UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
RAISA RODRIGUES
CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL E MECÂNICA DE CHAPAS FINAS DE TÂNTALO SOLDADAS VIA TIG
LORENA 2019
RAISA RODRIGUES
CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL E MECÂNICA DE CHAPAS FINAS DE TÂNTALO SOLDADAS VIA TIG
Monografia apresentada à Escola de Engenharia de Lorena – Universidade de São Paulo para conclusão de Graduação do curso de Engenharia de Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Carlos Angelo Nunes
Versão Original
LORENA 2019
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
Ficha catalográfica
Elaborada pela Biblioteca Especializada em Engenharia de Materiais USP/EEL
Dedico este trabalho aos meus pais Luiz e Eunice que todos os dias me deram forças para superar as dificuldades e persistir no meu sonho. Pois, assim como disse Isaac Newton: “Se vi mais longe foi por estar sobre os ombros de gigantes”.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus por essa oportunidade e pela minha saúde, por me dar forças e iluminar o meu caminho durante minha caminhada.
À minha família, meus pais Luiz e Eunice, meu irmão Ramon que possibilitaram minha chegada até aqui, através do incentivo, educação e amor. Eles são meus exemplos de determinação e coragem e é por eles que estou aqui hoje. Aos meus avós e tios que acreditaram em mim, me incentivaram, rezaram por mim e nãо mediram esforços para que eu chegasse até esta etapa da minha vida.
Ao meu orientador professor Carlos Angelo, por toda a paciência e dedicação ao me orientar nesse trabalho.
À professora Maria Ismenia, pelo convívio e pela amizade, posso dizer que а minha formação, inclusive pessoal, não teria sido а mesma sem você.
À empresa Pfaudler pela oportunidade, pelo convívio e ensinamentos que todos me proporcionaram. Agradeço também a todos que contribuíram de alguma forma para a realização deste trabalho, em especial, André Boigues, Emílio Gianella, Erick Cruz, Julian Martineli, Gustavo Martinez, Vandré Ugeda e Gabriel Zanin.
Aos técnicos do Departamento de Engenharia de Materiais, Dainese, Ailton, Sérgio, e Francisco de Paiva pelo auxílio e pela contribuição dada ao trabalho.
Ao doutorando Bruno Freitas e o mestrando Helder Atassis pelo auxílio para a realização deste trabalho, estando sempre dispostos a ajudar.
Ao grupo de soldagem por todo o aprendizado e convivência, especialmente ao doutorando Julio Cesar Lourenço pela amizade e disposição em ensinar sempre.
Aos meus amigos, minha segunda família em Lorena, Lainy Garves, Mariana de Freitas, Júlia Lima, João Paulo Salomão, à Júlia Fernandes que foi além de veterana, minha segunda mãe e sempre cuidou de mim e à Karine Macedo que esteve presente na reta final da graduação sempre me mostrando que eu era capaz de qualquer coisa. À Gabriela Leme que apesar da distância sempre se fez presente em minha vida.
Ao Centro Acadêmico de Engenharia de Materiais – CAEM e Enactus EEL – USP pelo crescimento que me proporcionaram e pelas pessoas que conheci e sempre levarei em meu coração.
À todos os docentes e funcionários da EEL-USP, pela atenção, conhecimentos compartilhados e ajuda.
“Eu não sou o que aconteceu comigo, eu sou o que escolhi me tornar” Carl Jung
RESUMO
RODRIGUES, R. Caracterização microestrutural e mecânica de chapas finas de Tântalo soldadas via TIG. 2019. 53 p. Monografia – Departamento de Engenharia de
Materiais, Universidade de São Paulo, Lorena, 2019.
Tântalo é um metal refratário e devido a sua excelente resistência à corrosão, que pode ser comparada com a do vidro é utilizado em praticamente todos os meios aquosos nas temperaturas normais de processamento, exceto HF. Entretanto a soldagem desse material deve ser em um ambiente controlado, com uma atmosfera inerte, pois se soldado ao ar o tântalo reage com o oxigênio, nitrogênio e hidrogênio em altas temperaturas. A absorção desses elementos intersticiais durante a reação pode causar uma diminuição da ductilidade da solda. Portanto, esse trabalho teve como objetivo realizar a soldagem TIG de chapas de tântalo, comprovando a qualidade dessa solda através de caracterização microestrutural e mecânica. Foi possível realizar a soldagem deste material, entretanto é necessário a realização de mais testes. Com o teste de tração foi possível observar que o material rompeu na ZAC e atribuiu-se esse comportamento a possível ocorrência de elementos endurecedores nesta área da solda. Pela análise da microestrutura observou-se o aumento do tamanho de grão da ZAC e ZF em relação ao MB decorrente do aporte térmico da soldagem. No ensaio de microdureza ocorreu um aumento da dureza na ZF, comportamento que foi atribuído a possível presença de oxigênio intersticial nessa área. Portanto foi possível aplicar com esse trabalho diversas técnicas aprendidas durante o curso e apesar de os resultados não serem satisfatórios foi possível retirar algumas conclusões interessantes e propõe-se a sua continuação com estudo de alguns aspectos que necessitam de uma análise mais aprofundada.
ABSTRACT
RODRIGUES, R. Microstructural and mechanical characterization of thin tantalum sheets TIG welded. 2019. 53 p. Monografia – Departamento de Engenharia de Materiais, Universidade de São Paulo, Lorena, 2019.
Tantalum is a refractory metal and due to its excellent corrosion resistance which can be compared with that of glass is used in virtually all aqueous media at normal processing temperatures except HF. However, the welding of this material should be in a controlled environment, with an inert atmosphere, because if welded to air, tantalum reacts with oxygen, nitrogen and hydrogen at high temperatures. Absorption of these interstitial elements during the reaction may cause a decrease in weld ductility. Therefore, this work aimed to perform TIG welding of tantalum sheets, proving the quality of this weld through microstructural and mechanical characterization. It was possible to weld this material, however it is necessary to perform more tests. With the tensile test it was possible to observe that the material broke in the HAZ and this behavior was attributed to the possible occurrence of hardening elements in this area of the weld. The microstructure analysis showed an increase in the grain size of HAZ and FZ in relation to BM due to the thermal input of the welding. In the microhardness test there was an increase in hardness in the ZF, behavior that was attributed to the possible presence of interstitial oxygen in this area. Therefore it was possible to apply with this work several techniques learned during the course and although the results were not satisfactory it was possible to draw some interesting conclusions and it is proposed to continue with some aspects that need further analysis.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Micrografia do aço vitrificado, mostrado as diferentes camadas de aço,
esmalte e vidro. Ampliação de 100X – ataque Nital. ... 1
Figura 2 - Esquema Glasteel® Pfaudler... 2
Figura 3 - Exemplo de reator Pfaudler. ... 3
Figura 4 - Reator vitrificado Pfaudler. ... 3
Figura 5 - Exemplos de reparos (a) luva externa para bocal, confeccionada em PTFE; (b) luva externa para bocais, confeccionada em tântalo; (c) luva interna-externa para bocais, confeccionada em tântalo e (d) plug confeccionado em tântalo. ... 4
Figura 6 - Esquema de uma luva interna-externa para bocais instalada. ... 5
Figura 7 - (a) Condensador de tubo de tântalo com tubo de aço revestido de vidro, (b) trocador de calor de ziconio de 15.000 ft² ... 5
Figura 8 - Diagrama de fases tântalo tungstênio ... 8
Figura 9 - Micrografias de Tântalo puro. ... 8
Figura 10 - Gráfico de comparação de resistência à corrosão. ... 9
Figura 11 - Esquema ilustrativo do processo de soldagem TIG. ... 10
Figura 12 - Esquema simplificado dos equipamentos necessários para processo TIG. ... 11
Figura 13 - Tochas utilizadas no processo de soldagem TIG (a) refrigerada a ar e (b) refrigerada a água. ... 13
Figura 14 - Lentes para soldagem TIG. ... 14
Figura 15 - Eletrodos de Tungstênio ... 15
Figura 16 - Esquema dos planos atômicos nos núcleos de contorno de grão (a) sem impureza e (b) com impureza. ... 18
Figura 17 - Diagrama de energia de sublimação vs. Tamanho atômico calculado de um modelo de solução ideal. Elementos acima e abaixo da linha tracejada, aumentam e reduzem a energia de fratura do tântalo respectivamente. ... 19
Figura 18 - ΔE= EGB(impureza)-EGB(limpo), a diferença de energia entre o contorno de grão com impureza e sem impureza, vs. número do grupo na tabela periódica. ... 20
Figura 19 - Redução da área em função da temperatura para Ta-O, mostrando o intervalo de endurecimento dinâmico. ... 21
Figura 20 - Redução em área em função da temperatura para as três taxas de
deformação com baixa concentração de oxigênio na liga Ta-O. ... 22
Figura 21 - (a) Característica de falha demonstrando alta ductilidade; (b) Falha mostrando início da fragilização; (c) Falha típica na faixa de fragilização; (d) Micrografia mostrando falha em alta temperatura retornando a região dúctil. ... 23
Figura 22 - Exemplo de glove box. ... 24
Figura 23 - Croqui com esquema completo para a soldagem. ... 25
Figura 24 - (a) Corte da chapa e tubos para a preparação da mesa para a soldagem, (b) Furação da chapa para passagem de gás inerte para a soldagem, (c) Detalhe da furação da chapa, (d) detalhe dos pés da mesa preparados. ... 26
Figura 25 - (a) Mesa para a soldagem montada. ... 26
Figura 26 – Croqui da cúpula de acrílico (a) Vista isométrica (b) Vista planificada. ... 27
Figura 27 – Desenho para corte da chapa de acrílico por jato d’água. ... 27
Figura 28 - Acrílico dobrado (a) Vista frontal e (b) Vista lateral. ... 28
Figura 29 – (a) Fixação e vedação dos acrílicos e (b) Detalhe dos rebites. ... 28
Figura 30 - Fixação das luvas, (a) Luva de neoprene e (b) Detalhe da fixação. ... 29
Figura 31 - (a) Desenho das tampas para furações e (b) Detalhe das tampas. ... 29
Figura 32 – Máquina de solda, (a) Inserção da tocha de soldagem, (b) Máquina e cilindro de Argônio utilizados e (c) Detalhe da máquina de solda. ... 30
Figura 33 – Instalação do Argônio (a) Conexão e ligação da mangueira e (b) Ligação da câmara ao cilindro de Argônio. ... 30
Figura 34 - Esquema do aparato de soldagem do Demar. ... 32
Figura 35 - Detalhe fluxo de argônio no aparato do Demar. ... 33
Figura 36 - Dimensões corpo de prova de tração. ... 34
Figura 37 - Corpo de prova durante o ensaio (a) inicio, (b) deformação e (c) ruptura. ... 34
Figura 38 - (a) Prensa isostática Struers utilizada para ebutimento da amostra e (b) Politriz Arotec utilizada para lixamento e polimento das amostras. ... 35
Figura 39 - Microdurômetro Micromet 2004 utilizado para ensaio de dureza. ... 36
Figura 40 - Soldagem sem atmosfera protetora. ... 37
Figura 41 - Resultado da primeira soldagem. ... 37
Figura 43 - Resultado da terceira soldagem, (a) frente (b) parte de trás. ... 38
Figura 44 - Chapa dobrada manualmente. ... 38
Figura 45 - Resultados do quarto teste. ... 39
Figura 46 - Testes de soldagem realizados na chapa de 1,5mm de espessura. ... 40
Figura 47 - Resultado da soldagem realizada no Demar da chapa de 0,8mm de espessura. ... 40
Figura 48 - Corpos de prova após o ensaio de tração (a) Ta0,8D-1, (b) Ta0,8D-2 e (c) Ta0,8D-3. ... 41
Figura 49 - Superfície de fratura das amostras (a) Ta0,8D-2 e (b) Ta0,8D-3 ... 42
Figura 50 – Superfície de fratura das amostras (a) Ta0,8D-2 e (b) Ta0,8D-3 ... 42
Figura 51 – Regiões de fratura (a) Frágil e (b) Dúctil da amostra Ta0,8D-2 do lado com a solda. ... 43
Figura 52 – Regiões de Fratura (a) Frágil e (b) Dúctil da amostra Ta0,8D-2 do lado sem a solda. ... 43
Figura 53 – Regiões de Fratura (a) Frágil e (b) Dúctil da amostra Ta0,8D-3 do lado com a solda. ... 43
Figura 54 – Regiões de Fratura (a) Frágil e (b) Dúctil da amostra Ta0,8D-3 do lado sem a solda. ... 44
Figura 55 – Superfície da chapa do corpo de prova Ta0,8D-2 (a) com solda e (b) sem solda. ... 44
Figura 56 – Superfície da chapa do corpo de prova Ta0,8D-3 (a) com solda e (b) sem solda. ... 44
Figura 57 - Micrografias das soldas (a) Ta0,8D-1, (b) Ta0,8D-2 e (c) Ta0,8D-3. .. 45
Figura 58 - Micrografias da solda da amostra Ta0,8D-1 (a) MB, (b) ZTA e (c) ZF. ... 46
Figura 59 - Micrografias da solda da amostra Ta0,8D-2 (a) MB, (b) ZTA e (c) ZF. ... 46
Figura 60 - Micrografias da soldada amostra Ta0,8D-3 (a) MB, (b) ZTA e (c) ZF.46 Figura 61 - Zona de ruptura das amostras (a) Ta0,8D-2 e Ta0,8D-3. ... 47
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Tabela propriedades do Ta puro. ... 7
Tabela 2 – Vantagens e Desvantagens da soldagem TIG. ... 10
Tabela 3 - Características dos gases utilizados no processo de soldagem TIG. ... 12
Tabela 4 - Eletrodos e copos para diferentes correntes de soldagem. ... 13
Tabela 5 - Código de cor e elementos de liga para eletrodos de Tungstênio. ... 14
Tabela 6 – Causas e defeitos em uma soldagem TIG. ... 16
Tabela 7 - Relação entre tamanho de grão e quantidade de impureza. ... 17
Tabela 8 - Composição da liga de Tântalo ... 31
Tabela 9 - Composição da liga de Tântalo ... 33
Tabela 10 - Nomenclatura das amostras. ... 35
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
A Ampere (unidade de medida)
AC Alternating Current
ASM American Society of Materials
ASME American Society of Mechanical Engineers
ASME BPVC.IX ASME Boiler and Pressure Vessel Code IX
ASTM American Society for Testing and Materials
BM Base Metal – Metal Base
ºC Graus Celsius (unidade de medida)
CA Corrente Alternada
Cr Cromo
Demar Departamento de Engenharia de Materiais
DC Direct Current
EB Electron Beam
FZ Fuzed Zone – Zona Fundida
ft2 Pé ao quadrado (unidade de medida)
g/cm3 Grama por centímetro cúbico (unidade de medida)
Glasteel® Aço Vitrificado - Marca registrada da empresa Pfaudler
Glove box Caixa com luvas
GPa GigaPascal (unidade de medida)
GTAW Gas Tungsten Arc Welding
HAZ Heat Affected Zone –Zona Afetada pelo Calor
HF Ácido Fluorídrico
HV Vickers Hardness
K Kelvin (unidade de medida)
kj/kgK Quilojoule por quilograma vezes Kelvin (unidade de medida)
mm Milímetro
MB Metal Base
MEV Microscópio Eletrônico de Varredura
MPa MegaPascal
Mo Molibdênio
Nb Nióbio
Os Ósmio
ppm Partes por milhão (unidade de medida)
PTFE Politetrafluoretileno, nome comercial Teflon® - Marca registrada da empresa DuPont
QW Qualification Welding
Re Rênio
R05252 Standard Specification for Tantalum and Tantalum Alloy Seamless and Welded Tubes
SCH Schedule
s-1 Segundo a menos 1 (unidade de medida)
Ta Tântalo
Tantaloy 63 Liga Ta-2.5W-0.15Nb
Ta2O5 Tantalum pentoxide – Óxido de tântalo
Ta-2,5W Liga Tântalo 2,5 % de Tungstênio
Ti Titânio
TIG Tungsten Inert Gas
V Vanádio
W Tungstênio
ZAC Zona Afetada pelo Calor
ZF Zona Fundida
Zr Zircônio
µm/mK Micrometro por metro vezes Kelvin (unidade de medida)
µm Micrometro
Å Angstron (unidade de medida)
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 1 2. OBJETIVO ... 2 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 2 3.1.Glasteel® Pfaudler ... 2 3.2.Reparos ... 4 3.3.Trocadores de calor ... 5 3.4.Metais Refratários ... 6 3.5.Tântalo ... 6 3.5.1.Propriedades do Tântalo ... 7 3.6.Soldagem ... 9 3.6.1.Soldagem TIG ... 9
3.6.2.Soldagem de materiais reativos ... 16
3.7.Efeitos das impurezas no Tântalo ... 17
3.7.1.Efeito na estrutura atômica ... 17
3.7.2. Ponto de vista termodinâmico ... 18
3.7.3. Redução da área em função da temperatura ... 20
3.7.4. Perda da ductilidade ... 21
3.7.5. Estudo das fraturas ... 22
3.8.Glove box ... 24
4. MATERIAIS E MÉTODOS ... 25
4.1.Construção da câmara para a soldagem na Pfaudler ... 25
4.2.Soldagem na Pfaudler ... 31
4.3.Aparato para a soldagem no Demar ... 32
4.4.Soldagem no Demar ... 33
4.5.Ensaios de tração ... 34
4.6.1.Preparação metalográfica ... 35
4.6.2.Aquisição de imagens via Microscópio Ótico ... 36
4.7.Dureza ... 36 5. RESULTADOS ... 37 5.1.Soldagem Pfaudler ... 37 5.2.Soldagem Demar ... 39 5.3.Testes de tração ... 40 5.4.Caracterização metalográfica ... 45 5.5.Microdureza ... 47 6. CONCLUSÃO ... 49
7. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 50
1 1. INTRODUÇÃO
O aço com revestimento vítreo teve seu início em 1884 quando Casper Pfaudler ao tentar acelerar o processo de fermentação da cerveja criou um revestimento de tanques de ferro com esmalte. Apesar de não servir ao intuito inicial, o subproduto do material que ele criou é utilizado em muitos processos hoje em dia em indústrias em que há necessidade de alta resistência à corrosão (GIANELLA, 2008).
A vitrificação é um processo de revestimento com vidro em equipamentos como vasos, reatores e tanques utilizados em processos da indústria química, farmacêutica, entre outras. O material alia a resistência mecânica dos aços de baixo teor de carbono com a alta resistência à corrosão do vidro (WORLDWIDE GLASTEEL, 1998).
Para que aconteça a aderência do vidro ao aço é aplicada uma camada de esmalte no aço e posteriormente o vidro, submetendo o equipamento a ciclos térmicos sequenciais para a cura do vidro. Ao final do processo a espessura final desejada da camada de vidro deve estar entre 1,0 e 2,0 mm. Na Figura 1 pode ser observada a micrografia do material composto de aço, esmalte e vidro (GIANELLA, 2008).
Figura 1 - Micrografia do aço vitrificado, mostrado as diferentes camadas de aço, esmalte e vidro. Ampliação de 100X – ataque Nital.
Fonte: Gianella, 2008.
Devido a eventuais choques dos produtos com o reator durante o uso, pode haver quebras e fissuras do vidro, levando à corrosão do aço ao haver contato da substância armazenada dentro do tanque ou reator com a parede de aço. Para evitar a corrosão nesse caso são utilizados reparos garantindo a vida dos equipamentos. Esses reparos podem ser confeccionados em PTFE (Politetrafluoretileno - Teflon®) ou tântalo, devido a sua resistência à corrosão similar à do vidro (WORLDWIDE GLASTEEL, 1998).
2 O tântalo é um metal que reage com o ar a altas temperaturas podendo fragilizar o produto final. Assim, a soldagem para a confecção de reparos em tântalo deve ser realizada em atmosfera inerte. Nesse trabalho buscou-se desenvolver um procedimento de soldagem de chapas de tântalo, para isso foi feita a construção de uma câmara para a soldagem, realização da soldagem e caracterização das soldas através de microscopia, ensaio de dureza e tração.
2. OBJETIVO
Caracterização de chapas de tântalo soldadas via TIG, utilizado como reparo em equipamentos vitrificados. Acompanhando desde a construção da câmara para a soldagem, a soldagem em si e realizando a caracterização da solda por microscopia ótica e eletrônica de varredura, medidas de dureza e ensaios de tração.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1. Glasteel® Pfaudler
Em 1884 Casper Pfaudler combinou o vidro ao aço e criou um composto fundido (Glasteel®), Figura 2, que se tornou o padrão para revestimento de vidro em equipamentos de processo com aplicações em diversas indústrias atualmente.
Figura 2 - Esquema Glasteel® Pfaudler
Fonte: Divulgação Pfaudler.
O vidro fundido ao aço é largamente utilizado, especialmente em processos químicos em que o ataque corrosivo pode ter efeitos drásticos no desempenho dos equipamentos (Figura 3 e 4) e consequentemente da produção. Além disso, não há
3 contaminação do produto mantendo cor e pureza. Pode ser utilizado com qualquer tipo de ácido, exceto HF, em todas as concentrações, até 120 ºC. Temperaturas até 230 ºC são possíveis em alguns casos (GLASTEEL PFAUDLER, s.d.).
Figura 3 - Exemplo de reator Pfaudler.
Fonte: Worldwide Glasteeel, 1998.
Os equipamentos revestidos de vidro possuem como benefícios: resistência à maioria das substâncias corrosivas mesmo em condições térmicas extremas. É essencialmente inerte, então não pode afetar negativamente a pureza ou sabor do produto. Resiste ao acúmulo viscoso ou pegajoso de produtos, o que significa uma melhor transferência de calor, a limpeza é rápida e há maior produtividade. Além disso, a fusão do vidro com o aço produz um composto de alta resistência mecânica e à corrosão (WORLDWIDE GLASTEEL, 1998).
Figura 4 - Reator vitrificado Pfaudler.
4 3.2. Reparos
Apesar de sua resistência, os equipamentos vitrificados podem apresentar danos em seu revestimento com o uso. Devendo ser reparado imediatamente para prevenir a corrosão do metal base e possível perda de todo o equipamento (REPAIR, 1996).
Entre os tipos de reparos, Figura 5, podemos citar: luva externa para bocal, confeccionada em PTFE, plug confeccionado em tântalo, luva interna-externa para bocais, confeccionada em tântalo e luva externa para bocais, confeccionada em tântalo (GPS, s.d.).
Figura 5 - Exemplos de reparos (a) luva externa para bocal, confeccionada em PTFE; (b) luva externa para bocais, confeccionada em tântalo; (c) luva interna-externa para bocais, confeccionada em tântalo e
(d) plug confeccionado em tântalo.
(a) (b)
(c) (d)
Fonte: GPS, s.d.
A utilização de cada tipo de reparo depende de qual avaria o equipamento sofreu. Os plugs tem função de reparar locais com pequenas avarias sobre a superfície vitrificada. As luvas interna-externa para bocais, confeccionadas em Ta (Tântalo), tem como função a cobertura de avarias em bocais vitrificados, de alimentação ou descarga, abrangendo o raio interno do swage. A luva externa para bocais confeccionada, tanto em PTFE ou Ta, tem como função a cobertura de avarias em bocais vitrificados, próximo ao raio do flange ou flange. (GPS, s.d.).
Na Figura 6 pode-se ver um esquema de uma luva instalada em bocal de vaso de pressão. Primeiramente é necessário garantir que o reparo irá cobrir uma área de ¾’’ além da área danificada. Feito isso é necessária prévia preparação e limpeza da área a ser reparada. Entre o espaço do reparo e da superfície do vidro é colocado um preenchimento, garantindo que o espaço entre a superfície do vidro e a luva está completamente
5 preenchida, evitando que ocorra alguma falha no reparo e por fim a luva é fixada por parafusos (INSTALATION, 1997).
Figura 6 - Esquema de uma luva interna-externa para bocais instalada.
Fonte: Installation, 1997.
É importante selecionar o tipo de materiais corretos para reparos. O Tântalo devido, à sua excelente resistência à corrosão, é normalmente utilizado para fazer reparos. Uma liga de 97,5 % tântalo, 2,5 % tungstênio é utilizada em reparos pela Pfaudler por possuir maior resistência mecânica que o tântalo puro (REPAIR, 1996).
3.3.Trocadores de calor
Trocadores de calor, Figura 7, são equipamentos usados para implementar a troca de calor entre dois fluidos ou mais, sujeitos a diferentes temperaturas. Classificados quanto ao modo de troca de calor, número de fluidos e tipos de construção, podem ser: de contato direto ou indireto, tubular ou tipo placa (REACTIVE, 1999).
Figura 7 - (a) Condensador de tubo de tântalo com tubo de aço revestido de vidro, (b) trocador de calor de ziconio de 15.000 ft²
(a) (b)
Fonte: Reactive, 1999.
Podem ser fabricados com materiais reativos como o tântalo e zircônio devido às suas resistências à corrosão. A indústria farmacêutica utiliza esses equipamentos
6 resistentes à corrosão há mais de cem anos. As vantagens em se ter um trocador de calor em material reativo seriam: possui maior resistência à corrosão em temperaturas superiores a 200 ºC; diminuição de vazamentos em juntas de tubos; comparado com outros materiais como vidro, grafite e polímero; suporta maiores valores de temperatura e pressão; obtêm-se um produto puro sem contaminação (REACTIVE, 1999).
3.4. Metais Refratários
Os materiais refratários são caracterizados pelo seu alto ponto de fusão e resistência mecânica em altas temperaturas e apresentam resistência à maioria dos ambientes mais hostis quimicamente. São exemplos destes metais o tântalo (Ta), nióbio (Nb), tungsténio (W), molibdénio (Mo), zircônio (Zr), titânio (Ti), cromo (Cr), ósmio (Os), vanádio (V), e rênio (Re) (ROLO, 2015; ROWE, 1997).
Os materiais refratários foram aplicados inicialmente apenas no fabrico de filamentos para lâmpadas e em componentes sujeitos a elevadas temperaturas. Mais recentemente, começaram a ser utilizados na produção de ligas metálicas que são utilizadas na indústria aeroespacial, nuclear e eletrônica (ROLO, 2015).
Metais refratários como o tântalo e o nióbio são aplicados em uma grande variedade de indústrias, como indústria química, nuclear, ou até mesmo indústria médica (BEXIGA et. al, 2017).
3.5.Tântalo
Tântalo é um metal refratário muito versátil devido a sua excelente resistência à corrosão, que pode ser comparada com a do vidro. (ROWE, 1997; MOSER, 1991). Não é mais utilizado devido ao seu alto custo, aproximadamente 10 vezes o custo do aço e 5 vezes o custo do titânio para produção de equipamentos (SOUZA e ROBIN, 2003).
Exibe uma excelente resistência à corrosão em praticamente todos os meios aquosos nas temperaturas normais de processamento, exceto HF (Ácido Fluorídrico) e soluções alcalinas. (SOUZA e ROBIN, 2003; MOSER, 1991). Sua excelente resistência à corrosão é devido à formação de um óxido passivo (Ta2O5) sobre a superfície
(BERMÚDEZ, 2005; MOSER, 1991).
A maioria das técnicas de produção podem ser utilizadas para o Ta, sendo normalmente feita por fusão por feixe de elétrons ou fusão a arco em vácuo. (PLANSEE, 2000; MOSER, 1991).Entretanto em altas temperaturas é muito reativo com oxigênio,
7 nitrogênio, hidrogênio e carbono, sendo necessário maior controle da temperatura. Também são utilizadas atmosferas inertes, ou vácuo, evitando a oxidação excessiva (ROWE, 1997; MOSER, 1991).
Todos os metais refratários possuem boa resistência à corrosão, mas o Ta tem se tornado o material de escolha na indústria química, onde é usado em uma variedade de componentes, incluindo trocadores de calor e vasos de pressão que operam em condições extremas de corrosão. A adição de tungstênio no tântalo, como em Ta-2,5%W estabeleceu um novo limite para corrosão e fragilização por hidrogênio em comparação com o Ta puro (BERMÚDEZ, 2005).
A liga de Ta-2,5%W, uma liga de solução sólida, fundida por feixe de elétrons, é utilizada em equipamentos para trocadores de calor, revestimento para torres, válvulas e tubos (ASM HANDBOOK, 2004).
3.5.1. Propriedades do Tântalo
O tântalo (Ta), descoberto em 1802 por Anders Gustaf Ekeberg, é um material com densidade de 16,6 g/cm3 e ponto de fusão de 2996 °C. Com estrutura cúbica de corpo centrado, assemelha-se ao nióbio, de tal forma que durante muitos anos pensaram que seriam o mesmo elemento. Na Tabela 1, são apresentadas algumas propriedades do tântalo puro (ROLO, 2015).
Tabela 1 - Propriedades do Ta puro.
Propriedades Valores
Número atômico 73
Peso atômico 180,95
Densidade 16,6 g/cm3
Temperatura de fusão 2996 ºC
Coeficiente de expansão 6,5 um/m K
Calor especifico 0,139kJ/kg K
Condutividade térmica a 20 º C 54,4 Coeficiente de Poisson a 25 ºC 0,35
Módulo de elasticidade 185 GPa
Temperatura de transição Ductil-frágil <25 K Fonte: ASM Handbook. ASM International, 2004.
a) Diagrama de fases
8 Figura 8 - Diagrama de fases tântalo tungstênio
Fonte: ASM International, 2006. <www.asminternational.org>
b) Microestrutura
O tântalo tem uma estrutura cúbica de corpo centrado e não apresenta transformação de fase no estado sólido à pressão ambiente (no equilíbrio) (HSIUNG e LASSILA, 2000). Na Figura 9 é apresentada a microestrutura do tântalo.
Figura 9 - Micrografias de Tântalo puro.
(a) (b) (c)
*(a) Estrutura de grão típica de forjado de Tântalo não ligado. Químicamente polido (solução A, Tabela 2), swabbed por ~ 120 s, e swab gravado (solução B, Tabela 2) para ~ 90 s, (b) Ta-2.5 p% W produto de barra forjada mostrando microestrutura parcialmente recristalizada. Quimicamente polido (solução A,
Tabela 2) para ~ 90 s e swab etched (solução B, Tabela 2) para ~ 30 s, (c) Ta-2.5 p% W produto de barra forjada mostrando uma microestrutura completamente recristalizada. Quimicamente polido
(solução A, Tabela 2) para ~ 90 s e swab etched (solução B, Tabela 2) para ~ 90 s Fonte: ASM Handbook. ASM International, 2004.
c) Resistência à corrosão
Na Figura 10 pode-se observar a resistência à corrosão do aço revestido com vidro (Glasteel) e do tântalo. Podendo também fazer uma comparação entre eles, sendo esses
9 dois materiais os que possuem maior resistência à corrosão em diversos meios e reações (REACTIVE, 1999).
Figura 10 - Gráfico de comparação de resistência à corrosão.
Fonte: Reactive, 1999.
3.6. Soldagem
A soldagem é um procedimento com o intuito de unir duas peças, garantindo a continuidade das propriedades físicas e químicas do material. Esse processo pode ser realizado com metal de adição (utilização de um eletrodo ou vareta), sem metal de adição (soldagem autógena), ou até mesmo sem presença de uma fase líquida. Pode ser utilizada com intuito de junção de peças de reparo, superfícies degastadas, ou até mesmo como revestimento de proteção (ÁQUILA, 2012).
3.6.1. Soldagem TIG
O processo de soldagem Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) ou Tungsten Inert Gas (TIG) como é mais conhecido, é um processo de soldagem que utiliza como fonte de calor um arco elétrico mantido entre um eletrodo não consumível de tungstênio e a peça a ser soldada (WAINER, BRANDI e MELLO, 2004). Durante este processo, a poça de soldagem, o eletrodo e parte do cordão são protegidos através do gás de proteção que é soprado pelo bocal da tocha, como mostrado na Figura 11 (BRACARENSE, 2000).
No processo TIG o eletrodo de tungstênio fica preso a uma tocha de soldagem, por onde também sai o gás que irá proteger a soldagem contra a contaminação da atmosfera. É criado um arco elétrico pela passagem da corrente pelo gás de proteção ionizado, começando o arco entre a ponta do eletrodo e a peça. Algumas variáveis devem
10 ser observadas nesse processo, como a tensão do arco, a corrente de soldagem, velocidade de avanço e o gás de proteção (BRACARENSE, 2000).
Figura 11 - Esquema ilustrativo do processo de soldagem TIG.
Fonte: Costa, 2015.
Nesse processo há um grande controle da energia transferida para a peça, devido ao controle independente da fonte de calor e da adição de metal de enchimento. Sendo esse método adequado para soldagem de materiais de pequena espessura. Além disso a proteção de gás permite a soldagem de materiais de difícil soldabilidade. Devido ao fato de o eletrodo não ser consumível permite a soldagem também sem metal de adição, que também é interessante na soldagem de materiais de pequena espessura (MARQUES, MODENESI E BRACARENSE, 2009). Na Tabela 2 pode-se ver as vantagens e desvantagens da soldagem TIG.
Tabela 2 – Vantagens e Desvantagens da soldagem TIG.
Vantagens Desvantagens
Baixa produção de escória e fumos, com ótima visibilidade da poça de fusão
Comprimento fixo do consumível (máx. 1000 mm, em vareta) Excelente controle da energia transferida
(arco suave e estável)
Baixo rendimento ≤ 0,5 Kg/h Indicada para chapas finas e peças de
difícil soldabilidade
Limitado a espessuras de 10 mm Ótimo acabamento (pouca necessidade de
limpeza)
Risco de inclusões de Tungstênio Boas competências do soldador
Grande sensibilidade às correntes de ar Custo dos gases de proteção
Baixa produtividade e alto custo Fonte: Correia, 2017 (Adaptado).
11 O equipamento básico utilizado na soldagem TIG consiste de uma fonte de energia elétrica, unidade de alta frequência, sistema de refrigeração, tocha de soldagem, fonte de gás protetor, dispositivo para a abertura do arco, cabos e mangueiras, como pode ser visto na Figura 12 (MARQUES, MODENESI E BRACARENSE, 2009; WAINER, BRANDI E MELLO, 2004).
Figura 12 - Esquema simplificado dos equipamentos necessários para processo TIG.
Fonte: Wainer, Brandi e Mello, 2004.
A fonte de corrente tem saída ajustável a cada operação podendo ser contínua, alternada ou pulsada. Pode ser um gerador, retificador ou transformador, com capacidade mínima entre 5 e 10A e máxima de 200 a 500A (MARQUES, MODENESI e BRACARENSE, 2009; WAINER, BRANDI E MELLO, 2004).
Uma unidade de alta frequência é essencial no caso de soldagem em corrente alternada, devendo possuir intensidade regulável, quando não for possível fazer essa regulagem na fonte de energia. Os sistemas de refrigeração podem ser a ar ou água, nesse último caso ela é geralmente reutilizada formando um circuito fechado (WAINER, BRANDI e MELLO, 2004).
Os reservatórios de gases armazenam os gases utilizados durante a soldagem, normalmente possuindo reguladores de pressão e vazão. Os tipos mais comuns de gases são o argônio e o hélio, podendo ser utilizados em aplicações especiais o hidrogênio e nitrogênio. O argônio é mais utilizado pois possui pureza de 99,95%, possibilita arco mais suave, penetração reduzida, ação de limpeza na soldagem de alumínio ou magnésio, baixo custo e alta disponibilidade, boa proteção com baixos fluxos, maior resistência a ventos
12 cruzados e melhor partida do arco. Uma maior proteção pode ser obtida no caso de soldagem de materiais reativos com a utilização de câmaras com atmosfera controlada na execução da solda, ou utilização de protetores prolongados, que são extensões dos bocais, na Tabela 3 são apresentadas as características dos gases de proteção (BRACARENSE, 2000).
Tabela 3 - Características dos gases utilizados no processo de soldagem TIG.
Argônio Hélio
Maior tensão de arco Elevada tensão de arco
Menor penetração Maior penetração
Adequado à soldagem de chapas finas Adequado à soldagem de grandes espessuras e materiais de condutibilidade térmica elevada
Soldagem manual devido ao pequeno gradiente de tensão na coluna do arco (6V/cm)
Soldagem automática
Maior ação de limpeza Menor ação de limpeza
Arco mais estável Arco menos estável
Fácil abertura do arco Dificuldade na abertura do arco
Utilizado em CC e CA Geralmente CCPD com eletrodo de tungsténio toriado
Custo reduzido Custo elevado
Vazão para proteção pequena Vazão para proteção 2 a 3 vezes maior do que do argônio
Maior resistência à corrente de ar lateral Menor resistência à corrente de ar lateral Fonte: Wainer, Brandi e Mello, 2004.
A tocha de soldagem, Figura 13, tem como função suportar o eletrodo de tungstênio e fornecer o gás de proteção. Elas podem ser refrigeradas pelo gás de proteção ou água. Nesse caso, é comum ter um circuito de refrigeração composto por um reservatório, motor elétrico, bomba e radiador (BRACARENSE, 2000).
O gás de proteção passa por bocais fixados na extremidade das tochas. O objetivo da utilização dos bocais é produzir um fluxo laminar do gás de proteção. Os bocais são feitos de materiais cerâmicos, metais, metais com revestimentos cerâmicos, quartzo ou outros materiais. Dentre estes, os bocais cerâmicos são os mais baratos e mais populares, apesar de serem quebradiços e necessitarem de troca constante. Bocais metálicos tem vida útil mais longa e são usados principalmente em processos automatizados, que operam com correntes acima de 250 A (MARQUES, MODENESI e BRACARENSE, 2009).
13 Figura 13 - Tochas utilizadas no processo de soldagem TIG (a) refrigerada a ar e (b) refrigerada a água.
(a) (b)
Fonte: Wainer, Brandi e Mello, 2004.
Os aspectos mais importantes nos bocais são suas dimensões e perfis. Os bocais devem ser largos o suficiente para prover cobertura da área de soldagem pelo gás e devem estar de acordo com o volume e a densidade necessária do gás no processo. Se a vazão do gás for excessiva para um determinado diâmetro, a eficiência da proteção é afetada devido à turbulência. Vazões mais altas, sem este efeito de turbulência, requerem maiores diâmetros de bocais, condições estas essenciais para altas correntes. Na Tabela 4, pode-se obpode-servar diversos diâmetros de eletrodos, correntes de trabalho e diâmetros dos bocais. (BRACARENSE, 2000).
Tabela 4 - Eletrodos e copos para diferentes correntes de soldagem.
Diâmetro do eletrodo
Diâmetro Interno
Copo
Corrente Direta (A) Corrente Alternada (A)
Polegadas mm polegadas Polaridade Direta Polaridade Reversa Onda Não Balanceada Onda Balanceada
0,010 0,25 ¼ Até 15 Até 15 Até 15
0,020 0,50 ¼ 5-20 5-15 10-20 0,040 1,00 3/8 15-80 10-60 20-30 1/16 1,60 3/8 70-150 10-20 50-100 30-80 3/32 2,40 ½ 150-250 15-30 100-160 60-130 1/8 3,20 ½ 250-400 25-40 150-210 100-180 5/32 4,00 ½ 400-500 40-55 200-275 160-240 3/16 4,80 5/8 500-750 55-80 250-350 190-300 ¼ 6,40 3/4 750-1100 80-125 325-450 325-450
Fonte: Bracarense, 2000 (Adaptado).
Outro recurso utilizado na melhoria do fluxo são as lentes de gases, Figura 14, que asseguram um fluxo laminar do gás de proteção, através de sua estrutura porosa que
14 é fixada ao redor do eletrodo. Desta forma, elas permitem ao operador trabalhar com a extremidade da tocha a uma maior distância da peça, auxiliando na visualização e facilitando o trabalho em locais de difícil acesso para a tocha, como cantos (BRACARENSE, 2000).
Figura 14 - Lentes para soldagem TIG.
(a) (b)
Fonte: (a) Marques, Modenesi e Bracarense, 2009 e (b)< https://www.tomtop.com/pt/p-e3099.html>
Eletrodos de vários tamanhos são fixados apropriadamente no mandril do bocal. Um bom contato entre o eletrodo e a parte interna do mandril é essencial para uma transmissão correta da corrente e refrigeração do eletrodo. No processo GTAW os eletrodos não são consumíveis e tem o papel de servir como um dos terminais do arco que irá gerar o calor para o processo. São classificados com base em sua composição química, como na Tabela 5. Os eletrodos de tungstênio puro (EWP) possuem, no mínimo, 99,5 % de W e tem uma capacidade de corrente inferior àquelas dos eletrodos de liga de tungstênio. Entretanto, são muito utilizados em soldagem com CA, pois mantém uma extremidade limpa e arredondada, que provê boa estabilidade ao arco neste processo (BRACARENSE, 2000).
Tabela 5 - Código de cor e elementos de liga para eletrodos de Tungstênio. Classificação
AWS
Cor Elemento de Liga
Óxido de liga Porcentagem peso nominal
de óxido
EWP Verde - - -
EWCe-2 Laranja Cério CeO2 2
EWLa-1 Preto Lantânio La2O3 1
EWTh-1 Amarelo Tório ThO2 1
EWTh-2 Vermelho Tório ThO2 2
EWZr-1 Marrom Zircônio ZrO2 0,25
EWG Cinza Não
especificado
- -
15 São identificados por cores como pode ser visto na Figura 15. A extremidade do eletrodo normalmente é preparada pelo arredondamento, esmerilhamento ou afiação química. Via de regra, uma ponta cônica é preparada, mesmo que a extremidade vá ser arredondada para um processo em CA (BRACARENSE, 2000). Os elementos de liga, Ce, La, Th e Zr, destes eletrodos tem a função desoxidante, ao contrário do senso comum que seria a função de melhorar as propriedades mecânicas (WAINER, BRANDI E MELLO, 2004).
Figura 15 - Eletrodos de Tungstênio
Fonte: <https://www.multsoldas.com.br/soldas/eletrodos/eletrodo-de-tungstenio-4mm-puro-cor-verde>
O eletrodo puro, com a ponta verde, é considerado o mais comum e mais barato, contendo 99,50% de tungstênio. Oferece uma excelente estabilidade no arco em soldagem TIG AC. Utilizado para soldagens de alumínio e magnésio, não deve ser utilizado em soldagens TIG DC (eletrodos com Tório ou Cério, oferecem melhor estabilidade de arco nesta situação). Os eletrodos com tório, ponta vermelha, contém no mínimo 97,30% de tungstênio e entre 1,7 e 2,2% de Tório. São os mais utilizados atualmente, preferidos por causa da excelente vida útil e facilidade de uso. O tório proporciona facilidade para iniciar o arco e soldagens com alta amperagens. É ideal para soldagem de aço carbono, aço inoxidável, níquel e titânio (HST, s.d.).
Os eletrodos de ponta cinza, com cério, possuem no mínimo 97,30% de tungstênio e entre 1,80 e 2,20% de Cério. Apresentam melhor performance em soldagem TIG DC em baixa amperagem. Este eletrodo tem uma abertura de arco excelente em baixa amperagem e é popular para quem solda tubos, pequenas peças, materiais finos e delicados, etc. Já os eletrodos com lantânio, ponta dourada e azul, contém no mínimo 97,8% de tungstênio e entre 1,30 e 1,70% de lantânio. Estes eletrodos tem uma excelente
16 abertura de arco, estabilidade e re-ignição do arco. Ele pode substituir eletrodos com tória, sendo usados em processos de soldagem tanto AC como DC, mas mostra suas vantagens em soldagem de aços inoxidáveis, usando fontes pulsadas. Este eletrodo é uma excelente escolha para evitar de ter estoque de diversos tipos de eletrodos. A cor da ponta, muda de acordo com o percentual de Lantânio no eletrodo. Por último, o eletrodo com zircônio, ponta marrom ou branca, possui no mínimo 99,1% de tungstênio e entre 0,15 e 0,40% de Zircônio. Este eletrodo produz um arco extremamente estável e resistente a tungsten
spitting. É perfeito para soldagens TIG AC, e mantém a ponta com muita resistência à
contaminação. Em nenhuma circunstância ele é recomendado para soldagens TIG DC. A cor da ponta muda conforme o percentual de zircônio no eletrodo. Recomendado para soldagem de ferro, aço carbono e aço inoxidáveis. (HST, s.d.)
A boa qualidade de uma soldagem TIG depende de vários fatores, como pode ser visto na Tabela 6.
Tabela 6 – Causas e defeitos em uma soldagem TIG.
Defeito Causa
Oxidações Gás insuficiente
Falta de proteção no reverso da soldagem Inclusões de tungstênio Eletrodo incorretamente afiado
Eletrodo muito pequeno
Defeito de funcionamento (contato da ponta com a peça de trabalho)
Porosidade Sujidade nas extremidades
Sujidade no material de soldagem Velocidade de avanço elevada Intensidade de corrente muito baixa
Trincas Material de soldagem inadequado
Fornecimento de calor elevado Materiais sujos
Fonte: Correia, 2017 (Adaptado).
3.6.2. Soldagem de materiais reativos
A soldagem de materiais reativos e refratários pode ser realizada através de diversos processos de soldagem, tais como, à laser, por feixe de elétrons (EB) e pelo processo TIG (Tungsten Inert Gas). Entretanto, devido à reatividade do tântalo, pode haver oxidação excessiva e sua soldagem apresenta alguns obstáculos, devendo ser feita em uma câmara de vácuo, mas nem sempre isso é possível. Maior parte da soldagem é
17 feita por TIG em glove box sob uma pressão positiva de argônio ou hélio. O gás inerte deve ser mantido até que o tântalo esfrie até abaixo de 100 °C (MOSER,1991).
Na soldagem de materiais refratários pode ocorrer crescimento de grão na zona fundida e na zona afetada pelo calor. A soldagem destes materiais, realizada pelo processo de TIG, permite uma boa relação entre a resistência do material base e da própria solda, no entanto apresenta o inconveniente de apresentar perdas de ductilidade e de tenacidade, que são causadas pela presença de compostos frágeis (ROLO, 2015).
Tântalo reage com o oxigênio, nitrogênio e hidrogênio a altas temperaturas. A absorção desses elementos intersticiais durante a reação pode causar uma diminuição da ductilidade da solda, podendo ser considerada um tipo de corrosão. Estudos foram realizados com o intuito de determinar a faixa de oxigênio aceita nesse caso, sem que haja danos à solda. Para isso, foram dopadas amostras de Tantaloy 63 com diferentes teores de oxigênio e testadas por ensaios mecânicos, principalmente dureza. Chegando à conclusão que a tolerância máxima de teor de oxigênio na solda de Ta está entre 400 e 50 ppm (DAVIS, 2006).
3.7. Efeitos das impurezas no Tântalo 3.7.1. Efeito na estrutura atômica
A coesão reduzida dos contornos de grão é um fator limitante da ductilidade, performance e confiabilidade de ligas metálicas. A fragilização intergranular nos metais é normalmente causada por concentração de impurezas da ordem de 10-3 – 10-4 % at.,
podendo causar decréscimo na plasticidade do material, degradando drasticamente as propriedades mecânicas. Como pode ser observado na Tabela 7, quantidades em ppm de impurezas podem ser suficientes para saturar os contornos de grão de um policristal típico, dependendo do seu tamanho de grão (KRASKO,1996).
Tabela 7 - Relação entre tamanho de grão e quantidade de impureza. Tamanho de grão (mm) Quantidade de impureza (ppm at.) 5 60 10 30 20 15 50 6 100 3 Fonte: Krasco, 1996.
18 Os contornos de grão estudados podem ser representados como uma sucessão de planos hexagonais (111). Para obter a estrutura de contorno de grão com menor energia, as distâncias interplanares variam, enquanto os espaços interatômicos e a estrutura entre os planos (111) não são alterados.
A menor distância entre átomos vizinhos na estrutura CCC (2,859 Å) é a distância entre dois átomos de Ta na direção (111) Ta1-Ta4. Como resultado da relaxação, essa distância se torna maior (2,951 Å), enquanto a menor distância passa a ser entre os dois átomos Ta2 através do contorno de grão (2,650 Å). No contorno de grão sem impureza há um vazio, sendo assim a distância entre os átomos de Ta3 é de 3,504 Å. Portanto, no contorno de grão sem impureza a interação mais forte é de Ta2-Ta2, seguida de Ta1-Ta1, e Ta1-Ta2 (KRASKO,1996).
Na Figura 16 observa-se que com o átomo de impureza no lugar do vazio, as distâncias interatômicas e as interações mudam significantemente. A menor distância passa a ser entre a impureza e Ta3, e as distâncias entre os átomos de Ta2 passam a ser maiores. A interação entre o átomo de impureza e átomo Ta3 passa a ser a mais importante, sendo responsável pela coesão intergranular. A interação entre os dois átomos de Ta3 e o átomo de impureza passa a ser a mais forte. Explicando assim como pequenas quantidades de impurezas no contorno de grão pode causar uma mudança nas propriedades mecânicas do material (KRASKO,1996).
Figura 16 - Esquema dos planos atômicos nos núcleos de contorno de grão (a) sem impureza e (b) com impureza.
Fonte: Krasco, 1996.
3.7.2. Ponto de vista termodinâmico
De um ponto de vista termodinâmico a fragilização por impurezas depende das diferenças entre as energias livres da segregação da impureza no contorno de grão inicial e das duas superfícies que surgem após a fratura. Quanto maior a diferença, maior a possibilidade de fragilização pela impureza.
19 Um método menos rigoroso, mas mais simples é a comparação entre a energia de sublimação entre os átomos hospedeiros e as impurezas comparados com um modelo de solução ideal para mais de 60 elementos. Segundo esse critério, no tântalo, somente nitrogênio, boro, e carbono são elementos que melhoram a coesão do material. Sendo o carbono o mais forte, como pode ser visto na Figura 17 (KRASKO,1996).
Figura 17 - Diagrama de energia de sublimação vs. Tamanho atômico calculado de um modelo de solução ideal. Elementos acima e abaixo da linha tracejada, aumentam e reduzem a energia de fratura do tântalo
respectivamente.
Fonte:Krasco, 1996.
Os efeitos das impurezas nos contornos de grão também podem ser analisados comparando as diferenças entre os contornos com e sem impurezas. Os valores correspondentes para as impurezas podem ser encontrados na Figura 18. Onde pode se observar que para valores de ΔE mais negativos, como para boro, carbono e nitrogênio tem-se elementos que aumentam a coesão. Enquanto para valores menos negativos, os elementos hidrogênio, oxigênio, fósforo e enxofre são fragilizadores. O hidrogênio é o pior fragilizador já que seu valor de ΔE é apenas um pouco negativo (KRASKO,1996).
20 Figura 18 - ΔE= EGB(impureza)-EGB(limpo), a diferença de energia entre o contorno de grão com
impureza e sem impureza, vs. número do grupo na tabela periódica.
Fonte:Krasco, 1996.
3.7.3. Redução da área em função da temperatura
A Figura 19 mostra a redução de área como função da temperatura para as concentrações de 0,33; 0,85 e 1,35 % at. de oxigênio em Ta deformado a uma taxa de 8,8x10-4s-1. Essas curvas demonstram que a essa taxa todas as concentrações são capazes de produzir fragilização em temperaturas entre 550 - 900 K, aumentando conforme há um aumento na concentração de oxigênio. À temperatura ambiente, há muito pouco efeito na ductilidade, mesmo nas maiores concentrações de oxigênio (REED-HILL e DIAZ, 1980). Sobreposto a essa figura há os efeitos das três taxas de tensão e a região da temperatura onde a superfície de ruptura aparece. Um platô do campo de tensão aparece na temperatura de 300 - 600K, serrilhado acontece de 450 - 600K, e um aumento da taxa de endurecimento começa a temperatura ambiente e aumenta com um pico em 600K. O hachurado cruzado indica a temperatura em que as amostras apresentaram superfície de ruptura (REED-HILL e DIAZ, 1980).
21 Figura 19 - Redução da área em função da temperatura para Ta-O, mostrando o intervalo de
endurecimento dinâmico.
Fonte: Reed-Hill e Diaz, 1980.
3.7.4. Perda da ductilidade
A Figura 20 mostra a perda da ductilidade do Ta como uma função da taxa de deformação para 0,33 % at. oxigênio. Apesar de os dados serem limitados, os efeitos da taxa de deformação podem ser vistos claramente. Diminuindo a taxa de 8,8x10-3s-1 para 8,8x10-4 s-1, a redução em área diminui de 95 para 55 %. O mesmo grau de fragilização é visto para o sistema Nb-O na mesma taxa de deformação, mas com duas vezes e meio a mais de oxigênio, indicando que o efeito do oxigênio é muito mais severo no Ta (REED-HILL e DIAZ, 1980).
22 Figura 20 - Redução em área em função da temperatura para as três taxas de deformação com baixa
concentração de oxigênio na liga Ta-O.
Fonte: Reed-Hill e Diaz, 1980.
O endurecimento é severo nesse sistema, alcançando 450 MPa para 1,30 % at. oxigênio. Começando na temperatura ambiente para todas as composições e alcançando o máximo de 600K (REED-HILL e DIAZ, 1980).
3.7.5. Estudo das fraturas
Na Figura 21 são apresentadas as regiões de fratura do tântalo. Em baixas temperaturas (300 - 450 K) são caracterizadas microcavidades típicas de falhas dúcteis, com 70% de redução em área. A amostra de Ta contendo 1,30% at. oxigênio testada a 300 K apresenta alta ductilidade observada a baixas temperaturas com todas as composições. Na faixa de 450 a 1000 K microcavidades se apresentam menos fundas e menos pronunciadas conforme a temperatura aumenta. Essa tendência continua até o ponto em que a falha é totalmente frágil, os contornos arredondados se tornam angulares e em grande parte intergranular. Na liga com 1,3% at. oxigênio essa transição é muito rápida, conforme a ductilidade cai abruptamente em uma faixa de 50 graus (REED-HILL e DIAZ, 1980).
23 Pode-se observar que fratura intergranular com um mínimo de ductilidade tem pouco componente transgranular. Isso pode ser observado nas amostras testadas em baixa temperatura no lado com baixa ductilidade, onde a fratura é internamente nucleada e nas amostras testadas a alta temperatura, onde há fratura da superfície e a falha é nucleada externamente. Em contraste com a morfologia da fratura observada no sistema Nb-O onde a fratura básica na região frágil é transgranular quase-clivagem, com um componente intergranular secundário. A natureza da fratura no sistema Ta-O sugere tanto uma segregação de oxigênio para os contornos de grão ou a precipitação de uma fase de óxido ao longo dos contornos durante a propagação da trinca, não sendo encontrados precipitados (REED-HILL e DIAZ, 1980).
O terceiro tipo de fratura observada, característica de alta temperatura, retorna à ductilidade (1000 - 1300K). Essas fraturas não apresentam microcavidades típicas de baixa temperatura. Ao invés disso, apresentam uma aparência fibrosa, com grandes aumentos apresenta contorno de grão deslizando e cisalhando. As superfícies ainda apresentam facetas de contornos de grão, mas essas aparentam ter deformado e deslizado umas sobre as outras em vez de se separar com facetas nítidas e limpas (REED-HILL e DIAZ, 1980).
Figura 21 - (a) Característica de falha demonstrando alta ductilidade; (b) Falha mostrando início da fragilização; (c) Falha típica na faixa de fragilização; (d) Micrografia mostrando falha em alta
temperatura retornando a região dúctil.
24 3.8. Glove box
De forma a evitar ou diminuir os efeitos causados pelas impurezas durante a soldagem, deve-se limpar os materiais a serem unidos, e ainda, proteger a soldagem durante a sua execução, utilizando câmaras de gás inerte ou atmosfera controlada. Uma limpeza cuidadosa para desengordurar a superfície da chapa logo antes da soldagem, bem como uma boa preparação da área a ser soldada são essenciais. São recomendadas juntas de flange ou sem corte. Com a utilização de câmaras há uma limitação das dimensões das peças que podem ser soldadas. No caso de equipamentos de processo de grandes dimensões é necessário desenvolver outros meios que sejam flexíveis e permitam fazer essa proteção durante a soldagem. (ROLO, 2015)
Um exemplo de câmara utilizada para a soldagem desses materiais é a glove box, Figura 22, uma câmara que permite que as mãos de um operador tenham acesso direto dentro da câmara sem comprometer a atmosfera dentro da mesma. Um par de mangas de um material flexível são seladas na câmara em torno de aberturas de acesso. Desse modo é possível um operador inserir a mão e o braço através da manga. (COX et. al, 1975).
Figura 22 - Exemplo de glove box.
Fonte: Terra Universal – Critical Environment Solutions
25 4. MATERIAIS E MÉTODOS
4.1.Construção da câmara para a soldagem na Pfaudler
Primeiramente foi elaborado um croqui para a construção de um aparato para que fosse possível realizar a soldagem em um ambiente inerte, como pode ser visto na Figura 23. Essa câmara consiste basicamente de uma mesa (1) e uma cúpula de acrílico (2) apoiada sobre ela, no croqui também pode ser observada a máquina de solda (3) acoplada a uma fonte de energia (4) e um cilindro de argônio (5), que será utilizado na tocha de soldagem (6). O segundo cilindro de argônio (7) tem a função de criar um ambiente inerte dentro da câmara, ligado às conexões da mesa (8) por mangueiras (9).
Figura 23 - Croqui com esquema completo para a soldagem.
Fonte: Autoria própria.
4.1.1. Confecção da mesa
Para a confecção da mesa foram utilizados uma chapa de aço de 9,5 x 710 x 1500mm para o tampo e tubo de aço SCH Ø 3” 10s para as pernas. Na Figura 24 podem ser vistos os materiais para a confecção da mesa, e na Figura 25 a mesa pronta.
26 Figura 24 - (a) Corte da chapa e tubos para a preparação da mesa para a soldagem, (b) Furação da chapa
para passagem de gás inerte para a soldagem, (c) Detalhe da furação da chapa, (d) Detalhe dos pés da mesa preparados.
(a) (b)
(c) (d)
Fonte: Acervo do autor.
Figura 25 - (a) Mesa para a soldagem montada.
Fonte: Acervo do autor.
4.1.2. Confecção da cúpula de acrílico
Sobre a mesa confeccionada será colocada uma cúpula de acrílico (Glove Box) para que a soldagem possa ser feita em um ambiente controlado. Na Figura 26, é apresentado o croqui da cúpula.
27 Figura 26 – Croqui da cúpula de acrílico (a) Vista isométrica (b) Vista planificada.
(a)
(b)
Fonte: Autoria própria.
Foi então elaborado um desenho para corte da chapa de acrílico, Figura 27, que foi enviada para corte por jato de água.
Figura 27 – Desenho para corte da chapa de acrílico por jato d’água.
28 A partir do croqui foram elaborados gabaritos que auxiliaram no dobramento do acrílico, e o dobramento do material foi realizado em uma dobradeira com o auxílio de sopradores de ar quente, obtendo o resultado apresentado na Figura 28.
Figura 28 - Acrílico dobrado (a) Vista frontal e (b) Vista lateral.
(a) (b)
Fonte: Acervo do autor.
Feito isso as partes foram unidas por pequenas chapas fixadas por rebites, garantindo estabilidade, Figura 29. Então utilizou-se uma cola de acrílico Interlasershop ultra forte S-330, ideal para colagem de chapas acrílicas “Cast” ou extrudadas. Seu constituinte principal é o monômero de metacrilato de metila, matéria-prima dos plásticos acrílicos. De alta transparência e cristalinidade, garante elevada resistência mecânica à junta colada assegurando perfeita estanqueidade e prolongada resistência às intempéries. É a única cola para acrílicos que permite obter juntas praticamente invisíveis e transparentes e cuja resistência se aproxima à do próprio acrílico. Apresenta excelente aderência em muitos outros materiais, comportando-se como uma ligação estrutural em termoplásticos.
Para garantir a vedação foi colocada em toda a base do acrílico uma fita colante de borracha onde serão colocados os grampos para fechamento da câmara, evitando que haja quebra do acrílico e evitando vazamentos.
Figura 29 – (a) Fixação e vedação dos acrílicos e (b) Detalhe dos rebites.
(a) (b)
29
O passo seguinte foi a fixação das luvas, Figura 30, para isso foram utilizadas pestanas na parte externa do acrílico e anéis na parte interna, sendo esses fixados ao acrílico com rebites. Posteriormente foi colocada a luva, fixando-as com abraçadeiras de nylon.
Figura 30 - Fixação das luvas, (a) Luva de neoprene e (b) Detalhe da fixação.
(a) (b)
Fonte: VWR Internacional <https://pt.vwr.com/store/product/8412354/dry-box-gloves-neoprene; (b) Acervo do autor.
Como há diversas furações para que posteriormente possam ser colocados acessórios, foram confeccionados tampas em PTFE para que o aparato ficasse completamente vedado, conforme Figura 31.
Figura 31 - (a) Desenho das tampas para furações e (b) Detalhe das tampas.
(a) (b)
Fonte: Acervo do autor.
A tocha da máquina de solda foi inserida no interior da câmara de acrílico por uma das furações laterais. Para isso foi necessário desmontá-la, passar pela furação e
30 montá-la novamente, Figura 32. A máquina de solda utilizado foi a MaterTIG MLS 3003 da marca Kemppi, DC com inversor e start de alta frequência, com tocha número WP9, copo número 7 sem espelho no difusor.
Figura 32 – Máquina de solda, (a) Inserção da tocha de soldagem, (b) Máquina e cilindro de Argônio utilizados e (c) Detalhe da máquina de solda.
(a) (b) (c)
Fonte: Acervo do autor.
Enquanto isso também foram instaladas mangueiras, através de conectores, na mesa, e ligado ao cilindro de argônio, como na Figura 33. Assim finalizou-se a montagem da câmara e deu-se início aos testes de soldagem.
Figura 33 – Instalação do Argônio (a) Conexão e ligação da mangueira e (b) Ligação da câmara ao cilindro de Argônio.
(a) (b)
31 4.2. Soldagem na Pfaudler
A liga utilizada para a soldagem é uma liga de Tântalo com 2,5% de tungstênio. Sua especificação é R05252 tantalum alloy 97,5% Ta e 2,5% W, vaccum arc melt (CATALOGO 7, 2014), em forma de chapas de 0,8 mm (0,03”) de espessura, segundo a norma ASTM B708 - 01 - Standard specification for Tantalum and tantalum alloy plate, sheet and strip em que a composição do material é especificada na Tabela 8 (ASTM, 2004).
Tabela 8 - Composição da liga de Tântalo
Elemento C O N H Fe Mo Nb Ni Si Ti W Ta
% 0,010 0,015 0,010 0,0015 0,010 0,020 0,50 0,010 0,005 0,010 2,0-3,5
restante Fonte: ASM Handbook. ASM International, 2004.
Primeiramente foram realizados testes em uma chapa para definição dos melhores parâmetros para a soldagem. No início foi testado 50A, mas após os testes constatou-se que o melhor valor era de 55A. A primeira soldagem foi realizada sem limpeza prévia e sem acompanhamento da umidade do ar da sala onde se realizou o teste, o que resultou em uma solda não satisfatória.
Realizou-se a limpeza da chapa com álcool etílico absoluto 99,5 GL. Em seguida a chapa foi colocada dentro da câmara e fechada, nesse momento foi usado um maçarico para aquecer toda a superfície da chapa com a intenção de retirar toda a umidade presente no material e na superfície da mesa. Feito isso foi dado início ao fluxo de argônio de 15 L/min por cinco minutos com a intenção de retirar todo o oxigênio e outros elementos que pudessem interferir na soldagem. Foi utilizado um medidor de teor de gases para se determinar o teor de oxigênio dentro da câmara. Nesse momento teve início a soldagem, podendo diminuir o fluxo de argônio para 12 L/min. Como a umidade também pode influenciar na solda, a umidade reativa do ar na sala foi monitorada e estava em torno de 35%.
A soldagem realizada foi do tipo autógena, sem material de adição, utilizando uma tocha WP9, refrigerada à água, copo número 7 sem espelho no difusor e eletrodo de tungstênio 2,5% tório. Como parâmetro utilizou-se 60A, e como foi realizada manualmente, a velocidade não foi controlada. A máquina foi programada para ir de 0 a 60A em 1 segundo, com 1,5 segundos de pré gás. Foi feita a soldagem e então foi deligada após 1 segundo de 60 a 0A com 1,5 segundos de pós gás. O Argônio utilizado foi o de
32 solda. As dimensões das chapas variaram entre os testes, mas possuíam aproximadamente 60x120mm.
4.3.Aparato para a soldagem no Demar
Como nos testes realizados na empresa Pfaudler não foi obtida uma reprodutibilidade dos resultados, foi decidido realizar uma soldagem com um aparato diferente no Departamento de Engenharia de Materiais. Para essa soldagem foi utilizado o aparato esquematizado na Figura 34. Nele tem-se três pequenas caixas (1) em forma de paralelepípedo, em que uma das faces possui perfurações por onde passa um fluxo de argônio. Cada caixa está ligada a uma mangueira (2), ligada a distribuidor e medidor de vazão (3) que por sua vez estão ligados ao cilindro de argônio (4). O argônio utilizado foi o argônio de solda.
Figura 34 - Esquema do aparato de soldagem do Demar.
Fonte: Autoria própria.
Sendo assim, além do fluxo de argônio da tocha de soldagem (6), proveniente do cilindro (7), há mais três fluxos para proteger a chapa de tântalo contra oxidação, um fluxo da caixa inferior para cima onde está apoiada a chapa, um fluxo da caixa da esquerda para a direita e um fluxo da caixa da direita para a esquerda, Figura 35.
33 Figura 35 - Detalhe fluxo de argônio no aparato do Demar.
Fonte: Autoria própria.
4.4. Soldagem no Demar
Foram realizadas soldagens com duas chapas de 30x120mm, sendo a primeira com espessura de 1,5mm e a segunda com espessura de 0,8mm. Por análise de fluorescência de raio X, semiquantitativa sem padrões, com determinação de elementos químicos de flúor a urânio em equipamento Axios MAX – PANalytical, obteve-se a seguinte composição da chapa de tântalo de 0,8mm, Tabela 9.
Tabela 9 - Composição da liga de Tântalo
Elemento P S Al Ca Na F Si Ta
% 0,01 0,01 0,02 0,03 0,03 0,43 0,72 98,75 Fonte: Autoria própria.
Sendo assim, foram realizados os testes com a chapa de espessura de 1,5 mm e de 0,8mm. Os parâmetros adotados para a chapa de espessura 1,5mm foram 90A com fluxo de argônio de 15 L/min e 95A com fluxo de argônio de 20 L/min. Com esses parâmetros não foi possível obter penetração suficiente, devido a isso optou-se por fazer outro cordão no outro lado da chapa.
Devido à possibilidade de formação de poros e de não obtenção de uma solda com boa penetração, optou-se por realizar outra soldagem, agora com a chapa de 0,8mm. Utilizou-se uma corrente de 60A, com um fluxo de argônio de 15 L/min. As chapas de 90x30mm foram dispostas e presas no aparato. É iniciado o fluxo de argônio e posteriormente inicia-se a soldagem, obtendo três amostras de aproximadamente 180x30mm.
34 4.5. Ensaios de tração
Todas amostras foram preparadas e ensaiadas seguindo a norma ASTM E8/E8M-16a, utilizando as medidas reduzidas, Figura 36.
Figura 36 - Dimensões corpo de prova de tração.
Fonte: Autoria própria.
Os corpos de prova foram cortados de modo a situar o cordão de solda no ponto médio de seu comprimento útil, sendo objetivo desse teste a determinação da resistência à tração das amostras soldadas por união de chapas.
Os ensaios de tração foram realizados em uma máquina universal de ensaios mecânicos EMIC modelo DL 10000 pertencente ao Laboratório de Ensaios Mecânicos da EEL/USP. Na Figura 37, pode-se ver uma amostra em diferentes estágios do ensaio. Após realização dos ensaios de tração as amostras foram cortadas e foi realizada a análise da fratura do corpo de prova via microscopia eletrônica de varredura no equipamento Hitachi TM3000, pertencente ao departamento de engenharia da EEL-USP e posteriormente foram caracterizadas metalograficamente.
Figura 37 - Corpo de prova durante o ensaio (a) inicio, (b) deformação e (c) ruptura.
(a) (b) (c)
35 4.6. Caracterização metalográfica
4.6.1. Preparação metalográfica
Foram preparadas metalograficamente as amostras da chapa de 0,8 mm soldadas no Demar, após serem submetidas aos ensaios de tração. Primeiramente cada amostra foi nomeada de acordo com a Tabela 10.
Tabela 10 - Nomenclatura das amostras. Nomenclatura Amostra Local da
soldagem Espessura da chapa Ta0,8D-1 1 Demar 0,8mm Ta0,8D-2 2 Demar 0,8mm Ta0,8D-3 3 Demar 0,8mm
Fonte: Autoria própria.
Posteriormente as amostras foram embutidas em resina fenólica em uma prensa isostática Struers, Figura 38 (a). Feito isso as amostras foram lixadas, em politriz Arotec modelo ARAPOL 2V, Figura 38 (b), com lixas de carboneto de silício com granulometria 1200 e 2000 mesh, seguido de um polimento com uma suspensão de OP-U e pano MD Chem, foram intercalados períodos com rotação de 600 rpm e períodos com a politriz parada, fazendo movimentos de “vai e vem” com a amostra.
Figura 38 - (a) Prensa isostática Struers utilizada para ebutimento da amostra e (b) Politriz Arotec utilizada para lixamento e polimento das amostras.
(a) (b)
