Influência do Acabamento Superficial, Porosidade e Diluição Sobre a Resistência à Cavitação de Revestimentos Soldados.

Leonardo Boccanera (1)

Sérgio Rodrigues Barra (2) Augusto José de Almeida Buschinelli (3)

Cylon Rosa Rodrigues de Freitas (4) José Valença dos Santos (5)

RESUMO Foi avaliada a influência que o acabamento superficial, a porosidade e a diluição exercem sobre a resistência à cavitação de revestimentos soldados. Nos depósitos foram empregados consumíveis AWS 309L-16, na forma de arame maciço e eletrodo revestido, e arames tubulares e eletrodos revestidos ligados ao Co. Para qualificação dos depósitos empregou-se teste acelerado de cavitação pelo método ultrasônico, segundo a norma ASTM G32. Os testes mostram que a condição lixada apresenta inferior resistência à cavitação, sendo os riscos da lixa sítios de nucleação do processo erosivo. Mais significativo é o efeito da porosidade que reduz o tempo de incubação e aumenta a taxa de erosão em regime permanente até 4 vezes em algumas das ligas testadas. O efeito da diluição na resistência à cavitação das camadas de amanteigamento e revestimento foi avaliado em corpos de prova extraídos transversalmente aos cordões, através de medidas de rugosidade segundo a norma DIN 4768. Excelente desempenho frente à cavitação pode ser atingido na segunda camada de aço inoxidável austenítico ligado ao Co, para os níveis de diluição obtidos soldando arame tubular com corrente pulsada.

ABSTRACT

The influence of surface finishing, porosity and dilution on the cavitation resistance of weld cladding was investigated. For the buttering layers were used AWS 309L-16 consumable as solid wire and covered electrodes and for hardfacing Co-alloyed flux-cored wire and covered electrodes. For qualification of the deposits the vibratory cavitation erosion test according to ASTM G32 were used. The grind finishing presented inferior resistance to cavitation, where the sandpaper risks act as nucleation sites for the erosive process. More significant is the effect of the porosity that reduces the incubation period and increases up to 4 times the erosion rate in the permanent regimen for a hardfacing alloy. The influence of the dilution on the performance of the buttering and hardfacing deposits was evaluated through roughness measurements on a plane transversal to the weld beads. Under the dilution levels observed by welding a flux cored wire with pulsed current an excellent resistance against cavitation can be achieved in the second layer. Keywords: Hardfacing; Surface finishing; Porosity; Diluition.

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(1) Eng. Mec., Doutorando do CPGEM/UFSC. (2) Eng. Mec., Mestre Eng. Mecânica/UFSC. Pass. São Judas Tadeu, 80 - Bairro: Condor. Belém - Pará. CEP 66033-740. Fone (091) 249-8802. E-mail barra@emc.ufsc.br. (3) Dr. -Ing., Prof. Tit., EMC/UFSC. C. P. 476, CEP 88040-900. Florianópolis - SC. E-mail buschi@emc.ufsc.br. (4) Eng. Mec., Gerasul. (5) Eng. Mec., Gerasul.

INTRODUÇÃO O problema da erosão por cavitação afeta diretamente as turbinas hidráulicas,

comprometendo a disponibilidade de unidades geradoras e consequentemente o potencial de faturamento das empresas além de ocasionar perdas e transtornos de ordem social. Diversas publicações relatam os esforços internacionais no sentido de se desenvolver e otimizar materiais e procedimentos de soldagem com o intuito do minimizar o problema [1, 2, 3].

A atual fase de desenvolvimento tecnológico conduziu a ligas austeníticas ligadas ao Co, especialmente resistentes às condições de intensa cavitação. Estas ligas apresentam mecanismo de resistência ao fenômeno baseado no endurecimento superficial, associado às transformações de fase γγγγ→→→→αααα’ e/ou γγγγ→→→→εεεε geradas por deformações oriundas dos colapsos das bolhas e/ou microjatos contra a superfície. Observa-se redução na taxa de perda de material, na ordem de 10 vezes relativamente ao aço inoxidável 308 (18Cr-8Ni) e, desse modo, o prolongamento no período de funcionamento dos equipamentos [4, 5].

Alguns autores [5, 6] sugerem que a superior resistência à fadiga seja o principal mecanismo que origina uma baixa remoção de material durante a cavitação nestas ligas. A remoção de material inicia e propaga-se nas bandas de deslizamento e contornos de grão, desenvolvendo-se um estado avançado de erosão nestas regiões por fratura dúctil. A conduta à deformação e fratura, típica de ligas com baixa energia de falha de empilhamento, tem como resultado uma elevada taxa de encruamento que acarreta grande período de incubação e baixa taxa erosiva.

Quanto a influência de defeitos de soldagem, foi reportado que poros isolados e com tamanho inferior a 1 mm, não apresentaram efeito significativo sobre a resistência à cavitação na família das ligas inoxidáveis austeníticas ao Co [3].

AHMED et al. [7] relatam a possibilidade de se rastrear os diferentes períodos que compõem o processo erosivo por meio da rugosidade (Ra e Ry) apresentada em diferentes tempos de ensaio e, desta forma, definir cada período pela mudança abrupta no aspecto da superfície exposta à cavitação.

Nesse contexto, será feita uma analise dos efeitos que os procedimentos de recuperação (soldagem e usinagem), atualmente empregados em campo, exercem sobre a resistência à cavitação dos depósitos. O que se deseja quantificar é a perda de resistência, no revestimento depositado, em função do nível de imperfeições superficiais apresentadas na forma de porosidade e acabamento superficial e, ainda, modificações na composição química oriundas da diluição imposta pelo processo de soldagem empregado. MATERIAIS E MÉTODODOLOGIA a) Materiais e procedimentos de soldagem Foram usados para o amanteigamento, consumíveis AWS 309L-16 na forma de eletrodo revestido (AMAN1 ) e arame maciço (AMAN2 ). Para os revestimentos aplicaram-se eletrodos revestidos (REV1) e arames tubulares (REV2) que produzem depósitos em aço inoxidável austenítico ligado ao cobalto. A tabela 1 apresenta as características e nomenclaturas utilizadas na identificação dos consumíveis e, ainda, as composições nominais e suas participações no depósito.

Na confecção das camadas empregaram-se dois processos de soldagem ao arco elétrico, o primeiro SMAW destinado a deposição dos consumíveis na forma de eletrodo revestido e, o segundo, GMAW para a deposição dos consumíveis na forma de arame maciço e tubular respectivamente. O processo GMAW foi utilizado manualmente e em conjunto com um robô industrial, aplicando-se técnica de tecimento. Em ambos os casos empregando-se corrente pulsada com pulsação térmica e monitoramento, em tempo real, do processo de transferência e temperatura de interpasse. Os depósitos foram realizados nas posições plana e sobre-cabeça a 450 do plano horizontal, aplicando-se duas camadas para amanteigamento e duas ou três camadas para o revestimento, com espessuras em

torno de 3 mm [8]. A figura 1 apresenta as características do metal de base empregado e a forma de deposição das camadas de amanteigamento e revestimento. b) Preparação dos corpos de prova (CP’s ) Os corpos de prova, utilizados no experimento, foram extraídos dos depósitos, na condição como soldado, por meio de disco abrasivo de corte, obedecendo as dimensões exigidas para o ensaio de cavitação, isto é, as dimensões laterais apresentando valores superiores a 16 mm. Para os CP’s empregados na análise da influência dos defeitos superficiais e do tipo de acabamento, as condições de acabamento preparadas para os ensaios foram:

- Polida, polimento automático até um valor de Ry ≈ 1 µm; - Lixada, lixamento automático até lixa 100; - Polida, apresentado poros com diâmetros de 0,5 a 1,5 mm. Os CP’s utilizados na análise do efeito da diluição foram extraídos transversalmente

aos cordões e ensaiados na condição polida. A figura 1 apresenta os detalhes dos CP’s, como forma e a posição de ensaio.

c) Ensaios acelerados de cavitação, rugosidade e dureza

Os ensaios de cavitação foram realizados, de acordo com a norma ASTM G-32, modificada para método indireto , com resposta em torno de 40 a 60% do método padrão (direto), utilizando-se um gerador ultrasônico KLN Ultraschall GmbH tipo 500 que produz uma oscilação axial da ponta do sonotrodo pelo chamado efeito piezoelétrico a uma freqüência de aproximadamente 20 ± 0.2 kHz. Sendo a amplitude de oscilação, na ponta do sonotrodo, pico a pico de 0,05 ± 0.0025 mm, sob temperatura de ensaio de aproximadamente 22 ± 1°C. Após tempos pré determinados de ensaio, os CP’s eram submetidos a pesagem ou levantamento da rugosida apresentada. Os tempos totais dos ensaios variaram entre uma faixa de 45 a 75 horas, objetivando a determinação da taxa de erosão em regime permanente. A figura 2 apresenta uma representação do teste acelerado de cavitação pelo método indireto.

Nas medidas de rugosidade foram empregados rugosímetros Mitutoyo Surftest-211 e Mahr Perthen, segundo a norma DIN 4768. Estes ensaios objetivaram analisar a influência da diluição sobre a resistência à cavitação, monitorando-se o comportamento erosivo, através de Ra e Ry, nas diferentes camadas de revestimento e amanteigamento.

Onde: Ra → representa o desvio médio aritmético; Ry → representa a altura máxima das irregularidades. Para os ensaios de dureza, empregou-se microdurômetro HMV 2000 da Shimadzu,

com o objetivo de se rastriar possíveis alterações nos perfis de dureza em função ou do grau de diluição ou número de camadas soldadas. d) Análise microestrutural O estado superficial dos CP’s frente ao processo de cavitação e em função da camada e diluição, imposta pelo processo de soldagem, foi acompanhado por meio de análise em microscópio eletrônico de varredura (MEV), em intervalos de tempo pré-determinados. RESULTADOS E DISCUSSÕES a) Acabamento superficial e porosidade

Em relação ao acabamento superficial (lixamento), verificou-se que os riscos deixados pelo lixamento apresentam um efeito concentrador de tensão equivalente a um entalhe, sendo estas regiões sítios preferenciais para início e proliferação do processo erosivo.

As figuras 3 e 4(a) apresentam o aspecto erosivo de REV1, após 10 horas de ensaio de cavitação. Nota-se que os cantos vivos dos riscos, 4(a), apresentam maior perda de

material e diferente grau de rugosidade, quando comparados com as suas regiões vizinhas não riscadas. Para a condição polida 3(a), a erosão se inicia nas maclas geradas pelas deformações dentro de cada grão e linhas deixadas pelo polimento, que são zonas de maior encruamento .

Nas figuras 5 e 6(a) verifica-se que a condição superficial lixada apresenta taxa erosiva e perda de massa num valor intermediário entre as condições polida e a com poros. Este comportamento apresenta uma independência do tipo de liga ou processo de soldagem empregado.

Para o caso da porosidade os efeitos acima são mais pronunciados, verificando-se uma considerável redução ou até uma extinção do período de incubação. Esta modificação no período de incubação está relacionada ao fato de que, quando da presença de porosidade, a taxa de erosão inicia com valores elevados nos primeiros ciclos, tendendo a estabilizar-se neste patamar. A explicação é que, devido a alta taxa erosiva inicial, atinge-se logo o regime permanente nestas regiões, o que significa elevada rugosidade e, deste modo, um efeito de amortecimento dos impactos provocados pelas implosões e/ou microjatos.

A tabela 2 mostra que os revestimentos REV2, com porosidade superficial, apresentam taxa erosiva inferior ou comparável aos valores medidos para REV1 na condição polida.

A figura 4(b) mostra detalhe do aspecto superficial de REV1 apresentando porosidade. Nota-se que, com apenas duas horas de ensaio de cavitação, as regiões das bordas dos poros já apresentam desgaste, praticamente, em regime permanente, enquanto que as regiões vizinhas ainda mantêm o aspecto do polimento. A explicação para esta diferença está no fato de que as bordas, em função do efeito de entalhe, se deformam e encruam mais rapidamente e, deste modo, possibilitam nucleação de microtrincas bem antes que as regiões vizinhas.

Nas figuras 5 e 6 são apresentados os valores de perda de massa e taxa de erosão para AMAN1 e REV2, onde a condição “com poro” em ambas as ligas apresenta menor resistência à cavitação, sendo menor esta resistência quanto maior a dimensão dos poros presentes.

b) Diluição

A diluição encontrada nos revestimentos soldados pode apresentar nível distinto em função não só do tipo de processo de soldagem, como também do grau de automação e das técnicas de deposição empregadas [1]. Desta forma, diante dos diferentes processos, graus de automação e técnicas, empregados nos experimentos, observaram-se diferentes comportamentos frente à cavitação.

Conseguiu-se com a soldagem GMAW uma diluição nas ligas REV2 na ordem do 15-20% contra 25% para REV1 soldada com SMAW. Isto significa que no primeiro caso a superfície depositada e exposta à cavitação terá uma composição química mais próxima ao material de aporte resistente. Contudo, para o caso de REV2 onde se utilizou GMAW pulsado com pulsação térmica, notou-se ainda que esta variante acarreta um perfil “serrilhado” de diluição nos cordões (vide figura 7), em função dos dois níveis de Heat input característicos desta variante. A real influência deste serrilhado sobre a resistência à cavitação deve ainda ser levantado.

Na análise química das diversas camadas que compõem o depósito obtido com REV2 (vide figura 8a), observa-se que a variação na resistência da liga está associada com modificações na composição química entre as camadas.

Aplicando-se a metodologia proposta por AHMED et al. [7], verificou-se que a liga REV2, soldada com GMAW, apresenta mesmo quando soldado sem amanteigamento um perfil de rugosidade satisfatório frente a cavitação já a partir da segunda camada (vide figuras 8b e 9), enquanto que liga REV1, soldada com SMAW, só adquire resistência satisfatória a partir da terceira camada. O que se estima é que a diluição e os diferentes

aportes térmicos parecem ser um dos vínculos entre o processo de soldagem e boa resistência à cavitação.

Como cita REBELLO et al. [9], materiais de uma mesma família podem apresentar uma relação entre resistência a cavitação e propriedades mecânicas (dureza). Para os perfis de dureza levantados para REV1 e REV2, na condição como soldado (vide figura 10), observa-se que REV2 apresenta um perfil mais elevado de dureza que REV1, o que confirma o melhor desempenho de REV2 e as proposições bibliográficas. CONCLUSÕES

� A condição lixada apresenta inferior resistência à cavitação, sendo os riscos da lixa sítios de nucleação do processo erosivo; � Mais significativo é o efeito da porosidade e sua densidade que reduz o tempo de incubação e aumenta a taxa de erosão em regime permanente até 4 vezes em algumas das ligas testadas; � A desempenho dos revestimentos, frente ao processo erosivo, está intimamente ligada ao nível de imperfeições estruturais e superficiais, oriundas das técnicas de reparo empregadas. � O nível de diluição, imposto pelo processo de soldagem empregado, demonstra ter influência na resistência à cavitação dos depósitos. Sendo que para REV2 (GMAW) uma perda significativa de resistência aparece apenas na primeira camada, enquanto que para REV1 (SMAW) esta perda atingiu a segunda camada; � Aparentemente, existe uma relação entre os perfis de dureza apresentados pelas camadas e suas resistências à cavitação. Esta conclusão em conjunto com a anterior suporta a idéia de se aplicar, em algumas situações o revestimento diretamente sobre o metal de base; � Sob condições automatizadas, a liga REV2 apresentou taxa de erosão inferior àquelas reportadas na literatura.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] BARRA, S. R.; DUTRA, J. C.; RIBAS, F. A. C. : “Avaliação dos Efeitos da variação

dos Parâmetros/Procedimentos de Soldagem e Automação Sobre a Planicidade e Aspecto Superficial dos Revestimentos Empregados em Turbinas Hidráulicas”. XIV ENTS, Fortaleza, 1998.

[2] MENON, R.: “New Developments in Hardfacing Alloys”. Welding Journal, P. 43-49, February, 1996.

[3] JOSEPH, N.; SPRIGGS, R. S.: “Weld Overlaying with a Cavitation-Resistent Alloy”. Waterpower Conference, 1991.

[4] PROCOPIAK, L. A.; SINATORA, A.; BUSCHINELLI, A. J.: “Comportamento à erosão por Cavitação de Três Revestimentos Soldados de Aços inoxidáveis austeníticos”. 480 Congresso Anual da ABM, Fortaleza, Outubro, 1994.

[5] SIMONEAU, R.; LAMBERT, P.: “Cavitation Erosion and Deformation Mechanisms of Ni and Co Austenitic Stainless Steels”. IREQ, 1987.

[6] RICHMAN, R. H.; McNAUGHTON, P.: “Correlation of Cavitation Erosion Behavior with Mechanical Properties of Metals Wear”. P. 63-82, 1990.

[7] AHMED, S. M.; HOKKIRIGAWA, K.: “Developing Stages of Ultrasonically Prodeced Cavitation Erosion and Corresponding Surface Roughness”. JSME International Journal, Series II, Vol. 33, N0 1, 1990.

[8] BARRA, S. R.: “Influência dos Procedimentos de Soldagem Sobre a Resistência à Cavitação de Depósitos Obtidos com a Utilização de Arames Tubulares de Aços Inoxidáveis Ligados ao Cobalto”. Dissertação de Mestrado, UFSC, 1998.

[9] REBELLO, J. M.; HÜHNE, H.: “Resistência à Cavitação de Recobrimentos Soldados”. Soldagem & Materiais, Abr/Jun, 1991.

[10] AHMED, S. M.; HOKKIRIGAWA, K.: “SEM Observation of the Cavitation-Fracture

Mode During the Incubation Period and the Small Roughness Effect”. JSME International Journal, Series II, Vol. 34, N0 3, 1991.

Características Elemento químico e sua participação na deposição Diâmetro (φ) Nomenclatura C N Cr Ni Mn Mo Co Si

1,2 mm REV2 0,17 0,18 17,0 - 10,0 - 9,50 3,50 3,25 mm REV1 0,17 0,13 17,8 - 9,08 - 9,28 0,89 3,25 mm 1,2 mm

AMAN1 AMAN2

0,04 - 22-24 12-14 0,5-2,5 0,50 - 0,90 0,03 - 23,5 13 0,9 - - 0,9

Tabela 1: Nomenclatura empregada, características e composições químicas obtidas na deposição dos consumíveis (% em peso) [1].

Figura 1: Características dos depósitos e modo de extração dos CP’s [1].

Figura 2: Método indireto, onde se observa o posicionamento estacionário do corpo de prova em relação a

ponta do sonotrodo.

Figura 3: Micrografias, com mesma ampliação, mostrando os aspectos das superfícies de REV1, após 10 horas

de ensaio. Onde: (a) superfície polida e (b) superfície lixada.

Figura 4 : Micrografias mostrando os efeitos da lixamento (a) e da porosidade (b), após 10 e 2 horas de ensaio

respectivamente.

0

10

20

30

40

50

60

70

7 12 16 20 24 29 34

Tempo (103 s)

Per

da d

e m

assa

(m

g)

PolidoLixadoPolido com poroLixado com poro

a

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Tax

a de

ero

sao

( mg/

h)

0 10 20 30 40Tempo (h)

PolidoLixadoPolido com poroLixado com poro

b

Figura 5 : Características erosivas apresentadas pelos AMAN1, em função do acabamento superficial e/ou da presença de porosidade. Onde: (a) Perda de massa e (b) Taxa de erosão.

a b

a b Figura 6: Características erosivas apresentadas pelas ligas austeníticas REV1 e REV2, em função do

acabamento superficial ou da presença de porosidade (a) e do tipo de processo e grau de automação (b).

Processo de soldagem

Consumível ou metal de base

Taxa de erosão (mg/h)

Dureza na ultima camada (HV0.3)

Ref.

SMAW REV1 0,4 - 0,7 290 - GMAW REV2 0,4* 300 - SMAW AMAN1 6,6 250 - SMAW AMAN1 7,4** 250 (3) SMAW REV1 1,55** 300 (3)

Tabela 2 : Comparação entre os valores, de taxa de erosão, experimentais e os propostos em literatura. Onde: * Apresentando porosidade e lixamento e ** Método de ensaio direto.

Figura 7: Efeito serrilhado provocado pela pulsação térmica, onde se verifica os diferentes aportes térmicos impostos pela pulsação térmica e o perfil e a variação no nível de diluição [1].

0

5

10

15

20

25E l e m e n t o

q u í m i c o

(% Wt)

2° AMAN2 1° 2° 3° REV2 Camadas

Ni Si Co Mn Cr

a

0

5

10

15

20

25

Rug

osid

ade

Ry

(µm

)

0 5 10 15 20Tempo (h)

1° camada2° camada3° camada

b Figura 8 : Variação da composição química para AMAN2 e REV2 soldados com GMAW (a) e variação da

rugosidade (Ry) nas diferentes camadas de REV2 (b)

Figura 9 : Aspecto ao MEV dos diferentes graus de erosão nas camadas do depósito, após de 15 horas de

ensaio. Onde: (a) 2a camada de AMAN1, (b) Fronteira entre AMAN1 e 1a camada de REV1, (c) 2a camada. de REV1 e (d) 3a camada de REV1.

Figura 10 : Perfil de dureza apresentado nas diferentes camadas depositadas [1].