ES2357266T3 - Aleación de hierro y níquel con alta ductilidad y bajo coeficiente de dilatación. - Google Patents

Aleación de hierro y níquel con alta ductilidad y bajo coeficiente de dilatación. Download PDF

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Abstract

Aleación de hierro y níquel endurecida con solución sólida con un coeficiente de dilatación < 5 x 10 -6 /K en el intervalo de temperaturas entre temperatura ambiente y -200 °C, compuesta por, en % en peso: C 0,005-0,05% S < 0,02% Cr 1-2 Ni 35-38% Mn 0,3-1,5% Si < 0,5% Al 0,8-2,0% Ti 0,2-1,0% Nb 0,2-1,0% P < 0,02% Co 1,0-4,0% Fe resto e impurezas causadas por la producción.

Description

La invención se refiere a una aleación de hierro y níquel endurecida con solución sólida con alta ductilidad y un bajo coeficiente de dilatación en el intervalo de bajas temperaturas.
El documento JP–A 60221193 revela una aleación de hierro y níquel de la siguiente composición (en % en peso):
C < 0,2% 5
S < 0,006%
Ni 35–37%
Mn 1–3%
Si < 0,1%
Ti 0,2–0,5% 10
P < 0,02%
Fe resto más impurezas debidas a la producción.
Esta aleación se puede emplear como aditivo de material de aportación depositado a aleaciones de Ni 36.
Del documento DE–T 69125684 puede tomarse nota de una aleación de la siguiente composición (en % en peso):
C 0,1–0,35% 15
S 0–0,05%
Cr 0–2%
Ni 31–45%
Mn 0–2,5%
Si 0–1% 20
Al 0–0,5%
Ti 0–0,75%
Nb 0,1–4%
P 0–0,05%
Fe resto e impurezas debidas a la producción. 25
Aquí se describe una material de aportación depositado con bajo coeficiente de dilatación.
Las aleaciones pertenecientes a este estado de la técnica se pueden emplear no necesariamente también debido a su composición química en el intervalo de temperaturas bajas, por ejemplo, entre temperatura ambiente y al menos –165 °C, de modo que se requieren correspondientes modificaciones de la composición química.
A través del documento DE 1558714 A1, se ha dado a conocer una aleación de níquel endurecible de la siguiente 30 composición: 36 – 42% de níquel, 0 – 4% de niobio, 0 – 4% de tantalio, con un contenido total de niobio y la mitad del contenido de tantalio de 1,8 – 4%, 1 – 2% de titanio, 0 – 0,1% de carbono, 0 – 1% de cobalto, 0 – 0,5% de aluminio, 0 – 0,5% de silicio y 0 – 0,5% de manganeso, resto de hierro incluyendo impurezas. Esta aleación se puede usar como material para objetos que se emplean a temperaturas de 20 °C a –251 °C.
El documento DE 3222292 A1 revela una aleación de tipo Invar con bajo coeficiente de dilatación térmica y una 35 resistencia extremadamente buena a fisuras por calor durante el material de aportación depositado. La aleación se caracteriza por 30 – 45% de níquel, no más del 0,04% de carbono, 0,05 – 0,25% de silicio, 0,1 – 0,4% de manganeso, no más de un total del 0,02% de fósforo y azufre, no más del 0,006% de oxígeno. Más allá de ello, también se puede emplear al menos un elemento adicional seleccionado de 0,005 – 0,5% de tantalio, 0,001 – 0,1% de hafnio, 0,1 – 2% de molibdeno y 0,1 – 2% de wolframio. 40
Del documento US 3573897 puede tomarse nota de una aleación a base de hierro, que contiene al menos el 30% de níquel, 0,02 – 0,1% de al menos uno de los elementos del grupo de vanadio, titanio, circonio, niobio, resto de hierro e impurezas.
En el documento JP 57207160 A, se describe una aleación con bajo coeficiente de dilatación térmica, que contiene 30 – 45% de Ni, < 0,04% de C, 0,05 – 0,25% de Si, 0,1 – 0,4% de Mn y 0,01 – 1,5% de Co, resto de hierro e impurezas. En 45 caso de necesidad, se puede añadir a esta aleación al menos uno de los elementos 0,005 – 0,1% de Ca, 0,5 – 3% de Cr,
0,5 – 3% de Co, 0,01 – 0,5% de Ti y 0,01 – 0,5% de Zr.
El documento AT 246517 revela un material de aportación de material de aportación depositado a base de hierro y níquel para material de aportación depositado por fusión bajo atmósfera de gas de protección. El material contiene 30 – 60% de níquel, 0,5 – 3% de titanio, hasta 8% de manganeso, hasta 0,8% de carbono, hasta 2,5% de silicio, hasta 0,1% de calcio, hasta 40% de cobalto, hasta 10% de cromo, hasta 5% de wolframio, hasta 5% de molibdeno y hasta 5% de 5 aluminio, resto de hierro.
Si se suelda una aleación de hierro con 36% de Ni (Ni36) con materiales de aportación de material de aportación depositados del mismo tipo o de tipo similar usuales en el mercado, entonces el material de aportación depositado presentará una menor resistencia que el material de base, independientemente del proceso de material de aportación depositado. Con una parte preponderante de la aplicación en el intervalo de temperaturas por encima de 0 °C, esto no 10 constituye una desventaja fundamental, porque las propiedades mecánicas sólo desempeñan un papel secundario. Frente a ello está el coeficiente de dilatación térmica que, en esta aleación de hierro y níquel, es particularmente pequeño de manera conocida.
Es objetivo de la invención proporcionar para aplicaciones a bajas temperaturas, en especial en el intervalo de < –165 °C, una aleación que, además de un bajo coeficiente de dilatación térmica, también presente buenas propiedades 15 mecánicas, debiendo ser la aleación, más allá de ello, bien soldable.
Este objetivo se logra por medio de una aleación de hierro y níquel endurecida con solución sólida con un coeficiente de dilatación < 5 x 10–6/K en el intervalo de temperaturas entre temperatura ambiente y –200 °C, compuesto por (en % en peso):
C 0,005–0,05% 20
S < 0,02%
Cr 1–2%
Ni 35–38%
Mn 0,3–1,5%
Si < 0,5% 25
Al 0,8–2,0%
Ti 0,2–1,0%
Nb 0,2–1,0%
P < 0,02%
Co 1,0–4,0 30
Fe resto e impurezas causadas por la producción.
De las respectivas correspondientes reivindicaciones subordinadas se desprenden variantes ventajosas del objeto de la invención.
La aleación según la invención se puede emplear preferentemente como material de aportación de material de aportación depositado para aplicaciones en un intervalo de bajas temperaturas de menos de –196 °C, en especial para 35 materiales de base de hierro–níquel con un bajo coeficiente de dilatación térmica.
Es particularmente ventajoso que estén previstos valores de resistencia a bajas temperaturas del material de aportación depositado por encima de aquellos valores de aleaciones binarias de hierro–níquel con contenidos de Ni entre el 32 y el 42%.
La aleación según la invención se puede unir eficazmente por material de aportación depositado de MSG, WIG o 40 plasma con un material básico a base de una aleación de hierro y níquel con un bajo coeficiente de dilatación.
Un caso de aplicación especial de la aleación según la invención está prevista en el campo de la construcción de tuberías, en especial en el campo de las tuberías que están expuestas a bajas temperaturas < –160 °C. Esto se refiere en especial a tuberías en las que se transporta gas líquido.
Una composición particularmente ventajosa de la aleación según la invención se indica de la siguiente manera: 45
C 0,01 –0,04%
S < 0,01%
Cr 1,0–1,8%
Ni 35,5 – 37,5 %
Mn 0,5–1,3%
Si máx. 0,3 %
Al 1,0–1,8%
Ti 0,4–0,8% 5
Nb 0,4–0,8%
P < 0,01%
Co 1,2–3,0%
Fe resto e impurezas causadas por la producción.
Para la posterior reducción del coeficiente de dilatación, se propone la siguiente composición de aleación: 10
C 0,02 – 0,03 %
S < 0,01%
Cr 1,2–1,8%
Ni 36–37%
Mn 0,8–1,3% 15
Si máx. 0,3%
Al 1,0–1,5%
Ti 0,4–0,7%
Nb 0,4–0,7%
P < 0,01% 20
Co 1,2–1,8%
Fe resto e impurezas causadas por la producción.
Finalmente, respecto de la aleación según la invención, se puede pensar también en la ulterior limitación de cada uno de los elementos:
Al 1,1–1,4% 25
Co 1,4–1,7%.
Según el caso de aplicación y la composición del objeto de la invención, se pueden conseguir entre temperatura ambiente y temperaturas < –165 °C coeficientes de dilatación medios de < 4,5 x 10–6/K.
La siguiente tabla 1 muestra análisis teóricos de lotes de ensayo (LB 1110, LB 1165, así como LB 1107), en donde el lote de ensayo LB 1107 se ha de asignar al objeto de la invención. 30
Elemento
LB 1110 LB 1165 LB 1107
C
> 0,022 0,002 > 0,017
S
0,002 0,002 0,0014
N
0,001 0,003 0,001
Cr
> 1,48 1,45 > 1,45
Ni
35,76 36,06 36,11
Mn
> 0,99 0,95 > 1,0
Si
0,04 <0,01 0,01
Mo
> 1,54 1,56 0,02
w
0,71 0,65 0,01
Ti
> 0,45 0,54 0,49
Cu
0,01 0,01 0,01
Fe
R 56,831 56,15 R 57,5382
P
0,003 0,003 0,002
Al
> 0,037 0,005 > 1,27
Mg
0,0005 < 0,001 0,0005
Ca
0,0005 < 0,0002 0,0005
Zr
0,01 < 0,001 0,01
Co
> 1,53 1,54 > 1,49
B
0,001 < 0,001 0,001
Nb
0,55 0,46 0,53
Con estas aleaciones, se fabrican varillas redondas de 2,4 mm de diámetro.
Con estas varillas, se fabrican uniones de material de aportación depositado con chapa t = 5 mm de Pernifer 36, así como muestras de material de aportación depositado en el procedimiento WIG. La asignación de los lotes de laboratorio y muestras de material de aportación depositado era la siguiente: 5
Lote de laboratorio
Pieza de prueba Tipo de la muestra
LB1107
2813 unión soldada
LB1107
2809 material de aportación depositado
LB1110
2757 unión soldada
LB1165
2854 unión soldada
LB1165
2828 material de aportación depositado
Además de los ensayos metalográficos, se ensayaron el comportamiento de dilatación térmica y las propiedades mecánicas.
El coeficiente de dilatación térmica medio (CTE) se determinó en muestras de lingotes LB 1110 y LB 1107 en el intervalo de temperaturas de entre –163 °C y 200 °C. 10
En las muestras de material de aportación depositado, se realizaron las siguientes pruebas:
– energía de impacto a –196 °C en el material de aportación depositado, en la línea de fusión y en la zona de influencia térmica a una distancia de 2 mm y 5 mm en cada caso de la línea de fusión en tres muestras
– energía de impacto del material de aportación depositado a temperatura ambiente en muestras
– ensayo de tracción en dos muestras de material de aportación depositado a –196 °C y a temperatura ambiente. 15
En las uniones de material de aportación depositado, se realizaron los siguientes ensayos:
– en cada caso, un ensayo de flexión de raíz en dirección de la tracción y capa superior en la dirección de la tracción con un radio de flexión de 2 x d
– ensayos de tracción a temperatura ambiente a –196 °C en cada caso con capa de muestra transversal a la línea de material de aportación depositado. 20
Los ensayos de tracción de las uniones de material de aportación depositado se realizaron en muestras de tracción planas, los del material de aportación depositado, en muestras redondas.
Resultados
1. Comportamiento de dilatación térmica:
El coeficiente de dilatación térmica medio de ambas aleaciones según la invención se compara para temperaturas 25 seleccionadas en la tabla 2. La Figura 1 muestra los cursos de CTE en todo el intervalo de temperatura respecto de la temperatura de referencia 25 °C.
Tabla 2: Comparación del coeficiente de dilatación térmica medio de las aleaciones ensayadas con temperaturas seleccionadas
Lote
–165 °C – 25 °C 25 °C – 100 °C 25 °C – 200 °C
LB 1107
4,12 x 10–6 6,02 x 10–6 9,04 x 10–6
LB 1110
3,89 x 10–6 4,56 x 10–6 5,54 x 10–6
En el intervalo de bajas temperaturas, el CTE está claramente por debajo de 5 x 10–6/K.
Por la mezcla del material de base en el material de aportación depositado, se puede partir del hecho de que el 5 coeficiente de dilatación medio en el material de aportación depositado de uniones de material de aportación depositado WIG o de plasma es aún menor.
Fig. 1. Representación del coeficiente de dilatación térmica medio respecto de la temperatura en el intervalo de –165 °C a 200 °C, la temperatura de referencia es de 25°C. 10
2. Propiedades mecánicas
La elevada tenacidad a bajas temperaturas es un punto de vista importante al seleccionar el material de base Ni36 para aplicaciones a bajas temperaturas. Por ello, es importante lograr altos niveles de resistencia en el material de aportación depositado o la unión soldada.
Se evaluaron el material de aportación depositado, la línea de fusión, así como la zona de influencia térmica a una 15 distancia de 2 mm y 5 mm de la línea de fusión a una temperatura del material de –196 °C. El valor de la resiliencia, separado 5 mm de la línea de fusión, representa el material de base, ya que aquí es despreciable la influencia térmica de la soldadura.
La ubicación de la muesca del material de aportación depositado también se ensayó a temperatura ambiente.
La tenacidad a la rotura presenta básicamente un alto nivel. La comparación de los valores muestra que la tenacidad del 20 material de aportación depositado del objeto de la invención (2809) sólo está aproximadamente un 30% más abajo que la del material de base, la tenacidad del material de aportación depositado de la pieza de prueba 2828 es aún mayor. No se observa una penetración en la línea de fusión ni tampoco en la zona de influencia térmica. Los resultados esenciales están representados en la tabla 3.
En comparación con los resultados de las material de aportación depositados WIG de otros materiales de aportación de 25 material de aportación depositado conocidos con coeficiente de dilatación térmica adecuado, la ductilidad de estos materiales de aportación depositados es muy elevada.
Tabla 3: Energía de impacto y resiliencia de las uniones soldadas ensayadas
–196 °C
LB 1107, muestra 2809 LB 1165, muestra 2828
SG
61 J 62 J 55 J 72 J 67 J 70 J
153 J/cm2 155 J/cm2 138 J/cm2 186,4 J/cm2 173,4 J/cm2 182,5 J/cm2
Promedio: 59 J / 148 J/cm2 Promedio : 70 J /174 J/cm2
SL
85J 87J 82J 249J 228J 241 J
213 J/cm2 218 J/cm2 205 J/cm2 311 J/cm2 285 J/cm2 301 J/cm2
Promedio: 85 J / 212 J/cm2 Promedio: 239 J / 299 J/cm2
–196 °C
LB 1107, muestra 2809 LB 1165, muestra 2828
SL+2 mm
100 J 100 J 92 J 254 J 231 J 250 J
250 J/cm2 250 J/cm2 230 J/cm2 317 J/cm2 289 J/cm2 313 J/cm2
Promedio: 97 J / 243 J/cm2 Promedio: 245 J / 306 J/cm2
SL+5 mm
93J 96J 90J 246J 225J 228J
233 J/cm2 240 J/cm2 225 J/cm2 307 J/cm2 281 J/cm2 284 J/cm2
Promedio: 93 J 1233 J/cm2 Promedio: 233 J /291 J/cm2
RT SG
72 J 81 J 71 J 82 J 80 J 74 J
180 J/cm2 205 J/cm2 178 J/cm2 212 J/cm2 205 J/cm2 189 J/cm2
Promedio: 75 J / 187 J/cm2 Promedio: 79 J /197 J/cm2
Ensayos de tracción redonda y plana:
Los resultados de los ensayos de tracción redonda en las muestras de material de aportación depositados están representados en la tabla 4. La atención se centra aquí en especial sobre los valores de resistencia determinados a 5 temperatura ambiente, ya que la resistencia aumenta a menores temperaturas, de modo que los requerimientos de resistencia que se cumplen a temperatura ambiente siempre se cumplirán también a menores temperaturas.
El límite de fluencia de la muestra 2809 es de más de 100 MPa respecto de aquel del material de base, el del material de aportación depositado 2828 es algo inferior a 350 MPa.
Tabla 4: Resultados de los ensayos de tracción redonda en el material de aportación depositado. Para comparación, se 10 muestran valores típicos del material de base Ni36.
RT
Muestra 2809 Muestra 2828 Material de base Ni36, valores típicos
Rp0.2 [MPa] Rm [MPa] A5
387 385 524 531 28 27 351 486 26 270 450 30
–196 °C
Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] A5
648 661 859 864 30 34 596 585 831 853 26 33 550 850 30
Los valores de resistencia a baja temperatura, en especial el límite de fluencia del material de aportación depositado de LB 1107, están también claramente por sobre los valores del material de base.
Los altos valores de dilatación documentan la ductilidad de los materiales adicionales de material de aportación 15 depositado hasta temperaturas muy bajas.
Una característica importante de los materiales según la invención es el desplazamiento de la ubicación de la fractura de uniones de material de aportación depositado a temperatura ambiente del material de aportación depositado en el material de base. Los ensayos de tracción plana en las uniones de material de aportación depositado muestran que este objetivo de logró de manera segura. Como las muestras se partieron en el material de base, la resistencia medida se 20 corresponde también bastante precisamente con la del material de base.
En el caso de bajas temperaturas, la fractura aparece en el material de aportación depositado, sin embargo, en un nivel que está muy próximo a la resistencia del material de base – distinto que en el caso de material de aportación depositados con una adición de material de aportación depositado del mismo tipo en las que la resistencia de la unión soldada es claramente menor.
Tabla 5: Resultados de los ensayos de tracción plana en uniones de material de aportación depositado 5
RT
Muestra 2813 Muestra 2854
Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] A5 ubicación de la fractura
278 452 34 GW 283 450 33 GW 276 444 33 GW 270 437 36 GW 278 446 32 GW 279 441 34 GW
–196 °C
Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] A5 ubicación de la fractura
588 822 22 SG 581 820 23 SG 611 819 23 SG 542 830 23 SG 554 813 23 SG 589 835 23 SG
GW: material de base SG: material de aportación depositado
Ensayos de flexión
Todas las muestras de flexión –cubierta o raíz en solicitación de tracción– se pudieron flexionar hasta un ángulo de flexión de 180° sin grietas.
Ensayos metalográficos: 10
Para verificar la resistencia de la martensita, se enfriaron las muestras de material de aportación depositado durante una hora hasta –196 °C y luego se mordenta sobre la martensita. No se pudo hallar ninguna martensita. Esto es confirmado también por las mediciones del coeficiente de dilatación, cuyo curso de temperatura no presenta anormalidades.

Claims (11)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Aleación de hierro y níquel endurecida con solución sólida con un coeficiente de dilatación < 5 x 10–6/K en el intervalo de temperaturas entre temperatura ambiente y –200 °C, compuesta por, en % en peso:
    C 0,005–0,05%
    S < 0,02%
    Cr 1–2 5
    Ni 35–38%
    Mn 0,3–1,5%
    Si < 0,5%
    Al 0,8–2,0%
    Ti 0,2–1,0% 10
    Nb 0,2–1,0%
    P < 0,02%
    Co 1,0–4,0%
    Fe resto e impurezas causadas por la producción.
  2. 2. Aleación de acuerdo con la reivindicación 1, compuesta por, en% en peso: 15
    C 0,01 – 0,04%
    S < 0,01%
    Cr 1,0–1,8%
    Ni 35,5 – 37,5 %
    Mn 0,5–1,3% 20
    Si máx. 0,3%
    Al 1,0–1,8%
    Ti 0,4–0,8%
    Nb 0,4–0,8%
    P < 0,01% 25
    Co 1,2–3,0%
    Fe resto e impurezas causadas por la producción.
  3. 3. Aleación de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, compuesta por, en % en peso:
    C 0,02 – 0,03 %
    S < 0,01% 30
    Cr 1,2–1,8%
    Ni 36–37%
    Mn 0,8–1,3%
    Si máx. 0,3 %
    Al 1,0–1,5% 35
    Ti 0,4–0,7%
    Nb 0,4–0,7%
    P < 0,01%
    Co 1,2–1,8%
    Fe resto e impurezas causadas por la producción. 40
  4. 4. Aleación de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el contenido en % en peso de Al es de 1,1 y < 1,4%.
  5. 5. Aleación de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el contenido en % en peso de Co es > 1,4 y <1,7%.
  6. 6. Aleación de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en la que en el intervalo de temperaturas < –165 °C se 5 puede ajustar un coeficiente de dilatación de < 4,5 x 10–6/K.
  7. 7. Uso de la aleación de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6 como material de aportación de material de aportación depositado.
  8. 8. Uso de acuerdo con la reivindicación 7 de la aleación de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6 como material de aportación de material de aportación depositado para aleaciones de hierro y níquel, en especial con 10 aproximadamente el 36% en peso de níquel, con bajo coeficiente de dilatación térmica.
  9. 9. Uso de acuerdo con una de las reivindicaciones 7, 8, caracterizado porque los valores de resistencia a baja temperatura del material de aportación depositado están por encima de los valores del material de base.
  10. 10. Uso de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado porque la aleación se puede unir eficazmente por material de aportación depositado de MSG, WIG o plasma con un material de base a base de una aleación de hierro 15 y níquel, en especial con aproximadamente el 36% en peso de níquel.
  11. 11. Uso de la aleación de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6 en la construcción de tuberías expuestas a bajas temperaturas, en especial para el transporte de gases licuados.
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