A soldagem em inox martensíticos exige cuidados especiais, para poder garantir não apenas a integridade, como também a confiabilidade das uniões metálicas.
Os aços inoxidáveis martensíticos
Possuem um teor mínimo de cromo de 11,5%Cr. Diferentemente dos graus austeníticos e ferríticos, são magnéticos e ademais podem endurecer-se com tratamentos térmicos. O que os torna únicos para algumas aplicações industriais, apresentando desempenho mecânico superior, muitas vezes em detrimento da sua resistência à corrosão.
Composição química
Os tipos mais comuns são: AISI 403, 410, 414, 416, 416 Se, 420, 431, 440A, 440B e 440C. A resistência à corrosão se proporciona principalmente pelo conteúdo de cromo, em proporções que variam de 11,5%Cr a 18%Cr. A soldagem em inox martensíticos das séries 440 é pouco frequente, pois não é fácil encontrar metais de adição com composições químicas equivalentes.
Varia conforme o grau do aço e a aplicação técnica, mas os principais elementos incluem:
- Cromo (Cr): 11,5–18% – Proporciona resistência à corrosão e ao mesmo tempo contribui para aumentar a dureza.
- Carbono (C): 0,1–1,2% – Essencial para a formação da martensita; aumenta a dureza e a resistência mecânica.
- Níquel (Ni): 0–2,5% – Pode adicionar-se não apenas para melhorar a tenacidade, como também a resistência à corrosão.
- Manganês (Mn): 0,5–1,5% – Melhora a temperabilidade e da mesma forma, a resistência mecânica.
- Silício (Si): 0,5–1,0% – Melhora a resistência à oxidação e atua como agente de desoxidação.
- Molibdênio (Mo): 0–1,5% – Aumenta a resistência à corrosão e ademais reforça a resistência mecânica em temperaturas elevadas.
- Enxofre (S) e Fósforo (P): <0,03% – Impurezas que devem ser minimizadas durante a soldagem em inox martensíticos, com a finalidade de manter a tenacidade das juntas metálicas.
Estrutura metalúrgica
A microestrutura destas ligas ferrosas se compõe principalmente de martensita, uma solução sólida de carbono em ferro, formada no resfriamento rápido da fase austenítica. Por outro lado, modificações podem efetuar-se acrescentando outros elementos químicos, como por exemplo níquel e molibdênio, com o intuito de aumentar as temperaturas de serviço. Além disso, com a incorporação desses elementos, também se aumenta o conteúdo de carbono. Sendo assim, é fundamental o controle de parâmetros na soldagem em inox martensíticos, com a finalidade de evitar a formação de fissuras nas uniões metálicas.
A soldagem em inox martensíticos pode efetuar-se em peças recozidas ou endurecidas por têmpera e revenimento. A energia do arco elétrico causará uma zona de maior dureza, localizada numa região adjacente ao cordão de solda. Apresentando valores de dureza proporcionais ao teor de carbono que está presente no metal de base. Além disso, à medida que a dureza aumenta, a tenacidade diminui, e por conseguinte, a região se torna mais susceptível à formação de fissuras.
Propriedades gerais
Os aços inoxidáveis martensíticos apresentam excelentes propriedades, que incluem:
Características mecânicas
- Alta resistência à tração.
- Excelente dureza superficial .
- Boa resistência ao desgaste e da mesma forma, à abrasão.
- Alta resistência à fadiga.
Resistência à corrosão
- Resistência moderada à corrosão, significativamente menor que os aços inoxidáveis austeníticos e ferríticos.
- Melhorada, principalmente com a adição de elementos como molibdênio e níquel.
- Suscetíveis à corrosão por pites e fendas, em ambientes ricos em cloretos.
Propriedades térmicas
- Podem tratar-se térmicamente com a finalidade de atingir diferentes níveis de resistência e tenacidade.
- Menos resistentes à oxidação em altas temperaturas, em comparação com os aços inox ferríticos e austeníticos.
- Tratamentos térmicos (recozimento, têmpera e revenimento) alteram significativamente suas propriedades.
Propriedades magnéticas
- Fortemente magnéticos, devido à sua estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado.
- Mantém o magnetismo, mesmo no estado de recozido.
Análise comparativa dos aços inox martensíticos
Vantagens
- Alta resistência e dureza, sendo ideais para ferramentas de corte e aplicações resistentes ao desgaste.
- Boa usinabilidade no estado de recozido.
- Podem ajustar suas propriedades conforme necessário.
- Resistência à corrosão moderada, suficiente para muitas aplicações industriais.
- Custo relativamente baixo, em comparação com algumas ligas de alto desempenho.
Desvantagens
- Menor resistência à corrosão em comparação com os aços inoxidáveis austeníticos e aços duplex.
- São frágeis no estado de temperado, exigindo revenimento adequado para evitar falhas durante o serviço.
- A soldagem em inox martensíticos apresenta dificuldades, devido principalmente à alta dureza e baixa tenacidade.
- São ligas magnéticas, o que pode ser indesejável em certas aplicações industriais.
- Não se empregam em ambientes com exposição elevada a cloretos ou ácidos.
Aplicações industriais mais comuns
Graças à sua elevada resistência, dureza e resistência moderada à corrosão, os aços inoxidáveis martensíticos se utilizam amplamente em diversas indústrias:
Talheres e Utensílios de Cozinha
- Graus com alto teor de carbono (440C) se usam em facas e instrumentos cirúrgicos.
- Graus com teor moderado de carbono (420) são comuns em talheres e tesouras.
Componentes Aeroespaciais e Automotivos
- Utilizados em peças de motores a jato, eixos e fixadores devido a sua resistência mecânica e ao calor.
- Sistemas de escapamento automotivos, componentes de turbocompressores e válvulas.
Instrumentos Médicos e Cirúrgicos
- Bisturis, pinças e implantes ortopédicos.
Máquinas Industriais e Ferramentas
- Rolamentos, eixos de bombas e lâminas de turbinas.
- Engrenagens de alto desempenho e moldes para injeção plástica.
Indústria de Petróleo e Gás
- Componentes de perfuração, bombas e válvulas .
Armas e Equipamentos de Defesa
- Canos de armas e outras peças que exigem dureza e durabilidade.
Tratamentos térmicos na soldagem em inox martensíticos
Os aços inoxidáveis martensíticos são tratáveis termicamente, o que permite ajustar suas propriedades mecânicas, tais como a dureza e resistência à tração. No entanto, essa circunstância pode levar à formação de microestruturas indesejáveis nas juntas soldadas, como por exemplo a formação de martensita dura, bainita ou até mesmo trincas.
O preaquecimento e o controle de temperaturas entre passes, são os métodos mais eficazes para evitar a fissuração nas juntas soldadas. O tratamento pós-soldagem também se torna necessário, quando se desejam obter propriedades ideais nos componentes soldados.
A faixa de temperaturas usualmente utilizada para preaquecer os aços inoxidáveis martensíticos, fica na faixa de 150 ºC a 300 ºC. O conteúdo de carbono é o fator mais importante para determinar a necessidade de aplicar tratamentos térmicos, antes ou depois da soldagem. Considerando apenas a porcentagem de carbono, um aço com menos de 0,10% raramente necessitará de preaquecimento. Com um valor superior, deverá ser preaquecido para prevenir a fissuração.
Outros fatores que determinam a necessidade de tratamentos térmicos são a massa das peças, o grau de restrição das juntas, a presença de defeitos tipo entalhe e a composição química do metal de adição.
Práticas comuns de tratamentos térmicos:
- Aços martensíticos com teor de carbono abaixo de 0,10% C: Em geral, não é necessário aplicar tratamentos de preaquecimento ou de pós-aquecimento.
- Aços martensíticos com 0,10% C a 0,20% C: Será necessário preaquecer o aço na faixa de 200ºC a 250ºC, seguido de um resfriamento lento.
- Aços martensíticos com teor de carbono entre 0,20% C e 0,50% C: É necessário preaquecer o aço na faixa de 200ºC a 250ºC, seguido de um recozimento após a soldagem.
- Aços martensíticos com conteúdo de carbono acima de 0,50% C: Preaquecer na faixa de 200ºC a 300ºC e soldar com alta entrada de calor. Logo depois, aplicar alívio de tensões ou um recozimento.
Controle da temperatura de inter passe
Deve monitorar-se com o fim de evitar o sobreaquecimento do material, que pode comprometer suas propriedades mecânicas. Frequentemente se mantem abaixo de 300°C. Temperaturas mais elevadas podem levar à formação de microestruturas indesejáveis e por conseguinte, agravar o risco de formação de trincas. Por outro lado, manter a temperatura em forma adequada, ajuda a alcançar uma distribuição uniforme do calor. Evitando sobreaquecimentos localizados, que podem levar ao crescimento excessivo dos grãos nas juntas soldadas.
Fragilização na soldagem em inox martensíticos
Procedimentos de soldagem inadequados, podem alterar as propriedades das juntas, devido a fatores relacionados ao aporte térmico, gradientes térmicos e taxas de resfriamento:
- Sobreaquecimento próximo às áreas soldadas: Durante a soldagem em inox martensíticos, regiões próximas à linha de fusão são submetidas à altas temperaturas, o que pode levar à transformação da martensita em austenita. Essa modificação pode produzir uma microestrutura metalúrgica grosseira e heterogênea, com a presença de carbonetos e outras fases frágeis, comprometendo a resistência e a ductilidade das juntas.
- Trincas à frio: Os aços inoxidáveis martensíticos também são propensos à formação de trincas à frio, que geralmente ocorrem após as peças terem esfriado à temperatura ambiente. As trincas se produzem pela combinação de vários fatores, como a presença de hidrogênio, tensões residuais e uma microestrutura martensítica dura e frágil. O hidrogênio, proveniente de fontes como a umidade do eletrodo ou da atmosfera de soldagem, pode difundir-se em estado sólido para as regiões soldadas. E como resultado, acumular-se em locais onde exista alta concentração de tensões, levando dessa maneira, à formação de trincas.
Consumíveis de soldagem
O material de enchimento selecionado deve ser compatível com o material base e ao mesmo tempo, capaz de suportar os estresses mecânicos e térmicos impostos durante a aplicação das soldas.
Consumíveis Martensíticos
São os produtos mais utilizados na soldagem em inox martensíticos. Contém altos níveis de cromo (12-14%) e um teor moderado de carbono (0,08%C -0,15%C). Esses materiais de enchimento produzem depósitos com propriedades semelhantes ao metal de base e ademais oferecem boa resistência ao desgaste. No entanto, devido ao seu alto teor de carbono, podem produzir soldas propensas à formação de trincas. Principalmente se o resfriamento não se controla em forma adequada.
E420/ER420
Possuem maior teor de carbono, em relação aos consumíveis 410, o que confere dureza elevada nas soldas. Tornando-os por conseguinte, adequados para aplicações que exijam alta resistência ao desgaste. Também são úteis para fazer revestimentos duros, mas exigem um controle cuidadoso dos parâmetros operatórios para evitar trincas, devido principalmente ao seu maior conteúdo de carbono.
Consumíveis austeníticos
Se utilizam frequentemente para soldar aços inoxidáveis martensíticos a outros materiais austeníticos ou ferríticos, a fim de evitar trincas e melhorar a ductilidade geral das soldas. Os consumíveis contém alta quantidade de níquel, em comparação com os produtos martensíticos, sendo por conseguinte, ideais para aplicações que requeiram melhor tenacidade e boa resistência à corrosão, mas produzem depósitos de solda com dureza inferior aos consumíveis martensíticos.
Escolhidos para a soldagem dissimilar de aços inoxidáveis com aços carbono. Possuem uma quantidade equilibrada de cromo, níquel e molibdênio, o que ajuda a evitar defeitos como trincas, fragilização por hidrogênio e distorções.
Se usam para unir aços inoxidáveis martensíticos com outros materiais ferrosos e quando se deseja produzir soldas com maior resistência à tração resistentes aos fatores térmicos. Os consumíveis contém cromo e níquel, sendo úteis na soldagem de materiais que vão experimentar estresses térmicos e mecânicos significativos.
Soldagem em inox martensíticos: melhores práticas
- Limpeza: O metal base e o metal de adição deveram estar totalmente livres de contaminantes, tais como óleos, graxas e umidades. Com a finalidade de minimizar a absorção de hidrogênio.
- Baixo hidrogênio: Empregar processos de soldagem que assegurem condições de baixo hidrogênio, como por exemplo a soldagem Tig / Mig e com eletrodos revestidos de baixo hidrogênio.
- Controle do aporte térmico: Evitar o aumento da energia térmica, não apenas para prevenir o crescimento de grãos, como também a formação excessiva de martensita.
- Inspeção: Efetuar ensaios não destrutivos, com o intuito de detectar trincas ou outros defeitos de solda.