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16 POSMECUniversidade Federal de UberlndiaFaculdade de Engenharia Mecnica

SOLDABILIDADE DO AO INOXIDVEL FERRTICO

Demostenes Ferreira FilhoUniversidade Federal de Uberlndia UFU/FEMEC, Av. Joo Naves de vila, 2121 B. Santa Mnica, Uberlndia [email protected]

Valtair Antonio FerraresiUniversidade Federal de Uberlndia UFU/[email protected]

Resumo: Os aos inoxidveis ferrticos abragem um grande campo de utilizao, como indstriaautomobilstica, indstria de aparelhos eletrodomsticos e indstria qumica. Estes aos soformados basicamente por liga ferro-carbono e outros elementos estabilizantes de ferrita epossuem uma estrutura predominantemente ferrtica em qualquer temperatura. Estes aosapresentam geralmente uma baixa soldabilidade, que compensada por uma boa resistncia corroso e pelo baixo custo quando comparado aos outros inoxidveis. Este trabalho tem comoobjetivo fazer uma reviso sobre este ao, apresentando sua composio qumica, as aplicaesindustriais, a soldabilidade e os problemas gerados por este processo.

Palavras-chave: ao inoxidvel ferrtico, composio qumica, soldabilidade.

1. INTRODUO

O ferro um dos metais mais importantes e comuns na crosta terrestre. Ele forma a base dosgrupos mais usados de materiais metlicos, ferros e aos. O sucesso destes metais deve-se ao fato deeles poderem ser produzidos de forma barata em grandes quantidades e oferecerem uma extensivagama de propriedades mecnicas desde nveis de resistncia moderados com excelenteductibilidade e tenacidade at altssima resistncia com ductibilidade adequada. Infelizmente, osaos comuns e de baixa liga so susceptveis corroso e requerem revestimentos de proteo parareduzir a taxa de degradao. Em muitas situaes a proteo galvnica ou a pintura de umasuperfcie impraticvel (Karlsson, 2005). Para superar este problema foram desenvolvidos os aosinoxidveis de liga de cromo, que possuem uma camada apassivadora que protege o material dacorroso.

Os aos inoxidveis so aos de alta liga, geralmente contendo cromo, nquel, molibdnio emsua composio qumica. Estes elementos de liga, em particular o cromo, conferem uma excelenteresistncia corroso quando comparados com os aos carbono. Eles so, na realidade, aosoxidveis. Isto , o cromo presente na liga oxida-se em contato com o oxignio do ar, formandouma pelcula, muito fina e estvel, de xido de cromo. Ela chamada de camada passiva e tem afuno de proteger a superfcie do ao contra processos corrosivos. Para que a pelcula de xido sejaefetiva, o teor mnimo de cromo no ao deve estar ao redor de 11%. Assim, deve-se tomar cuidadopara no reduzir localmente o teor de cromo dos aos inoxidveis durante o processamento.(ACESITA, 2006)

Segundo Karlsson (2005) os aos inoxidveis podem ser divididos em cinco grandes grupos, osaos inoxidveis austenticos, os aos inoxidveis ferrticos, os aos inoxidveis duplex(austenticos-ferrticos), as composies martensticas e os aos inoxidveis endurecidos porprecipitao.

16 POSMEC. FEMEC/UFU, Uberlndia-MG, 2006.

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Os aos inoxidveis ferrticos so compostos basicamente da liga ferro-cromo e outroselementos estabilizantes de ferrita. H at poucos anos, os aos inoxidveis ferrticos eram soldadosapenas com arames austenticos, tais como AWS ER 308LSi e 307Si, para garantir uma boaqualidade solda. Recentemente foram desenvolvidos arames inoxidveis ferrticos estabilizados(por exemplo, os tipos 430Ti, 430LNb e 409Nb), que podem conferir uma boa qualidade s soldas,alm de terem um menor custo. Esses arames tm sido usados de forma crescente na indstria,principalmente na automotiva.

Este trabalho tem como objetivo fazer uma reviso sobre o ao inoxidvel ferrtico apresentandosua composio qumica, as aplicaes industriais, a soldabilidade e os problemas gerados pelosprocessos de soldagem.

2. COMPOSIO QUMICA DO AO INOXIDVEL FERRTICO

Os aos inoxidveis ferrticos so ligas Fe-Cr com suficiente quantidade de cromo e/ou outroselementos estabilizantes da ferrita, tais como alumnio, nibio, molibdnio e titnio, para inibir aformao de austenita no aquecimento (Welding Handbook, 1991). Estes aos temperaturaambiente, so formados basicamente por uma matriz de ferrita (), isto , uma soluo slida decromo e outros elementos de liga em ferro, com estrutura cristalina cbica de corpo centrado (CCC).E como esta fase pode conter muito pouco carbono e nitrognio (elementos intersticiais) emsoluo, estes ficam principalmente na forma de precipitados (em geral, carbonetos e nitretos decromo) (Modenesi, 2001).

A composio qumica de alguns aos inoxidveis ferrticos apresentada na Tabela 1.

Tabela 1. Composio Qumica de alguns Aos Inoxidveis Ferrticos (Welding Handbook, 1991).

Tipo Composio Quimica (%)C Mn Si Cr Ni P S Outros405 0,08 1 1 11,5 - 14,5 - 0,04 0,03 0,10 - 0,30 Al409 0,08 1 1 10,5 - 11,75 - 0,045 0,045 Ti min - 6x%C430 0,12 1 1 16,0 - 18,0 - 0,04 0,03 -434 0,12 1 1 16,0 - 18,0 - 0,04 0,03 0,75 - 1,25 Mo442 0,2 1 1 18,0 - 23,0 - 0,04 0,03 -

444 0,025 1 1 17,5 - 19,5 1 0,04 0,031,75 - 2,5 Mo;0,035 N Max;(Cb+Ta)min -0,2+4(%C+%N)

446 0,2 1,5 1 23,0 - 27,0 - 0,04 0,03 0,25N

026-1 0,06 0,75 0,75 25,0 - 27,0 0,5 0,04 0,020,75 - 1,50 Mo0,020 - 1,0 Ti

0,04N;0,2 Cu

Uma vez que o elemento de liga fundamental destes aos o cromo, um ponto inicial para o seuestudo o diagrama de equilbrio Fe-Cr, conforme mostrado na Figura 1.

O cromo um elemento alfagnio, isto , que estabiliza a ferrita (). Devido a estacaracterstica, a faixa de temperatura de existncia da austenita diminui rapidamente para teoressuperiores a 7% de Cr e, para teores acima de 13%, a austenita no mais se forma. Estasconsideraes so vlidas para ligas binrias Fe-Cr puras, conforme pode ser verificado na Figura 1.


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Os aos inoxidveis possuem ainda outros elementos em pequena quantidade em suacomposio. A presena de elementos gamagnios, particularmente C e N, expande o campo deexistncia da austenita para maiores teores de cromo (Figura 2.2), podendo apresentartransformao parcial da ferrita a alta temperatura (tipicamente entre 900 e 1200C) em aosinoxidveis ferrticos com teores de cromo superiores a 13% (Modenesi 2001).

Figura 1 -Diagrama de equilbrio Fe-Cr (Chiaverini, 2002).

Existem trs geraes de aos inoxidveis ferrticos. A primeira gerao (tipos 430, 442 e 446)contm somente cromo como estabilizador da ferrita e notadamente carbono. Eles esto sujeitos acorroso intergranular depois da soldagem a menos que um tratamento trmico posterior a soldagemseja realizado (Welding Handbook, 1991). Esta gerao apresenta baixa tenacidade. A liga prottipo o tipo 430, tipicamente com 0.12 max C 17 Cr. Para temperaturas prximas a 1030C, ferrita eaustenita podem coexistir. O resfriamento pode causar aparecimento de carbonetos. Aaproximadamente 920C a austenita desaparecer e somente ferrita e carbonetos restaro atemperatura ambiente, sob condies de equilbrio (Asm Speciality Handbook, 1994).

Pode parecer um equvoco chamar esta primeira gerao de ferrtica, por causa da austenita queaparece a elevadas temperaturas. Esta austenita tem um efeito benfico de retardar o crescimento degro, que afeta a fragilidade. Contudo, esta austenita tende a se transformar em martensita sobcondies de soldagem (Asm Speciality Handbook, 1994).

A segunda gerao de aos inoxidveis ferrticos (tipos 405 e 409) tem menores teores decromo, carbono e nitrognio, mas tem forte presena de elementos formadores de ferrita na fuso. Oprottipo dessa segunda gerao o tipo 409, tipicamente 0,04 C 11 Cr 0,5 Ti. O titnio e onibio se combinam tanto com o carbono como com o nitrognio, formando carbonetos e nitretos,deixando o cromo livre na soluo e diminuindo a quantidade de carbono na soluo slida. Otitnio um elemento ferritizante.


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O tipo 405 uma liga similar, mas estabilizado com alumnio que se combina com onitrognio, mas no com o carbono. O alumnio outro elemento ferritizante. Os vrios carbonetose nitretos produzidos pela adio de estabilizantes auxiliam na resistncia ao crescimento de gro nasegunda gerao de aos inoxidveis ferrticos. Esses aos so altamente ferrticos, embora nasoldagem ou tratamento trmico possa resultar em uma pequena quantidade de martensita. Estagerao tem melhores caractersticas de fabricao do que a primeira gerao, mas, tambmapresentam baixa tenacidade (Welding Handbook, 1991).

A terceira gerao de aos inoxidveis ferrticos surgiu por volta de 1970 com advento detcnicas de descarbonetao, mais eficiente na produo desses aos. Os nveis de carbono enitrognio so baixos, tipicamente 0,02% ou menos, e os estabilizadores, como titnio e/ou nibio,so freqentemente adicionados para se combinar com alguns elementos intersticiais livres. Os tipos444 (18Cr-2Mo) e 26-1 (26Cr- 1Mo) so exemplos desta gerao. A liga prottipo o tipo 444(18Cr-2Mo). Geralmente, estes aos no so susceptveis a corroso intergranular depois dasoldagem. Eles tm a sua tenacidade melhorada e boa resistncia tanto para a corroso por pitingem ambientes com cloreto, quanto para trinca de corroso sob tenso (Welding Handbook, 1991).

Atualmente as indstrias vm desenvolvendo novos aos inoxidveisl ferrtico, principalmentedevido ao baixo preo, boa resistncia corroso, performance de resistncia abraso/corroso emmeios midos e ao bom nvel de caractersticas mecnicas.

3. APLICAO INDUSTRIAL

Segundo Chiaverini, 2002 a utilizao dos aos inoxidveis ferrticos abragem um campo muitogrande, como indstria automobilstica, indstria de aparelhos eletrodomsticos e indstria qumica.Outros empregos incluem: decoraes arquitetnicas, equipamentos de restaurante e de cozinha,peas de fornos, dentre outras.

As ligas de baixo (11%) cromo (405 e 409, o ltimo sendo mais largamente usado) tm boaresistncia corroso e oxidao e so, ainda, de fcil fabricao a baixo custo (Asm SpecialityHandbook, 1994). Segundo Chiaverini, 2002 estes aos possuem aplicaes em tubos de radiadores,caldeiras, recipientes para indstrias petroqumicas e exaustores de automveis, dentre outras.

As ligas de cromo (16 a 18%) intermedirio (430 e 434) so usadas para ornamentosautomotivos e utenslios de cozinha. Essas ligas no so to fceis de fabricar como as de baixocromo, devido a sua baixa tenacidade e soldabilidade (Asm Speciality Handbook, 1994).

As ligas de alto (19 a 30%) cromo (442 e 446), freqentemente referidas como superferrticas,so usadas para aplicaes que exigem um alto nvel de resistncia corroso e oxidao. Essasligas, normalmente, contm alumnio ou molibdnio e tm baixssimos teores de carbono. Suafabricao possvel devido a tcnicas especiais de fundio que podem alcanar baixos teores decarbono e nitrognio. Elementos estabilizadores como titnio e nibio podem ser adicionados paraprevenir a sensitizao e melhorar as condies de soldabilidade (Asm Speciality Handbook, 1994).

No Brasil, segundo site do Infosolda, o ao inoxidvel ferrtico utilizado na fabricao decaixas dgua, em substituio as fabricadas de amianto, pois esta possuem efeito nocivo. O aomais utilizado para este processo o AISI 444, devido a sua boa resistncia corroso atmosfrica epor pite, aliada a um baixo custo.

Segundo o site Inda, aos inoxidveis ferrticos desenvolvidos recentemente tem como meta autilizao em vages ferrovirios. Com relao ao ao carbono revestido, comumente utilizado nafabricao de vages esses aos apresentam algumas vantagens, que so a capacidade de absorode energia de impacto 100% superior ao ao carbono comuns, maior vida til, menor freqncia emenor tempo de parada para manuteno e reduo da tara, devido s propriedades mecnicas quepossibilitam um vago com espessura 20% menor. Estes aos vm sendo utilizados ainda nafabricao de nibus, implementos rodovirios, container, usinas de acar, cabines telefnicas,minerao e estruturas metlicas.


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4. SOLDABILIDADE

Durante a soldagem por fuso, o metal base aquecido a temperaturas entre a ambiente e a defuso do material (prxima a 1500C). A ZF, quando a sua composio similar ao metal base,passar por alteraes similares, com uma estrutura de gros colunares grosseiros. Caracteriza-se, aseguir, a microestrutura da regio da solda dos aos inoxidveis ferrticos separando-se estesmateriais em dois grupos (Modenesi 2001):

Aos parcialmente transformveis: Corresponde aos aos no estabilizados e cujo teor deelementos intersticiais suficiente para causar a formao de austenita alta temperatura. Nestesmateriais, a solda (ZF e ZTA) apresentar as seguintes regies (Figura 2):

Regio bifsica: corresponde poro da ZTA que foi aquecida at o campo decoexistncia da austenita e da ferrita. A austenita se forma preferencialmente nos contornosde gro da ferrita e, aps resfriamento nas condies usualmente encontradas em soldagem,se transforma em martensita; Regio de crescimento de gro: corresponde regio da ZTA aquecida acima do

campo de coexistncia da austenita e da ferrita. caracterizada por um intenso crescimentode gros e pela dissoluo e posterior reprecipitao dos carbonetos e nitretos presentes.Durante o resfriamento, pelo afastamento da poa de fuso, esta regio da ZTA atravessa ocampo bifsico, de modo que austenita formada preferencialmente nos contornos de gro,em geral com estrutura de placas do tipo "Widmanstatten" (coma morfologia de agulhas ouplacas). A temperaturas mais baixas, esta austenita pode se transformar em martensita; Zona fundida: caso a composio qumica da zona fundida seja igual a do metal de

base, esta apresentar uma estrutura semelhante da regio de crescimento de gro, tendoentretanto gros colunares.

Figura 2. Formao da microestrutura da solda de um ao inoxidvel ferrtico que atravessa ocampo binrio ( + ). MB metal de base. A regio bifsica (ZTA). B regio de crescimento de

gro (ZTA). ZF zona fundida (Modenesi 2001).De uma maneira geral, a solda caracterizada por uma estrutura de granulao grosseira,

apresentando uma rede de martensita junto aos contornos de gro e precipitados finos de carbonetose nitretos nos contornos e no interior dos gros. A Figura 3 mostra a estrutura da zona fundida deum ao com 17% de cromo, no estabilizado (Modenesi 2001).


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Figura 3. Microestrutura da solda de um ao inoxidvel ferrtico no estabilizado. Ataquegua-rgia. (a) Microscopia tica (50X). (b) Microscopia eletrnica (500X). M Martensita.

ferrita (Modenesi, 2001).

Aos no transformveis: Aos inoxidveis ferrticos com teor mais elevado de cromo, commenor teor de elementos intersticiais e/ou adies de elementos estabilizantes podem ter umbalano entre elementos alfagnios e gamagnios tal que a austenita no se forme em nenhumatemperatura. Nestas condies, a sua ZTA ser formada essencialmente por uma regio decrescimento de gro e a ZF apresentar uma estrutura grosseira e colunar, com precipitados finosintra e intergranulares (Figura 4). Em aos estabilizados com Nb ou Ti, o crescimento de gro podeser reduzido parcialmente pela maior estabilidade dos carbonitretos destes elementos em relao aosde cromo. Em aos com menores teores de intersticiais, o problema de crescimento de gro maisintenso, j que a quantidade de precipitados menor (Modenesi, 2001).

Figura 4. Microestrutura da solda de um ao inoxidvel ferrtico estabilizado com nibio.Ataque: gua-rgia. Microscopia: (a) tica (50X), (b) eletrnica (500X) (Modenesi 2001).

5. PROBLEMAS DA SOLDABILIDADE

Modenesi (2001) comenta que em geral os aos inoxidveis ferrticos apresentam uma baixasoldabilidade, particularmente se comparados com os austenticos, pois a sua solda caracterizadapor ductilidade e tenacidade baixas alm de sensibilidade corroso intergranular.

Trincas de solidificao tambm podem ocorrer na zona fundida. De uma maneira geral, afragilizao da solda mais intensa em aos com maiores teores de cromo e elementos intersticiaise a sensibilizao corroso intergranular maior com maiores teores de elementos intersticiais emenores teores de cromo (Tabela 2).

Aos inoxidveis ferrticos com cerca de 12-13%Cr (AISI 409) podem, em geral, ser soldadosde forma a se obter propriedades adequadas. J aqueles com teor de cromo mais elevado (AISI 430,442, 446, etc.) so mais sensveis a problemas de fragilizao durante a soldagem. Este efeito maispronunciado em aos com maiores teores de elementos intersticiais (Modenesi 2001).


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Segundo Thielsch (1951) apud Modenesi (2001) a fragilizao da regio da solda atribuda aformao de uma rede de martensita ao longo dos contornos de gro ferrticos (no caso de ligas commaiores teores de intersticiais); granulao grosseira nas regies de crescimento de gro da ZTA ena zona fundida (quando a ZF for tambm ao inoxidvel ferrtico) e ocorrncia de "fragilizao aalta temperatura", proposta por Thielsch em 1951 e relacionada com a reprecipitao decarbonitretos em uma forma muito fina aps soldagem.

Tabela 2. Teores mximos de intersticiais (C + N) para uma adequada ductilidade e resistncia corroso na condio como soldada em ligas Fe-Cr (Steigerwald, 1977).

% CrLimites de Teor de Elementos Interticiais

(ppm)Corroso Intergranular Dutilidade da Solda

19 60 - 80 < 70026 100 - 130 220 - 50030 130 - 200 80 - 10035 at 250 < 20

Os aos inoxidveis ferrticos podem sofrer problemas de corroso intergranular, a precipitaode carbonetos de cromo nos contornos de gro da matriz, que ocorre quando o material exposto auma dada faixa de temperaturas por um tempo suficientemente longo, causa o empobrecimento decromo nas regies imediatamente adjacentes a estes contornos. Como resultado, estes se tornammais sensveis corroso que o restante do material. Quando este exposto a um meio agressivo, acorroso se processar rapidamente ao longo dos contornos causando o desprendimento dos gros(Modenesi 2001).

Modenesi (2001) comenta que o problema pode ser minimizado coma utilizao de menoresteores de intersticiais, so necessrios teores extremamente baixos (Tabela 3). A utilizao deelementos estabilizantes (Nb e Ti) permite minimizar o problema para aos com maiores teores deintersticiais. A resistncia corroso de aos ferrticos no estabilizados pode ser recuperada por umtratamento trmico entre 700 e 900C (Tabela 3).

Tabela 3. Efeitos de tratamentos trmicos na resistncia corroso de um ao inoxidvel tipo AISI446 (Peckner e Dernstein, 1977 apud Modenesi (2001)).

Tratamento Trmico Taxa de Corroso(mm/ano)Condio inicial 0,7630 min a 1100C, tmpera em gua 19,830 min a 1100C, tmpera ao ar 20,330 min a 1100C, tmpera em gua seguidade 30 min. a 850C, tmpera em gua 1,0730 min a 1100C, resfriado lentamente para: 1000C, tmpera em gua 900C, tmpera em gua 800C, tmpera em gua 700C, tmpera em gua 600C, tmpera em gua

19,500,690,510,460,64


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Segundo Kah e Dickinson (1981) os aos inoxidveis ferrticos podem apresentar aindatendncia formao de trincas durante a solidificao. O enxofre seria o elemento mais prejudicialpara a resistncia fissurao em um ao tipo AISI 430. Para este ao, foi observada seguinteordenao de diferentes elementos em funo de sua influncia na sensibilidade fissurao:

S >C>N>Nb>Ti>P>Mn.

Segundo os mesmos autores, um ao inoxidvel do tipo AISI 430 pode ser considerado ummaterial sensvel formao de trincas de solidificao, apresentando uma maior facilidade paratrincar que um ao tipo AISI 304 com teores semelhantes de intersticiais e impurezas.

A ACESITA (2006) aponta trs problemas principais de soldabilidade e as possveis solues. Oprimeiro devido sensitizao, tendo como soluo a escolha de um material adequado(estabilizado ao titnio e/ou nibio) e reduo de energia de soldagem. O segundo a fragilizaopor hidrognio, que possuiu como soluo a utilizao de procedimento que introduza poucohidrognio. E a terceira e o crescimento de gro que tem como soluo a utilizao de umprocedimento com a menor energia de soldagem possvel.

6. CONSIDERAES FINAIS

Os aos inoxidveis ferrticos mostram um grande campo de utilizao, que vai desdeutilizaes simples como em objetos de decorao, at mesmo em estruturas que necessitam de umaboa confiabilidade, como por exemplo, em usinas de acar e estruturas metlicas.

Entre os aos inoxidveis os ferrticos possuem como grande vantagem o custo, que inferioraos demais. A limitao dos ferrticos ser impossvel realizar tmperas, uma vez que praticamenteno se consegue austenitiz-los.

Com relao soldabilidade, que outra limitao deste ao, particularmente se comparadoscom os austenticos, a sua solda caracterizada por ductilidade e tenacidade baixas alm desensibilidade corroso intergranular e tambm por susceptibilidade de trincas de solidificao.

7. AGRADECIMENTOS

Ao CNPq pelo apoio a bolsa de estudo e ao LAPROSOLDA/UFU pelo apoio laboratorial.

8. REFERNCIAS

ACESITA, 2006, Pgina na Internet: http:// www.acesita.com.br/port/aco_inox/pdf/apostila_aco_inox_soldagem. pdf#search=%22figura%20transferencia%20metalica%20MIG%22.

Asm Specialty Handbook, 1994, Stainless Steels, first edition, Materials Park.

Chiaverini, V., 2002, Aos e Ferros Fundidos, 7 Edio, ABM, So Paulo, Brasil.

INDA, 2006, Pgina na Internet: http://www.inda.org.br/revista_materia.php?Codigo=28.

INFOSOLDA, 2006, Pgina na Internet: http://www.infosolda.com.br/download/12ddr.pdf.

Kah, D. H., Dickinson, D. W., 1981, Weldability of the ferritic stainless steels. Welding Journal,ago. 1981, p. 135s-142s.

Karlsson, L., Abril, 2005, Aos Inoxidveis Passado, Presente e Futuro, Revista Soluo, pp 45 51.


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Modenesi, P. J., 2001, Apostila Soldabilidade dos Aos Inoxidveis, Volume 1, SENAI, Osasco,Brasil.

Peckner, D.; Bernstein, I. M., 1977, Handbook of Stainless Steels. McGraw-Hill, New York,USA.

Steigerwald, R.E. et all, 1977, The physical metallurgy of Fe-Cr-Mo ferritic stainless steels,Stainless Steels 77, p. 57-76.

Thielsch, H., 1951 Physical and welding metallurgy chromium stainless steels, Welding Journal,30(5), p. 209s-250s.

Welding Handbook, 1991, American Welding Society, vol. 4, 7 ed., USA.

REVIEW OF FERRITIC STAINLESS STEEL

Demostenes Ferreira FilhoUniversidade Federal de Uberlndia UFU/FEMEC, Av. Joo Naves de vila, 2021 B. Santa Mnica, Uberlndia [email protected]

Valtair Antonio FerraresiUniversidade Federal de Uberlndia UFU/[email protected]

Abstract: The ferritics stainless steel encloses a great field of use, as automobile industry, industryof household-electric devices and chemical industry. These steel are basically formed by leagueiron-carbon and other elements to stabilize the ferrite and possess a predominantly ferriticstructure in any temperature. These steel generally present low weldability, which is compensatedby a good resistance to the corrosion and by the low cost when compared with the other stainlessones. This work has as objective to make a revision on this steel, being presented its chemicalcomposition, the industrial applications, the weldability and the problems generated for thisprocess.

Keywords: ferritic stainless steel, chemical composition and weldability.

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