Estudo do efeito da substituição do molibdênio por tungstênio no desempenho de aços inoxidáveis

Abstract

O aço inoxidável AISI 316 é o segundo mais popular aço inoxidável austenítico após o AISI 304. Esta classe de aço é amplamente disponível, tem boa resistência geral à corrosão, boa tenacidade e excelente conformabilidade e soldabilidade. A principal diferença entre os aços AISI 304 e AISI 316 está na adição de 2 a 3% de Molibdênio (Mo) na composição química deste último, para aumento de sua resistência à corrosão por pite. O aço AISI 316 tornou-se um material muito adequado para utilização em ambientes de águas salgadas, sendo muitas vezes referido como inoxidável "tipo naval" devido à sua maior resistência à corrosão por cloreto promovida pela adição de Molibdênio, comparado ao aço AISI 304. A literatura sugere que a substituição total ou parcial do molibdênio por tungstênio (W) em aços inoxidáveis ferríticos e dúplex não só aumenta a resistência à corrosão localizada dessas ligas, como indica efeito sinérgico entre estes elementos. Essa substituição seria possível graças à similaridade em termos de propriedades físico-químicas destes elementos. Neste trabalho propôs-se o estudo do efeito sinérgico resultante da substituição parcial e total do Mo por W em um aço austenítico AISI 316L, analisando ligas que apresentam 0, 25, 50, 75 e 100% de substituição do teor atômico de molibdênio presente na liga de referência por tungstênio. A análise microestrutural das amostras por microscopia ótica e EDS evidenciou que o W não provoca nenhuma mudança significativa no material em relação ao tamanho, distribuição e composição das inclusões. Porém, o tamanho de grão é sutilmente reduzido provocando um leve aumento na dureza Brinel das amostras que contêm W. Já os ensaios de tração apresentaram resultados de limite de escoamento, limite de resistência à tração, alongamento e redução em área semelhantes para todas as amostras. Os ensaios de polarização cíclica não evidenciaram nenhum efeito do W, mas a determinação da temperatura crítica de pite mostrou que a amostra que apresenta 50% de W apresentou maior CPT de 40 ± 4°C em solução de 1M de NaCl a 180 mVAg/AgCl, indicando que de fato há um efeito sinérgico entre W e Mo. Já em solução ácida isenta de cloreto, os resultados de polarização potenciodinâmica evidenciam que o W dificulta a formação da película passiva, porém, ao ser formada, esta película é mais robusta que aquela na ausência de W. Já os ensaios de DL-EPR nesta mesma solução mostrou que o W não sensitiza o material de maneira significativa, de acordo com a norma ISO 12732:2006. Portanto, este trabalho mostra que a substituição total ou parcial do molibdênio por tungstênio, mantida a proporção em fração atômica, pode ser realizada sem praticamente nenhuma alteração de propriedades para o aço inoxidável austenítico AISI 316L. Porém, quando a substituição é de 50% há um ganho expressivo no comportamento de corrosão por pite evidenciado pelos resultados dos ensaios para determinação da temperatura crítica de pite promovido certamente por um efeito sinérgico entre o Mo e W. Assim, há um ótimo primeiro indício de que sucatas de aço ferramenta ricas em W para o aumento da resistência ao desgaste nestes materiais podem ser utilizadas para a fabricação de aços inoxidáveis austeníticos. Porém, outros aspectos inerentes à processabilidade devem ser analisados com cuidado para que tal substituição seja, de fato, considerada.

AISI 316 stainless steel is the second most popular stainless steel after AISI 304. This steel class is widely available, exhibits good resistance to general corrosion, good ductility and excellent formability and weldability. The main difference between 304 and 316 stainless steels is the addition of 2-3 wt% Mo in chemical composition of 316 for increased pitting corrosion resistance. AISI 316 stainless steel has become a proper material for marine environments, being named sometimes as naval type stainless steel due to its better resistance to chloride provided by Mo addition. Previous reports suggest that total or partial substitution of molybdenum by tungsten in ferritic and duplex stainless steel improve localized corrosion resistance by a synergic effect of Mo and W. The reason for employing tungsten as a substitute for molybdenum in the alloy design of stainless steel is the similarity of chemical and electrical properties of those elements. Considering this, the purpose of this work is to study the synergic effect as a result of partial or total substitution of molybdenum by tungsten in AISI 316L austenitic stainless steel, studying alloys that contain 0, 25, 50, 75 and 100 % of molybdenum substituted for tungsten in atomic content. The microstructural and EDS analysis showed that W does not cause any difference on inclusions size, distribution and composition. But the grain size and Brinel hardness is slightly reduced in those samples with W. Tensile tests did not show any difference in their mechanical properties, but the corrosion tests showed an effect on pitting resistance. The cyclic polarization results do not show any difference between the samples with and without W in 3,5% NaCl at room temperature. But the sample with 50% W and 50% Mo showed the highest critical pitting temperature in 1M NaCl solution and 180 mVAg/AgCl, 40 ± 4°C. This result shows a synergic effect of Mo and W for austenitic stainless steel as showed by the literature for ferritic and duplex. In acid solution with no chlorides, the potentiodynamic polarization results showed that W makes the passive layer formation more difficult, but it is stronger when it forms. The DL-EPR tests in the same solution showed that W does not sensitize the material according to ISO 12732:2006. So, this work shows that the partial and total substitution of Mo by W can be done if the atomic content is maintained because it does not cause any significant difference in the AISI 316 austenitic stainless steel properties. However, if the substitution is 50%, it pitting corrosion resistance is increased promoted by the synergic effect between Mo and W. This information can be useful for steel industries that produces both stainless steels and tool steels, because the last are usually W-rich to improve their wear resistance. So, these results can be first evidence that W-rich tool steel scrap can be used to produce stainless steels.