CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL DA INTERFACE DA JUNTA SOLDADA DE AÇO API 5L X52 REVESTIDO COM INCONEL 625
A A de Araújo1,B B Freitas2,3
1Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Sukow da Fonseca – CEFET/RJ
Campus Maracanã, Av. Maracanã 229, Maracanã, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, aldeciraraujo@gmail.com.
2Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Sukow da Fonseca – CEFET/RJ
Campus Angra dos Reis.
3Universidade Federal dos Rio de Janeiro, UFRJ, COPPE, Departamento de
Engenharia Metalúrgica e de Materiais.
RESUMO
Este trabalho tem por objetivo caracterizar microestruturalmente a região da interface formada entre o aço microligado API 5LX52 revestido internamente com uma superliga de Niquel Inconel 625 através do processo de soldagem GTAW multipasse. A motivação deste estudo é devida à diferença microestrutural que pode fragilizar a região de interface. Este trabalho consiste em analisar metalograficamente e através de perfil de microdureza Vickers uma amostra contendo 50% de ambos os materiais. As microestruturas foram reveladas utilizando dois reagentes químicos: o Nital 2% para atacar o aço API X52 e uma solução oxálica (C2H2O4.2H2O) a 10% para reagir com o Inconel 625 e, posteriormente, registrados através de microscopia ótica e eletrônica. Os ataques químicos utilizados possibilitaram identificar na zona termicamente afetada, com microestrutura essencialmente baianítica, presença de ferrita poligonal, bainita granular e ferrita de Widmanstätten. O perfil de microdureza
medido, teve valores mínimos de 150 HV e valores máximos de 320 HV.
Palavra Chave: aços API 5L X52, microestrutura de junta soldada, revestimento
INTRODUÇÃO
Os aços com propriedades necessárias para a fabricação de dutos utilizados atualmente são os aços denominados ARBL (alta resistência e baixa liga). Esses materiais são utilizados em aplicações que requerem qualidade vinculada a um baixo custo. Sua fabricação, inicia com cuidados no aço líquido, que deve atender as faixas de composição química estipulada pela Norma API 5L [1] e atender os limites de resistência especificado de cada aço [2]. Essas tubulações são utilizadas na indústria de óleo e gás na exploração, perfuração, produção e transferência [3], assim merecem uma atenção especial. Dutos offshore, além da alta pressão externa a que são submetidos, estão sujeitas a variações de cargas internas que, vinculados a degradação do material, gerada por processos corrosivos, podem causar um colapso prematuro. Vinculado a degradação do material, processos de união de dutos são responsáveis por apresentar rupturas catastróficas. Jambo [4] ressaltou em seus estudos que meios agressivos, podem gerar trincas transversais aos cordões de soldas e assim fragilizar o aço. Esse tipo de defeito está normalmente associado as regiões da ZTA (zona termicamente afetada), entretanto, as trincas não se restringem a essa área.
Frente a esses fatos, estudar a qualidade das soldas em tubulações torna-se essencial. A fim de evitar a ação corrosiva da parede interna nos dutos, tubos bimetálicos surgem com uma alternativa viável, do ponto de vista econômico [5,6]. Um dos processos de fabricação destes dutos é através da soldagem de revestimentos (welding overlay) de placas cladeadas [5,6]. Assim, neste trabalho foi utilizado um revestimento de Inconel 625, uma superliga à base de níquel comumente utilizada como metal clad, como relatado por [7,8]. Isso porque, o Inconel 625, possui uma composição química favorável frente a ambientes agressivos, devido aos teores elevados de Cr e Ni. Conforme Telles [9] e Telles [10] além da elevada resistência a corrosão, revestimentos cladeados com superligas, a base de níquel, também possuem elevada resistência mecânicas para trabalhos a altas temperaturas. Contudo o elevado teor dos elementos de liga, têm apresentados problemas após o processo de soldagem, como citam El-Reedy et al. [11] e Silva et al. [12]. Além disso, as ligas
podem fragilizar a região de interface. Já estudos prévios quanto a soldabilidade dos aços API 5L X52, mostrou-se favorável quanto ao comportamento deste material, conforme os trabalhos de Gray e Pontemoli [14] e Dhua [15] que relacionaram através de gráficos o teor do carbono equivalente com o teor de carbono encontrado nos aços. Desta forma, este trabalho objetiva caracterizar microestruturalmente por meio de análises metalográficas e do perfil de microdureza a região de interface substrato/revestimento formada entre o aço microligado API 5LX52 (substrato) revestido internamente com uma superliga de Niquel Inconel 625 (revestimento) através do processo de soldagem GTAW multipasse.
MATERIAIS E METODOS
Materiais Utilizados
O material utilizado neste estudo foi um a amostra tubular de aço API 5L X52 de 150 mm de comprimento com 168 mm de diâmetro externo e espessura de 22,5 mm. O revestimento metálico utilizado foi o eletrodo de arame de Inconel 625 (AWS ER-NiCrMo-3) com 1,2 mm de diâmetro. O mesmo foi depositado em camadas através do processo de soldagem TIG orbital automatizado até atingir a espessura de 15 mm. As composições químicas nominais dos dois materiais estão apresentadas na Tab. 1 e são fornecidos pela norma API 5L e do Inconel 625 (AWS ER-NiCrMo-3) pelo catálogo da ESAB (material ESAB) e comparado na literatura [16].
Tabela 1. Composição química nominal (wt%) do aço API 5L X52 e do Inconel 625.
Material C Mn Si Cr Ni Mo S Cu Ti Al Fe API X52 0,24 1,4 0,45 0,3 0,3 0,15 0,009 0,5 - 0,032 -
Inconel 625 <0,1 3,0 <0,5 20,0 >67,0 -- -- -- <0,7 -- <3,0
Caracterização Microestrutural
A amostra metalográfica foi analisada em três regiões distintas: metal base, revestimento e interface. Foi utilizada uma amostra bimetálica utilizada para caracterização microestrutural foi uma chapa de 30 mm de largura, 12,5 mm de comprimento e 4 mm de espessura. Após ser devidamente lixada e polida, a amostra
foi atacada sob o uso de dois reagentes distintos. O revestimento, composto pela liga de níquel, foi atacado quimicamente por um processo eletrolítico com solução oxálica (C2H2O4.2H2O) a 10 % em água, aplicando uma tensão de 3 V durante 30 segundos.
Logo após o material foi inteiramente submerso em Nital (2 %) durante 30 segundos para o ataque das demais regiões da amostra. As microestruturas reveladas foram analisadas utilizando-se de microscopia óptica e eletrônica de varredura, com o uso de microscópico OLYMPUS BX60M e JEOL JSM 6460LV, respectivamente. EDS NORAN SYSTEM SIX 200 também foi utilizado para análise do perfil da composição química através da interface.
Perfil de microdureza Vickers
Foram realizados dois perfis de microdureza em sentido transversal à interface, incluindo substrato e recobrimento. As varreduras foram distanciadas em 4 mm, totalizando 19 medições em cada perfil. Os testes de microdureza Vickers foram realizados utilizando uma carga de 50g e um tempo de relaxação de 30 segundos em temperatura ambiente. Esse ensaio foi realizado no laboratório de propriedades mecânicas (PROPMEC) do PEMM, de acordo com as recomendações da norma ASTM E18 [17], utilizando-se o microdurômetro de marca Leitz Wetzlar.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Metal Base
A Figura 1 apresenta uma microestrutura composta por grãos refinados de ferrita poligonal (FP) e uma segunda fase com grãos perlíticos. O bandeamento presente é típico do processo de laminação, que produz uma microestrutura alinhada na direção longitudinal da chapa.
Figura 1: Microestrutura característica do metal base obtida por microscopia ótica com menor(a) e maior(b) aumento.
Zona Termicamente Afetada (ZTA)
A caracterização da zona termicamente afetada (ZTA) foi analisada por microscopia eletrônica de varredura (MEV). A Figura 2 revelou duas regiões distintas. A região 1, corresponde ao metal base, onde é possível identificar os bandeamentos de laminação já identificados na Figura 1. As estruturas bandeadas do metal de base vão deixando de ser visíveis a medida que nos aproximamos da segunda região. A região 2 não foram mais observadas as perlitas lamelares que compõem as estruturas bandeadas do metal de base devido à proximidade desta região com a interface que sofreu aquecimentos e resfriamentos sucessivos causados pelos ciclos térmicos dos oitos passes de solda. As variações térmicas geradas durante o processo de soldagem são responsáveis por alterações microestruturais e, vinculado a esse fato, modificações nas propriedades metalúrgicas e mecânicas podem ocorrer [18]. Assim, foi observado uma modificação na morfologia da perlita bandeada, que se apresentou como uma microestrutura equiaxial muito fina, composta por uma microestrutura essencialmente baianítica, com presença de ferrita poligonal (FP), bainita granular (BG) e ferrita de Widmanstätten (FW), como pode ser observado na Figura 3, também obtida por MEV.
Figura 2: Microestrutura do metal base e ZTA, obtidas por MEV, menor aumento.
Figura 3: Microestrutura típica da ZTA, obtida por MEV, maior aumento. Metal de Revestimento
O metal de revestimento apresentou uma microestrutura composta basicamente por uma fase austenítica, de morfologia dendrítica, com crescimento orientado paralelo à direção de maior extração de calor. As microestruturas reveladas são compostas por uma estrutura hipoeutética com dendritas de Níquel γ (Ni-CFC) e outra interdendrítica não lamelar, contendo carbonetos, conforme apresentado na Figura 4 e de acordo com estudos de Gould [13].
Figura 4: Micrografias obtidas do revestimento de Inconel 625, com menor (a) e maior (b) aumento.
Interface
A interface da solda dissimilar é formada por uma linha de fusão adjacente a um intervalo difuso constituído por uma composição química intermediária entre o metal de base (aço API 5L X52) e o metal de solda (liga de níquel), que será chamada neste trabalho de ZPD (zona parcialmente diluída). As figuras 5 (a,b,c) mostram a interface e seus entornos. A Figura 5a, apresenta a região da interface após o polimento. As Figuras 5 (b,c), identificam a interface após um duplo ataque, que revelam as microestruturas do metal base (MB) e do revestimento, conforme apresentado anteriormente nas figuras 3 e 4. A dimensão do revestimento é na ordem de dezenas de micrometros e a sua composição química varia através da interface, como pode ser observado com o auxílio de EDS em linha mostrado na figura 6 (a,b). Neste ensaio, o feixe de elétrons percorreu a amostra incidindo, inicialmente, no ponto 2, atravessou a interface e finalizou no ponto 1 (Figura 6a).
Figura 5: Microestrutura característica da região da interface Obtidas por MO com diferentes aumentos.
a b
b c
Figura 6: EDS em linha evidenciando a composição química ao longo da interface dissimilar entre o aço API 5L X52 e a liga de níquel Inconel 625. O EDS apresentado mostra as variações dos elementos de ligas ao longo da interface e confirmaram a presença dos principais elementos químicos presentes na composição química do metal de base, tais como o Fe, o C e o Mn. Através do perfil de composição química é possível observar que na zona de diluição parcial (ZPD), região delimitada por linhas tracejadas na Figura 6b, há uma redução do teor de ferro ao longo da sua extensão, que se mantém estabilizada na região do metal de revestimento. O teor de Níquel, assim como de Cr, Mo e Nb, presente no metal de revestimento, cresceu significativamente ao final da transição após ter ultrapassado a ZDP, mantendo-se constante até o final da análise realizada.
Próximo a região 1, é encontrada uma estrutura austenítica (cfc) rica em Fe, que se estabiliza à temperatura ambiente pela incorporação parcial de Ni oriundo do metal de adição. Aos mesmos resultados chegaram KUO et al. [19] e SILVA et al. [20]. Posteriormente, existem regiões de crescimento planar e de crescimento colunar do metal de revestimento.
Já a presença de Fe, C e Si na região diluída de liga de níquel, favorece a formação de fase Laves, rica em Fe, e NbC [21] que pode diminuir a tenacidade desta região, o que a torna, portanto, uma zona importante a ser analisada no que diz respeito à integridade do componente.
Perfil de Microdureza Vickers
revestimento obtidos neste trabalho são próximos aos obtidos por SONG et al. [22], a partir do mesmo material (aproximadamente entre 245 e 270 HV0.5). O substrato de
aço API 5L X52 apresentou microdurezas entre 150 e 260 HV0.5. Entretanto, na
interface os valores de microdureza Vickers atingiram valores de aproximadamente 320 HV0.5. Esses valores, superiores aos do revestimento de Inconel 625, indicam a
presença de regiões mais duras próximas à interface.
Figura 7: Perfil de microdureza Vickers
CONCLUSÃO
Através deste trabalho é possível concluir através da caracterização microestrutural que o metal base sofreu modificações nos entornos da interface devido aos ciclos térmicos gerado na soldagem TIG com eletrodo de arame de Inconel 625. Foi encontrada nessa região uma microestrutura composta essencialmente por bainita, com presença de ferrita poligonal, bainita granular e ferrita de Widmanstätten, com dureza entre 150 e 260 HV0.5. A região de interface apresentou uma composição
química composta por níquel, cromo e ferro e uma dureza de aproximadamente 320 HV0.5, seguido pelo metal de revestimento composta por um estrutura dentrítica de
Inconel 625 com valores de microdurezas entre 270 e 310 HV0.5.
REFERÊNCIAS
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MICROSTRUCTURAL CHARACTERIZATION OF AN API 5L X52 STEEL CLADDED WITH INCONEL 625 THE WELDED INTERFACE
ABSTRACT
This work aims to microstructurally characterize the interface region of a microalloyed API 5LX52 steel internally coated with an Inconel 625 Nickel superalloy through multipass GTAW welding process. Embrittlement can be caused by this microstructural difference and that’s what motivated this study. Samples containing 50% of both materials went trough metallographic analysis and were tested using Vickers microhardness profile. The microstructures were revealed using two chemical reagents: Nital 2% to attack the API X52 steel and a 10% oxalic solution (C2H2O4.2H2O) for the Inconel 625 and later recorded by optical and electronic microscopy. The chemical attacks allowed identifying the heat affected zone, which presented an essentially baianitic estructure, with some polygonal ferrite, granular bainite and Widmanstätten ferrite. The microhardness profile resulted in a minimun value of 150HV and a maximum value of 320 HV. Keyword: API steels, microstructure, Vickers microhardness.
