Influência do teor de enxofre na tenacidade ao impacto do aço inoxidável 13Cr-4Ni desoxidado ao alumínio

Abstract

Falhas em componentes para hidrogeração como pás e palhetas de turbinas estão, geralmente, relacionadas à fenômenos de fadiga, corrosão sob tensão e corrosão sob fadiga. A presença de inclusões não metálicas nestes materiais, utilizados em ambientes agressivos, pode favorecer a formação de pontos de corrosão por pite, os quais atuam como concentradores de tensão, diminuindo a vida útil da peça. Assim, a necessidade de produtos de maior qualidade aumenta a demanda por processos de fundição mais exigentes e otimizados, o que envolve a melhoria dos procedimentos de limpeza química do aço para aumentar a vida destes componentes. O presente trabalho teve como objetivo avaliar a influência do teor de enxofre na formação de inclusões não metálicas, na microestrutura e na tenacidade ao impacto do aço inoxidável 13Cr-4Ni (ASTM A240) desoxidado ao alumínio. Para isto foram fundidos 4 tarugos do aço inoxidável 13Cr-4Ni em um forno à indução, com concentrações de enxofre iguais a 951 ppm, 396 ppm, 67 ppm e 20 ppm. Foram utilizados 2,5g de alumínio por quilo de aço para realizar a desoxidação e controlar o teor de oxigênio presente. Após a fusão e desmoldagem, cada tarugo foi usinado e seccionado para produzir amostras em seu estado bruto de fusão e tratado termicamente por têmpera e revenimento. Os tarugos foram avaliados quanto a sua tenacidade ao impacto, a dureza, e quanto a presença e quantidade de inclusões e microestrutura presente. Os resultados indicaram que, com o decréscimo do teor de enxofre no aço, maior é a tenacidade ao impacto do material. O teor de oxigênio foi reduzido e controlado a partir da adição de alumínio, no entanto, observou-se a necessidade de cuidar dos fenômenos de reoxidação do aço. Seguindo a metodologia de processo definida no estudo, foi possível obter um tarugo com 20 ppm de enxofre. Disto resultou em uma baixa densidade de inclusões e, para a amostra tratada termicamente, uma média de 142 Joules de absorção de energia, representando uma elevada tenacidade ao impacto a partir de uma microestrutura martensítica refinada. Para os tarugos com valores superiores de enxofre foi verificado a presença de maior quantidade de sulfetos e óxidos na microestrutura que impactaram negativamente na absorção de energia do material. Por fim, constata-se que o nível de enxofre no aço deve ser controlado de modo a minimizar densidade de inclusões do tipo sulfeto, garantindo um material de melhor qualidade e, por consequência, aumentando a vida útil da peça.

Failures in hydropower components such as turbine blades and vanes are usually related to fatigue, stress corrosion and fatigue corrosion process. The presence of non-metallic inclusions in these materials, used in aggressive environments, can lead to the formation of pitting corrosion sites, which act as stress concentrators, decreasing the life of the part. Thus, the necessity for higher quality products increases the demand for more rigorous and optimized casting processes, which involves improving the steel cleanliness procedures to increase the lifetime of these components. The present work aimed to evaluate the influence of sulfur content on the formation of non-metallic inclusions, on the microstructure and on the impact toughness of aluminum deoxidized 13Cr-4Ni stainless steel (ASTM A240). For this, 4 billets of 13Cr-4Ni stainless steel were cast in an induction furnace, with sulfur concentrations of 951 ppm, 396 ppm, 67 ppm, and 20 ppm. In order to control the oxygen content in the steel, 2.5g of aluminum were added per kilogram of steel. After melting and demolding, each billet was machined and sectioned to produce samples in the as cast and heat treated (quenching and tempering) condition. The billets were evaluated in terms of their impact toughness, hardness, and the presence and amount of inclusions and microstructure. The results indicated that with decreasing sulfur content in the steel, the material’s impact toughness increased. The oxygen content was reduced and controlled with the addition of aluminum, however, special care must be taken regarding the reoxidation phenomena of the steel. Following the process methodology defined in this work, it was possible to obtain a billet with 20 ppm sulfur. This resulted in a low inclusions density and, for the heat-treated sample, an average of 142 Joules of energy absorption, which represents a high impact toughness from a refined martensitic microstructure. The billets with higher sulfur contents showed a large quantity of sulfides and oxides in the microstructure that had a negative impact on the energy absorption of the material. Finally, it can be concluded that the sulfur content in the steel should be controlled in order to minimize the density of sulfide inclusions, ensuring a better quality material and, therefore, increasing the service life of the part.