RA 602 CA: Uma liga para uso nas temperaturas mais extremas

RA 602 CA: Uma liga para uso nas temperaturas mais extremas

Fig. 4. Conjunto de tubos RA 602 CA® após sete anos em serviço

RA 602 CA® – também conhecida como 602 CA® e NiCroFer 6025, que são marcas registradas da VDM – é uma liga resistente ao calor relativamente nova, com excelente resistência à fluência em temperaturas muito elevadas e resistência à oxidação em até 1232°C.

Como resultado de suas excelentes propriedades físico-químicas, e sua disponibilidade na forma de chapas grossas, chapas finas e barras redondas, a liga RA 602 CA tem sido crescentemente utilizada nas aplicações mais exigentes, incluindo tubos radiantes, muflas para uso até 1204°C, dispositivos de fornos para tratamento térmico de austenitização de aços-ferramenta e outras aplicações extremas de alta temperatura.

Composição Química

A composição da liga está mostrada na Fig. 1. A liga utiliza os benefícios de Cromo, Alumínio e Carbono com “microalloying” = com microadições de Zircônio, Titânio e Ítrio. A combinação do relativamente alto carbono com o alto cromo produz carbonetos grandes tipo Cr23C6. Em adição, formam-se carbonetos submicroscópicos de titânio e zircônio. Mesmo o tratamento de solubilização a 1232°C (2250°F) não irá ressolubilizar estes carbonetos, conferindo assim resistência ao crescimento de grão e excelente resistência à fluência. Um teor nominal de 2% de alumínio possibilita a formação de uma contínua camada autoprotetora de subescamas de alumina, que melhora a resistência à oxidação, a resistência à carburização e a resistência ao “metal-dusting” (esfarelamento metálico). O ítrio aumenta a adesão e a resistência à desfragmentação do óxido, aumentando, assim, a resistência à oxidação.

Propriedades

A liga RA 602 CA tem as melhores propriedades de resistência à fluência e resistência à ruptura entre as ligas trabalháveis à base de níquel. A liga RA 602 CA supera o desempenho das ligas HR-120®, HR-160®, RA333®, 601 e outras similares nas mais altas temperaturas (Fig. 2). A indústria de tratamento térmico tem aceitado ambos HR-120 e Alloy 230 como ligas para uso em bandejas e outros acessórios de fornos devido a sua percebida alta resistência à fluência em altas temperaturas.

A literatura técnica disponível online para ambas, HR-120 e Alloy 230, somente fornece dados de resistência à fluência até 982°C e indica que os dados são extrapolados para temperaturas mais altas. RA 602 CA tem dados de resistência à fluência até a temperatura de 1150°C.

A liga RA 602 CA pode ser usada em ambientes oxidantes com temperaturas de até 1232°C. Os resultados de dois recentes estudos de oxidação são mostrados na Fig. 3. A liga Alloy 230 não estava disponível para estes estudos.

Metal-dusting ou Esfarelamento Metálico (também conhecido como carburização catastrófica ou podridão de carbono) é um fenômeno no qual um alto potencial de carbono separa a liga metálica em grafite e metal na superfície do metal. Isto, por sua vez, leva o metal a reduzir sua espessura e finalmente desintegrar-se. O “Metal-dusting” tipicamente ocorre em temperaturas entre 427-650°C.

Um estudo de mais de uma década atrás (Tabela 1) mostrou que RA 602 CA é uma liga excelente para resistir a tal fenômeno. As condições de teste são 649°C, com uma atmosfera de hidrogênio, monóxido de carbono e vapor d’água em equilíbrio para atingir um potencial de carbono maior que 1%. Note que esta liga estava com acabamento bruto de usina. A liga 601 teve preparação de superfície em três modos e a condição de superfície bruta de usina produziu os piores resultados.

O resultado de um segundo estudo conduzido na zona de metal-dusting em um forno de cementação é mostrado na Tabela 2. Neste estudo, tubos de 1” SCH40 em múltiplas ligas, e em alguns casos múltiplas condições de superfície, foram submetidos a um potencial de carbono de 1,2%, em uma temperatura de 926°C, de forma que o tubo está a aproximadamente 593°C apenas no local onde ele sai do refratário.

Historicamente, muitos consideram a liga RA333 como a melhor escolha para este problema de Metal-dusting. Ocorre que recentemente a disponibilidade de RA333 tem se tornado mais limitada, pois ela só é facilmente disponível na forma de “plate” (chapa grossa) e muito se pesquisou para identificar uma alternativa adequada. Nos últimos anos, um grande esforço para identificar tal liga foi realizado por um dos principais fabricantes norte-americanos de equipamentos de capital em suas instalações de tratamento térmico. Somente duas alternativas adequadas foram encontradas:

Liga 625, a qual é limitada a uma temperatura máxima de forno de 982°C, por causa de seu limite de oxidação; e RA 602 CA, que possui limitação a temperaturas mais altas e é assim a alternativa de escolha.

Em adição ao “Metal-dusting”, ligas usadas para dispositivos no processo de tratamento térmico de cementação, tais como fixadores e grelhas, são escolhidas por sua habilidade de resistir à carburização porque seu teor de carbono é também menor que o potencial de carbono do processo. É bastante conhecido o fato que o Níquel tem uma baixa solubilidade para carbono. Portanto, ligas com mais alto teor de Níquel deveriam ser benéficas para resistência à carburização.

Adicionalmente, Cr, Si e Al são todos elementos formadores de óxidos, e óxidos contínuos destes elementos diminuem a difusão do carbono no metal base. Quando se alternam condições entre oxidante e carburante, carbonetos internos são convertidos em óxidos, liberando CO, alargando os contornos de grãos e soltando o óxido de forma que a resistência à carburização pode ser diminuída. A liga RA 602 CA com uma combinação de alto níquel e uma subcamada de alumina termodinamicamente estável torna esta liga mais efetiva na resistência à carburização. (Tabela 3).

Aplicações

Tubos Radiantes

A empresa Euclid Heat Treating, na cidade de Euclid, Ohio, EUA, concordou em testar tubos radiantes com configuração de 3 pernas, fabricados a partir de chapas na liga RA 602 CA com espessura de 3,05 mm. Estes tubos substituíram os tubos fundidos por centrifugação com espessura de 9,53 mm na liga HX. Estes tubos tipicamente tinham vida útil de, no máximo, 4 anos de serviço. O forno de cementação tinha operação contínua a 954°C em potenciais de carbono entre 1.1 – 1.6. Com a manutenção apropriada, incluindo alinhamento de queimadores e queima semanal de carbono, eles conseguiram obter uma vida útil próxima de 9 anos para os tubos.

Uma fotografia da montagem de tubos após sete anos no forno é mostrada na Fig. 4 (foto do título deste trabalho). O custo inicial por tubo é significativamente maior que o tubo fundido que foi substituído – neste caso, pouco mais que 50%. Entretanto, os custos durante a vida útil do equipamento são significativamente menores usando RA 602 CA. Para um custo 50% mais alto do material obtém-se um mínimo de 100% de aumento na vida útil do tubo. A justificativa de custo real é o ciclo completo de substituição, que para uma típica operação de tratamento térmico pode ser entre 3 a 5 dias para o resfriamento do forno, evacuação de todos os gases atmosféricos e deixar o equipamento seguro para os trabalhadores de manutenção entrarem no forno, trocarem os tubos e reaquecê-lo para nova operação. A receita perdida devido a esta parada de operação do equipamento é o custo mais significativo para a maioria das operações de tratamento térmico.

Muflas

A liga RA 602 CA está provando ser a alternativa adequada para muflas que precisam operar nas mais extremas temperaturas – entre 1177°C e 1204°C. Um fornecedor de serviços de tratamento térmico de peças de aço-ferramenta substituiu uma mufla fabricada com a liga RA Europeia 2.4879 (G-NiCr28W) por uma nova mufla em RA 602 CA.  Passados 2 anos de vida útil, a nova mufla não apresentou nenhum sinal de descaimento lateral ou do teto, trabalhando numa temperatura de processo de 1177°C com atmosfera de 100% de Nitrogênio. Baseados no fato de que ainda não ocorreu descaimento, pode-se estimar que esta mufla deve ter uma vida útil adicional de pelo menos um ano.  As muflas anteriores tinham um histórico de falhar entre 1 ano e 1,5 ano por trincas nas regiões de solda ou por excessiva fluência.

Dispositivos de Tratamento Térmico

Como resultado de sua alta resistência à fluência, a liga RA 602 CA é muito adequada para a fabricação de dispositivos e acessórios em muitas aplicações, inclusive tratamentos térmicos sob vácuo. Uma empresa de tratamento térmico fabricou uma grelha serpentina com a liga RA 602 CA, que foi utilizada por mais de 2.000 ciclos. Esta grelha foi projetada para suportar até 907 kg de carga em uma temperatura de 1191°C a 1238°C e estar sujeita a resfriamentos bruscos em têmpera de Nitrogênio a 6-bar num forno a vácuo. Este dispositivo em particular foi fabricado com chapas de espessura de 4,76 mm originando uma grelha de dimensões de 914,4 x 1372 mm. Uma fotografia desta grelha está mostrada na Fig. 5.

Grelhas similares foram fabricadas para uma empresa que faz brasagem de cobre em trocadores de calor de aço inoxidável. Para esta aplicação, duas grelhas de 914,4 x 1219 mm e 914,4 x 1829 mm tiveram uma vida útil que excedeu 3 anos de serviço suportando 272 a 295 kg em temperaturas operacionais de 118°C. Por sua maior resistência à fluência, estes dispositivos em RA 602 CA proporcionaram uma redução de peso de 7 a 20% de grelhas similares em Alloy 600 e Molibdênio, permitindo aumento de eficiência da operação ou uma redução de energia no processo.

RA 602 CA foi usado para fabricar cestos de tratamento térmico para brocas de aço. O ciclo do processo é 20-45 minutos em temperatura até 1177°C, seguido por resfriamento em Nitrogênio a 2-bar e finalizando com revenimento a 566°C. Cada cesto é usado para até 6 ciclos por dia. O cesto foi construído com barras redondas de diâmetro de 9,525 mm. Após algum tempo é necessário algum endireitamento das barras, mas a frequência e a severidade desta manutenção foram significativamente reduzidas quando comparada aos cestos anteriormente utilizados que eram fabricados em Alloy 600. Uma fotografia destes cestos após 500 ciclos em 90 dias é vista na Fig. 6.

Retortas

A liga RA 602 CA foi usada para substituir uma retorta originalmente fabricada em Alloy 600 para um processo de aluminização em altas temperaturas (CVD aluminizing) com uma temperatura de processo de 1149°C. A retorta está submentida a temperaturas que se aproximam de 1204°C. Esta nova retorta tem um aumento de 6 vezes  na vida útil  quando comparada com  o tempo de um ano da retorta original em Alloy 600.

No teste original, o cliente concordou em construir a retorta com alguns canais em Alloy 600 e, no topo, com alguns canais em RA 602 CA. A temperatura de processo foi de 1093°C. Esta retorta está parcialmente mostrada na Fig. 7. Após diversos meses de operação, os canais em Alloy 600 se deformaram e perderam espessura devido à oxidação, enquanto os canais em RA 602 CA tinham aparência de praticamente novos. A empresa mudou todas as retortas da fábrica para retortas novas fabricadas em RA 602 CA.

Áreas Adicionais de Interesse

Como declarado anteriormente, a liga RA 602 CA exibe excelente resistência à carburização, o que a torna adequada para utilização em cestos a serem utilizados em processos de cementação.  Com o aumento de Carbono, no entanto, não é claro como um cesto soldado irá responder a ciclos de aquecimento em alta temperatura e posterior resfriamento brusco. Um novo teste está sendo conduzido para estudar, em condições reais, uma amostra soldada por resistência, que, por sua vez, está soldada a um cesto novo.

Tradução gentilmente cedida por Claudio Czarnobai, Representante Comercial no Brasil da Rolled Alloys; tel: (11) 3825-2966/ (11) 99112-2703; e-mail: claudioczarnobai@intwinds.com; site: www.itwmetals.com.br/br.

Para mais informações: Marc Glasser da Rolled Alloys, 125 West Sterns Road, Temperance, MI – EUA; tel: (+1) 800-521-0332; e-mail: metallurgical-help@rolledalloys.com; site: www.rolledalloys.com.

Referências


[1] D. C. Agarwall & U. Brill, “Performance of Alloy 602CA (UNS N06025) in High Temperature Environments up to 1200°C,” Corrosion 2000, Paper number 00521, NACE International, Houston, Texas, 2000;
[2] D. C. Agarwall, U. Brill & J. Kloewer, “Recent Results on Metal Dusting of Nickel Base Alloys and Some Applications,” Corrosion 2001, Paper number 01382, NACE International, Houston, Texas, 2001;
[3] J. P. Kelly, Heat Resistant Alloys, Art Bookbindery, Canada, 2013,    www.rolledalloys.com RA 602 CA case histories.

 

 

Marc Glasser
Marc Glasser
Rolled Alloys; +1 800-521-0332, Metallurgical-help@rolledalloys.com; www.rolledalloys.com.

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