IT9021798A1 - Leghe di nichel, cromo, silicio e rame resistenti alla corrosione. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Area di interesse

L'invenzione riguarda leghe a base ,di nichel contenenti cromo, silicio, rame ed eventualmente altri elementi per provvedere pregiate caratteristiche ingegnerietiche per l'uso in condizioni severe e per esposizione a temperature elevate.

Basi e tecnica nota

Molti prodotti e procedimenti industriali trovano un limite a casua delle restrizioni collegate con le caratteristiche meccaniche e/o chimiche delle parti componenti. Ad esempio di motori a turbina opererebbero più efficientemente se le parti componenti presentassero una vita più lunga a temperature superiori. Inoltre, il trattamento di prodotti come prodotti chimici sarebbe più efficiente se le parti componenti delle apparecchiature di trattamento fossero più resistenti alla corrosione e/o alla esposizione a temperature elevate.

Le leghe a base di nichel della tecnica non soddisfano tutte le necessità dell'industria a causa di molte deficienze nella corrosione e nelle caratteristiche meccaniche. Per questo motivo, molte leghe di nichel devono essere progettate per soddisfare queste necessità.

Le differenze tra le nuove leghe a base di nichel possono essere leggere, o anche indefinibili, in quanto esse devono spesso :essere sviluppate per presentare alcune combinazioni di caratteristiche come richiesto nelle condizioni specifiche di impiego.

La tabella 1 riporta un certo numero di leghe dei brevetti della tecnica nota. Tutte le composizioni riportate nella presente descrizione e nelle rivendicazioni sono in percento in peso (wt/o) se non altrimenti specificato, ciascuna delle leghe provvede generalmente eccellente resistenza alla corrosione, o eccellente duttilità alla saldatura, o eccellente resistenza all'urto charpy o eccellenti caratteristiche di indurimento per precipitazione. Alcune delle leghe possono provvedere’ più di una di queste caratteristiche; tuttavia nessuna provvede una buona combinazione di queste caratteristiche. Le composizioni delle leghe a base di nichel della tecnica nota nella tabella 1 possono quasi tutte contenere, tra gli altri elementi, cromo, rame, molibdeno e silicio. Per la massima parte, le leghe sono limitate per l'uso quali casting a causa dei contenuti combinati ed elevati di cromo, silicio carbonio e rame.

E' rimasta una necessità per leghe che resistano con successo alla precipitazione del carburo e di fasi intermetalliche, provvedendo ancora l'ampio intervallo di resistenza alla corrosione, alle condizioni altamente ossidanti, nella condizione ricotta in soluzione. Le leghe della tecnica nota non offrono sufficiente resistenza alla corrosione in alcuni ambienti altamente ossidanti.

Scopi dell'invenzione

Lo scopo principale della presente invenzione consiste nel provvedere leghe a base di nichel con eccellente resistenza alla corrosione agli ambienti ossidanti nelle condizioni ricotta, saldata ed invecchiata termicamente.

Un'altro scopo consiste nel provvedere tali leghe che presentino non solamente una eccellente resistenza alla corrosione ma che presentino anche valori straordinari della stabilità termica e della resistenza alla perdita delle caratteristiche meccaniche quale risultato di variazioni strutturali durante l'invecchiaménto o la formatura termo-meccanica.

Un ulteriore scopo consiste nel provvedere leghe resistenti alla formazione di cricche per corrosione sotto sforzo in ambiente di cloruro nella condizione temprata per precipitazione.

Costituisce uno scopo ulteriore provvedere leghe a base di nichel in soluzione solida che possano essere facilmente prodotte in forme lavorate plasticamente o cast e fabbricate e che siano omogenee nello stato di equilibrio.

Breve descrizione dell'invenzione

In accordo con la presente invenzione, gli scopi ed i vantaggi che precedono vengono ottenuti controllando accuratamente la composizione degli elementi essenziali entro l'ampio intervallo riportato nella tabella 2. Tutte le leghe sperimentali contenenvano gli elementi opzionali alluminio, carbonio, columbio, cobalto, ferro, azoto, titanio e tungsteno essenzialmente entro l'ampio intervallo come riportato nella tabella 2. Nella massima parte dei casi non venivano eseguite aggiunte intezionali di questi elementi e i loro contenuti erano entro i livelli delle normali impurezze.

Le leghe sono resistenti a molti acidi ossidanti diversi in una varietà di concentrazioni e di temperature. Esse presentano eccellente duttilità alla saldatura come mostreranno i risultati del saggio di flessione della saldatura. La stabilità termica, come mostrato dai risultati del saggio di urto Charpy, è molto favorevole. Le leghe presentano buone caratteristiche di indurimento per precipitazione. Le leghe sono anche resistenti alla formazione di cricche per corrosione sotto sforzo nelle condizioni indurite per precipitazione.

Esempi e risultati del saggio

Corrosione. Fu effettuata una serie di saggi per determinare gli effetti di cromo, silicio, molibdeno e rame alla corrosione. Gli effetti benefici delle combinazioni di cromo e silicio per resistere a soluzioni altamente ossidanti come acido solforico concentrato sono state riportati in molti brevetti. Tuttavia, è stato scoperto che i livelli di silicio richiesti sono piuttosto critici e che dipendono dal livello di cromo. Come mostrato nella tabella 3, per gli ambienti altamente ossidanti (ambiente B nella tabella 3), più elevato è il silicio e più resistente è la lega. In ambienti leggermente meno ossidanti (ambienti A e C), la velocità di corrosione passa attraverso un massimo con il silicio, con piccole quantità di silicio (fino a 3%) che sono dannose e quantità superiori che sono benefiche. In acidi ancora meno ossidanti, come l'ambiente D nella tabella 3, il silicio è dannoso ed il cromo è benefico. Quindi il rapporto tra cromo e silicio deve essere adattato entro un certo intervallo affinchè la lega presenti resistenza ad un'ampia varietà di ambienti. Questi effetti opposti di Si e Cr sono presentati nella fig. l come velocità relativa di corrosione vs. rapporto 2 si/cr (il 2 per tenere conto della efficienza superiore del silicio e del peso molecolare inferiore). Dalla fig. 1 appare che questo rappòrto ricadrebbe tra 0,3-0,6 per la resistenza globale ad un'ampia varietà di ossidanti. Questo rapporto è in aggiunta ai limiti su Cr e Si .

Addizionalmente gli effetti benefici di Mo e Cu possono essere visti in H2S04 al 90% (ambiente C). Il rame è particolarmente benefico in questo ambiente. Tuttavia, un livello di rame troppo elevato (al di sopra di 3,5%) è dannoso per la resistenza alla corrosione per vaiolatura e per la lavorabilità. Per benefici ottimali, è raccomandato un massimo di.3,0% di rame; circa 2% è preferito.

Duttilità della saldatura. Le leghe di questa classe devono presentare un grado elevato di saldabilità. Una serie di saggi furono effettuati come riportato nella tabella 4. La duttilità alla flessione della saldatura fu determinata tramite il ben noto 2-T Radius Bend Test. I risultati del saggio indicano che il rapporto tra Ni e Fe deve essere superiore a 1,0. Rapporti inferiori a 1 definiscono léghe a base di ferro, ad esempio acciai del tipo 20 ed acciaio duplex che non presentano resistenza alla corrosione in combinazioni varie di acidi.

Il silicio negli acciai inossidabili ed in alcune leghe di Ni è noto per creare problemi di rottura della saldatura ed abbassamento della duttilità della saldatura. Tuttavia le leghe in questa invenzione sono soprendentmente resistenti a questi problemi purché il contenuto di nichel sia superiore ad un determinato intervallo. Ciò costituisce un punto maggiore della presente invenzione. I risultati del saggio alla flessione della saldatura sono riportati nella tabella 4. Si può notare dalla tabella 4 che il contenuto di nichel è basso (meno di circa 12%) oppure se il contenuto di nichel è superiore ad un determinato livello (circa 25%), le saldature passano il saggio alla flessione 2-T. Al di sotto di 12% di Ni (nelle leghe 20 Cr, 12 Co, 5 Si), la lega presenta un po' di ferrite nella microstruttura ed è ben noto che piccole quantità di ferrite all'inizio della solidificazione della saldatura sono benefiche per la duttilità. Tuttavia questa condizione non si trova nelle leghe a base di nichel in soluzione solida omogenea della presente invenzione. Sebbene una piccola quantità di ferrite nell'acciaio inossidabile sia benefica per la resistenza alla rottura durante la saldatura, la ferrite può portare ad una rottura migliorata durante l'esposizione a temperature di 1600°F che si incontrano durante le operazioni di formatura a caldo. ;Tuttavia le leghe con elevato contenuto di Ni sono resistenti alla rottura anche a queste temperature.

Stabilità termica

La stabilità termica di una serie di leghe fu saggiata per urto dopo esposizione a 1600°F per 6 minuti e per 30 minuti'. I risultati del saggio sono riportati nella tabella 5. I dati mostrano che una lega della presente invenzione (lega 5-8) presenta una adeguata tenatcìtà all'urto, sebbene il campione fosse sotto dimensionato. La lega 5-9 dell'invenzione fu esposta a 1600°F per 6 minuti ed un'ora. Entrambi le leghe presentavano buona tenacità all'urto quando confrontate con le leghe (20-Fe x Si-3) con un valore inferiore a 5. Il ferro deve essere inferiore a 19%.

Indurimento per precipitazione

Un beneficio ulteriore di queste leghe consiste nella capacità di essere sostanzialmente temprate mediante trattamento termico. Il silicio opera similmente a Al e Ti, ma esistono tre considerevoli differenze. La temperatura di Invecchiamento richiesta per indurre tempra è inferiore per la lega Si rendendo più facile l'indurimento per precipitazione. Il contenuto di ferro deve essere inferiore a circa 19% ed il contenuto di silicio deve essere superiore a 3%. Il numero (20-Fe) x (si-3) deve essere superiore a 5 per osservare tempra. I dati sono riportati nella tabella 6.

Gli esempi ed i risultati dei saggi definiscono l'invenzione. I dati dei saggi mostrano che la lega della presente invenzione ha una combinazione unica di caratteristiche ingegneristiche. Gli intervalli dei rapporti e delle composizioni sono stati stabiliti così da identificare la lega in maniera pragmatica. Sebbene l'esatto meccanismo dell'invenzione non sia completamente noto, è stato determinato che i rapporti, come indicati, produrranno i migliori risultati. Così l'invenzione richiede non solamente gli intervalli specifici di composizione per gli elementi critici, ma anche i rapporti tra alcuni elementi, come descritto.

Gli esempi sperimentali della lega della presente invenzione furono realizzati sotto forma di fogli, casting, materiali di saldatura e simili, senza alcuna difficoltà di trattamento. La lega della presente invenzione può essere prodotta sotto forma di cast, prodotti per lavorazione plastica e polveri, come pure come articoli per l'uso nei procedimenti di saldatura e in saldature.

Appare evidente agli esperti nel settore che i nuovi principi dell'invenzione qui descritti in relazione con gli esempi specifici supporteranno varie altre modifiche ed applicazioni degli stessi. In accordo con ciò è desiderato che, nella interpretazione della portata delle rivendicazioni che seguono, questa non dovrà essere limitata agli esempi specifici dell'invenzione descritta.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1., Lega a base dl: nichel consistente essenzialmente di, in percento in peso, fino a 1,5 di alluminio, fino a 0,06 di carbonio, fino a 3 di columbio, da 11 a 29 di cromo, fino 20 di cobalto, da 1 a 3,5 di rame, fino a 19 di ferro, fino a 2 di manganese, da 1 a 6,5 di molibdeno, fino a 0,2 di azoto, da 3,5 a 6,5 di silicio, fino a 2 di titanio, fino a 2,5 di tungsteno ed il bilancio essendo nichel ed in purezze normali, dove il valore (20-Fe) x (Si-3) è superiore a 5.
2. 2. Lega secondo la rivendicazione 1, contenente fino a 0,5 di alluminio, fino a 0,04 di carbonio, fino a 1 di columbio, da 16 a 23 di cromo, fino a 10 di cobalto, da 1 a 3 di rame, da 1 a 10 di ferro, fino a 1 di manganese, da 1 a 5 di molibdeno, fino a 0,1 di azoto da 4 a 6 di silicio, fino a 1 di titanio, e fino a 1 di tungsteno.
3. 3. Lega secondo la rivendicazione 1 contenente fino a 0,3 di.alluminio, fino a 0,02 di carbonio, fino a 0,3 di columbio, da 19 a 21 di cromo, fino a 5 di cobalto, da 1,5 a 2,5 di rame, da 3 a 7 di ferro, fino a 0,5 di manganese, da 1,5 a 3 di molibdeno, fino a 0,03 di azoto, da 4,5 a 5,5 di silicio, fino a 0,2 di titanio e fino a 0,5 di tungsteno.
4. 4. Lega secondo la rinvedicazione 1, in cui il valore 2 Si/Cr è da 0,35 a 0,6 ed il valore Ni/Fe è superiore a 2, per provvedere una resistenza migliorata alla corrosione ed alla esposizione a temperature elevate.
5. 5. Lega secondo la rivendicazione 1, sotto forma di materiali lavorati plasticamente, cast, in polvere o per saldatura.