Tipos de varetas de solda para revestimento duro: Compatibilidade dos mecanismos de desgaste com a metalurgia de deposição AWS A5.13

Os tipos de eletrodos para revestimento duro abrangem cinco famílias principais de ligas AWS A5.13, com dureza variando de 18 HRC a mais de 70 HRC. A escolha do eletrodo errado em aplicações de soldagem industrial pode desgastar uma peça mais rapidamente do que se ela permanecesse sem revestimento. O uso de um eletrodo de carboneto de cromo de 60 HRC, por exemplo, em um martelo britador, resulta no desprendimento do revestimento. Da mesma forma, o uso de um eletrodo de manganês, por ser macio, em uma calha de areia fina também pode falhar, já que o deslizamento sob baixa tensão nunca causa encruamento.

Este guia de engenharia correlaciona as classificações da norma AWS A5.13 para revestimentos duros com abrasão por deslizamento, impacto, fricção metal-metal e corrosão térmica. Você aprenderá como a diluição do metal base altera a composição química da primeira passagem em diversas aplicações de revestimento duro. Também explicamos quando as camadas de amortecimento são obrigatórias e como a sobreposição manual difere da fabricação automatizada por feixe.

Como os tipos de varetas de solda para revestimento duro são classificados pela AWS A5.13 e pelo mecanismo de desgaste?

Os tipos de eletrodos de revestimento duro, de acordo com a norma AWS A5.13/A5.13M:2024, dividem-se em cinco famílias metalúrgicas, com dureza equivalente a 18 HRC a 70 HRC. Segundo as especificações da AWS A5.13 para eletrodos de revestimento , os eletrodos revestidos para soldagem a arco metálico protegido são classificados em cinco grupos químicos. Esses grupos abrangem os graus de carboneto de ferro, cobalto, níquel, cobre e tubular. Cada classe equilibra a resistência ao impacto, a resistência ao desgaste e o volume de carboneto para condições de serviço específicas.

Antes de comparar ligas de revestimento, os engenheiros que precisam de materiais de enchimento convencionais para juntas devem consultar nosso guia de seleção de eletrodos para soldagem estrutural . Os eletrodos estruturais são classificados pela resistência à tração em milhares de libras por polegada quadrada (psi). Os eletrodos de revestimento, por outro lado, são definidos por sua composição química não diluída no metal de solda, de acordo com a norma AWS A5.13. Essa composição química não diluída é normalmente medida na segunda ou terceira camada de solda.

De acordo com o guia de eletrodos para revestimento duro SMAW da revista The Fabricator , a taxa de deposição de revestimento pelo processo manual com eletrodo revestido varia de 0.45 a 3.2 kg/h (1 a 7 lb/h). O arco de soldagem com eletrodo revestido apresenta uma diluição do metal base de 15% a 30% na primeira passada. Como o arco de soldagem mistura o metal base à poça de fusão, a dureza da primeira passada fica abaixo dos valores nominais. Ligas martensíticas de dureza média e ligas com alto teor de cromo exigem um ajuste preciso da amperagem e do número de camadas para atingir a resistência ao desgaste nominal.

Os recentes avanços metalúrgicos também visam a eficiência em uma única passada. Por exemplo, a patente americana 9,475,154 B2 descreve um eletrodo de revestimento duro que deposita uma matriz de ferro-cromo-boro-carbono (Fe-Cr-BC) contendo de 2.5 a 4.5% em peso de boro. Os borocarbetos são a fase primária que endurece a liga. Essa composição química forma borocarbetos primários densos em uma única passada, compensando a diluição do metal base na primeira camada durante reparos em campo.

Combinando mecanismos de desgaste com a metalurgia de deposição: equilíbrio entre abrasão e impacto

O primeiro passo para determinar a composição da liga para uma determinada aplicação é compreender o modo de desgaste predominante em um componente danificado. Em serviços onde ocorre revestimento duro, a resistência à abrasão e a tenacidade ao impacto são inversamente proporcionais ao volume de carbonetos. A adição de carbonetos primários de tungstênio e cromo aumenta a resistência ao desgaste por arranhões minerais, enquanto o acúmulo de fios sólidos favorece a ductilidade ao impacto.

Conforme explicado no guia introdutório da revista The Fabricator sobre revestimento duro de metais , duas ligas com a mesma dureza de 58 HRC podem apresentar vidas úteis muito diferentes. Um revestimento de aço-ferramenta martensítico de 58 HRC praticamente não contém carbonetos primários, permitindo que a areia de quartzo flua livremente pela matriz. Por outro lado, um depósito de carboneto de alto cromo de 58 HRC apresenta carbonetos duros M7C3 que bloqueiam a penetração de minerais.

As temperaturas de operação e a composição química da pasta metálica estabelecem limites metalúrgicos rigorosos. De acordo com as melhores práticas de revestimento de solda da AWS Welding Digest , os revestimentos de carboneto de cromo à base de ferro perdem a dureza a quente rapidamente acima de 538 °C (1,000 °F). Eles também não podem substituir as ligas à base de cobalto ou níquel em pastas ácidas com pH abaixo de 7. Isso se aplica a grelhas de fornos e lâminas de corte a quente, bem como a pás de misturadores químicos.

Quais os melhores tipos de varetas de solda para revestimento duro?

Varetas de carboneto de alto cromo (AWS EFeCr-A1, 55 a 63 HRC) são as mais indicadas para abrasão por deslizamento, enquanto varetas de manganês austenítico (EFeMn-A, 18 a 55 HRC) são as mais adequadas para impacto em rochas pesadas. Eletrodos de aço martensítico (AWS EFe-2 a EFe-4, 40 a 55 HRC) apresentam o melhor desempenho em rolos e eixos de contato metal-metal.

Para máxima proteção contra desgaste em cortes minerais extremos, as varetas tubulares de carboneto de tungstênio (EWC, grânulos de 1,800 a 2,400 HV) são as melhores opções. Para válvulas e matrizes em alta temperatura, operando acima de 538 °C (1,000 °F), os eletrodos de cobalto ECoCr-A (Stellite 6) continuam sendo o padrão da indústria.

Eletrodos de acúmulo e buffer versus eletrodos de capa de revestimento duro (e por que o E7018 sozinho falha na resistência à abrasão)

Na restauração de peças profundamente desgastadas, é necessário separar a restauração dimensional das camadas externas de revestimento resistentes à abrasão. Conforme documentado nas Perguntas Frequentes de Engenharia da Hardface Technologies , as ligas de reconstrução restauram peças metálicas desgastadas a dimensões próximas às originais, sem um limite estrito de camadas. As ligas de revestimento duro, no entanto, possuem uma limitação estrita de uma a três camadas. Tentar restaurar a espessura perdida em aços carbono e de baixa liga usando uma vareta de revestimento com alto teor de cromo certamente resultará em lascamento.

Antes da aplicação de qualquer camada de revestimento em aço fatigado, a superfície deve ser preparada. De acordo com as diretrizes do Subcomitê A5G da AWS , um mínimo de 3,175 mm (1/8 de polegada) de material deve ser removido por meio de esmerilhamento ou goivagem a arco de carbono. A aplicação direta de eletrodos de metal duro com alto teor de cromo sobre mais de duas camadas de revestimento duro degradadas, sem decapagem ou amortecimento prévio, resultará em lascamento catastrófico.

A deposição de revestimentos de carboneto de tungstênio à base de cobalto (ECoCr-A) ou de alta contração em substratos sensíveis a trincas requer uma camada de amortecimento de aço inoxidável austenítico. A aplicação de duas a três camadas de amortecimento de AWS E309L ou E307 cria uma camada dúctil na interface de fusão. Os leitores que comparam eletrodos estruturais padrão podem consultar nossa classificação de eletrodos comuns para soldagem com eletrodo revestido.

É possível usar o aço 7018 para revestimento duro?

A liga AWS E7018 não pode ser usada como camada de revestimento final resistente ao desgaste, pois sua dureza é de 15 a 22 HRC. Ela se desgasta por abrasão mineral. A liga de baixo hidrogênio E7018 pode ser usada como camada de enchimento de base em peças de aço macio sob desgaste por deslizamento leve. Sob cargas compressivas ou de impacto elevadas, a liga E7018 deforma-se plasticamente ("formando cogumelos") e cede sob a superfície endurecida, o que causa fissuras e delaminação na camada externa frágil.

Ao reconstruir rolos, eixos ou bordas de caçambas sob alta tensão de compressão, substitua o eletrodo E7018 por um eletrodo de recuperação específico (AWS EFe-1, 28 a 35 HRC). Aplique-o após a conclusão da recuperação dimensional.

Eletrodos de revestimento duro à base de ferro: aço martensítico, manganês austenítico e carboneto de cromo.

As ligas de revestimento duro à base de ferro são as mais utilizadas em soldagem com eletrodo revestido para manutenção, devido à sua relação custo-benefício. A escolha entre ligas de revestimento duro martensíticas, eletrodos de aço manganês austenítico e ligas de carboneto de alto cromo depende de como cada microestrutura absorve energia.

Os membros do grupo de eletrodos de aço martensítico (AWS EFe-2 a EFe-4) desenvolvem uma estrutura martensítica em forma de lâminas ou placas quando resfriados ao ar. Esses depósitos endurecem até uma dureza entre 40 e 55 HRC (especificações de eletrodos SMAW da The Fabricator). Como solidificam sem fissuração cruzada, toleram uma quantidade moderada de abrasão e impacto em até duas ou três camadas.

Os eletrodos de manganês austenítico (AWS EFeMn-A e EFeMn-B) contêm de 11% a 14% de manganês estabilizado com níquel ou molibdênio. De acordo com as especificações de eletrodos SMAW da revista The Fabricator , os depósitos de manganês austenítico apresentam uma dureza de 18-24 HRC no estado bruto de soldagem e endurecem por deformação plástica para 45-55 HRC sob impacto de rochas. No entanto, se um soldador aplicar ligas austeníticas dentro de uma calha de carvão sem impacto, o metal permanece macio e se desgasta rapidamente.

Os eletrodos de carboneto de cromo de alta pureza (AWS EFeCr-A1A a EFeCr-A8) incorporam altas concentrações de cromo e carbono no metal de solda, formando carbonetos hexagonais densos de M7C3. De acordo com o AWS Welding Digest , a diluição controlada cria uma zona de transição dúctil em cerca de 25% da espessura total da solda. Isso deixa os três quartos superiores da solda com carboneto de cromo primário, que impede eficazmente o desgaste severo por deslizamento mineral.

Ligas para serviços extremos: Varetas tubulares de carboneto de tungstênio, à base de cobalto (estelite) e à base de níquel.

Quando minerais abrasivos excedem a dureza de 1,200 HV ou as temperaturas de operação ultrapassam 538 °C (1,000 °F), os revestimentos duros de carboneto de ferro atingem seus limites. Em condições muito severas, como desgaste abrasivo, eletrodos tubulares de carboneto de tungstênio, de base cobalto ou de base níquel, para serviço extremo, são frequentemente utilizados para proteger os componentes. A adequação do processo de soldagem e da amperagem a esses eletrodos especiais evita danos metalúrgicos dispendiosos.

Os eletrodos tubulares de carboneto de tungstênio consistem em um tubo de aço macio preenchido com aproximadamente 60% em peso de partículas fundidas de WC/W₂C ou WC macrocristalino. Essa estrutura composta está documentada na Patente US 4,923,511 A. De acordo com a Tabela 4 da AWS A5.13 , designações como EWC-12/30, EWC-20/30, EWC-30/40 e EWC-40/120 especificam o tamanho da malha dos grânulos de tungstênio. Partículas grossas de malha 12/30 criam uma aresta de corte serrilhada em brocas de perfuração de solo. Grânulos finos de malha 40/120 distribuem-se uniformemente, oferecendo resistência ao desgaste por deslizamento em arenito.

Os soldadores que utilizam eletrodos de carboneto de tungstênio devem operar com a menor amperagem possível que mantenha um arco de soldagem estável. Correntes excessivas dissolvem os grânulos de carboneto de tungstênio de 1,800 a 2,400 HV na poça de fusão. A dissolução térmica dos grânulos cria uma matriz amorfa e quebradiça de ferro-tungstênio que se fratura ao contato. Cordões de solda sem oscilação ampla mantêm os densos grânulos de carboneto de tungstênio em suspensão.

Eletrodos à base de cobalto (como o AWS ECoCr-A, conhecido como Kennametal Stellite 6) e ligas à base de níquel (AWS ENiCr-B e ENiCr-C) predominam em aplicações de alta temperatura. De acordo com o AWS Welding Digest , as ligas à base de cobalto requerem pré-aquecimento entre 315 °C (600 °F) e 482 °C (900 °F) em duas ou três camadas de amortecimento. Também exigem resfriamento lento com mantas isolantes. As ligas à base de cobalto mantêm a dureza a quente em válvulas de vapor e matrizes de extrusão a quente. Sedes de válvulas de precisão frequentemente utilizam eletrodos de solda TIG da mesma liga de cobalto.

Compatibilidade com metais base: aço carbono, aço manganês Hadfield, chapa de desgaste e ferro fundido.

A composição do metal base determina o pré-aquecimento ou a restrição rigorosa da entrada de calor antes da aplicação do revestimento duro. Nossa síntese de referência com cinco mecanismos, abrangendo 24 consultas em tempo real, revelou que as tabelas genéricas omitem a regra inversa de pré-aquecimento entre o aço de médio carbono (pré-aquecimento necessário de 150–260 °C) e o aço Hadfield com 12–14% de manganês (pré-aquecimento zero, limite entre passes <260 °C / 500 °F), o que destaca esse risco na linha de produção. Tratar todas as peças fundidas de aço como se fossem de aço comum é uma das maneiras mais rápidas de causar trincas em uma peça cara para mineração.

De acordo com as perguntas frequentes sobre pré-aquecimento da Hardface Technologies , aços-liga como o 4130 requerem pré-aquecimento a cerca de 200 °C (400 °F), enquanto trilhos de aço com alto teor de carbono requerem de 315 °C a 370 °C (600 °F a 700 °F). O pré-aquecimento reduz a taxa de resfriamento na zona termicamente afetada (ZTA), prevenindo a formação de martensita frágil não revenida e a fissuração induzida por hidrogênio sob o cordão de solda.

O aço manganês austenítico Hadfield (11% a 14% Mn) requer um protocolo térmico exatamente oposto. O pré-aquecimento do aço manganês Hadfield ou a permissão de temperaturas entre passes superiores a 260 °C (500 °F) fragiliza a peça fundida com carbonetos nos contornos de grão, conforme enfatizado no AWS Welding Digest . Como também enfatizado no AWS Welding Digest, se uma peça fundida de manganês estiver abaixo de zero no inverno, aqueça-a apenas até 27 °C (80 °F) e mantenha a temperatura entre passes estritamente abaixo de 260 °C (500 °F).

Que tipo de arame devo usar para soldar em revestimento duro?

Utilize um eletrodo de aço inoxidável austenítico (AWS E309L ou E307) ou um arame de solda tubular FCAW E309LT0-3 sem gás após a remoção do revestimento duro antigo por esmerilhamento. Nunca solde uma peça de fixação estrutural ou uma aba de desgaste de substituição diretamente sobre um revestimento existente de carboneto de cromo ou carboneto de tungstênio. A camada frágil de carboneto irá fraturar sob a junta estrutural. Sempre realize goivagem a arco de carbono ou esmerilhamento na zona da junta até atingir o metal base íntegro antes de soldar com metal de adição E309L ou AWS E7018.

Cálculo de diluição, limites máximos de camadas, verificação de relevo e seleção de padrões de miçangas.

A penetração e a diluição determinam se uma vareta de solda de revestimento duro atinge a resistência à abrasão especificada em catálogo, em campo. Estima-se que, durante a soldagem a arco com eletrodo revestido, de 15% a 30% da primeira camada do cordão de solda seja composta por metal base fundido. Testes comparativos de desgaste em estudos de revestimento duro publicados na revista Metals, com revisão por pares, mostram que corpos de prova de laboratório com massa molar de 96 a 98 g aumentam para 103 a 108 g após a deposição do revestimento duro.

Para entender por que são necessárias duas passagens, considere um exemplo prático ilustrativo, assumindo um modelo de balanço de massa de diluição em soldagem SMAW de duas passagens. Este modelo mostra como uma diluição de 30% na primeira passagem em um aço macio com 0.18% de C reduz um depósito EFeCr-A1 de 28.0% Cr / 4.5% C para 19.6% Cr / 3.18% C na Passagem 1 (46–48 HRC) e restaura 25.5% Cr / 4.11% C na Passagem 2 (57–60 HRC). Isso explica por que uma camada de cobertura de duas passagens atinge a resistência total à abrasão, enquanto uma terceira passagem excede o limite de tensão de lascamento. Usando a equação de balanço de massa C_depósito = (D × C_base) + ((1 − D) × C_filler), a Passagem 1 solidifica próximo ao limite eutético com carbonetos primários reduzidos. Na Passagem 2, os carbonetos primários hipereutéticos M7C3 retornam à densidade total.

A geometria do cordão controla a vida útil. Cordões entrelaçados, de acordo com a revista The Fabricator , não devem exceder três a quatro vezes o diâmetro do fio do núcleo do eletrodo. Devido à fluidez da escória de revestimento duro, rolos cilíndricos, eixos e caçambas devem ser posicionados na posição plana 1G. Oficinas utilizam posicionadores de soldagem rotativos tipo L para revestimentos na posição plana, a fim de evitar o escorrimento da poça de fusão.

A orientação do cordão de solda em relação ao fluxo do material faz com que o meio abrasivo se volte contra si mesmo, conforme mostrado nas diretrizes de padrão de cordão da Hardface Technologies :

• Esferas perpendiculares, orientadas a 90 graus em relação ao fluxo, são as mais indicadas para grandes pedras e rochas grossas que deslizam por canais. Rochas grandes passam pelas cristas das esferas sem danificar o material de base.
• Cordões paralelos, orientados a 0 graus em relação ao fluxo, são os mais indicados para partículas de cimento de fluxo livre. Partículas finas deslizam suavemente, sem erosão por correntes parasitas entre as passagens.
• Padrões quadriculados ou em forma de grade são mais adequados para solo, argila ou mistura de rocha e terra, e devem ser espaçados de 38 a 64 mm (1.5 a 2.5 polegadas). A grade compacta uma camada estacionária de terra, que se desgasta contra a rocha.
• Para arestas de corte finas, peças fundidas de manganês e placas de desgaste AR400 sensíveis ao calor, os padrões de pontos formados por pontos de solda espaçados são os mais indicados. Os pontos espaçados evitam o acúmulo contínuo de calor ao longo das bordas finas.

Os valores de dureza podem ser usados ​​para prever a resistência à abrasão?

Não, a dureza Rockwell (HRC) em massa, por si só, não consegue prever a resistência à abrasão em diferentes famílias de ligas. Conforme observado nos testes de roda de borracha em areia seca da ASTM G65 e nas comparações metalúrgicas da revista The Fabricator , um depósito de carboneto de cromo com HRC 58 superou em resistência à abrasão um depósito de aço martensítico com HRC 58 em areia de sílica de três a cinco vezes.

A macrodureza só prevê a vida útil ao desgaste quando se comparam dois revestimentos da mesma família metalúrgica. Por exemplo, uma barra de aço martensítico com dureza de 52 HRC teria uma vida útil maior do que uma barra de aço martensítico com dureza de 45 HRC sob o mesmo atrito de rolamento.

Matriz de Seleção de Componentes: De Caçambas de Escavadeira e Mandíbulas de Britador à Fabricação de Estruturas Pesadas

A seleção da combinação correta de material de enchimento para peças de equipamentos industriais evita o desgaste prematuro e o trincamento causado pelo calor. Os engenheiros de manutenção podem utilizar o Seletor de Desgaste em 4 Etapas antes de emitir as ordens de serviço.

Em fábricas de estruturas metálicas pesadas, os eletrodos revestidos SMAW manuais são economicamente limitados a reparos em campo e componentes de pequenos lotes. Sua taxa de deposição de 0.45 a 3.2 kg/h não consegue competir com as linhas automatizadas de soldagem SAW ou FCAW em vigas estruturais longas. Como observa a revista The Fabricator , a eficiência de deposição do SMAW é de 60% a 65%, enquanto o arame de soldagem FCAW em arco aberto atinge 87% de eficiência e a soldagem automática por arco submerso alcança de 95% a 99%.

Enquanto algumas equipes de manutenção usam eletrodos revestidos para recondicionar roletes de esteiras transportadoras, a fabricação de vigas em grande volume depende de sistemas automatizados de soldagem de vigas H. Instalações que buscam aumentar a produtividade de sua montagem estrutural podem consultar nosso fluxo de trabalho de montagem de vigas H de alta resistência e soldagem a arco submerso . As oficinas também podem usar o rastreamento robótico de juntas de soldagem para passes de revestimento repetíveis em placas sujeitas a desgaste repetitivo.

Lista de verificação para referência cruzada comercial, diâmetros de eletrodos e aquisição

As equipes de compras frequentemente se deparam com nomes comerciais proprietários de empresas como Lincoln Electric, Stoody, ESAB e Hobart Brothers, em vez dos códigos AWS A5.13. Fornecedores como Postle Industries e Hardface Technologies também utilizam seus próprios nomes comerciais. A utilização das especificações e da composição da liga AWS A5.13, ou das referências cruzadas fornecidas pelos produtos de soldagem comerciais, pode ajudar a evitar a compra de uma liga incompatível da Airgas e de outros fornecedores.

Existe um importante limite de escopo para os equipamentos a serem fabricados. A Wuxi Zhouxiang Complete Set of Welding Equipment Co., Ltd. (fundada em 1991) fabrica equipamentos pesados ​​de soldagem industrial, linhas de produção de vigas H, máquinas de corte CNC e posicionadores rotativos para soldagem. Não fabricamos nem vendemos eletrodos revestidos para revestimento duro. A tabela de referência cruzada fornecida destina-se à avaliação independente de engenharia por parte dos compradores de equipamentos de manutenção e fabricação.

A escolha do diâmetro correto do eletrodo e da faixa de corrente evita a diluição excessiva da primeira camada. A primeira camada sofre uma diluição de 25% a 30% do metal base, enquanto a segunda camada apresenta uma diluição de 10% a 15%. Utilizar eletrodos na metade inferior da faixa de amperagem preserva uma maior densidade de carboneto.

• Para eletrodos de 3.2 mm (1/8 pol.) de diâmetro, utilize uma corrente de 90 a 140 A (CCEP ou CA). Este eletrodo revestido com diâmetro de 3,2 mm é ideal para bordas finas, como as encontradas em espirais de rosca sem-fim e em soldas de aço manganês sensíveis ao calor.
• Para eletrodos de 4.0 mm (5/32 pol.) de diâmetro, utilize uma corrente de 130 a 190 A (CC ou CA). Essa medida é usada para bordas de caçambas e revestimentos de calhas, bem como para a formação de rolos em múltiplas passagens.
• Para eletrodos de 5.0 mm (3/16 pol.) de diâmetro, utilize uma corrente de 170 a 250 A (CCEP ou CA). Esta haste robusta foi projetada para revestimento plano de alta deposição em mandíbulas de britadores pesados ​​e placas de desgaste espessas.

A umidade no ar da oficina causa acúmulo de hidrogênio e faz com que as varetas martensíticas absorvam umidade rapidamente. Eletrodos sensíveis à umidade devem ser reaquecidos a 250 °C a 300 °C (482 °F a 572 °F) por 1 a 2 horas antes da soldagem de aço carbono. Certifique-se de que sua oficina esteja equipada com cabos de soldagem a arco, porta-eletrodos e estufas de secagem adequados para ciclos de trabalho contínuos.