BR102017024436A2 - Liga de fundição de base de níquel, fundição, e método para manufatura de um impulsor de uma máquina rotativa - Google Patents

Liga de fundição de base de níquel, fundição, e método para manufatura de um impulsor de uma máquina rotativa Download PDF

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Abstract

a presente invenção refere-se a uma liga de fundição de base de níquel consistindo da composição, em percentagem em peso: 19,0 a 22,5 de cromo, 7,0 a 9,5 de molibdênio, 2,75 a 4,0 de nióbio, 1,0 a 1,7 de titânio, 0,35 a 1,0 de manganês, 0,2 a 1,0 de silício, 0 a 0,03 de carbono, 0 a 0,010 a 0,015 de fósforo, 0 a 0,01 de enxofre, 0 a 0,35 de alumínio, 0 a 13,25 de ferro, o equilíbrio sendo níquel e impurezas incidentais. além disso, é proposta uma peça fundida feita de uma tal liga, bem como um método para manufatura de um impulsor de uma máquina rotativa por meio de uma tal liga.

Description

(54) Título: LIGA DE FUNDIÇÃO DE BASE DE NÍQUEL, FUNDIÇÃO, E MÉTODO PARA MANUFATURA DE UM IMPULSOR DE UMA MÁQUINA ROTATIVA (51) Int. Cl.: C22C 19/05; C22C 33/04; B22D 17/00; B22C 9/22; F04D 29/02 (30) Prioridade Unionista: 29/11/2016 EP 16201193.6 (73) Titular(es): SULZER MANAGEMENT AG (72) Inventor(es): DAVID LUKEZIC (74) Procurador(es): DANNEMANN, SIEMSEN, BIGLER & IPANEMA MOREIRA (57) Resumo: A presente invenção refere-se a uma liga de fundição de base de níquel consistindo da composição, em percentagem em peso: 19,0 a 22,5 de cromo, 7,0 a 9,5 de molibdênio, 2,75 a 4,0 de nióbio, 1,0 a 1,7 de titânio, 0,35 a 1,0 de manganês, 0,2 a 1,0 de silício, 0 a 0,03 de carbono, 0 a 0,010 a 0,015 de fósforo, 0 a 0,01 de enxofre, 0 a 0,35 de alumínio, 0 a 13,25 de ferro, o equilíbrio sendo níquel e impurezas incidentais. Além disso, é proposta uma peça fundida feita de uma tal liga, bem como um método para manufatura de um impulsor de uma máquina rotativa por meio de uma tal liga.
1/10
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para LIGA DE FUNDIÇÃO DE BASE DE NÍQUEL, FUNDIÇÃO, E MÉTODO PARA MANUFATURA DE UM IMPULSOR DE UMA MÁQUINA ROTATIVA.
[0001] A presente invenção refere-se a uma liga de fundição de base de níquel adequada para manufatura de peças fundidas, e a uma peça fundida feita de uma tal liga. Além disso, a invenção refere-se a um método para manufatura de um impulsor de uma máquina rotativa por meio de uma tal liga.
[0002] Para manufatura de um impulsor de uma máquina rotativa, tal como uma bomba centrífuga de único estágio ou uma de multiestágios, uma turbina, um compressor, um dilatador ou similares, é sabida a utilização de um processo de fundição ou fundição de precisão. Em um tal processo, um material metálico, por exemplo, uma liga de uma composição desejada, é provido como uma massa fundida. A massa fundida é vertida em um molde, por exemplo, um molde de areia, um molde metálico ou uma combinação deles, e a massa fundida dentro do molde é permitida solidificar. Após solidificação do material no molde, a peça fundida é removida do molde. Em muitos casos, a peça fundida é subsequentemente submetida a um processo de adensamento ou consolidação, a fim de reduzir a porosidade da peça fundida e remover cavidades ou buracos internos indesejados. O adensamento pode ser obtido aplicando-se uma pressão isostática à peça fundida. Geralmente o adensamento ocorre em elevadas temperaturas de algumas centenas, e algumas vezes de até mais do que 1000 graus Celsius. Um processo conhecido para o adensamento de peças fundidas metálicas é a prensagem isostática a quente (HIP). Após a etapa de adensamento, um procedimento de acabamento pode ser aplicado compreendendo, por exemplo, moagem ou usinagem ou trituração ou polimento.
[0003] A escolha de um material metálico apropriado para manufaPetição 870170087855, de 14/11/2017, pág. 18/48
2/10 tura do impulsor depende da aplicação para a qual o impulsor é usado. Por exemplo, na indústria de petróleo e gás é frequente a necessidade de que a máquina rotativa seja capaz de manipular fluidos ácidos. Tais ambientes podem compreender altas concentrações de sulfeto de hidrogênio, dióxido de carbono e cloretos, criando condições muito agressivas para o impulsor. Portanto, a resistência à corrosão é um aspecto muito importante quando se escolhendo um material apropriado para manufatura de impulsores.
[0004] Em particular, o impulsor deve ter uma alta resistência contra corrosão localizada, tal como corrosão por furos ou corrosão em frestas. A resistência de um material contra a corrosão localizada é muito frequentemente caracterizada pelo número equivalente de resistência ao furo (PREN). Quanto mais elevado o valor PREN, mais resistente à corrosão um material metálico é. Um material bem conhecido com uma alta resistência à corrosão, que é frequentemente usado para moldar impulsores, é de aço duplex ou de aço super duplex. Estes são aços inoxidáveis tendo uma microestrutura misturada de austenita e ferrita. Tipicamente, o super duplex tem um valor PREN de pelo menos 40, indicando sua alta resistência contra corrosão.
[0005] Outro aspecto muito importante quando se escolhendo um material impulsor são as propriedades mecânicas do material, tais como a resistência à tração, a tensão de escoamento, ou a resistência à fadiga. Geralmente estas propriedades são medidas por parâmetros como o ensaio de tração 2 % ou a resistência à tração final.
[0006] Aço duplex e super duplex provaram ser materiais muito bons para moldar impulsores, por exemplo, impulsores de bomba. Entretanto, aplicações atuais e futuras requerem bombas ainda mais fortes, isto é, bombas de alta energia, produzindo tais alturas de sucção e/ou vazões tão enormes que as cargas resultantes excedem a tensão ou resistência máxima que um impulsor feito de super duplex pode suPetição 870170087855, de 14/11/2017, pág. 19/48
3/10 portar. Por exemplo, há um desejo em manufaturar bombas que possam criar uma altura de sucção de pelo menos 800 metros por estágio, ou até mais. As propriedades mecânicas dos aços duplex ou super duplex podem não ser suficientes para manipular as enormes cargas resultantes durante um tempo de vida economicamente razoável.
[0007] Existem outros materiais conhecidos na técnica tendo propriedades mecânicas excedendo aquelas do super duplex, por exemplo, hiper duplex, ligas de titânio, e tais superligas que estão disponíveis sob o nome comercial Rene 41 ou Inconel 725. Entretanto, estas ligas são baseadas em titânio, contêm significativas quantidades de cobalto, ou não podem ser processadas por fundição, ou é pelo menos extremamente trabalhoso e dispendioso processar estes materiais por meio de fundição ou fundição de precisão. Hoje, estas ligas baseadas em níquel ou ferro são geralmente processadas por processo de trabalho a quente ou metalurgia de pó, por exemplo, por prensagem isostática a quente de um pó.
[0008] Partindo-se deste estado da técnica, é, portanto, um objetivo da invenção propor uma nova liga de fundição, adequada para manufatura de peças fundidas por um processo de fundição convencional ou fundição de precisão. A liga deve ter propriedades mecânicas, em particular, resistência, excedendo as propriedades mecânicas do aço super duplex. Ao mesmo tempo, a resistência à corrosão da liga deve ser pelo menos aproximadamente a mesma que a do aço super duplex. Além disso, é um objetivo da invenção propor uma peça fundida feita de uma tal liga. Além disso, é um objetivo da invenção propor um método para manufatura de um impulsor de uma máquina rotativa. [0009] O assunto da invenção satisfazendo estes objetivos é caracterizado pelos aspectos da respectiva reivindicação independente. [0010] Assim, de acordo com a invenção, é proposta uma liga de fundição de base de níquel, consistindo da composição, em percentaPetição 870170087855, de 14/11/2017, pág. 20/48
4/10 gem em peso: 19,0 a 22,5 de cromo, 7,0 a 9,5 de molibdênio, 2,75 a 4,0 de nióbio, 1,0 a 1,7 de titânio, 0,35 a 1,0 de manganês, 0,2 a 1,0 de silício, 0 a 0,03 de carbono, 0 a 0,010 a 0,015 de fósforo, 0 a 0,01 de enxofre, 0 a 0,35 de alumínio, 0 a 13,25 de ferro, o equilíbrio sendo níquel e impurezas incidentais.
[0011] Surpreendentemente, foi constatado que uma tal liga de base de níquel é adequada para um processo de fundição convencional ou fundição de precisão, em que uma massa fundida de liga é introduzida em um molde para solidificação. Além disso, a liga, de acordo com a invenção, tem propriedades mecânicas, em particular com respeito a sua resistência, que claramente excedem as propriedades mecânicas do super duplex, pelo menos em uma temperatura ambiente, por exemplo, a 20 °C. A resistência à corrosão da liga, de acordo com a invenção, é pelo menos aproximadamente a mesma que a resistência à corrosão do aço super duplex.
[0012] Preferivelmente, a liga compreende 57 a 61 % em peso de níquel.
[0013] De acordo com uma modalidade preferida, a liga compreende pelo menos 0,25 % em peso de silício, preferivelmente, pelo menos 0,50 % em peso de silício.
[0014] De acordo com uma modalidade preferida, a liga compreende pelo menos 0,40 % em peso de manganês, preferivelmente, pelo menos 0,60 % em peso de manganês.
[0015] Prefere-se quando a liga compreende pelo menos 0,25 % em peso de silício e pelo menos 0,40 % em peso de manganês.
[0016] Em uma modalidade preferida, a liga compreende no máximo 10 % em peso de ferro, preferivelmente, no máximo 8 % em peso de ferro.
[0017] Preferivelmente, a liga compreende 4 a 6 % em peso de ferro.
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5/10 [0018] Em uma modalidade preferida, a liga tem um ensaio de tração 2 % de pelo menos 750 MPa, preferivelmente, de pelo menos 850 MPa, a 20 °C.
[0019] Além disso, de acordo com a invenção, uma peça fundida é proposta ser moldada a partir de uma liga de acordo com a invenção. [0020] De acordo com uma modalidade preferida, a peça fundida é um impulsor de uma máquina rotativa.
[0021] Além disso, de acordo com a invenção, um método é proposto para manufatura de um impulsor de uma máquina rotativa compreendendo as etapas de:
- prover uma massa fundida de uma liga de acordo com a invenção,
- introduzir a massa fundida dentro de um molde para produzir uma peça fundida,
- remover a peça fundida do molde, após solidificação da massa fundida,
- finalizar a peça fundida, para produzir o impulsor. [0022] Preferivelmente, a peça fundida solidificada é adensada aplicando-se uma pressão isostática de pelo menos 10 MPa.
[0023] Preferivelmente, a peça fundida é adensada por prensagem isostática a quente em uma temperatura de pelo menos 700 °C.
[0024] Além disso, é proposto, de acordo com a invenção, um impulsor de uma máquina rotativa, em particular de uma bomba, manufaturado com um método de acordo com a invenção.
[0025] Outras medidas vantajosas e modalidades da invenção tornar-se-ão evidentes pelas reivindicações dependentes.
[0026] A invenção agora será explicada em mais detalhes.
[0027] De acordo com a invenção, uma liga de fundição é proposta, que é uma liga de base de níquel. O termo “liga de fundição” significa que a liga é adequada para manufaturar peças fundidas em um
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6/10 procedimento usual de fundição, onde uma massa fundida da liga é introduzida em um molde e permitida solidificar dentro do molde. Após solidificação, a peça fundida é removida do molde. Isto é, uma liga de fundição deve ter a propriedade de que pode ser processada em um método de fundição usual ou de fundição de precisão.
[0028] É evidente que a liga de fundição também pode ser usada em outros métodos de manufatura que não por moldagem. Por exemplo, a liga de fundição também pode ser processada por meio de um processo de metalurgia de pó, em que uma mistura de pó da composição nominal da liga é submetida à pressão, em particular pressão isostática, para formar uma peça de trabalho. Em particular, a liga de fundição, de acordo com a invenção, também pode ser usada para manufaturar uma peça de trabalho a partir de uma mistura de pó por meio de prensagem isostática a quente (HIP).
[0029] A liga de fundição de base de níquel, de acordo com a invenção, consiste da seguinte composição, em percentagem em peso: 19,0 - 22,5 de cromo (Cr), 7,0 a 9,5 de molibdênio (Mo), 2,75 a 4,0 de nióbio (Nb), 1,0 - 1,7 de titânio (Ti), 0,35 - 1,0 de manganês (Mn), 0,2 a 1,0 de silício (Si), 0 a 0,03 de carbono (C), 0 - 0,015 de fósforo (P), 0 a 0,01 de enxofre (S), 0 a 0,35 de alumínio (Al), 0 - 13,25 de ferro (Fe), o equilíbrio sendo níquel (N) e impurezas incidentais.
[0030] A liga resultante é, em particular, caracterizada por uma resistência à corrosão muito alta, particularmente contra a corrosão localizada, tal como corrosão por furos ou corrosão em frestas, em combinação com propriedades mecânicas muito boas.
[0031] A resistência à corrosão da liga de base de níquel, de acordo com a invenção, é pelo menos aproximadamente a mesma que a resistência à corrosão de aço super duplex, enquanto que as propriedades mecânicas da liga de base de níquel excedem as propriedades mecânicas do super duplex. Em particular, a resistência mecânica da
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7/10 liga, de acordo com a invenção, é consideravelmente mais elevada do que a resistência mecânica do super duplex.
[0032] Aço super duplex designa o aço com o UNS S32750 e o UNS S32760. O UNS (sistema de numeração unificado para metais e ligas) é um sistema de designação amplamente aceitado para ligas. [0033] É usual medir a resistência à corrosão localizada de um material metálico por seu número equivalente de resistência ao furo (PREN). O aço super duplex tem um PREN de pelo menos 40. O PREN da liga de base de níquel, de acordo com a invenção, também é de pelo menos 40.
[0034] As propriedades mecânicas de um material metálico são geralmente caracterizadas por sua tensão de escoamento e sua resistência à tração em uma temperatura ambiente de 20°C. Como uma medida para a tensão de escoamento de um material metálico, é comum usar indicar o ensaio de tração 0,2% do material. O ensaio de tração 0,2% é a tensão mecânica em que o alongamento relativo de uma amostra do material remanescente, após liberação de tensão, é de 0,2% em relação ao comprimento original da amostra. Assim, o ensaio de tração 0,2% é a tensão mecânica em que um alongamento plástico de 0,2% ocorre. A resistência à tração final é geralmente considerada como a máxima na curva de tensão-deformação de um material. Esta resistência à tração final é algumas vezes também referida como esforço de tração.
[0035] O ensaio de tração 2% para aço super duplex a 20°C é tipicamente em torno de 550 MPa, e sua resistência à tração final em torno de 750 MPa a 20°C.
[0036] As propriedades mecânicas da liga, de acordo com a invenção, são melhores que aquelas do aço super duplex. Em particular, a resistência mecânica da liga, de acordo com a invenção, é consideravelmente maior do que a resistência do aço super duplex. TipicaPetição 870170087855, de 14/11/2017, pág. 24/48
8/10 mente, uma liga com a composição de acordo com a invenção tem um ensaio de tração 0,2% de pelo menos 750 MPa a 20°C. O ensaio de tração 0,2% pode mesmo exceder 850 MPa. A resistência à tração da liga, de acordo com a invenção, é de pelo menos 1000 Mpa a 20°C. [0037] Devido à mais elevada resistência ao escoamento e tração, a liga, de acordo com a invenção, também tem uma resistência à fadiga mais elevada do que a do aço super duplex.
[0038] A faixa preferida para o teor de níquel da liga, de acordo com a invenção, é de 57 a 61% em peso.
[0039] A faixa preferida para o teor de silício é de pelo menos 0,25 e no máximo 1,0% em peso. É particularmente preferido que o teor de silício seja de pelo menos 0,5% em peso.
[0040] Em relação ao teor de manganês, a faixa preferida é de pelo menos 0,40 e no máximo 1,0% em peso. Particularmente preferido, o teor de manganês é de pelo menos 0,6% em peso.
[0041] Além disso, é preferido quando o teor de silício é de pelo menos 0,25% em peso e, simultaneamente, o teor de manganês é de pelo menos 0,40% em peso.
[0042] De acordo com uma modalidade exemplar da invenção, a liga de fundição de base de níquel consiste da seguinte composição nominal em percentagem em peso:
Exemplo: C: 0,01%, Mn:0,8%; P: 0,008%; S: 0,005%; Si: 0,7%; Cr: 21%; Mo: 8,5%; Nb: 3,3%; Ti: 1,3%; Al: 0,2%; Fe: 5,2%; Ni: equilíbrio. Isto resulta em um teor de Ni de aproximadamente 59% em peso. O PREN deste exemplo específico é de aproximadamente 49,1.
[0043] A liga de fundição de base de níquel, de acordo com a invenção, é particularmente adequada para a fundição ou fundição de precisão de impulsores de uma máquina rotativa, por exemplo, impulsores de bomba.
[0044] De acordo com uma modalidade do método para manufatuPetição 870170087855, de 14/11/2017, pág. 25/48
9/10 ra de um impulsor, uma massa fundida é provida para o processo de fundição, a massa fundida tendo a composição nominal de uma liga de fundição de base de níquel, de acordo com a invenção. Por exemplo, a massa fundida tem a composição conforme fornecida no Exemplo acima. A massa fundida pode ser produzida de qualquer maneira conhecida. Por exemplo, uma matéria prima é preparada a partir de diferentes componentes que poderiam ser em pó, ou grãos, ou pelotas ou outras partes de material, ou suas combinações. Cada componente pode conter um ou mais dos elementos usados para a liga. Por exemplo, ligas de ferro podem ser usadas para preparar a matéria prima. A matéria prima é proporcionada para atingir a composição nominal da liga a ser produzida.
[0045] A matéria prima é fundida e agitada para produzir uma massa fundida homogênea. A massa fundida é vertida em um molde de fundição que é projetado para criar o formato desejado de impulsor. Naturalmente, o molde pode compreender uma pluralidade de compartimentos, cada um deles é projetado para formar um impulsor, de modo que uma pluralidade de impulsores possa ser produzida em uma única etapa de moldagem. Após a massa fundida ter solidificado, a peça fundida ou as peças fundidas é/são removida(s) do molde.
[0046] Preferivelmente, a(s) peça(s) fundida(s) é/são submetida(s) a um processo de adensamento ou consolidação, após serem removidas do molde. O adensamento, para reduzir a porosidade da(s) peça(s) fundida(s) ou para reduzir cavidades internas e indesejadas na estrutura da(s) peça(s) fundida(s), é preferivelmente realizado aplicando-se uma pressão isostática de pelo menos 10 MPa à(s) peça(s) fundida(s). O adensamento mais preferido é realizado em uma temperatura elevada de pelo menos 700°C, preferivelmente, de pelo menos 750°C. O adensamento pode ser obtido por prensagem isostática a quente (HIP) da(s) peça(s) fundida(s). O processo HIP, para adensaPetição 870170087855, de 14/11/2017, pág. 26/48
10/10 mento de peças fundidas como tal, é conhecido na técnica e, portanto, não é explicado com mais detalhes. Tipicamente, em um tal processo HIP, é aplicada uma pressão isostática na faixa de 10 a 200 MPa. [0047] Após o adensamento, o impulsor pode ser terminado por usinagem, polimento de moagem, ou outros métodos de acabamento conhecidos.
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Claims (14)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Liga de fundição de base de níquel, caracterizada pelo fato de que consiste da composição, em percentagem em peso: 19,0 a
    22,5 de cromo, 7,0 a 9,5 de molibdênio, 2,75 a 4,0 de nióbio, 1,0 a 1,7 de titânio, 0,35 a 1,0 de manganês, 0,2 a 1,0 de silício, 0 a 0,03 de carbono, 0 a 0,010 a 0,015 de fósforo, 0 a 0,01 de enxofre, 0 a 0,35 de alumínio, 0 a 13,25 de ferro, o equilíbrio sendo níquel e impurezas incidentais.
  2. 2. Liga de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende 57 a 61% em peso de níquel.
  3. 3. Liga de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que compreende pelo menos 0,25% em peso de silício, preferivelmente, pelo menos 0,50% em peso de silício.
  4. 4. Liga de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que compreende pelo menos 0,40% em peso de manganês, preferivelmente, pelo menos 0,60% em peso de manganês.
  5. 5. Liga de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que compreende pelo menos 0,25% em peso de silício e pelo menos 0,40% em peso de manganês.
  6. 6. Liga de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que compreende no máximo 10% em peso de ferro, preferivelmente, no máximo 8% em peso de ferro.
  7. 7. Liga de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que compreende 4 a 6% em peso de ferro.
  8. 8. Liga de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que tem um ensaio de tração
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    0,2% de pelo menos 750 MPa, preferivelmente, de pelo menos 850 MPa, a 20°C.
  9. 9. Molde de fundição de uma liga, caracterizado pelo fato de que está como definida em qualquer uma das reivindicações precedentes.
  10. 10. Molde de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que é de um impulsor de uma máquina rotativa.
  11. 11. Método para manufatura de um impulsor de uma máquina rotativa, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de:
    - prover uma massa fundida de uma liga como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 8,
    - introduzir a massa fundida em um molde, para produzir uma peça fundida,
    - remover a peça fundida do molde, após solidificação da massa fundida,
    - finalizar a peça fundida para produzir o impulsor.
  12. 12. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a peça fundida solidificada é adensada, aplicando-se uma pressão isostática de pelo menos 10 MPa.
  13. 13. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a peça fundida é adensada por prensagem isostática a quente em uma temperatura de pelo menos 700°C.
  14. 14. Impulsor de uma máquina rotativa, em particular de uma bomba, caracterizado pelo fato de que é manufaturado com um método de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13.
    Petição 870170087855, de 14/11/2017, pág. 29/48
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