Recentemente, alguns estudos estão sendo realizados com o objetivo de desenvolver aços inoxidáveis dúplex com baixo teor de níquel e molibdênio conduzindo a um novo grupo denominado aços inoxidáveis lean dúplex. Neste grupo, destacam-se os aços UNS S32304 e LDX 2101® que estão sendo desenvolvidos para substituir os aços inoxidáveis AISI 304L e 316L uma vez que estes aços dúplex apresentam maiores valores de resistência mecânica e à corrosão quando comparados a estes austeníticos (ZHANG, et. al., 2012, ZHANG, et. al, 2009(a); ZHANG, et. al, 2009(b)).
O aço lean dúplex LDX 2101®, cuja composição química nominal é apresentada pela Tabela 5, apresenta normalmente uma microestrutura bifásica contendo aproximadamente 50% e 50% após solubilização na faixa de temperatura entre 1020 °C e 1080 °C.
Tabela 5 - Composição química (% massa) do aço lean dúplex LDX 2101®.
Material Cr Ni Mo N C Mn Fe
LDX 2101®, 21,5 1,5 0,30 0,22 0,03 5 Bal.
Fonte: Outokumpu, 2014.
Por possuir teores de elementos de liga relativamente baixos, são menos suscetíveis à precipitação de fases intermetálicas (OUTOKUMPU, 2013). O baixo de teor de níquel é
compensado pelo aumento nos teores de manganês e nitrogênio (SIEURIN, SANDSTROM, WESTIN, 2006). Caracterizam-se pela alta resistência mecânica, boa resistência a fadiga, boa resistência à corrosão, alta resistência à corrosão sob tensão fraturante e boa usinabilidade.
Essa relação entre alta resistência mecânica e boa resistência a corrosão pode ser observada por meio da Figura 28 em que é apresentado um gráfico comparativo entre aços inoxidáveis austeníticos, dúplex e lean dúplex.
Figura 28 - Comparação entre os aços inoxidáveis austeníticos, dúplex e lean dúplex quanto a resistência mecânica e resistência a corrosão por pite.
Fonte: Autor, adaptado de OUTOKUMPU, 2013.
Zhang et. al. (2012) investigaram o efeito da temperatura de solubilização na faixa entre 1000 a 1200 °C durante 1h com resfriamento em água sob a microestrutura e resistência à corrosão por pite do aço lean dúplex UNS S32304 cuja composição química é apresentada pela Tabela 6.
Tabela 6 - Composição química (% massa) do aço UNS S32304.
Material Cr Ni Mo N C Mn Si P S Fe
UNS S32304 22,90 4,0 0,30 0,14 0,018 1,48 0,45 0,04 0,04 Bal.
Fonte: Autor, adaptado de ZHANG et. al., 2012.
680
A fração volumétrica das fases foi medida por meio de análise de imagem em que se verificou o aumento do teor de ferrita com o aumento da temperatura de solubilização conforme apresentado pela Tabela 7 e Figura 29, confirmando os resultados apresentados pela simulação no Thermo-Calc® por meio da Figura 30, bem como a maior concentração de cromo e molibdênio, diferentemente dos teores de níquel e nitrogênio que apresentaram maiores teores na austenita. No entanto, ressalta-se que os autores (Zhang et. al., 2012) não apresentaram os valores de desvio padrão dos pontos experimentais das frações volumétricas das fases conforme observado pela Figura 30 e nem mesmo a base de dados utilizada na simulação do Thermo-Calc®.
Tabela 7. Fração volumétrica das fases ferrita e austenita e teores de Mo, Cr, Ni e N do aço UNS S32304.
Temperatura de
Solubilização (°C) Fase Fração Volumétrica (%) % Mo % Cr % Ni %N
1000 Ferrita 45 0,38 25,03 3,35 0,050
Austenita 55 0,23 21,15 4,53 0,214
1030 Ferrita 47 0,37 24,86 3,56 0,050
Austenita 53 0,24 21,16 4,36 0,217
1050 Ferrita 49 0,37 24,69 3,77 0,050
Austenita 51 0,24 21,2 4,2 0,223
1080 Ferrita 51 0,36 24,52 3,84 0,050
Austenita 49 0,24 21,22 4,15 0,230
1100 Ferrita 53 0,35 24,37 3,98 0,050
Austenita 47 0,25 21,24 4,01 0,241
1150 Ferrita 58 0,34 24,09 4,27 0,050
Austenita 42 0,25 21,25 3,71 0,255
1200 Ferrita 63 0,33 23,84 4,56 0,050
Austenita 37 0,26 21,25 3,01 0,300
Fonte: Autor, adaptado de ZHANG, et. al., 2012
Figura 29 - Fração volumétrica das fases ferrita e austenita em função da temperatura de solubilização.
Fonte: Autor, adaptado de ZHANG, et. al., 2012.
Figura 30 - Diagrama de equilibro de fases realizado por simulação no ThermoCalc para o aço UNS S32304.
Fonte: Autor, adaptado de ZHANG, et. al., 2012.
35
500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
NPM (*)
Zhang et. al. (2009a) estudaram o efeito da temperatura de solubilização na faixa entre 1000 a 1200 °C por 30 minutos e resfriados em água sob a microestrutura e resistência à corrosão do aço lean dúplex UNS S32101 cuja composição química é apresentada pela Tabela 8.
Tabela 8 - Composição química (% massa) do aço UNS S32101.
Material Cr Ni Mo N C Mn Si P S Fe
UNS S32101 21,37 1,19 0,35 0,23 0,027 5,72 0,29 0,015 0,0049 Bal.
Fonte: Autor, adaptado de, ZHANG et. al., 2009.
Também foi verificado o aumento do teor de ferrita com o aumento da temperatura de solubilização de acordo com o relatado por Zhang et. al. (2012). No entanto, os valores foram inferiores aqueles obtidos na simulação do Thermo-Calc® apresentada pela Figura 31. Porém, a priori este fato justifica-se pelo fato do software basear seus cálculos em condições termodinâmicas de equilíbrio o que não torna representativo na prática quando se compara as frações das fases medidas por ferritoscópio ou metalografia quantitativa, como já mostrado em outros estudos (MAGNABOSCO; SPOMBERG, 2011a; MAGNABOSCO et al., 2011b;
BARBOSA; SANTOS; MAGNABOSCO, 2008).
Figura 31 - Diagrama de equilíbrio calculado pelo Thermo-Calc para o aço UNS S32101.
Fonte: Autor, adaptado de ZHANG, et. al., 2009.
0,00
800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600
Fração molar das fases
Face às dificuldades inerentes ao ensaio de análise por espectrometria de energia dispersiva de raios-X (EDS) para detecção do nitrogênio, em ambos os estudos supracitados foi definido um teor de saturação de nitrogênio na fase ferrita em 0,05% sendo o restante particionado na fase austenita de acordo com relatos da literatura (GARFIAS-MESIAS e SYKES, 1996). Dessa forma foi possível calcular os teores dos elementos de liga em cada fase, apresentados na Tabela 9.
Tabela 9 - Teores de Mo, Cr, Ni e N do aço UNS S2101 calculados por EDS.
Temperatura de Solubilização (°C) Fase % Cr % Ni % Mo % Mn % N % Si
1000 Ferrita 23,24 0,75 0,62 5,46 0,05 0,56
Austenita 20,77 1,3 0,43 6,2 0,4 0,54
1050 Ferrita 23,04 0,82 0,59 5,45 0,05 0,75
Austenita 20,95 1,3 0,47 6,12 0,42 0,55
1080 Ferrita 22,94 0,96 0,58 5,36 0,05 0,63
Austenita 20,77 1,4 0,49 6,34 0,44 0,54
1110 Ferrita 22,67 0,91 0,54 5,48 0,05 0,84
Austenita 20,94 1,22 0,44 6,04 0,49 0,66
1150 Ferrita 22,63 0,93 0,54 5,67 0,05 0,61
Austenita 20,96 1,19 0,47 6,19 0,54 0,55
1200 Ferrita 22,51 0,98 0,51 5,62 0,05 0,71
Austenita 20,87 1,13 0,49 6,17 0,59 0,53
Fonte: Autor, adaptado de, ZHANG et. al., 2009.
Por fim, o aumento da temperatura de solubilização provocou o aumento do PREN na ferrita, diferentemente da austenita em que foi verificada uma pequena diminuição deste valor (Figura 32).
Figura 32 - Influência da temperatura de solubilização sobre o PREN do aço UNS S32101.
Fonte: Autor, adaptado de ZHANG, et. al., 2009.
Tanto nos estudos de Zhang et. al. (2009a), de Zhang et. al. (2012), e de Alves e Magnabosco (2013) os resultados das frações volumétricas de ferrita e austenita e os teores de Cr, Mo, Ni e N convergiram para um mesmo resultado conforme apresentado pela Tabela 10.
Utilizando a mesma premissa adotada por Zhang et. al. (2009a), e Zhang et. al. (2012) na qual se assume solubilidade máxima de 0,05% N na ferrita, foi calculado para o trabalho de Alves e Magnabosco (2013) os valores apresentados na Tabela 10.
Tabela 10 - Comparação da fração volumétrica das fases ferrita e austenita e teores de Mo, Cr, Ni e N segundo a literatura.