Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel

Transcrição

Metalografia
das Ligas e
Superligas de
Níquel
M. Eng. Alexandre Farina
Pesquisador em Ligas de Ni
Pesquisa e Desenvolvimento
Metalografia das Ligas e
Superligas de Níquel
Sumário
 Definição e conceitos sobre Superligas e Ligas de Níquel
 Processo de Fabricação
 Metalografia das ligas de Níquel
 Monel, Inconel, Incoloy, Nimonic
 Superligas à base de Níquel
Definição de Superligas
 São ligas que apresentam uma ou mais propriedades muito acima das
ligas convencionais (aços carbono, aços ferramenta, aços inoxidáveis,
etc...). As superligas mais conhecidas são à base de Ni, mais há ligas à
base de Co, Fe, etc...
 Propriedades desejadas
 Resistência Mecânica
 Tração, Torção, Fadiga, Impacto, Fluência
 Resistência à Corrosão
 Resistência à Oxidação
Definição de Superligas
 Devido as elevadas propriedades mecânicas estas ligas podem ser
divididas em duas classes:
 Ligas trabalhadas termo-mecanicamente (Wrougth Alloys)
 Forjadas e Laminadas
 Com ou sem Tratamentos Térmicos
 Ligas não trabalhadas termo-mecanicamente
 Fundição de Precisão
 Monocristalinas
 Solidificação Direcional
Principal diferença entre estas classes: PLASTICIDADE
 O que torna estas ligas “Superligas” ?
 Fases com comportamentos que fogem aos comportamentos padrão:
 Fase g’ – Ni3(Al,Ti) – Estrutura cúbica (CFC) do tipo L12
 Fase g’’ – Ni3Nb – Estrutura ortorrômbica do tipo DO22
 Fase b – NiAl – Estrutura cúbica (CCC) do tipo B2
Fases Ordenadas: Os átomos ocupam preferencialmente
estas posições na rede cristalina!
 Limite de Escoamento da fase g’ Ni3(Al,Ti)
 Limite de escoamento aumenta com a temperatura
~1100MPa // 600ºC
Inconel 713
AISI 316
Limite de escoamento é função de
adições de elementos de liga
 Limite de Escoamento da fase g’ Ni3(Al,Ti)
 O aumento é gerado por uma mudança do sistema de escorregamento
na super-estrutura cristalina
 Para a fase g’ – Ni3(Al,Ti) isto ocorre pela mudança do escorregamento
no plano (111) para o plano (110) em alta temperatura.
 Fase b Ni(Al,Ti)
 As fases intermetálicas apresentam características especiais, porém
nem todas podem ser utilizadas para ligas estruturais.
 A fase b apresenta comportamento cerâmico, com fratura frágil sob
tração. Esta propriedade impede seu uso em estruturas.
 No entanto a dureza desta fase é equivalente a de um carboneto
 Resistência a Fluência (10.000h)
 Limite de Escoamento
 Comparação com aço Fe-12Cr-0.6Mo (~AISI 420)
Processos de Fabricação
Processo de Fabricação
Processo
Especial
Convencional
Fusão
VIM (Vaccum induced
melting)
EAF (Electric Arc
Furnace)
ESR (Electroslag
Remelting)
VOD (vacuum oxygen
decarburisation)
VAR (Vaccuum Arc
Remelting)
AOD (Argon-Oxygen
Decarburization)
Refusão / Refino
Forjamento
Forjamento em prensas hidráulicas.
Geralmente para peças grandes e barras.
Laminação
Laminação (plana e barras)
Acabamento
Desbaste, Retífica, etc...
Processos de Fabricação - Fusão
 EAF (Electric Arc Furnace)
 Fusão por arco voltaico
 Fusão e vazamento ao ar
 Refino do metal líquido por escória
 Há oxidação do banho metálico
Processos de Fabricação - Fusão
 VIM (Vacuum Induction Melting)
 Fusão e vazamento sob vácuo
 Pouco refino do metal líquido
 Reduzida oxidação do banho metálico
 Possibilidade de vazamento de ligas que são
facilmente oxidadas com oxidação mínima
 Ligas com Al, Ti
 Apenas refino por pressão (vácuo)
 Pressão de vapor
Processos de Fabricação - Refino
 VOD (Vacuum Oxygen Decarburizing)
 Descarburação por injeção de gás
 Refino do metal líquido
Processos de Fabricação - Refino
 AOD (Argon-Oxygen Decarburizing)
 Descarburação por injeção de gás Ar/O
 Maior refino do metal líquido em relação ao VOD
Processos de Fabricação - Refusão
 ESR (Electroslag Remelting)
 Refusão por arco voltaico com escória
 Refino da estrutura bruta de fusão
 Eliminação de impurezas para a escória
 Uso da reação metal-escória
Processos de Fabricação - Refusão
 VAR (Vacuum Arc Remelting)
 Refusão sob vácuo por arco voltaico
 Refino da estrutura bruta de fusão
 Eliminação de impurezas para a superfície do lingote
 Pressão de vapor
Processos de Fabricação - Forjamento
 Forjamento:
 Prensagem a quente/frio de um lingote ou peça, em geral, de grande porte
 Recalque (aumentar a deformação do material)
 Altera a microestrutura  refino do tamanho de grão
 Desbaste (reduzir a espessura do material)
 Acabamento (alisamento da superfície)
Processos de Fabricação - Forjamento
 Forjamento:
 Prensagem a quente/frio de um lingote ou peça, em geral, de grande porte
 Recalque (aumentar a deformação do material)
 Desbaste (reduzir a espessura do material)
 Acabamento (alisamento da superfície)
Processos de Fabricação - Laminação
 Laminação
 Redução da espessura do material
através da passagem deste entre dois
cilindros com (barras) ou sem (planos)
entalhes
 Refino da microestrutura através da
redução do tamanho de grão
Processos de Fabricação - Acabamento
 Acabamento
 Torneamento,
 Fresamento,
 Retífica,
 Trefilação
Microestrutura
Ligas de Ni – Principais Fases
Fase
Estrutura
Fórmula
Comentário
g'
FCC – L12
Ni3(Al,Ti)
Principal fase para endurecimento da
matriz da maioria das ligas de Ni
Ni3Ti
Fase deletéria e metaestável formada em
altas temperaturas. Em geral precipita na
forma de agulhas de Widmanstätten
Ni3Nb
Principal fase para endurecimento de ligas
contendo Nb. Em geral a precipitação
ocorre na forma de discos coerentes com
a matriz g
Ni3Nb
Fase frágil e deletéria as propriedades.
Precipita em alta temperatura na forma de
agulhas
(baixa
temperatura
–
superenvelhecimento) ou filmes nos
contornos de grão (altas temperaturas
solubilização).
h
g"
d
HCP – DO24
BCT – DO22
Ortorr. (Cu3Ti)
Fase
M(C,N)
Estrutura
FCC
Fórmula
Comentário
M(C,N) onde M =
Ti, Nb, Hf, Zr ...
Carbonetos primários ou secundários.
Dependentes do teor de C e de N das
ligas e dos elementos formadores.
Elevam as resistências ao desgaste e
mecânica
Carbonetos precipitados durante o
envelhecimento
das
ligas
para
aumento da resistência mecânica. Em
geral precipitação em glóbulos e
placas nos contornos de grão.
M23C6
FCC
(Cr,Fe,Mo,W)23C6
M6C
FCC
Fe3Mo3C
M7C3
Ortorr.
(Fe,Cr,Mn)7C3
Carboneto. Secundário
Carboneto secundário em geral
observado na forma de partículas
intergranulares.
Fase
Estrutura
Fórmula
Comentário
M3B2
Tetragonal
Mo2FeB2, Nb3B2
Boreto presente em ligas com elevado
teor de B.
Romboédr.
(Fe,Co)7(Mo,W)6
Presente em ligas com elevado teor de
Mo e de W. Precipita na forma de
agulhas de Widmanstäten em altas
temperaturas.
Hexagonal
Fe2Nb, Fe2Ti,
Fe2Mo, Co2Ta,
Co2Ti
Fase deletéria. Precipita-se na forma
de glóbulos alongados após exposição
à altas temperaturas.
Tetragonal
FeCr, FeCrMo,
CrFeMoNi, CrCo,
CrNiMo
Fase deletéria precipitada na forma de
glóbulos em geral alongados em ligas
que
permaneceram
por
longos
períodos entre 540ºC e 980ºC
m
Laves
Sigma
 Evolução da Microestutura das Ligas de Ni
 Diagrama Ni-Cr (Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C)
 Liga Binária Ni-20Cr
 Matriz Austenítica
 Liga Ternária Ni-20Cr-1.0Al
 Matriz Austenítica
Isoterma de 1150ºC – Al-Cr-Ni
g+g’
Isoterma de 1050ºC –Cr-Ni-Ti
 Liga Quaternária
 Ni-20Cr-1.0Al-2.0Ti
 Matriz Austenítica com
Ni3(Ti,Al)
 Nimonic 80A: Ni-20Cr-2.0Ti-1.0Al-0.05C)
Nimonic 80A:
Sol. 1080ºC/1h
Env. 700ºC/16h
TiC
 Liga Quinária
 Ni-20Cr-1.0Al-2.0Ti-0.05C
 Matriz Austenítica com
Ni3(Ti,Al) e TiC
Ligas de Ni-Cu (Monel)
 Extremamente resistentes à corrosão, em especial em ambientes marinhos com
água parada, porém com baixa resistência mecânica em relação as demais
superligas de Ni. Resistência compatível com aços especiais.
 Aplicação principal nas indústrias naval e petroquímica
 Principais ligas: Monel 400 (VRC400) e Monel K500 (VRC500K)
A liga Monel foi desenvolvida
inicialmente partindo-se de sulfetos
de Ni e de Cu e fazendo redução
simultânea dos minérios como
fonte de Cu e de Ni
Monel tem um L apenas pois na
época não era permitido nomes de
famílias em produtos!
 Composição Química
Liga
Ni
Cu
Fe
Mn
C
Si
S
Outros
Alloy
400
63.0 min
28.0~34.0
2.50
0.20
0.30
0.50
0.024
---
Alloy
401
40.0~45.0
Bal.
0.75
2.25
0.10
0.25
0.015
---
Alloy
R-405
63.0 min
28.0~34.0
2.50
2.00
0.30
0.50
0.025~0.06
---
Alloy
450
29.0~33.0
Bal.
0.4~1.0
1.00
---
---
0.02
1.0Zn, 0.05Pb,
0.02P
Alloy
K500
63.0 min
27.0~33.0
2.00
1.50
0.25
0.50
0.01
2.30~3.15Al,
0.35~0.85Ti
Valores sozinhos indicam máximo da faixa
 Monel K500
 Matriz bifásica (duas austenitas) com dispersão de TiC e após solubilização
e envelhecimento apresenta precipitação de Ni3(Al,Ti)
g1
Fração Molar de Fases
g
g
g1
g2
g’
65%Ni
56%Cu
TiC
30%Cu
42%Ni
L
700ºC
760ºC
g  g1 + g2
815ºC
g  g + g’
1280ºC
solidus
1330ºC
liquidus
763ºC
1140ºC
Composição da Matriz
 Microestrutura
 Ligas com matriz austenítica podendo apresentar dispersão de precipitados
de Ni3(Al,Ti) e carbonitretos do tipo M(C,N)
 Nitrogênio é sempre residual (abaixo de 0.05%)
 Carbono pode ser adicionado em teores inferiores a 0.30%
Monel K500 – Laminada a quente e
solubilizada em alta temperatura.
Ataque com Glicerégia
Monel K500 – Macrografia de amostra
bruta de laminação. Ataque com HNO3
eletrolítico
Ligas de Ni-Cr-Fe (Inconel)
 Resistentes a altas temperaturas com excelentes propriedades mecânicas. Elevada
resistência à oxidação e resistência razoável a corrosão.
 Aplicação principal nas indústrias aeroespacial, nuclear e petroquímica,
válvulas automotivas, turbinas (avião e à gás).
 Principais ligas: Inconel 718 (VAT 718), Inc. 600 (VAT 600), Inc. 751 (VAT 751)
Sist. de exaustão
Liga
Ni
Cr
Fe
Alloy
600
72.0
min
14.0~
17.0
6.0~
10.0
Alloy
617
44.5
min
20.0~
24.0
3.0
10.0~
15.0
8.00~
10.00
Alloy
625
58.0
min
20.0~
23.0
5.0
1.0
8.00~
10.00
Alloy
690
58.0
min
27.0~
31.0
7.0~
11.0
Alloy
718
50.0~
55.0
17.0~
21.0
Bal.
Alloy
751
70.0
min
14.0~
17.0
5.0~
9.0
Alloy
C-276
Bal.
14.5~
16.5
4.0~
7.0
Co
1.0
2.50
Mo
2.80~
3.30
15.0~
17.0
Nb
3.15~
4.15
Ti
Al
C
Mn
Si
Outros
0.15
1.0
0.5
0.50
0.5Cu,
0.006B
0.60
0.8~1
.5
0.05~
0.15
1.0
1.0
0.40
0.40
0.10
0.50
0.50
0.05
0.05
0.50
0.50Cu
0.08
0.35
0.35
0.30Cu,
0.006B
0.10
1.0
0.50
0.50Cu
0.01
1.0
0.08
0.35V,
3.50W
4.75~
5.50
0.65~
1.15
0.70~
1.20
2.00~
2.60
0.20~
0.80
Sigma
500ºC
Fração Molar de Fases
 Inconel 718
Liquidus
1350ºC
M(C,N)
1260ºC
Laves
540ºC
Ferrita
590ºC
M23C6
700ºC
Sigma
830ºC
Ni3Al (g’)
900ºC
Ni3Nb (d)
1020ºC
Solidus
1210ºC
 Microestrutura
 Ligas com matriz austenítica.
 Em geral apresentam dispersão de precipitados de Ni3(Al,Ti) e Ni3Nb além
de carbonitretos do tipo M(C,N)
Inconel 718 – Forjada a quente e solubilizada
em alta temperatura (1030ºC/2h).
Inconel 751 – Laminada, solubilizada
(1120ºC/1h) e envelhecida (750ºC/4h).
Ataque com Glicerégia.
 Microestrutura
 Ligas com matriz austenítica.
 Em geral apresentam dispersão de precipitados de Ni3(Al,Ti) e Ni3Nb além
de carbonitretos do tipo M(C,N)
Inconel 718 – Forjada e solubilizada
em alta temperatura (1030ºC/2h) e
envelhecida: 718ºC/8h+650ºC/8h.
Inconel 718 – Laminada e tratada a (1040ºC/1h +
980ºC/8h + 760ºC/8h + 650ºC/8h)
MET + Atom Probe: Nb=verde, Al=verm., Ti=azul e
Liga
Ni
Cr
Fe
Co
Mo
Nb
Ti
Al
C
Mn
Si
Alloy 625
58.0min
20.0
~23.0
5.0
1.0
8.00
~10.00
3.15
~4.15
0.40
0.40
0.10
0.50
0.50
Inconel 625 – Bruta de Forjamento
Inconel 625 – Forjada e solubilizada em alta
temperatura (1200ºC/30min).
Ligas de Ni-Fe-Cr (Incoloy)
 Resistentes a corrosão em altas temperaturas (em especial por cloretos), com
boas propriedades mecânicas, porém inferiores as ligas Inconel. Resistência a
oxidação reduzida.
 Aplicação principal na indústria petroquímica.
 Principais ligas Incoloy A-286 (VAT A286) e Incoloy 925 (VRC925)
Ligas de Ni-Cr-Fe (Incoloy)
Liga
Ni
Cr
Fe
Co
Mo
Nb
Ti
Al
C
Mn
Si
Outros
Alloy
A-286
72.0
min
14.0~
17.0
6.0~
10.0
---
---
---
---
---
0.15
1.0
0.5
0.50
Alloy
825
38.0
~46.0
19.5
~23.5
22.0
min
---
2.5
~3.5
---
0.6
~1.2
0.2
0.05
1.0
0.5
1.5~3.0
Cu
Alloy
925
44.0
21.0
28.0
---
3.0
---
2.1
0.3
0.01
---
---
---
Alloy
800HT
30.0~
35.0
19.0~
23.0
39.5
min
---
---
---
0.15~
0.60
0.15~
0.60
0.06~
0.10
1.5
1.0
---
Ligas de Ni-Cr-Fe (Incoloy)
 Microestrutura
 Ligas com matriz austenítica. Apresentam dispersão de precipitados de
Ni3(Al,Ti) além de carbonitretos do tipo M(C,N) e carbonetos do tipo M23C6
1)
2)
Incoloy A-286 – Laminada,
solubilizada (980ºC/1h) e
envelhecida (720ºC/16h)
2)
Incoloy 800H (g+g’+Ti(C,N) +
M23C6)
1) Solubilizada
2) Solubilizada e Envelhecida
por 15anos a 815ºC
Ataque com Marble.
Ligas de Ni-Cr (Nimonic)
 Boa resistência à corrosão a alta temperatura, em especial por sulfatos,
excelente resistência à fluência e à fadiga à quente.
 Aplicação principal na indústria automotiva na fabricação de válvulas para
motores de combustão interna e industria petroquímica e aeroespacial.
 Principais ligas Nimonic 80A (VAT80A) e Nimonic 90 (VAT90)
Liga
Ni
Cr
Fe
Co
Mo
Nb
Ti
Al
C
Mn
Si
Outros
Nimonic
80A
Bal.
18.0
~21.0
3.0
2.0
---
---
1.8
~2.7
1.0
~1.8
0.10
1.0
1.0
---
Nimonic
86
Bal.
25.0
---
---
10.0
---
---
---
0.05
Nimonic
90
Bal.
18.0
~21.0
1.5
15.0~
21.0
---
---
2.0
~3.0
1.0
~2.0
0.13
0.03Ce
1.0
1.0
0.02B
 Microestrutura
 Ligas com matriz austenítica. Apresentam dispersão de precipitados de
Ni3(Al,Ti) e carbonitretos do tipo M(C,N)
 Nitrogênio é sempre residual (abaixo de 0.05%)
Nimonic 80A – Laminada, solubilizada
(1080ºC/1h) e envelhecida (700ºC/16h)
Nimonic 90 – Laminada, solubilizada
(1080ºC/8h) e envelhecida (700ºC/12h +
850ºC/2h). Ataque com Glicerégia
Superligas de Ni
 Ligas com elevada quantidade de fases intermetálicas (g’, g’’)
 Elevada resistência mecânica (tração, fluência)
 Elevada resistência à quente
 Microestrutura geralmente em Blocos
CMSX-4
Superligas de Ni
Superligas de Ni (Monocristalinas)
 Processo de Fabricação (palheta de turbina – CMSX-6)
Superligas de Ni – Waspaloy
 Microestrutura
 Similar a microestrutura da liga Nimonic 80A.
 Diferença:
Maior quantidade de g’
 Elevada resistência mecânica à quente
 Grande dispersão de partículas
 13.5%Co
 Elevada resistência à oxidação
 4.5%Mo
 Elevada dificuldade para usinar
 Aplicações:
 Indústria aeroespacial (turbinas)
 Máquinas de tração e fluência
Superligas de Ni – Inconel 738
 Microestrutura
Superligas de Ni – MAR-M 246
 Microestrutura

Metalografia das Ligas e Superligas de Níquel

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