Um Material Especial de Aço Inoxidável - Aço Inoxidável Duplex

O aço inoxidável duplex combina as características do aço inoxidável austenítico e ferrítico. Em comparação com o aço inoxidável ferrítico, possui maior plasticidade e tenacidade, sem fragilidade à temperatura ambiente, resistência à corrosão intergranular e desempenho de soldagem significativamente melhorados. Ao mesmo tempo, mantém a fragilidade 475 e a alta condutividade térmica do aço inoxidável ferrítico, e possui características como superplasticidade. Em comparação com o aço inoxidável austenítico, possui maior resistência e resistência significativamente melhorada à corrosão intergranular e à corrosão sob tensão por cloretos. O aço inoxidável de fase dupla tem excelente resistência à corrosão por pites e também é um aço inoxidável que economiza níquel.

1. Desenvolvimento histórico

Desde seu nascimento nos Estados Unidos na década de 1940, o aço inoxidável duplex desenvolveu-se até sua terceira geração. Sua principal característica é que seu limite de escoamento pode atingir 400-550MPa, que é o dobro do aço inoxidável comum, economizando assim materiais e reduzindo os custos de fabricação de equipamentos. Em termos de resistência à corrosão, especialmente em ambientes de meios agressivos, como água do mar com alto teor de íons cloreto, a resistência à corrosão por pites, corrosão em frestas, corrosão sob tensão e fadiga por corrosão do aço inoxidável duplex é significativamente melhor do que a do aço inoxidável austenítico comum, e pode ser comparável ao aço inoxidável austenítico de alta liga.

2. Características de desempenho

Devido às características da estrutura de duas fases, ao controlar corretamente a composição química e o processo de tratamento térmico, o aço inoxidável duplex combina as vantagens do aço inoxidável ferrítico e austenítico. Combina a excelente tenacidade e soldabilidade do aço inoxidável austenítico com a alta resistência e resistência à corrosão sob tensão por cloretos do aço inoxidável ferrítico. São essas propriedades superiores que levaram ao rápido desenvolvimento do aço inoxidável duplex como um material estrutural soldável. Desde a década de 1980, tornou-se uma classe de aço em pé de igualdade com os aços inoxidáveis martensíticos, austeníticos e ferríticos. O aço inoxidável de fase dupla possui as seguintes características de desempenho:

(1) O aço inoxidável duplex contendo molibdênio exibe excelente resistência à corrosão sob tensão por cloretos sob baixa tensão. Geralmente, o aço inoxidável austenítico 18-8 é propenso a rachaduras por corrosão sob tensão em soluções neutras de cloretos acima de 60 °C. Trocadores de calor, evaporadores e outros equipamentos feitos com este tipo de aço inoxidável em meios industriais com traços de cloretos e sulfeto de hidrogênio tendem a sofrer rachaduras por corrosão sob tensão, enquanto o aço inoxidável duplex tem boa resistência.

(2) O aço inoxidável duplex contendo molibdênio possui boa resistência à corrosão por pites. Quando possui o mesmo valor equivalente de resistência à corrosão por pites (PRE=Cr%+3.3Mo%+16N%), o potencial crítico de corrosão por pites do aço inoxidável duplex é semelhante ao do aço inoxidável austenítico. A resistência à corrosão por pites e à corrosão em frestas do aço inoxidável duplex de alto cromo contendo 25% de Cr, especialmente nitrogênio, excede a do AISI 316L.

(3) Possui boa resistência à fadiga por corrosão e corrosão por desgaste. Adequado para a fabricação de equipamentos de energia, como bombas e válvulas, sob certas condições de meios corrosivos.

(4) Bom desempenho mecânico abrangente. Possui alta resistência e resistência à fadiga, com um limite de escoamento duas vezes maior que o do aço inoxidável austenítico 18-8. A taxa de alongamento do estado de solução sólida atinge 25%, e o valor de tenacidade AK (entalhe em V) está acima de 100J.

3. Estrutura e Tipo

O aço inoxidável de fase dupla possui as características tanto do aço inoxidável austenítico quanto do ferrítico devido à sua estrutura de fase dupla de austenita e ferrita, e o conteúdo das duas fases é basicamente o mesmo. O limite de escoamento pode atingir 400Mpa~550MPa, que é o dobro do aço inoxidável austenítico comum. Em comparação com o aço inoxidável ferrítico, o aço inoxidável duplex possui maior tenacidade, menor temperatura de transição frágil, resistência à corrosão intergranular e desempenho de soldagem significativamente melhorados; ao mesmo tempo, retém algumas características do aço inoxidável ferrítico, como fragilidade 475, alta condutividade térmica, baixo coeficiente de expansão linear, superplasticidade e magnetismo. Em comparação com o aço inoxidável austenítico, o aço inoxidável duplex possui maior resistência, especialmente resistência ao escoamento significativamente melhorada, e melhorias significativas em propriedades como resistência à corrosão por pites, resistência à corrosão sob tensão e resistência à fadiga por corrosão.

O aço inoxidável de fase dupla pode ser classificado em quatro tipos com base em sua composição química: tipo Cr18, tipo Cr23 (excluindo Mo), tipo Cr22 e tipo Cr25. Para o aço inoxidável duplex Cr25, ele pode ser dividido em tipo comum e aço inoxidável super duplex, entre os quais o tipo Cr22 e o tipo Cr25 são mais comumente usados. O aço inoxidável duplex utilizado na China é principalmente produzido na Suécia, com graus específicos incluindo 3RE60 (tipo Cr18), SAF2304 (tipo Cr23), SAF2205 (tipo Cr22) e SAF2507 (tipo Cr25).

4. Classificação

O primeiro tipo pertence ao tipo de baixa liga, representado pelo grau UNS S32304 (23Cr-4Ni-0.1N), que não contém molibdênio no aço e tem um valor PREN de 24-25. Pode substituir o AISI304 ou 316 em termos de resistência à corrosão sob tensão.

O segundo tipo pertence ao tipo de liga média, representado pelo grau UNS S31803 (22Cr-5Ni-3Mo-0.15N), com um valor PREN de 32-33. Sua resistência à corrosão está entre o AISI 316L e o aço inoxidável austenítico 6% Mo+N.

O terceiro tipo pertence ao tipo de alta liga, geralmente contendo 25% de Cr, bem como molibdênio e nitrogênio, e alguns também contendo cobre e tungstênio. O grau padrão é UNSS32550 (25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N), com um valor PREN de 38-39. A resistência à corrosão deste tipo de aço é superior à do aço inoxidável duplex com 22% de Cr.

O quarto tipo pertence ao tipo de aço inoxidável super duplex, contendo alto teor de molibdênio e nitrogênio. O grau padrão é UNS S32750 (25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N), e alguns também contêm tungstênio e cobre. O valor PREN é superior a 40, podendo ser utilizado em condições de meio severo e possui boa resistência à corrosão e desempenho mecânico abrangente, comparável ao aço inoxidável super austenítico.

5. Características de soldagem

O aço inoxidável de fase dupla tem bom desempenho de soldagem. Em comparação com o aço inoxidável ferrítico e o aço inoxidável austenítico, ele não possui a zona afetada pelo calor de soldagem do aço inoxidável ferrítico, o que reduz significativamente a plasticidade e a tenacidade devido ao severo crescimento de grãos, nem é sensível a trincas a quente de soldagem como o aço inoxidável austenítico.

Devido às suas vantagens únicas, o aço inoxidável duplex é amplamente utilizado em campos industriais como equipamentos petroquímicos, tratamento de água do mar e águas residuais, oleodutos e gasodutos, máquinas de papel, etc. Nos últimos anos, também tem sido estudado para uso em estruturas de suporte de carga de pontes e tem grandes perspectivas de desenvolvimento.

Os problemas de desempenho de soldagem que frequentemente surgem com o "aço duplex econômico" não são um problema. No entanto, soldar aço duplex padrão não é um problema, e independentemente do processo utilizado, existem materiais de soldagem adequados para essas aplicações. Do ponto de vista metalográfico, soldar 2101 (1.4162) não é um problema de forma alguma. Na verdade, é ainda mais fácil de soldar do que o aço duplex de grau padrão porque este material pode realmente ser soldado usando o processo de soldagem com acetileno. Para materiais de aço duplex padrão, este processo deve sempre ser evitado. O problema real enfrentado pela soldagem do 2101 é que a viscosidade da poça de fusão é diferente, então a molhabilidade é ligeiramente pior. Isso força os operadores a usar mais a soldagem a arco durante o processo de soldagem, que é precisamente onde reside o problema. Embora possa ser compensado selecionando superligas, muitas vezes queremos escolher materiais de soldagem correspondentes.

6. Material e grau

Muitos graus de aço inoxidável duplex foram adicionados ao novo padrão GB/T 20878-2007 "Grau de Aço Inoxidável e Aço Resistente ao Calor e Composição Química" na China. Por exemplo: 14Cr18Ni11Si4AlTi 022Cr19Ni5Mo3Si2N, 12Cr21Ni5Ti. Mais graus podem ser encontrados no padrão.

Além disso, o famoso aço duplex 2205 é equivalente ao 022Cr23Ni5Mo3N da China.

Finalmente, algumas páginas da web e até mesmo artigos referem-se erroneamente ao aço inoxidável duplex como aço inoxidável duplex. Bifásico refere-se à presença de dois tipos de estruturas metalográficas, em vez de "orientação" direcional.

Composição química

7. Requisitos para seleção de material de soldagem

O material de soldagem usado para aço inoxidável duplex é caracterizado por uma estrutura duplex dominada por austenita na costura de solda, com os principais elementos resistentes à corrosão (cromo, molibdênio, etc.) tendo um teor equivalente ao do material base, garantindo assim resistência à corrosão comparável ao material base. Para garantir o teor de austenita na solda, geralmente é necessário aumentar o teor de níquel e nitrogênio, ou seja, aumentar o equivalente de níquel em cerca de 2% a 4%. Nos materiais base de aço inoxidável duplex, geralmente há uma certa quantidade de nitrogênio, e também é desejável ter um certo teor de nitrogênio nos materiais de soldagem, mas não deve ser muito alto, caso contrário, ocorrerá porosidade. Isso faz com que o alto teor de níquel seja uma grande diferença entre o material de soldagem e o material base.

Escolha eletrodos de soldagem que correspondam à composição química do metal base de acordo com diferentes requisitos de resistência à corrosão e tenacidade da junta. Por exemplo, ao soldar aço inoxidável duplex Cr22, podem ser usados eletrodos de soldagem Cr22Ni9Mo3, como os eletrodos E2209. Ao usar eletrodos ácidos, a remoção de escória é excelente e a costura de solda é esteticamente agradável, mas a tenacidade ao impacto é baixa. Quando é necessária alta tenacidade ao impacto para o metal de solda e soldagem em todas as posições, devem ser usados eletrodos alcalinos. Ao soldar o fundo da raiz, geralmente são usados eletrodos alcalinos. Quando há requisitos especiais para a resistência à corrosão do metal de solda, também devem ser usados eletrodos alcalinos com composição de aço super duplex.

Para fio de soldagem sólido com proteção gasosa, ao garantir que o metal de solda tenha boa resistência à corrosão e propriedades mecânicas, também deve-se prestar atenção ao seu desempenho no processo de soldagem. Para fio tubular, quando é necessário que a formação da solda seja bonita, pode-se usar fio tubular de rutilo ou tipo cálcio titânio. Quando é necessária alta tenacidade ao impacto ou soldagem sob condições de alta restrição, deve-se usar fio tubular com alta alcalinidade.

Para soldagem por arco submerso, é aconselhável usar fios de soldagem com diâmetros menores para realizar soldagem em múltiplas camadas e múltiplas passagens sob especificações de soldagem pequenas e médias, a fim de prevenir a fragilização da zona afetada pelo calor da soldagem e do metal de solda, e usar fluxos alcalinos correspondentes.