União por difusão de chapas de aço inoxidável 316L usinadas por lapidação com diferentes acabamentos

Abstract

A demanda por eficiência térmica em ambientes com restrições de espaço, como plataformas offshore, impulsiona o uso de trocadores de calor compactos fabricados em aços inoxidáveis austeníticos, como o AISI 316L, devido à sua elevada resistência à corrosão. No entanto, a complexidade geométrica e as limitações dos processos soldagem exigem métodos alternativos de união, como a união por difusão, cuja qualidade é diretamente influenciada pelo acabamento proveniente de processos de usinagem anteriores. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo avaliar a influência dos parâmetros de lapidação, como pressão, velocidade de rotação do disco de lapidação e tempo de lapidação, no acabamento de chapas de aço inoxidável AISI 316L, bem como o impacto de diferentes acabamentos das chapas lapidadas na qualidade da união por difusão. Foram realizados experimentos com duas granulometrias de abrasivos de SiC (33 μm e 12,8 μm), aplicando um planejamento experimental do tipo 2ᵏ com ponto central para determinar a condição ideal de lapidação, avaliando o acabamento de superfície e a taxa de remoção. Posterior, a condição ótima de lapidação foi aplicada em diferentes processos de acabamento, polimento e eletropolimento. Por fim, as amostras lapidadas, polidas e eletropolidas foram unidas por difusão para avaliar o impacto do acabamento na qualidade da união por difusão. O acabamento dos processos de usinagem foi caracterizado utilizando a interferometria de luz branca. A qualidade da união foi caracterizada utilizando microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia por dispersão de energia (EDS). Os resultados mostraram que o aumento do tempo de lapidação favorece a obtenção de superfícies mais homogêneas e com menor rugosidade. A condição ótima identificada (15 RPM, 12 kPa e 50 min) resultou em valores reduzidos de rugosidade média (Sa) e profundidade de vales (Sv), 0,265 μm e 2,732 μm, respectivamente. O aumento da pressão, de 6 kPa para 12 kPa, e da granulometria do abrasivo influenciaram significativamente no aumento da taxa de remoção de material, enquanto o aumento do tempo de lapidação ocasionou na redução da taxa. Quanto à união por difusão com diferentes acabamentos, a condição lapidada apresentou defeitos ao longo da linha de união, não havendo um preenchimento total dos vazios durante as etapas de difusão, o polimento manual apresentou um acabamento não homogêneo da superfície usinada, nas condições lapidada e polida observou-se a presença de uma região em que os contornos de grão não são visíveis apesar do ataque químico, não sendo constatadas grandes variações na composição química. As chapas eletropolidas apresentaram os melhores resultados, com menor rugosidade média e quando unida, menores vazios e a migração dos contornos de grãos através da linha de união.

The demand for thermal efficiency in environments with space constraints, such as offshore platforms, drives the use of compact heat exchangers made of austenitic stainless steels, such as AISI 316L, due to their high corrosion resistance. However, geometric complexity and the limitations of welding processes require alternative joining methods, such as diffusion bonding, whose quality is directly influenced by the surface finish resulting from previous machining operations. In this context, the present work aimed to evaluate the influence of lapping parameters—such as pressure, lapping disc rotation speed, and lapping time—on the surface finish of AISI 316L stainless steel plates, as well as the impact of different surface finishes on the quality of the diffusion bond. Experiments were carried out using two SiC abrasive grit sizes (33 μm and 12.8 μm), applying a 2ᵏ factorial experimental design with a central point to determine the optimal lapping condition, evaluating both surface finish and material removal rate. Subsequently, the optimal lapping condition was applied in different finishing processes: polishing and electropolishing. Finally, the lapped, polished, and electropolished samples were diffusion bonded to assess the effect of surface finish on bond quality. The machining surface finish was characterized using white light interferometry, while bond quality was analyzed using optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), and energy dispersive spectroscopy (EDS). The results showed that increasing the lapping time promotes the formation of more homogeneous surfaces with lower roughness. The optimal condition identified (15 RPM, 12 kPa, and 50 min) resulted in reduced values of average roughness (Sa) and valley depth (Sv), 0.265 μm and 2.732 μm, respectively. Increasing the pressure (from 6 kPa to 12 kPa) and the abrasive grit size significantly increased the material removal rate, whereas longer lapping times reduced it. Regarding diffusion bonding with different surface finishes, the lapped condition showed defects along the bond line, with incomplete void filling during the diffusion stages. Manual polishing produced a non-homogeneous surface finish, and in both lapped and polished conditions, a region with indistinct grain boundaries was observed despite chemical etching, with no significant variations in chemical composition. The electropolished plates presented the best results, showing the lowest average roughness and, when bonded, smaller voids and noticeable grain boundary migration across the bond line.