Prevenção de fissuras em lingotes de aço 1Cr17Ni2 no forjamento: Dicas de especialistas

1. Prefácio

Dois lingotes de aço de 4,6 t fabricados em 1Cr17Ni2 desenvolveram fissuras transversais graves durante o processo de forjamento e um deles também apresentou fissuras longitudinais graves, o que teve um impacto significativo nos produtos do lote. Para evitar problemas semelhantes na produção futura, foi efectuada uma análise para determinar as causas das fissuras nos lingotes.

O processo de aquecimento do lingote envolveu manter o lingote a 500 ℃ por 2 horas, depois aumentar a temperatura para 850 ℃ a uma taxa de 100 ℃ por hora e manter essa temperatura por 2 horas. A temperatura foi então aumentada para 1180 ℃ e mantida por 6 horas antes que o lingote fosse removido do forno para forjamento.

No entanto, ocorreram fissuras graves durante a primeira compactação a fogo.

2. Observação no local

A superfície do lingote apresenta numerosas fissuras transversais com aberturas largas. A fenda longitudinal corre ao longo do comprimento do lingote e está situada no centro do lingote. A abertura da fenda é estreita e ambas as extremidades do lingote, a cabeça e a cauda, estão partidas, como se pode ver nas Figuras 1 a 4.

A fratura original oxidou e aparece com um aspeto negro-acinzentado, uma morfologia causada pela alta temperatura típica das fracturas.

3. Análise dos ensaios

3.1 Análise do ensaio de baixa ampliação

O provete de secção transversal na fenda do lingote foi submetido a um ensaio de lixiviação ácida a quente. Os resultados são apresentados no Quadro 1.

Quadro 1 Ensaio de lixiviação ácida a quente do provete de secção transversal

A secção transversal de ensaio do lingote de aço tem uma forma essencialmente quadrada, com uma fenda aberta localizada no centro de um dos lados. A fenda tem uma profundidade de aproximadamente 6 mm, que corresponde à profundidade vertical da macro fenda longitudinal no lingote de aço.

O bordo do provete apresenta um padrão de cristais colunares e várias pequenas fissuras, com um comprimento máximo de cerca de 10 mm, como se pode ver nas Figuras 5 a 7.

Os resultados dos ensaios indicam que o lingote apresenta severa segregação de forma após ser submetido ao forjamento (apenas prensagem Square), tornando-o não qualificado. As pequenas fissuras observadas estão relacionadas com a altura dos cristais colunares no lingote fundido.

3.2 análise do ensaio de fratura

A fratura artificial é uma fratura típica da casca, como mostra a Fig. 8.

Os resultados dos testes revelam que a fratura da casca é uma fratura anormal e a sua formação requer uma análise mais aprofundada.

3.3 Análise da composição química

Foram recolhidas amostras da superfície do lingote de aço e de uma localização R/2 para análise da composição química. Os resultados são apresentados no Quadro 2. Verificou-se que a composição química cumpre os requisitos técnicos para o aço 1Cr17Ni2.

Quadro 2 composição química do aço 1Cr17Ni2 (fração mássica) (%)

3.4 Deteção de inclusões não metálicas

Foi retirada uma amostra de grande ampliação da peça de ensaio para a deteção de não metálico e foi avaliada de acordo com o método de inspeção microscópica para determinar o teor de inclusões não metálicas no aço, tal como especificado na tabela de classificação da norma GB/T10561-2005. Os resultados podem ser vistos na Tabela 3.

Quadro 3 Resultados dos ensaios de inclusões não metálicas (grau)

Verificou-se que o lingote tinha um grau de pureza qualificado, mas continha muitas inclusões de alumina de classe B.

3.5 Análise metalográfica

A estrutura metalográfica e o tamanho do grão das amostras retiradas de diferentes posições foram testados, e os resultados são apresentados na Tabela 4.

Quadro 4 estrutura metalográfica e ensaio de granulometria

Os resultados dos ensaios indicam que a microestrutura é constituída por martensiteA estrutura do aço é composta por ferrite, carbonetos intergranulares e uma estrutura lamelar. Os carbonetos estão uniformemente distribuídos ao longo dos limites dos grãos e precipitaram ao longo dos cristais colunares originais, resultando num aumento da fragilidade e numa diminuição das propriedades mecânicas do aço. A estrutura metalográfica de cada peça está representada nas Figuras 9 a 14.

3.6 Análise de fissuras

A micro-morfologia das pequenas fissuras de baixa ampliação é caracterizada por larguras variáveis, um aspeto intermitente, limites difusos e pontas descontínuas. Além disso, existem fissuras muito finas localizadas perto das pequenas fissuras que estão dispostas numa forma linear intermitente ou em ilha.

Após o tratamento com uma solução aquosa de ácido clorídrico com elevado teor de cloreto de ferro, a microestrutura das pequenas fissuras e microfissuras encontra-se principalmente ao longo da ferrite com uma distribuição cristalina colunar. Não há alterações significativas na microestrutura perto das fissuras, como demonstrado nas Figuras 15 a 18.

Os resultados indicam que as pequenas fissuras e microfissuras nas peças forjadas estão intimamente relacionadas com os carbonetos distribuídos ao longo dos cristais colunares no estado fundido.

3.7 Análise de microfractura

A fratura macroscópica em forma de concha é caracterizada por plumas de clivagem e linhas de cristas lacrimais que se formam entre clivagens paralelas quando observadas num microscópio eletrónico de varrimento. A superfície cristalina livre de fundição e as partículas e inclusões de segunda fase localmente visíveis podem ser vistas, como ilustrado nas Figuras 19 a 22.

A origem das microfissuras de clivagem está localizada na superfície livre do cristal no limite do grão. A análise do espetro de energia revelou que contém principalmente elementos como C, Al, Si, Cr, Ni, entre os quais Al, Si, Cr e outros elementos têm uma composição mais elevada do que o nível médio, enquanto o elemento Ni tem uma composição mais baixa. A composição da micro-região de clivagem é semelhante à composição macroquímica.

Os resultados indicam que a fratura em forma de concha é causada pela micro segregação de alumínio no aço.

4. Discussão

Os resultados do ensaio de composição química indicam que o material do lingote cumpre as especificações técnicas do aço 1Cr17Ni2. No entanto, a uniformidade da estrutura do lingote é fraca e a segregação do lingote foi classificada como grau 3.5, que é considerado não qualificado.

A segregação do lingote deve-se à acumulação de impurezas e à segregação de componentes na junção entre a região do cristal colunar e a região central do cristal equiaxial. Além disso, existem numerosas pequenas fissuras na região de cristais colunares de baixa ampliação, com uma morfologia de microfissuras que se assemelha à morfologia de carboneto dos cristais colunares fundidos.

A estrutura pós-forjamento do lingote é composta por martensite de baixo teor de carbono, ferrite, carboneto e uma estrutura lamelar, com um tamanho de grão de 3,5-5,0. A estrutura na região cristalina colunar ainda mantém a sua forma colunar, com um grande número de carbonetos continuamente distribuídos no limite do grão, o que contribui para a fragilidade da estrutura.

A fratura em forma de concha na região cristalina colunar do lingote é uma fratura anormal, com uma microfractura que exibe clivagem e sulcos de rutura, indicando a fragilidade do lingote. A origem da microfissura de clivagem está localizada na superfície cristalina livre do limite de grão e é causada pela presença de carbonetos contendo Cr e uma segunda fase contendo Al.

Quando o teor de alumínio excede 0,09%, é mais provável que a fratura em forma de concha ocorra na região do cristal colunar. Durante o processo de desoxidação do alumínio, se o teor de alumínio não for rigorosamente controlado, pode resultar uma quantidade significativa de resíduos de alumínio. Embora o teor original de alumínio no aço fundido cumpra as normas, devido ao baixo ponto de fusão do alumínio, a concentração de alumínio no aço fundido residual aumenta significativamente, levando à precipitação de uma segunda fase contendo alumínio em forma de dendrite, que é um tipo de micro segregação.

Quando o processo de cristalização é lento, a segunda fase contendo alumínio dendrítico precipita-se a partir do aço fundido residual e é empurrada para o limite do grão da cristalização primária. Se a velocidade de cristalização da matriz exceder uma velocidade crítica, a segunda fase fica presa no cristal em crescimento e acaba por aumentar a sensibilidade à fratura intergranular.

O processo de aquecimento do lingote de aço envolve o aquecimento a 500°C durante 2 horas, depois o aquecimento a 850°C a uma taxa de 100°C por hora durante 2 horas, o aquecimento a 1180°C durante 6 horas e, finalmente, a remoção do forno para forjar.

O 1Cr17Ni2 é um aço inoxidável duplex martensítico-ferrítico que apresenta fragilidade a 475°C. Aconselha-se a evitar o aquecimento prolongado no intervalo de temperatura de 400-525°C. Quando o aço 1Cr17Ni2 é aquecido acima de 900°C, a sua tendência de crescimento do grão aumenta, causando um aumento da fragilidade e piorando as condições de forjamento.

5. Conclusão

Os resultados da análise da composição química mostram que o material do lingote está em conformidade com as especificações técnicas do aço 1Cr17Ni2. No entanto, a uniformidade da sua microestrutura é inadequada e a segregação do lingote é significativa.

A estrutura pós-forjamento do lingote de aço é pobre, sendo a principal causa uma conceção incorrecta do processo de aquecimento que aumenta o risco de fragilidade a 475°C. Além disso, o arrefecimento lento do lingote durante a fundição leva à precipitação de uma fase contendo alumínio na região cristalina colunar, o que aumenta a sensibilidade às fracturas intergranulares.

Estes dois factores combinam-se para causar fissuras durante o forjamento.