1. Introdução
CD3MWCuN (EUA J93380, ASTM A890/A995 Grau 6A) é um aço inoxidável super duplex de alto desempenho (SDSS) desenvolvido em meados da década de 1980, projetado especificamente para enfrentar os desafios de corrosão de ambientes de serviço extremos, como campos submarinos de petróleo e gás, plantas de processamento químico, e instalações de dessalinização de água do mar.
Ao contrário dos aços inoxidáveis duplex convencionais (DSS) como 2205, CD3MWCuN alcança um equilíbrio inovador de resistência à corrosão, força mecânica, e processabilidade através de design de liga otimizado, preenchendo a lacuna de desempenho entre o DSS padrão e as caras ligas à base de níquel (Por exemplo, Hastelloy C276).
2. O que é aço inoxidável duplex CD3MWCuN?
CD3MWCuN é um superduplex aço inoxidável liga projetada para combinar resistência à corrosão localizada muito alta com elevada resistência mecânica e capacidade de fabricação prática em formas fundidas e forjadas.
Sua designação reflete a ênfase na liga - alta Cr (cromo), significativo MO (molibdênio) e C (tungstênio), deliberar N (azoto) níveis para estabilização e fortalecimento da austenita, e um controlado Cu (cobre) adição para melhorar o comportamento em certos meios de processo redutores ou ácidos.
Na prática de engenharia, CD3MWCuN é especificado onde ambientes ricos em cloreto, Altas cargas mecânicas, e longos intervalos de manutenção coincidem - por exemplo, hardware submarino, bombas e válvulas de água do mar, óleo & coletores de gás, componentes da planta de dessalinização e equipamentos agressivos de processos químicos.
Atributos funcionais típicos (resumo)
- Resistência excepcionalmente alta à corrosão localizada: O equilíbrio Cr – Mo – W – N projetado produz valores de PREN geralmente bem na faixa “super-duplex” (indicador de triagem para excelente resistência a corrosão/fissuras).
- Alta resistência mecânica: a estrutura duplex oferece resistência ao escoamento e resistência à tração substancialmente maiores do que os austeníticos comuns (permitindo mais fino, peças de pressão mais leves).
- Tolerância melhorada ao SCC: suscetibilidade reduzida à trinca por corrosão sob tensão por cloreto em comparação com austeníticos da série 300 e muitos aços duplex de liga inferior.
- Castabilidade para geometrias complexas: formulado para ser produzido como peças fundidas de alta integridade (com controles de fundição apropriados) para que componentes complexos possam ser entregues em formato quase perfeito.
- Boa estabilidade corrosiva geral: filme passivo estável sob condições oxidantes; a amplitude da liga oferece versatilidade em muitos processos químicos.
3. Função química e metalúrgica de elementos de liga
O desempenho de CD3MWCuN duplex em aço inoxidável é regido por um equilíbrio cuidadosamente, sistema de liga multielementar projetado para estabilizar uma microestrutura bifásica de ferrita-austenita enquanto maximiza a resistência à corrosão localizada e a resistência mecânica.
| Elemento | Conteúdo típico (wt.%) | Função metalúrgica |
| Cromo (Cr) | 24.0 - 26.0 | Elemento passivador primário; promove a formação de um filme estável de Cr₂O₃; estabilizador de ferrite forte |
| Níquel (Em) | 6.0 - 8.5 | Estabilizador de austenita; melhora a resistência e a ductilidade |
| Molibdênio (MO) | 3.0 - 4.0 | Aumenta a resistência à corrosão de coroção e fenda; fortalece a ferrita |
| Tungstênio (C) | 0.5 - 1.0 | Suplementa Mo na melhoria da resistência à corrosão localizada |
Azoto (N) |
0.18 - 0.30 | Poderoso estabilizador de austenita; fortalecimento de solução sólida; Melhora a resistência à coroa |
| Cobre (Cu) | 0.5 - 1.0 | Melhora a resistência a certos ácidos redutores; aumenta a resistência geral à corrosão |
| Carbono (C) | ≤ 0.03 | Controlado para minimizar a precipitação de carboneto |
| Manganês (Mn) | ≤ 1.0 | Deoxidizer; auxilia na solubilidade do nitrogênio |
| Silício (E) | ≤ 1.0 | Deoxidizer; melhora a fluidez na fundição |
| Fósforo (P) | ≤ 0.03 | Elemento residual; limitado para preservar a resistência |
| Enxofre (S) | ≤ 0.02 | Controle de impureza |
| Ferro (Fe) | Equilíbrio | Elemento da matriz base |
4. Propriedades mecânicas típicas (condição recozida em solução)
| Propriedade | Faixa típica / valor | Condição de teste / comentário |
| 0.2% prova / Força de escoamento, Rp0.2 (MPA) | 450 - 700 | Variação por forma de produto: peças fundidas em direção à extremidade inferior, forjado/forjado na extremidade superior |
| Resistência à tracção, Rm (MPA) | 700 - 950 | Temperatura ambiente, amostra de tração padrão |
| Alongamento no intervalo, UM (%) | 20 - 35 | Maior para forjado/forjado; as peças fundidas podem estar em direção ao limite inferior |
| Redução de área, Z (%) | 30 - 50 | Dependente da forma do produto e da qualidade do tratamento térmico |
Dureza, Hb (Brinell) |
220 - 350 | Típico conforme fornecido; valores mais altos podem indicar trabalho a frio ou endurecimento local |
| Energia de impacto Charpy V-notch (J) | ≥ 50 - 150 (temperatura da sala) | Ampla gama – depende da qualidade da fundição e do tratamento térmico; especifique o mínimo necessário |
| Força de fadiga (flexão rotativa, 10^7 ciclos) (MPA) | ~300 – 450 (dependente da aplicação) | Superfície fortemente- e dependente de detalhes; use dados S – N qualificados para projeto |
| Colheita / relação de tração (Rp0.2 / Rm) | ~0,60 – 0.80 | Típico para microestrutura duplex |
5. Propriedades físicas e térmicas do aço inoxidável duplex CD3MWCuN
| Propriedade | Valor típico / faixa | Condição de teste / comentário |
| Densidade (g · cm⁻³) | 7.80 - 7.90 | Temperatura ambiente |
| Módulo elástico, E (GPA) | 200 - 210 | Temperatura ambiente; reduz com a temperatura |
| Razão de Poisson, n | 0.27 - 0.30 | Estimativa de engenharia: usar 0.28 onde necessário |
| Condutividade térmica, k (W·m⁻¹·K⁻¹) | 14 - 18 | No 20 ° c; inferior aos aços ferríticos, maior do que muitas ligas de níquel |
| Coeficiente de expansão térmica (20–200 ° C.) (×10⁻⁶K⁻¹) | 11.0 - 13.0 | Use curva dependente da temperatura para análise precisa de deformação térmica |
| Capacidade térmica específica, CP (J·kg⁻¹·K⁻¹) | 450 - 500 | Temperatura ambiente; aumenta com a temperatura |
| Difusividade térmica (m²·s⁻¹) | ~4,5 – 7.0 × 10⁻⁶ | Calculado a partir de k/(ρ·cp); dependente do produto |
Resistividade elétrica (Oh; m) |
~7,5 – 9.5 ×10⁻⁷ | Temperatura ambiente; depende da química exata |
| Comportamento magnético | Parcialmente magnético | Devido à fração da fase ferrítica; a permeabilidade depende do equilíbrio de fases e do trabalho a frio |
| Temperatura típica de serviço (contínuo) | −50 °C até ≈ 300 ° c (recomendado) | Acima de ~300°C, risco de precipitação intermetálica e perda de tenacidade/resistência à corrosão; qualificação necessária para temperaturas mais altas |
| Solidus / líquido (° c) | Dependente de liga; consulte o fornecedor | Ligas duplex/superduplex solidificam em uma faixa; consulte dados da fábrica para práticas de fundição/soldagem |
6. Resistência à corrosão: Além dos aços duplex convencionais
A resistência à corrosão do CD3MWCuN é sua vantagem definidora, apoiado por um PREN (Take = cr + 3.3MO + 30N + 16Cu) de mais 40, muito superior 2205 DSS (PREN≈32) e aço austenítico 316L (PREN≈34).
Dados de teste abrangentes confirmam seu desempenho em ambientes extremos:
Resistência à corrosão de coroa e fenda
Em 6% Solução FeCl₃ (ASTM G48 Método A), CD3MWCuN exibe uma taxa de corrosão ≤0,015 g/(m²·h), com temperatura crítica de corrosão (Cpt) ≥40℃ e temperatura crítica de corrosão em fendas (CCCT) ≥35℃.
Testes de campo em água do mar (salinidade 35‰) mostram uma taxa de corrosão ≤0,003 mm/ano, adequado para serviço de longo prazo em membranas RO de dessalinização de água do mar.
Estresse corrosão rachando (SCC) Resistência
Em meios contendo cloreto, Fator crítico de intensidade de tensão de CD3MWCuN KISCC ≥30 MPa·m¹/², superando 2205 DSS (KISCC≈25 MPa·m¹/²).
Está em conformidade com os padrões NACE MR0175 para campos ácidos de petróleo e gás, tolerando pressão parcial de H₂S até 20 kPa sem iniciação SCC.
Resistência à corrosão ácida e em meios mistos
Em 10% H₂so₄ (25℃), sua taxa de corrosão ≤0,05 mm/ano, tornando-o adequado para revestimentos de reatores químicos.
Na dessulfurização de gases de combustão (FGD) sistemas (Cl⁻ + SO₃²⁻ mídia mista), mantém desempenho estável sem corrosão visível após 5,000 horas de serviço.
7. Características de fundição de CD3MWCuN
Sendo uma liga alta, liga superduplex fundida apresenta elenco desafios:
- Ampla faixa de congelamento e segregação: alto teor de liga aumenta a faixa liquidus-solidus, aumentando a probabilidade de segregação interdendrítica e líquido residual com baixo PREN preso se a alimentação for inadequada.
- Precipitação intermetálica: resfriamento lento ou exposição térmica excessiva durante a limpeza/soldagem podem promover fases σ e χ em regiões interdendríticas e interfaces α/γ — essas fases fragilizam o material e degradam a resistência à corrosão.
- Porosidade de gás e sensibilidade de inclusão de óxido: limpeza rigorosa do derretimento, a desgaseificação e a filtração cerâmica são essenciais – a porosidade reduz a resistência efetiva e o desempenho contra corrosão.
- Alimentação & design de riser: Solidificação direcional, comedouros e resfriadores de tamanho adequado são essenciais para evitar defeitos de encolhimento; simulação de elenco é recomendada para geometrias complexas.
Requisitos de fundição: fusão a vácuo ou atmosfera controlada (Eaf + AOD/VOD), desoxidação/fluxação rigorosa, filtragem de espuma cerâmica, e fornos de recozimento de solução validados dimensionados para a seção maior são as melhores práticas ao produzir peças fundidas CD3MWCuN.
8. Tratamento térmico, Recozimento de solução e estabilidade térmica
Recozimento da solução
- Propósito: dissolver intermetálicos e eliminar a segregação, restaure o equilíbrio da fase duplex e maximize a resistência à corrosão.
- Janela típica:aprox. 1,050–1.100 ° C. (o ciclo exato depende da espessura da seção), seguido pela Quereque rápido (água ou extinção rápida de ar) para evitar reprecipitação.
- Tempo de imersão: dimensionado para o tamanho máximo da seção; peças fundidas espessas requerem imersão prolongada para homogeneizar completamente.
Estabilidade térmica & precipitação de fase
- Fase Sigma e outros intermetálicos podem formar-se sob exposição prolongada no 600–900 ° C. faixa, fragilizando a liga e reduzindo a resistência à corrosão. Evite excursões térmicas nesta faixa por períodos prolongados.
- Precipitação de nitreto e a formação de carboneto de cromo são preocupações se os ciclos de resfriamento/calor não forem controlados — o baixo teor de carbono e a prática apropriada do forno reduzem a sensibilidade.
9. Soldagem, Melhores práticas de fabricação e usinagem
Soldagem
- Consumíveis: usar metais de adição correspondentes ou ligeiramente superiores projetados para composição superduplex para ajudar a restaurar a resistência à corrosão no metal de solda.
- Controle de entrada de calor: minimizar a entrada de calor e controlar a temperatura entre passes para evitar ciclos térmicos locais excessivos que incentivam a formação de σ/χ na ZTA.
- Pré/pós tratamentos: para componentes críticos, o recozimento da solução pós-solda é comumente especificado para restaurar a microestrutura homogênea; para reparos em campo, TIG de baixa entrada de calor com PQR/WPS qualificado e solução pós-soldagem local, sempre que possível, é aconselhável.
- Controle de hidrogênio: aplicam-se precauções padrão - eletrodos secos, processos com baixo teor de hidrogênio, quando apropriado.
Usinagem
- MACHINABILIDADE: os aços duplex/superduplex são mais tenazes e duros que os austeníticos — use ferramentas robustas de metal duro, rake positivo, fixação rígida, e refrigerante. Espere velocidades de corte mais baixas do que para aço inoxidável 304/316.
- Rosqueamento e inserções: para montagem repetida, considere inserções de aço inoxidável orustenítico/bronze se necessário para desgaste; especifique o envolvimento do thread adequadamente.
Conselhos de fabricação
- Evite o corte térmico com oxicorte em peças fundidas críticas antes do recozimento da solução — o aquecimento local pode precipitar intermetálicos e causar rachaduras frágeis nas raízes do riser.
Se o corte térmico for inevitável, prefira corte mecânico/mais seguro (serra) seguido de recozimento em solução.
10. Opções de acabamento de superfície e proteção contra corrosão
- Decapagem & passivação: passivação padrão com ácido nítrico/fluorídrico ou cítrico adaptada para química duplex remove contaminantes e promove um filme passivo estável.
- Acabamento mecânico: Blasting de tiro, lixamento e polimento melhoram a condição da superfície e a resistência à fadiga; evite trabalho a frio excessivo que aumenta tensões residuais.
- Revestimentos: tintas poliméricas, revestimentos de epóxi ou revestimentos especializados fornecem proteção extra em meios extremamente agressivos ou para mitigar o risco de corrosão em fendas.
- Proteção catódica: em estruturas submarinas maciças proteção catódica (ânodos de sacrifício ou corrente impressa) complementa a resistência inata do CD3MWCuN em ambientes marinhos severos.
11. Aplicações típicas de aço inoxidável CD3MWCuN
- Componentes submarinos: coletores, conectores, grampos, prendedores (onde alto PREN e resistência são necessários).
- Válvulas & acessórios: corpos da válvula, capotas e acabamentos para água do mar e serviço de água produzida.
- Carcaças da bomba & Impellers: bombas de água do mar e salmoura onde a erosão, a corrosão e a corrosão são riscos.
- Dessalinização & Sistemas RO: componentes expostos a salmouras com alto teor de cloreto.
- Equipamento de processamento químico: trocadores de calor, reatores, e tubulação em fluxos contendo cloreto.
- Óleo & gás superior / tubulares superiores: onde alta resistência e resistência à corrosão reduzem a contagem e o peso das peças.
12. Vantagens e limitações
Vantagens do aço inoxidável CD3MWCuN
- Alta resistência a corrosão/fissuras para ambientes clorados (PREN frequentemente > 40 para calores bem ligados).
- Alta resistência mecânica — permite seções mais finas e economia de peso em comparação com austeníticos.
- Boa resistência SCC em relação aos aços inoxidáveis da série 300.
- Castável para geometrias complexas com prática cuidadosa de fundição, permitindo a consolidação de peças.
Limitações do aço inoxidável CD3MWCuN
- Custo: liga superior (MO, C, N) aumenta o custo do material e do fundido em relação aos tipos comuns.
- Elenco & complexidade do tratamento térmico: requer controle cuidadoso da fundição, possível solução recozimento e END; peças grandes podem ser difíceis de tratar termicamente uniformemente.
- Sensibilidade de soldagem/reparo: soldagem requer consumíveis e controles qualificados; risco de sigma ou outras fases prejudiciais se mal manuseado.
- Dureza de usinagem: mais resistentes à usinagem do que classes austeníticas — ferramentas & o projeto do ciclo deve levar em conta isso.
13. Análise Comparativa — CD3MWCuN Versus Ligas Semelhantes
Esta seção compara CD3MWCuN com alternativas comumente consideradas para aplicações estruturais e contendo cloreto: duplex 2205, superduplex 2507, e 316L (austenítico).
| Propriedade | CD3MWCuN (elenco representativo superduplex) | Duplex 2205 (forjado) | Super-duplex 2507 (forjado) | 316L (austenítico / elenco equiv.) |
| Química representativa (WT%) | Cr ≈ 25.0; Em ≈ 4.0; Mo ≈ 3.6; C ≈ 0.5; N ≈ 0.30 | Cr ≈ 22.0; Em ≈ 5.0; Mo ≈ 3.1; N ≈ 0.17 | Cr ≈ 25.0; Em ≈ 6.5; Mo ≈ 4.0; N ≈ 0.28 | Cr ≈ 17.0; Em ≈ 10.0; Mo ≈ 2.5; N ≈ 0.03 |
| Madeira (cálculo. =Cr + 3.3·Mo + 16·N + 0.5·C) | 41.93 (25.00 + 11.88 + 4.80 + 0.25) ≈ 42 | 34.95 (22.00 + 10.23 + 2.72) ≈ 35 | 42.68 (25.00 + 13.20 + 4.48) ≈ 42.7 | 25.73 (17.00 + 8.25 + 0.48) ≈ 25.7 |
| Tração típica (Uts), MPA | 700 - 900 | 620 - 850 | 800 - 1000 | 480 - 650 |
| Colheita (0.2%), MPA | 450 - 700 | 450 - 550 | 650 - 800 | 200 - 300 |
| Alongamento (A5) | 10 - 25% (seção dependente) | 15 - 30% | 10 - 20% | 35 - 50% |
| Densidade (g · cm⁻³) | ~7,8 – 8.0 | ~7,8 – 7.9 | ~7,8 – 7.9 | ~ 7.9 - 8.0 |
| Castabilidade | Bom (projetado para fundição) | Moderado (elenco duplex possível, mas exigente) | Desafiante (a fundição superduplex precisa de controle especializado) | Excelente (existem equivalentes fundidos como CF8M) |
Soldabilidade |
Bom ao usar consumíveis duplex correspondentes; precisa de controle | Bom com procedimentos qualificados | Mais exigente; requer controle rígido | Excelente |
| SCC / Resistência ao cloreto | Alto para muitos serviços de água do mar/salmoura (Madeira ≈ 42) | Moderado-alto (bom para muitos serviços) | Muito alto (Madeira ≈ 41–45) | Baixo moderado; suscetível a corrosão/SCC em cloretos |
| Aplicações típicas | Corpos de válvula fundidos, componentes submarinos, carcaças de bombas para água do mar/salmoura | Trocadores de calor, vasos de pressão, tubulação onde a resistência duplex é necessária | Submarino crítico, ambientes de cloreto altamente agressivos | Processo químico geral, comida, farmacêutico, serviços de cloreto suave |
| Custo relativo do material | Alto (liga + complexidade de fusão) | Médio | Muito alto | Baixo -medium |
14. Conclusão
CD3MWCuN é uma família de aço inoxidável superduplex fundido que oferece uma combinação atraente de alta resistência e excelente resistência à corrosão localizada para ambientes exigentes contendo cloreto.
Sua adequação para peças fundidas complexas o torna uma excelente opção onde a integração, economia de peso e desempenho contra corrosão são necessários simultaneamente.
O uso bem sucedido depende prática rigorosa de fundição (controle de solidificação, derreter limpeza, controle de ferrite), tratamento térmico adequado, e procedimentos qualificados de fabricação/soldagem.
Quando especificado e processado corretamente, CD3MWCuN fornece durabilidade, fundições de alto desempenho para submarinas, dessalinização, óleo & indústrias de gás e química.
Perguntas frequentes
O que o PREN > 40 significa na prática?
Madeira > 40 indica forte resistência a corrosão e fissuras. Em termos práticos, isso significa que a liga resistirá ao ataque localizado na água do mar e em muitos fluxos de processo com alto teor de cloreto em temperaturas e condições de fluxo que perfurariam materiais com baixo PREN.
O CD3MWCuN é adequado para uso submarino??
Sim — quando fundido/forjado e fabricado sob procedimentos qualificados, e com acabamento superficial e inspeção controlados, CD3MWCuN é amplamente utilizado em componentes submarinos e hardware exposto à água do mar.
O CD3MWCuN pode ser soldado sem tratamento térmico pós-soldagem?
A soldagem é viável sem PWHT se os procedimentos forem qualificados e a entrada de calor for rigorosamente controlada; no entanto, para os componentes mais críticos ou onde o desempenho da ZTA é fundamental, recozimento com solução pós-solda (ou outras medidas corretivas validadas) pode ser necessário.
Como o CD3MWCuN se compara às ligas superausteníticas?
Os superausteníticos podem igualar ou exceder o PREN em alguns produtos químicos e oferecer melhor ductilidade/formabilidade, mas CD3MWCuN geralmente fornece maior resistência e muitas vezes um custo de ciclo de vida mais favorável em ambientes dominados por cloreto, serviço mecanicamente exigente.
