Os aços duplex são tipos resistentes a ácidos que mantêm uma alta resistência à corrosão atmosférica, corrosão por pite, corrosão intercristalina e corrosão sob tensão, mantendo as propriedades de alta resistência dos aços inoxidáveis ferríticos e um coeficiente de expansão térmica relativamente baixo em comparação com os aços inoxidáveis austeníticos, com menor tendência para o crescimento de grãos. O termo «aço bifásico» é sinónimo da ocorrência de uma «mistura» de estrutura austenítica e ferrítica numa classe numa proporção geralmente aceite de 50/50. Se ao aço inoxidável austenítico padrão 18/8, que contém 18% de crómio e 8% de níquel, for adicionado crómio até 20%, a estrutura austenítica se transformará numa mistura ferrítica-austenítica.

A adição de molibdénio, vanádio, titânio, alumínio e silício, juntamente com o elemento básico crómio, contribui para o alargamento da fase α. Por sua vez, o aumento do teor de níquel atua de forma contrária - alarga o intervalo da fase γ. O níquel atinge uma concentração de 12% no aço bifásico com um intervalo de 20% de crómio, resultando na formação de uma estrutura austenítica no aço resistente a ácidos. Quando a soma dos teores dos elementos que ampliam as faixas da fase α excede o teor equivalente, o aço adquire uma estrutura ferrítica-austenítica. Outro fato interessante é que a estrutura contínua da estrutura ferrítica, devido ao aparecimento da ferrita, é magnética.

Características dos aços duplex e superduplex

Os tipos duplex e superduplex mantêm as propriedades mecânicas certas na faixa de 250 a 300 ℃. Temperaturas de operação mais altas fazem com que fiquem frágeis a 475 ℃. A recuperação ao impacto à temperatura ambiente é parecida com a dos tipos austeníticos, mas os resultados dos testes a temperaturas abaixo de 0 ℃ diminuem de forma uniforme. A -50 ℃, o aço duplex fica frágil.

Os aços bifásicos têm o dobro da resistência ao escoamento dos aços inoxidáveis austeníticos resistentes a ácidos, apresentando excelente soldabilidade e resistência a fissuras, desgaste, abrasão e erosão. Eles também apresentam resistência a ambientes que contêm íons cloreto, sulfureto de hidrogénio, carbamato de amónio, ácido fosfórico, naftaleno, pentanos, hipoclorito de sódio, hidróxido de potássio, ácido fórmico, ácido acético, ácido clorídrico e carbonato de sódio, dependendo da temperatura de trabalho e da concentração da substância. Os produtos duplex são entregues em uma condição supersaturada, que é realizada na faixa de temperatura de 1000 a 1150 ℃.

Primeiros aços bifásicos

Os protótipos de aço duplex foram patenteados em França na primeira metade do século XIX, onde eram usados em trocadores de calor e recipientes químicos. A alta resistência a vários tipos de sal levou os fabricantes a introduzir materiais duplex em projetos expostos ao ambiente marinho. Na década de 1970, foi construído o primeiro navio para transporte de produtos químicos no estaleiro de Dunkerque, cuja construção consistiu, entre outros, em aço duplex. Como resultado da descoberta de novas propriedades e características dos aços bifásicos, os tipos duplex foram introduzidos nas indústrias petroquímica, papeleira, naval, criogénica, petrolífera, gasífera, alimentar, química e farmacêutica.

Estrutura dos aços austenítico-ferríticos

A proporção de austenita nos aços Duplex e Super Duplex é geralmente de cerca de 40-60%, sendo o restante da estrutura ferrita. Os tipos Duplex são considerados permanentemente resistentes à corrosão sob tensão, com resistência à corrosão na fronteira dos grãos, devido à formação de carboneto de crómio. Os seus principais pontos fortes são os limites de plasticidade mais elevados e a resistência à corrosão intergranular. Caracterizam-se por propriedades mecânicas muito boas, plasticidade, resistência à corrosão sob tensão, resistência a fissuras e boa soldabilidade. As soldaduras feitas com elétrodos de aço duplex são particularmente limpas e menos suscetíveis a fissuras do que as soldaduras de aços austeníticos resistentes a ácidos.

A divisão estrutural - 50/50 nem sempre é uniforme e varia dependendo da espécie. Muitas propriedades dos tipos duplex dependem precisamente da proporção de ferrite e austenite na estrutura da liga. Quando o volume relativo de austenite é maior no tipo, os materiais duplex apresentam maior resistência ao impacto, ductilidade e resistência à corrosão. Para ligas em que o volume de ferrite ultrapassa o de austenita, os produtos duplex são caracterizados por propriedades de resistência aumentadas - dureza, resistência ao escoamento e resistência à tração.

Além da ferrite α e da austenita γ, os aços duplex diferem dependendo dos processos de separação:

Ferrite com alto teor de crómio α'BCC, que é uma fase metaestável gerada a temperaturas entre 400 e 550 ℃. É dividida em zonas isomórficas com alto e baixo teor de crómio. Apresenta fragilidade a 475 ℃ e reduz significativamente a ductilidade do aço.
A austenita secundária γ₂ BCC que surge da transformação isotérmica sem difusão abaixo de 650 ℃ tem uma composição química parecida com a ferrita secundária. A uma temperatura de 650-800 ℃, a austenita mostra uma estrutura Widmanstäten e, a uma temperatura de 700-900 ℃, a reação eutetóide resultante é formada por α = σ + γ₂.
A fase χ BCC, ou seja, Fe₃₆Cr₁₂Mo₁₀, é uma fase do tipo A₄₈B₁₀, que deixa o aço mais frágil e diminui bastante a resistência à corrosão. Ela surge em temperaturas de 700-900 ℃ com uma longa imersão. Tem muito mais molibdénio do que o σ que aparece nas fronteiras das fases α e γ.
A fase ε BCC dispersa a temperaturas de 500-600 ℃. Contém uma grande quantidade de cobre e afeta a estabilidade da camada passiva, tornando a superfície do aço resistente à corrosão. Ocorre no endurecimento α.
A fase G regular durante o tratamento com silício e níquel, ocorre nas áreas junto com os elementos nas fronteiras α e α'. A formação dessa fase faz com que o material aqueça a 300-400 ℃. A sua aparência vem junto com a ocorrência da fase α' de alto cromo. owej.
A fase τ rombica significa que Fe, Cr, Mo, Ni são formados com longa imersão no limite α a temperaturas de 550-650 ℃
A fase R hexagonal (Fe₂₈Cr₁₃Mo₁₂) e fase A₂B (Fe₂Mo), que pelo molibdénio reduz o impacto, restaura e aumenta a resistência à corrosão por pite. Elas surgem como resultado da temperatura na faixa de 550-650 ℃ nas áreas α e α'.
A fase σ tetragonal - Fe-Cr-Mo aumenta a fragilidade do aço, reduz a resistência à corrosão intergranular e à corrosão por pite. Ela afeta o empobrecimento de locais onde há cromo e molibdénio. É produzida a temperaturas de 650-1000 ℃.
Os nitretos: Cr₂N trigonale CrNBCC diminuem a presença de cromo na ferrita por causa da imersão prolongada a 700-900 ℃ ou do arrefecimento repentino, que é relativamente comum durante a soldagem. Como o nitrogénio não se mistura muito bem com a ferrita, a presença deles na fronteira dos grãos de ferrita aumenta.
Os carburos: M₇C₃ rombicoe M₂₃C₆ BCC causam corrosão intercristalina ao separá-los da solução sólida por precipitação de crómio aderente aos limites dos grãos. Os carburos M₂₃C₆ são formados a uma temperatura de 600-1000 ℃, e M₇C₃ nas fronteiras α e γ a temperaturas de 950-1050 ℃.

Produção e implementação

A composição química do aço duplex é um pouco diferente dos aços austeníticos resistentes a ácidos. Os aços bifásicos têm, em média, cerca de 25% de crómio, cerca de 5% de níquel e cerca de 2% de molibdénio. Isso ajuda a diminuir o custo de produção por causa do preço alto do níquel, ao mesmo tempo que melhora as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão. A concentração de níquel permite a adição de azoto na composição química. O azoto ajuda a manter uma estrutura bifásica estável, reduzindo a quantidade de níquel na composição.

Como uma operação relativamente difícil, podemos contar com a introdução de azoto numa proporção superior a 0,2% na composição do aço duplex e, para que o processo seja bem-sucedido, a produção deve ser realizada por fundição sob pressão ou metalurgia do pó. Além disso, o azoto dissolvido na austenite aumenta as propriedades mecânicas dos tipos de aço duplex que estão próximos da estrutura do aço inoxidável ferrítico, melhora a resistência do aço à corrosão por pite e melhora a soldabilidade dos materiais. O teor de azoto nos tipos de aço super duplex, devido ao maior teor de aditivos de liga (Cr, Mn, Mo), é em média de 0,3%. No caso do aço duplex comum, a proporção é de 0,15%.

Além dos componentes danificados e desgastados, as peças das máquinas podem ser reparadas sem problemas, o que aumenta a vida útil dos componentes. Infelizmente, o aço duplex apresenta algumas desvantagens em comparação com os aços austeníticos. O seu processamento plástico é significativamente dificultado - o forjamento e a laminação são um dos tratamentos mais difíceis, e o processo de trefilagem a frio era praticamente impossível de realizar. O mesmo se aplica à estampagem profunda.

Composição química do aço duplex e super duplex - influência de elementos individuais

Os aços duplex, ao contrário de um grande grupo de aços inoxidáveis martensíticos, têm um teor de carbono significativamente reduzido. Na maioria das ligas, esse nível não passa de 0,03%. Isso melhora bastante a resistência à corrosão do grupo dos aços duplex. O baixo teor de carbono limita a liberação de carbonetos de cromo, que esgotam as áreas de cromo adjacentes aos limites dos grãos, resultando na deterioração da resistência à corrosão intercristalina.

O níquel nos aços duplex aumenta a resistência a ácidos orgânicos e inorgânicos e afeta positivamente a passividade do aço. O manganês, como na maioria das espécies, melhora a resistência ao desgaste dos produtos, reduz a ductilidade do aço e aumenta a resistência ao desgaste, mas a sua concentração excessiva pode contribuir para a redução da temperatura crítica de corrosão por pite. O tungsténio aumenta adicionalmente a resistência do aço à corrosão por pite e à corrosão sob tensão, ao mesmo tempo que estabiliza a ferrita (por exemplo, 1.4501, UNS S32760). O cobre em altas concentrações diminui a plasticidade e a soldabilidade do aço, e a sua concentração é limitada a < 2%. Deve-se notar que a sua presença aumenta positivamente a resistência do aço à corrosão em ambientes não oxidantes e a tendência à corrosão sob tensão. A adição de molibdénio na faixa de 1-3% aumenta a resistência do aço ao ácido acético e sulfúrico.

Barras, chapas e tubos de aço duplex - uso geral

O uso do aço duplex é parcialmente descrito no texto acima, mas foram apenas menções. Os aços duplex são usados em estruturas e equipamentos utilizados em água do mar, em instalações, em instalações de extração de petróleo e gás, para elementos que funcionam em atmosferas contaminadas com sulfureto de hidrogénio, na indústria naval na construção de navios que transportam produtos químicos agressivos, por exemplo, a partir de placas duplex são feitas anteparas especiais, fundos internos, conveses e tanques para armazenar essas substâncias.

Outras utilizações incluem permutadores de calor sob a forma de tubos sem costura através dos quais fluem petróleo e gás, instalações offshore, peças de maquinaria e maquinaria industrial, tanques, bem como condutas na indústria petroquímica, rotores de ventiladores e rolos resistentes à corrosão, instalações de dessalinização de água, agitadores para estações de tratamento de águas residuais e agitadores para a indústria alimentar, condutas que transportam líquidos contendo cloretos, tanques e equipamentos sob pressão nos quais são processados muitos produtos químicos agressivos.