Projeto de Iniciação Científica

Caracterização metalográfica de um aço

revestido com processo de soldagem GMAW

Orientado : Igor Augusto Bonin

Orientador(a) : Verônica Oliveira

Co-orientador: Eduardo Canetti

Relatório Parcial de Iniciação Científica referente aos meses de Março à

Outubro de 2015.

Pindamonhangaba

2015

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Fatec Pindamonhangaba

Resumo do ProjetoCom a crescente exploração do petróleo, cada vez mais precisam-se de materiais

para a fabricação de tubulações, tanques e equipamentos de destilação resistentes ao

desgate sofrido em alto-mar ou à ação corrosiva do petróleo. Os aços carbono de

baixa liga são bastante aplicados por apresentarem baixo custo e boa resistência

mecânica. Contudo, esta classe de material não oferece resistência à corrosão no

ambiente de uma petrolífera. Uma maneira de aumentar a resistência à corrosão é

utilizar a técnica de revestimento por soldagem dos tubos utilizados para extração,

adicionando um material que sofre menos com a ação corrosiva do petróleo. Desta

forma, aumenta-se a vida útil do equipamento sem a necessidade de trocar o aço

base. Assim, faz-se necessário buscar excelência na aplicação destes revestimentos,

buscando o máximo em desempenho e qualidade. Logo, o projeto aqui explanado visa

aumentar a produtividade do processo de revestimento de liga Inconel 625 em

tubulação de aço SAE 4130 por meio da troca do atual processo de soldagem

utilizado, o GTAW, para o processo GMAW (com maior potencial de deposição e

produtividade). Entretanto, para tal, é necessário que se garanta a qualidade do

material depositado, assim o projeto também prevê a análise microestrutural de todas

as amostras soldadas, visando suprimir qualquer defeito proveniente dos novos

procedimentos desenvolvidos.

Palavras-chave – SAE 4130, Caracterização microestrutural

Resumo Março / Outubro de 2015Nesta primeira etapa do trabalho foi feita a análise microestrutural do material

base, o aço SAE 4130. Após a preparação de varias amostras foram produzidos em

laboratório ataques químicos com Nital 2%, Solucão de metabissulfito de sódio 7% e

Le Pera,visando, via microscópio óptico, obter a caracterização microestrutural das

amostras como recebidas. Também foi feito o ensaio de Microdureza Vickers. Todas

estas etapas foram realizadas em laboratórios da Fatec Pindamonhangaba.

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1 Introdução (Breve revisão bibliográfica)1.1 Caracterização Microestrutural

O processo metalográfico foi criado com o objetivo de determinar a quantidade,

a morfologia e composição química de estruturas presentes em metais de variados

tipos, sendo estas oriundas de processos que envolvem aporte térmico e/ou

deformação.

Portanto, o estudo dessas estruturas é de extrema importância, pois elas

determinaram o comportamento do material em diversas situações, podendo dar

noções bastante confiáveis de tenacidade, ductilidade, resistência à corrosão,

comportamento em temperaturas elevadas e muitos outros parâmetros essências para

escolha de processos e matérias que atendam requisitos específicos de projeto.

Ainda dentro da área metalográfica, o projeto de pesquisa pretende abordar

quatro processos distintos de analise, por microscopia ótica, microscopia eletrônica de

varredura (MEV), microscopia eletrônica de transição (MET) e espectroscopia de

energia dispersiva de raios-x.

1.2 Processo MIG/MAG

O processo MIG/MAG tem por característica a sua grande produtividade, em

relação a outros processos de proteção gasosa similar. É um processo aplicado na

indústria em grande e pequena escala, para produção de produtos em série

(estruturas, peças, revestimentos, etc) e para manutenção de equipamentos, podendo

ser estes de várias espessuras, ferrosos ou não, dentre eles alumínio, aços de alta

resistência, aços inoxidáveis, cobre entre muitos outros.

Sua grande vantagem esta no fato de ser um processo semi automático,

havendo também a possibilidade de ser completamente automatizado com emprego

de equipamento para deslocamento e posicionamento.

Entretanto, para a obtenção de cordões de solda com a maior qualidade

possível é necessário que alguns parâmetros sejam compreendidos e bem afinados,

“como intensidade de corrente, tensão e comprimento de arco, velocidade de

soldagem, stick-out, gases de proteção, diâmetro do eletrodo, posição da tocha, seus

tipos, vazão” e sentido de soldagem. (POEPCKE; JOSE SATURNINO. 2013)

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1.3 Aço SAE 4130

O aço SAE 4130 é uma liga que apresenta propriedades como, boa

soldabilidade, média temperabilidade, resistência a altas temperaturas e corrosão,

entre outras provenientes de seus elementos de liga (composição química

especificada na Tabela 1) e que lhe conferem um bom comportamento a diversos tipos

de tratamento térmico.

Em função dessas propriedades essa liga é utilizada em vários setores da

indústria entre eles a fabricação de uma infinidade de peças mecânicas para o setor

automobilístico, estruturas aeroespacial, tubos de extração de petróleo ,etc.

Elemento C Mn P S Si Ni Cr Cu Mo% peso Min

0,28 0,40 --- --- 0,15 --- 0,80 --- 0,15

% peso Max

0,33 0,60 0,03 0,04 0,35 0,25 1,10 0,35 0,25

Tabela 1 - Composição química aço SAE 4130, % em peso.(MACEDO; MARCIANO

QUITES. 2007)

1.4 Inconel 625

A liga Inconel 625 (composição química na Tabela 2) consiste em um material

de alta liga com propriedades de resistência a corrosão, temperatura e fluência muito

apreciáveis às indústrias que trabalham com equipamentos em ambientes com alto

nível de intempéries, além de várias outras aplicações como na esfera aeroespacial e

marítima, equipamentos de controle de poluição, reatores nucleares e indústria

química.

Entretanto esse material pode perder propriedades se em meio ao processo de

soldagem adquirir altos níveis de diluição em aços, tornando-se necessária a

aplicação do diagrama de Schaeffler e os devidos ajustes de parâmetros e elaboração

de procedimento soldagem para que o material ainda atenda os requisitos de projeto e

não apresente potenciais defeitos nos cordões.

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Ni Cr Fe Mo Nb C58,0 mín. 20,0 - 23,0 5,0 máx. 8,0 – 10,0 3,15 – 4,15 0,1 máx.Mn Si P S Al Ti0,5 máx. 0,5 máx. 0,015 máx. 0,015 máx. 0,4 máx. 0,4 máx.

Tabela 2- Composição química liga Inconel 625, % em peso.(SIMÕES; THIAGO

MESQUITA. 2014)

2 Objetivos

O projeto aqui estudado visa analisar a nível microestrutural, amostras de SAE

4130 revestidas por liga de Níquel Inconel 625 por meio de processo GMAW,

buscando analisar, identificar, entender e suprimir possíveis alterações

microestruturais indesejáveis a aplicação do produto.

3 Materiais e Métodos para o

desenvolvimento do projeto

3.1 Análise Microestrutural

Para a realização da análise microestrutural, foi necessário que o material

fosse cortado, pois se encontrava no formato de barra, inviabilizando o embutimento.

Logo após o corte, com o material já na medida adequada, o mesmo teve suas

rebarbas retiradas.

A etapa seguinte consistiu no lixamento da amostra. Este foi feito em várias

lixas com granulometrias distintas, sendo elas 180, 320, 400, 600, 1200, 1500 e 2000

#. Para este processo utilizou-se as técnicas apropriadas, sempre tombando a

amostra 90° após cada lixamento. Nesta fase foi utilizado primeiro lixa circular e

depois uma pista de lixamento com granulometria 1200, 1500 e 2000. O passo

seguinte foi o polimento da amostra, para a remoção dos últimos riscos. Nesta etapa

foi usado pano de polimento circular e pasta de alumina 1 µm e 0,3 µm. As etapas de

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lixamento e polimento foram realizadas sempre com o auxílio de um estereoscópio

com capacidade de ampliação que varia de 6 a 50 vezes.

3.2 Ataque químico

Foram definidos 3 ataques a se fazer nas amostras do aço 4130, o primeiro foi

realizado com solução de NITAL 2%, o segundo com metabissulfito de sódio 7%, e o

terceiro com Le Pêra. No primeiro, a amostra ficou imersa na solução por 18 segundos

até que atingisse o estado desejado. Segundo COLPAERT (2008), o nital ataca

contornos de grão. O segundo ataque químico, realizado com solução de

metabissulfito de sódio 7%, foi feito por imersão durante um período de 30 segundos.

Este ataque diferencia ferrita e martensita em aços multifásicos (COLPAERT, 2008). O

terceiro ataque, chamado de Le Pêra é uma solução de metabissulfito de sódio e acido

pícrico diluídos em agua e etanol, respectivamente, e tem o objetivo de diferenciar a

fase bainita da fase ferríta e também destaca martensita + austenita retida, mas não

as diferencia entre si.

Com o ataque concluído, foi utilizado um microscópio ótico com um maior

poder de ampliação, para realizar 60 fotografias. Para tal, foram realizadas 30 fotos

em ampliação 500x e mais 30 fotos em ampliação 1000x para cada tipo de ataque.

Como foram realizados 3 tipos de ataques, totalizou-se 180 fotos.

3.3 Ensaio de dureza

Depois de analisar a microestrutura do material foram feitas medidas de

microdureza Vickers no aço SAE 4130.

4 Resultados Parciais

4.1 Ataque NITAL 2%O ataque com nital teve como objetivo revelar as fases presentes e contornos de

grão.

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Figura 1- Micrografia dos constituintes no metal base, ataque Nital 2% aumento de

500x.

Figura 2- Micrografia dos constituintes no metal base, ataque Nital 2% aumento de

1000x.

É possível observar nas Figuras 1 e 2, uma área mais clara e uma área mais

escura. A área mais clara é constituída de ferrita + austenita retida, em algum lugares

pode se ver nitidamente um agregado de ferrita, já nas áreas mais escuras temos

martensita revenida. Pode-se perceber ainda, regiões onde a coloração é mais escura

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de forma concentrada (evidenciado na Figura 2 por círculos). Apesar de outras

análises serem necessárias, acredita-se que esta região seja composta por

carbonetos. Este ataque revela também contornos de grão. Usando o programa

“Image J”, pode-se calcular a porcentagem de martensita revenida + carbonetos na

amostra foi igual a 49%.

4.2 Ataque METABISSULFITO DE SÓDIO 7%

O ataque realizado em solução de metabissulfito de sódio (7%) tem por

objetivo revelar duas fases, sendo elas austenita retida e martensita.

Figura 3- Micrografia dos constituintes no metal base, ataque Metabissulfito de Sódio

7% aumento de 500x.

Figura 4- Micrografia dos constituintes no metal base, ataque Metabissulfito de Sódio

7% aumento de 1000x.

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4.3 Ataque Le Pera

Neste ataque químico são utilizados dois reagentes: I – solução de 1g de

metabissulfito de sódio diluído em 100ml de água e II – 4g de ácido pícrico diluído em

100 ml de etanol. A proporção propostas por Le Pêra é 1:1. Este reagente possibilita

distinguir principalmente a fase bainita (marrom) da fase ferrita (azul ou marrrom

clara). A fase martensita e a austenita retida aparecem com coloração clara. Contudo,

esta coloração é característica de materiais que passaram por tratamento isotérmico,

como a austêmpera. No caso deste presente trabalho, a amostra foi revenida e,

portanto não apresenta estrutura bainítica. Desta forma o que podemos ver nas

Figuras 5 e 6 é ferrita e carbonetos na fase escura e martensita + austenita retida na

fase clara.

Figura 5 - Micrografia dos constituintes no metal base, ataque Le Pera, aumento 500x

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Figura 6 - Micrografia dos constituintes no metal base, ataque Le Pera, aumento 1000x

4.4 Dureza Vickers

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Foram realizadas 5 medições, sendo os resultados: 288, 260, 250, 251 e 338.

Como as medidas foram realizadas sem definição de fases na amostra, a última

medição deve ter sido realizada em um ponto com alguma inclusão ou estrutura com

uma dureza mais elevada do que o material em questão.

5 Conclusões Parciais

Nesta primeira etapa do trabalho foi feita uma caracterização microestrutural do

material como recebido que estava na condição revenida. As microestruturas

encontradas estão de acordo com a literatura (MACEDO, 2007; RANIERI, 2005).

Estas análises servirão de base para a caracterização microestrutural que será feita

nas amostras revestidas por soldagem que fazem parte da próxima etapa deste

trabalho.

6 Dificuldades encontradas no trabalhoAlgumas das dificuldades encontradas no projeto foram: demora para

disponibilização de materiais para análise metalográfica, demora na preparação de

soluções para ataques químicos e falta de material para revestimento do metal de

base, entre outras.

Referências

BAIXO, C. E. I. , Dutra, J. C. EFEITO DO GÁS DE PROTECÃO E DO MODO DE TRANSFERÊNCIA NA APLICACÃO DA LIGA 625 EM ACO CARBONO. SOLDAGEM E INSPECÃO. Vol. 14, n 4, p. 313-319, Local. 2009

BUENO, R. S. ANÁLISE MICROESTRUTURAL DE JUNTA SOLDADA DE ACO BAIXA LIGA. Monografia. UFRJ. Rio de janeiro, 2010

SIMÕES, T. M. CURVAS S-N DA CAMADA DE INCONEL 625 DEPOSITADA POR SOLDAGEM EM TUBOS CLADEADOS. Monografia. UFRJ. Rio de Janeiro, 2014.

CALLISTER, W. D., CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS: UMA INTRODUCÃO. John Wiley & Sons, INC., S.L. 2002.

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CHIAVERINI, Vicente. ACOS CARBONO E ACOS LIGA. 2. Local.:Ed São Paulo 1965.

COLPAERT, H., METALOGRAFIA DOS PRODUTOS SIDERÚRGICOS COMUNS, 3. ed. São Paulo, Edgar Blucher, 2008.

KEJELIN, N. Z. INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE SOLDAGEM NA FORMACÃO DE ZONAS PARCIALMENTE DILUÍDAS EM SOLDAS DE METAIS DISSIMILARES. UFSC. 127p. S.L. 2006

KEJELIN, N. Z. SOLDAGEM DE REVESTIMENTOS DE ACOS COMUNS C-Mn COM SUPERLIGA A BASE DE NIQUEL INCONEL 625. UFSC. 187P. S.L. 2012

PFINGSTAG, M. E. AVALIACÃO EM RELACÃO À FADIGA DE JUNTAS SOLDADAS DA LIGA INCONEL 625, COMO MATERIAL DE INTERESSE PARA A INDÚSTRIA PETROLÍFERA. UFRGS, Porto Alegre, 2009.

POEPCKE, J. S. et al. SOLDAGEM: ÁREA METALURGIA. São Paulo: Senai-SP, 2013

MACEDO, M. Q. EFEITO DOS PARÂMETROS DE AUSTENITIZAÇÃO SOBRE A MICROESTRUTURA E AS PROPRIEDADES DO AÇO SAE4130 SUBMETIDO A

TRATAMENTOS TÉRMICOS POR INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA. Dissertação

de Mestrado. REDEMAT. Ouro Preto-MG, 2007

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