Ligações de aço inoxidável em pormenor: principais elementos, características essenciais e classificação do aço inoxidável

O aço inoxidável é geralmente ensinado como cinco caixas: austenítico, ferrítico, martensítico, duplex e endurecível por precipitação. As caixas são reais e não são a razão pela qual uma liga se comporta da maneira que se comporta. Uma liga fica onde está por causa de dois números que podem ser calculados a partir de sua composição, e sua resistência à corrosão pode ser classificada por um terceiro. Uma vez que esses três números estejam na página, as cinco caixas se tornam regiões em um mapa e não rótulos para memorizar.

O primeiro número é o teor de cromo, e é um limiar e não uma escala. O segundo par são os equivalentes de cromo e níquel, que decidem se a estrutura que se forma no resfriamento é ferrita, austenita ou uma mistura. O terceiro é o número equivalente de resistência à corrosão por pites, que converte cromo, molibdênio e nitrogênio em um único valor que pode ser comparado entre as ligas.

Esta página apresenta os três, mostra onde as ligas comuns se encaixam em cada um e explica o único mecanismo que remove a proteção que o primeiro número fornece: o cromo que forma o filme passivo pode ser removido pelo carbono nos contornos de grão.

O cromo é o que torna a liga inoxidável. Acima de aproximadamente 10,5% em solução sólida, o metal forma uma fina e contínua película de óxido de cromo em sua superfície, e essa película é o que separa um aço inoxidável de um aço de baixa liga que meramente contém cromo. Abaixo desse nível, a película não é contínua e a liga enferruja como um aço comum.

O limiar é uma declaração sobre o cromo em solução e não sobre o cromo na análise. Se o cromo estiver preso em um precipitado, ele não estará disponível para formar a película, e a liga se comportará como se contivesse menos. Essa distinção é todo o assunto da última seção, e explica por que uma liga que atende à sua certificação ainda pode corroer em uma solda.

O níquel faz algo diferente. Ele não cria a película e não é necessário para a resistência à corrosão em todas as famílias. Seu papel é estabilizar a austenita, razão pela qual as ligas austeníticas contêm de 6 a 22% de níquel nas faixas de composição comumente vendidas, e por que as ligas ferríticas contêm pouco ou nenhum.

Cromo e molibdênio favorecem a ferrita. Níquel, carbono e manganês favorecem a austenita. O diagrama de Schaeffler reduz uma composição completa a dois números que capturam essas tendências, e uma liga é colocada no diagrama calculando ambos.

O termo carbono explica um resultado que surpreende os compradores. Duas ligas com o mesmo teor de níquel podem cair em regiões diferentes se seus níveis de carbono diferirem, porque o carbono é trinta vezes mais eficaz que o níquel na estabilização da austenita nesta expressão. Essa é uma razão pela qual uma versão de baixo carbono de uma liga não é simplesmente uma versão mais limpa da mesma liga, e por que o sufixo L aparece em desenhos onde a soldagem está envolvida.

A linha austenítica carrega uma qualificação que os livros didáticos muitas vezes omitem. Uma liga austenítica recozida é não magnética, e uma trabalhada a frio não é totalmente. O trabalho a frio pode formar martensita em uma liga austenítica metaestável, de modo que uma peça profundamente estirada ou pesadamente laminada pode apresentar uma resposta magnética que a certificação recozida não prevê. Uma especificação que exige comportamento não magnético deve indicá-lo na condição acabada e não na condição recozida.

A corrosão por pites é o modo de falha que decide um material em serviço com cloretos, e depende de três elementos e não de um. O número equivalente de resistência à corrosão por pites os combina em um único valor, e a forma padrão é cromo mais 3,3 vezes molibdênio mais 16 vezes nitrogênio.

O número coloca as ligas comuns em uma escala que varia de cerca de 16 a acima de 70, e a escala é a razão pela qual um 316 é especificado para um local costeiro e um 304 não.

Dois limiares valem a pena lembrar porque aparecem em especificações de compra. Um PREN de pelo menos 32 é o valor comumente usado para resistir à corrosão por pites em água do mar, e um PREN de 40 ou superior é o valor comumente usado para serviço com sulfeto de hidrogênio e para serviço em água do mar onde o risco é maior. Esses são valores de triagem e não garantias, e o próximo parágrafo explica o porquê.

A limitação é declarada pela associação que publica o cálculo. PREN é útil para classificar ligas dentro de uma família e não pode prever se uma liga específica será adequada para uma aplicação específica. Um 2205 e um 904L com PREN semelhante não se comportam identicamente, porque um é duplex e o outro é austenítico, e a comparação só é significativa entre ligas da mesma estrutura. Temperatura, acabamento superficial, fluxo e a presença de depósitos movem a resposta, e nenhum deles aparece na fórmula.

O cromo forma a película apenas enquanto permanece em solução. O carbono a remove, e o faz nos contornos de grão. Quando um aço inoxidável austenítico é mantido em uma faixa de temperatura de aproximadamente 500 a 850 °C, o carbono na liga se combina com o cromo nos contornos para formar carbonetos de cromo, e o metal imediatamente ao lado de cada carboneto fica deficiente em cromo.

A zona deficiente é estreita e contínua ao longo do contorno, de modo que a liga agora tem um caminho através dela que não é mais inoxidável, enquanto o volume do grão ainda é. Um meio corrosivo ataca esse caminho, e o resultado é a corrosão intergranular, que se parece com uma junta que perdeu suas bordas e não uma superfície que enferrujou.

As duas respostas padrão funcionam por mecanismos diferentes. A liga L reduz o carbono disponível, de modo que menos carboneto pode se formar. Uma liga estabilizada adiciona titânio ou nióbio, que se combinam com o carbono mais prontamente do que o cromo, de modo que o cromo permanece em solução. Ambas estão corretas e não são intercambiáveis: uma liga estabilizada pode ser usada em uma temperatura mais alta do que uma liga L, e uma liga L geralmente é mais barata.

Uma liga deve ser escolhida pelo mecanismo que se espera que termine a peça. A tabela liga o mecanismo à família e ao número que o prevê.

A DLX fornece produtos de aço inoxidável e ligas de níquel de Changzhou, Jiangsu, em fio de 0,025 mm, barra redonda até 50 mm, tira de 0,50 mm a 2,5 mm de espessura, e tubo e chapa nos tamanhos padrão de laminação. A gama abrange as famílias austenítica, ferrítica, duplex e endurecível por precipitação, juntamente com as ligas de níquel usadas onde uma liga inoxidável atinge seu limite em cloreto ou em ácido redutor.

O material é fornecido de acordo com a norma indicada no pedido, com um certificado EN 10204 3.1 mediante solicitação e o número do lote rastreável aos resultados dos testes. A pergunta útil não é a qual família uma liga pertence, mas sim qual mecanismo se espera que termine a peça e qual número prevê esse mecanismo.

Porque é o nível em que a película de óxido de cromo se torna contínua o suficiente para proteger a superfície. Abaixo dela, a película é incompleta e a liga enferruja como um aço de baixa liga. O limiar se aplica ao cromo em solução, de modo que uma liga cujo cromo foi consumido por carbonetos pode se comportar como se estivesse abaixo da linha, mesmo quando a certificação diz o contrário.

Molibdênio. A liga 316 o adiciona, e o molibdênio tem um peso de 3,3 no número de resistência à corrosão por pites, o que move o valor de cerca de 19 para 304 para cerca de 27 para 316. Isso é suficiente para importar em serviço com cloretos e não o suficiente para atingir o limiar de água do mar de 32, razão pela qual uma aplicação costeira muitas vezes passa para 904L, para uma liga duplex ou para uma liga de níquel.

Na condição recozida é, e na condição trabalhada a frio pode não ser. O trabalho a frio pode formar martensita em uma liga austenítica metaestável, de modo que uma peça profundamente estirada ou pesadamente laminada pode apresentar uma resposta magnética que a certificação recozida não prevê. Uma especificação que exige comportamento não magnético deve indicar a condição em que é medida.

É a perda de cromo dos contornos de grão quando os carbonetos de cromo se formam na faixa de aproximadamente 500 a 850 °C. Uma solda e sua zona afetada pelo calor passam por essa faixa à medida que esfriam, de modo que o contorno se torna um caminho que não é mais inoxidável, enquanto os interiores dos grãos ainda são. O resultado é a corrosão intergranular, e as respostas padrão são uma liga de baixo carbono ou uma liga estabilizada.

É uma ferramenta de triagem e não um método de seleção. Ele classifica ligas dentro de uma família e não pode prever se uma liga específica será adequada para uma aplicação específica. Uma liga duplex e uma liga austenítica com valores semelhantes não se comportam identicamente, e temperatura, acabamento superficial, fluxo e depósitos movem a resposta sem aparecer na fórmula.

Baixo carbono. O limite de carbono cai para cerca de 0,03%, o que reduz a quantidade de carboneto de cromo que pode se formar nos contornos de grão durante a soldagem. É a resposta padrão para uma peça fabricada que não pode ser re-solubilizada após a soldagem, e custa menos do que uma liga estabilizada.

O aço inoxidável é cinco famílias posicionadas por dois equivalentes calculados, protegidas por um limiar e classificadas em serviço com cloretos por um número. Cromo acima de cerca de 10,5% em solução forma a película. Os equivalentes de cromo e níquel decidem se a estrutura é ferrita, austenita ou uma mistura. O número de resistência à corrosão por pites, cromo mais 3,3 vezes molibdênio mais 16 vezes nitrogênio, classifica as ligas dentro de uma família e define os limiares de triagem de 32 e 40.

A proteção pode ser removida sem alterar a certificação. O carbono retira cromo dos contornos de grão entre cerca de 500 e 850 °C, e uma solda é o local usual onde isso acontece. Uma liga de baixo carbono ou uma liga estabilizada a previne, e a escolha entre elas depende da temperatura de serviço e do custo.

Diagrama de Schaeffler e expressões equivalentes, conforme publicado em referências de metalurgia de soldagem: equivalente de cromo = Cr + Mo + 1,5 Si + 0,5 Nb, e equivalente de níquel = Ni + 30 C + 0,5 Mn.

British Stainless Steel Association, cálculo de números equivalentes de resistência à corrosão por pites. Fonte para a expressão PREN = Cr + 3,3 Mo + 16 N, as faixas publicadas para 304, 316, 316L, 904L, 2205 e 2507, e a declaração de que PREN é útil para classificação e comparação, mas não pode prever se uma liga será adequada para uma determinada aplicação.

Dados de comparação PREN publicados para aços inoxidáveis e ligas de níquel, fornecendo valores únicos de 19 para 304, 27 para 316, 35 para 904L, 36 para 2205, 43 para 2507 e para 254 SMO, 46 para AL-6XN, 51 para liga 625 e 68 para Hastelloy C-276.

Orientação técnica publicada sobre limiares de PREN, afirmando que um valor de pelo menos 32 é usado para proteger contra corrosão por pites em água do mar e que 40 ou superior é usado para sulfeto de hidrogênio e para serviço em água do mar mais severo.

Pesquisa publicada sobre a sensibilização de aço inoxidável austenítico, descrevendo a precipitação de carboneto de cromo nos contornos de grão e a zona deficiente em cromo resultante na faixa de temperatura de aproximadamente 500 a 850 °C.

Referências de metalurgia de soldagem publicadas descrevendo a sensibilização na zona afetada pelo calor e o uso de ligas de baixo carbono e estabilizadas para preveni-la.

EN 10088 e ASTM A240, como os padrões de produto que definem as ligas inoxidáveis nomeadas e as faixas de composição citadas.

EN 10204, documentos de inspeção, para a definição do certificado 3.1 como um documento que carrega resultados de teste reais e endossado pelo representante de inspeção independente do fabricante.

As faixas de composição e os valores calculados acima são figuras padrão para as ligas nomeadas, e não são limites de aceitação para um lote entregue. PREN é um índice de classificação e não uma taxa de corrosão, e duas ligas com o mesmo valor em famílias diferentes não se comportam identicamente. A sensibilização depende do teor de carbono, do tempo na faixa e da taxa de resfriamento, de modo que uma liga que é resistente em uma fabricação pode ser atacada em outra com a mesma análise. Os valores de propriedade para uma peça entregue dependem de sua condição e da direção do teste, e uma certificação descreve um lote e não um componente. As especificações do produto são revisadas, e a edição nomeada no pedido de compra rege. Nada nesta página substitui uma liberação de engenharia ou os testes de qualificação acordados entre comprador e fornecedor.