Orientador: Itamar Ferreira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-18T17:02:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Uehara_AndreYugou_M.pdf: 4445631 bytes, checksum: ba69e40eee3a8de5233ab826f19564d7 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Este trabalho tem por objetivo investigar a etapa de decapagem ácida e os processos de desidrogenação e retrabalho realizados durante a zincagem de parafusos quanto à fragilização por hidrogênio. Parafusos fabricados conforme a norma JIS B 1127 (1995), cementados, de 6 mm de diâmetro e 16 mm de comprimento de rosca foram organizados em 39 diferentes grupos. A decapagem foi avaliada quanto ao volume de ácido clorídrico (700 ml, 900 ml e 1000 ml) e presença, ou ausência, de inibidor para este ácido, utilizando tempos de decapagem de 15, 30, 45 e 60 minutos para cada condição de volume de ácido e inibidor utilizados. A desidrogenação foi avaliada utilizando parafusos decapados (solução: 1000 ml de ácido, ausência de inibidor e decapados por 15, 30, 45 e 60 minutos) e desidrogenados a uma temperatura de 1000C e tempo total de processo de 1, 2 e 3,5 horas. O retrabalho foi avaliado utilizando parafusos de 8 ?m de espessura de camada zincada, retrabalhados por 4 minutos em 700 ml de ácido, ausência de inibidor e 300 ml de água, avaliando as hipóteses do retrabalho único e duplo sem desidrogenação e do retrabalho único seguido de desidrogenação (1000C - 2 horas). Ensaios de pré-carregamento para a detecção da fragilização por hidrogênio foram realizados em parafusos que sofreram as preparações citadas, sendo o torque de ruptura avaliado nestes parafusos, assim como naqueles obtidos após o tratamento térmico. Análises química e metalográfica e ensaios de microdureza Vickers e tração, além de análise fratográfica por microscopia eletrônica de varredura (MEV) também foram realizados. A análise metalográfica revelou uma matriz ferrítica composta por grãos equiaxiais com carbonetos esferoidizados para o fio máquina, enquanto que o parafuso possui estrutura ferrítico-perlítica no núcleo e martensita revenida na camada cementada. Os ensaios de microdureza e de tração revelaram que o fio máquina e o parafuso possuem níveis de resistência mecânica dentro do esperado conforme as condições utilizadas, enquanto que não houve diferenças significativas entre os valores de torque de ruptura obtidos em ambas as situações analisadas. A etapa de decapagem ácida revelou que, nos grupos que não utilizaram inibidor, o número de falhas aumenta num primeiro momento com o aumento do tempo de decapagem, reduzindo após um determinado tempo de decapagem relacionado ao volume de ácido utilizado. O número de falhas sofre grande redução com a utilização do inibidor, porém mesmo a baixas concentrações de ferro, a utilização de maiores volumes de ácido associado a maiores tempos de decapagem aumentam o risco de fragilização. Apenas houve falha para a desidrogenação realizada a 1000C, por 1 hora, revelando a importância de adequados controles de temperatura, procedimentos de homogeneização e parâmetros de temperatura e tempo. Não houve falhas para o retrabalho revelando a importância de adequados procedimentos de retrabalho (tempo e solução) e de desidrogenação, enquanto que a análise da superfície de fratura revelou apenas os micromecanismos de fratura intergranular e dimples, sendo este último mais freqüentemente associado a regiões mais próximas ao núcleo, além da presença de trincas secundárias / Abstract: The main aim of this work is to investigate the effects on hydrogen embrittlement of bolts due to acid pickling, baking, and strip processes performed during zinc plating. Carburized bolts type "hexagon flange head tapping screws", with 6 mm of diameter and 16 mm of thread length were organized into 39 different groups. Acid pickling was evaluated using volumes of hydrochloric acid of 700 ml, 900 ml, and 1000 ml, presence, or absence, of acid inhibitor, and pickling periods of 15, 30, 45, and 60 minutes for each condition of acid volume and inhibitor used. Baking was evaluated using 1000C, and periods of 1, 2, and 3.5 hours for bolts that were subjected to acid pickling with a solution of 1000 ml of acid, absence of inhibitor, and pickling periods of 15, 30, 45, and 60 minutes. Strip was evaluated using bolts with zinc layer thickness of 8 ?m, stripped for 4 minutes in a solution of 700 ml of acid, absence of inhibitor, and 300 ml of water, performing the hypotheses of single and double strip without baking, and single strip followed by baking (1000C - 2 hours). Preloading tests for the detection of hydrogen embrittlement were conducted in bolts that were subjected to the preparations mentioned, while torsional tests were also conducted at these bolts, as well as in those obtained after heat treatment. Chemical and metallographic analysis, Vickers microhardness and tensile tests, and fractographic analysis using scanning electron microscopy (SEM) were also conducted. Metallographic analysis revealed a ferritic matrix composed of equiaxed grains with spheroidized carbides for the wire, while the bolts showed a ferritic-pearlitic microstructure at the center and tempered martensite at the hardened layer. Microhardness and tensile tests revealed that wire and bolts have strength levels as expected according to the conditions used, while no significant differences between the breaking torque values were obtained in both situations analyzed. Acid pickling revealed that in the groups, which did not use inhibitor, the number of failures increases at a first stage with increasing pickling periods, however it starts to decrease after a certain pickling period related to the volume of acid used. The number of failures is greatly reduced with the use of the inhibitor, but even at low concentrations of iron, the use of larger amounts of acid associated with longer pickling periods increases the risk of hydrogen embrittlement. Failures were observed only at 1000C - 1 hour as baking parameters, showing the importance of proper temperature controls, homogenization procedures, and temperature and time parameters. There were no failures related to strip, revealing the importance of adequate procedures for strip (period and solution used) and baking procedures as observed. The fracture surface analysis revealed only intergranular and dimples micromechanisms of fracture, where the latter being more often associated with regions closer to the core of the bolts, also showing the presence of secondary cracks / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

O comportamento eletroquímico do aço inoxidável 304 foi estudado em meios de ácido sulfúrico a várias temperaturas, utilizando reagentes de diferentes graus de pureza, na ausência e presença de benzotriazol (BTAH). Foram feitos ensaios gravimétricos, medidas de potencial de circuito aberto e curvas de polarização potenciostática anódicas e catódicas e análise dos produtos de corrosão por espectrometria de emissão atômica. O objetivo deste estudo foi avaliar a performance do BTAH como inibidor em banhos de decapagem industriais de H2SO4. O BTAH mostrou-se um inibidor efetivo para o aço 304 em toda a faixa de concentração de ácido e temperatura estudadas. A eficiência do inibidor- decresce com o aumento de temperatura e da concentração de H2SO4. O filme inibidor obedece à isoterma de Langmuir, tanto a 28,0 °C quanto 70,0°C, e os valores de energia livre de adsorção sugerem adsorção química. As impurezas presentes nos reagentes exercem pouco efeito na eficiência do inibidor. Estudos potenciostáticos mostraram que o BTAH é um inibidor anódico em toda a faixa de potencial e temperatura estudadas. Do ponto de vista tecnológico, os resultados mais importantes são: o BTAH inibe o processo de corrosão do aço, mas não impede a dissolução dos óxidos (carepa); o BTAH não promove dissolução seletiva dos elementos de liga. / The electrochemical behaviour of 304 stainless steel in sulfuric acid media containing benzotriazole (BTAH), was studied at different temperatures, using reagents of different purity grades. Weight loss experiments, open circuit potential measurements, anodic and cathodic potentiostatic polarisation curves and corrosion product analysis by atomic emission spectrometry were made. This study had as objective to evaluate the BTAH perfonnance as corrosion inhibitor in H2SO4 pick1ing baths. BTAH showed to be an effective inhibitor for 304 SS on the entire range of acid concentration and at alI studied temperatures . Inhibitor efficiency decreases as the temperature or acid concentration mcrease. The inhibitive film obeys to Langmuir isothenn, at 28,0 °C as well at 70,0 °C, and free energy adsorption values suggest chemical adsorption. The impurities present in the reagents have little effect on the inhibitor efficiency. Potentiostatic studies have shown that BTAH is an anodic inhibitor on the entire range of potential and at alI studied temperatures. The principal result for pickling baths aplication are that BTAR prevents the steel corrosion, but it does not avoid the scale dissolution and it does not promote selective steel dissolution.

O comportamento eletroquímico do aço inoxidável 304 foi estudado em meios de ácido sulfúrico a várias temperaturas, utilizando reagentes de diferentes graus de pureza, na ausência e presença de benzotriazol (BTAH). Foram feitos ensaios gravimétricos, medidas de potencial de circuito aberto e curvas de polarização potenciostática anódicas e catódicas e análise dos produtos de corrosão por espectrometria de emissão atômica. O objetivo deste estudo foi avaliar a performance do BTAH como inibidor em banhos de decapagem industriais de H2SO4. O BTAH mostrou-se um inibidor efetivo para o aço 304 em toda a faixa de concentração de ácido e temperatura estudadas. A eficiência do inibidor- decresce com o aumento de temperatura e da concentração de H2SO4. O filme inibidor obedece à isoterma de Langmuir, tanto a 28,0 °C quanto 70,0°C, e os valores de energia livre de adsorção sugerem adsorção química. As impurezas presentes nos reagentes exercem pouco efeito na eficiência do inibidor. Estudos potenciostáticos mostraram que o BTAH é um inibidor anódico em toda a faixa de potencial e temperatura estudadas. Do ponto de vista tecnológico, os resultados mais importantes são: o BTAH inibe o processo de corrosão do aço, mas não impede a dissolução dos óxidos (carepa); o BTAH não promove dissolução seletiva dos elementos de liga. / The electrochemical behaviour of 304 stainless steel in sulfuric acid media containing benzotriazole (BTAH), was studied at different temperatures, using reagents of different purity grades. Weight loss experiments, open circuit potential measurements, anodic and cathodic potentiostatic polarisation curves and corrosion product analysis by atomic emission spectrometry were made. This study had as objective to evaluate the BTAH perfonnance as corrosion inhibitor in H2SO4 pick1ing baths. BTAH showed to be an effective inhibitor for 304 SS on the entire range of acid concentration and at alI studied temperatures . Inhibitor efficiency decreases as the temperature or acid concentration mcrease. The inhibitive film obeys to Langmuir isothenn, at 28,0 °C as well at 70,0 °C, and free energy adsorption values suggest chemical adsorption. The impurities present in the reagents have little effect on the inhibitor efficiency. Potentiostatic studies have shown that BTAH is an anodic inhibitor on the entire range of potential and at alI studied temperatures. The principal result for pickling baths aplication are that BTAR prevents the steel corrosion, but it does not avoid the scale dissolution and it does not promote selective steel dissolution.

O Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares IPEN-CNEN/SP produz rotineiramente o combustível nuclear necessário para a operação de seu reator de pesquisas IEA-R1. Esse combustível é formado por placas combustíveis contendo núcleos de dispersões U3Si2-Al, obtidas por laminação. As placas combustíveis sofrem um tratamento químico para limpeza de sua superfície, com o objetivo de garantir a remoção de qualquer impureza presente em suas superfícies, incluindo resíduos de urânio. Nos últimos 10 anos foram constatados de forma esporádica aumentos significativos na atividade radioativa da água da piscina do reator IEA-R1. O aumento da atividade no ambiente do reator foi relacionado à entrada na piscina de elementos combustíveis recém-fabricados, entrando em operação. Apesar do processo de tratamento superficial atual estar perfeitamente estável e reprodutível, uma possível causa para o aumento da atividade da água da piscina do reator IEA-R1 é a presença de contaminação residual de urânio na superfície não retirada pelo tratamento químico superficial. Durante anos, esse problema não foi observado devido à baixa potência de operação do reator, no nível de 2 MW. Contudo, com o aumento da potência, acima de 3,5 MW, esse problema começou a ser observado. Esse trabalho verifica a hipótese da contaminação residual de urânio na superfície das placas combustíveis de forma estatística e caracteriza a adequação do processo de tratamento superficial de placas combustíveis. Utilizou-se uma metodologia estatística de avaliação do processo em três níveis: produção presente, contaminação intencional, produção histórica. A contagem de emissões alfa por contador de NaI permitiu a quantificação de urânio residual. Como resultado global, verificou-se que pode ocorrer contaminação abaixo de 1 g de 235U por elemento combustível. Essa contaminação não é significante para causar eventuais acidentes de aumento de atividade no reator IEA-R1. Provou-se no presente trabalho que a metodologia de contagens de emissões alfa é segura, precisa e rápida para se analisarem contaminações superficiais de urânio nas placas combustíveis. / Nuclear and Energy Research Institute - IPEN-CNEN/ SP routinely produces its own nuclear fuel elements, necessary for the operation of its research reactor IEA-R1. This fuel consists of fuel plates containing cores U3Si2-Al dispersions obtained by rolling. Fuel plates undergo a chemical treatment for surface cleaning, aiming to ensure the removal of any impurity present on the surface, including uranium residual dust. Over the past 10 years, it was found sporadically a significant increase of radioactivity emission in water pool of IEA-R1 reactor. The increased activity in the reactor environment was related to the use of newly fabricated fuel elements fed into the core. Although the actual surface treatment process to be perfectly stable and reproducible, a possible cause for the activity increase would be the presence of residual uranium contamination over the surface, which was not removed by chemical surface treatment. For years, this problem was not observed due to the low power of reactor operation, at the level of 2 MW. However, with the increase in power above 3.5 MW, this problem started to be observed. This work verifies the hypothesis of residual uranium contamination on the surface of the fuel plates in a statistical methodology and features the adequacy of the fuel plate surface treatment process. We evaluated, statistically, the process into three levels: present production, intentional contamination, historical production. The NaI alpha emission counter allowed quantification the amount of uranium residual. As an overall result, it was found that contamination may occur below 1 g of 235U per fuel element. The contamination was judged as not significant to cause any activity accidents in the IEA-R1. It has been proven in this paper that the methodology to count alpha emissions is secure, accurate and fast to analyze surface uranium contamination in nuclear fuel plates.

O Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares IPEN-CNEN/SP produz rotineiramente o combustível nuclear necessário para a operação de seu reator de pesquisas IEA-R1. Esse combustível é formado por placas combustíveis contendo núcleos de dispersões U3Si2-Al, obtidas por laminação. As placas combustíveis sofrem um tratamento químico para limpeza de sua superfície, com o objetivo de garantir a remoção de qualquer impureza presente em suas superfícies, incluindo resíduos de urânio. Nos últimos 10 anos foram constatados de forma esporádica aumentos significativos na atividade radioativa da água da piscina do reator IEA-R1. O aumento da atividade no ambiente do reator foi relacionado à entrada na piscina de elementos combustíveis recém-fabricados, entrando em operação. Apesar do processo de tratamento superficial atual estar perfeitamente estável e reprodutível, uma possível causa para o aumento da atividade da água da piscina do reator IEA-R1 é a presença de contaminação residual de urânio na superfície não retirada pelo tratamento químico superficial. Durante anos, esse problema não foi observado devido à baixa potência de operação do reator, no nível de 2 MW. Contudo, com o aumento da potência, acima de 3,5 MW, esse problema começou a ser observado. Esse trabalho verifica a hipótese da contaminação residual de urânio na superfície das placas combustíveis de forma estatística e caracteriza a adequação do processo de tratamento superficial de placas combustíveis. Utilizou-se uma metodologia estatística de avaliação do processo em três níveis: produção presente, contaminação intencional, produção histórica. A contagem de emissões alfa por contador de NaI permitiu a quantificação de urânio residual. Como resultado global, verificou-se que pode ocorrer contaminação abaixo de 1 g de 235U por elemento combustível. Essa contaminação não é significante para causar eventuais acidentes de aumento de atividade no reator IEA-R1. Provou-se no presente trabalho que a metodologia de contagens de emissões alfa é segura, precisa e rápida para se analisarem contaminações superficiais de urânio nas placas combustíveis. / Nuclear and Energy Research Institute - IPEN-CNEN/ SP routinely produces its own nuclear fuel elements, necessary for the operation of its research reactor IEA-R1. This fuel consists of fuel plates containing cores U3Si2-Al dispersions obtained by rolling. Fuel plates undergo a chemical treatment for surface cleaning, aiming to ensure the removal of any impurity present on the surface, including uranium residual dust. Over the past 10 years, it was found sporadically a significant increase of radioactivity emission in water pool of IEA-R1 reactor. The increased activity in the reactor environment was related to the use of newly fabricated fuel elements fed into the core. Although the actual surface treatment process to be perfectly stable and reproducible, a possible cause for the activity increase would be the presence of residual uranium contamination over the surface, which was not removed by chemical surface treatment. For years, this problem was not observed due to the low power of reactor operation, at the level of 2 MW. However, with the increase in power above 3.5 MW, this problem started to be observed. This work verifies the hypothesis of residual uranium contamination on the surface of the fuel plates in a statistical methodology and features the adequacy of the fuel plate surface treatment process. We evaluated, statistically, the process into three levels: present production, intentional contamination, historical production. The NaI alpha emission counter allowed quantification the amount of uranium residual. As an overall result, it was found that contamination may occur below 1 g of 235U per fuel element. The contamination was judged as not significant to cause any activity accidents in the IEA-R1. It has been proven in this paper that the methodology to count alpha emissions is secure, accurate and fast to analyze surface uranium contamination in nuclear fuel plates.