PT649913E - Aco inoxidavel austenitico de elevadas caraxteristicas com uma grande estabilidade estrutural e suas utilizacoes - Google Patents

Aco inoxidavel austenitico de elevadas caraxteristicas com uma grande estabilidade estrutural e suas utilizacoes Download PDF

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PT649913E
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Description

- 1 - DESCRIÇÃO "AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO DE ELEVADAS CARAC-TERÍSTICAS COM UMA GRANDE ESTABILIDADE ESTRUTURAL E SUAS UTILIZAÇÕES" O presente invento refere-se a um aço inoxidável austenítico de alta resistência mecânica, de alta resistência contra a corrosão e de muito boa estabilidade estrutural.
Para a fabricação de equipamentos destinados, nomeadamente, a instalações de despoluição de fumos, a plataformas petrolíferas, à indústria química, à da pasta do papel, utilizam-se aços inoxidáveis austeníticos ou superausteníticos de elevada resistência mecânica e de elevada resistência contra a corrosão. Estes aços inoxidáveis contêm em geral elevadas proporções de azoto e de molibdénio. Estes aços foram descritos nomeadamente nas duas patentes europeias: EP-A-0.438.992 e EP-A-0.342.574 e no pedido de patente francesa FR-93-06468. No entanto, estes aços apresentam o inconveniente de apresentarem uma certa incompatibilidade entre uma boa resistência contra a corrosão e uma boa estabilidade estrutural. Resulta, por exemplo, alguma dificuldade em conciliar as operações de fabricação dos equipamentos, tais como a soldadura ou a enformação a quente, e uma muito boa resistência contra a corrosão de todas as partes destes equipamentos.
Os aços inoxidáveis austeníticos de elevadas características mecânicas e de elevada resistência contra a corrosão conhecidos têm igualmente o inconveniente de não poderem ser utilizados em peças maciças. Com efeito, -2- quando do arrefecimento destas peças, a instabilidade da estrutura provoca precipitações intermetálicas que deterioram muito a resistência contra a corrosão e as propriedades mecânicas do aço. O objectivo do presente invento é o de propor um aço inoxidável austenítico de elevadas características mecânicas e que apresente simultaneamente uma elevada resistência contra a corrosão em meio cloretado e uma elevada estabilidade estrutural.
De facto, o invento tem por objecto um aço inoxidável austenítico de elevadas características mecânicas, de elevada resistência contra a corrosão e que apresente uma grande estabilidade estrutural, cuja composição química compreenda em peso: 23 % < Cr < 28 % 15 % < Ni < 28 % 0,5 % < Mn < 6 % 0 % < Cu < 5 % 0 % < C < 0,06 % 0 % < Si < 1 % 0 % < Nb < 0,5 % 0 % < V < 0,5 % 0 % < AI < 0,1 % 3 % < Mo < 8 % 0,35 % < N < 0,8 % 1 % < W < 5 % sendo o resto constituído por ferro e por impurezas associadas à fabricação. -3-
De preferência, a composição química do aço compreende em peso: 23 % < Cr < 26 % 21 % < Ni < 23 % 2 % < Mn < 3,5 % 1 % < Cu < 2% 0 % < C < 0,03 % 0 % < Si < 0,4 % 0 % < Nb < 0,5 % 0 % < AI < 0,1 % 4,5 % < Mo < 6,5 % 0,4 % < N < 0,55 % 2 % < W < 3,5 % sendo o resto constituído por ferro e por impurezas associadas à fabricação.
De preferência, a composição química do aço de acordo com o invento deve satisfazer a fórmula seguinte: CP = 20 x % Cr + 0,3 x % Ni + 30 x % Si + 40 x % Mo + 5 x % W + 10 x % Mn + 50 x % C - 200 x % N < 710, o que assegura que a cinética de precipitação das fases intermetálicas será a mais lenta possível.
Por outro lado, a fim de obter a melhor resistência contra a corrosão possível, a composição química do aço deve verificar: PRENW = % Cr + 3,3 x % Mo + 16 x % N + 1,7 % W > 47. -4-
Finalmente, e para obter características mecânicas muito elevadas, a composição química do aço deve, de preferência, satisfazer a relação: 113 + 16 (% Mo + 0,7 % W) + 525 % N > 420.
De acordo com o invento, este aço pode ser utilizado na fabricação de peças maciças. Pode igualmente ser utilizado na fabricação de equipamentos maciços para plataformas petrolíferas ou para a fabricação de equipamentos para fábricas químicas, para fábricas de pasta de papel, para instalações de despoluição ou ainda para a fabricação de recipientes para o transporte de produtos corrosivos, ou ainda para a fabricação de cascos de navios. Este aço pode igualmente servir para fabricar chapas revestidas. O invento vai agora ser descrito em pormenor, mas de forma não limitativa. O especialista sabe que os aços inoxidáveis austeníticos que consistem em ligas à base de ferro e de forte teor em crómio e em níquel apresentam uma estrutura naturalmente austenítica no estado sólido practicamente a qualquer a temperatura. Na maior parte destes aços, a estrutura não é 100 % austenítica na vizinhança do ponto de solidificação, mas toma-se austenítica a partir do momento em que a temperatura baixa. Para alguns destes aços, os ditos superausteníticos, a estrutura é 100 % austenítica a partir da solidificação. Estes aços são supostamente conhecidos.
Os inventores constactaram de forma inesperada que adicionando simultaneamente a estes aços teores elevados de azoto: de 0,35 % em peso a 0,8 % em peso, e de preferência de 0,4 % a 0,55 % e tungsténio: de 1 % em peso a 5 -5- % em peso, e de preferência de 2 % a 3,5 %, obtêm-se em simultâneo elevadas características mecânicas, uma elevada resistência contra a corrosão em meio cloretado e uma muito boa estabilidade estrutural, isto é uma cinética de precipitação de fases intermetálicas a alta temperatura muito lenta. A elevada estabilidade estrutural permite fabricar peças maciças, nomeadamente: chapas grossas, tubos espessos, peças foqadas, peças fundidas ou sistemas soldados, cujas propriedades mecânicas e de resistência contra a corrosão sejam em todos os pontos, incluindo a vizinhança das soldaduras, excelentes. t E preferível que estes aços contenham em peso, para além do azoto e do tungsténio nos teores já referidos, os elementos indicados a seguir. - Crómio: mais do que 23 % para assegurar uma boa resistência contra a corrosão localizada e uma boa solubilidade do azoto, menos do que 28 % de preferência menos do que 26 % para limitar os riscos de precipitação dos carbonetos de crómio. - Níquel: mais do que 15 % e de preferência mais do que 21 % para assegurar uma solidificação austenítica que garanta uma boa solubilidade do azoto, para obter uma boa resistência contra a corrosão em meio sulfuroso e para limitar a propagação da corrosão localizada, menos do que 28 % e de preferência menos do que 23 % para não reduzir em demasia a solubilidade do azoto, e porque o níquel é um metal caro. - Manganês: mais do que 0,5 % e de preferência mais do que 2 % para obter uma solubilidade suficiente do azoto e para limitar a susceptibilidade contra a fissuração a quente, menos do que 6 % e de preferência menos do que 3,5 % para limitar os riscos de precipitação das fases intermetálicas e para limitar a utilização de refractários quando da sua fabricação. -6- - Cobre: de 0 % a 5 % e de preferência de 1 % a 2 % para melhorar a resistência contra a corrosão em meio sulfuroso e cloretado ácido. - Molibdénio: o teor ponderai do aço em molibdénio deve ser superior a 3 % e de preferência superior a 4,5 %, a fim de melhorar a resistência contra a corrosão localizada, a solubilidade do azoto, as características mecânicas à temperatura ambiente e a alta temperatura e limitar os riscos de fissuração a quente quando da soldadura; mas este teor deve ser inferior a 8 % e de preferência inferior a 6,5 %, para evitar a formação de segregações e a precipitação das fases intermetálicas.
As funções do azoto e do tungsténio são as seguintes: - O azoto permite obter características mecânicas elevadas, uma boa resistência contra a corrosão localizada, uma boa estabilidade estrutural, mas em excesso, deteriora a resiliência. - O tungsténio permite obter uma boa resistência contra a corrosão em meios cloretados ácidos e redutores, e uma boa resistência contra a corrosão por fissuração quando está associado ao molibdénio e ao azoto, bem como reforçar as características mecânicas à temperatura ambiente e a alta temperatura; mas em excesso, provoca precipitações desfavoráveis nos locais de utilização.
Estes aços contêm sempre uma pequena quantidade de carbono, de silício e de alumínio. O teor em carbono deve ser inferior a 0,06 % e de preferência deve ser inferior a 0,03 %, para evitar a precipitação de carbonetos nos limites dos grãos. O silício e o alumínio que serviram como desoxidantes durante a fabricação são limitados a 1 % para o silício e a 0,1 % para o alumínio.
Outros elementos tais como o magnésio, o cério e o cálcio poderão ser adicionados como agentes de desoxidação. -7-
Pode-se igualmente adicionar até 0,5 % de nióbio e/ou vanádio, para melhorar as características mecânicas.
Para que as propriedades do aço inoxidável de acordo com o invento sejam óptimas, a composição química deve ser ajustada dentro das gamas de composição de maneira que: - as características mecânicas sejam elevadas, para o que, é necessário que: 113 + 16 (% Mo + 0,7 % W) + 525 % N > 420 - a resistência contra a corrosão localizada seja máxima para o que: PRENW = % Cr + 3,3 (% Mo) + 16 (% N) + 1,7 (% W) > 47. - a cinética de precipitação das fases intermetálicas deve ser muito lenta o que se obtém se: CP = 20 x % Cr + 0,3 x % Ni + 30 x % Si + 40 x % Mo + 5 x % W + 10 x % Mn + 50 x % C - 200 x % N < 710
Com esta composição química, obtém-se um aço inoxidável austenítico, cujo limite elástico Rp 0,2 % à temperatura ambiente é superior a 420 MPa, e cuja estabilidade estrutural caracterizada para a cinética de precipitação das fases intermetálicas a 850°C é superior às ligas equivalentes. Daí resulta que a resistência contra a corrosão não é afectada por um ciclo térmico correspondente à aplicação por exemplo de soldadura, o que não é o caso dos aços de acordo com a técnica anterior. -8- A titulo de exemplo, fabricou-se um aço cuja composição química é a seguinte:
Cr = 23,7% Ni = 21,5% Mo = 5 % N = 0,45 % W = 2 % Cu = 1,5% C = 0,015% Mn = 2 %
Si = 0,2 % Nb = 0,02 % V = 0,15 % AI = 0,02 %
Este aço apresenta um limite elástico de 452 MPa, um coeficiente de sensibilidade contra a corrosão por pontos PRENW = 50,8 e um coeficiente de sensibilidade em relação às precipitações CP = 627, se bem que os tempos de incubação para a precipitação de compostos intermetálicos a 850°C seja de 180 s.
Após hipertempra, a velocidade de corrosão em meio clorídrico é de 100 MDJ (mg/dm2/dia) ; após hipertempra seguida de um tratamento de sensibilização por manutenção a 800°C durante 15 min, a velocidade de corrosão nas mesmas condições é de 200 MDJ.
Por comparação, um aço de acordo com a técnica anterior e de composição:
Cr = 24 Mn = 3 Si = 0,4 Ni = 22 C = 0,01 AI = 0,02 Mo = 7 Nb = 0,2 N = 0,45 V = 0,15 apresenta um limite elástico de 461 MPa, um PRENW = 54,3, um CP = 716, um tempo de incubação para a precipitação de 60 s, uma velocidade de corrosão após -9- hipertempra de 99 MDJ e uma velocidade de corrosão após sensibilização a 850° durante 15 min de 980 MDJ. O aço de acordo com o invento é muito menos sensível aos ciclos térmicos de sensibilização. Daí resulta que é possível realizar chapas revestidas constituídas por uma camada de aço de acordo com o invento e uma camada de aço de construção, cujas propriedades do revestimento inoxidável sejam comparáveis às propriedades de uma chapa inoxidável maciça realizada com a mesma liga. O aço de acordo com o invento possuindo uma grande estabilidade estrutural pode ser utilizado para fabricar nomeadamente peças vazadas, peças fotjadas, barras laminadas, chapas laminadas, perfis, tubos sem costura e tubos com costura, em particular quando estes objectos são maciços, isto é quando são utilizados sob a forma de peças de grande espessura, isto é com a espessura mínima superior a 4 mm, nomeadamente quando se tratam de peças de espessura superior a 4 mm e inferior a 40 mm; elas apresentam portanto uma boa homogeneidade de características ao longo da sua espessura; para espessuras superiores a 40 mm, a muito boa estabilidade estrutural permite conservar elevados níveis de resiliência e de ductilidade ao longo de toda a espessura.
Devido às suas propriedades mecânicas, à resistência contra a corrosão, à aptitude à soldadura e à aptitude para a fabricação de peças de grande espessura, o aço de acordo com o invento pode ser utilizado vantajosamente para fabricar: - tubos, flanges, colectores, oleodutos, gasodutos, separadores, bombas, compressores, permutadores destinados a serem utilizados em contacto com a água do mar ou em contacto com fluídos que contenham cloretos e H2S, em particular qualquer equipamento de processo ou do circuito de segurança - 10- contra incêndio que transporte água do mar sobre as plataformas petrolíferas marinhas, - tubos, flanges, reservatórios, reactores, bombas, compressores e mais genericamente qualquer peça ou parede de equipamento para a indústria química, para a fabricação da pasta do papel, hidrometalurgia, despoluição trabalhando em contacto com fluídos ou efluentes corrosivos nomeadamente quando se trata de corrosão por meios cloretados ácidos; na indústria da pasta de papel, estão em causa nomeadamente os filtros de coloração, as torres de branqueamento, em particular as torres de branqueamento para o peróxido de hidrogénio e o ozono, os misturadores, os lixiviadores, e os impregnadores, - as cisternas para o transporte rodoviário, ferroviário ou marítimo de produtos corrosivos, - cascos de navios, - equipamentos que trabalham a alta temperatura e nomeadamente equipamentos para a petroquímica, para a cimenteira, para a incineração de lixos, condutas de fumos, e chaminés.
Estas aplicações não são exaustivas e mais genericamente este aço permite obter uma melhor resistência em serviço que os aços da técnica anterior e com um menor custo que com as ligas à base de níquel para todas as aplicações: - em meio cloretado oxidante, - em meio contendo cloretos e H2S, - em meio cloretado ácido, nomeadamente quando as peças realizadas devem ser de espessuras elevadas ou maciças ou quando a temperatura de utilização é elevada.
JORGE CRUZ Agente Oficial da Propriedade Industrial RUA VICTOR CORDON, 14 1200 USBOA
Lisboa, 20 de Março de 2000

Claims (11)

  1. - 1 - REIVINDICAÇÕES 1. Aço inoxidável austenítico de elevadas características mecânicas, elevada resistência contra a corrosão e que apresenta uma grande estabilidade estrutural, cuja composição química compreende em peso: 23 %< Cr <28% 15 %< Ni <28% 0,5 % < Mn < 6 % 0 % < Cu < 5 % 0 % < C < 0,06 % 0 % < Si < 1 % 0 % < Nb < 0,5 % 0 % < V < 0,5 % 0 % < AI < 0,1 % 3 % < Mo < 8 % 0,35 % < N < 0,8 % 1 %< W<5% sendo o resto constituído por ferro e por impurezas associadas à fabricação.
  2. 2. Aço inoxidável de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado por a sua composição química compreender em peso: 23 %< Cr <26% 21 % < Ni < 23 % 2 % < Mn < 3,5 % 1 % < Cu < 2% -2- 0 % < C < 0,03 % 0 % < Si < 0,4 % 0 % < Nb < 0,5 % 0 % < AI < 0,1 % 4,5 % < Mo < 6,5 % 0,4 %<N< 0,55% 2 % < W < 3,5 % sendo o resto constituído por ferro e por impurezas associadas à fabricação.
  3. 3. Aço inoxidável de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 e 2, caracterizado por a sua composição química satisfazer a relação seguinte: CP = 20 x % Cr + 0,3 x % Ni + 30 x % Si + 40 x % Mo + 5 x % W + 10 x % Mn + 50 x % C - 200 x % N < 710,
  4. 4. Aço inoxidável de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por a sua composição química satisfazer a seguinte relação: PRENW = % Cr + 3,3 x % Mo + 16 x % N + 1,7 % W > 47.
  5. 5. Aço inoxidável de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por a sua composição química satisfazer a seguinte relação: 113 + 16 (% Mo + 0,7 % W) + 525 % N > 420.
  6. 6. Utilização de um aço inoxidável de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, para fabricar peças maciças. -3-
  7. 7. Utilização de um aço inoxidável de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, para fabricar equipamentos para plataformas petrolíferas marinhas.
  8. 8. Utilização de um aço inoxidável de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, para fabricar equipamentos para as indústrias químicas, indústrias de pasta de papel, instalações hidrometalúrgicas e instalações de despoluição.
  9. 9. Utilização de um aço inoxidável de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, para a fabricação de recipientes para o transporte de produtos corrosivos.
  10. 10. Utilização de um aço inoxidável de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, para a fabricação de cascos de navios.
  11. 11. Utilização de um aço inoxidável de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, para a fabricação de chapas revestidas constituídas por uma camada em aço de acordo com o invento e uma camada em aço de construção. Lisboa, 20 de Março de 2000
    Agente Oficial da Propriedade Industrial RUA VICTOR CORDON, 14 1200 LISBOA
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