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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2007.tde-14012008-095449
Documento
Autor
Nome completo
Diana Maria López Ochoa
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2007
Orientador
Banca examinadora
Tschiptschin, André Paulo (Presidente)
Alonso-Falleiros, Neusa
Franco, Sinesio Domingues
Kuri, Sebastião Elias
Ramanathan, Lalgudi Venkataraman
Título em português
Estudo do desgaste erosivo-corrosivo de aços inoxidáveis de alto nitrogênio em meio lamacento.
Palavras-chave em português
Aço inoxidável de alto nitrogênio
Desgaste erosivo
Resistência à erosão-corrosão
Sinergismo
Resumo em português
Os processos de erosão-corrosão são comumente encontrados em tubulações, válvulas e outros componentes usados na indústria química, petroquímica e na exploração de minérios. Quando a corrosão e a erosão atuam conjuntamente, os mecanismos de dano são complexos e em geral as perdas de massa associadas com esta combinação de processos são maiores do que a soma das perdas geradas pela erosão ou a corrosão atuando separadamente. Os aços inoxidáveis são materiais amplamente usados neste tipo de indústrias. A série martensítica é usada quando se necessita de boas propriedades mecânicas e moderada resistência à corrosão, enquanto que a austenítica é usada para condições onde é necessária uma boa resistência à corrosão, ainda que as propriedades mecânicas deste tipo de aço não sejam muito altas. Adições de nitrogênio aos aços inoxidáveis melhoram tanto a resistência à corrosão quanto a resistência mecânica, no entanto, poucos trabalhos têm sido desenvolvidos sobre o sinergismo erosão-corrosão dos aços inoxidáveis de alto nitrogênio. Neste trabalho, estuda-se o efeito da adição de nitrogênio, em solução sólida, na resistência à erosão-corrosão de um aço inoxidável martensítico AISI 410 e um austenítico AISI 304L em lama composta por 3,5% de NaCl e partículas de quartzo. Para tanto foram nitretadas, em alta temperatura, amostras destes aços sob diferentes pressões. Foram obtidas amostras martensíticas com 0,2 e 0,4% de nitrogênio e austeníticas com 0,25 e 0,55% de nitrogênio em solução sólida. Amostras sem nitrogênio foram usadas como material de referência. Foram desenvolvidos dois tipos de ensaios em dispositivo tipo jato: medidas de perda de massa e de polarização potenciodinâmica. A topografia das superfícies testadas foi observada usando microscopia óptica e eletrônica de varredura. Essa informação, conjuntamente com os resultados de perda de massa e dos ensaios eletroquímicos, foi usada para estabelecer os mecanismos de degradação dos materiais estudados, nas diferentes condições de ensaio, e os efeitos da introdução de nitrogênio na estrutura dos aços. Dos resultados obtidos neste trabalho, observa-se que as curvas de polarização potenciodinâmica são sensíveis às variações nas condições de ensaio, como a presença de fluxo e a introdução de partículas. Em geral, o potencial de corrosão e de pite diminuíram e a densidade de corrente passiva aumentou com o aumento da agressividade do ensaio, deslocando as curvas para potenciais menos nobres e densidades de corrente maiores. A introdução de nitrogênio aumentou a dureza da superfície em ambos os aços inoxidáveis. A adição de nitrogênio melhorou a resistência à corrosão do aço inoxidável martensítico AISI 410, para as duas condições de nitretação usadas, medida através de polarização potenciodinâmica. Esse efeito foi avaliado através de um novo parâmetro chamado ?, dado pela diferença entre as densidades de corrente com erosão-corrosão e na condição estática (iCE-iS), para o aço nitretado, e essa mesma diferença para a condição de referência (aço solubilizado ou temperado e revenido). A adição de 0,2% de nitrogênio diminuiu em 88% a corrosão aumentada por erosão. Aumentando a 0,4% o teor de nitrogênio, esta diminuição também ocorre, sendo de 87%. O processo de remoção de material da superfície do aço inoxidável martensítico temperado e revenido é dominado pela corrosão aumentada por erosão, enquanto que no aço nitretado, o nitrogênio promove a mudança de regime para uma condição de erosão aumentada por corrosão. Observou-se que a adição de nitrogênio melhorou a resistência à corrosão, a resistência à erosão e a resistência à erosão-corrosão do aço inoxidável austenítico AISI 304L. Notou-se, também, o aumento significativo do potencial de pite com a elevação do teor de nitrogênio. As superfícies das marcas de desgaste das amostras nitretadas mostraram-se menos rugosas, mostrando o efeito benéfico do nitrogênio na resistência à corrosão do aço austenítico. A adição de 0,25% de nitrogênio diminuiu em 25% a corrosão aumentada por erosão. Aumentando o teor de nitrogênio para 0,55%, esta diminuição também foi observada, sendo de 56%. O processo de remoção de material da superfície do aço inoxidável austenítico é dominado pelo desgaste erosivo. Finalmente, a introdução de nitrogênio parece não ter influência notável no potencial de corrosão para nenhum dos aços aqui estudados. O mecanismo fundamental para a melhora na resistência à corrosão com a introdução de nitrogênio na estrutura dos aços inoxidáveis estudados, está relacionado com a produção de íons amônio durante a dissolução da superfície, produzindo um aumento de pH da solução e possibilitando uma repassivação mais fácil da superfície.
Título em inglês
Erosion-corrosion wear of high nitrogen stainless steels in a slurry.
Palavras-chave em inglês
Corrosion-erosion resistance
High nitrogen stainless steels
Slurry wear
Synergism
Resumo em inglês
Corrosion-erosion processes are commonly found in pipes, valves and many other components for chemical, petrochemical and marine applications. When corrosion and erosion act together the damage mechanisms are complex and usually the mass losses are higher than the sum of the separate material losses due to corrosion and erosion. Stainless steels have been widely used in different components working in systems under combined corrosive and erosive effects. Martensitic stainless steels are suitable for manufacturing components with high mechanical properties and moderate corrosion resistance, while austenitic stainless steels are chosen for conditions where a better corrosion resistance is needed, even though their mechanical properties are poor. It has been shown that nitrogen addition to conventional stainless steels can improve both mechanical and corrosion properties. Very few research papers have been published about the corrosion-erosion synergism of high nitrogen stainless steels. In this research, the effect of nitrogen, introduced by solid state alloying, on the corrosionerosion resistance of a martensitic and an austenitic stainless steel tested in 3.5% NaClquartz slurry was studied. For this purpose, AISI 304L and AISI 410 samples were high temperature gas nitrided under different nitrogen pressures. 0.2 and 0.4% N martensitic samples and 0.25 and 0.55% N austenitic samples were obtained. Samples without nitrogen, but submitted to the same thermal cycle, were used as comparison materials in the tests. Corrosion, erosion and corrosion-erosion tests were conducted in a jet-like device. Two kinds of tests were developed: mass loss measurements and electrochemical polarization. The topography of the surface was observed after the wear tests using optical and scanning electron microscopy. This information, together with the results of mass losses and electrochemical tests were used to establish the degradation mechanisms of the tested materials under the different testing conditions and the effect of the introduction of nitrogen in the steel structure. The results showed that the polarization curves change a lot with the testing conditions. The corrosion and pitting potential decreased and the passive current density increased with the increase of aggressiveness of the testing conditions, shifting the curves to less noble potentials and higher current densities. Nitrogen additions increased the hardness of the nitrided surfaces in both steels. Nitrogen also improved the corrosion resistance of the AISI 410 stainless steel for both nitriding conditions. The effect of nitrogen was analyzed through a new parameter ?, given by the difference between the current densities under erosion-corrosion and the static condition (iCEiS), for the nitrided steels and the same difference for the standard condition (solubilized or quenched and tempered steels). The increase of the nitrogen content of the martensitic surface up to 0.2% reduced 88% the corrosion augmented by erosion. When the nitrogen content at the surface is 0.4%, the reduction of the corrosion augmented by erosion term was 87%. The mass removal process for the quenched and tempered condition is controlled by corrosion assisted by erosion, while for the nitrided surface is erosion assisted by corrosion. Nitrogen additions improved the corrosion, erosion and erosion-corrosion resistance of the austenitic stainless steel AISI 304L. The pitting potential noticeably increased with the increase of the nitrogen content. Smoother wear mark contours on the nitrided surface indicate a favorable effect of nitrogen on the corrosion-erosion synergism. Adding 0.25% N to the alloy decreased the corrosion augmented by erosion in the passive region by 25%, and adding 0.55% N reduced it by 56%. The mass removal process, in this case, was controlled by erosion. Finally, nitrogen addition does not seem to affect the corrosion potential of both steels studied in this work. The main mechanism to increase the corrosion resistance of the studied steels with the introduction of nitrogen is related to production of ammonia during the dissolution of the steel surface. The pH of the solution increases, and the surface can easily repassivate.
 
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Data de Publicação
2008-02-28
 
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