BR112021014128A2 - Liga de ferro e manganês, método de fabricação de fitas, fita, método de fabricação de fios e fio - Google Patents

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Abstract

liga de ferro e manganês, método de fabricação de fitas, fita, método de fabricação de fios e fio. a presente invenção refere-se a uma liga de ferro e manganês que compreende, em peso: - 25,0 % = mn = 32,0%; - 7,0% = cr = 14,0%; - 0 = ni = 2,5%; - 0,05% = n = 0,30%; e - 0,1 = si = 0,5%; opcionalmente, 0,010% = terras raras = 0,14%; em que o restante é ferro e elementos residuais resultantes da fabricação.

Description

“LIGA DE FERRO E MANGANÊS, MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE FITAS, FITA, MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE FIOS E FIO”
[001] A presente invenção refere-se a uma liga de ferro e manganês destinada a uso para fabricar partes e conjuntos soldados para aplicações nas quais se necessita de alta estabilidade dimensional sob o efeito de variações de temperatura, particularmente temperaturas criogênicas.
[002] A liga de acordo com a presente invenção destina-se mais especificamente a uso no campo de eletrônica e em aplicações criogênicas.
[003] As ligas mais frequentemente utilizadas para essas aplicações são ligas de ferro e níquel, mais especificamente ligas Invar®, que geralmente compreendem cerca de 36% de níquel. Essas ligas possuem excelentes propriedades de estabilidade dimensional, particularmente sob temperaturas criogênicas, mas possuem a desvantagem de custo relativamente alto, particularmente resultante do seu teor de níquel relativamente alto. Além disso, a capacidade de soldagem dessas ligas com outros metais nem sempre fornece total satisfação, particularmente em termos de resistência mecânica das soldas heterogêneas.
[004] A presente invenção busca, portanto, fornecer uma liga apropriada para as aplicações mencionadas acima e que, portanto, que possua particularmente boas propriedades sob temperaturas criogênicas, mas com custos menores que Invar®.
[005] Ligas com base em ferro que também compreendem carbono e manganês são conhecidas e comercializadas pela companhia coreana Posco. Esses aços compreendem, em peso: - 0,35% ≤ C ≤ 0,55%; - 22,0% ≤ Mn ≤ 26,0%; - 3,0% ≤ Cr ≤ 4,0%; e - 0 ≤ Si ≤ 0,3%;
em que o restante é ferro e elementos residuais resultantes da fabricação.
[006] Essas ligas, entretanto, não fornecem satisfação total.
[007] De fato, embora elas sejam satisfatórias com relação ao seu coeficiente de dilatação térmica e rigidez à temperatura ambiente e sob temperaturas criogênicas (-196 °C), os inventores do presente observaram que elas exibem alta sensibilidade a rachaduras por calor e, portanto, possuem capacidade de soldagem relativamente baixa.
[008] Além disso, os inventores do presente observaram adicionalmente que esses aços possuem alta sensibilidade à corrosão. Boa resistência à corrosão também é importante para as aplicações mencionadas acima, particularmente para fitas finas, principalmente a fim de limitar os riscos de fratura por fadiga ou ruptura por tensão das partes e estruturas fabricadas com essas ligas. Essas ligas, portanto, não são totalmente satisfatórias para as aplicações mencionadas acima.
[009] É, portanto, um objeto da presente invenção propor uma liga capaz de ser utilizada de forma satisfatória para fabricar partes e conjuntos soldados para aplicações nas quais é necessária alta estabilidade dimensional sob o efeito de variações de temperatura, por exemplo, para aplicações criogênicas, mantendo ao mesmo tempo custo relativamente baixo.
[0010] Com este propósito, a presente invenção refere-se a uma liga de ferro e manganês que compreende, em peso: - 25,0% ≤ Mn ≤ 32,0%; - 7,0% ≤ Cr ≤ 14,0%; - 0 ≤ Ni ≤ 2,5%; - 0,05% ≤ N ≤ 0,30%; e - 0,1 ≤ Si ≤ 0,5%; opcionalmente, 0,010% ≤ terras raras ≤ 0,14%;
em que o restante é ferro e elementos residuais resultantes da fabricação.
[0011] Em algumas realizações específicas, a liga de acordo com a presente invenção compreende uma ou mais das características a seguir, tomadas isoladamente ou em qualquer combinação tecnicamente possível: - o teor de cromo é de 8,5 a 11,5% em peso; - o teor de níquel é de 0,5 a 2,5% em peso; - o teor de nitrogênio é de 0,15 a 0,25% em peso; - as terras raras compreendem um ou mais elementos selecionados a partir de: lantânio, cério, ítrio, praseodímio, neodímio, samário e itérbio; - a liga de ferro e manganês descrita acima possui coeficiente de dilatação térmica CTE médio de -180 °C a 0 °C, menor ou igual a 8,5x10-6 °C; - a liga de ferro e manganês descrita acima possui temperatura de Néel TNéel maior ou igual a 40 °C; - a liga de ferro e manganês descrita acima, quando preparada na forma de fita fina com 3 mm de espessura ou menos, possui pelo menos uma das características a seguir: - rigidez KCV, sobre amostra de teste reduzida com 3 mm de espessura e sob temperatura criogênica (-196 °C), maior ou igual a 80 J/cm 2 e, por exemplo, maior ou igual a 100 J/cm2; - limite de elasticidade Rp0,2 a -196 °C maior ou igual a 700 MPa; - limite de elasticidade Rp0,2 à temperatura ambiente (20 °C) maior ou igual a 300 MPa; e - a liga de ferro e manganês descrita acima é austenítica à temperatura criogênica e temperatura ambiente.
[0012] A presente invenção também se refere a um método de fabricação de fitas feitas de uma liga conforme definido anteriormente, em que o método compreende as etapas sucessivas a seguir: - é preparada uma liga conforme definido anteriormente; - é formado um produto semiacabado da mencionada liga; - esse produto semiacabado é laminado a quente para obter uma fita laminada a quente; e - opcionalmente, a fita laminada a quente é laminada a frio em uma ou mais passagens para obter uma fita laminada a frio.
[0013] A presente invenção também se refere a uma fita feita de liga de ferro e manganês, conforme definido anteriormente.
[0014] A presente invenção também se refere a um método de fabricação de fios feitos de uma liga de ferro e manganês conforme definido anteriormente, em que o método compreende as etapas a seguir: - fornecimento de um produto semiacabado feito de liga de ferro e manganês; - transformação térmica desse produto semiacabado para formar um fio intermediário; e - transformação do fio intermediário em um fio com diâmetro menor que o fio intermediário, em que a mencionada transformação compreende uma etapa de deposição de fio.
[0015] A presente invenção também se refere a um fio feito de liga de ferro e manganês, conforme definido anteriormente.
[0016] Esse fio é particularmente um fio de carga ou fio destinado à fabricação de parafusos ou porcas, em que esses parafusos e porcas são particularmente obtidos por meio de martelagem a frio desse fio.
[0017] A presente invenção será mais bem compreendida mediante leitura da descrição a seguir, fornecida unicamente em forma de exemplo.
[0018] No presente relatório descritivo, os teores são fornecidos em percentuais em peso.
[0019] A liga de acordo com a presente invenção é uma liga de ferro e manganês que compreende, em peso: - 25,0% ≤ Mn ≤ 32,0%; - 7,0% ≤ Cr ≤ 14,0%; - 0 ≤ Ni ≤ 2,5%; - 0,05% ≤ N ≤ 0,30%; e - 0,1% ≤ Si ≤ 0,5%; opcionalmente, 0,010 % ≤ terras raras ≤ 0,14 %; em que o restante é ferro e elementos residuais resultantes da fabricação.
[0020] A mencionada liga é aço austenítico com alto teor de manganês.
[0021] A liga de acordo com a presente invenção é austenítica à temperatura ambiente e sob temperatura criogênica (-196 °C).
[0022] Elementos residuais resultantes da fabricação indicam elementos que estão contidos nos materiais de partida utilizados para preparar a liga ou derivados de equipamentos utilizados para sua preparação, tais como refratários de fornalha. Esses elementos residuais não possuem efeito metalúrgico sobre a liga.
[0023] Os elementos residuais compreendem especialmente um ou mais elementos selecionados a partir de: carbono (C), alumínio (Al), selênio (Se), enxofre (S), fósforo (P), oxigênio (O), cobalto (Co), cobre (Cu), molibdênio (Mo), estanho (Sn), nióbio (Nb), vanádio (V), titânio (Ti) e chumbo (Pb).
[0024] Para cada um dos elementos residuais relacionados acima, os teores máximos em peso são preferencialmente selecionados conforme segue: - C ≤ 0,05% em peso, preferencialmente C ≤ 0,035% em peso; - Al ≤ 0,02% em peso, preferencialmente Al ≤ 0,005% em peso; - Se ≤ 0,02% em peso, preferencialmente Se ≤ 0,01% em peso, mais convenientemente Se ≤ 0,005% em peso; - S ≤ 0,005% em peso, preferencialmente S ≤ 0,001% em peso; - P ≤ 0,04% em peso, preferencialmente P ≤ 0,02% em peso; - O ≤ 0,005% em peso, preferencialmente O ≤ 0,002% em peso; - Co, Cu, Mo ≤ 0,2% em peso cada; - Sn, Nb, V, Ti ≤ 0,02% em peso cada; e - Pb ≤ 0,001% em peso.
[0025] Particularmente, o teor de selênio é limitado às faixas mencionadas acima para fins de evitar problemas de rachadura por calor que poderiam resultar de teor de selênio alto demais na liga.
[0026] Particularmente, a liga de acordo com a presente invenção possui: - coeficiente médio de dilatação térmica CTE de -180 °C a 0 °C, menor ou igual a 8,5x10-6 °C; e - temperatura de Néel TNéel maior ou igual a 40 °C; e quando preparada na forma de fita fina com 3 mm de espessura ou menos: - rigidez KCV, sobre amostra de teste reduzida com espessura de 3 mm e sob temperatura criogênica (-196 °C), maior ou igual a 80 J/cm2 e, por exemplo, maior ou igual a 100 J/cm2;
- limite de elasticidade Rp0,2 a -196 °C maior ou igual a 700 MPa; e - limite de elasticidade Rp0,2 à temperatura ambiente (20 °C) maior ou igual a 300 MPa.
[0027] Consequentemente, essa liga possui propriedades de dilatação térmica, rigidez e resistência mecânica que são satisfatórias para seu uso nas aplicações mencionadas acima, particularmente sob temperaturas criogênicas.
[0028] A liga de acordo com a presente invenção possui adicionalmente resistência à corrosão, caracterizada por corrente de corrosão crítica em meio de H2SO4 (2 mol.l-1) de rigorosamente menos de 230 mA/cm2 e potencial de perfuração V em meio de NaCl (0,02 mol.l-1) de rigorosamente mais de 40 mV, em que o potencial de perfuração é determinado com referência a um potencial padrão, o eletrodo de hidrogênio padrão (SHE). A liga de acordo com a presente invenção possui, portanto, resistência à corrosão maior ou igual à de Invar® M-93. Observa-se neste contexto que Invar®-M93 é um material normalmente utilizado nas aplicações mencionadas acima, particularmente sob temperaturas criogênicas.
[0029] A liga de acordo com a presente invenção também possui resistência à corrosão muito maior que a observada com ligas de Fe-Mn de acordo com o estado da técnica, que possuem corrente de corrosão crítica em meio de H2SO4 (2 mol.l-1) de mais de cerca de 350 mA/cm2 e potencial de perfuração V menor ou igual a -200 mV com referência ao eletrodo de hidrogênio padrão (SHE).
[0030] A liga de acordo com a presente invenção possui ainda capacidade de soldagem satisfatória e resistência a rachaduras por calor particularmente boa. Conforme explicado abaixo, ela exibe particularmente comprimento de rachadura de 7 mm ou menos com teste Varestraint sob deformação plástica de 3%. Consequentemente, a liga de acordo com a presente invenção possui resistência muito maior a rachaduras que a observada com ligas de Fe-Mn de acordo com o estado da técnica.
[0031] Mais especificamente, na liga de acordo com a presente invenção, manganês em teor de 32,0% em peso ou menos indica coeficiente médio de dilatação térmica de menos de 8,5x10-6/°C a -180 °C até 0 °C. Este coeficiente de dilatação térmica é satisfatório para uso da liga nas aplicações idealizadas, particularmente para aplicações criogênicas.
[0032] Além disso, o teor de manganês maior ou igual a 25,0% em peso associado a teor de cromo menor ou igual a 14,0% em peso permite a obtenção de boa estabilidade dimensional da liga à temperatura ambiente e sob temperaturas criogênicas (-196 °C). Particularmente, a temperatura de Néel da liga é rigorosamente de mais de 40 °C e não há risco de que este ponto seja atingido às temperaturas habituais de uso da liga. O uso da liga sob temperaturas acima da temperatura de Néel causa o risco de geração de variações importantes da dilatação de partes e conjuntos soldados à temperatura ambiente. De fato, o coeficiente de dilatação do aço com alto teor de manganês descrito acima é de cerca de 8x10 -6/°C sob temperaturas menores ou iguais à temperatura de Néel, enquanto se encontra na região de 16x10-6/°C para temperaturas acima da temperatura de Néel.
[0033] Cromo, em teor menor ou igual a 14,0% em peso, permite a obtenção de boa rigidez de KCV em amostra de teste reduzida com espessura de 3 mm sob temperaturas criogênicas (-196 °C), particularmente rigidez de KCV a -196 °C maior ou igual a 50 J/cm2. Por outro lado, os inventores determinaram que teor de cromo rigorosamente acima de 14,0% em peso pode resultar em fragilidade grande demais da liga sob temperaturas criogênicas.
[0034] Além disso, teor de cromo maior ou igual a 7,0% em peso permite a obtenção de boa capacidade de soldagem da liga. Os inventores descobriram que a capacidade de soldagem tende a deteriorar-se com teores de cromo de rigorosamente menos de 7,0% em peso. Cromo também contribui para o aumento da resistência da liga à corrosão.
[0035] Preferencialmente, o teor de cromo é de 8,5 a 11,5% em peso. Teor de cromo dentro dessa faixa gera compensação ainda melhor entre alta temperatura de Néel e alta resistência à corrosão.
[0036] Níquel em teor menor ou igual a 2,5% em peso permite a obtenção de coeficiente de dilatação térmica médio a -180 °C até 0 °C que é menor ou igual a 8,5x10-6/°C. Este coeficiente de dilatação térmica é satisfatório para uso da liga nas aplicações idealizadas. Por outro lado, os inventores descobriram que existe risco de deterioração do coeficiente de dilatação térmica com teores de níquel de mais de 2,5% em peso.
[0037] Preferencialmente, o teor de níquel é de 0,5 a 2,5% em peso. De fatp. teor de níquel maior ou igual a 0,5% em peso permite aumentar adicionalmente a rigidez da liga sob temperaturas criogênicas (-196 °C).
[0038] Nitrogênio em teores maiores ou iguais a 0,05% em peso contribui para o aumento da resistência à corrosão. Seu teor, entretanto, é limitado a 0,30% em peso para manter capacidade de soldagem e rigidez sob temperaturas criogênicas (-196 °C) que são satisfatórias.
[0039] Preferencialmente, o teor de nitrogênio é de 0,15 a 0,25% em peso. Teor de nitrogênio dentro dessa faixa permite a obtenção de compensação ainda melhor entre propriedades mecânicas e resistência à corrosão.
[0040] Silício, presente na liga em teor de 0,1 a 0,5% em peso, age como desoxidante na liga.
[0041] Opcionalmente, a liga contém terras raras em teor de 0,010% a 0,14% em peso. As terras raras são preferencialmente selecionadas a partir de ítrio (Y), cério (Ce), lantânio (La), praseodímio (Pr), neodímio (Nd), samário (Sm) e itérbio (Yb) ou as misturas de um ou mais desses elementos.
Em um exemplo específico, as terras raras compreendem uma mistura de cério e lantânio ou ítrio utilizado isoladamente ou em mistura com cério ou lantânio.
[0042] Particularmente, as terras raras consistem de lantânio e/ou ítrio, em que a soma dos teores de lantânio e ítrio é de 0,010 a 0,14% em peso.
[0043] Como variante, as terras raras consistem de cério, em que o teor de cério é de 0,010% a 0,14% em peso.
[0044] Como variante, as terras raras consistem de uma mistura de lantânio, ítrio, neodímio e praseodímio, em que a soma dos teores de lantânio, ítrio, neodímio e praseodímio é de 0,010% a 0,14% em peso. Neste caso, as terras raras são adicionadas, por exemplo, na forma de mischmetal em teor de 0,010 a 0,14% em peso. O mischmetal contém lantânio, ítrio, neodímio e praseodímio nas proporções a seguir: Ce: 50%, La: 25%, Nd: 20% e Pr: 5%.
[0045] A presença de terras raras e, mais especificamente, de uma mistura de cério e lantânio ou ítrio nos teores mencionados acima permite a obtenção de uma liga que possui resistência muito boa a rachaduras por calor e, portanto, maior capacidade de soldagem.
[0046] O teor de terras raras, por exemplo, é de 150 ppm a 800 ppm.
[0047] A liga de acordo com a presente invenção pode ser preparada utilizando qualquer método apropriado conhecido pelos técnicos no assunto.
[0048] Ela é preparada, por exemplo, em uma fornalha de arco elétrico, seguida por refinamento em concha empregando-se métodos habituais (descarburização, desoxidação e dessulfurização), que podem compreender particularmente uma etapa de aplicação de pressão reduzida. Como variante, a liga de acordo com a presente invenção é preparada em fornalha a vácuo a partir de materiais de partida com baixo teor de resíduos.
[0049] Fitas laminadas a quente ou frio, por exemplo, são fabricadas em seguida com a liga preparada desta forma.
[0050] O método a seguir, por exemplo, é utilizado para fabricar as mencionadas fitas laminadas a quente ou frio.
[0051] A liga é moldada na forma de produtos semiacabados, tais como lingotes, eletrodos novamente fundidos, lajes, particularmente lajes finas com espessura de menos de 200 mm obtidas particularmente por meio de modelagem contínua ou tabletes.
[0052] Quando a liga for moldada na forma de eletrodos de refundição, estes são convenientemente fundidos novamente a vácuo ou em escória eletrocondutora para obter melhor pureza e produtos semiacabados mais homogêneos.
[0053] O produto semiacabado obtido dessa forma é laminado a quente sob temperatura de 950 °C a 1220 °C, a fim de obter uma fita laminada a quente.
[0054] A espessura da fita laminada a quente é particularmente de 2 mm a 6,5 mm.
[0055] Em uma realização, a laminação a quente é precedida por tratamento térmico de homogeneização química sob temperatura de 950 °C a 1220 °C por um período de 30 minutos a 24 horas. O método de homogeneização química é particularmente realizado sobre lajes, particularmente uma laje fina.
[0056] A fita laminada a quente é resfriada à temperatura ambiente, para formar uma fita resfriada, e enrolada na forma de bobinas.
[0057] Opcionalmente, a fita resfriada é laminada a frio em seguida para obter uma fita laminada a frio que possui espessura final conveniente de 0,5 mm a 2 mm. Realiza-se laminação a frio em uma única passagem ou em diversas passagens sucessivas.
[0058] Na sua espessura final, a fita laminada a frio é opcionalmente submetida a tratamento térmico de recristalização em fornalha estática por um período que varia de 10 minutos a várias horas sob temperatura de mais de 700 °C. Em outra realização, ela é submetida a tratamento térmico de recristalização em uma fornalha de recozimento contínuo por um período que varia de alguns segundos a cerca de um minuto, sob temperatura de mais de 900 °C na zona de manutenção da fornalha, sob atmosfera protetora do tipo N2/H2 (30%/70%) com ponto de geada de -50 °C a - 15 °C. O ponto de geada define a pressão de vapor d’água parcial contida na atmosfera de tratamento térmico.
[0059] Tratamento térmico de recristalização pode ser conduzido sob as mesmas condições durante laminação a frio em espessura intermediária entre a espessura inicial (correspondente à espessura da fita laminada a quente) e a espessura final. A espessura intermediária é selecionada, por exemplo, em 1,5 mm, enquanto a espessura final da fita laminada a frio é de 0,7 mm.
[0060] O método de preparação da liga e fabricação de fitas laminadas a quente e frio nessa liga é fornecido unicamente a título de exemplo.
[0061] Todos os demais métodos de preparação da liga de acordo com a presente invenção e de fabricação de produtos finais realizados nessa liga conhecidos pelos técnicos no assunto podem ser utilizados com este propósito.
[0062] A presente invenção também se refere a uma fita, particularmente fita laminada a quente ou laminada a frio, elaborada com a liga descrita acima.
[0063] Particularmente, a fita possui espessura de 6,5 mm ou menos, preferencialmente 3 mm ou menos.
[0064] A mencionada fita, por exemplo, é uma fita laminada a frio fabricada de acordo com o método descrito acima ou uma fita laminada a quente obtida após a etapa de laminação a quente do método descrito acima.
[0065] A presente invenção também se refere a um fio elaborado com a liga descrita acima.
[0066] Mais especificamente, o fio é um fio de carga utilizado para soldar as partes entre si.
[0067] Em realização alternativa, o fio destina-se à fabricação de parafusos, em que esses parafusos são particularmente obtidos por meio de martelagem a frio desse fio.
[0068] A título de exemplo, o mencionado fio é produzido por meio de um método que compreende as etapas a seguir: - fornecimento de um produto semiacabado em uma liga conforme descrito acima; - transformação térmica desse produto semiacabado para formar um fio intermediário; e - transformação do fio intermediário em um fio com diâmetro menor que o fio intermediário, em que a mencionada transformação compreende uma etapa de trefilagem.
[0069] Particularmente, o produto semiacabado é um lingote ou tablete.
[0070] Esses produtos semiacabados são preferencialmente formados por meio de transformação térmica a 1050 °C até 1220 °C para formar o fio intermediário.
[0071] Particularmente, ao longo dessa etapa de transformação térmica, os produtos semiacabados, ou seja, particularmente os lingotes ou tabletes, são transformados a quente para reduzir seu corte transversal, de forma a fornecer corte transversal quadrado, por exemplo, com lados de cerca de 100 mm a 200 mm. Desta forma, é obtido um produto semiacabado com corte transversal reduzido. O comprimento desse produto semiacabado com corte transversal reduzido é particularmente de 10 metros a 20 metros.
Convenientemente, a redução do corte transversal dos produtos semiacabados é obtida por uma ou mais passagens de laminação a quente sucessivas.
[0072] Os produtos semiacabados com corte transversal reduzido são novamente transformados a quente em seguida para obter o fio. O fio pode ser particularmente um fio máquina. Ele possui, por exemplo, diâmetro de 5 mm a 21 mm e, particularmente, é de 5,5 mm. Convenientemente, ao longo dessa etapa, o fio é produzido por meio de laminação a quente em um trem de laminação.
TESTES
[0073] Os inventores conduziram modelagem em laboratório de ligas que possuem composições como as definidas acima e de ligas comparativas que possuem composições diferentes das composições descritas acima.
[0074] Essas ligas foram preparadas a vácuo e transformadas a quente por meio de laminação para obter uma fita com largura de 35 mm e espessura de 4 mm.
[0075] Essas fitas foram trabalhadas em seguida para obter uma superfície livre de oxidação térmica.
[0076] As composições de liga de cada uma das fitas testadas são fornecidas na Tabela 1 abaixo.
[0077] Os inventores conduziram testes de Varestraing sobre as fitas obtidas, de acordo com a norma europeia FD CEN ISO/TR 17641-3 sob deformação plástica de 3,2%, a fim de determinar sua resistência a rachaduras por calor. Eles mediram o comprimento total das rachaduras desenvolvidas durante os testes e classificaram as fitas em três categorias: - as fitas que apresentaram, como resultado do teste, comprimento total de rachaduras menor ou igual a 2 m foram consideradas exibindo excelente resistência a rachaduras por calor; - as fitas que apresentaram, como resultado do teste, comprimento total de rachaduras de 2 mm a 7 mm foram consideradas exibindo boa resistência a rachaduras por calor; e - as fitas que apresentaram comprimento total de rachadura rigorosamente acima de 7 mm foram consideradas exibindo resistência a rachaduras por calor insuficiente.
[0078] Os resultados desses testes são fornecidos na coluna intitulada “Testes Varestraint” da Tabela 1 abaixo. Nessa coluna, indica-se o seguinte: - “1”: fitas com excelente resistência a rachaduras por calor; - “2”: fitas com boa resistência a rachaduras por calor; e - “3”: fitas com resistência a rachaduras por calor insuficiente.
[0079] A resistência a rachaduras por calor é um aspecto importante da capacidade de soldagem de uma liga, em que a capacidade de soldagem é melhor quanto maior for a resistência a rachaduras.
[0080] Os inventores também testaram a resistência à corrosão conduzindo testes potenciométricos. Com este propósito, foram realizados os testes a seguir: - avaliação da corrosão generalizada por meio de medição da corrente de corrosão crítica JMn aço em meio de H2SO4 (2 mol.l-1) e comparação dessa corrente com a corrente medida para as fitas em Invar® M93 (JInvar M93 ~ 230mA/cm2); e
- avaliação da corrosão localizada por meio de medição do potencial de perfuração V em meio NaCl (0,02 mol.l-1) e comparação desse potencial V com o de Invar® M93 (VInvar M93/ESHE ~ 40mV), em que ESHE é o potencial padrão do eletrodo de hidrogênio.
[0081] Relembra-se que Invar® M93 possui a composição a seguir em percentual em peso: - 35% ≤ Ni ≤ 36,5%; - 0,2% ≤ Mn ≤ 0,4%; - 0,02% ≤ C ≤ 0,04%; e - 0,15% ≤ Si ≤ 0,25%; opcionalmente: - 0 ≤ Co ≤ 20%; - 0 ≤ Ti ≤ 0,5%; e - 0,01% ≤ Cr ≤ 0,5%; em que o restante é ferro e elementos residuais resultantes da fabricação.
[0082] Se JMn aço < JInvar M93 e VMn aço/ESHE > VInvar M93 / ESHE, o aço testado é considerado mais resistente à corrosão que Invar® M93.
[0083] Se JMn aço > JInvar M93 ou VMn aço / ESHE < VInvar M93 / ESHE, o aço testado é considerado menos resistente à corrosão que Invar® M93.
[0084] Os resultados desses testes encontram-se resumidos na coluna intitulada “Resistência à corrosão” da Tabela 1 abaixo. Nessa coluna: - a indicação “> Invar” corresponde a fitas para as quais JMn aço < JInvar M93 e VMn aço / ESHE > VInvar M93 / ESHE; - a indicação “< Invar” corresponde a fitas para as quais JMn aço > JInvar M93 ou VMn aço / ESHE < VInvar M93 / ESHE; e - a indicação “~ Invar” corresponde a fitas para as quais JMn aço ≈ JInvar M93 ou VMn aço / ESHE ≈ VInvar M93 / ESHE.
[0085] Os inventores do presente também realizaram testes de rigidez a -196 °C sobre amostras de teste reduzidas (espessura ~ 3,5 mm) e mediram a energia de fratura de impacto da fita (indicada como KCV) de acordo com a norma NF EN ISO 148-1. A energia de fratura é expressa em J/cm2. Ela traduz a rigidez da fita. Os resultados desses testes encontram-se resumidos na coluna intitulada “KCV a -196 °C” da Tabela 1 abaixo.
[0086] Os inventores também conduziram testes dilatométricos: - -180 °C a 0 °C para determinar o coeficiente de dilatação térmica médio da liga; e - 20 °C a 500 °C para determinar a temperatura de Néel TNéel da liga. A temperatura de Néel corresponde à temperatura acima da qual um material antiferromagnético torna-se paramagnético.
[0087] Mais especificamente, o coeficiente de dilatação térmica médio é determinado por meio de medição da variação do comprimento em micrômetros a -180 °C até 0 °C de uma amostra de teste com comprimento de 50 mm a 0 °C. O coeficiente de dilatação térmica médio é obtido em seguida por meio de aplicação da fórmula a seguir: 1  L0 − L1 ; L0 T0 −T1 em que L0 −L1 indica a variação de comprimento em micrômetros de 0 °C a -180 °C, L0 indica o comprimento da amostra de teste a 0 °C, T 0 é 0 °C e T1 é -180 °C.
[0088] A temperatura de Néel é determinada por meio da medição de L(T), em que L é o comprimento da amostra à temperatura T, e cálculo da inclinação dL/dT em seguida. A temperatura de Néel corresponde à temperatura da alteração de inclinação dessa curva.
[0089] Os resultados desses testes são fornecidos, respectivamente, nas colunas intituladas “CTE (-180 °C a 0 °C)” e “TNéel” da
Tabela 1 abaixo.
[0090] Por fim, os inventores conduziram testes de tensão plana mecânica a -196 °C para medir o limite de elasticidade a 0,2% de alongamento Rp0,2 a -196 °C. Os resultados desses testes encontram-se resumidos na coluna intitulada “Rp0,2 a -196 °C” da Tabela 1 abaixo.
TABELA 1
[0091] Composições de liga e resultados de teste:
CTE (- Rp0,2 KCV a 180 Se a Teste Resistênci -196 °C a Ce S Outro TNéel -196 N° Fe Mn Cr Ni N Y Si C Al Varestrain a °C 0 +La P s (°C) °C t à corrosão (J/cm2 °C) O - (Mpa ) (10 6 ) /°C ) Sald 25, 0,1 mín 0,3 mín mín 1 3,6 mín. mín. 0,4 mín. 3 < Invar n.d. n.d. n.d. n.d. o 0 8 . 0 . . Sald 25, 0,1 mín 0,3 mín mín mín 2 3,6 mín. mín. mín. 3 < Invar n.d. n.d. n.d. n.d. o 0 8 . 0 . . . Sald 23, 0,1 mín 0,2 0,4 mín mín 3 6,5 mín. mín. mín. 3 < Invar n.d. 58 n.d. n.d. o 0 8 . 8 5 . . Sald 23, 0,1 mín 0,2 mín mín mín 4 6,5 mín. mín. mín. 3 < Invar n.d. 60 n.d. n.d. o 0 8 . 8 . . . Sald 28, 0,2 mín mín mín 5 6,5 2,1 0,1 mín. mín. mín. 3 > Invar 120 88 8,5 710 o 0 5 . . . Sald 28, 0,2 mín mín mín 6 8,0 2,1 0,1 mín. mín. mín. 2 > Invar 122 72 8,4 740 o 0 5 . . . Sald 28, 10, mín 0,3 mín mín mín 7 1,8 mín. mín. mín. 2 < Invar n.d. n.d. n.d. n.d. o 0 2 . 0 . . . Sald 28, 10, 0,3 mín mín mín 8 1,8 0,1 mín. mín. mín. 2 > Invar 125 62 8,3 760 o 0 2 0 . . . Sald 28, 12, 0,3 0,3 mín mín mín 9 1,8 mín. mín. mín. 3 > Invar < 50 52 8,3 1220 o 0 1 5 0 . . . Sald 28, 13, 0,2 mín mín mín 10 2,0 0,1 mín. mín. mín. 2 > Invar 120 42 8,3 815 o 0 5 8 . . . Sald 28, 16, 0,2 mín mín mín < 11 2,0 0,1 mín. mín. mín. 2 > Invar < 50 9,2 1260 o 0 0 8 . . . 40 Sald 27, 10, 0,1 0,2 mín mín mín 12 0,3 mín. mín. mín. 2 > Invar 120 75 7,7 880 o 8 1 5 6 . . . Sald 27, 10, 0,1 0,2 mín mín mín 13 2,8 mín. mín. mín. 2 > Invar n.d. n.d. 8,8 875 o 8 1 5 6 . . . Sald 22, 0,1 0,01 0,2 mín mín mín < 14 9,9 2,0 mín. mín. 1 > Invar 115 8,1 690 o 0 5 5 0 . . . 40 Sald 25, 0,1 0,03 0,2 mín mín mín 15 9,9 2,0 mín. mín. 1 > Invar 122 51 8,3 815 o 5 5 5 0 . . . Sald 28, 10, 0,1 0,05 0,2 mín mín mín 16 1,8 mín. mín. 1 > Invar 95 61 8,3 880 o 0 0 5 0 5 . . . Sald 31, 10, 0,1 0,07 0,2 mín mín mín 17 1,8 mín. mín. 1 > Invar 105 70 8,4 1020 o 5 0 5 5 5 . . . Sald 31, 10, 0,1 0,15 0,2 mín mín mín 18 1,8 mín. mín. 3 > Invar 95 72 8,4 990 o 5 0 5 0 5 . . . Sald 28, 0,04 0,2 mín mín mín 19 9,5 1,9 0,2 mín. mín. 1 > Invar 100 63 8,3 1010 o 0 0 4 . . .
CTE (- Rp0,2 KCV a 180 Se a Teste Resistênci -196 °C a Ce S Outro TNéel -196 N° Fe Mn Cr Ni N Y Si C Al Varestrain a °C 0 +La P s (°C) °C t à corrosão (J/cm2 °C) O - (Mpa ) (10 6 ) /°C ) Sald 28, 0,08 0,2 mín mín mín 20 9,5 1,9 0,2 mín. mín. 1 > Invar 105 64 8,4 980 o 0 0 4 . . . Sald 28, 0,20 0,2 mín mín mín 21 9,5 1,9 0,2 mín. mín. 3 > Invar 85 63 8,3 1000 o 0 0 4 . . .
[0092] Na Tabela 1 acima, “n.d.” indica que o valor em consideração não foi determinado.
[0093] Além disso, os testes sublinhados são de acordo com a presente invenção.
[0094] Nesta tabela: - para os elementos C, Al, Se, S, P e O, “mín.” indica: - C < 0,05% em peso; - Al < 0,02% em peso; - Se < 0,001% em peso; - S < 0,005% em peso; - P < 0,04% em peso; e - O < 0,002% em peso; - os elementos indicados como “outros” incluem Co, Cu, Mo, Sn, Nb, V, Ti e Pb e, nessa coluna, “mín.” indica: - Co, Cu, Mo < 0,2% em peso; - Sn, Nb, V, Ti < 0,02% em peso; e - Pb < 0,001% em peso.
[0095] Para nitrogênio, “mín.” indica N < 0,03% em peso. Em todos esses teores, nitrogênio é considerado elemento residual.
[0096] Para as terras raras, ou seja, Ce, La e Y, “mín.” indica que a liga compreende não mais que traços desses elementos, preferencialmente teor de cada um desses elementos de 1 ppm ou menos.
[0097] Os testes n° 6, 8, 10, 12, 15 a 17, 19 e 20 são de acordo com a presente invenção.
[0098] Determina-se que as fitas preparadas nesses testes exibem resistência a rachaduras por calor boa e até excelente (cf. coluna de teste Varestraint) e, portanto, boa capacidade de soldagem.
[0099] Além disso, essas fitas exibem resistência à corrosão maior ou igual à de Invar M93, coeficiente médio de dilatação térmica CTE de -180 °C a 0 °C menor ou igual a 8,5x10-6/°C, temperatura de Néel maior ou igual a 40 °C, rigidez KCV a -196 °C maior ou igual a 80 J/cm2 e limite de elasticidade Rp0,2 a -196 °C maior ou igual a 700 MPa.
[00100] As fitas elaboradas na liga de acordo com a presente invenção exibem, portanto, propriedades satisfatórias de dilatação térmica, rigidez e resistência mecânica para seu uso em aplicações nas quais é necessária alta estabilidade dimensional sob o efeito de variações de temperatura, particularmente sob temperaturas criogênicas.
[00101] As ligas dos testes n° 1 a 5 contêm teor de cromo de rigorosamente menos de 7,0% em peso. Concluiu-se que as fitas correspondentes possuem baixa resistência a rachaduras por calor e, portanto, capacidade de soldagem pouco satisfatória. Além disso, os testes 1 e 3 demonstram que essa baixa resistência a rachaduras por calor não é compensada pela adição de carbono, mesmo em níveis relativamente altos.
[00102] A liga do teste 11 contém teor de cromo de rigorosamente mais de 14,0% em peso. Pode-se observar que as fitas correspondentes exibem maior fragilidade sob temperaturas criogênicas, o que se traduz em rigidez KCV de rigorosamente menos de 50 J/cm2. Também se observa que essa liga possui temperatura de Néel de rigorosamente menos de 40 °C.
[00103] A liga do teste n° 13 contém teor de níquel de rigorosamente mais de 2,5% em peso. Observa-se que as fitas correspondentes possuem coeficiente de dilatação térmica CTE médio de -180 °C a 0 °C que é de rigorosamente mais de 8,5x10-6/°C.
[00104] A comparação entre os testes 7 e 8 demonstra que, se todos os demais forem iguais, o aumento do teor de nitrogênio permite maior resistência à corrosão. Além disso, a liga do teste n° 9 contém teor de nitrogênio de rigorosamente mais de 0,30% em peso e observa-se que ele exibe capacidade de soldagem e rigidez KCV deterioradas a -196 °C.
[00105] Além disso, conforme exibido por meio de comparação dos testes 14 e 15, a redução do teor de manganês, se todos os demais forem iguais, resulta em redução da temperatura de Néel.
[00106] Também se observa que as fitas correspondentes aos testes 14, 17, 19 e 20, que compreendem terras raras em proporções de 0,010% a 0,14% em peso, possuem excelente resistência a rachaduras por calor com comprimentos de rachaduras de menos de 2 mm. Por outro lado, as fitas correspondentes aos testes 18 e 21 contêm teor de terras raras de rigorosamente mais de 0,14% em peso e concluiu-se que essas fitas possuem capacidade de soldagem deteriorada.
[00107] A resistência mecânica de solda homogênea entre duas partes da liga de ferro e manganês de acordo com a presente invenção ou de uma solda heterogênea entre uma parte da liga de ferro e manganês de acordo com a presente invenção e uma parte de uma liga diferente, particularmente aço inoxidável 304L e Invar® M93, foi pesquisada por meio de testes de tensão. Esses testes foram conduzidos utilizando-se a liga do Exemplo 16 da Tabela 1 como liga de ferro e manganês.
[00108] Mais especificamente, soldas homogêneas foram obtidas por meio da soldagem entre as extremidades de duas barras de teste retiradas de uma fita da liga de ferro e manganês do Exemplo 16 da Tabela 1.
Soldas heterogêneas também foram obtidas por meio de soldagem entre as extremidades de uma barra de teste retirada de uma fita da liga do Exemplo 16 da Tabela 1 e uma barra de teste retirada de uma fita de Invar® M93 ou uma barra de teste retirada de uma fita de aço inoxidável 304L.
[00109] Além disso, soldas homogêneas foram obtidas, a título de comparação, de soldas homogêneas por meio de soldagem entre as extremidades de duas barras de teste retiradas de fitas de Invar® M93 e soldas heterogêneas por meio de soldagem entre as extremidades de uma barra de teste retirada de uma fita de Invar® M93 e uma barra de teste retirada de uma fita de aço inoxidável 304L.
[00110] Os resultados são fornecidos na Tabela 2 abaixo.
TABELA 2
[00111] Resultados de testes de tensão: Exemplo Tipo de conjunto soldado Exemplo 16- Exemplo 16- Invar M93- Inox 304L- 16- Invar entre as extremidades Exemplo 16 Inox 304L Invar M93 Invar M93 M93 Resistência mecânica Rm do conjunto soldado 615 475 425 410 330 a 25 °C (MPa)
[00112] Os testes de tensão foram realizados à temperatura ambiente, conforme habitual para testes de qualificação de soldagem.
[00113] Esses testes demonstram que a liga de acordo com a presente invenção possui capacidade de soldagem satisfatória com aço inoxidável e Invar®.
[00114] A liga de acordo com a presente invenção pode ser convenientemente utilizada em qualquer aplicação na qual boa estabilidade dimensional seja necessária, associada a boa resistência à corrosão e boa capacidade de soldagem, particularmente na faixa criogênica ou no campo eletrônico.
[00115] Com relação às suas propriedades, as ligas de acordo com a presente invenção podem ser convenientemente utilizadas para a fabricação de conjuntos soldados destinados a aplicações nas quais é necessária alta estabilidade dimensional sob o efeito de variações da temperatura, particularmente sob temperatura criogênica.

Claims (9)

REIVINDICAÇÕES
1. LIGA DE FERRO E MANGANÊS, caracterizada por compreender, em peso: - 25,0% ≤ Mn ≤ 32,0%; - 7,0% ≤ Cr ≤ 14,0%; - 0 ≤ Ni ≤ 2,5%; - 0,05% ≤ N ≤ 0,30%; - 0,1% ≤ Si ≤ 0,5%; - opcionalmente 0,010% ≤ terras raras ≤ 0,14%; em que o restante é ferro e elementos residuais resultantes da fabricação.
2. LIGA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo teor de cromo estar entre 8,5% e 11,5% em peso.
3. LIGA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizada pelo teor de níquel estar entre 0,5% e 2,5% em peso.
4. LIGA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo teor de nitrogênio estar entre 0,15% e 0,25% em peso.
5. LIGA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelas terras raras compreenderem um ou mais elementos selecionados a partir de: lantânio (La), cério (Ce), ítrio (Y), praseodímio (Pr), neodímio (Nd), samário (Sm) e itérbio (Yb).
6. MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE FITAS, elaboradas com liga de ferro e manganês, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por compreender as etapas sucessivas a seguir: - é preparada uma liga, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 5; - é formado um produto semiacabado da mencionada liga;
- esse produto semiacabado é laminado a quente para obter uma fita laminada a quente; e - opcionalmente, a fita laminada a quente é laminada a frio em uma ou mais passagens para obter uma fita laminada a frio.
7. FITA, caracterizada por ser elaborada com liga de ferro e manganês, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 5.
8. MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE FIOS, elaborados com liga de ferro e manganês, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por compreender as etapas a seguir: - fornecimento de um produto semiacabado elaborado com liga de ferro e manganês, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 5; - transformação térmica desse produto semiacabado para formar um fio intermediário; e - transformação do fio intermediário em um fio com diâmetro menor que o fio intermediário, em que a mencionada transformação compreende uma etapa de trefilagem.
9. FIO, caracterizado por ser elaborado com liga de ferro e manganês, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 5.
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