Aleación soldable de níquel-hierro-cromo-aluminio resistente a la oxidación.

Una aleación soldable, resistente a la oxidación a alta temperatura,

que consiste de, en porcentaje en peso, 25% a 32% de hierro, 18 a 25% de cromo, 3,0 a 4,5% de aluminio, 0,2 a 0,6% de titanio, 0,2 a 0,4% de silicio, 0,2 a 0,5% de manganeso, hasta 2,0% de cobalto, hasta 0,5% de molibdeno, hasta 0,5% de tungsteno, hasta 0,01% de magnesio, hasta 0,25% de carbono, hasta 0,025% de circonio, hasta 0,01% de itrio, hasta 0,01% de cerio, hasta 0,01% de lantano, hasta 0,15% de niobio, hasta 0,004% de boro y el resto níquel más impurezas, el contenido de Al + Ti es de 3,4% a 4,2% y el cromo y el aluminio están presentes en cantidades de manera que una relación de Cr / Al es de 4,5 a 8.

Aleación soldable de níquel-hierro-cromo-aluminio resistente a la oxidación Campo de la invención La invención se refiere a aleaciones resistentes a la corrosión a base de níquel que contienen aluminio, cromo y hierro.

Antecedentes de la invención Existen muchas aleaciones a base de níquel resistentes a la corrosión que contienen cromo y otros elementos seleccionados para proporcionar resistencia a la corrosión, en particular, a ambientes corrosivos. Estas aleaciones también contienen elementos seleccionados para proporcionar propiedades mecánicas deseadas, tales como resistencia a la tracción y ductilidad. Muchas de estas aleaciones se comportan bien en algunos ambientes y mal en otros ambientes corrosivos. Algunas aleaciones que tienen excelente resistencia a la corrosión son difíciles de formar o de soldar. En consecuencia, la técnica ha intentado continuamente de desarrollar aleaciones que tienen una combinación de resistencia a la corrosión y facilidad de ser trabajadas lo que permite que la aleación forme fácilmente en recipientes, tuberías y otros componentes que tienen una larga vida útil.

La patente británica No. 1.512.984 divulga una aleación a base de níquel con un contenido nominal de 8 - 25% de cromo, 2, 5 - 8% de aluminio y hasta 0, 04% de itrio que se elabora por refundición de un electrodo de electroescoria que debe contener más de 0, 02% de itrio. La patente de los Estados Unidos No. 4.671.931 enseña el uso de 4 a 6 por ciento de aluminio en una aleación de níquel-cromo-aluminio para lograr una resistencia extraordinaria a la oxidación mediante la formación de una incrustación protectora rica en alúmina. La resistencia a la oxidación también se mejora mediante la adición de itrio a la aleación. El contenido de hierro se limita a 8% como máximo. Un alto contenido de aluminio da como resultado la precipitación de Ni3Al, precipitados gamma prima que ofrecen una buena resistencia a altas temperaturas, especialmente alrededor de 760 ºC (1.400 ºF) . La Patente de los Estados Unidos No. 4.460.542 describe una aleación a base de níquel libre de itrio que contiene 14 - 18% de cromo, 1, 5 - 8% de hierro, 0, 005 - 0, 2% de circonio, 4, 1 - 6% de aluminio y muy poco itrio no superior al 0, 04%, con excelente resistencia a la oxidación. Una aleación dentro del alcance de esta patente ha sido comercializado como una aleación HAYNES® 214®. Esta aleación contiene 14 - 18% de cromo, 4, 5% de aluminio, 3% de hierro, 0, 04% de carbono, 0, 03% de circonio, 0, 01% de itrio, 0, 004% de boro y el resto níquel. Yoshitaka et al. en la patente japonesa No. 06271993 describe una aleación de base de hierro que contiene 20 - 60% de níquel, 15 -35% de cromo y 2, 5 6, 0% de aluminio, que requiere menos de 0, 15% de silicio y menos de 0, 2% de titanio.

La patente europea No. 549 286 divulga una aleación de níquel-hierro-cromo en la que debe haber 0, 045 - 0, 3% de itrio. Los altos niveles de itrio requeridos no sólo hacen la aleación costosa, sino también pueden hacer que no pueda ser fabricada la aleación de manera forjada debido a la formación de compuestos de níquel-itrio que promueven la formación de grietas durante las operaciones de forjado en caliente.

La patente de los Estados Unidos No. 5.660.938 divulga una aleación de base de hierro con 30 - 49% de níquel, 13 18% de cromo, 1, 6 - 3, 0% de aluminio y 1, 5 - 8% de uno o más elementos de los Grupos IVa y Va. Esta aleación contiene insuficiente aluminio y cromo para garantizar que se forme una película protectora de óxido de aluminio durante la exposición a condiciones de oxidación a alta temperatura. Además, los elementos de los Grupos IVa y Va pueden promover la formación de gamma prima que reduce la ductilidad a alta temperatura. Elementos tales como el circonio también pueden promover una severa formación de fisuras en caliente de las soldaduras durante la solidificación.

La patente de los Estados Unidos No. 5.980.821 divulga una aleación que contiene sólo 8 - 11% de hierro y 1, 8 – 2, 4% de aluminio y requiere 0, 01 - 0, 15% de itrio y 0, 01 - 0, 20% de circonio.

Desafortunadamente, las aleaciones divulgadas en las patentes antes mencionadas experimentan una cantidad de problemas de conformación y de soldadura provocados por la presencia de aluminio particularmente cuando está presente como un 4 a 6 por ciento de la aleación. La precipitación de la fase gamma prima Ni3Al, puede ocurrir rápidamente en estas aleaciones durante el enfriamiento de la operación final de recocido, lo que resulta en límites elásticos relativamente altos a temperatura ambiente con una correspondiente ductilidad baja incluso en condición de recocido. Esto hace que la flexión y la conformación sean más difíciles en comparación con aleaciones a base de níquel reforzadas en solución sólida. El alto contenido de aluminio también contribuye a problemas de agrietamiento por envejecimiento mecánico durante la soldadura y el tratamiento térmico posterior a la soldadura. Estas aleaciones también son propensas a la formación de grietas de solidificación durante la soldadura, y, de hecho, se requiere un metal de relleno químicamente modificado para soldar la aleación comercial, conocido como aleación HAYNES® 214®. Estos problemas han obstaculizado el desarrollo de productos tubulares soldados y han restringido el crecimiento del mercado de esta aleación.

Resumen de esta invención La aleación de la presente invención supera estos problemas al reducir el impacto negativo de la gama prima sobre la ductilidad a alta temperatura a través de grandes adiciones de hierro en el rango de 25 a 32% y la reducción de los niveles de titanio + aluminio al rango 3, 4 - 4, 2%. Además, no se requieren adiciones de itrio y pueden ser sustituidas por adiciones de metales mixtos.

Se superan las desventajas de las aleaciones de Ni-Cr-Al-Y descritas en la sección de antecedentes mediante la modificación de las composiciones de la técnica anterior para desplazar de níquel con un nivel mucho más alto de hierro. Además, se reduce el nivel de aluminio, preferiblemente hasta aproximadamente el 3, 8% desde la cantidad típica actual del 4, 5% de la aleación 214. Esta disminución reduce la fracción del volumen de gamma prima que podría precipitar en la aleación y mejora la resistencia de la aleación al agrietamiento por envejecimiento mecánico. Esto permite una mejor capacidad de fabricación para la producción de productos tubulares así como una mejor capacidad de fabricación de soldadura para los usuarios finales. También se incrementó el nivel de cromo de la aleación hasta aproximadamente 18 a 25% para garantizar una adecuada resistencia a la oxidación con el nivel reducido de aluminio. También se añaden pequeñas cantidades de silicio y de manganeso para mejorar la resistencia a la oxidación.

Se proporciona una aleación a base de níquel que contiene 25 a 30% en peso de hierro, 18 a 25% de cromo, 3, 0 a 4, 5% de aluminio, 0, 2 a 0, 6% de titanio, 0, 2 - 0, 4% de silicio y 0, 2 a 0, 5% de manganeso. La aleación también puede contener itrio, cerio y lantano en cantidades de hasta 0, 01%. El carbono puede estar presente en una cantidad de hasta 0, 25%. El boro puede ser en la aleación hasta en un 0, 004%, el circonio puede estar presente hasta en un 0, 025%. El resto de la aleación es níquel más impurezas. Además, el contenido total de aluminio más titanio debe estar entre 3, 4% y 4, 2% y la relación de cromo a aluminio debe ser de aproximadamente 4, 5 a 8.

Se prefiere proporcionar una composición de una aleación que contiene 26, 8 a 31, 8% de hierro, 18, 9 a 24, 3% de cromo, 3, 1 a 3, 9% de aluminio, 0, 3 - 0, 4% de titanio, 0, 2 - 0, 35% de silicio, 0, 20 a 0, 35% de manganeso, hasta 0, 005% de cada uno de itrio, cerio y lantano, hasta 0, 06% de carbono, menos de 0, 002% de boro, menos de 0, 001% de circonio y el resto de níquel más impurezas. También se prefiere que el total de aluminio más titanio esté entre 3, 4% y 4, 2% y que la relación de cromo con respecto a aluminio sea de 5, 0 a 7, 0 o más preferiblemente de 5, 2 a 7, 0.

Nuestra composición más preferida contiene 27, 5% de hierro, 20% de cromo, 3, 75% de aluminio, 0, 25% de titanio, 0, 05% de carbono, 0, 3% de silicio, 0, 3% de manganeso, cantidades traza de cerio y lantano y el resto de níquel más impurezas.

Otras composiciones preferidas y ventajas de nuestra aleación se harán evidentes a partir de la descripción de las realizaciones preferidas y los datos de los ensayos presentados en este documento.

Breve descripción de las figuras

La Figura 1 es un gráfico que muestra elongación a la tracción a 760 ºC (1.400 ºF) como una función del contenido de Al + Ti.

La Figura 2 es un... [Seguir leyendo]

1. Una aleación soldable, resistente a la oxidación a alta temperatura, que consiste de, en porcentaje en peso, 25% a 32% de hierro, 18 a 25% de cromo, 3, 0 a 4, 5% de aluminio, 0, 2 a 0, 6% de titanio, 0, 2 a 0, 4% de silicio, 0, 2 a 0, 5% de manganeso, hasta 2, 0% de cobalto, hasta 0, 5% de molibdeno, hasta 0, 5% de tungsteno, hasta 0, 01% de magnesio, hasta 0, 25% de carbono, hasta 0, 025% de circonio, hasta 0, 01% de itrio, hasta 0, 01% de cerio, hasta 0, 01% de lantano, hasta 0, 15% de niobio, hasta 0, 004% de boro y el resto níquel más impurezas, el contenido de Al

+ Ti es de 3, 4% a 4, 2% y el cromo y el aluminio están presentes en cantidades de manera que una relación de Cr / Al es de 4, 5 a 8.

2. La aleación de la reivindicación 1 que tiene un porcentaje en peso de 26, 8% a 31, 8% de hierro, 18, 9% a 24, 3% de cromo, 3, 1% a 3, 9% de aluminio, 0, 3% a 0, 4% de titanio, 0, 25 a 0, 35% de silicio, 0, 2 a 0, 35% de manganeso, hasta 0, 005% de cada uno de itrio, cerio y lantano, hasta 0, 06% de carbono, menos de 0, 004% de boro, menos de 0, 01% de circonio y el resto níquel más impurezas.

3. La aleación de la reivindicación 1 en donde el contenido de Al + Ti es de 3, 8% a 4, 2%.

4. La aleación de la reivindicación 1 que tiene una relación Cr / Al de 5, 0 a 7, 0.

5. La aleación de la reivindicación 1 que tiene una relación Cr / Al de 5, 2 a 7, 0.

6. La aleación de la reivindicación 1 en donde el niobio está presente como una impureza en una cantidad no superior al 0, 15%.

7. Una aleación soldable, resistente a la oxidación a alta temperatura que comprende en porcentaje en peso 27, 5%

de hierro, 20% de cromo, 3, 75% de aluminio, 0, 25% de titanio, 0, 05% de carbono, 0, 3% de silicio, 0, 3% de 20 cantidades en trazas de manganeso, de cerio y de lantano y el resto níquel más impurezas.