De 20 a 23 de Setembro de 1998
ESTUDO COMPARATIVO DAS PROPRIEDADES DE REVESTIMENTOS A BASE DE COBALTO (STELLITE) APLICADOS POR SOLDAGEM
E POR ASPERSÃO TÉRMICA
Carlos Roberto Camello Lima1 Flávio Camargo2
Paulo Villani Marques3
RESUMO
Uma das mais eficientes formas de se recuperar peças e componentes de equipamentos industriais tem sido, há longo tempo, a aplicação de revestimentos. Além disso, os revestimentos também vêm ganhando evidência, ano após ano, em aplicações contra desgaste, contra corrosão, entre outras. Os revestimentos podem ser efetuados por diversas técnicas e processos, sendo que, para aplicações de recuperação dimensional e proteção contra desgaste, a soldagem tem sido tradicionalmente utilizada, seja com eletrodos revestidos ou com proteção gasosa. A aspersão térmica, por outro lado, vem crescendo em termos de utilização nos anos recentes e conquistando espaço em aplicações tradicionais da soldagem. Neste trabalho é feito um estudo comparativo da aplicação de revestimentos a base de cobalto (Stellite) por soldagem e por aspersão térmica. São avaliadas as respectivas microestruturas, características de diluição, microdureza, bem como as características de resistência ao desgaste dos revestimentos obtidos por cada um dos processos citados.
Palavras chave: Revestimento, Aspersão Térmica, Soldagem, Cobalto, Stellite.
ABSTRACT
Since a long time an efficient way to recover industrial equipment parts and components has been the application of coatings. Other applications of this technique which are increasing in importance are wear and corrosion prevention, for example. The coatings can be applied by several methods and processes and covered electrodes and gas shielded arc welding have been commonly used for dimensional restoration and wear prevention. The use of thermal spraying processes is increasing in last years, in applications were usually welding is applied. This work presents comparative study on the application of cobalt base alloys (Stellite) coatings by tungsten arc welding and plasma spraying. The microstructure, dilution, microhardness and wear resistance resulting from each process are discussed.
Keywords: Coatings, Thermal Spraying, Welding, Cobalt, Stellite
1. Prof. Dr. do Centro de Tecnologia da UNIMEP - Universidade Metodista de Piracicaba 2. Diretor da OGRAMAC – Industria e Comercio Ltda.
Rua Domingos Menuzzo, 427 - Vila Rica II - 13.830-000 - Stº Antônio de Posse - SP Fone/FAX: (019) 896.1777, E-mail: ogramac@cps.sol.com.br
3. Prof. Dr. do Dep. de Engenharia Metalúrgica da UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais Rua Espírito Santo 35 - 2º andar - Centro - 30.160-030 - Belo Horizonte - MG
Fone: (031)238.1727, FAX: (031) 238.1815, E-mail: pvillani@demet.ufmg.br
1. INTRODUÇÃO:
A indústria de revestimentos, em especial revestimentos contra desgaste, vem se firmando substancialmente desde o início da década de 20 [1]. Em vista da enorme e crescente diversificação dos materiais disponíveis para aplicações de engenharia e dos materiais e ligas disponíveis como materiais de adição, a tarefa de selecionar o melhor tipo de material a aplicar sobre um determinado substrato, com uma finalidade específica, torna-se, ao mesmo tempo, árdua e empolgante.
Revestimento contra desgaste ou "hardfacing" é o processo no qual um revestimento ou "cladding" é aplicado a um substrato com a finalidade principal de reduzir o desgaste ou perda de material por abrasão, erosão, impacto, fricção e cavitação. Em geral, muitas aplicações envolvem uma combinação destes fatores. A escolha do material de adição ou do depósito a ser executado depende da natureza do processo de desgaste encontrado. Pode-se ter situações complexas, como a combinação de abrasão e corrosão a alta temperatura, no caso de processamento químico, por exemplo. Os requisitos para cada aplicação diferem bastante. Por exemplo, uma dureza superficial de 55 Rockwell C em um determinado componente pode ser alcançada com uma microestrutura de martensita, austenita endurecida ou carboneto de cromo, porém cada uma terá um desempenho diferente quanto ao desgaste. Enquanto a martensita seria melhor para desgaste metal-metal, carboneto de cromo promoveria melhor resistência à abrasão e a austenita endurecida melhor resistência ao desgaste por impacto [2].
Por outro lado, a diluição tem um importante efeito nos processos onde há fusão do substrato, pois, certamente, haverá alteração da microestrutura da camada superficial, dependendo do par específico revestimento-substrato. Em revestimentos com ligas a base de ferro, por exemplo, o conteúdo de carbono é mais importante na determinação da resistência à abrasão que a dureza simplesmente [3].
LIGAS DE COBALTO:
O uso de ligas de cobalto para aplicações de resistência ao desgaste foi iniciado no começo do século, com o desenvolvimento da família das ligas cobalto-cromo- tungstênio. As ligas de cobalto foram chamadas "Stellite" em virtude de sua aparência brilhante, sem manchas. Desenvolvimentos posteriores e caracterização da liga estabeleceram seu uso em situações de contato metal-metal não lubrificado, erosão por fluido a alta velocidade ou por choque de partículas sólidas [4].
Inicialmente as ligas de cobalto foram usadas como fundidos sólidos, mas depois passaram a ser aplicadas por soldagem, com o incremento das aplicações de revestimentos. O revestimento por soldagem convencional é executado pelos processos Oxi-combustível (OFW), Arco Elétrico com Proteção Gasosa (GMAW), Arco Tungstênio com Proteção Gasosa (GTAW), Arco Elétrico com Eletrodo Revestido (SMAW) e Arco Elétrico com Arame Tubular (FCAW). Mais recentemente, a aspersão térmica passou a ser usada para aplicação destes revestimentos. Os processos normalmente utilizados são o Plasma com Arco Transferido (PTA), o Arco-Arame (Arc-Spray) e o Oxi-combustível a Alta Velocidade (HVOF). Em certas aplicações contra desgaste, como por exemplo em turbinas, os processos de aspersão por Detonação (D-Gun) e Plasma com Arco Não Transferido são também utilizados [5, 6].
O uso do processo de aspersão por plasma com arco transferido (PTA) vem ganhando importância, principalmente na aplicação repetitiva e de alto volume de revestimentos contra desgaste. Tendo em vista que materiais estratégicos como cobalto e níquel são aplicados, é importante que o uso do material seja otimizado ao máximo. Devido à precisa medição nos alimentadores e à estabilidade do processo, pode-se garantir, em comparação do processo plasma com arco transferido com outros processos, que uma menor quantidade de material pode ser usada para alcançar as mesmas propriedades [7].
2. MATERIAIS E MÉTODOS:
Para o desenvolvimento do trabalho experimental, o material base selecionado como substrato foi um aço inoxidável AISI 304. Os corpos de prova foram fabricados nas dimensões de 16 mm de diâmetro x 16 mm de comprimento. Os materiais de adição foram um arame Stellite-6-Stoody (3,2 mm de diâmetro) para o revestimento por soldagem e um pó CO-106-2 – Praxair para a aspersão térmica. A composição química dos materiais é apresentada na Tabela I.
Todos os corpos de prova foram jateados com óxido de alumínio e desengraxados em solução de tricloroetileno imediatamente antes do início da operação de revestimento. A pressão de jateamento foi mantida constante (80 psi), garantindo o mesmo nível de rugosidade e limpeza dos corpos de prova. Os processos utilizados foram o TIG (Tungsten Inert Gas) ou GTAW para os revestimentos executados por soldagem, e o Plasma de Arco Transferido (PTA) para a aspersão térmica. O equipamento usado para a soldagem TIG foi uma fonte DYNATIG-130-HF Eutectic.
Para a aspersão térmica foi usado um equipamento EUTRONIC GAP System 375- Eutectic.
As variáveis operacionais utilizadas na execução dos revestimentos estão relacionadas na Tabela II.
As espessuras dos corpos de prova foram medidas em um projetor de perfil Mitutoyo dotado de micrômetro digital. Os aumentos utilizados foram de 10 vezes e 20 vezes para as amostras soldadas e aspergidas, respectivamente. Foram realizadas medidas de microdureza Vickers utilizando um equipamento Leitz RZD-00. A carga aplicada foi de 100 g. Para análise da microestrutura, diluição e composição química foram utilizados um microscópio eletrônico de varredura Jeol, dotado de microssonda eletrônica.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO:
Os resultados das medidas de espessura dos revestimentos são apresentados na Tabela III. As amostras soldadas tem a sigla "S", e as amostras aspergidas tem a sigla "P". Como pode ser observado na Tabela III, houve uma variação acentuada nas espessuras, provavelmente em função da usinagem executada após os revestimentos, com o intuito de aplainar a superfície revestida e facilitar a medição.
A Tabela IV. apresenta as microdurezas medidas para cada amostra. Os valores ali constantes representam a média de pelo menos 5 medidas. Como pode ser
cerca de 20% maior que as amostras aspergidas. Isto se deve, provavelmente, às menores espessuras, em média, dos revestimentos das amostras aspergidas a plasma. As variações de dureza entre amostras revestidas por um mesmo processo podem ser atribuídas a variações nos parâmetros operacionais e na diluição. A microdureza tende a diminuir com o aumento da diluição no processo PTA [7]. É importante ainda notar, pela análise das Tabelas III e IV, que os valores de dureza das amostras aspergidas aumentam com o aumento da espessura.
A composição química dos revestimentos, determinada em microssonda eletrônica, é apresentada nas Tabelas V e VI, respectivamente para os corpos de prova soldados e aspergidos. Os valores de diluição podem ser avaliados levando-se em conta o teor de ferro no revestimento obtido, considerando que os materiais de adição não contem originalmente este elemento. Assim, a diluição será dada por δ = (FeR/FeS), onde δ é a diluição, FeR e FeS são os teores de ferro no revestimento e no substrato, respectivamente. Os teores FeR foram calculados pela média dos valores encontrados para as regiões próximas ao substrato e regiões próximas à superfície, constantes nas Tab. V e VI. Pode-se verificar que a diluição pelo processo PTA (apesar de mais elevada do que o esperado para um processo com preciso controle dos parâmetros operacionais como taxa de alimentação do pó, fluxo de gás, corrente, tensão e velocidade de trabalho) é normalmente menor que a diluição pelo processo de soldagem GTAW, para as amostras com mais de 1mm de espessura.
Abaixo dessa espessura, a diluição fica comprometida em função dos parâmetros utilizados (energia). De acordo com os resultados apresentados, a diluição é maior em regiões próximas ao substrato e diminui na superfície. A amostra S-2, que apresentou um valor de diluição bem baixo (7,8%), é a amostra de maior espessura (2,34 mm), o que indica que a análise na microssonda foi realizada na região mais externa do revestimento.
A análise microestrutural por microscopia eletrônica de varredura (MEV) mostrou que tanto as amostras soldadas quanto as amostras aspergidas apresentaram basicamente uma estrutura bifásica, com aspecto dendrítico. Amostras revestidas pelo processo PTA parecem apresentar carbetos finos nos contornos de grão. As amostras soldadas apresentam uma maior quantidade de W na superfície em relação as amostras revestidas por plasma, como se vê nas Tabelas V e VI. Os teores de W, de modo geral, estão mais altos que o teor nominal desse elemento nos metais de adição, o que é bastante estranho. Isto ocorre mesmo se consideradas apenas as analises em áreas próximas ao substrato e à superfície, desprezando-se os precipitados ou fases específicas que poderiam apresentar um teor mais elevado de um dado elemento. Uma explicação para esta ocorrência pode ser uma variação na porcentagem nominal deste elemento nos metais de adição, os quais não foram analisados. A composição apresentada na Tab. 1 é dada pelo fabricante. No caso do processo GTAW, a explicação pode ser deterioração do eletrodo na tocha durante a soldagem. Uma análise química dos metais de adição será usada para esta avaliação. As figuras 1, 2 e 3 são representativas das microestruturas dos revestimentos executados.
Uma avaliação comparativa quanto à resistência ao desgaste será executada na seqüência deste trabalho, bem como serão realizados ensaios de cavitação induzida por ultra-som, conforme normas específicas ASTM.
4. CONCLUSÃO:
Os dados obtidos até o momento neste projeto, nas condições aqui desenvolvidas, permitem as seguintes conclusões preliminares:
• As amostras revestidas por aspersão térmica (PTA) com espessuras menor que 1 mm apresentaram um elevado valor de diluição.
• O processo de aspersão térmica por plasma de arco transferido (PTA) pode proporcionar um menor nível de diluição quando comparado ao processo de soldagem GTAW na deposição de revestimentos a base de cobalto, observada uma certa otimização do processo para a espessura desejada do revestimento.
• Os valores de microdureza dos revestimentos obtidos pelo processo de soldagem GTAW foram cerca de 30 % maiores, em média, que os revestimentos aspergidos pelo processo PTA, provavelmente em função das maiores espessuras dos revestimentos soldados.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
[1] MENON, R. New Developments in hardfacing alloys. Welding Journal, v.75, n2, Feb.1996, pp.43-49.
[2] KOTECKI, D.J. Hardfacing benefits maintenance and repair welding.
Welding Journal, v.71, n.11, Nov.1992, pp.51-53.
[3] KOTECKI, D.J., OGBORN, J.S. Abrasion resistance of iron-based hardfacing alloys. Welding Journal, v.74, n.8, Aug.1995, pp.269s-278s.
4] WU, J.B.C., REDMAN, J.E. Hardfacing with cobalt and nickel alloys.
Welding Journal, v.73, n.9, Sept.1994, pp.63-68.
[5] WANG,Y. Friction and wear performances of detonation-gun and plasma- sprayed ceramic and cermet hard coatings under dry friction. Wear, n.161, 1993, pp.69-78.
[6] KHAN, M.S.A., CLYNE, T.W. Microstructure and abrasion resistance of plasma sprayed cermet coatings. In: Thermal spray: practical solutions for engineering problems, Ohio: ASM International, 1996. pp.113-122p.
[7] RAGHU, D., WEBBER, R. PTA proves its worth in high-volume hardfacing jobs. Welding Journal, v.75, n.2, Feb.1996, pp.34-40.
Tabela I – Composição Química dos Materiais Usados Composição Química (% peso)
Material Cr Fe Co W S Ni C
CO 106 - 2 26 -- Bal. 5 -- -- 1
Stellite 6 28 -- Bal. 4 -- -- 1,1
Substrato 20,7 Bal. -- -- 0,03 7,8 0,08
Tabela II – Variáveis operacionais utilizadas nos revestimentos Variáveis Operacionais Usadas
Variável Soldagem TIG Aspersão a Plasma PTA
Temperatura de pré aquecimento (ºC) 100 100
Corrente (A) 90 20
Ângulo de trabalho (º) 70 90
Gás de Proteção/Plasma Ar Mix Ar-CO2
Gás de Transporte -- Ar
Vazão de gás de proteção/transporte 13 (l/min) 20/7 (unidades do equiptº)
Pressão do gás de plasma/transporte (psi) -- 60
Tabela III – Medidas de espessuras dos revestimentos Espessuras Medidas (mm)*
Revestidas por Soldagem Revestidas a Plasma Amostra Espessura Amostra Espessura
S1 1,608 P1 1,215
S2 2,345 P2 0,956
S3 1,567 P3 1,190
S4 1,654 P4 0,500
S5 1,227 P5 0,749
S6 1,435 P6 1,170
S7 1,320 P7 1,196
S8 0,893 P8 1,324
Média: x= 1,50
Desvio Padrão:.σ = 0,39 Média: x=1,04
Desvio Padrão: σ = 0,26
* - Em projetor de perfil, dotado de micrômetro digital - Aumentos usados: Amostras S - 10X, e P - 20X
Tabela IV – Medidas de microdureza dos revestimentos (HV 100g) Microdureza Vickers - Carga: 100g
Revestidas por Soldagem Revestidas a Plasma
Amostra Média* Amostra Média*
S1 560,41 P1 453,72
S2 546,61 P2 218,11
S3 465,59 P3 422,21
S4 493,32 P4 233,75
S5 376,62 P5 222.79
S6 532,02 P6 459.86
S7 363,25 P7 498,68
S8 374,29 P8 357.54
Média: x= 464,0
Desvio Padrão: σ = 77 Média: x= 358,3 Desvio Padrão: σ = 110
* - De pelo menos 5 medidas.
Tabela V – Composição Química das amostras soldadas Composição Química (% em peso)
Amostra Região Cr Fe Co W Ni Diluição(%)
S1 Superfície 30,81 11,26 49,81 8,12
Substrato 26,81 39,52 27,77 5,90
35,6
S2 Superfície 31,22 5,25 52,70 8,22 2,61
Substrato 30,93 5,95 51,96 9,19 1,97
7,8
S3 Superfície 27,18 21,01 41,45 6,84 3,52
Substrato 26,25 30,84 30,74 7,15 5,02
36,5
S4 Superfície 27,73 12,25 46,04 10,06 3,92
Substrato 29,46 25,46 33,69 7,25 4,14
26,4
S5 Superfície 25,90 36,28 25,95 5,29 6,58
Substrato 24,23 45,08 19,39 5,32 5,98
57,0
S6 Superfície 30,07 9,92 47,66 9,2 3,15
Substrato 29,52 11,12 49,75 6,94 2,67
14,7
Superfície 25,50 38,77 24,64 5,60 5,49
S7
Substrato 25,06 37,20 26,99 5,22 5,53
53,2
S8 Superfície 28,10 18,67 41,41 7,97 3,85
Substrato 21,72 52,07 16,29 3,07 6,85
49,5
Tabela VI – Composição Química das amostras aspergidas Composição Química (% em peso)
Amostra Região Cr Fe Co W Ni Diluição(%
)
P1 Superfície 26,75 11,77 52,23 6,94 2,30
Substrato 25,24 29,83 35,07 6,04 3,82
29,1
P2 Superfície 19,82 69,76 0,52 1,69 8,21
Substrato 19,75 70,29 0,96 9,00
98,1
P3 Superfície 27,52 15,84 47,99 6,98 1,67
Substrato 23,91 36,00 31,41 4,03 4,65
36,3
P4 Superfície 21,38 65,58 2,53 2,56 7,95
Substrato 21,08 68,55 0,93 2,10 7,34
93,9
P5 Superfície 19,32 70,41 0,01 2,03 8,23
Substrato 20,58 69,11 0,02 1,16 9,01
97,7
P6 Superfície 28,65 19,51 43,14 5,92 2,78
Substrato 28,14 22,56 41,51 4,94 2,85
29,5
P7 Superfície 27,66 12,16 52,00 6,61 1,27
Substrato 25,55 21,81 43,91 5,47 3,26
23,8
P8 Superfície 24,04 40,85 25,65 4,46 5,00
Substrato 22,70 44,66 23,13 3,52 5,99
59,9
Figura 1- Microestrutura da amostra P1 - MEV.
Figura 2 – Microestrutura da amostra P7 - MEV.
Figura 3 - Microestrutura da amostra S2 - MEV
