Uma nova liga para altas e extremas temperaturas

Os materiais e sistemas  tipo Kanthal – Sandvik vêm sendo, por muito tempo, a solução padrão em aquecimento elétrico. Quando se trata de ligas metálicas temos a FeCrAl (Kanthal®) e a NiCr (Nikrothal®) e quando se trata de elementos de aquecimento tipo cerâmicos temos o Kanthal SuperTM (MoSi2) e o Globar® (SiC)

Para processos térmicos e de aquecimento, os materiais mais recentes são o Kanthal APMTM e o Kanthal APMT. O desenvolvimento destes materiais está dando agora mais um passo com a introdução dessa liga APMT na confecção de componentes tais como retortas para fornos de sinterização na metalurgia do pó, roletes para fornos de altas temperaturas e outros componentes de fornos.

Tradicionalmente, as ligas à base de Ni, fundidas ou forjadas, são as mais comumente utilizadas para construções que trabalharão em altas temperaturas. No entanto, a sua resistência à oxidação é limitada às temperaturas de 1.000 – 1.100°C e a sua sensiblidade às atmosferas cementantes é problema em muitos processos industriais de altas temperaturas.

Já as ligas forjadas convencionais para altas temperaturas são muito superiores nestes aspectos, com resistência à oxidação até 1.400°C devido à habilidade de formar uma camada de alumina protetora e com crescimento lento durante a aplicação. A desvantagem destas ligas é a relativamente baixa resistência mecânica em altas temperaturas, a qual limita fortemente as suas aplicações em componentes que estarão sob tensões mecânicas.

Com a introdução do processo de rápida solidificação (RSP em inglês), obtido através da metalurgia do pó, a resistência mecânica das ligas de FeCrAl foi fortemente melhorada e o APM, produto resultante, foi apresentado pela primeira vez ao grande mercado com um artigo publicado nesta revista, em 1989. Desde então, esta liga tem se tornado mundialmente a escolha preferida para elementos de aquecimento elétrico de alto desempenho e também para tubos radiantes (Fig.1).

As melhorias na resistência mecânica alcançadas com a liga APMT, recentemente desenvolvida, preenchem, ainda, a lacuna entre as ligas metálicas de alta temperatura e as cerâmicas, em termos de temperatura de aplicação (Fig.2).

Aumento no Tempo de Vida Útil em Diferentes Tipos de Atmosferas Industriais

O tempo de vida útil é tipicamente limitado pela deformação por fluência e/ou pela oxidação. Em temperaturas mais baixas e cargas altas, a falha é frequentemente controlada pelas propriedades mecânicas, ao passo que o processo de oxidação é crítico em altas temperaturas e abaixo de um certo nível de carga. Em altas temperaturas, a camada fina e aderente de alumina que se forma no APMT durante o processo apresenta grandes vantagens quando comparada com a formação do óxido de cromo nas ligas à base de Ni em termos de: baixa taxa de oxidação; aderência muito alta da camada de óxido; estabilidade química em relação à água, ao carbono e ao enxofre; e quantidades insignificantes de fase gasosa e emissões de particulados. O resultado é uma temperatura máxima de operação mais alta e maior vida útil em serviço.

A liga APMT forma uma camada protetora de alumina nas atmosferas controladas mais comuns, como as de endo-gás, exo-gás e hidrogênio. A resistência à carbonetação do APMT é excelente em comparação com todos os materiais que formam óxido de cromo e a liga APMT tem resistência mais alta, até 1.300°C, em atmosferas de combustão que utilizam combustíveis como o gás natural e o carvão. Ela é quase completamente insensível ao metal dusting e ao enxofre quando comparada com as ligas à base de Ni, já que não serão formados compostos com baixo ponto de fusão. No entanto, é necessário haver cautela, em ambientes com N2 seco ou misturas de N2 e H2 a melhor escolha são as ligas à base de Ni devido ao risco de formação de alumina instável (Fig.3).

Em geral, a resistência à ruptura sob tensão para a liga APMT é comparável com a das ligas à base de Ni acima de 900°C e as vantagens a favor da liga APMT se tornam maiores em temperaturas mais altas. Os dados de ruptura e taxa de fluência são bem definidos até 1.300°C, faixa em que as ligas à base de Ni sofrem oxidação severa e perda da integridade estrutural (Fig.4).

Soldagem e Fabricação

A liga APMT é normalmente soldada com TIG/GTAW. Ela é pré-aquecida a 250°C e após a soldagem é necessário um recozimento a 850°C, entretanto, há alguma perda na resistência à fluência na solda. Como um princípio básico, a perda da resistência para esta liga ocorre 100°C acima da liga base e nas peças que sofrerão solicitação mecânica a solda deve estar localizada fora dos picos de solicitação de temperatura e de carga. Além da solda TIG, diversas técnicas de junção podem ser utilizadas – como a solda a laser ou a soldagem MIG e brasagem.

A liga APMT é dútil a temperatura ambiente com alongamento até a ruptura entre 10 e 25%, dependendo da forma do produto, mas, no entanto, é recomendado que as deformações plásticas ocorram utilizando um pré-aquecimento = 250°C. O dobramento sobre um raio fornece uma melhor distribuição de tensão do que um dobramento em V e, portanto, é preferível quando possível. Operações de conformação elaboradas podem ser realizadas em temperaturas “quente-vermelho”, nas quais a dutilidade é muito alta.

A usinabilidade da APMT é comparável com a dos aços ferríticos forjados ou laminados. A velocidade de corte, no entanto, normalmente precisa ser reduzida quando comparada com as classes padrão. As operações de corte podem ser realizadas com métodos normalizados, mas o corte com água tem a vantagem de não afetar de forma negativa o estado de tensões e as condições superficiais.

Aplicações em Aquecimento Industrial

Devido à combinação de resistência mecânica e resistência à oxidação em temperaturas mais altas que 1.250°C, a liga é uma facilitadora e solucionadora de problemas em componentes como roletes para soleira de fornos que operam a 1.200°C, retortas de paredes quentes para sinterização que operam em temperaturas = 1.250°C, tubos reformadores, proteção de termopares (resistência ao metal dusting) e blindagem de calor. Atualmente, há uma ampla faixa de formas do produto disponível, incluindo largas placas laminadas a quente e tubos extrudados para dar sustentação à aplicação do material.

Retortas de Paredes Quentes

Processos em batelada utilizando vácuo ou baixa pressão em altas temperaturas, convencionalmente, utilizam projetos de paredes frias com resfriamento externo com água das câmaras de vácuo e uma câmara de processamento interna de grafite ou Mo. Devido a esta combinação de resistência à oxidação adequada e resistência mecânica suficiente, a liga APMT expande muito a temperatura limite superior para o projeto de forno com parede quente, no qual a parede da câmara combina as funções de manter uma baixa pressão (vácuo) e transferir calor para as peças. Aqui, a liga é uma facilitadora, já que as retortas de parede quente de APMT (Fig.5) podem ser aplicadas até 1.250°C, sendo aproximadamente 200°C a mais que do que é possível com as melhores ligas à base de Ni. O calor é então fornecido pelo aquecimento externo convencional. As vantagens são grandes em termos de aumento da produtividade e diminuição dos custos devido a:

• Investimento menor;

• Tempo de ciclo mais rápido;

• Carregamento eficaz e de acesso fácil;

• Um único sistema de aquecimento pode servir duas ou mais câmaras de processo;

• Redução no consumo de energia devido à redução ou eliminação da necessidade de resfriamento com água.

Os sistemas de parede quente APMT são aplicados em aproximadamente 1.250°C para fornos de sinterização em metalurgia do pó de materiais magnéticos e implantes médicos, com as ligas CoSm e CoCr.

Muflas para Tratamento Térmico e Mobília para Fornos

As muflas com seções transversais personalizadas podem ser feitas a partir de placas largas, mas também têm sido utilizados tubos extrudados sem costura para recozimento em altas temperaturas de fios, barras e tubos de aço inoxidável, quando o tamanho permite. A camada de alumina que é formada (mesmo com níveis muito baixos de oxigênio) proporciona uma longa vida em serviço e também elimina a carbonetação e a deposição de coque e previne a adesão metal-metal para o produto tratado. Uma ampla faixa de dimensões para barras, fios e placas está disponível para componentes como bandejas, cestos e suportes de carga para fornos de tratamento térmico em batelada e contínuos, com empurradores e de correia (Fig.6).

Proteção para Termopares

Os tubos de proteção para termopares e as bainhas são submetidos a todos os ambientes e temperaturas possíveis. Em temperaturas acima de 1.100°C em ambientes oxidantes, a liga APMT substitui os tubos de proteção frágeis cerâmicos e nos processos petroquímicos, por exemplo, a sua excelente resistência à carbonetação e à sulfetação solucionam severos problemas de corrosão que as ligas de Ni sofrem.

Roletes para Fornos

Os roletes usados em soleiras de fornos e feitos nas ligas convencionais de NiCrFe, trabalhadas ou fundidas, sofrem oxidação severa e frequentemente carbonetação quando aplicados em condições oxidantes, nas temperaturas elevadas necessárias para o tratamento de certas classes de aços inoxidáveis. Isto significa reformas frequentes e custosas e também causa problemas na qualidade do produto, já que lascas e dentes na superfície do rolete afetam as superfícies dos produtos tratados. O tempo entre recondicionamentos pode ser tão curto quanto 6 a 12 meses, o que significa paradas para manutenção frequentes, além do custoso armazenamento de um grande número de roletes sobressalentes. Frequentemente é utilizado o resfriamento com água dos roletes em fornos contínuos de alta temperatura, o qual reduz os problemas com materiais convencionais, mas a um alto custo em termos de perdas de energia.

Os roletes de Kanthal APMT (Fig.7) oferecem todas as vantagens esperadas, ou seja, enorme redução na taxa de oxidação, muito melhor superfície dos roletes (e, portanto, também nos produtos tratados) após longo tempo em serviço, e um grande aumento na vida útil desses roletes. Um fabricante especializado em aços inoxidáveis, com forno operando a ~1.200°C, experimentou um aumento na vida útil dos roletes que eram de 6 a 12 meses para mais de quatro anos. Além disso, com a eliminação da necessidade de resfriamento, a liga APMT ajuda nos processos, reduzindo, em muitos casos, o consumo de energia.

Para mais informações: Bo Jönsson, Especialista Técnico Senior na Sandvik Heating Technology, Box 502, SE tel: +46 734-734 27, Hallstahammar – Suécia, e Professor na Chalmers Technical University, Gothenburg – Suécia; e-mail: bosse.jonsson@sandvik.com.

Revisão de tradução gentilmente realizada pelo Gerente da Kanthal Brasil – Mogi Guaçu (SP), Joel Graciadio, (19) 3861-9830, joel.graciadio@sandvik.com.

Referências


[1] Bo Jönsson, Qin Lu, Dilip Chandrasekaran, Roger Berglund, Fernando Rave, “Oxidation and Creep Limited Lifetime of Kanthal APMT®, a Dispersion Strengthened FeCrAlMo Alloy Designed for Strength and Oxidation Resistance at High Temperatures”, Oxid. of Metals, 2012;
[1] B. Jönsson and C. Svedberg, “Limiting Factors for Fe-Cr-Al and NiCr in Controlled Industrial Atmospheres”, Mater. Sci. Forum, 251-4 (1997) 551-8;
[1] Catálogo da liga Kanthal APMT disponível em http://www.kanthal.com/en/products/material-datasheets/wire/na/kanthal-apmt/.

 

Bo Jönsson
Bo Jönsson
Especialista Técnico Senior na Sandvik Heating Technology, Box 502, SE tel: +46 734-734 27, Hallstahammar - Suécia, e Professor na Chalmers Technical University, Gothenburg - Suécia; e-mail: bosse.jonsson@sandvik.com.

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