O aço inoxidável duplex é um material de engenharia com elevada resistência, excelente resistência à corrosão e economia. É amplamente utilizado na petroquímica, engenharia naval, energia nuclear, processamento de alimentos e outros domínios. Este blogue apresentará a definição, as caraterísticas, a classificação, a aplicação e o método de seleção de materiais do aço inoxidável duplex para o ajudar a escolher melhor o tipo de aço inoxidável adequado.
Caraterísticas básicas do aço inoxidável duplex
A caraterística notável do aço inoxidável duplex é a coexistência de duas estruturas cristalinas, ferrita (α-Fe) e austenita (γ-Fe), na microestrutura, e as duas geralmente coexistem em uma proporção de volume próxima a 1:1. Esta estrutura duplex é conseguida através do controlo preciso da proporção de elementos como o crómio (Cr), o níquel (Ni) e o molibdénio (Mo): o crómio é um elemento formador de ferrite e o níquel é um estabilizador da austenite. O equilíbrio entre os dois assegura que o rácio das duas fases seja próximo de 50:50. A adição de azoto estabiliza ainda mais a fase de austenite, melhorando simultaneamente a força e a resistência à corrosão.
Do ponto de vista do desempenho, a fase ferrita confere ao material alta resistência e resistência à fissuração por corrosão sob tensão por cloreto, enquanto a fase austenita proporciona tenacidade e resistência a ácidos. Este efeito sinérgico permite que o aço inoxidável duplex atinja o melhor equilíbrio entre força, resistência à corrosão e tenacidade. Por exemplo, o aço inoxidável austenítico comum (como o 304) é propenso à fissuração por corrosão sob tensão em ambientes com iões cloreto, enquanto o aço ferrítico com elevado teor de crómio é mais frágil. O aço inoxidável duplex supera as deficiências de ambos os tipos de materiais. Os dados dos ensaios mostram que o limite de elasticidade do aço inoxidável duplex pode atingir 400-550 MPa, o que é mais do dobro do aço inoxidável 304 (cerca de 205 MPa), enquanto o alongamento se mantém em 25%-40%, o que é significativamente superior ao do aço de baixa liga de alta resistência.
Em termos de resistência à corrosão, o equivalente de resistência à corrosão por pite (PREN) do aço inoxidável duplex pode ser calculado pela fórmula:
PREN= %Cr + 3,3 ×%Mo + 16 ×%N
Tomando o tipo 2205 como exemplo, Cr 22%, Mo 3%, N 0.15%, o seu valor PREN atinge 33-34, que é muito superior ao do aço inoxidável 304 (PREN≈18) e ao do aço inoxidável 316 (PREN≈24). Mais importante ainda, o aço inoxidável duplex apresenta uma forte resistência à fissuração por corrosão sob tensão (SCC) por cloreto - num ambiente de água do mar contendo iões de cloreto, o aço inoxidável austenítico comum pode fissurar em poucos meses, enquanto o aço inoxidável duplex pode ser utilizado com segurança durante décadas.
Classificação e tipos típicos de aço inoxidável duplex
Atualmente, o aço inoxidável duplex divide-se principalmente em quatro gerações. As caraterísticas e os tipos típicos de cada geração são os seguintes:
A primeira geração do grau representativo 2205 (S31803) contém Cr 22%, Ni 5%, Mo 3% e N 0,15%. A fórmula clássica equilibra a resistência à corrosão e a força e é amplamente utilizada em equipamento químico e condutas de água do mar. A segunda geração do aço super duplex 2507 (S32750) contém Cr 25%, Ni 6%, Mo 3.5% e N 0.25%. O valor PREN é ≥40, e a resistência à corrosão é mais forte. É adequado para plataformas offshore e equipamentos de GNL. A terceira geração 2507Cu adiciona elementos Cu ao 2507 para melhorar a resistência à corrosão em fendas. É adequado para ácido clorídrico de alta concentração e indústrias de fabrico de papel. A quarta geração da classe económica LDX 2101 contém baixo teor de níquel (1,5%), alto teor de manganês (5,5%), Cr 21%, Mo 0,3% e um valor PREN de 26-28. É utilizado em equipamento de construção e de proteção ambiental.
O ponto-chave é: a primeira e a segunda gerações são classes de aplicação principais. A segunda geração melhora significativamente a resistência à corrosão através do aumento do teor de crómio, molibdénio e azoto; a terceira geração está optimizada para ambientes corrosivos específicos (como o ácido clorídrico de alta concentração); a quarta geração consegue controlar os custos através da redução do teor de níquel.
Aplicação e seleção de materiais do aço inoxidável duplex
A indústria do petróleo e do gás é a principal área de aplicação do aço inoxidável duplex. O sistema coletor da plataforma de produção de petróleo em alto mar usa aço inoxidável duplex (como 2507) para resistir à corrosão da água do mar (PREN≥40) e alta pressão (≥600 MPa); o revestimento do tanque de armazenamento de GNL usa 2205 ou 2507, levando em consideração a tenacidade em baixa temperatura (-50 ℃) e a resistência à corrosão sob tensão do sulfeto de hidrogênio. Nos campos químico e energético, os dispositivos de dessulfuração úmida e os dutos de refrigeração de energia nuclear usam 2205 ou 2507 para resistir ao ácido sulfúrico, corrosão média do ácido fosfórico e corrosão por estresse de sulfeto de alta temperatura. Nos domínios da construção e da proteção do ambiente, o LDX 2101 é utilizado em guarda-corpos de pontes e em equipamentos de tratamento de esgotos, reduzindo os custos de manutenção graças ao seu baixo custo de níquel (1,5%) e à sua boa resistência à corrosão atmosférica/esgotos.
A seleção do material deve centrar-se no ambiente corrosivo (como a água do mar, ácido, concentração de iões cloreto), propriedades mecânicas (suporte de pressão, resistência ao impacto), custo (teor de níquel e utilização de material) e requisitos de processamento e soldadura. Por exemplo, o 2507 com PREN ≥ 40 é preferido em ambiente de água do mar; o equipamento químico tem de escolher 2205 ou 2507 de acordo com a concentração média; e o LDX 2101 económico pode ser utilizado para guarda-corpos de edifícios. As soluções típicas para os problemas incluem: controlo da entrada de calor durante a soldadura para evitar a fragilização (utilizando fio de soldadura adequado e um processo de soldadura multipasse multicamada); tratamento de superfície (Ra ≤ 0,8μm) e conceção estrutural (evitando lacunas) para evitar a corrosão.
Processo de produção e pontos de qualidade
A produção de aço inoxidável duplex começa com a fundição. As matérias-primas são fundidas num forno de arco elétrico (EAF) e depois transferidas para um forno de descarbonetação com oxigénio e árgon (AOD) para descarbonetação, e o teor de carbono é controlado a ≤0,03% (o aço super duplex requer ≤0,02%). A descarbonetação de oxigênio a vácuo (VOD) reduz ainda mais as impurezas e, após a fundição contínua em placas, a laminação a quente (1050-1150 ℃) e a laminação a frio são realizadas e, finalmente, o recozimento (têmpera em água 1020-1100 ℃) é realizado para restaurar o equilíbrio duplex.
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