ES2233370T3 - Aleacion de soldadura de niquel-cromo-hierro. - Google Patents
Aleacion de soldadura de niquel-cromo-hierro.Info
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Abstract
Una aleación de níquel, cromo y hierro para usar en la producción de depósitos de soldadura, conteniendo dicha aleación, en peso porcentual, del 27 al 31, 5 de cromo; del 7 al 11 de hierro; del 0, 005 al 0, 05 de carbono; menos del 1, 0 de manganeso; del 0, 60 al 0, 95 de niobio; menos del 0, 50 de silicio; del 0, 01 al 0, 35 de titanio; del 0, 01 al 0, 25 de aluminio; menos del 0, 020 de cobre; menos del 1, 0 de tungsteno; menos del 1, 0 de molibdeno; menos del 0, 12 de cobalto; menos del 0, 10 de tántalo; del 0, 002 al 0, 10 de zirconio; menos del 0, 01 de azufre; del 0, 001 al 0, 01 de boro; menos del 0, 02 fosforoso y níquel de equilibrio e impurezas secundarias.
Description
Aleación de soldadura de
níquel-cromo-hierro.
Esta invención se refiere a una aleación de
soldadura de níquel, cromo y hierro, artículos hechos de la misma
para uso en la producción de conjuntos soldados y métodos para
producir estos conjuntos soldados.
En varias aplicaciones de soldadura, incluido el
equipo utilizado para la generación de energía nuclear, se requieren
conjuntos soldados que proporcionen resistencia a varios fenómenos
de agrietamiento. Esto incluye no sólo el agrietamiento por
corrosión bajo tensión, sino también el agrietamiento en caliente,
el agrietamiento en frío y el agrietamiento de raíz.
La generación de energía nuclear comercial y
militar sólo ha existido en la segunda mitad del siglo XX. Durante
este tiempo, la industria ha sustituido la primera generación de
aleaciones de NiCrFe con un porcentaje de cromo del 14 al 15% por
aleaciones con unos contenidos superiores en cromo del orden del
30%. Este cambio se promovió al descubrir que el agrietamiento por
corrosión bajo tensión en agua pura nuclear podía evitarse con
aleaciones de este tipo que contenían cromo en esta cantidad. Estas
aleaciones se han utilizado durante 20 ó 25 años
aproximadamente.
La patente
US-A-4010309 describe un electrodo
de soldadura con un núcleo que comprende una aleación de, en % en
peso, 29 Cr, 10,3 Fe, 0,019 C, 0,29 Mn, 0,29 Si, 0,11 Ti, 0,036 Al,
níquel de equilibrio e impurezas.
La aplicación específica para equipo de
generación de energía nuclear que requiere la mayoría de los
productos de soldadura y soldados dentro de la central nuclear es la
fabricación del generador de vapor nuclear. Este equipo es
esencialmente un tubo grande y un cambiador de calor de la carcasa
que genera vapor a partir de agua secundaria del refrigerante del
reactor nuclear primario. El componente clave de este generador de
vapor es la placa de tubos. En ocasiones tiene un diámetro de 4,5 a
6 m (de 15 a 20 pies) y muy por encima de 30 cm (un pie) de grosor y
normalmente está forjada con acero de gran resistencia y baja
aleación que debe tener un revestimiento soldado de una aleación de
NiCrFe que tiene buena fabricabilidad y es resistente al
agrietamiento por corrosión bajo tensión en agua pura nuclear.
Debido al tamaño de la placa de tubos, el depósito de soldadura
soporta una tensión residual sustancial durante el revestimiento.
Asimismo, el revestimiento del metal de soldadura debe poder ser
soldado de nuevo tras ser perforado para proporcionar orificios en
el mismo para recibir miles de pequeños tubos del generador de
vapor. Estos tubos deben estar sellados herméticamente con el
depósito de soldadura del revestimiento para hacer soldaduras
estancas al helio. Estas soldaduras deben ser de una calidad
extraordinaria y deben proporcionar entre 30 y 50 años de vida con
alta predictabilidad. Además, tanto en el depósito de soldadura del
revestimiento como en los tubos soldados del generador de vapor,
debe proporcionarse una excelente resistencia al agrietamiento. La
mayoría de conjuntos soldados con 30% de cromo existentes han
cumplido este requisito, con respecto a la resistencia al
agrietamiento en caliente, también denominado "agrietamiento de
solidificación", y el agrietamiento por corrosión bajo
tensión.
Además de la resistencia al agrietamiento en
caliente y de la resistencia al agrietamiento por corrosión bajo
tensión, las soldaduras de los tubos a la placa de tubos requieren
resistencia al agrietamiento de raíz. La soldadura de los tubos a la
placa de tubos se realiza fundiendo el extremo del tubo a un anillo
del material de revestimiento de la soldadura que rodea al tubo (con
o sin uso de metal de aportación adicional) para sellar con éste el
espacio entre la pared del tubo y la abertura en la placa de tubos.
Existe una tendencia a que estas soldaduras se agrieten en la
intersección de la soldadura en la unión del tubo con la placa de
tubos. Este tipo de agrietamiento se menciona como "agrietamiento
de raíz" porque tiene lugar en la raíz de la soldadura. Las
aleaciones de 30% de cromo existentes no son resistentes al
agrietamiento de raíz.
Un tercer tipo de agrietamiento que puede
encontrarse es el agrietamiento en frío, también conocido como
"agrietamiento por pérdida de ductilidad". Este agrietamiento
sólo ocurre en el estado solidificado después que se ha completado
la solidificación. Una vez que ocurre la solidificación, empiezan a
desarrollarse los esfuerzos de contracción como resultado de la
reducción del volumen de la aleación de soldadura a una temperatura
más baja. Al mismo tiempo, una vez que la solidificación es
completa, la recuperación de la ductilidad ocurre rápidamente
durante unos cuantos cientos de grados, seguida por una pérdida
aguda temporal de ductilidad, y seguida de nuevo por una
recuperación continua más gradual de la ductilidad hasta que se
alcanza la temperatura ambiente. Si el esfuerzo residual del
enfriamiento es lo suficientemente grande cuando la aleación muestra
esta pérdida aguda de ductilidad, puede producirse un agrietamiento
en estado sólido. Esto se debe a que las porciones de la
microestructura no tienen la suficiente resistencia o ductilidad
para resistir el esfuerzo a la temperatura predominante. Las
aleaciones de soldadura con 30% de cromo disponibles comercialmente
asequibles actualmente no son lo suficientemente resistentes al
agrietamiento en frío.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar una aleación de soldadura de níquel, cromo y hierro y
conjuntos soldados hechos de la misma que proporciona la fuerza
deseada y la resistencia a la corrosión además de resistencia al
agrietamiento en caliente, agrietamiento en frío, agrietamiento de
raíz, así como agrietamiento por corrosión bajo tensión.
Otro objeto de la invención es proporcionar una
aleación de soldadura del tipo níquel, cromo y hierro que se adapta
particularmente para usos en la fabricación del equipo utilizado en
la generación de energía nuclear.
De acuerdo con la invención, se proporciona una
aleación de níquel, cromo y hierro para uso en la producción de
depósitos de soldadura. La aleación comprende, en peso porcentual,
del 27 al 31,5 de cromo; del 7 al 11 de hierro; del 0,005 al 0,05 de
carbono; menos del 1,0 de manganeso, preferiblemente del 0,30 al
0,95 de manganeso; de 0,60 a 0,95 de niobio; menos del 0,50 de
silicio, preferiblemente del 0,10 al 0,30 de silicio; del 0,01 al
0,35 de titanio; del 0,01 al 0,25 de aluminio; menos del 0,20 de
cobre; menos del 1,0 de tungsteno; menos del 1,0 de molibdeno; menos
del 0,12 de cobalto; menos del 0,10 de tántalo; del 0,002 al 0,10 de
zirconio; menos del 0,01 de azufre; del 0,001 al 0,01 de boro; menos
del 0,02 de fósforo; y níquel de equilibrio e impurezas
secundarias.
La aleación mostrará una adecuada resistencia al
agrietamiento por corrosión bajo tensión en vista del contenido en
cromo. La aleación podrá tener la forma de un depósito de soldadura,
un electrodo de soldadura, un revestimiento de depósito de soldadura
o un conjunto soldado que comprende un sustrato de aleación, como
acero con un revestimiento de la aleación de la invención. Puede
utilizarse en un método para producir un depósito de soldadura o un
conjunto soldado en la forma de un electrodo cubierto de fundente
utilizado para producir un depósito de soldadura que incluye una
soldadura realizada por arco eléctrico en atmósfera inerte o una
soldadura con escoria eléctricamente conductora. También puede
utilizarse como un artículo para producir un conjunto soldado,
teniendo el artículo la forma de un alambre, banda, lámina, barra,
electrodo, polvo prealeado o polvo elemental.
La aleación de soldadura de NiCrFe de acuerdo con
la invención tiene suficiente cromo junto con un control
considerablemente estricto de los componentes químicos secundarios,
así como oligoelementos, para proporcionar una resistencia a la
corrosión adecuada además de una excelente resistencia al
agrietamiento por corrosión bajo tensión. Además, la aleación debe
ser resistente al agrietamiento por solidificación, al agrietamiento
de raíz y al agrietamiento en frío en condiciones de calentamiento
intermedio.
Para conferir resistencia al agrietamiento por
solidificación, la aleación debería tener una solubilidad adecuada
para sus elementos aleadores y un estrecho margen de temperatura
líquida a sólida. También, debería tener bajos niveles de azufre,
fósforo, y otros elementos de temperatura de fusión baja y debería
contener niveles mínimos de elementos que forman fases de
temperatura de fusión baja en la aleación. La resistencia al
agrietamiento en frío se controla aumentando la resistencia a alta
temperatura y la ductilidad en el borde del grano. Esto se logra
mediante una cuidadosa combinación de niobio, zirconio y boro de
acuerdo con los límites de la invención. El niobio debe restringirse
para evitar la formación de fases secundarias al tiempo que
contribuye a la resistencia en el borde del grano en el estado
sólido. El niobio también se requiere para la resistencia al
agrietamiento por corrosión bajo tensión. El boro contribuye a la
resistencia en el borde del grano y mejora la ductibilidad en
caliente, pero a niveles más elevados que de acuerdo con la
invención son perjudiciales para la resistencia al agrietamiento en
caliente. El zirconio mejora la resistencia y la ductilidad del
estado sólido en los bordes de los granos y mejora la resistencia a
la oxidación en los mismos. A niveles más elevados que de acuerdo
con la invención, el zirconio contribuye al agrietamiento en
caliente. A niveles de boro y zirconio menores que de acuerdo con la
invención, existe una resistencia relativamente reducida al
agrietamiento en frío. Cuando sólo se añade boro, aparece una mejora
muy ligera a la resistencia al agrietamiento en frío, pero con boro
en combinación con zirconio a niveles de acuerdo con la invención el
agrietamiento en frío se elimina sustancialmente.
La resistencia al agrietamiento de raíz puede
lograrse de acuerdo con la invención, pero no puede garantizarse
debido a las variaciones en las condiciones de la unión, como el
espacio libre entre los artículos a soldar, la limpieza y el
movimiento relativo durante la soldadura, que están fuera del
control del diseñador del producto soldado. La aleación de la
invención requiere bajos porcentajes de aluminio y titanio junto con
niobio, silicio, boro, zirconio y manganeso controlados para lograr
las propiedades metalúrgicas deseadas. Estos requisitos pueden
cumplirse al tiempo que se mantiene una óptima resistencia al
agrietamiento en caliente, al agrietamiento en frío y al
agrietamiento por corrosión bajo tensión. El contenido de aluminio y
titanio debería mantenerse lo más bajo posible para la resistencia
al agrietamiento de raíz, pero incluso pequeñas cantidades de
titanio son beneficiosas para la resistencia al agrietamiento por
corrosión bajo tensión. El silicio no es particularmente perjudicial
para la resistencia al agrietamiento en frío cuando se mantiene por
debajo del 0,50% y, como se prefiere que la silicio sea inferior al
0,30% por otras razones, este es un nivel aceptable. Con la llegada
de las prácticas de fusión AOD que tienen la capacidad de producir
niveles muy bajos de azufre, no son necesarias las adiciones
sustanciales de manganeso. De hecho, los niveles de manganeso por
encima del 7% producen inestabilidades metalúrgicas con exposiciones
a temperaturas superiores a los 1000ºF. En algún momento se
consideró que las adiciones de manganeso entre el 1% y el 5% eran
necesarias para combatir tanto el agrietamiento en caliente como el
agrietamiento en frío. La invención presente requiere que el
manganeso se mantenga por debajo del 1,0% y preferiblemente en torno
al 0,80% para la resistencia al agrietamiento en caliente, pero al
mismo tiempo, debido al equilibrio de otros componentes, basta con
menos del 1,0% de manganeso para evitar el agrietamiento de
raíz.
Todas las aleaciones de la Tabla 1 muestran la
fuerza requerida y la resistencia a la corrosión para las
aplicaciones de soldadura, incluida la fabricación del equipo
utilizado en la generación de energía nuclear. Los resultados de las
pruebas de agrietamiento presentados en la Tabla demuestran que las
composiciones de aleación de soldadura de NiCrFe de acuerdo con la
invención proporcionan adicionalmente una resistencia mejorada al
agrietamiento superior a la de las aleaciones convencionales de este
tipo. Esto incluye, en combinación, resistencia al agrietamiento en
caliente, al agrietamiento en frío y al agrietamiento de raíz, así
como al agrietamiento por corrosión bajo tensión.
Como puede verse en la Tabla 1, las muestras de
fusión números 1124, 1125 y 1127 están libres de agrietamientos de
todos los tipos y así constituyen aleaciones dentro del ámbito de la
invención. Cada una de estas muestras tiene bajo contenido de
silicio y las cantidades requeridas de boro y zirconio. La muestra
1128 mostraba agrietamiento en frío y agrietamiento de raíz debido
al contenido inaceptablemente alto de silicio incluso con el boro y
el zirconio dentro de los límites de la invención.
Claims (6)
1. Una aleación de níquel, cromo y hierro para
usar en la producción de depósitos de soldadura, conteniendo dicha
aleación, en peso porcentual, del 27 al 31,5 de cromo; del 7 al 11
de hierro; del 0,005 al 0,05 de carbono; menos del 1,0 de manganeso;
del 0,60 al 0,95 de niobio; menos del 0,50 de silicio; del 0,01 al
0,35 de titanio; del 0,01 al 0,25 de aluminio; menos del 0,020 de
cobre; menos del 1,0 de tungsteno; menos del 1,0 de molibdeno; menos
del 0,12 de cobalto; menos del 0,10 de tántalo; del 0,002 al 0,10 de
zirconio; menos del 0,01 de azufre; del 0,001 al 0,01 de boro; menos
del 0,02 fosforoso y níquel de equilibrio e impurezas
secundarias.
2. La aleación de la reivindicación 1, que
comprende del 0,30 al 0,95 de manganeso y del 0,10 al 0,30 de
silicio.
3. Un depósito de soldadura que comprende la
aleación de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2.
4. Un conjunto soldado que comprende un sustrato
de aleación de acuerdo con la reivindicación 3.
5. El conjunto soldado de acuerdo con la
reivindicación 4, en la forma de una placa de tubos o un generador
de vapor nuclear.
6. Un artículo para usar en la producción de un
conjunto soldado, teniendo dicho artículo la forma de un alambre,
banda, lámina, barra, electrodo, polvo prealeado o polvo elemental,
comprendiendo dicho artículo una aleación de acuerdo con la
reivindicación 1 ó 2.
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