2205 vs 2507 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
Os aços inoxidáveis duplex 2205 e 2507 (comumente chamados de “super duplex”) são amplamente especificados onde maior resistência e melhor resistência à corrosão são necessárias em comparação com as classes austeníticas. Engenheiros e equipes de compras frequentemente enfrentam um compromisso entre custo, soldabilidade e o nível de resistência à corrosão localizada necessário para o serviço em meios contendo cloreto. Os planejadores de fabricação devem equilibrar a dificuldade de conformação e usinagem com as economias obtidas pela redução da espessura da seção devido à maior resistência.
A principal distinção técnica é que o 2507 contém mais cromo, molibdênio e nitrogênio do que o 2205, produzindo maior resistência à corrosão por picotamento e fendas e maior resistência ao escoamento/tensão em detrimento de uma formabilidade um pouco reduzida e maior custo do material. Essa estratégia composicional — aumentar Cr, Mo e N enquanto mantém um equilíbrio duplex ferrítico-austenítico — é a razão pela qual essas duas classes são comparadas para ambientes agressivos e aplicações críticas de carga.
1. Normas e Designações
- 2205: Comumente designado UNS S32205 / S32266; especificado nas normas ASTM/ASME (por exemplo, A240, A182 para produtos laminados e forjados), EN (1.4462), equivalentes JIS e GB existem.
- 2507: Comumente designado UNS S32750; especificado nas normas ASTM/ASME e EN (1.4410 frequentemente usado para super duplex) e outras normas regionais.
Categorização: - Tanto o 2205 quanto o 2507 são aços inoxidáveis (especificamente aços inoxidáveis duplex). Eles não são aços carbono, aços para ferramentas ou classes HSLA.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A tabela a seguir resume as faixas de composição típicas para essas duas classes duplex (as faixas certificadas pela usina variam por norma e fabricante). Elementos não listados estão tipicamente presentes como ferro de equilíbrio ou em níveis traço.
| Elemento | 2205 (faixa típica, % em peso) | 2507 (faixa típica, % em peso) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| S | ≤ 0.02 | ≤ 0.02 |
| Cr | 22.0–23.0 | 24.0–26.0 |
| Ni | 4.5–6.5 | 6.0–8.0 |
| Mo | 3.0–3.5 | 3.5–4.5 |
| V | tipicamente traço/não | tipicamente traço/não |
| Nb / Ti | tipicamente nenhum | tipicamente nenhum |
| B | tipicamente nenhum | tipicamente nenhum |
| N | 0.14–0.20 | 0.24–0.32 |
| Fe | Equilíbrio | Equilíbrio |
Como a liga afeta as propriedades - Cromo: principal contribuinte para a formação de filme passivo e resistência ao picotamento; maior Cr aumenta a resistência geral à corrosão e eleva ligeiramente a resistência em classes duplex. - Molibdênio: melhora a resistência ao picotamento e fendas em meios contendo cloreto. - Nitrogênio: estabiliza a fase austenítica e aumenta fortemente a resistência ao escoamento e ao picotamento (por PREN), também melhorando a resistência à corrosão sob tensão em muitas classes duplex. - Níquel: equilibra a fração de fase ferrita-austenita; maior Ni no 2507 ajuda a manter uma microestrutura duplex apesar do maior Cr e Mo. - Baixo carbono minimiza a precipitação de carbonetos e a suscetibilidade à corrosão intergranular.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas - Ambas as classes são duplex — uma mistura aproximadamente igual de ferrita (δ) e austenita (γ) na condição recozida. A fração de volume alvo é comumente próxima de 50/50, mas varia com a forma do produto e a história térmica. - 2205: microestrutura duplex estável com austenita formada por partição de Cr–Ni–N; equilibrada para boa tenacidade e resistência à corrosão. - 2507: microestrutura duplex com níveis de liga mais altos; requer controle cuidadoso dos ciclos térmicos para evitar ferrita excessiva ou fases intermetálicas prejudiciais.
Efeitos dos processos térmicos - Recozimento em solução (tipicamente ~1020–1100 °C para aços inoxidáveis duplex) seguido de resfriamento rápido restaura o equilíbrio duplex e dissolve precipitados intermetálicos. Ambas as classes se beneficiam de um tratamento de solução adequado após conformação a quente ou soldagem pesada para recuperar propriedades. - Resfriamento lento ou exposição prolongada na faixa de 600–950 °C promove a formação de fases intermetálicas sigma, chi ou outras, o que torna o material quebradiço e degrada a resistência à corrosão. Isso é uma preocupação maior para o 2507, pois o maior teor de Cr e Mo aumenta a força motriz termodinâmica para intermetálicos. - O trabalho a frio aumenta a resistência por endurecimento por trabalho e desloca o equilíbrio ferrita-austenita; os aços duplex são frequentemente produzidos em espessura pesada ou chapa com tratamento termo-mecânico controlado para alcançar as propriedades mecânicas desejadas. - Ao contrário dos aços carbono, ciclos típicos de resfriamento e têmpera não são aplicados a aços inoxidáveis duplex; o controle é principalmente por meio de recozimento em solução e trabalho a frio.
4. Propriedades Mecânicas
Os valores abaixo são faixas típicas para formas de produtos recozidos (chapa, folha, tubo) e variam por usina e tratamento térmico. Sempre use certificados da usina para o projeto.
| Propriedade | 2205 (típico, recozido) | 2507 (típico, recozido) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | ~620–880 | ~800–1000 |
| Prova de 0.2% / Escoamento (MPa) | ~450–650 | ~620–800 |
| Alongamento (%) | ~20–35 | ~10–25 |
| Tenacidade ao impacto (Charpy V, temperatura ambiente) | geralmente boa, frequentemente ≥40 J | geralmente boa, mas inferior ao 2205 em algumas condições |
| Dureza (HRC/HB) | moderada | maior devido ao aumento da resistência |
Interpretação - Resistência: o 2507 é geralmente mais forte tanto em resistência ao escoamento quanto à tração devido ao maior teor de nitrogênio e adições de liga. Isso permite designs que economizam peso por meio da redução da espessura da seção para a mesma resistência à carga. - Tenacidade e ductilidade: o 2205 geralmente oferece maior ductilidade e formabilidade; o 2507 troca alguma ductilidade por maior resistência. Ambos podem ter excelente tenacidade ao impacto quando processados corretamente, mas o 2507 é mais sensível à história térmica e à precipitação intermetálica. - Os projetistas devem verificar a tenacidade para serviço em baixa temperatura ou componentes críticos ao impacto.
5. Soldabilidade
Considerações sobre soldabilidade para aços inoxidáveis duplex dependem do teor de carbono, nitrogênio e da influência dos elementos de liga na endurecibilidade e no equilíbrio de fases.
- O carbono é baixo em ambas as classes, limitando a formação de carbonetos e melhorando a soldabilidade.
- O nitrogênio estabiliza a austenita; a perda de nitrogênio na poça de solda (por desgasificação) pode deslocar o equilíbrio ferrita-austenita, portanto, a química do material de adição e o gás de proteção são importantes.
- Maior Cr/Mo no 2507 aumenta o risco de formação de fases intermetálicas na zona afetada pelo calor (HAZ) se as taxas de resfriamento forem lentas ou se a entrada de calor pós-solda for excessiva. Portanto, o 2507 requer controle mais rigoroso da entrada de calor e da temperatura entre passes do que o 2205.
Índices de soldabilidade comuns (uso qualitativo) - O equivalente de carbono (IIW) e Pcm podem ser usados para avaliar a suscetibilidade a trincas a frio induzidas por hidrogênio. Fórmulas de exemplo: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Use essas fórmulas qualitativamente: ambas as classes geralmente têm baixo CE/Pcm em comparação com aços de alto carbono, mas o maior teor de liga do 2507 aumenta seu CE/Pcm em relação ao 2205.
Notas práticas - O pré-aquecimento é geralmente mínimo para aços inoxidáveis duplex; evite pré-aquecimento excessivo e mantenha temperaturas entre passes apropriadas para evitar a formação de sigma. - Use metais de adição compatíveis ou superligados para restaurar o equilíbrio da liga no metal de solda. O recozimento em solução pós-solda raramente é prático para grandes estruturas fabricadas, mas pode ser usado para componentes críticos. - Testes mecânicos pós-solda e testes de corrosão (por exemplo, resistência ao picotamento ou ASTM G48) são recomendados para montagens críticas, especialmente para o 2507.
6. Corrosão e Proteção da Superfície
Para classes duplex inoxidáveis, a proteção de superfície padrão por acabamento e passivação é eficaz; a galvanização não é aplicável para classes inoxidáveis.
Número Equivalente de Resistência ao Picotamento (PREN) - O PREN é comumente usado para estimar a resistência ao picotamento por cloreto: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ - Como o 2507 tem maior Cr, Mo e N do que o 2205, ele tem um PREN mais alto e, portanto, superior resistência ao picotamento e à corrosão por fendas em ambientes contendo cloreto. O PREN é uma diretriz — microestrutura, inclusões e condição da superfície também influenciam o desempenho no mundo real.
Quando o PREN não é aplicável - O PREN visa a resistência ao picotamento em meios contendo cloreto; para corrosão geral, taxas de corrosão uniforme em soluções ácidas oxidantes ou alcalinas não podem ser inferidas apenas do PREN. A resistência à corrosão sob tensão (SCC) depende da condição metalúrgica, estado de tensão e ambiente; os aços duplex são geralmente mais resistentes à SCC do que as classes austeníticas, mas o comportamento da SCC pode variar.
7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade
- Usinabilidade: Ambas as classes endurecem durante o corte. A maior resistência e teor de liga do 2507 tornam-no um pouco mais difícil de usinar — exigindo configurações rígidas, ferramentas afiadas, profundidades de corte reduzidas e, muitas vezes, taxas de avanço mais lentas. Materiais de ferramentas e seleção de refrigerantes são importantes.
- Conformação/dobra: o 2205 é mais fácil de conformar do que o 2507 devido à maior ductilidade. O 2507 pode exigir raios de dobra maiores, redução da deformação por passagem e etapas de recozimento mais frequentes para conformação severa.
- Acabamento de superfície: Polimento mecânico e químico são semelhantes para ambas as classes, mas o 2507 pode exigir métodos mais agressivos para remover deformações subsuperficiais da usinagem.
8. Aplicações Típicas
| 2205 (Aplicações) | 2507 (Aplicações) |
|---|---|
| Trocadores de calor, tubulações e conexões em plantas químicas e petroquímicas | Componentes submarinos e superiores em petróleo e gás em águas profundas |
| Sistemas de água do mar, componentes de dessalinização com níveis moderados de cloreto | Ambientes de cloreto altamente agressivos, por exemplo, poços ricos em cloreto, salmouras de alta temperatura |
| Vasos de pressão, tanques de armazenamento onde alta resistência e resistência à corrosão são necessárias, mas o orçamento é restrito | Flanges críticas, umbilicais, válvulas e manifolds que requerem a maior resistência ao picotamento e fendas |
| Digestores de polpa e papel e equipamentos de processo | Aplicações onde a redução da espessura da seção é necessária devido a altas cargas e meios corrosivos |
Racional de seleção - Escolha o 2205 onde um equilíbrio de resistência, tenacidade e resistência à corrosão é necessário em exposição a cloretos mais moderada e onde a eficiência de conformação e soldagem são prioridades. - Escolha o 2507 onde o ambiente é especialmente agressivo (alto cloreto, alta temperatura), onde maior tensão permitida permite redução de espessura, ou onde a máxima resistência ao picotamento/fendas é necessária.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: o 2507 é consistentemente mais caro que o 2205 devido ao maior teor de liga (notavelmente Ni, Mo e N) e controles de processamento mais rigorosos. As diferenças de custo do material podem ser substanciais e devem ser equilibradas com os benefícios do ciclo de vida e possíveis economias de seção.
- Disponibilidade: o 2205 está amplamente disponível em chapa, tubo, conexões e fixadores. O 2507 está disponível comercialmente, mas é menos ubíquo; longos prazos de entrega são possíveis para algumas formas de produto ou tamanhos personalizados. Os planejadores de compras devem considerar o prazo de entrega e os requisitos de teste da usina ao especificar o 2507.
10. Resumo e Recomendação
| Critério | 2205 | 2507 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Melhor (mais tolerante) | Boa, mas requer controle mais rigoroso da entrada de calor |
| Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Alta resistência com boa ductilidade | Maior resistência, ductilidade um pouco menor |
| Custo | Menor (mais econômico) | Maior (premium) |
Escolha o 2205 se: - Você precisa de uma classe duplex robusta com boa resistência geral à corrosão e SCC, melhor formabilidade e soldagem mais fácil, e um custo de material mais baixo. - O serviço envolve exposição moderada ao cloreto onde o PREN e a microestrutura do 2205 são adequados.
Escolha o 2507 se: - O ambiente é altamente agressivo (alto cloreto, temperaturas mais altas ou condições de fenda apertadas) e a maior resistência ao picotamento/fendas é necessária. - Você precisa de maior resistência ao escoamento/tensão para reduzir a espessura da seção ou atender a requisitos de carga rigorosos e está preparado para aceitar custos de material mais altos e controles de fabricação mais rigorosos.
Nota final: Certificados da usina, forma real do produto, histórico de fabricação e testes de serviço no local (por exemplo, testes de corrosão por picotamento/fendas em juntas soldadas) são entradas essenciais para finalizar a seleção da classe. Sempre valide os valores de projeto com os dados do fornecedor e os códigos relevantes para componentes críticos de segurança.