BRPI0912807B1 - Produto de aço inoxidável, uso do produto e método de sua fabricação - Google Patents

Produto de aço inoxidável, uso do produto e método de sua fabricação Download PDF

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Mikael willför
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Abstract

produto de aço inoxidável, uso do produto e método de sua fabricação a invenção se refere a um produto de aço inoxidável, particularmente a uma peça fundida de aço inoxidável dúplex com alta usinabilidade, ao uso do produto e ao método para produzir o produto. o produto contém em porcentagem em peso até 0,07% de carbono, até 2% de silício, 3-8% de manganês, 19-23% de cromo, 0,5-1,7% de níquel, até 1% de molibdênio e/ou tungstênio com a fórmula (mo+1/2w) menos de 1%, até 1% de cobre e 0,15-0,30% de nitrogênio, o restante sendo ferro e impurezas incidentais.

Description

PRODUTO DE AÇO INOXIDÁVEL, USO DO PRODUTO E MÉTODO DE SUA
FABRICAÇÃO
A invenção se refere a uma peça fundida produzida de aço inoxidável, que tem uma microestrutura de ferritaaustenita dúplex e que tem alta estabilidade estrutural e uma combinação melhorada de propriedades, particularmente usinabilidade e soldabilidade. A invenção ademais se refere a um uso do produto e a um método de fabricar a peça fundida.
Peças fundidas de aço inoxidável dúplex ou ferríticasausteníticas são em geral definidas como ligas com uma mistura de proporções quase iguais de ferrita e austenita em contraste com peças fundidas austeníticas que principalmente contêm até 10-15% de ferrita. Para peças fundidas dúplex de acordo com o padrão ASTM A890 os níveis de ferrita não são especificados, mas as ligas listadas desenvolverão um intervalo de aproximadamente 3 0 a 60% de ferrita com o resto de austenita. Com a estrutura bifásica perfis de propriedade interessantes podem ser desenhados. Os primeiros aços inoxidáveis dúplex foram desenvolvidos há quase 80 anos atrás e o mais provavelmente eles surgiram a partir de peças fundidas austeníticas onde certas quantidades de ferrita na microestrutura provaram ser vantajosas. De fato, composições dúplex geralmente mostram melhor moldabilidade que as austeníticas. Outras propriedades favoráveis de materiais dúplex são alta resistência mecânica, resistência a fatiga superior, boa resistência ao desgaste e boa resistência à corrosão. Portanto, tanto produtos fundidos como moldados têm encontrado muitas aplicações atrativas. Várias composições
2/12 de liga dúplex têm sido descritas com várias otimizações. Em muitos casos também artigos fundidos têm sido incluídos como artigos em patentes de composições dúplex. Em anos recentes, com os custos enormemente aumentados das matérias-primas, tem sido prestada especial atenção para reduzir os níveis de níquel e molibdênio nas ligas e ainda manter as propriedades apropriadas.
As propriedades favoráveis dos aços inoxidáveis dúplex podem ser conseguidas para equilíbrios de fase no intervalo de 30 a 7 0% de ferrita e austenita. As interações dos principais elementos de liga, particularmente cromo, nitrogênio, níquel e molibdênio são bastante complexas. Para conseguir uma estrutura dúplex estável que responde bem ao processamento e fabricação, deve ser tomado cuidado para obter o nível correto de cada um destes elementos. Além do equilíbrio de fase, a formação de fases intermetálicas prejudiciais às elevadas temperaturas é a segunda maior preocupação com aços inoxidáveis dúplex. Fases sigma e chi formam em aços inoxidáveis com alto cromo, alto molibdênio e precipitam preferencialmente na ferrita. A adição de nitrogênio muda o equilíbrio de fases de forma favorável para evitar a formação de tais fases.
A patente US 4.500.351 se refere a um aço inoxidável dúplex fundido, em que a microestrutura em uma peça fundida compreende uma matriz ferrítica contendo pelo menos aproximadamente 30% de austenita após o tratamento da solução a 1200sC e esfriamento rápido com extinção com água a fim de evitar a formação de fase sigma. A peça fundida contém em porcentagem em peso aproximadamente 0,02 por cento de carbono, 24 por cento de cromo, aproximadamente
9,5 por cento de níquel, aproximadamente 6 por cento de
3/12 molibdênio, aproximadamente 0,5 por cento de manganês, aproximadamente 0,2 por cento de silício e aproximadamente 0,25 por cento de nitrogênio. As peças fundidas desta patente US 4.500.351 são úteis em partes de bomba tais como impulsores e alojamentos e em partes de válvula tais como assentos e portões.
Um aço inoxidável dúplex tendo boa combinação de propriedades na condição de estado bruto de fusão e transformação térmica de resistência a martensita é descrito na patente US 4.828.630. 0 aço contém em porcentagem em peso até 0,07 por cento de carbono, 17 a
21.5 por cento de cromo, 1 a 4 por cento de níquel, 4 a 8 por cento de manganês, 0,05 a 0,15 por cento de nitrogênio, menos de 2 por cento de silício, menos de 2 por cento de molibdênio e menos de 1,5 por cento de cobre. O aço desta patente contém 30 a 60% de ferrita e é particularmente adequado para peças fundidas de parede fina para componentes da parte inferior de carroceria automotiva. O aço tem propriedades de estado bruto de fusão incluindo uma elongação mínima de 10%, um limite elástico de 0,2% maior que 50 ksi (350 N/mm2) , uma tenacidade de pelo menos 20 ft.-lbs (30 Nm) a 0eC e sem porosidade a nitrogênio.
A patente US 6.033.497 se refere a uma liga de aço dúplex com resistência à corrosão com usinabilidade melhorada contendo além de ferro em porcentagem em peso menos de 0,1 por cento de carbono, 25-27 por cento de cromo, 5-7,5 por cento de níquel, menos de 0,5 por cento de molibdênio, menos de 0,15 de nitrogênio, menos de 1,5 por cento de silício, menos de 2,0 por cento de manganês, 1,5-
3.5 por cento de cobre. Na técnica anterior desta patente US é dito, que a usinabilidade de aços inoxidáveis
4/12 austeníticos pode ser melhorada por adições de elementos de liga tais como enxofre e selênio que pode reduzir o desempenho de corrosão. Além disso, é dito que a adição de cobre sem molibdênio permite que a liga de aço inoxidável dúplex seja esfriado com controle muito lentamente em um forno de tratamento térmico hermeticamente fechado de modo que estresses residuais de tensões prejudiciais são minimizados enquanto que excelente ductilidade e resistência à corrosão foram retidos.
De acordo com a patente US 6.033.497 a qualidade de aço é tratada por um tratamento térmico em molde acelerado após a fundição sem usar uma etapa de tratamento térmico lenta e separada. O grau do aço da patente é particularmente para uma fundição centrífuga de cilindro oco e é usado, por exemplo, para aplicações de carcaça de rolo de sucção de máquina de papel. O tratamento térmico em molde compreende controlar a taxa de esfriamento de fundição no intervalo de temperatura de aproximadamente 2602C a aproximadamente 10902C e manter a temperatura da liga no molde dentro de aproximadamente 450 2C da temperatura exterior do molde. 0 grau do aço tem usinabilidade melhorada quando tratado no molde após a fundição por um tratamento térmico acelerado quando comparado à mesma composição de liga que é esfriada lentamente com controle em um forno de tratamento térmico hermeticamente fechado. A liga sem o tratamento em molde tem um estresse residual de tensão de diâmetro interno nominal de 24 MPa, enquanto que o valor respectivo para a liga tratada no molde após a fundição é 52 MPa.
A patente EP 1.327.008 descreve um aço inoxidável ferrítico-austenítico tendo uma microestrutura, que
5/12 essencialmente contém de 35-65% em volume de ferrita e 3565% em volume de austenita. A composição deste tipo de aço contém como principais componentes de liga em porcentagem em peso 0,02-0,07 por cento de carbono, 19-23 por cento de cromo, 1,1-1,7 por cento de níquel, 0,15-0,30 por cento de nitrogênio, 3-8 por cento de manganês, opcionalmente molibdênio e/ou cobre menos de 1 por cento. O aço desta patente EP é produzido por Outokumpu sob a marca comercial LDX 2101® e produtos forjados têm sido recebidos com grande interesse comercial.
Peças fundidas de aço inoxidável dúplex em geral mostram boa moldabi1idade. Contudo, existe um risco de formação de poros de gás nitrogênio durante a solidificação devido à limitada solubilidade do nitrogênio na fase de ferrita que normalmente solidifica de uma fusão de aço com uma composição de uma liga aço inoxidável dúplex. Em geral pode ser determinado que a maioria das peças fundidas de aço inoxidável é submetida a várias operações de usinagem para ser ajustada no sistema em que as peças fundidas serão usadas. Em relação a isto aços inoxidáveis dúplex são considerados mais difíceis de usinar que, por exemplo, aços inoxidáveis austeníticos. Os níveis de resistência mais altos do anterior tipo de aço explicam este comportamento. Adições de carbono e nitrogênio tanto aumentam a resistência como a grau de endurecimento por tensão do aço e deve, portanto, ser mantido baixo para conseguir boa usinábilidade. Contudo, aços inoxidáveis dúplex modernos são ligados com alto conteúdo de nitrogênio para boa soldabilidade e melhores propriedades de soldabilidade em detrimento da usinábilidade.
6/12
Uma aplicação onde aços inoxidáveis dúplex fundidos ou forjados são usados é um aço carcaça para um rolo de sucção de máquinas de papel. Uma importante propriedade de material para esta aplicação é também usinábilidade, porque carcaças de aço fundidos ou forjados são submetidas a usinagem substancial para produzir o rolo de sucção final. Como dito em conexão com a patente US 6.033.497 uma maneira de melhorar a usinabilidade é adicionar enxofre ou selênio, cujos elementos, contudo, reduzem o desempenho de corrosão.
A publicação WO 2006/041344 descreve uma carcaça de aço para um rolo de sucção de máquinas de papel, em que o tipo de aço forjado LDX 2101® da patente EP 1.327.008 é usado sem nenhuma adição de enxofre. Além disso, nenhum tratamento para melhorar a usinabilidade é levado a cabo bem como as adições opcionais de cobre e molibdênio são notavelmente menores quando comparadas à patente US 6.033.497.
Schramm et al publicaram na apresentação de Lean Duplex Stainless Steels for Pump Application em Stainless Steel World 2007 Conference, Maastricht, 6-8 de novembro de 2007, resultados de estudos sobre materiais dúplex de baixa liga para aplicações específicas de bomba. Uma liga cast 2101 foi feita de barras fundidas tendo uma composição em porcentagem em peso de 0,028 por cento de carbono, 0,97 por cento de silício, 5,04 por cento de manganês, 0,011 por cento de fósforo, 0,004 por cento de enxofre, 20,73 por cento de cromo, 0,31 por cento de molibdênio, 1,73 por cento de níquel, 0,20 por cento de nitrogênio e 0,30 por cento de cobre. Como resultados para esta liga cast 2101 após o recozimento da solução à temperatura de 10502C e extinção com água Schramm et al mencionam, por exemplo, os
7/12 valores de 473 MPa para 0,2% de tensão de prova e 37,3% A5 de elongação. Como para as propriedades de corrosão Schramm et al dizem que a liga cast 2101 tem o potencial de corrosão menor que na liga 23 04 tendo uma composição em porcentagem em peso de 0,024 por cento de carbono, 0,64 por cento de silício, 1,32 por cento de manganês, 0,015 por cento de fósforo, 0,001 por cento de enxofre, 22,50 por cento de cromo, 0,28 por cento de molibdênio, 4,92 por cento de níquel, 0,09 por cento de nitrogênio e 0,2 6 por cento de cobre. Contudo, Schramm et al não mencionam informação da aplicabilidade desta liga cast 2101 para as aplicações desejadas.
O objeto da presente invenção é eliminar alguns inconvenientes da técnica anterior e conseguir uma peça fundida de um aço inoxidável dúplex, que no método de fabricar uma peça fundida é suficientemente estável contra a formação de precipitados prejudiciais, tais como fase intermetálica e que tem como propriedades uma combinação de alta resistência e boa resistência à corrosão, boa moldabilidade e alta usinábilidade. As características essenciais da invenção são registradas nas reivindicações anexas.
A presente invenção se refere a um produto de aço inoxidável, preferivelmente a uma peça fundida de aço inoxidável dúplex com alta usinabilidade compreendendo, em porcentagem em peso, até 0,07 por cento de carbono, até 2 por cento de silício, maior que 3 até 8 por cento de manganês, maior que 19 até 23 por cento de cromo, maior que 0,5 até 1,7 por cento de níquel e maior que 0,15 e até 0,30 por cento de nitrogênio. As ligas a serem usadas na produção da peça fundida de aço inoxidável dúplex com o
8/12 acima mencionado intervalo podem conter pequenas quantidades de outros elementos ou impurezas e opcionalmente elementos tais como até 1 por cento de cobre, até totalmente 1 por cento de molibdênio e/ou tungstênio de acordo com a fórmula (Mo + % W) menos de 1 por cento, o restante sendo ferro e impurezas incidentais. A microestrutura da peça fundida de aço inoxidável dúplex da invenção contém 30-70 por cento em volume de ferrita e 30 - 70 por cento em volume de austenita. A invenção também se refere a um método de fundição para produzir a peça fundida bem como ao uso da peça fundida.
Na fabricação de peças fundidas de aço inoxidável grandes é importante ter uma microestrutura que seja suficientemente estável contra a formação de precipitados prejudiciais tais como fase intermetálica já que tais fases têm efeitos adversos sobre as propriedades. Para isto uma composição dúplex equilibrada, de baixa liga da peça fundida da invenção é desejável. Preferivelmente a microestrutura do aço inoxidável dúplex da invenção contém 50 por cento em volume de ferrita e 50 por cento em volume de austenita.
Outra propriedade importante para peças fundidas de aço é a facilidade de realizar soldadura de reparação. Além da sua boa moldabilidade a peça fundida da invenção é em geral bastante resistente a craqueamento quente durante soldadura. Se a soldadura de reparação é necessária, é na maioria dos casos necessário realizar um tratamento térmico pós-soldadura já que o metal soldado e zona afetada pelo aquecimento facilmente serão expostos ao esfriamento rápido devido a um pequeno grupo de soldadura cercado por uma grande seção de fundição. Isto pode resultar em uma
9/12 microestrutura com alto conteúdo de ferrita que é sensível ao craqueamento e redução em propriedades pelo qual o tratamento térmico deve seguir. Por esta razão é desejável com a composição de aço inoxidável dúplex da invenção tendo alta reformação de austenita durante ciclos térmicos rápidos tais como em soldadura. Para obter tal característica alto conteúdo em nitrogênio na peça fundida de aço inoxidável dúplex da invenção é recomendável.
A peça fundida de aço inoxidável dúplex da invenção pode conter vantajosamente em porcentagem em peso, preferivelmente até 0,05 por cento de carbono e more preferivelmente até 0,03 por cento de carbono, preferivelmente até 1 por cento de silício, preferivelmente maior que 4 até 6 por cento de manganês, preferivelmente maior que 21 até 22 por cento de cromo, preferivelmente maior que 1,1 até 1,7 por cento de níquel e more preferivelmente maior que 1,35 até 1,7 por cento de níquel e preferivelmente maior que 0,20 e até 0,2 6 por cento de nitrogênio, e opcionalmente elementos até 1 por cento de cobre, até totalmente 1 por cento de molibdênio e/ou tungstênio de acordo com a fórmula (Mo + ¥2 W) menos de 1 por cento, o restante sendo ferro e impurezas incidentais.
A invenção é descrita em mais detalhes a seguir referindo-se aos desenhos em que
A figura 1 mostra os resultados de teste quando é comparada a usinabilidade da peça fundida da invenção com o aço inoxidável de austenita da técnica anterior,
A figura 2 mostra a microestrutura de uma reparação de soldadura simulada em uma peça fundida da invenção.
10/12
A peça fundida de aço inoxidável dúplex da presente invenção foi testada em usinabilidade e soldadura, especialmente em reparação de soldadura.
Para testar a usinabilidade, uma peça fundida foi produzida tendo a seguinte composição química em porcentagem em peso na tabela 1:
c Si Mn P S Cr Ni Mo Cu N
0,026 0,76 4,93 0,021 0,001 21,37 1,44 0,23 0,34 0,226
Uma barra bruta fundida com uma seção quadrada de 140 mm foi submetida a diferentes testes na condição de estado bruto de fusão sem nenhum tratamento térmico prévio. As propriedades mecânicas da peça fundida foram como segue na tabela 2:
Limite elástico Rp0,2 MPa Resistência máxima à tração Rm MPa Alongamento fratura A5% de
451 634 40
nível de resistência é muito acima que para peças fundidas austeníticas, que tipicamente exibem limites elásticos de aproximadamente 200 MPa e uma resistência máxima de aproximadamente 500 MPa. O teste da usinabilidade foi feito com rotação de peças cilíndricas de teste e os resultados são mostrados na figura 1. A figura ilustra a velocidade de corte permitida para uma vida de ferramenta de 15 minutos em rotação. A inserção de ferramenta foi do tipo carboneto cimentado. A usinabilidade da peça fundida de acordo com a invenção é superior a aquela de um aço austenítico de tipo 304L. Isto está em contradição ao
11/12 resultado esperado onde o aço austenítico é considerado tendo melhor usinábilidade.
Testes adicionais foram realizados com uma peça fundida de acordo com a presente invenção que foi produzida com a seguinte composição química, em porcentagem em peso na tabela 3:
c Si Mn P S Cr Ni Mo Cu N
0,024 0,69 4,89 0,020 0,001 21,45 1,60 0,20 0,25 0,230
A partir de uma seção de peça fundida de 140 mm de espessura amostras quadradas de 30 mm de espessura foram removidas e as amostras foram submetidas a soldadura de reparação simulada usando soldadura por arco de metal protegido. O metal de base estava na condição de estado bruto de fusão, foram feitas ranhuras na amostra e depois disso foram cheias por soldadura usando um material de enchimento adequado para esta liga. A energia do arco foi de 0,7 a 0,8 kJ/mm. As soldaduras resultantes estavam livres de craqueamentos e mostraram uma microestrutura normal, também na zona afetada pelo aquecimento. Isto é ilustrado na figura 2.
Peças fundidas de acordo com a presente invenção podem ser fundidas por diferentes processos de fundição tais como fundição centrifuga, fundição dura, fundição em cunho, fundição a cera perdida, fundição a pressão, fundição em molde permanente, fundição em areia e fundição a vácuo. A moldabilidade é boa, não mostrando tendência ao craqueamento ou formação de poro apesar do alto conteúdo de nitrogênio. Isto é devido ao alto nível de manganês, 3-8%, no aço e preferivelmente um intervalo de 4-6% de manganês
12/12 pode ser usado. Itens de fundição são preferivelmente recozidos em solução a uma temperatura de 1020 a 1100aC seguido por esfriamento rápido. Contudo, seções mais finas podem ser usadas em condição de estado bruto de fusão. Embora a microestrutura não seja uma propriedade e pode ser difícil de medir corretamente a presente invenção conterá a grosso modo quantidades iguais de austenita e ferrita, o intervalo de fase permitido sendo de 30 a 70%. Além disso, a microestrutura é muito resistente a precipitação de fases intermetálicas, que por sua vez dá uma baixa sensibilidade a fragilização. Peças fundidas da presente invenção mostram usinabilidade superior em estado bruto de fusão bem como em condições de recozimento em solução.
Assim peças fundidas dúplex da presente invenção oferecem alternativas de custo desejáveis e baratas a materiais de fundição austeníticos devido a sua alta usinabilidade, alta resistência e boa soldabilidade. Peças fundidas da presente invenção podem ser especialmente favoráveis para uso em várias soluções e partes para bombas, válvulas, impulsores ou para uso em outras soluções em que uma combinação de alta usinabilidade, alta resistência e boa soldabilidade em uma peça fundida é necessária como condição em estado bruto de fusão ou após algum tratamento adicional, tais como recozimento em solução e condição de extinção.

Claims (2)

REIVINDICAÇÕES
1. Peça fundida de aço inoxidável dúplex com alta usinabilidade e boa moldabilidade caracterizada pelo fato de que a microestrutura da peça fundida contém 30 - 70 por cento em volume de ferrita e 30 - 70 por cento em volume de austenita e a peça fundida contém em porcentagem em peso: 0,026% de carbono, 0,76% de silício, 4,93% de manganês, 21,37% de cromo, 1,44% de níquel, 0,23% de molibdênio, 0,34% de cobre e 0,226% de nitrogênio, o restante sendo ferro e impurezas incidentais.
2. Uso da peça fundida de aço inoxidável dúplex com alta usinabilidade e boa moldabilidade, conforme definida
na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que é em bombas, válvulas ou impulsores. 3. Método para produzir a peça fundida de aço inoxidável dúplex com alta usinabilidade e boa moldabilidade, conforme definida na reivindicação 1,
caracterizado pelo fato de que a peça fundida é produzida por fundição centrífuga, fundição dura, fundição em molde (cunho), fundição a cera perdida, fundição a pressão, fundição em molde permanente, fundição em areia ou fundição a vácuo.
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