Soldadura de aço inoxidável

1. Características do aço inoxidável

Adicionando o cromo (Cr) ao ferro (Fe), o ferro torna-se resistente à corrosão dentro a atmosfera. Quando o índice Cr aumentar a 11~12% ou mais, a resistência à corrosão do aço torna-se notàvel alta.

Daqui, o aço com uma quantidade tão alta de Cr é designado por "aço inoxidável", onde “inoxidável” significa estar livre de mancha de oxidação.

A razão pela qual o aço inoxidável tem uma boa resistência à corrosão é que o Cr nela é oxidado na atmosfera e forma um filme protector nomeado “filme passivo” em sua superfície.

Segundo as circunstâncias ambientais em que o aço inoxidável é usado, o índice Cr é aumentado e o Ni e outros elementos são adicionados tambem ao aço.

Contudo, desde que sua resistência à corrosão é fornecida principalmente com o Cr, o Cr é um elemento essencial para o aço inoxidável. O padrão de JIS define o aço inoxidável como “o aço ligado que contem Cr ou Cr-Ni para melhorar a resistência à corrosão, geralmente contendo aproximadamente 10,5% ou mais de Cr". Similarmente, o Manual de Soldadura de AWS (Vol. 4) define os aços inoxidáveis como “aços de liga com um índice Cr nominal pelo menos de 11%, com ou sem outras adições de liga.”

“O aço inoxidável é altamente resistente ao calor assim como resistente à corrosão, e por conseguinte seu uso é versátil, dos produtos de uso doméstico ao equipamento químico, navios, estoque de rolamento, máquinas de transformação de produtos alimentares, materiais arquitectónicos e equipamento eléctrico nuclear, e portanto o aço inoxidável é importante para nossas indústrias.”

2. Vários tipos de aço inoxidável

O aço inoxidável pode ser dividido a grosso modo no aço inoxidável Cr e no aço inoxidável Cr−Ni.

Estas duas categorias podem mais ser classificadas com base na sua estrutura metalográfica segundo as indicações da Fig. 1. O aço inoxidável Cr pode ser dividido em aço inoxidável martensítico e aço inoxidável ferrítico, e o aço inoxidável Cr−Ni pode ser dividido em aço inoxidável austenítico, aço inoxidável austenite/ferrite (aço inoxidável duplex) e aço inoxidável de endurecimento precipitado.

(1) Aço inoxidável martensítico

Uma categoria típica de aço inoxidável martensítico conforme o padrão de JIS é SUS410 (AISI 410) (ver a Tabela 1.).

Contem 13%Cr e sua estrutura metalográfica é martensítica na temperatura de sala e é duro e frágil.

Embora as boas propriedades mecânicas podem ser obtidas com esta categoria de aço pelo tratamento térmico apropriado (temperagem), considera-se ser inferior a outras categorias de aço inoxidável na resistência à corrosão porque seu índice Cr é baixo.

Os usos de aço inoxidável martensítico são para as palhetas de turbinas, as válvulas e os eixos que exigem uma alta resistência, e excelentes resistências à abrasão e ao calor.

Tabela 1. Requisitos químicos para os aços inoxidáveis martensíticos
(extraído de JIS G 4305−1999 e suplementado com AISI) ^*1 （％）

Categoria de aço JIS (AISI)	C	Si	Mn	P	S	Cr
SUS410 (410)	0.15 max.	1.00 max.	1.00 max.	0.040 max.	0.030 max.	11.50~13.50
SUS410S (410S)	0.08 max.	1.00 max.	1.00 max.	0.040 max.	0.030 max.	11.50~13.50
(Nota) *1. Para os requisitos de AISI, refira a especificação relevante.

(2) Aço inoxidável ferrítico

A Tabela 2 mostra as categorias típicas de aço inoxidável ferrítico.

Contem o Cr de aproximadamente 18% e tem uma estrutura metalográfica de ferrite que é macio e boa na maquinabilidade. Mas dá problemas metalúrgicos quando é aquecido em uma alta temperatura.

Em comparação ao aço inoxidável martensítico, sua resistência à corrosão é melhor e tambem resistente ao ácido nítrico (HNO3) porque seu índice Cr é mais alto.

As aplicações de aço inoxidável ferrítico são encontradas extensamente no interior e exterior das arquiteturas, nos dispositivos de cozinha, automóveis e eletrodomésticos.

Tabela 2. Requisitos químicos dos aços inoxidáveis ferríticos
(extraído de JIS G 4305 e suplementado com o AISI)^*1 （％）

Categoria de aço JIS (AISI)	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	N	Outros
SUS405 (405)	0.08 max.	1.00 max.	1.00 max.	0.040 max.	0.030 max.	11.50~14.50	－	－	Al : 0.10~0.30
SUS430 (430)	0.12 max.	0.75 max.	1.00 max.	0.040 max.	0.030 max.	16.00~18.00	－	－	－
SUS430LX (－)	0.030 max.	0.75 max.	1.00 max.	0.040 max.	0.030 max.	16.00~19.00	－	－	Ti or Nb : 0.10~1.00
SUS444 (444)	0.025 max.	1.00 max.	1.00 max.	0.040 max.	0.030 max.	17.00~20.00	1.75~2.50	0.025 max.	Ti, Nb, Zr ou seu total 8× (C%+N%)~0.80
(Nota) *1. Para os requisitos de AISI, refira a especificação relevante.

(3) Aço inoxidável austenítico

A Tabela 3 mostra as categorias típicas de aço inoxidável austenítico.

A categoria a mais comum de aço inoxidável austenítico é SUS304 ou AISI 304 (18%Cr−8%Ni). SUS316 ou AISI 316 (18%Cr−12%Ni−2%Mo) oferecem melhor resistência à corrosão, e é usada tambem extensamente.

Porque o aço inoxidável austenítico oferece boa resistência à corrosão, funcionalidade, excelentes propriedades mecânicas e capacidade de soldadura, é amplamente utilizado para a fabricação dos depósitos de armazenamento, permutadores de calor, facilidades do tratamento de águas residuais, utensílios da cozinha, banho cubas, dissipadores, e assim por diante.

Tabela 3. Requisitos químicos para os aços inoxidáveis austeníticos
(extraído de JIS G 4305−1999 e suplementado com o AISI) ^*1 （％）

Categoria de aço JIS (AISI)	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	Cu	N	Outros
SUS304 (304)	0.08 max.	1.00 max.	2.00 max.	0.045 max.	0.030 max.	8.00 ~10.50	18.00 ~20.00	－	－	－	－
SUS304L (304L)	0.030 max.	1.00 max.	2.00 max.	0.045 max.	0.030 max.	9.00 ~13.00	18.00 ~20.00	－	－	－	－
SUS304LN (304LN)	0.030 max.	1.00 max.	2.00 max.	0.045 max.	0.030 max.	8.50 ~11.50	17.00 ~19.00	－	－	0.12 ~0.22	－
SUS309S (309S)	0.08 max.	1.00 max.	2.00 max.	0.045 max.	0.030 max.	12.00 ~15.00	22.00 ~24.00	－	－	－	－
SUS310S (310S)	0.08 max.	1.50 max.	2.00 max.	0.045 max.	0.030 max.	19.00 ~22.00	24.00 ~26.00	－	－	－	－
SUS316 (316)	0.08 max.	1.00 max.	2.00 max.	0.045 max.	0.030 max.	10.00 ~14.00	16.00 ~18.00	2.00 ~3.00	－	－	－
SUS316L (316L)	0.030 max.	1.00 max.	2.00 max.	0.045 max.	0.030 max.	12.00 ~15.00	16.00 ~18.00	2.00 ~3.00	－	－	－
SUS316LN (316LN)	0.030 max.	1.00 max.	2.00 max.	0.045 max.	0.030 max.	10.50 ~14.50	16.50 ~18.50	2.00 ~3.00	－	0.12 ~0.22	－
SUS317 (317)	0.08 max.	1.00 max.	2.00 max.	0.045 max.	0.030 max.	11.00 ~15.00	18.00 ~20.00	3.00 ~4.00	－	－	－
SUS317L (317L)	0.030 max.	1.00 max.	2.00 max.	0.045 max.	0.030 max.	11.00 ~15.00	18.00 ~20.00	3.00 ~4.00	－	－	－
SUS321 (321)	0.08 max.	1.00 max.	2.00 max.	0.045 max.	0.030 max.	9.00 ~13.00	17.00 ~19.00	－	－	－	Ti : 5×C% min.
SUS347 (347)	0.08 max.	1.00 max.	2.00 max.	0.045 max.	0.030 max.	9.00 ~13.00	17.00 ~19.00	－	－	－	Nb : 10×C% min.
SUS329 J3L*2 (31803)	0.030 max.	1.00 max.	2.00 max.	0.040 max.	0.030 max.	4.50 ~6.50	21.00 ~24.00	2.50 ~3.50	－	0.08 ~0.20	－
SUS329 J4L*2 (32250)	0.030 max.	1.00 max.	1.50 max.	0.040 max.	0.030 max.	5.50 ~7.50	24.00 ~26.00	2.50 ~3.50	－	0.08 ~0.30	－
SUS630*3 (S17400)	0.07 max.	1.00 max.	1.00 max.	0.040 max.	0.030 max.	3.00 ~5.00	15.00 ~17.50	－	3.00 ~5.00	－	Nb : 0.15~0.45
(Nota) *1. Para os requisitos AISI, refira a especificação relevante. *2. Aço inoxidável austenite−ferrite (aço inoxidável duplex) *3. Aço inoxidável de endurecimento precipitado

3. Propriedades físicas do aço inoxidável

A Tabela 4 mostra uma comparação das propriedades físicas entre o aço inoxidável e o aço carbono.

É preciso ter cuidado ao soldar os aços inoxidáveis porque existem grandes diferenças em propriedades físicas entre o aço inoxidável e o aço carbono, que afectam a capacidade de soldadura directamente ou indirectamente.

Por exemplo, embora o coeficiente de expansão térmica do aço inoxidável martensítico e ferrítico é quase o mesmo que de que do aço carbono, isso do aço inoxidável austenítico é 1,5 vezes tanto quanto aquele do aço carbono. Isto indica que a deformação e a tensão se tornam consideravelmente grandes na soldadura de de aço inoxidável austenítico do que na soldadura do aço carbono.

Além disso, se uma junta de solda que contém aço inoxidável austenítico e aço carbono é sujeitado aos ciclos térmicos, possam surgir esforços térmicos devido a diferença do coeficiente de expansão térmica entre os dois materiais. Assim, existe um problema ao usar uma junta de solda de metais dissimilares que contém aço inoxidável austenítico em um ambiente onde a temperatura muda de modo cíclico.

Ainda mais, como a resistência elétrica do aço inoxidável é muito mais alto do que isso do aço carbono, a queimadura do eléctrodo tende a ocorrer com os eléctrodos cobertos de aço inoxidável na soldadura com arco protegido. Conseqüentemente, as correntes de soldadura apropriadas sejam mais baixas do que aqueles para os eléctrodos de aço carbono.

Os aços inoxidáveis martensíticos e ferríticos são ferromagnéticos enquanto o aço inoxidável austenítico é normalmente não magnético.

Contudo, existem inúmeros casos em que o metal de solda de aço inoxidável austenítico é concebido para conter alguma estrutura ferrítica; nesses casos, possui alguma extensão de magnetismo.

A existência ou ausência de magnetismo é útil para uma avaliação aproximada da categoria de aç com relação ao procedimento de soldadura. Por exemplo, o pré-aquecimento não é aplicado ao aço inoxidável não magnético mas o pré-aquecimento é eficaz para o aço inoxidável magnético em muitos casos.

Tabela 4. Comparação das propriedades físicas entre o aço carbono e os aços inoxidáveis

	Aço carbono	Aço inoxidável martensítico	Aço inoxidável ferrítico	Aço inoxidável austenítico
Condutibilidade térmica 10−2Cal/cm/sec℃	Aproximadamente 11	Aproximadamente 6	Aproximadamente 6	Aproximadamente 4
Coeficiente de expansão térmica 10−6/℃	Aproximadamente 11	Aproximadamente 11	Aproximadamente 11	Aproximadamente 17
Resistência eléctrica μΩcm	15	57	60	72
Magnetismo	Sim	Sim	Sim	Não

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