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Estudo do Processo de Eletropolimento de Tubos de Ao Inoxidvel AISI 348L

Marcio Justino de Melo(1), Olandir Vercino Correa(2), Clarice Terui Kunioshi(1)

(1) Centro Tecnolgico da Marinha em So Paulo CTMSP Avenida Prof. Lineu Prestes, 2468 Cidade Universitria So Paulo SP

(2) Instituto de Pesquisas Energticas e Nucleares IPEN/CNEN-SP Avenida Prof. Lineu Prestes, 2242 Cidade Universitria So Paulo SP

Resumo: Nos projetos de reatores nucleares so utilizados vrios aos inoxidveis para a fabricao de componentes, entre eles o ao AISI 348L. Uma forma de melhorar as propriedades desses aos otimizar as condies da superfcie externa com a finalidade de aumentar a troca trmica e diminuir a taxa de impregnao de resduos durante a operao do reator. Entre as tcnicas de tratamento superficial, foi selecionado o processo de eletropolimento, e esse trabalho investigou a influncia de alguns parmetros, como temperatura, potencial e tempo de eletropolimento sobre as caractersticas da superfcie obtida. Constatou-se uma efetiva diminuio da rugosidade superficial, remoo controlada de material e uma melhora das propriedades de corroso de tubos de ao AISI 348L eletropolidos. Palavras-chave: eletropolimento, ao inoxidvel AISI 348L, reatores nucleares.

1. INTRODUO O Programa Nuclear da Marinha teve incio em 1979, visando capacitar o Brasil a dominar o ciclo do

combustvel nuclear e a desenvolver e construir uma planta nuclear de gerao de energia eltrica, incluindo a confeco do reator nuclear. A primeira parte desse programa domnio do ciclo do combustvel j foi atingida, restando ainda o esforo de concluso da segunda parte a planta nuclear.

O Centro Tecnolgico da Marinha em So Paulo (CTMSP) o responsvel pelo desenvolvimento e fabricao do Elemento Combustvel (EC) do primeiro ncleo do Laboratrio de Gerao Ncleo Eltrica (LABGENE).

Para concluir esta etapa com sucesso, necessrio que o projeto seja desenvolvido de acordo com as normas vigentes da Comisso Nacional de Energia Nuclear (CNEN), utilizando um processo de fabricao qualificado, testado e reprodutvel, resultando em um produto final que atenda aos limites de segurana e critrios de desempenho. Desta maneira, pode-se garantir que o EC seja licenciado e opere de forma segura e confivel.

Dentro desse projeto do EC, vrios componentes de aos inoxidveis necessitam de uma etapa de preparao superficial atravs de um processo de eletropolimento. Esse processo, basicamente uma reao eletroqumica, consiste na remoo andica de metal em um eletrlito (soluo cida ou bsica), que realizada de forma controlada. O resultado a obteno de uma superfcie mais plana, com a remoo de rugosidades e riscos, e a formao de uma camada passiva. Com isso, alcanam-se melhores resistncias corroso, fadiga, alm de maior coeficiente de transmisso de calor, propriedade muito importante em componentes de reatores nucleares.

O presente projeto de pesquisa visa estudar e estabelecer os parmetros do processo de eletropolimento que produza melhores condies de acabamento superficial (rugosidade, camada passivada, uniformidade na remoo de material, etc.) dos tubos de ao inoxidvel AISI 348L.

2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

O material utilizado nos experimentos foram tubos de ao inoxidvel AISI 348L, com a composio mostrada na tabela 1, e dimetro externo de aproximadamente 10 mm. O controle dos elementos Co e B importante do ponto de vista neutrnico.

Inicialmente foram realizadas anlises metalogrficas para caracterizao microestrutural, medidas do tamanho de gro e incluses, e medidas de microdureza, nas direes transversal e longitudinal. Foram testados vrios reagentes para revelar os contornos de gro e microestrutura do ao, e o que mostrou melhores resultados foi o ataque V2A, que contm 50 mL de H2O, 50 mL HCl e 5 mL de HNO3, aquecido at 50C. Para a definio dos parmetros de eletropolimento, como tempo, temperatura e densidade de corrente, foi testada uma soluo contendo 60% de cido fosfrico (H3PO4), 30% de cido sulfrico (H2SO4) e 10% de gua. Para os ensaios eletroqumicos,

Encontro e Exposio Brasileira de tratamento de superficieIII INTERFINISH Latino Americano

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foi utilizado um potenciostato/galvanostato EG&G modelo 273A, uma clula eletroqumica, uma tela de platina como contra-eletrodo, e um eletrodo de referncia de calomelano saturado (ECS) com soluo saturada de KCl, conforme mostra a Figura 1. Foram realizadas polarizaes potenciodinmicas temperatura ambiente e a 60, 70 e 80C e varreduras de potencial de -500 a 2.600 mV com velocidade de 1 mV.s-1, e polarizaes potenciostticas temperatura de 80C em diferentes potenciais e tempos.

Tabela 1 Composio do ao inoxidvel austentico AISI 348L dos tubos.

ELEMENTO COMPOSIO (% em peso)

Nominal Medida C 0,050 mx. 0,044

Mn 2,00 mx. 1,70 P 0,015 mx. 0,026 S 0,005 mx. 0,001 Si 0,50 mx. 0,51 Cr 17,00-20,00 0,20 Ni 10,00-13,00 9,20 N 0,04-0,06 -

Nb 10 x %C + 0,1 0,55 Co 0,05 mx. - Ta 0,03 mx. 0,001 B 0,002 mx. -

Figura 1: Arranjo experimental para os ensaios eletroqumicos, mostrando o potenciostato e a clula eletroqumica.

Para o aquecimento da soluo, foi utilizada uma manta aquecedora de balo.

Para que fosse possvel testar todas as condies de eletropolimento, amostras dos tubos foram cortadas e uma rea de aproximadamente 1 cm2 foi isolada com fita de teflon, o que se mostrou bastante eficiente, como pode ser observado na Figura 2. Para os ensaios eletroqumicos, a rea interna das amostras tambm foi isolada com tampes usinados de teflon.

Figura 2: Corpo de prova utilizado nos ensaios eletroqumicos. Amostra do tubo antes do eletropolimento, com a fita de teflon isolando a regio a ser submetida ao processo de eletropolimento, esquerda, e aps o

eletropolimento, direita, mostrando a rea central eletropolida.


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As superfcies das amostras, antes e aps cada condio de teste aplicada, foram caracterizadas quanto rugosidade (Ra) e peso, e as superfcies foram observadas em microscpio eletrnico de varredura (MEV). Para a anlise comparativa quanto resistncia a corroso, essas mesmas amostras eletropolidas foram submetidas a ensaios eletroqumicos de polarizao potenciodinmicas, de -500 a 1200 mV e velocidade de 1 mV.s-1, em soluo aerada de 3,5% NaCl, temperatura ambiente.

3. RESULTADOS E DISCUSSO

Em um projeto nuclear necessrio verificar o tipo de solicitao e a proposta de operao do reator antes de serem definidas as configuraes dos seus componentes e materiais. Nos reatores PWR (Pressurized Water Reactor Reatores gua Pressurizada) os componentes que ficam em contato com o refrigerante, dependendo das solicitaes mecnicas, podem se submetidas a interaes que promovem deformaes e tenses que, na maioria das vezes, no atingem nveis acima dos limites de ruptura, mas so suficientes para provocar falhas por corroso sob tenso.

Os aos inoxidveis austenticos foram muito utilizados nos primeiros reatores PWR, mas a partir dos anos sessenta, vrios componentes de aos foram substitudos nos reatores comerciais por ligas de zircnio, devido sua menor seo de choque de absoro de nutrons trmicos e sua maior temperatura de fuso. Essas caractersticas permitem que reatores com zircaloy operem com menores custos de enriquecimento, e consigam manter maior integridade durante acidentes extremos, onde as temperaturas no revestimento podem exceder 1200C. (Silva e Esteves)

Apesar disso, existem algumas vantagens em se utilizar aos inoxidveis em reatores PWR (Stoller Corp.). Os aos apresentam maior integridade, em comparao com as ligas de zircaloy, durante acidentes com perda de refrigerante, onde as temperaturas permanecem abaixo de 1200C. Nessas condies, o ao exibe uma taxa de reao metal-vapor menor que o zircaloy, e o calor gerado tambm menor. Alm disso, durante a irradiao, o hidrognio liberado na reao com o ao 2/3 do liberado com o zircaloy, e o potencial de fragilizao devido solubilidade do oxignio no metal quase nulo para o ao, e a resistncia mecnica e dutilidade do ao so melhores do que as do zircaloy nas temperaturas envolvidas na anlise de acidentes.

O ao inoxidvel AISI 348L tem sido utilizado para a fabricao de vrios componentes de reatores nucleares, e uma forma de melhorar o desempenho desse ao inoxidvel otimizar as condies da superfcie externa com a finalidade de aumentar a troca trmica e diminuir a taxa de impregnao de resduos durante a operao do reator. Entre as tcnicas de tratamento superficial, foi selecionado o processo de eletropolimento.

O eletropolimento um processo eletroqumico de corroso, geralmente aplicado em peas e equipamentos industriais que so submetidos a um banho, ou soluo eletroltica cida (ou bsica), e corrente eltrica. Este processo amplamente aplicado em indstrias farmacuticas, qumica fina, de alimentos e de tecnologia nuclear, pois melhora a aparncia das peas e as propriedades fsicas e mecnicas do metal.

O eletropolimento remove, de forma controlada, as irregularidades da superfcie do metal, resultando em uma superfcie nivelada, e na formao de uma fina pelcula protetora. Em resumo, o metal eletropolido apresenta:

Superfcie nivelada; Maior resistncia corroso, devido camada passivada; Alvio de tenses na superfcie.

A Figura 3 mostra a microestrutura do ao inoxidvel AISI 348L investigado neste estudo, nas direes longitudinal e transversal dos tubos, mostrando uma fina estrutura de gros equiaxiais maclados, caractersticos desses aos austenticos. A anlise metalogrfica revelou tamanho de gro ASTM 7 (gro fino) e baixos nveis de incluses. Os resultados de microdureza indicam uma dureza mdia de 190 HV.

A Figura 4 apresenta as curvas de polarizao potenciodinmica, andicas e catdicas, obtidas para as amostras de tubo de ao ensaiadas temperatura ambiente (TA), a 60, 70 e 80C, sem agitao do banho. Esses resultados mostram que o aumento da temperatura do banho torna o eletropolimento mais agressivo, com o aumento das densidades de corrente (deslocamento das curvas para a direita) para os mesmos potenciais.

Vrias caractersticas positivas relativas ao metal eletropolido tm sido atribudas ao chamado plateau da curva de polarizao, e refere-se ao balano entre a dissoluo andica do metal e a reconstruo da camada de xido. A espessura dessa camada de xido governa a dissoluo do metal. (Hryniewicz e Rokosz)

Assim, observando esses mesmos resultados utilizando uma escala decimal (Figura 5) e a regio de potenciais elevados, podemos observar que para atingir as densidades de corrente entre 50 e 100 A.dm-2, normalmente utilizadas em eletropolimento de aos (ASM Handbook), preciso trabalhar com temperaturas acima de 60C, em potenciais entre 2200 e 2500mV (80C) e 2300 e 2600mV (70C). Para os ensaios preliminares foram selecionados as seguintes condies: temperatura do banho: 80C, potenciais de 2400 e 2500mV, e tempos de eletropolimento de 30, 60 e 90s. Aps os ensaios eletroqumicos de polarizao potenciosttica nos diversos tempos, as amostras foram analisadas quanto reduo da rugosidade e perda de massa, e os resultados obtidos so apresentados na Figura 6, sendo que a variao de massa foi admitida como sendo homognea no dimetro do tubo,


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e est representado no grfico como reduo na espessura de parede do tubo. Observou-se acentuada reduo de rugosidade superficial e espessura de parede do tubo com o aumento de tempo de eletropolimento, para ambos os potenciais aplicados.

Figura 3: Microestrutura do ao inoxidvel AISI 348L dos tubos, nas direes longitudinal (a) e transversal (b) (aumento de 500x). Reagente: V2A.

Figura 4: Resultados dos ensaios de polarizao potenciodinmica aplicados nos tubos de ao AISI 348L em diversas condies de temperatura. Velocidade de varredura de potencial: 1 mV.s-1.

As anlises dessas amostras por microscopia eletrnica de varredura (Figura 7) mostram uma superfcie

bastante polida e quase sem os riscos originais do tubo j com 30s de eletropolimento, nos dois potenciais utilizados, corroborando os resultados apresentados na Figura 6.

Para um dado metal ou liga metlica, as propriedades do xido passivo superficial formado depende dos parmetros do processo de eletropolimento, tais como a densidade de corrente aplicada, o potencial, a temperatura, e a composio e concentrao do banho utilizada. (Hryniewcz, Rokosz e Rokicki)

Os resultados obtidos com os ensaios para a caracterizao quanto resistncia a corroso so apresentados na Figura 8, que mostra o comportamento das amostras nas duas condies de potencial, 2400 e 2500mV, comparativamente ao tubo sem eletropolimento. Podemos observar que todas as amostras eletropolidas apresentam melhor resistncia corroso nesse meio, com potenciais de corroso mais nobres e potenciais de


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quebra de passividade mais altos. Esse comportamento melhor nas amostras eletropolidas a 2500mV, em relao s amostras eletropolidas 2400mV, uma vez que apresentaram menores densidades de corrente de passivao.

Figura 5: Curvas de densidade de corrente versus potencial para as mesmas condies de polarizao potenciodinmicas apresentadas na Figura 4.

Tempo de Eletropolimento

2400 mV 2500 mV 2400 mV 2500 mV

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

0,24

0,26

0,28

0,30

0,32

Rug

osid

ade

Fina

l (R

a)

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Variao de Espessura de Parede (m

)

Figura 6: Rugosidade superficial e variao de espessura de parede dos tubos de ao AISI 348L com o tempo e

potencial aplicados. Temperatura do banho: 80C.


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(a) Sem eletropolimento

(b) 2400 mV 30s (c) 2500 mV 30s

(d) 2400 mV 60s (e) 2500 mV 60s

(f) 2400 mV 90s (g) 2500 mV 90s Figura 7: Imagens de MEV das superfcies eletropolidas nas diversas condies de tempo de eletropolimento e

potencial. Temperatura do banho: 80C.


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(a) 2400mV.

(b) 2500mV.

Figura 8: Resultados dos ensaios de polarizao potenciodinmicas das amostras eletropolidas, em soluo aerada de 3,5% NaCl. Amostras eletropolidas em potencial de (a) 2400mV e (b) 2500 mV, por tempos de 30, 60 e 90s

(80C).

4. CONCLUSES Foi possvel, utilizando tcnicas eletroqumicas, investigar a influncia dos parmetros do processo de

eletropolimento sobre as caractersticas e propriedades da superfcie de tubos de ao inoxidvel AISI 348L. O eletropolimento mostrou-se eficaz na diminuio da rugosidade e melhora da resistncia corroso, mesmo sendo utilizada uma soluo bastante agressiva (3,5% NaCl) nos ensaios de corroso. Dentre as condies escolhidas


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(temperatura, potencial e tempo de eletropolimento) as amostras eletropolidas a 2500mV apresentaram melhores propriedades.

Entretanto, um balano entre as propriedades de resistncia corroso e remoo de material dever ser realizado para se estabelecer os parmetros do processo que sero utilizados, uma vez que tolerncias dimensionais rgidas devero ser respeitadas.

Muitos processos utilizados para o eletropolimento de aos inoxidveis so aplicados com movimento relativo entre o eletrlito e o anodo. Estudos (Hryniewicz e Rokosz) mostram que a influncia da agitao da soluo durante o eletropolimento significativa sobre o comportamento eletroqumico e, consequentemente, sobre as carctersticas da superfcie polida, o que justificaria um estudo mais detalhado da influncia desse parmetro no processo. Pretende-se dar continuidade a este trabalho variando-se, tambm, a composio e concentrao do banho.

5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq pela concesso da bolsa de Iniciao Cientfica PIBITI (Processo n

107945/2011-8), ao Laboratrio de Corroso e Tratamento de Superfcie LABCORTS (IPEN/CNEN-SP), em nome da Dra. Isolda Costa e Dra. Elisabete J. Pessine, ao Laboratrio de Microscopia Eletrnica e Fora Atmica LabMicro (Poli-USP), em nome do Prof. Dr. Andr P. Tschiptschin, e ao CTMSP, que possibilitaram a realizao deste estudo.

6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS Handbook, A. M. (1994). Surface Engineering (Vol. 05).

Hryniewcz, T., Rokosz, K., & Rokicki, R. (2008). Electrochemical and XPS studies of AISI 316L stainless steel after electropolishing in a magnetic field. Corrosion Science , 50, 2676-2681.

Hryniewicz, T., & Rokosz, K. (2010). Polarization characteristics of magnetoelectropolishing stainless steels. Materials Chemistry and Physics , 122, 169-174.

Silva, A., & Esteves, A. (1988). Relatrio Interno CTMSP R45209000145201-0. Relatrio Interno, CTMSP, LADICON.

Stoller Corp., S. (1982). An Evaluation of Stainless Steel Cladding for Use in Current Design LWRs, EPRI NP-2642. EPRI NP-2642 - Electric Power Research Institute.

7. DETALHES DO AUTOR

Marcio Justino de Melo aluno de graduao em Engenharia Qumica da Universidade Santa Ceclia, cursando 9 ciclo. tambm aluno de Iniciao Cientfica com bolsa CNPq PIBITI desde 03/2011 com o projeto Estudo da Influncia dos Parmetros do Processo de Eletropolimento sobre as Caractersticas Superficiais de Tubos de Ao Inoxidvel AISI 348 que est sendo desenvolvido no LADICON (Laboratrio de Desenvolvimento de Instrumentao e Combustveis Nucleares) do CTMSP.


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Olandir V. Correa possui graduao em Licenciatura em Qumica pela Universidade Metropolitana de Santos e o responsvel tcnico do Laboratrio de Corroso e Tratamento de Superfcie LABCORTS no Centro de Cincia e Tecnologia de Materiais CCTM do IPEN/CNEN-SP, tendo experincia na rea de Engenharia de Materiais, com nfase em Qumica.

Clarice Terui Kunioshi pesquisadora no LADICON CTMSP e possui graduao em Engenharia de Materiais pela UFSCar, mestrado e doutorado em Cincia e Tecnologia Nuclear Materiais pelo IPEN/CNEN-SP.


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