450, mdulo
plasma acoplado ao sistema tracionador de arame e tocha plasma Thermal Dynamics modelo
300 acoplada ao sistema de deslocamento Bugo. As soldagens foram realizadas na
modalidade plasma pulsado. A Figura 14 mostra configurao do equipamento, sistema de
deslocamento e tocha de soldagem.
Figura 14 - Bancada de soldagem.
3.4 GASES
Os gases utilizados na deposio dos cordes foram Ar puro como gs de plasma, Ar
43
+ 2% O2 nos amanteigamentos, e Ar + 3% CO2 nos revestimentos das ligas analisadas e nas
refuses.
3.5 PROCEDIMENTO DE SOLDAGEM
Todos os depsitos soldados foram realizados em posio plana. As variveis de
soldagem foram selecionadas em experimentos anteriores e definidas em funo de
caractersticas como estabilidade de arco, ocorrncia de respingos, porosidade, molhabilidade,
etc. Para determinao da velocidade de avano ideal do arame foi utilizado como referncia a
manuteno do arame no centro do arco plasma durante a soldagem. O sentido de soldagem
foi frente. Foi utilizado um recuo de eletrodo de 0,8 mm.
Todos os depsitos de amanteigamento (AWS 5.9 ER309LSi) foram realizados com
as variveis descritas na Tabela 6.
Tabela 6 Variveis da deposio do amanteigamento.
Material Ip
[A]
Ib
[A]
Tp
[s]
Tb
[s]
Gs de
Plasma
[l/min]
Gs de
Proteo
[l/min]
Var
(pulso)
[m/min]
Var
(base)
[m/min]
Vs
[cm/min]
Dist.
tocha-pea
[mm]
309LSi 180 120 0,1 0,1 1,7 10 2,3 1,8 15 10
A liga comercial Cavitec foi depositada com as variveis descritas na Tabela 7.
Tabela 7 Variveis utilizadas para a liga Cavitec.
Material Ip
[A]
Ib
[A]
Tp
[s]
Tb
[s]
Gs de
Plasma
[l/min]
Gs de
Proteo
[l/min]
Var
(pulso)
[m/min]
Var
(base)
[m/min]
Vs
[cm/min]
Dist.
tocha-pea
[mm]
Cavitec 180 120 0,1 0,1 1,5 12 1,2 1,2 12 8
A liga comercial Cavitalloy foi depositada com dois conjuntos de variveis, uma para
o depsito do Cavitalloy sobre o AWS 309LSi (1 passe), e outro para o depsito do
Cavitalloy sobre Cavitalloy (2 passe). Isto ocorreu em funo da diferena de molhabilidade
entre as duas situaes, resultando em ajustes de valores. Estas variveis esto descritas na
Tabela 8.
44
Tabela 8 Variveis utilizadas para a liga Cavitalloy.
Material Ip
[A]
Ib
[A]
Tp
[s]
Tb
[s]
Gs de
Plasma
[l/min]
Gs de
Proteo
[l/min]
Var
(pulso)
[m/min]
Var
(base)
[m/min]
Vs
[cm/min]
Dist.
tocha-pea
[mm]
Cavitalloy
(1 passe) 210 110 0,1 0,1 2 11 2,3 1,7 12 8
Cavitalloy
(2 passe) 190 100 0,1 0,1 2 11 2,1 1,6 12 8
A liga experimental Durcavit foi depositada com as variveis descritas na Tabela 9.
Tabela 9 Variveis utilizadas para a liga Durcavit.
Material Ip
[A]
Ib
[A]
Tp
[s]
Tb
[s]
Gs de
Plasma
[l/min]
Gs de
Proteo
[l/min]
Var
(pulso)
[m/min]
Var
(base)
[m/min]
Vs
[cm/min]
Dist.
tocha-pea
[mm]
Durcavit 240 120 0,1 0,1 1,5 11 1,7 1,7 12 7
A Tabela 10 resume as variveis utilizadas na refuso de cada revestimento. Todas as
amostras foram refundidas pelo processo plasma pulsado nas mesmas condies.
Tabela 10 Variveis utilizadas na refuso dos revestimentos.
Material Imp
[A]
Imb
[A]
Gs de
Plasma
[l/min]
Gs de
Proteo
[l/min]
Vs
[cm/min]
Dist.
tocha-pea
[mm]
Refuso Cavitec
180 140 1,5 11 12 8
Refuso Cavitalloy
180 140 1,5 11 12 8
Refuso Durcavit
180 140 1,5 11 12 8
45
3.6 CARACTERIZAO DOS REVESTIMENTOS
3.6.1 MICROSCOPIA E ANLISE METALOGRFICA
Os revestimentos depositados foram analisados inicialmente por Microscopia tica
para anlise microestrutural. Para a revelao da microestrutura utilizou-se reativo do tipo
Vilella.
Adicionalmente utilizou-se Microscopia Eletrnica de Varredura (MEV) e
Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDX), em um microscpio Philips, modelo XL30,
para analisar a microestrutura dos revestimentos antes, durante e aps ensaio de cavitao
acelerada.
Para a determinao do tamanho mdio dos gros foi utilizada a norma ASTM E 112
95.
3.6.2 DIFRAO DE RAIOS X
As fases presentes nos revestimentos foram analisadas por Difrao de Raios-X,
DRX, em um equipamento Shimadzu com monocromador de cobre de igual a 1,54nm.
3.6.3 MEDIO DE DUREZA
O ensaio de dureza foi realizado atravs de microdurmetro Vickers com carga de
300gf.
As medidas foram tiradas na seo transversal, em trs linhas com marcaes
iniciadas da superfcie e terminando no metal base. Os resultados referem-se mdia destes
trs perfis em trs diferentes amostras de cada liga. Tambm foram realizadas medies na
superfcie a ser analisada no ensaio de cavitao.
3.6.4 ENSAIO DE CAVITAO
A resistncia cavitao foi determinada atravs de dispositivo ultra-snico de
acordo com a ASTM G32-96, mtodo indireto, em equipamento KLN System 587, com
46
ponteira de sacrifcio de ao inoxidvel 304 e sonotrodo tipo BK 101Z, com distncia de
500m entre o sonotrodo e a amostra. O equipamento consiste de um transdutor piezoeltrico que faz vibrar a ponta do
sonotrodo na freqncia de 200,5kHz. O corpo de prova est montado na extremidade, imerso em gua destilada 21C. A Figura 15 mostra o esquema da montagem do dispositivo
de ensaio.
Figura 15 Esquema de montagem do dispositivo de ensaio de cavitao [36].
Os corpos de prova foram pesados em uma balana Mettler Toledo, com 0,1 mg de
preciso, em intervalos regulares, tendo a massa perdida registrada em funo do tempo de
ensaio.
47
4 RESULTADOS E DISCUSSO
4.1 ASPECTO DOS REVESTIMENTOS SOLDADOS
A liga Cavitec, por no se tratar de uma liga especfica para aplicao por processo
plasma, apresentou poros nos ensaios iniciais. Esta situao foi contornada atravs do
aumento da corrente de pico, passando da transferncia globular para filamentar. Foram
testados dois mtodos: o primeiro com o arame a meia altura do arco plasma e o segundo com
o arame posicionado diretamente na poa fundida. Com o arame a meia altura, a transferncia
torna-se instvel, gerando respingos durante a deposio. Este fenmeno diminudo
direcionando-se o arame na poa fundida. Nesta situao, o controle da velocidade do arame
importante para que haja a fuso total do mesmo.
A Figura 16 mostra o aspecto dos cordes do revestimento Cavitec. Os cordes so
homogneos e as escamas decorrentes de processo de pulsao trmica so bem definidos. O
defeito visualizado ocorreu por falha na alimentao do arame durante a deposio, no
interferindo nos resultados.
Figura 16 Aspecto do revestimento Cavitec.
O arame Cavitalloy desenvolvido para a aplicao por plasma apresentou maior
estabilidade de arco durante a soldagem, sem o aparecimento de poros e respingos. Foi
utilizada a tcnica de posicionamento do arame direto na poa fundida. As soldas realizadas
com esta liga foram as que apresentaram menor ndice de defeitos, no sendo necessrias
alteraes significativas nos parmetros de soldagem. Neste sentido, o material desenvolvido
48
especialmente para soldagem a plasma apresentou melhores resultados.
Figura 17 Aspecto do revestimento Cavitalloy, com uma regio j refundida em destaque.
A Figura 17 mostra o aspecto do revestimento da liga Cavitalloy. Pode-se observar
nesta figura uma regio j refundida.
A liga Durcavit, por se tratar de material em desenvolvimento, apresentou
inicialmente alguns problemas durante a deposio, relacionados principalmente com a
instabilidade do arco, formao de xidos e respingos e pouca molhabilidade. Atravs da
alterao dos parmetros de soldagem conseguiu-se melhor molhabilidade e diminuio
significativa do nmero de poros e respingos.
A Figura 18 (a e b) mostra o aspecto de um corpo de prova revestido com a liga
Durcavit, apresentando cordes homogneos e respingos de pequeno dimetro.
Figura 18 Aspecto do revestimento Durcavit. Em (a) visualiza-se a homogeneidade dos
cordes; em (b) observa-se a presena de respingos.
a b
Regio refundida
49
4.2 ANLISE METALOGRFICA
Os trs revestimentos soldados apresentam caractersticas semelhantes, sendo
visualizados gros austenticos com estrutura dendrtica provenientes do processo de
solidificao do material soldado.
Figura 19 Microestrutura da liga Cavitec soldada. (a) superfcie do corpo de prova do ensaio
de cavitao; (b) seo transversal da amostra.
Figura 20 Microestrutura da liga Cavitalloy soldada. (a) superfcie do corpo de prova do
ensaio de cavitao; (b) seo transversal da amostra.
a b
a b
50
Figura 21 Microestrutura da liga Durcavit soldada. (a) superfcie do corpo de prova do
ensaio de cavitao; (b) seo transversal da amostra.
A microestrutura do revestimento Cavitalloy apresenta gros mais grosseiros que o
revestimento Cavitec. Isto pode estar relacionado com a variao dos teores de Cr e Si, visto
que as condies de soldagem foram muito semelhantes. A Figura 19 (a) mostra a
microestrutura da superfcie (regio a ser ensaiada por cavitao acelerada) da amostra e (b)
mostra a microestrutura da seo transversal do revestimento Cavitec.
A microestrutura da superfcie do revestimento Cavitalloy est mostrada na Figura
20 (a) e a seo transversal est mostrada em 20 (b).
A microestrutura obtida na soldagem da liga em desenvolvimento Durcavit, mostrada
na Figura 21 (a) e (b), superfcie e seo transversal, respectivamente, se apresenta
semelhante da liga Cavitec, com tamanho de gro mais prximo, mas com uma maior
quantidade de incluses.
Os valores mdios de tamanho de gros, medidos na regio a ser submetida
cavitao (superfcie), so mostrados na Tabela 11.
Tabela 11 - Tamanho de gro mdio das amostras soldadas.
LIGA TAMANHO DE GRO (um) Cavitalloy 89
Cavitec 72 Durcavit 63
As fases formadas nos revestimentos propostos foram analisadas atravs dos
Diagramas de Schaeffler, Figura 22, Hull, Figura 23 e WRC1992 modificado por Kotecki,
Figura 24.
a b
51
Figura 22 Diagrama de Schaeffler para as trs ligas testadas.
Figura 23 Diagrama de Hull para as trs ligas estudadas.
52
Figura 24 Diagrama WRC1992, modificado por Kotecki, para as trs ligas estudadas.
Observa-se no Diagrama de Schaeffler, Figura 22, que apenas a liga Cavitec
apresenta estrutura monofsica austentica. A liga Durcavit apresenta alm da estrutura
austentica, estrutura martenstica. A liga Cavitalloy apresenta em torno de 10% de ferrita.
Os efeitos dos elementos Mn e Co na formao de ferrita foram analisados pelo Diagrama de Hull, Figura 23. Observa-se que todas as ligas estudadas apresentam a formao
de estrutura monofsica austentica.
A possibilidade de formao de martensita nas ligas estudadas foi avaliada atravs do Diagrama WRC1992, modificado por Kotecki, em virtude da presena de Mn na composio
qumica, o qual apresenta um maior efeito estabilizador da austenita que o proposto por
Schaeffler [26,27]. A disposio das ligas estudadas neste diagrama (Figura 24) indica que
todas apresentam a formao de estrutura monofsica aust
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