ES2255526T3 - Aleacion para soldadura a base de niquel. - Google Patents
Aleacion para soldadura a base de niquel.Info
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Abstract
Aleación de soldadura a base de níquel comprendiendo Cr en una cantidad del 25 al 35% en peso, P en una cantidad del 4 al 8% en peso, Si en una cantidad del 3 al 6% en peso, donde la cantidad total de P y Si es del 9 al 11, 5% en peso, al menos un elemento seleccionado del grupo consistente en Al, Ca, Y y metal Misch en una cantidad de 0, 01 a 0, 10% en peso, opcionalmente al menos un elemento seleccionado del grupo consistente en Fe en una cantidad del 20% y menos en peso, Co en una cantidad del 20% y menos en peso, Mo en una cantidad del 10% y menos en peso, y V en una cantidad del 5% y menos en peso, donde la cantidad total de Fe, Co, Mo y V es del 20% y menos en peso, y el resto de Ni e impurezas inevitables.
Description
Aleación para soldadura a base de níquel.
La presente invención se refiere a una aleación
para soldadura. En particular, la presente invención se refiere a
una aleación para soldadura a base de níquel, esta aleación
teniendo buenas propiedades humectantes y fluyentes (con respecto a
la soldabilidad), una resistencia excelente a la corrosión y una
alta resistencia. La aleación se utiliza en el proceso de unión de
dos piezas de metal tal como el acero inoxidable.
En general se utiliza un metal de relleno para
soldadura a base de níquel, identificado por la norma JIS (Norma
Industrial Japonesa) JIS Z3265 y la norma AWS (Sociedad de
Soldadura Americana) ANSI/AWS A5.8, en el proceso de soldadura del
acero inoxidable con el fin de producir una variedad de productos
tales como intercambiador térmico y turbina de gas.
Últimamente, se ha necesitado de forma
considerable el hecho de proveer una aleación para soldadura que
tenga una resistencia a la corrosión al ácido sulfúrico y otros
similares, que pueda ser soldada a una temperatura lo más baja
posible, para formar una junta soldada de alta resistencia. El metal
de relleno para soldadura a base de níquel de la técnica anterior
presenta no obstante varias objeciones indicadas a
continuación.
Al igual que el metal de relleno para soldadura a
base de níquel definido por las normas JIS y AWS, se conoce la
aleación BNi-5 que posee una composición de
Ni-Cr-Si, la cual tiene una buena
resistencia a la corrosión. No obstante, dicha aleación presenta
una fase líquida alta a 1150°C, por lo que requiere un
calentamiento a más de 1200°C para la soldadura, durante el cual se
reducirá la propiedad del acero inoxidable.
También se conocen las aleaciones
BNi-1, 1A y 2 que poseen una composición
Ni-Cr-Fe-Si-B
y las aleaciones BNi-3 y 4 que poseen una
composición Ni-Si-B, las cuales
proporcionan a la junta soldada una propiedad de alta resistencia,
aunque la resistencia a la corrosión del acero inoxidable puede
disminuir debido a una difusión de B durante la soldadura.
También se conocen las aleaciones
BNi-6 y 7 que poseen una composición de
Ni-(Cr)P, que pueden ser soldadas a una temperatura
comparativamente baja de aproximadamente 1000°C. Estas aleaciones
poseen también una buena soldabilidad, pero son frágiles debido a
una resistencia baja de la unión por soldadura fuerte.
Por otra parte, los presentes inventores han
descrito ya en la solicitud de patente pública japonesa N°.
9-225679 de 1997 unas aleaciones de soldadura a
base de níquel que presentan una resistencia al calor. Las
aleaciones descritas en la solicitud mencionada anteriormente
pueden ser soldadas a una temperatura tan baja como la de la
aleación BNi-2. Sin embargo, se ha descubierto que
una parte de la composición de la aleación definida en la solicitud
forma una escoria una vez soldada, lo que puede producir una
resistencia baja de la unión por soldadura fuerte.
En consecuencia es necesario proveer una aleación
de soldadura a base de níquel utilizada en el proceso de unión de
dos piezas de metal en forma de acero inoxidable, y con la aleación
soldada a una temperatura lo más baja posible, por ejemplo de
aproximadamente 1100°C, que evite la reducción de las propiedades
del acero inoxidable. La aleación debe estar acompañada por las
características de no formar ninguna escoria cuando sea soldada, y
de presentar una buena soldabilidad, una alta resistencia de unión
por soldadura fuerte, y una excelente resistencia a la corrosión al
ácido sulfúrico, etc.
Con el fin de proveer la aleación con las
características requeridas mencionadas anteriormente, los presentes
inventores han examinado la aleación anterior con una composición
de Ni-Cr-P-Si
descrita en la publicación de patente pública japonesa N°.
9-225679 de 1997 para descubrir la presente
aleación con una composición noble con otros aditivos.
Según la presente invención, la presente aleación
posee una composición noble con respecto a la solicitud
identificada anteriormente. De esta manera, la presente aleación
contiene una mayor cantidad de Cr prevista para mejorar la
resistencia, manteniendo una temperatura de fusión preferible y una
resistencia a la corrosión. Mientras que la presente aleación
contiene también Cr, P y Si, se determina cada cantidad de Cr, P y
Si y la cantidad total de P y Si para proporcionar una estructura
hipoeutéctica a la aleación. La presente aleación contiene además
una pequeña cantidad de metal de Al, Ca, Y y/o Misch de tal manera
que la aleación está diseñada para impedir la formación de una
escoria durante o después de la soldadura y para mejorar la
soldabilidad. La presente aleación contiene también Fe, Co, Mo y/o V
en una cantidad tal para no influir negativamente sobre su
temperatura de fusión, su soldabilidad y su resistencia a la
corrosión y mejorar la aleación para obtener una mayor resistencia,
en particular de la unión por soldadura fuerte.
Así, se provee una aleación de soldadura a base
de níquel que comprende Cr en una cantidad de 25 a 35%, P en una
cantidad de 4 a 8%, Si en una cantidad de 3 a 6%, y la cantidad
total de P y Si de 9 a 11,5%, al menos un elemento seleccionado del
grupo consistente en metal de Al, Ca, Y y Misch en una cantidad de
0,01 a 0,10%, y el resto de Ni y de impurezas inevitables, en
peso.
En caso de necesidad, la aleación comprende
también al menos un elemento seleccionado del grupo consistente en
Fe en una cantidad del 20% y menos, Co en una cantidad del 20% y
menos, Mo en una cantidad del 10% y menos, y V en una cantidad del
5% y menos, con la cantidad total de Fe, Co, Mo y V siendo del 20%
y menos, en peso.
Las ventajas y particularidades características
adicionales de la presente invención resultarán evidentes para los
expertos en la materia a través de la siguiente descripción
detallada con el dibujo anexo.
La Fig. 1 muestra esquemáticamente unas etapas
para ilustrar el proceso de prueba de soldadura para la
aleación.
Según la presente invención, cada uno de los
elementos está incluido en la aleación en una cantidad definida a
continuación. En esta especificación, el contenido de cada elemento
en la aleación está definido por un porcentaje en peso.
Según la presente invención, la aleación para
soldadura a base de níquel posee una composición esencial de
elementos de Ni, Cr, P y de Si. El contenido de cada elemento de la
composición esencial es importante para determinar las propiedades
básicas de la aleación obtenida.
Según la presente invención, el Cr está incluido
en la aleación en una cantidad del 25 a 35% en peso. Es preferible
tener el mayor contenido posible de Cr puesto que el Cr puede ser
disuelto en Ni para formar una solución sólida de
Ni-Cr para poder mejorar la resistencia a la
oxidación, la resistencia al calor, la resistencia a la corrosión y
la resistencia de la aleación obtenida. Por otra parte, el aumento
de contenido de Cr puede provocar un cambio de las propiedades de
temperatura de fusión y de soldabilidad. En caso de que la aleación
contenga una cantidad insuficiente de Cr inferior a 25% en peso,
resulta difícil mejorar la resistencia de la zona soldada y la
resistencia a la corrosión al ácido sulfúrico, etc. En caso de que
la aleación contenga una cantidad excesiva de Cr superior a 35% en
peso, la temperatura de fusión aumentará probablemente e influirá
negativamente sobre la soldabilidad con el acero inoxidable. Por
consiguiente, según la presente invención, la aleación contiene Cr
en una cantidad tal y como se ha definido anteriormente.
Según la presente invención, la cantidad total de
P y Si es de 9 a 11,5% en peso. Cada uno de los elementos P y Si
influye de forma importante en la temperatura de fusión de la
aleación obtenida debido a la reacción eutéctica con la solución
sólida de Ni-Cr, y también influye en la propiedad
relativa a la soldadura, la resistencia a la corrosión y la
resistencia de la aleación. La aleación para soldadura según la
presente invención está diseñada para tener una estructura
hipoeutéctica para mejorar la resistencia. El contenido total de
los elementos P y Si puede influir de manera importante en la
temperatura de fusión y la resistencia de la aleación obtenida. De
esta manera, en caso de que la aleación tenga una cantidad
insuficiente de contenido total de P y Si inferior al 9% en peso,
la aleación obtenida tenderá a volverse hipoeutéctica, lo que
aumenta la temperatura de la fase líquida de tal manera que resulta
difícil soldar a una temperatura predeterminada. Por otra parte, en
caso de que la aleación tenga una cantidad excesiva de contenido
total de P y Si superior a 11,5% en peso, la aleación obtenida se
vuelve supereutéctica de tal manera que la aleación se vuelve
frágil debido a la reducción de la resistencia.
Además, cada uno de los contenidos de P y Si debe
ser definido según una acción y una reacción establecidas en todas
la composiciones que contienen Cr. Así, la aleación tendrá una
temperatura de fusión elevada si contiene una cantidad insuficiente
de P inferior a 4% y una cantidad excesiva de Si superior a 6%, en
peso.
Además, la aleación presentará un resistencia a
la corrosión reducida y una resistencia reducida si contiene una
cantidad insuficiente de Si inferior a 3% y una cantidad excesiva
de P superior a 8%, en peso.
En consecuencia, la aleación necesita contener
una cantidad de P de 4 a 8% y una cantidad de Si de 3 a 6% con un
contenido total de P y Si de 9 a 11,5%, en peso.
La presente aleación para soldadura, que posee la
composición esencial de Ni, Cr, P y Si tal y como se ha descrito
anteriormente, contiene también al menos un elemento seleccionado
del grupo consistente en metal de Al, Ca, Y y Misch de tal manera
que la aleación puede estar diseñada para tener un contenido de
oxigeno bajo para impedir la formación de una escoria durante o
después de la soldadura. Además, la aleación conteniendo dicho
elemento o elementos puede estar diseñada para mejorar la
soldabilidad con acero inoxidable. No obstante, esta mejora
positiva no estará prevista en la aleación si contiene al menos un
elemento de metal de Al, Ca, Y y Misch en una cantidad total
insuficiente inferior a 0,01%. Por otra parte, si contiene uno de
estos elementos o todos en una cantidad total excesiva superior a
0,1%, se producirá un compuesto que influirá negativamente en la
soldabilidad o la resistencia de la aleación obtenida. En
consecuencia, la aleación debe contener al menos un elemento de
metal de Al, Ca, Y y Misch en una cantidad total de 0,01 a 0,10% en
peso.
Aunque la aleación de soldadura a base de níquel
según la presente invención tiene una propiedad excelente con
respecto a la aleación de la técnica anterior, la presente aleación
también puede contener Fe, Co, Mo y/o V para adquirir una mayor
resistencia. Se debe tener en cuenta que incluso comprendiendo
estos elementos, una cantidad excesiva de estos elementos puede
aumentar la temperatura de fusión de la aleación de una forma tal
que resulte difícil soldar la aleación a una temperatura deseada
(de aproximadamente 1100°C). También se tiene que tener en cuenta
que una cantidad excesiva de estos elementos puede anular la
resistencia mejorada de la aleación e influir negativamente en la
resistencia a la corrosión de la aleación. De esta manera, la
aleación debe contener estos elementos en una cantidad determinada
de forma apropiada de acuerdo con la presente invención. Por lo que
la presente aleación puede contener una cantidad de Fe del 20% y
menos, una cantidad de Co del 20% y menos, una cantidad de Mo del
10% y menos y una cantidad de V del 5% y menos, en peso. Si la
aleación contiene la combinación de los elementos seleccionados, la
cantidad del contenido total de los elementos seleccionados debería
ser del 20% y menos.
Así, según la presente invención, el contenido de
Fe es del 20% y menos, el contenido de Co es del 20% y menos, el
contenido de Mo es del 10% y menos, y el contenido de V es del 5% y
menos, en peso. Además, el contenido total de Fe, Co, Mo y V es del
20% y menos.
La presente aleación para soldadura a base de
níquel puede presentarse en forma de polvo, preparada en general
mediante un método de atomización, y en forma de hoja o de
barra.
A continuación se muestran algunos ejemplos
típicos con las composiciones según la presente invención y
controles de la presente invención.
Las tablas 1 y 2 muestran cada composición de las
aleaciones preparadas en forma de ejemplos y controles. Las tablas
1 y 2 incluyen también las temperatura de fusión y los resultados
de la prueba de soldadura a 1100°C, una prueba de rotura
transversal y una prueba de corrosión en 5% de ácido sulfúrico.
Los métodos utilizados para examinar las
propiedades son los siguientes.
Las aleaciones de los ejemplos y controles son
dispuestas en un horno eléctrico en una atmósfera de gas de argón
para ser fundidas y la temperatura de fusión es medida mediante un
método de análisis por transferencia de calor. Según este método,
se dispone un termopar en el centro de la aleación fundida, el
termopar es conectado a un registrador para dibujar una curva de
análisis por transferencia de calor por medio de la cual se pueden
leer las temperaturas de la fase líquida y de la fase sólida.
Las aleaciones de los ejemplos y controles son
dispuestas en un horno eléctrico en una atmósfera de gas de argón
para ser fundidas y de este modo las aleaciones fundidas son
introducidas en un molde de grafito para obtener una barra de 5 mm
de diámetro. Posteriormente, la barra es cortada en una muestra de
fragmento fino, cada fragmento midiendo aproximadamente 5 mm de
longitud. Después, la muestra obtenida es aplicada sobre un material
de base 1 de acero inoxidable SUS 304, como se muestra en la Fig.
1(a), y la muestra es calentada a 1100°C durante 30 minutos
en una atmósfera al vacío de 10^{-3} torr para realizar la
soldadura. Después de la soldadura, se mide el área S en la que la
muestra derretida 3 se extiende, como se muestra en la Fig.
1(b). El área medida S es dividida por el área de sección
transversal So de la muestra 2 antes de ser soldada para obtener un
coeficiente de extensión W de la aleación fundida en la soldadura,
es decir S/S_{0}, que puede proporcionar una estimación útil de
la soldabilidad con respecto al material de base en acero
inoxidable SUS 304. Además, se examinan los aspectos obtenidos
después de la prueba de soldadura para controlar la formación de
una escoria o no.
Las aleaciones de los ejemplos y controles son
dispuestas en un horno eléctrico en una atmósfera de gas de argón
para ser fundidas y de este modo las aleaciones fundidas son
aspiradas por un tubo de cuarzo de 5 mm de diámetro interno para
ser posteriormente solidificadas y después cortadas en fragmentos
de muestra, cada fragmento de muestra midiendo 35 mm de
longitud.
Se dispone el fragmento de muestra obtenido sobre
un comprobador transversal (de longitud transversal; 25,4 mm), y se
pesa con una máquina de prueba universal para determinar el peso
cuando éste se ha roto. El peso obtenido produce una resistencia de
rotura transversal (kgf/mm^{2}) mediante un cálculo, que puede
proporcionar una estimación útil de la resistencia.
Las aleaciones de los ejemplos y controles son
dispuestas en un horno eléctrico en una atmósfera de gas de argón
para ser fundidas y de este modo se introducen las aleaciones
fundidas en un molde de coquillas para obtener concentración de 5% y
la prueba de corrosión es realizada por medio de una prueba de
inmersión completa. La prueba es realizada a 60°C y el periodo de
prueba es de 24 horas. El peso y el área de superficie del fragmento
de muestra antes y después de la inmersión en la solución son
medidos y después calculados en cuanto a la producción de una
pérdida de peso (mg/m^{2}\cdots), lo que puede proporcionar una
estimación útil de resistencia a la corrosión en una solución de
ácido sulfúrico.
La tabla 1 muestra los resultados de las
aleaciones presentes. Resulta evidente que todas las aleaciones
presentes poseen una fase líquida inferior a la temperatura de
1100°C y ninguna de las aleaciones presentes está relacionada con
la formación de cualquier escoria durante la prueba de soldadura a
1100°C. La tabla indica también que todos los coeficientes de
extensión de las aleaciones presentes indican más de 40, lo que
demuestra que las aleaciones presentes poseen una excelente
soldabilidad con acero inoxidable SUS 304.
Según el resultado de la prueba de rotura
transversal, todas las aleaciones presentes poseen una resistencia
de rotura transversal superior a 80 kgf/mm^{2}. En particular,
las muestras (12) a (21) presentan una resistencia superior a 100
kgf/mm^{2}. De esta manera, se ha comprobado que las aleaciones
presentes poseen una resistencia tan excelente o mejor que las
aleaciones BNi-2 y BNi-5 de los
controles, y que las aleaciones presentes poseen 2 a 3 veces la
resistencia de la aleación BNi-7.
Además, según la prueba de corrosión realizada en
una solución de 5% de ácido sulfúrico, todas las pérdidas de peso
de los ejemplos se encuentran en un intervalo de 0,000 \sim 0,008
mg/m^{2}\cdots. De esta manera, las aleaciones presentes poseen
una excelente resistencia a la corrosión, y éstas se corroen menos
que una aleación de BNi-5 considerada excelente
respecto a su resistencia a la corrosión.
Por otra parte, la tabla 2 se refiere a
aleaciones (a) a (i) de controles, cada una de las aleaciones
teniendo una composición no incluida en el intervalo definido según
la presente invención.
Al contrario de la presente invención, la
aleación (a) tiene una cantidad excesiva de P, una cantidad
insuficiente de Si, y ningún contenido de Al, Ca, Y y metal de
Misch. La aleación (b) contiene también una cantidad total excesiva
de P y Si, y ninguna cantidad de Al, Ca, Y y metal Misch. La
aleación (d) contiene también una cantidad excesiva de Cr, una
cantidad insuficiente de P, una cantidad excesiva de Si, y ninguna
de Al, Ca, Y y metal Misch. La aleación (a), (b) o (d) puede ser
soldada a 1100°C pero se forma una escoria, la cual reduce la
resistencia de la unión por soldadura fuerte.
La aleación (c) contiene una cantidad excesiva de
Al de tal manera que la aleación (c) presenta un coeficiente de
extensión bajo de la aleación fundida y una resistencia baja de la
unión por soldadura fuerte. La aleación (e) posee una cantidad
total de P y Si insuficiente tal que la aleación (e) presenta una
fase líquida en aumento que dificulta la soldadura a 1100°C con una
resistencia inferior de la unión por soldadura fuerte.
La aleación (f), (g), (h) o (i) tiene una
cantidad excesiva de Fe, Mo, V o Co tal que la aleación presenta un
fase líquida en aumento, mediante la cual la aleación no debe ser
soldada a 1100°C por lo que se obtiene una resistencia no
mejorada.
Además, entre esos controles, la aleación
BNi-2, BNi-5 o BNi-7
tiene una composición de metal de relleno para soldadura a base de
níquel definido por JIS y AWS. La aleación BNi-2
puede ser soldada a 1100°C pero presenta una resistencia a la
corrosión significativamente baja en ácido sulfúrico. Por otra
parte, la aleación BNi-5 presenta una buena
resistencia a la corrosión en ácido sulfúrico pero posee una fase
líquida tan alta como 1140°C de manera que requiere un
calentamiento a 1200°C para ser soldada. Además, la aleación
BNi-7 posee una temperatura de fusión baja pero
presenta una resistencia insuficiente de la unión por soldadura
fuerte.
Según la presente invención, la aleación presenta
una soldabilidad excelente no sólo respecto a un material de base
en acero inoxidable de austenita tal como SUS 304 y 316 sino
también respecto a un material de base en acero inoxidable de
ferrita y martensita tal como SUS 410 y 430.
La presente aleación puede ser soldada
preferiblemente no sólo en una atmósfera de vacío sino también en
una atmósfera reductiva de hidrógeno o en una atmósfera inerte de
argón.
Además, la presente aleación posee una excelente
resistencia a la corrosión no sólo en una solución de ácido
sulfúrico sino también en una solución de amonio, una solución
salina y varias soluciones ácidas tales como el ácido nítrico. La
presente aleación presenta también una alta resistencia de la unión
por soldadura fuerte.
Claims (2)
1. Aleación de soldadura a base de níquel
comprendiendo
Cr en una cantidad del 25 al 35% en peso,
P en una cantidad del 4 al 8% en peso,
Si en una cantidad del 3 al 6% en peso, donde la
cantidad total de P y Si es del 9 al 11,5% en peso,
al menos un elemento seleccionado del grupo
consistente en Al, Ca, Y y metal Misch en una cantidad de 0,01 a
0,10% en peso,
opcionalmente al menos un elemento seleccionado
del grupo consistente en Fe en una cantidad del 20% y menos en
peso, Co en una cantidad del 20% y menos en peso, Mo en una
cantidad del 10% y menos en peso, y V en una cantidad del 5% y
menos en peso, donde la cantidad total de Fe, Co, Mo y V es del 20%
y menos en peso, y
el resto de Ni e impurezas inevitables.
2. Aleación para soldadura a base de níquel según
la reivindicación 1, que comprende también al menos un elemento
seleccionado del grupo consistente en Fe en una cantidad del 20% y
menos en peso, Co en una cantidad del 20% y menos en peso, Mo en
una cantidad del 10% y menos en peso, y V en una cantidad del 5% y
menos en peso, donde la cantidad total de Fe, Co, Mo y V es del 20%
y menos en peso.
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