ER321 ou ER347? A escolha certa entre consumíveis de solda estabilizados com titânio ou nióbio depende de múltiplos fatores. Que estão relacionados às propriedades do material de base, às condições de operação e da mesma forma, aos requisitos de desempenho das juntas soldadas.
Propriedades do aço AISI 321
O aço AISI 321 pertence à família dos aços inoxidáveis estabilizados. É uma liga ferro cromo níquel concebida para operar em ambientes de moderada a elevada corrosividade, sobretudo em aplicações que envolvem exposição a temperaturas intermédias. Sua principal característica é a presença de titânio na sua composição química, que evita a formação de carbonetos de cromo, em condições de serviço com temperaturas elevadas. O titânio esta em proporção suficiente para reagir primordialmente com o carbono presente.
Entre suas propriedades gerais, destacam-se:
- Boa resistência à corrosão em ambientes oxidantes.
- Elevada estabilidade estrutural em altas temperaturas.
- Resistência à fluência e à oxidação, em temperaturas intermediárias.
- Boa soldabilidade, desde que se adotem procedimentos adequados.
A microestrutura do aço é predominantemente austenítica, apresentando por conseguinte, boa ductilidade e tenacidade. A principal vantagem da estabilização reside na eficácia de impedir a precipitação de carbonetos de cromo durante o aquecimento, na faixa crítica de temperaturas (aproximadamente entre 450°C e 850°C), fenômeno conhecido como sensitização. Contudo, durante processos de soldagem por arco elétrico, o titânio presente nos consumíveis E321 / ER321, exibe comportamentos específicos que precisam ser analizados.
Titânio versus nióbio
A estabilização contra a sensitização pode realizar-se através de dois elementos químicos principais: titânio e nióbio. Ambos possuem afinidade química elevada pelo carbono, formando carbonetos refratários. Que sequestram o carbono e por conseguinte, evitam a precipitação de carbonetos de cromo. No entanto, quando se trata de processos de solda por arco elétrico, o comportamento desses elementos difere significativamente.
O titânio apresenta elevada afinidade pelo oxigênio e nitrogênio, o que o torna altamente reativo durante a soldagem. Essa característica dificulta sua retenção no metal depositado, principalmente em situações de maior exposição ao ambiente.
Por outro lado, o nióbio apresenta menor tendência à oxidação e ademais maior estabilidade química. Não apenas na fusão, como também na solidificação do cordão de solda. .
Dessa forma, os consumíveis estabilizados com nióbio, como o ER347, proporcionam resultados mais confiáveis que os estabilizados com titânio E321 / ER321. Principalmente quando se aplicam com processos de solda por arco elétrico. Entretanto, quando a soldagem se executa em ambientes controlados ou em processos subsequentes, onde a perda de titânio pode compensar-se (como por exemplo no processo laser ou com feixe de elétrons), a utilização do consumível ER321, contendo titânio, permanece viável. A escolha, portanto, deve considerar o método específico de aplicação, as condições ambientais e os requisitos de trabalho das juntas, nas estruturas soldadas.
Oxidação do titânio
O titânio é um elemento químico altamente reativo, com potencial de redução comparável ao silício e superior ao manganês.
Durante a soldagem, o metal fundido se expõe à altas temperaturas, Além disso, em determinadas condições, ao contato com gases atmosféricos. O titânio possui elevada afinidade química com o oxigênio, formando com muita facilidade óxidos estáveis.
A perda desse elemento, reduz sua concentração efetiva no metal depositado e na zona afetada pelo calor. Dependendo da extensão da perda, a concentração residual pode ser insuficiente para estabilizar todo o carbono presente, permitindo como consequência a senzitização, mesmo com consumíveis estabilizados E321 / ER321.
Este fenômeno se acontece em:
- Eletrodos revestidos.
- Arames Mig ER321, aplicados com altas velocidades de alimentação.
- Soldagem com correntes elevadas, que aumentam a temperatura do banho fundido.
Por outro lado, nos processos Tig e Mig, pequenas falhas na proteção gasosa podem resultar na oxidação do titânio. Essa reação reduz a quantidade efetiva desse elemento para estabilizar o carbono no metal de solda. Ademais, pode levar à formação de inclusões no metal depositado. Prejudicando por conseguinte, as propriedades mecânicas e da mesma forma, a resistência à corrosão.
Mecanismos de sensitização
A sensitização é um fenômeno metalúrgico que ocorre quando o aço inoxidável se expõe a temperaturas intermediárias por determinado período de tempo. Nesse intervalo térmico, o carbono presente no metal reage com o cromo, formando carbonetos de cromo nos contornos de grãos austeníticos.
Essa reação resulta na redução local do teor de cromo. Comprometendo dessa forma, a formação de uma camada passiva protetora. Como consequência, o material torna-se suscetível à corrosão intergranular.
A estabilização com titânio ou nióbio visa evitar esse fenômeno, promovendo a formação de carbonetos desses elementos em vez de carbonetos de cromo.
Consumíveis estabilizados ER321 e ER347
Padronizados pelas normas AWS A5.4 (eletrodos revestidos) e AWS A5.9 (varetas e arames).
E321 e ER321
São produtos que apresentam composição semelhante ao metal de base AISI 321.
Sua composição nominal inclui:
- Cromo, em faixa compatível com a estabilidade da fase austenítica.
- Níquel, para garantir ductilidade e tenacidade.
- Titânio, em proporção adequada, para estabilização do carbono.
Os depositos apresentam:
- Boa resistência à corrosão, em condições similares ao metal de base.
- Compatibilidade química com o aço AISI 321.
- Limitações quanto à estabilidade do titânio, durante a soldagem.
E347 e ER347
Consumíveis estabilizados com nióbio, podendo conter também pequenas quantidades de tântalo.
Sua composição nominal inclui:
- Cromo e níquel, em proporções semelhantes aos consumíveis 321.
- Nióbio, como principal elemento estabilizador.
- Possível presença de tântalo, dentro dos limites normativos.
As soldas exibem:
- Maior estabilidade metalúrgica durante a soldagem.
- Melhor resistência à corrosão intergranular após exposição térmica.
- Maior confiabilidade em processos industriais.
Não usar ER321 com arco submerso
A soldagem por arco submerso opera com elevada densidade de corrente, produzindo grande volume de metal depositado. O método emprega um arame nu e fluxo granular, que forma escória e cobre completamente a poça de fusão.
Apesar das vantagens dessa técnica, em termos de produtividade e qualidade superficial, a norma AWS A5.9 “SPECIFICATION FOR BARE STAINLESS STEEL WELDING ELECTRODES AND RODS” diz o seguinte: ” It is not suitable for use with the submerged arc process because only a small portion of the titanium will be recovered in the weld metal”.
Isso se acontece por causa da elevada exposição do metal fundido ao fluxo. Que pode favorecer reações indesejáveis, aumentando a probabilidade de oxidação do titânio. Comprometendo, em primeiro lugar, sua função estabilizadora e ademais elevando a sensitização no metal depositado.
Procedimentos de soldagem
A soldagem do aço AISI 321 requer controle rigoroso dos parâmetros operacionais.
As práticas mais recomendadas incluem:
- Ausência de preaquecimento na maioria dos casos.
- Controle da temperatura entre passes. Frequentemente limitada a valores moderados, com o fim de evitar a sensitização.
- Controle da entrada de calor. Com a finalidade de evitar aportes excessivos, que possam prolongar a permanência na faixa crítica de temperaturas.
Nos processos Tig e Mig, a escolha do gás de proteção é um aspecto fundamental:
- Argônio puro ou misturas com pequena adição de hidrogênio, para o processo Tig.
- Misturas de argônio com dióxido de carbono ou oxigênio em baixas proporções, para o processo Mig.
As sequências de soldagem devem planejar-se cuidadosamente. Com o intuito de minimizar tensões residuais e ademais possíveis distorções. Nesse sentido, frequentemente se recomendam técnicas de soldagem alternadas e o uso de dispositivos de fixação.
Ferrita delta no metal depositado
Durante o resfriamento do metal de solda em estado líquido, a microestrutura passa por várias transformações de fase. Nas condições de resfriamento típicas, durante a soldagem, a ferrita primaria de solidificação (ferrita δ – delta) não pode dissolver-se completamente na matriz austenítica, permanecendo por conseguinte, como fase residual.
A ferrita delta se produz por:
- Composição química: elementos ferritogênicos (cromo, molibdênio, silício) favorecem à formação de ferrita delta; elementos austenitizantes (níquel, nitrogênio) a reduzem.
- Taxa de resfriamento elevada: resfriamento rápido aumenta a fração de ferrita delta.
- Diluição: A mistura do metal depositado com o metal base fundido, modifica a composição efetiva do metal de solda.
A ferrita delta é uma fase essencial para evitar trincas de solidificação, pois atua como elemento de alívio durante a solidificação. O seu controle depende principalmente da composição química do consumível e ademais da diluição com o metal de base.
Se recomenda manter um teor mínimo no metal de solda, que seja suficiente para garantir resistência à fissuração, sem comprometer a resistência à corrosão. O diagrama de Schaeffler emprega-se frequentemente para prever a quantidade de ferrita que está presente no metal depositado.
Recomendações para aplicar consumíveis ER347
Na soldagem do aço AISI 321, algumas práticas são fundamentais:
- Verificar a presença de ferrita delta, utilizando métodos apropriados.
- Realizar uma limpeza rigorosa das juntas. Com o intuito de remover contaminantes, tais como óleos, graxas e óxidos.
- Utilizar escovas de aço inoxidável, com o fim de evitar contaminação por ferro.
- Na soldagem de raiz em tubos, empregar sempre purga com gás inerte
- Registrar e controlar as temperaturas entre passes.
- Avaliar o índice de resistência à corrosão do metal depositado, após a diluição.
A presença de tântalo nos consumíveis E347 contribui para uma estabilização adicional. As normas estabelecem limites para sua concentração, garantindo dessa maneira, equilíbrio entre resistência mecânica e resistência à corrosão.
Tratamentos térmicos pós-soldagem
O recozimento de solubilização pode aplicar-se após a soldagem. Com o fim de restaurar a microestrutura e da mesma forma, eliminar possíveis efeitos de sensibilização. Esse tratamento envolve aquecimento à altas temperaturas seguido de resfriamento rápido, promovendo a dissolução de precipitados indesejáveis.
Entretanto, nem sempre é necessário, principalmente quando se utilizam consumíveis adequados e procedimentos controlados.
Em termos práticos, a escolha entre ER321 e ER347 deve considerar o comportamento do titânio durante a soldagem. Embora o ER321 seja compatível com o metal base, o ER347 frequentemente oferece maior segurança metalúrgica, primordialmente em processos de solda por arco elétrico.