Fundição de aço resistente ao calor: classes de liga, processos de fundição e seleção

Um pedido de substituição conta a mesma história com mais frequência do que deveria. Uma planta de tratamento térmico repetiu um pedido de bandejas de forno com o mesmo desenho, mas com um grau um pouco mais barato, e em seis meses as bandejas na zona quente haviam cedido 40 mm, enquanto duas racharam nas nervuras. O desenho não mudou, mas o substituto com baixo teor de níquel não tinha dados de fluência para a atmosfera de cementação de 980 °C. É assim que funciona a fundição de aço resistente ao calor: o tipo, o processo de fundição e as condições operacionais determinam a vida útil muito antes de a peça sair da fundição.

Especificar corretamente peças fundidas de aço resistentes ao calor significa combinar três escolhas interdependentes: uma liga cuja escala de óxido permaneça estável na temperatura operacional, um processo de fundição que forneça uma estrutura sólida para a geometria da peça e um projeto que tolere os ciclos térmicos que o componente realmente experimenta. Quando um deles está fraco, nenhuma rotina de inspeção ou revestimento superficial salvará a peça em serviço.

O que torna um aço resistente ao calor

Os aços resistentes ao calor devem a maior parte de sua estabilidade ao cromo, que forma uma camada fina e firmemente ligada de óxido de cromo na superfície. O aço carbono simples começa a escalar visivelmente acima de aproximadamente 420 °C; um grau de fundição resistente ao calor normalmente contém 12 a 25 por cento de cromo, de modo que a película protetora permanece estável entre 700 e 1100 °C. O níquel mantém a estrutura austenítica estável em altas temperaturas e reduz a expansão térmica, o que reduz a tensão que leva à trinca por fadiga térmica. O silício melhora a aderência à incrustação e as adições de nióbio ou tungstênio aumentam a resistência à fluência nas zonas mais quentes.

A temperatura operacional por si só não é suficiente para selecionar uma classe. A atmosfera é igualmente importante: oxidação, cementação, sulfetação ou condições alternadas de oxidação e redução alteram completamente as reações da superfície. Nas atmosferas dos fornos de cementação, o carbono se difunde através da camada de óxido e fragiliza a liga ao longo do tempo. A interação de cada elemento com esses ambientes é apresentada em nossa análise de elementos de liga comuns e suas funções em aço resistente ao calor .

Notas que você realmente especificará

Em construtores de fornos, oficinas de tratamento térmico e projetos petroquímicos, um pequeno conjunto de classes fundidas cobre a maior parte do trabalho. Os números de classe alemães abaixo são amplamente utilizados nas especificações de fundição europeias e asiáticas, e os tipos ASTM A 297 fornecem uma referência cruzada rápida para engenheiros que trabalham com projetos baseados nos EUA.

Estas são classes fundidas, não produtos forjados. A estrutura fundida é menos trabalhada mecanicamente, portanto os dados de resistência devem vir de barras de teste fundidas separadamente, e não de valores de placas testadas em usinagem. Esse é mais um motivo para comprar de uma fundição que publica seus próprios dados de teste, em vez de importar números de uma folha de dados escrita para uma rota de fabricação diferente.

Como o processo de fundição altera a vida útil

A mesma liga pode se comportar de maneira muito diferente dependendo de como foi vazada. Três processos dominam a fundição de aço resistente ao calor, e a geometria da peça geralmente aponta para um deles.

A fundição centrífuga gira o metal fundido em uma matriz rotativa, produzindo uma estrutura radial densa com baixa porosidade. É a rota padrão para tubos radiantes, rolos de forno, mangas e qualquer peça cujo comprimento seja várias vezes maior que o seu diâmetro. A linha centrífuga em nossa fábrica cobre diâmetros de 50 mm a 1.000 mm e comprimentos de até 4.000 mm, que lidam com a maior parte da geometria de tubos de fornos industriais.

Tubo radiante 1.4852 fundido centrifugamente para aquecimento de forno Este tubo radiante 1.4852 é produzido por fundição centrífuga, garantindo uma estrutura radial densa e de baixa porosidade. Com resistência ao calor até 900°C e diâmetros de 50 a 1200 mm, adapta-se a diversas aplicações de aquecimento de fornos. Ver Produto →

A fundição de precisão, incluindo espuma perdida, é escolhida quando os contornos são complexos, a espessura da parede deve ser uniforme ou a usinagem deve ser minimizada. Bandejas, cabides, suportes e acessórios de precisão se beneficiam do formato quase final e do acabamento superficial mais fino da rota de investimento.

A moldagem em areia de resina continua sendo a abordagem econômica para estruturas grandes e luminárias pesadas acima de algumas centenas de quilogramas, onde a usinagem é planejada de qualquer maneira e o custo de um padrão é justificado pela quantidade.

Seis pontos para acertar ao especificar

1. Indique a atmosfera real do forno. Uma classe que sobrevive a 1.050 °C no ar pode falhar rapidamente em uma atmosfera de cementação enriquecida porque o carbono se difunde na liga e destrói a ductilidade.
2. Defina o ciclo térmico, não apenas a temperatura de pico. Número de ciclos, taxa de aquecimento e fadiga térmica do meio de têmpera; Os fornos em lote geralmente matam os equipamentos mais rapidamente do que os fornos contínuos.
3. Defina regras dimensionais apropriadas para fundição. Os ângulos de inclinação, as tolerâncias de usinagem e a espessura mínima da seção devem ser realistas para o processo selecionado, ou a peça sofrerá tensões internas decorrentes da solidificação.
4. Escolha um pacote de inspeção para o nível de risco. A espectroscopia de leitura direta cobre química, o exame metalográfico verifica a estrutura e a varredura tridimensional verifica dimensões críticas em estruturas complexas.
5. Aprove as condições de reparo da solda com antecedência. As peças fundidas de longa duração são quase sempre reparadas em algum momento; o enchimento correspondente, o pré-aquecimento e o tratamento térmico pós-soldagem determinam se o reparo sobrevive ao primeiro ano.
6. Peça evidências de serviços anteriores. Duas fundições podem fundir o mesmo tipo nominal com comportamento diferente devido ao canal, temperatura de vazamento e tratamento térmico; experiência com o mesmo tipo de peça no mesmo tipo de forno é informação que nenhum desenho contém.

O que cada indústria precisa de um fornecedor de fundição

As estações de tratamento térmico operam bandejas de materiais, estruturas de suporte, retortas e conjuntos completos de acessórios acima de 900 °C por milhares de horas. A distorção e a carburação, em vez do derretimento, decidem quando uma peça é retirada. É por isso que o programa de jogos do nosso indústria de tratamento térmico os clientes confiam nas peças fundidas 1.4848 e 2.4879 e por que as estruturas são fundidas em uma única peça, em vez de soldadas a partir de diversas placas, sempre que o projeto do forno permitir.

1.4848 Estrutura de tratamento térmico para carregamento de alta temperatura Fundida em aço resistente ao calor 1.4848, esta estrutura é construída para uso repetido em fornos de alta temperatura. Oferece forte resistência à oxidação e suporte estável para peças, com design que maximiza o espaço e evita deslocamentos. Ver Produto →

As siderúrgicas e as linhas de tratamento térmico contínuo usam rolos de soleira e rolos resfriados a água sob carga mecânica cíclica. A combinação de alta temperatura do metal e resfriamento interno cria gradientes térmicos acentuados, de modo que a parede de fundição que suporta a carga deve estar livre de porosidade. Os tubos radiantes enfrentam condições semelhantes, com picos de temperatura do metal próximos a 1100 °C e uma atmosfera oxidante ou redutora no interior, dependendo da configuração do queimador.

Projetos químicos e petroquímicos misturam temperatura com corrosão. Nessas aplicações, tubos fundidos austeníticos e duplex, como CD3MN 2205 e CF3M 316L, protegem as luvas e os componentes do trocador que devem permanecer estanques em ambientes ácidos e contendo cloreto.

2205 (CD3MN) Mangas resistentes à corrosão para bombas Feitas de aço inoxidável duplex 2205, essas luvas resistem à corrosão por pite, corrosão por cloreto e corrosão sob tensão. Eles são adequados para sistemas de bombas que lidam com ácidos fortes, álcalis e outros líquidos corrosivos, garantindo longa vida útil e estabilidade mecânica. Ver Produto →

Por que as peças falham precocemente e como evitá-las

Falhas prematuras em peças fundidas de aço resistentes ao calor geralmente remontam a um dos quatro mecanismos, cada um com uma contramedida prática.

• A fissuração por fadiga térmica começa em cantos agudos e mudanças bruscas de seção. Distribua a rigidez gradualmente e adicione raios sempre que o projeto permitir.
• A incrustação de oxidação reduz a parede de suporte ao longo do tempo. Se a atmosfera for agressiva, adicione uma tolerância à corrosão no início da vida útil, em vez de descobrir a perda de seção após dois anos.
• A carburação altera a liga de dúctil para quebradiça. Se a atmosfera do forno for rica em carbono, monitore a coleta de carbono em uma amostra sobressalente em intervalos programados e planeje a substituição antes que a ductilidade caia abaixo de um nível seguro.
• A deformação por fluência segue a temperatura real do metal. Um termopar de controle lê a atmosfera do forno, não a liga; basear projeções de vida na temperatura medida da peça.

A fundição de aço resistente ao calor recompensa a mesma disciplina dos fornos que atende: condições operacionais claras, materiais controlados e dados de inspeção honestos. Quando a classe, o processo e a geometria são especificados como um sistema, as peças do forno deixam de ser quebras de emergência e passam a ser manutenções programadas. Quando não estão, o pedido de substituição volta à prancheta.