O desenvolvimento de liga resultou em um material – RA 253 MA® – com o preço de um aço inoxidável 310 e as propriedades em altas temperaturas de uma Inconel® 600 com alto níquel
RA 253 MA® é uma liga versátil que pode ser utilizada numa ampla variedade de aplicações térmicas para a construção de equipamentos. O impulso para o desenvolvimento desta liga foi o rápido aumento nos preços do níquel. Com baixo Cr e baixo Ni, a liga RA 253 MA é uma boa alternativa de baixo custo a outros materiais, que são à base de níquel e mais caros. Com o advento do controle de microligas, esta liga foi projetada tendo o preço comparado ao do aço inoxidável 310 e proporcionando as propriedades de alta resistência comparáveis às propriedades da Inconel® da série 600 com níquel mais elevado.
Quimicamente similar ao aço inoxidável 309, a RA 253 MA oferece resistência à fluência e à ruptura significativamente mais altas que o 310. Seus benefícios incluem resistência à oxidação em até 1.093°C, boa resistência à tração a quente se comparado com os materiais Inconel da série 600 e excelentes propriedades de fluência e ruptura.
A RA 253 MA é um aço inoxidável austenítico “lean” que utiliza cério e silício para criar uma camada de óxido altamente adesiva, resultando em excelente resistência à oxidação. A combinação de carbono e nitrogênio proporciona uma resistência à ruptura em fluência que é o dobro da dos aços inoxidáveis 310 e 309 a 870°C.
A especificação da composição química da liga RA 253 MA está indicada na Tabela 1.
Propriedades em Temperaturas Elevadas
A Fig. 1 mostra a resistência à tração a quente para diversos materiais [1]. Para a maior parte das faixas de temperaturas, a liga projetada é comparável à liga 600, superior ao aço inoxidável 310 e à RA 330®, mas inferior à RA 602 CA®. Apesar da resistência à tração a quente ser reportada para até 1.204°C, devido à perda de resistência à oxidação em 1.093°C, este é o seu limite prático de uso em ambientes oxidantes.
As tensões de projeto para uma placa para vaso de pressão permitidas pela ASME 2010 (revisão 2011) Seção II-D são mostradas na Fig. 2. As tensões permissíveis para a RA 253 MA são mais altas que para o aço inoxidável 310 e que para a RA 330, mas não tão altas quanto para a liga 601. A ASME permite um projeto de tensões para esta liga em até 871°C, mas a RA 253 MA é utilizada em temperaturas mais altas para diferentes aplicações, pois estes limites de temperatura são somente para os vasos de pressão.
As Figs. 3 e 4 mostram a resistência à ruptura real para 10.000 horas e extrapolada para 100.000 horas para várias ligas em altas temperaturas [1]. Os dados mostram que a RA 253 MA tem resistência à fluência e à ruptura sob tensão próximas às da Inconel 601 e da RA 602 CA e superiores à RA 330 e Liga 600.
A Fig. 5 mostra os dados para uma mínima taxa de fluência de 0,0001% por hora [1]. Mais uma vez, a RA 253 MA é superior a todos os demais materiais acima de 704°C. Fluência é a taxa ou velocidade na qual o metal está alongando e, em geral, é reportada como porcentagem por hora. Há um período de tempo no qual a taxa de fluência é essencialmente constante, conhecida como taxa de fluência secundária. Esta taxa é a base principal para projetos em altas temperaturas. Deve-se assumir que o metal vai sofrer fluência mesmo com cargas leves, porque os efeitos desta podem ser vistos nos materiais que não têm nenhuma outra carga além do seu próprio peso. Portanto, na prática, algum critério de fluência é utilizado para o projeto.
A indústria de fornos, historicamente, utiliza um critério de projeto no qual a tensão necessária aplicada é para uma taxa de fluência mínima de 1% em 10.000 horas, ou 0,0001% por hora. O projeto de tensões é alguma fração deste número. A ASME utiliza, em um de seus critérios, uma extrapolação de 100% da tensão para 1% em 100.000 horas, ou 0,00001% por hora [2]. A extrapolação de dados da resistência à ruptura sob tensão e à fluência para 100.000 horas acima de 982°C não é recomendada. A comparação é apresentada aqui apenas como um comparativo geral.
A resistência à ruptura é reportada como uma tensão e número de horas. É a tensão necessária em uma temperatura específica para romper uma amostra por completo dentro de uma quantidade de tempo. Na indústria de fornos, um critério comum para determinar as tensões de projeto é utilizar uma fração da tensão que resultaria em uma ruptura em 10.000 horas. A ASME utiliza aquela que for mais baixa: 67% da tensão de ruptura extrapolada para 100.000 horas ou 100% do extrapolado para uma taxa de fluência mínima de 1% em 100.000 horas [2].
Resistências e Limitações
A RA 253 MA apresenta resistência à oxidação igual ou superior a das muitas outras ligas testadas, incluindo o inox 309 e o 310 [3,4]. A RA 253 MA apresenta uma excelente resistência à oxidação em 1.093°C, a qual é igual ao limite do aço inoxidável 310 e superior ao 309. Enquanto pequenas excursões do forno a até 1.149°C possam ser toleradas, as temperaturas acima de 1.093°C são oxidantes e podem degradar rapidamente o material. Em geral, as melhores práticas devem evitar quaisquer excursões acima dos limites de temperatura sugeridos para qualquer liga.
A RA 253 MA teve um bom desempenho em alguns ambientes levemente carbonetantes, apesar do seu teor de elemento de liga inferior. A experiência mostrou que são necessários apenas vestígios de oxigênio no gás (por exemplo, sob a forma de dióxido de carbono ou vapor de água) para produzir uma camada de óxido fina e dura na RA 253 MA, dando uma boa proteção contra a apreensão de carbono e de nitrogênio. Sob condições de redução, no entanto, o uso da RA 253 MA em ambientes carbonetantes deve ser evitado. Devido ao seu baixo teor de níquel, ela é menos resistente à carbonetação do que as ligas com teores de níquel mais elevados, tais como a RA 330. A Tabela 2 mostra a ductilidade obtida em ensaios de tração em temperatura ambiente de amostras que, em uma simulação, foram expostas por 15 semanas em ciclos entre 930-1.065°C em um “green mix” utilizado para a produção de eletrodos de carbono.
O início da formação da fase sigma na RA 253 MA é significativamente mais lento do que no 310S (Fig. 6). Há também uma faixa de fragilização ferrítica entre 400 e 570°C. Nenhuma destas fases apresentará algum efeito na temperatura de operação. Após o resfriamento, até a temperatura ambiente, o material torna-se muito frágil, deixando-o menos resistente aos ciclos térmicos. Durante a subsequente rampa de aquecimento, se o material estiver altamente contraído e não puder se expandir livremente, haverá um potencial para trincamento.
Resistência à Corrosão em Aplicações em Banho de Sal
A exposição aos sais de sódio e de potássio para o tratamento térmico de aços rápido indica que a RA 253 MA pode ser comparável à Liga 600 (Tabela 3).
Neste ensaio, as amostras na forma de placas foram expostas a 210-252 ciclos em sais de pré-aquecimento a 704-816°C, sal de alta temperatura a 1.200°C e, então, temperados em sal a 593°C. A Tabela 3 ilustra que a RA 253 MA tem potencial para ter um bom desempenho em ambiente de banho de sal, atribuível aos seus elevados teores de silício e de cromo. Ao passo que a seleção da liga é importante, o fator mais importante é uma manutenção realizada regularmente e a limpeza do banho de sal e áreas vizinhas.
No tratamento térmico com banho de sal, a vida útil do cadinho é determinada pela manutenção e não pela liga. Os cadinhos devem ser limpos regularmente. Quando os cadinhos forem trocados, cada pedaço ou gota do antigo sal deve ser removido do refratário do forno.
Resistência à Corrosão
Na presença de oxigênio, a RA 253 MA tem boa resistência em ambiente com enxofre. Entretanto, a RA 253 MA não é resistente à redução em atmosferas com enxofre. Apesar da atmosfera poder ser oxidante, a pressão de oxigênio pode ser extremamente baixa enquanto um aço inoxidável está em serviço. Devido a esta baixa pressão, pode ocorrer um ataque local por sulfetos quando a atmosfera é considerada oxidante.
As amostras expostas a uma atmosfera contendo 13,2% SO2 a 1.010°C por 1.860 horas exibiram oxidação e sulfetação intergranular profundas, como mostrado na Tabela 4.
Microestrutura
A RA 253 MA apresenta a microestrutura mostrada na Fig. 7. Esta tabela de microestruturas também mostra o efeito do tempo e da temperatura na liga. A formação de fase sigma nas temperaturas de 700, 800 e 900°C também é apresentada. Claramente, a precipitação de fase sigma é quase inexistente a 900°C, como evidenciado pela microestrutura e dados de impacto Charpy. Além disso, a curva TTT (Fig.6) de formação da fase sigma mostra que a RA 253 MA necessita de mais de uma ordem de magnitude de tempo para iniciar a precipitação de fase sigma se comparada com os inoxidáveis 310 e 310S [4].
Aplicações para Uso
A RA 253 MA foi utilizada com sucesso em inúmeras aplicações, incluindo (mas não limitado a) recobrimentos de fornos de recozimento tipo sino, muflas com correias transportadoras, escapamentos de automóveis, dutos para ar quente, tubos para torres de resfriamento na indústria de papel e celulose e testes de tratamento térmico para endurecimento neutro.
Para mais informações, contate: Marc Glasser, Tyler Reno ou Paul Whitcraft, da Rolled Alloys, 125 West Sterns Road, Temperance, MI; +1 800-521-0332; metallurgical-help@rolledalloys.com; www.rolledalloys.com. A RA 330 e a RA 333 são marcas registradas da Rolled Alloys. A 602 CA e 253 MA são marcas registradas da Outokumpu VDM. A Inconel é marca registrada da Special Metals.
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[1] J. Kelly, Rolled Alloys Bulletin 100, Revised September 2001.
[2] J. Kelly, Rolled Alloys Bulletin 401, Heat Resistant Alloys©, Revised June 2006.
[3] W. Saum, Rolled Alloys Internal Report, Summary of Oxidation Testing at 2000˚F, August 2002.
[4] C. Manwell, Rolled Alloys Internal Report, Summary of Cyclic Oxidation Testing at 2000˚F, August 2005.
[5] T. Andersson and T. Odelstam – Sandvik 253MA (UNS S30815) – The Problem Solver for High Temperature Applications, A Sandvik Publication, Oct. 1984.
[6] Proprietary Report on the MA Heat Resistant Material Series.
