BRPI0820586B1 - Aço inoxidável austenítico e artigo de fabricação incluindo o aço inoxidável austenítico - Google Patents

Aço inoxidável austenítico e artigo de fabricação incluindo o aço inoxidável austenítico Download PDF

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Description

O presente pedido reivindica prioridade sob 35 U. S. C. § 119(e) para o Pedido de Patente Provisional de Co-pendência dos Estados Unidos Número de Série 61/015.264, depositado em 20 de dezembro de 2007.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
CAMPO DA TECNOLOGIA [002] A presente descrição refere-se a um aço inoxidável austenítico. Em particular, a descrição refere-se a uma composição de aço inoxidável austenítico estabilizada econômica incluindo níveis baixos de níquel e molibdênio, propriedades melhoradas de temperatura elevada e propriedades de formabilidade e resistência à corrosão pelo menos comparáveis relativas a ligas com nível de níquel mais elevado.
DESCRIÇÃO DOS ANTECEDENTES DA TECNOLOGIA [003] Os aços inoxidáveis austeníticos exibem uma combinação de propriedades altamente desejáveis que os tornassem úteis para uma ampla variedade de aplicações industriais. Esses aços possuem uma composição de base de ferro que é equilibrada pela adição de elementos estabilizantes e de promoção de austenita, tais como níquel, manganês, e nitrogênio, para permitir as adições de elementos de promoção de ferrita, tais como cromo e molibdênio, que realça a resistência à corrosão, ser feitas ao mesmo tempo em que mantendo uma estrutura austenítica em temperatura ambiente. A estrutura austenítica fornece o aço com propriedades mecânicas altamente desejáveis, particularmente dureza, ductilidade e formabilidade.
[004] Um exemplo específico de um aço inoxidável austenítico é aço inoxidável AISI Tipo 316 (UNS S31600), que é uma liga contendo 16-18% de cromo, 10-14% de níquel, e 23% de molibdênio. As faixas de ingredientes de liga nesta liga são mantidas nas faixas especificadas para manter uma estrutura austenítica estável. Como é entendido por alguém versado na técnica, os conteúdos de níquel, manganês, cobre, e nitrogênio, por exemplo, contribuem com a estabilidade da estrutura austenítica. Entretanto, os custos crescentes de
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2/17 níquel e molibdênio criaram a necessidade de alternativas econômicas para S31600 que ainda exibe resistência à corrosão elevada e boa formabilidade.
[005] Outra alternativa de liga é Grade 216 (UNS S21600), que é descrita na Patente dos Estados Unidos No. 3.171.738. S21600 contém 17,5-22% de cromo, 5-7% de níquel, 7,5-9% de manganês, e 2-3% de molibdênio. Embora S21600 seja uma variante com nível de níquel mais baixo, e nível de manganês mais elevado de S31600, as propriedades de força e resistência à corrosão de S21600 são muito mais elevadas do que aquelas de S31600. Entretanto, assim como com as ligas duplex, a formabilidade de S21600 não é tão boa quanto aquela de S31600. Além disso, uma vez que S21600 contém a mesma quantidade de molibdênio como S31600, não há nenhuma economia de custo para molibdênio.
[006] Uma variante de S31600 também existe a qual é principalmente pretendida para uso em temperaturas elevadas. Esta liga é designada como Tipo 316Ti (UNS S31635). A diferença significante entre S31600 e S31635 é a presença de uma pequena adição de um titânio equilibrado pela quantidade de carbono e nitrogênio presente no aço. O aço resultante, S31635, é menos propenso a formação deletéria de carbonetos de cromo em temperaturas elevadas e durante a fusão, um fenômeno conhecido como sensibilização. Tais adições podem também realçar as propriedades de temperatura elevada devido aos efeitos de fortalecimento de formação de carboneto primária e secundária. A faixa específica para titânio em S31635 é dada pela seguinte equação:
[5 x (% C + % N)] < Ti < 0,70%
Entretanto, S31635 usa material bruto muito caro.
[007] Outros exemplos de ligas incluem numerosos aços inoxidáveis nos quais o níquel é substituído com manganês para manter uma estrutura austenítica, tal como é praticado com aço Tipo 201 (A S20100) e graus similares. Entretanto, há uma necessidade de ser capaz de produzir uma liga tendo uma combinação de propriedades de temperatura elevada similares a S31635 e ambas as propriedades de resistência à corrosão e formabilidade similares a S31600, ao mesmo tempo em que contendo uma quantidade menor de níquel e molibdênio para ser econômico. Em particular, há uma necessidade de tal liga ter, ligas duplex diferentes, uma faixa de aplicação de temperatura comparável àquela de aços inoxidáPetição 870170055645, de 03/08/2017, pág. 11/32
3/17 veis austeníticos padrões, por exemplo, de temperaturas criogênicas até 704,44oC (1300°F).
[008] Consequentemente, a presente invenção fornece uma solução que não está atualmente disponível no mercado, que é uma composição de liga de aço inoxidável austenítico estabilizada formável que tem propriedades de resistência à corrosão e propriedades de temperatura elevada, melhoradas comparáveis a S31600 e S31635, ao mesmo tempo em que fornecendo economias de material bruto. Consequentemente, a invenção é uma liga austenítica estabilizada que usa níveis controlados de elementos de formação de carboneto para melhorar as propriedades de temperatura elevada. A liga austenítica também utiliza uma combinação dos elementos Mn, Cu, e N, para substituir Ni e Mo de uma maneira para criar uma liga com propriedades similares àquelas de ligas de níquel e molibdênio mais elevadas em um custo de material bruto significantemente menor. Opcionalmente, os elementos W e Co podem ser usados independentemente ou em combinação para substituir os elementos Mo e Ni, respectivamente.
SUMÁRIO DA INVEÇÃO [009] A invenção é um aço inoxidável austenítico que usa elementos de formação de carboneto e elementos menos caros, tais como manganês, cobre, e nitrogênio, como substitutos para os elementos mais caros de níquel e molibdênio. O resultado é uma liga de custo reduzido que tem propriedades de temperatura elevada e propriedades de resistência à corrosão e formabilidade melhoradas pelo menos comparáveis a ligas mais caras, tais como S31600 e S31635. A liga é de gauge leve e tem uma microestrutura limpa com grãos relativamente finos para modelagem.
[0010] Uma modalidade da invenção é um aço inoxidável austenítico incluindo, % em peso, até 0,20 de C, 2,0-9,0 de Mn, até 2,0 de Si, 16,0-23,0 de Cr, 1,0-7,0 de Ni, até 3,0 de Mo, até 3,0 de Cu, 0,05-0,35 de N, (7,5(% de C)) < (Nb + Ti + V +Ta + Zr) < 1,5, até 4,0 de W, até 0,01 de B, até 1,0 de Co, ferro e impurezas. Certas modalidades não limitantes do aço inoxidável austenítico incluem tungstênio tal que 0,5 < (Mo + W/2) < 5,0. Certas modalidades do aço inoxidável austenítico podem incluir cobalto tal que 1,0 < (Ni + Co) < 8,0. Certas modalidades do aço inoxidável austenítico podem incluir pelo menos 0,1% de nióbio, ou podem incluir nióbio em uma concentração de pelo menos (7,5(% de C)).
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4/17 [0011] Outra modalidade da invenção é um aço inoxidável austenítico, incluindo % em peso, até 0,10 de C, 2,0-8,0 de Mn, até 1,00 de Si, 16,0-22,0 de Cr, 1,0-7,0 de Ni, 0,402,0 de Mo, até 1,00 de Cu, 0,08-0,30 de N, (7,5(% de C)) < (Nb + Ti + V +Ta + Zr) < 1,5, 0,05-0,60 de W, até 1,0 de Co, até 0,040 de P, até 0,030 de S, e até 0,008 de B, ferro e impurezas. Certas modalidades do aço inoxidável austenítico podem incluir tungstênio tal que 0,5 < (Mo + W/2) < 2,3. Certas modalidades do aço inoxidável austenítico podem incluir cobalto tal que 1,0 < (Ni + Co) < 8,0. Certas modalidades do aço inoxidável austenítico podem incluir pelo menos 0,1% de nióbio, ou podem incluir nióbio em uma concentração de pelo menos (7,5(% de C)).
[0012] Em uma modalidade alternativa da presente invenção, um aço inoxidável austenítico inclui, em % em peso, até 0,08 C, 3,5-6,5 de Mn, até 1,00 de Si, 17,0-21,0 de Cr, 0,5-2,0 de Mo, 4,0-6,5 de Ni, 0,08-0,30 de N, (7,5(% de C)) < (Nb + Ti + V +Ta + Zr) < 1,0, até 1,0 de Cu, até 0,050 de P, até 0,030 de S, ferro e impurezas. Certas modalidades do aço inoxidável austenítico podem incluir tungstênio tal que 0,5 < (Mo + W/2) < 4,0. Certas modalidades do aço inoxidável austenítico podem incluir cobalto tal que 4,0 < (Ni + Co) < 7,5. Certas modalidades do aço inoxidável austenítico podem incluir pelo menos 0,1% de nióbio, ou podem incluir nióbio em uma concentração de pelo menos (7,5(% de C)).
[0013] O aço inoxidável austenítico da presente invenção tem um valor de PREw maior do que cerca de 22, um número de ferrita menor do que cerca de 10, e um valor de MD30 menor do que cerca de 200C.
[0014] Um método de produzir o aço inoxidável é por fusão em um forno de arco voltáico, refinamento em um AOD, fundição em lingotes ou pranchas continuamente fundidas, reaquecendo os lingotes ou pranchas e os laminando a quente para produzir placas ou rolos, rolos de laminação a frio a uma espessura especificada, e anelamento e desoxidação do material. Outros métodos de produzir o material inventado podem também ser usado, incluindo a fusão e/ou re-fusão em um vácuo ou sob uma atmosfera especial, fundindo em formas, ou a produção de um pó que é consolidado em pranchas ou moldes.
[0015] As ligas de acordo com a presente descrição podem ser usadas em numerosas aplicações. De acordo com um exemplo, as ligas da presente descrição podem ser inPetição 870170055645, de 03/08/2017, pág. 13/32
5/17 cluídas em artigos de fabricação adaptados para uso em ambientes de temperatura baixa ou criogênicos. Os exemplos não limitantes adicionais de artigos de fabricação que podem ser fabricados de ou incluem as presentes ligas são conectores flexíveis para aplicações automotivas e outras aplicações, foles, tubos flexíveis, forros de chaminé, e forros de cano de chaminé.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [0016] Na presente descrição e nas reivindicações, exceto nos exemplos operantes ou de outro modo indicado, todos os números expressando quantidades ou características de ingredientes e produtos, condições de processamento, e similares devem ser entendidos como sendo modificados em todos os casos pelo termo “cerca de”. Consequentemente, a menos que indicado ao contrário, qualquer parâmetro numérico apresentado na seguinte descrição e nas reivindicações anexas são aproximações que podem variar dependendo das propriedades desejadas se pretendidas para obter no produto e métodos de acordo com a presente descrição. No mínimo, e não como uma tentativa de limitar a aplicação da doutrina de equivalentes ao escopo das reivindicações, cada parâmetro numérico deveria, pelo menos, ser considerado levando em consideração o número de dígitos significantes reportados e aplicando-se técnicas de arredondamento ordinárias. Os aços inoxidáveis austeníticos da presente invenção agora serão descritos em detalhes. Na seguinte descrição, % representa % em peso, a menos que de outro modo especificado.
[0017] A invenção está voltada a um aço inoxidável austenítico. Em particular, a invenção está voltada a uma composição de aço inoxidável austenítico estabilizada que tenha pelo menos, propriedades de resistência à corrosão e formabilidade comparáveis e propriedades de temperatura elevada melhoradas relativo àquelas de S31635 e similares. A composição de aço inoxidável austenítico pode incluir, em % em peso, até 0,20 de C, 2,0-9,0 de Mn, até 2,0 de Si, 16,0-23,0 de Cr, 1,0-7,0 de Ni, até 3,0 de Mo, até 3,0 de Cu, 0,05-0,35 de N, (7,5(% de C)) < (Nb + Ti + V +Ta + Zr) < 1,5, até 4,0 de W, até 0,01 de B, até 1,0 de Co, ferro e impurezas. Certas modalidades do aço inoxidável austenítico podem incluir pelo menos 0,1% de nióbio, ou podem incluir nióbio em uma concentração de pelo menos (7,5(% de C)).
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6/17 [0018] Em uma modalidade alternativa, uma composição de aço inoxidável austenítico pode incluir, em % em peso, até 0,20 de C, 2,0-9,0 de Mn, até 2,0 de Si, 16,0-23,0 de Cr, 1,0-7,0 de Ni, até 3,0 de Mo, até 3,0 de Cu, 0,05-0,35 de N, (7,5(%C)) < (Nb + Ti + V +Ta + Zr) < 1,5, até 0,01 de B, tungstênio, ferro e impurezas, tal que 0,5 < (Mo + W/2) < 5,0 e 1,0 < (Ni + Co) < 8,0. Certas modalidades do aço inoxidável austenítico podem incluir pelo menos 0,1% nióbio, ou podem incluir nióbio em uma concentração de pelo menos (7,5(% de C)).
[0019] Outra modalidade da invenção é um aço inoxidável austenítico, incluindo, em % em peso, até 0,10 de C, 2,0-8,0 de Mn, até 1,00 de Si, 16,0-22,0 de Cr, 1,0-7,0 de Ni, 0,40-2,0 de Mo, até 1,00 de Cu, 0,08-0,30 de N, (7,5(%C)) < (Nb + Ti + V +Ta + Zr) < 1,5, 0,05-0,60 de W, até 1,0 de Co, até 0,040 de P, até 0,030 de S, e até 0,008 de B, ferro e impurezas. Certas modalidades do aço inoxidável austenítico podem incluir tungstênio tal que 0,5 < (Mo + W/2) < 2,3. Certas modalidades do aço inoxidável austenítico podem incluir cobalto tal que 1,0 < (Ni + Co) < 8,0. Certas modalidades do aço inoxidável austenítico podem incluir pelo menos 0,1% de nióbio, ou podem incluir nióbio em uma concentração de pelo menos (7,5(% de C)).
[0020] Em uma modalidade alternativa da presente invenção, um aço inoxidável austenítico inclui, em % em peso, até 0,08 de C, 3,5-6,5 de Mn, até 1,00 de Si, 17,0-21,0 de Cr, 0,5-2,0 de Mo, 4,0-6,5 de Ni, 0,08-0,30 de N, (7,5 (% de C)) < (Nb + Ti + V +Ta + Zr) < 1,0, até 1,0 de Cu, até 0,050 de P, até 0,030 de S, ferro e impurezas. Certas modalidades do aço inoxidável austenítico podem incluir tungstênio tal que 0,5 < (Mo + W/2) < 4,0. Certas modalidades do aço inoxidável austenítico podem incluir cobalto tal que 4,0 < (Ni + Co) < 7,5. Certas modalidades do aço inoxidável austenítico podem incluir pelo menos 0,1% de nióbio, ou podem incluir nióbio em uma concentração de pelo menos (7,5(% de C)).
C: até 0,20% [0021] C age para estabilizar a fase de austenita e inibe a transformação martensítica induzida por deformação. Entretanto, C também aumenta a probabilidade de formar carbonetos de cromo, especialmente durante a fusão, que reduz a resistência à corrosão e dureza. Consequentemente, o aço inoxidável austenítico da presente invenção tem até
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0,20% de C. Em uma modalidade da invenção, o conteúdo de C pode ser 0,10% ou menos. Alternativamente, o conteúdo de C pode ser 0,08% ou menos, ou pode ser 0,03% ou menos.
Si: até 2,0% [0022] Tendo mais do que 2% de Si promove a formação de fases de fragilização, tal como sigma, e reduz a solubilidade de nitrogênio na liga. Si também estabiliza a fase ferrítica, e mais do que 2% de Si requer estabilizadores de austenita adicionais para manter a fase austenítica. Consequentemente, o aço inoxidável austenítico da presente invenção tem até 2,0% de Si. Em uma modalidade da invenção, o conteúdo de Si pode ser 1,0 % ou menos. Si ajuda a minimizar a reatividade de certos elementos da liga com nióbio e auxilia com o equilíbrio da fase na liga. Em certas modalidades, os efeitos da adição de Si são equilibrados ajustando-se o conteúdo de Si a 0,5-1,0%.
Mn: 2,0-9,0% [0023] Mn estabiliza a fase austenítica e geralmente aumenta a solubilidade de nitrogênio, um elemento de liga benéfico. Para suficientemente produzir esses efeitos, um conteúdo de Mn de não menos do que 2,0% é requerido. Tanto o manganês quanto o nitrogênio são substitutos eficazes para os elementos mais caros, níquel. Entretanto, tendo mais do que 9,0% de Mn degrada a funcionalidade do material e sua resistência à corrosão em certos ambientes. Além disso, por causa da dificuldade em descarbonizar os aços inoxidáveis com alto nível de Mn, tal como maior do que 9,0%, os níveis elevados de Mn significantemente aumentam os custos do processamento de fabricação do material. Consequentemente, para apropriadamente equilibrar a resistência à corrosão, o equilíbrio de fase, ductilidade e outras propriedades mecânicas no aço inoxidável austenítico da presente invenção, o nível de Mn é ajustado em 2,0-9,0%. Em uma modalidade, o conteúdo de Mn pode ser 2,0-8,0%, ou alternativamente pode ser 3,5-6,5%.
Ni: 1,0-7,0% [0024] Pelo menos 1% de Ni é requerido para estabilizar a fase austenítica com respeito à formação tanto de ferrita quanto de martensita. Ni também age para realçar a resistência e formabilidade. Entretanto, devido ao custo relativamente elevado de níquel, é
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8/17 desejável manter o conteúdo de níquel tão baixo quanto o possível. Embora Mn e N possam ser substitutos parciais para Ni, os níveis elevados de Mn e N resultarão em níveis inaceitáveis de rigidez no funcionamento, reduzindo a formabilidade. Portanto, a liga deve incluir uma concentração mínima de Ni para fornecer formabilidade aceitável. Os inventores descobriram que 1,0-7,0% de variação de Ni podem ser usados além de outras variações definidas de elementos para obter uma liga tendo resistência à corrosão e formabilidade tão boa quanto ou melhor do que aquelas de ligas de níquel mais elevadas. Consequentemente, o aço inoxidável austenítico da presente invenção tem 1,0-7,0 % de Ni. Em uma modalidade, o conteúdo de Ni pode ser 4,0-6,5%.
Cr: 16,0-23,0% [0025] Cr é adicionado para conceder resistência à corrosão aos aços inoxidáveis formando-se uma película passiva sobre a superfície da liga. Cr também age para estabilizar a fase austenítica com respeito a transformação martensítica. Pelo menos 16% de Cr é requerido para fornecer resistência à corrosão adequada. Por outro lado, por que Cr é um estabilizador de ferrita poderoso, um conteúdo de Cr excedendo a 23% requer a adição de elementos de liga mais caros, tal como níquel ou cobalto, para manter o conteúdo de ferrita aceitavelmente baixo. Ter mais do que 23% de Cr também faz a formação de fases indesejáveis, tal como sigma, mais provavelmente. Consequentemente, o aço inoxidável austenítico da presente invenção tem 16,0-23,0% de Cr. Em uma modalidade, o conteúdo de Cr pode ser 16,0-22,0%, ou alternativamente pode ser 17,0-21,0%.
N: 0,05-0,35% [0026] N é incluído na presente liga como uma substituição parcial para o elemento estabilizante de austenita Ni e o elemento de realce de resistência à corrosão Mo. N também melhora a resistência da liga. Pelo menos 0,05% de N é necessário para força e resistência à corrosão e para estabilizar a fase austenítica. A adição de mais do que 0,35% de N pode exceder a solubilidade de N durante a fusão e fundição, que resulta em porosidade devido às bolhas de gás de nitrogênio. Mesmo se o limite de solubilidade não for excedido, um conteúdo de N de mais do que 0,35% aumenta a propensão para a precipitação de partículas de nitreto, que degrada a resistência à corrosão e dureza. Os presentes inventores
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9/17 determinaram que um conteúdo de N até 0,35% é compatível com os níveis de Nb na liga, sem a formação de um nível problemático de precipitados de carbonitreto de nióbio. Consequentemente, o aço inoxidável austenítico da presente invenção tem 0,05-0,35% de N. Em uma modalidade, o conteúdo de N pode ser 0,08-0,30%.
Mo: até 3,0% [0027] Os presentes inventores procuraram limitar o conteúdo de Mo da liga ao mesmo tempo em que mantendo propriedades aceitáveis. Mo é eficaz na estabilização da película de óxido passiva que se forma na superfície de aços inoxidáveis e protege contra a corrosão por furo pela ação de cloretos. Para obter esses efeitos, Mo pode ser adicionado nesta invenção até um nível de 3,0%. Devido a este custo, o conteúdo de Mo pode ser 0,52,0%, que é adequado para fornecer a resistência à corrosão requerida em combinação com as quantidades apropriadas de cromo e nitrogênio. Um conteúdo de Mo que excede 3,0% causa a deterioração de funcionalidade quente aumentando-se a fração de solidificação de ferrita para níveis potencialmente detrimentais. O conteúdo de Mo elevado também aumenta a probabilidade de formar fases intermetálicas deletérias, tais como fase de sigma. Consequentemente, a composição de aço inoxidável austenítico da presente invenção tem até 3,0% de Mo. Em uma modalidade, o conteúdo de Mo pode ser cerca de 0,40-2,0%, ou alternativamente pode ser 0,50-2,0%.
Co: até 1,0% [0028] Co age como um substituto para níquel para estabilizar a fase de austenita. A adição de cobalto também age para aumentar a força do material. O limite superior de cobalto é preferivelmente 1,0%.
B: até 0,01% [0029] As adições tão baixas quanto 0,0005% de B podem ser adicionadas para melhorar a funcionalidade a quente e qualidade da superfície de aços inoxidáveis. Entretanto, a adição de mais do que 0,01% degrada a resistência à corrosão e funcionalidade da liga. Consequentemente, a composição de aço inoxidável austenítico da presente invenção tem até 0,01% de B. Em uma modalidade, o conteúdo de B pode ser até 0,008%, ou pode ser até 0,005%.
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Cu: até 3,0% [0030] Cu é um estabilizador de austenita e pode ser usado para substituir uma porção do níquel nesta liga. Também melhora a resistência à corrosão em ambientes de redução e melhora a formabilidade reduzindo-se a energia de falha de empilhamento. Entretanto, as adições de mais do que 3% de foram mostradas reduzir a funcionalidade quente de aços inoxidáveis austeníticos. Consequentemente, a composição de aço inoxidável austenítico da presente invenção tem até 3,0% de Cu. Em uma modalidade, o conteúdo de Cu pode ser até 1,0%.
W: até 4,0% [0031] W fornece um efeito similar àquele de molibdênio na melhora de resistência à formação de furo por cloreto e corrosão em fenda. W pode também reduzir a tendência para a formação de fase de sigma quando substituído por molibdênio. Entretanto, as adições de mais do que 4% podem reduzir a funcionalidade a quente da liga. Consequentemente, a composição de aço inoxidável austenítico da presente invenção tem até 4,0% de W. Em uma modalidade, o conteúdo de W pode ser 0,05-0,60%.
0,5 < (Mo + W/2) < 5,0 [0032] Molibdênio e tungstênio são ambos eficazes na estabilização da película de óxido passiva que se forma na superfície de aços inoxidáveis e protege contra a corrosão por furo pela ação de cloretos. Uma vez que W é aproximadamente quase tanto eficaz (em peso) quanto Mo no aumento de resistência à corrosão, uma combinação de (Mo+W/2) > 0,5% é requerida para fornecer a resistência à corrosão necessária. Entretanto, tendo muito Mo aumenta a probabilidade de formar fases intermetálicas e muito W reduz a funcionalidade a quente do material. Portanto, a combinação de (Mo+W/2) é preferivelmente menos do que 5%. Em uma modalidade, molibdênio e tungstênio podem estar presente tal que 0,5 < (Mo + W/2) < 2,3, ou altemativamente tal que 0,5 < (Mo + W/2) < 4,0.
1,0 < (Ni + Co) < 8,0 [0033] Níquel e cobalto ambos agem para estabilizar a fase austenítica com respeito a formação de ferrita. Pelo menos 1% (Ni + Co) é requerido para estabilizar a fase austenítica na presença de ferrita estabilizando os elementos tais como Cr e Mo, que devem ser
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11/17 adicionados para garantir resistência à corrosão apropriada. Entretanto, ambos Ni e Co são elementos caros, então é desejável manter o conteúdo de (Ni + Co) em menos do que 8%. Em uma modalidade, o conteúdo de (Ni + Co) pode ser maior do que 4,0% porém menor do que 7,5%.
(7,5(% de C)) < (Nb + Ti + V +Ta + Zr) < 1,5 [0034] Nb reage com carbono, e a um nível menor de nitrogênio, para formar carbonetos e carbonitridas na forma de pequenas partículas. Essas partículas eficazmente previnem a formação de carbonetos de cromo deletérios durante o serviço em temperatura elevada e durante a fundição, que melhora a resistência à corrosão em temperatura ambiente. Essas partículas, quando produzidas usando um tratamento térmico eficaz, pode também melhorar a resistência a temperatura elevada e resistência a deformação. Uma adição mínima de (7,5 x %C) fornece um átomo de Nb para cada átomo de C presente dissolvido no metal. Os níveis mais elevados de Nb consumirão N benéfico, então é desejável manter o conteúdo de Nb menor do que 1,5%. Outros elementos que formam carbonetos estáveis, incluindo, porém não limitado a Ti, V, Ta, e Zr podem ser adicionados na substituição por nióbio. Entretanto, tais substitutos reagem mais fortemente com N do que Nb e, portanto, são controlados para fornecer um efeito benéfico, tal como fusão melhorada. Os inventores determinaram que a soma das porcentagens em peso de Nb, Ti, V, Ta, e Zr devem ser mantidas na faixa de (7,5(% de C)) até 1,5%. Diferentemente declarado, (7,5(% de C)) < (Nb + Ti + V +Ta + Zr) < 1,5%. Em certas modalidades, (7,5(% de C)) < (Nb + Ti + V +Ta + Zr) < 1,0%. Em certas modalidades preferidas, a liga inclui, pelo menos, 0,1% de Nb, e a soma das porcentagens em peso de Nb, Ti, V, Ta, e Zr está na faixa de (7,5(% de C)) até 1,5% ou 1,0%. Em certas modalidades, Ti, V, Ta, e Zr estão presentes somente como impurezas incidentais ou são mantidos em níveis tão baixos quanto práticos. Em certas modalidades, para otimizar as propriedades de resistência à corrosão em temperatura ambiente, resistência a temperatura elevada, resistência a deformação, e capacidade de fusão da liga, certas modalidades da liga incluem um conteúdo de Nb de pelo menos (7,5(% de C)), e Ti, V, Ta, e Zr estão presentes somente como impurezas incidentais. Os presentes inventores determinaram que um conteúdo de Nb até 1,5% é compatível com o conteúdo de N da liga de 0,05Petição 870170055645, de 03/08/2017, pág. 20/32
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0,35% pelo fato de que a combinação não resulta em um nível de precipitados de carbonitrida de nióbio que inaceitavelmente degrada a resistência a deformação.
[0035] O equilíbrio do aço inoxidável austenítico estabilizado da presente invenção inclui ferro e impurezas inevitáveis, tais como fósforo e enxofre. As impurezas inevitáveis são preferivelmente mantidas em um nível menos prático e economicamente justificável, como entendido por alguém versado na técnica.
[0036] Os elementos que formam nitretos muito estáveis, tal como Al, devem ser mantidos em níveis baixos.
[0037] O aço inoxidável austenítico estabilizado da presente invenção pode também ser definido por equações que quantificam as propriedades que eles exibem, incluindo, por exemplo, número de equivalência de resistência à formação de furo, número de ferrita, e temperatura de MD30.
[0038] O número de equivalência de resistência a formação de furo (PREn) fornece uma classificação relativa de uma resistência esperada da liga a corrosão por furo em um ambiente contendo cloreto. Quanto mais elevado o PREn, melhor a resistência à corrosão esperada da liga. O PREn pode ser calculado pela seguinte fórmula:
PREn =%Cr+3,3(%Mo) + 16 (%N) [0039] Alternativamente, um fator de 1,65 (% em peso) pode ser adicionado à fórmula acima para levar em conta a presença de tungstênio em uma liga. O tungstênio melhora a resistência à formação de furo dos aços inoxidáveis e é aproximadamente quase tão eficaz quanto molibdênio em peso. Quando tungstênio é incluído no cálculo, o número de equivalência de resistência à formação de furo é designado como PREw, que é calculado pela seguinte fórmula:
PREw =%Cr+3,3(%Mo) + 1,65(%W) + 16 (%N) [0040] Tungstênio exerce um propósito similar como molibdênio na liga inventada.
Como tal, o tungstênio pode ser adicionado como um substituto para molibdênio para fornecer resistência à formação de furo aumentada. De acordo com a equação, duas vezes o percentual em peso de tungstênio deve ser adicionado para cada percentual de molibdênio removido para manter a mesma resistência à formação de furo. A liga da presente invenção
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13/17 tem um valor de PREw maior do que 22, preferivelmente tão elevado quanto 30.
[0041] A liga da invenção também pode ser definida por seu número de ferrita. Um número de ferrita positivo geralmente é correlativo com a presença de ferrita, que melhora as propriedades de solidificação da liga e ajuda a inibir o craqueamento a quente da liga durante as operações de funcionamento quente e fundição. Uma pequena quantidade de ferrita é desse modo desejada na microestrutura solidificada inicial para boa capacidade de fusão e para a prevenção de craqueamento quente durante a fundição. Por outro lado, muita ferrita pode resultar em problemas durante o serviço, incluindo, porém não limitado a, instabilidade microestrutural, ductilidade limitada, e propriedades mecânicas de temperatura elevada prejudicadas. O número de ferrita pode ser calculado usando a seguinte equação:
FN=3,34(Cr +1,5Si +Mo + 2Ti +0,5Cb) - 2,46(Ni +30N +30C +0,5Mn +0,5Cu)-28,6 A liga da presente invenção tem um número de ferrita de até 10, preferivelmente um número positivo, mais preferivelmente cerca de 3 a 5.
[0042] A temperatura MD30 de uma liga é definida como a temperatura na qual a deformação a frio de 30% resultará em uma transformação de 50% da austenita para martensita. Quanto menor a temperatura MD30 for, mais resistente um material será para a transformação de martensita. A resistência a formação de martensita resulta em uma taxa menor de rigidez no funcionamento, que resulta em boa formabilidade, especialmente em aplicações de extração. MD30 é calculado de acordo com a seguinte equação:
MD30 (0C) = 413 -462(C+N) -9,2(Si) -8,1(Mn) -13,7(Cr) -9,5(Ni) -17,1(Cu) - 18,5(Mo) A liga da presente invenção tem uma temperatura MD30 menor do que 20oC, preferivelmente menor do que -10oC.
EXEMPLOS [0043] A Tabela 1 inclui as composições e valores de parâmetro calculados para as Ligas 1-5 e Ligas Comparativas S31600, S31635, S21600 e S20100.
[0044] As Ligas 1-5 inventivas foram fundidas em um forno a vácuo de tamanho de laboratório e derramadas em lingotes de 50-lb. Esses lingotes foram re-aquecidos e laminados a quente para produzir material de cerca de 0,250 de espessura. Este material foi anelado, jateado e decapado. Um pouco do material foi laminado a frio para 0,100Petição 870170055645, de 03/08/2017, pág. 22/32
14/17 espessura, e o restante foi laminado a frio para 0,050 ou 0,040-espessura. O material laminado a frio foi anelado e decapado. As Ligas Comparativas S31600, S31635, S21600, e S20100 estão comercialmente disponíveis e os dados mostrados para essas ligas foram tomados de literatura publicada ou medida de teste de material recentemente produzido para venda comercial.
[0045] Os valores de PREw calculados para cada liga são mostrados na Tabela 1. Usando a equação descrita aqui acima, as ligas tendo um PREw maior do que 24,0 seriam esperadas ter melhor resistência a formação de furo por cloreto do que o material de Liga Comparativa S31635, ao mesmo tempo em que aquelas tendo um PREw menor formariam buraco mais facilmente.
[0046] O número de ferrita para cada liga na Tabela 1 também foi calculado. O número de ferrita para cada das Ligas Inventivas 1-5 está na faixa preferida de menos do que 10.
[0047] Os valores de MD30 foram também calculados para as ligas na Tabela 1. De acordo com os cálculos, as Ligas Inventivas 1-5, particularmente Ligas Inventivas 4 e 5, exibem resistência similar a formação de martensita às Ligas Comparativas S31600 e S31635.
Tabela 1
Ligas Inventivas Ligas Comparativas
1 2 3 4 5 S31600 S31635 S21600 S20100
C 0,017 0,015 0,014 0,014 0,016 0,017 0,016 0,018 0,02
Mn 4,7 4,8 4,7 5,1 4,9 1,24 1,81 8,3 6,7
Si 0,26 0,27 0,28 0,29 0,3 0,45 0,50 0,40 0,40
Cr 16,6 16,6 16,6 18,1 18,2 16,3 16,8 19,7 16,4
Ni 5,2 5,2 5,2 5,5 5,5 10,1 10,7 6,0 4,1
Mo 1,47 1,47 1,47 1,00 1,1 2,1 2,11 2,5 0,26
Cu 0,40 0,40 0,39 0,40 0,5 0,38 0,36 0,40 0,43
N 0,075 0,104 0,081 0,129 0,170 0,04 0,013 0,37 0,15
P 0,011 0,012 0,012 0,014 0,014 0,03 0,031 0,03 0,03
S 0,0010 0,0012 0,0012 0,0016 0,0016 0,0010 0,0004 0,0010 0,0010
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W 0,10 0,10 0,09 0,04 0,09 0,11 0,10 0,10 0,1
B 0,0019 0,0018 0,0016 0,0022 0,0022 0,0025 0,0025 0,0025 0,0005
Fe Bal Bal Bal Bal Bal Bal Bal Bal Bal
Cb 0,710 0,498 0,288 0,500 0,26 0,35 0,02 0,10 0,10
Co 0,22 0,19 0,15 0,19 0,15 -- -- -- --
Ti -- -- -- -- -- -- 0,22 -- --
FN 8,3 5,8 7,5 6,6 3,7 4,1 6,7 -6,2 -2,3
PREw 22,9 23,4 23,1 23,6 24,7 24,0 24,0 33,9 19,7
MD30 19,3 6,6 17,2 -22,2 -46,2 -63 -72,4 -217,4 0,7
RMCI 0,63 0,63 0,62 0,59 0,60 0,96 1,00 0,80 0,41
Produção 47,0 47,0 46,1 48,4 53,7 43,5 41,5 55 43
Tensão 102,0 105,5 104,5 105,9 106,4 90,6 92,0 100 100
% de E 43 49 48 41 49 56 67 45 56
OCH 0,42 0,39 0,40 0,41 0,43 0,45 - - -
[0048] A Tabela 1 também mostra um índice de custo de material bruto (RMCI), que compara os custos do material para cada liga com aquele da Liga Comparativa S31635. O RMCI foi calculado multiplicando-se a média de custo de outubro de 2007 para os materiais brutos Fe, Cr, Mn, Ni, Mo, W, e Co pelo percentual de cada elemento contido na liga e dividindo pelo custo dos materiais brutos na Liga Comparativa S31635. Como os valores calculados mostram, as Ligas Inventivas 1-5 têm um RMCI menor do que cerca de 0,65, que significa que o custo dos materiais brutos contidos aqui são menos do que 65% daqueles na Liga Comparativa S31635. Assim um material pode ser feito o qual tenha propriedades similares a Liga Comparativa S31635 em um custo de material bruto significantemente menor é surpreendente e não foi previsto da técnica anterior.
[0049] As propriedades mecânicas das Ligas Inventivas 1-5 foram medidas e comparadas com aquelas Ligas Comparativas S31600 comercialmente disponíveis, S31635,
S21600 e S20100. Uma força de deformação, força de tração, percentual de alongamento sobre um comprimento em gauge de 5,08 cm, e altura de copo Olsen medidos são mostrados na Tabela 1. Os testes de tensão foram conduzidos em material de 0,25 cm de gauge,
Petição 870170055645, de 03/08/2017, pág. 24/32
16/17 os testes Charpy foram conduzidos em amostras de 0,5 cm de espessura, e os testes de copo Olsen foram realizados no material entre 0,1 cm e 0,13 cm de espessura. Todos os testes foram realizados em temperatura ambiente. As unidades para os dados na Tabela 1 são como segue: força de deformação e força de tração, ksi; alongamento, percentual; altura de copo Olsen, centímetros. Como pode ser visto a partir dos dados, as Ligas Inventivas, e em particular Ligas Inventivas 4 e 5, exibiram propriedades comparáveis àquelas do material S31635 comercialmente disponível. As Ligas Inventivas, entretanto, incluíram menos do que a metade da concentração de níquel e também significantemente menos molibdênio do que na Liga Comparativa S31635. A concentração significantemente menor dos elementos de liga caros níquel e molibdênio é tal que o RMCI das Ligas Comparativas 4 e 5 seja pelo menos 40% menor do que para a Liga Comparativa S31635. Apesar de seus níveis substancialmente reduzidos de níquel e molibdênio, entretanto, As Ligas Inventivas 4 e 5 tiveram uma microestrutura austenítica e exibiram forças de deformação e tração significantemente melhores do que para a Liga Comparativa S31635.
[0050] Os usos potenciais dessas novas ligas são numerosos. Como descrito e evidenciado acima, as composições de aço inoxidável austeníticos descritas aqui são capazes de substituir S31600 e notavelmente S31635 em muitas aplicações. Adicionalmente, devido ao custo elevado de níquel e molibdênio, uma economia de custo significante será reconhecida trocando-se de S31600 e S31635 para a composição de liga inventiva. Outro benefício é, por que essas ligas são completamente austenítica, elas não serão susceptíveis a uma transição aguda de dúctil para quebradiço (DBT) em temperatura sub-zero ou condição quebradiça em 8850F em temperaturas elevadas. Portanto, diferente das ligas duplexes, elas podem ser usadas em temperaturas acima de 343,33oC (650oF) e são materiais candidatos principais para aplicações de temperatura baixa e criogênicas. É esperado que a resistência à corrosão, formabilidade, e processabilidade das ligas descritas aqui estejam muito próximas daquelas de aços inoxidáveis austeníticos padrões. Os artigos específicos de fabricação para que as ligas de acordo com a presente descrição sejam particularmente vantajosas incluem, por exemplo, conectores flexíveis para descarga de automotivo e outras aplicações, foles, tubo flexível, e forros de chaminé/tubos. Aqueles tendo experiência ordi-

Claims (4)

  1. Petição 870170055645, de 03/08/2017, pág. 25/32
    17/17 nária podem facilmente fabricar aqueles e outros artigos de fabricação das ligas de acordo com a presente descrição usando técnicas de fabricação convencionais.
    [0051] Embora a descrição anterior tenha necessariamente apresentado somente um número limitado de modalidades, aqueles de experiência ordinária na técnica relevante apreciarão que várias mudanças no aparato e métodos e outros detalhes dos exemplos que foram descritos e ilustrados aqui podem ser feitas por aqueles versados na técnica, e todas tais modificações permanecerão no princípio e escopo da presente descrição como expresso aqui e nas reivindicações anexas. É entendido, portanto, que a presente invenção não está limitada às modalidades particulares descritas ou incorporadas aqui, porém é pretendido abranger modificações que estejam dentro dos princípios de escopo da invenção, como definido pelas reivindicações. Também será apreciado por aqueles versados na técnica que as alterações possam ser feitas para as modalidades acima sem afastar-se do amplo conceito inventivo do mesmo.
    Petição 870170055645, de 03/08/2017, pág. 26/32
    1/4
    MANIFESTAÇÃO SOBRE PARECER
    N° DO PEDIDO: PI 0820586-8 DATA DE DEPÓSITO: 20/02/2008
    REQUERENTE: ATI PROPERTIES LLC
    Despacho: 7.1 (Ciência do Parecer), publicado na RPI n°2437 de 19.09.2017
    RAZÕES
    Em resposta ao parecer desfavorável notificado na RPI supra, a Requerente vem, tempestivamente, apresentar a seguinte manifestação.
    I. Alegações formuladas pelo INPI
    De acordo com a conclusão do INPI, o presente pedido de patente, conforme reivindicado, ainda seria destituído de atividade inventiva perante os documentos do estado da técnica citados, a saber, Documento 1 (D1): US 3,592,634 e Documento 2 (D2): EP 1 715 073 e, portanto, estaria em desacordo com as disposições dos artigos 8° e 13 da Lei de Propriedade Industrial N° 9.279/96 de 14 de maio de 1996 (LPI). Além disso, foi considerado que o presente pedido de patente estaria em desacordo com as disposições do artigo 25 da LPI.
    Com a exclusiva finalidade de acelerar a aceitação de seu pedido de patente, a Requerente apresenta modificações restritivas no quadro reivindicatório, bem como esclarecimentos técnicos sobre o parecer ora sob resposta que nitidamente evidenciam a patenteabilidade da presente invenção.
    II. Reformulações nas reivindicações do presente pedido de patente
    Apresenta-se, em formato definitivo e em linha com o teor do parecer técnico em questão, um novo quadro reivindicatório (total de 32 reivindicações - 04 páginas), mais limitado que o quadro reivindicatório original, inteiramente fundamentado no presente pedido de patente como originalmente depositado e plenamente de acordo com as disposições da Resolução 93/2013.
    A Requerente esclarece que o quadro reivindicatório foi reformulado para definir de modo mais claro e preciso a matéria reivindicada e para destacar as características diferentes e inventivas da presente invenção em relação ao estado da técnica, sem qualquer intenção de ampliar ou modificar o escopo inicialmente reivindicado.
    Petição 870170098475, de 15/12/2017, pág. 5/14
  2. 2/4
    Para isto, as seguintes modificações foram feitas no quadro reivindicatório apresentado através da petição 870170055645 (em resposta ao último parecer):
    - As reivindicações 1, 18, 21,25 e 29 foram alteradas de forma a melhor definir os componentes do aço inoxidável austenítico e definir através de sua fórmula o valor PREw. Suporte para tal alteração pode ser encontrado nos parágrafos [0024], [0025], [0026], na tabela 1 do relatório descritivo do presente pedido e no quadro reivindicatório com base no qual o exame foi requerido.
    - A reivindicação 29 foi interligada a reivindicação 1, conforme solicitação do
    INPI.
    Portanto, a Requerente acredita que a invenção como agora reivindicada define de forma clara, concisa e suficiente a matéria reivindicada, além de estar totalmente fundamentada no presente pedido de patente como inicialmente depositado.
    A Requerente ressalta ainda que não houve qualquer inclusão de matéria nas novas páginas anexadas, tampouco ampliação da matéria previamente reivindicada. As reformulações efetuadas nas novas reivindicações apresentam caráter inteiramente restritivo.
    III. Quanto à clareza e precisão
    O INPI afirma que a alteração anterior na concentração de cromo de 16 a 23% para 16 a 20% não estaria suportada pelo relatório descritivo do presente pedido. Em resposta, a Requerente alterou as reivindicações 1, 18, 21 e 25 mantendo a faixa entre 16% a 23% como reivindicado no quadro original de exame.
    Em relação à reivindicação 29, o INPI sugere ao invés de descrever a composição química do aço inoxidável, fazer referência à reivindicação 1. Para solucionar tal objeção, a reivindicação 29 foi interligada à reivindicação 1.
    Portanto, a Requerente acredita que as emendas ora apresentadas sejam suficientes para superar as objeções referentes à falta de clareza e precisão das presentes reivindicações, estando agora de acordo com as disposições do artigo 25 da LPI.
    IV. Atividade inventiva da matéria ora reivindicada
    A Requerente gostaria de tecer alguns comentários a respeito dos diferentes princípios que regem a presente invenção e as referências citadas, com o objetivo de demonstrar que o pedido em epígrafe cumpre com os requisitos legais para a concessão de uma patente.
    Petição 870170098475, de 15/12/2017, pág. 6/14
  3. 3/4
    O INPI objetou as reivindicações 1 a 32 alegando falta de atividade inventiva tendo em vista os documentos D1 e D2 citados como estado da técnica. No entanto, a Requerente apresenta os seguintes argumentos para demonstrar que as reivindicações 1 a 32 são inventivas em relação a D1 e D2.
    A reivindicação independente 1 foi modificada para recitar um aço inoxidável austenítico que consiste, entre outros, em 4,0 a 7,0%, em peso, de Ni e 0,05 a 0,17%, em peso, de N.
    O INPI afirma que D1 ensina composições que se sobrepõem as faixas dos componentes da composição do aço inoxidável austenítico da presente invenção. D1 ensina um aço compreendendo 0,20% a 0,40% de N. Veja, por favor, as Tabelas I(a); II(a); III(a); IV(a); V(a); e VI(a) de D1. Além disso, D1 ensina que [para] uma melhor combinação de propriedades, o aço desta invenção emprega um teor de manganês de pelo menos 3,5% e pouco menos de 6%, com um teor de níquel de cerca de 6% a 9%, juntamente com um teor de cromo de cerca de 20,5% a 22%, um teor de carbono que não excede cerca de 0,6%, um teor de nitrogênio de cerca de 0,3%, digamos 0,25% a 0,4%, com pelo menos dois dos ingredientes molibdênio, colômbio (nióbio) e vanádio. Veja, por favor, col. 14, linhas 1-8, de D1.
    Embora o resumo de D1 se refira ao seu aço, incluindo 0,15% a 0,50% de nitrogênio, D1 afirma que com um teor de nitrogênio inferior a cerca de 0,20%, e certamente com um teor de nitrogênio inferior a cerca de 0,15, não existe benefício significativo. Além disso, cada uma das dez modalidades de aço listadas na Tabela I(a), as seis modalidades de aço listadas na Tabela II(a), as trinta e seis modalidades de aço listadas na Tabela III(a), as vinte e quatro modalidades de aço listadas na Tabela IV(a), as 12 modalidades de aço listadas na Tabela V(a) e as seis modalidades de aço listadas na Tabela VI(a) incluem um teor de nitrogênio de pelo menos 0,25%.
    Dado o ensinamento de D1 quanto ao teor de N, um técnico no assunto não teria modificado o teor de N de D1 para chegar aos aços inoxidáveis austeníticos reivindicados na presente invenção, que incluem, entre outras coisas, 0,05 a 0,17%, em peso, de N, conforme aqui alterado.
    D2 ensina um aço inoxidável austenítico-ferrítico incluindo 3% ou menos de Ni.
    A Reivindicação 1, conforme alterada, recita um aço inoxidável austenítico consistindo em, entre outras coisas, de 4,0 a 7,0% de Ni. Como tal, D2 não ensina nem sugere um aço inoxidável austenítico tendo uma composição idêntica ou substancialmente idêntica ao aço inoxidável austenítico recitado nas reivindicações pendentes em questão.
    Petição 870170098475, de 15/12/2017, pág. 7/14
  4. 4/4
    Consequentemente, um técnico no assunto não teria razão nem seria motivado a combinar D1 com D2 para chegar à liga como reivindicada no presente pedido.
    Portanto, resta claro que, tendo em vista as evidências e reformulações nas reivindicações aqui apresentadas, a presente invenção apresenta características novas e efeitos técnicos superiores e imprevisíveis em relação aos ensinamentos das referências D1 e D2 atendendo, pois, aos requisitos de patenteabilidade e aos artigos 8° e 13 da LPI. Além disso, a matéria das novas reivindicações está definida de forma clara e precisa, em atendimento ao disposto no artigo 25 da LPI.
    V. Conclusão
    Posto isso, a Requerente acredita ter demonstrado a patenteabilidade da presente invenção e, assim, solicita respeitosamente a reconsideração das objeções levantadas pelo INPI no parecer ora sob manifestação, a aceitação das novas vias apresentadas e o pronto DEFERIMENTO de seu pedido de patente.
    115.025-1
    CDB/KDG
    Petição 870170098475, de 15/12/2017, pág. 8/14
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