PT1347859E

PT1347859E - Material para união e produto com ele produzido

Info

Publication number: PT1347859E
Application number: PT01983016T
Authority: PT
Inventors: Per Erik Sjoedin
Original assignee: Alfa Laval Corp Ab
Priority date: 2000-11-10
Filing date: 2001-11-08
Publication date: 2007-03-30
Also published as: DE60126145D1; EP1347859A1; PL199962B1; US20040056074A1; SE523855C2; SE0004118L; CN1474732B; CA2427588A1; US9919385B2; US20170259382A1; WO2002038327A1; US9513072B2; EP1347859B1; US9702641B2; JP4090878B2; US20140338871A1; DE60126145T2; DK1347859T3; KR100823437B1; AU1447202A

Description

ΕΡ 1 347 859 /PT

DESCRIÇÃO "Material para união e produto com ele produzido" 0 presente invento refere-se a um material de soldadura baseado em ferro para unir objectos por soldadura. 0 invento também compreende um processo para soldadura, e um produto soldado produzido por soldadura conjunta de objectos de um material baseado em ferro com um material de soldadura baseado em ferro de acordo com o invento.

Diferentes materiais de aço ou ferro são habitualmente unidos por soldadura com materiais de soldadura de Ni ou Cu. Em algumas aplicações o material de soldadura pode consistir em Ag ou Co. A soldadura é um processo para apertar/unir, ao qual a temperatura está abaixo da temperatura de estado sólido original do material de base (os elementos que deveriam ser unidos/apertados).

Materiais de soldadura refere-se a materiais para unir ou apertar que fundem completa ou parcialmente durante o processo de soldadura.

Em US 4135656 descreve-se uma liga baseada em Ni que contém, contado como percentagem em peso, 19-23% de Mn, 5-8% de Si, 4-6% de Cu, 0,6-1,8% de B e Ni, além de quantidades menores de outros elementos. Em US 4314661 descreve-se outro tipo de liga baseada em Ni que contém, dado como percentagem atómica, 0-4% de Fe, 0-21% de Cr, 0-19% de B, 0-12% de Si, 0-22% de P, sendo o resto Ni.

Em US 4516716 descreve-se um processo de soldadura com ligas baseadas em ferro, incluindo aproximadamente 2 a aproximadamente 6% em peso de boro e de aproximadamente 5 a aproximadamente 12% de silicio.

Quando se solda com Cu geralmente utiliza-se Cu puro ou quase puro. O material de soldadura de cobre puro possui um ponto de fusão bem definido, ao passo que os materiais de soldadura de niquel, dependendo do facto de consistirem em 2

ΕΡ 1 347 859 /PT ligas, frequentemente possuem um intervalo de fusão.

Quando se unem placas de aço inoxidável em permutadores de calor de placas, são frequentemente utilizados materiais de soldadura de cobre. No entanto, o cobre não é adequado para todos os tipos de aplicações. Por exemplo, a utilização de um material de soldadura de cobre em aplicações alimentares não é permitida, mas é utilizado em instalações de aquecimento central e água de redes municipais.

Os permutadores de calor unidos com material de soldadura de níquel são utilizados em muitas ligações e também são permitidos num número limitado de aplicações alimentares.

Se materiais de soldadura contendo ligas de níquel são utilizadas para unir objectos de ferro ou materiais não baseados em Ni, a composição da junta soldada difere significativamente da composição dos materiais que estão unidos em conjunto. Isto pode resultar em diferenças indesejáveis nas propriedades químicas e mecânicas.

De acordo com um aspecto, o presente invento proporciona um material de soldadura baseado em ferro que compreende uma liga que contém (i) 9 a 30% em peso de Cr; (ii) 0 a 5% em peso de Mn; (iii) 0 a 25% em peso de Ni; (iv) 0 a 7% em peso de Mo; (v) 0 a 1% em peso de N; (vi) 6 a 20% em peso de Si numa quantidade eficaz para diminuir a temperatura à qual o material de soldadura está completamente fundido; (vii) opcionalmente, microelementos de liga seleccionados de V, Ti, W, Al, Nb ou Ta; e (viii) estando B presente numa quantidade inferior a 1,5% em peso ou estando P presente numa quantidade inferior a 15% em peso; e (ix) sendo a liga equilibrada com Fe, e pequenas quantidades inevitáveis de elementos contaminantes tais como C, O e S. 3

ΕΡ 1 347 859 /PT Ο presente invento oferece a possibilidade de unir objectos por meio de soldadura, utilizando um material de soldadura com principalmente a mesma composição do material de base utilizado para produzir o produto, em que o material de soldadura contém elementos aditivos que diminuem a sua temperatura de estado liquido. Consequentemente, o presente invento oferece uma possibilidade de produzir um dispositivo tal como um permutador de calor de placas, que é compatível com os requisitos das aplicações alimentares, através da utilização de um material de soldadura de acordo com o invento. Assim, o material de soldadura pode consistir em uma liga que contém pelo menos 50% de Fe e que inclui também 9-30% de Cr, 6-20% de Si, todos referidos em percentagens ponderais, em que a adição de Si diminui a temperatura de estado liquido, que é a temperatura à qual o material de soldadura está completamente fundido. Além disso, o material de soldadura contém B ou P, podendo qualquer um servir como elemento diminuidor do ponto de fusão, suplementando o Si. A adição de B também aumenta a molhabilidade do material de soldadura.

Numa concretização preferida, o material de soldadura baseado em ferro contém 7-16% de Si, preferivelmente 8-12%. A quantidade dissolvida de Si activa deveria ficar dentro do intervalo referido, de modo a obter a desejada diminuição do ponto de fusão. A quantidade analisada de Si poderia contudo ser consideravelmente maior, dado que o Si pode ocorrer no estado de carbonetos de silício ou boretos de silício, estar ligado a oxigénio ou ter sido ligado quimicamente de outra maneira. O material de soldadura baseado em ferro pode conter microelementos de liga tais como V, Ti, W, Al, Nb, Ta e outros. Variações na composição também podem ser uma consequência de pequenas e inevitáveis quantidades de elementos contaminantes tais como C, O e S. O material de soldadura baseado em ferro é vantajosamente produzido por atomização com gás ou água.

Se a liga contém boro, também é possível produzir o material de soldadura por extrusão em fundido. 4

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De acordo com outros aspectos, o invento proporciona um produto que compreende componentes de um material baseado em ferro soldado juntamente com, e um processo de soldadura de componentes feitos de um material baseado em ferro utilizando, um material de soldadura de acordo com o invento, tal como definido anteriormente. 0 produto soldado é vantajosamente um permutador de calor de placas destinado a pelo menos dois meios de permuta térmica, que compreende pelo menos um conjunto de placas fabricado soldando em conjunto um número de placas de permuta térmica de paredes finas de um material baseado em ferro, por meio de um material de soldadura baseado em ferro. As placas do permutador de calor definem entre si espaços interplacas destinados aos meios de permuta térmica. As juntas de soldadura possuem uma composição metalúrgica próxima da composição do material das placas baseado em ferro, com quantidades de Si localmente mais elevadas nas e em torno das juntas de soldadura em comparação com o material das placas baseado em ferro.

Quando a expressão "de paredes finas" é utilizada em ligação com permutadores de calor de placas, ela é empregue para placas com uma espessura inferior a 1 mm. Essas placas finas são necessárias para obter uma transferência de calor eficiente. Para produtos de paredes finas tais como permutadores de calor de placas, é importante ter a relação certa entre a quantidade de boro no material de soldadura e o peso das placas a soldar. A percentagem de boro tem um máximo de 1,5% para evitar a excessiva formação de boretos de crómio, como será descrito em seguida.

Para a soldadura de materiais baseados em ferro, têm-se os materiais de soldadura de Cu ou Ni tradicionalmente utilizados, como mencionado anteriormente. Surpreendentemente, foi agora constatado que se pode partir de um material de base com a mesma composição do material dos objectos que se pretende unir conjuntamente. Ao permitir um tal material com silicio, podem ser obtidos materiais de soldadura com bom funcionamento. Ao estudar diagramas de fase binária para ferro puro e Si, B e P, pode-se verificar que uma liga de Fe-Si possui um ponto de fusão mínimo de 1212°C a cerca de 5

ΕΡ 1 347 859 /PT 19% de Si. Para uma liga de Fe-B, existe um ponto de fusão mínimo a cerca de 1174°C para cerca de 4% de B. No sistema Fe-P existe um ponto de fusão mínimo a cerca de 1048°C a cerca de 10% de P.

Na maior parte dos casos, não são utilizados materiais de ferro puro, mas em vez disso utilizam-se ligas, as quais para além de Fe também contêm quantidades relativamente grandes de Cr e Ni. Em muitas ligas também há Mo, Mn, Cu e N. Tentar estabelecer teoricamente o efeito da adição de quantidades diferentes de silício a essas ligas é quase impossível, dado que o número de dimensões será tão grande quanto o número de elementos na liga.

Para obter uma junta de soldadura, a temperatura de estado líquido do material de soldadura deveria ser inferior a 1220 °C.

Surpreendentemente, foi verificado que a adição de uma quantidade relativamente diminuta de silício pode proporcionar essa diminuição da temperatura de estado líquido e que pode ser assim obtido um material de soldadura adequado.

Na patente US 4516718 é descrito um material de soldadura que contém silício e boro. Nesta patente, a quantidade de boro referida é de cerca de 2 a cerca de 6% para se obter a desejada diminuição da temperatura de estado líquido.

De acordo com o presente invento, é referido que a percentagem de boro deveria ser inferior a 2%. A razão para isto é que o boro, em contraste com o silício, difunde-se muito rapidamente para e no material baseado em ferro a ser soldado. Isto afecta o desempenho do produto soldado. As melhores juntas de soldadura são obtidas se o intervalo entre os elementos a serem unidos for tão pequeno quanto possível. O material de enchimento de solda aplicado cria uma distância entre os elementos a unir devido à espessura do material de enchimento de solda no intervalo. Quando se está a soldar, o material de enchimento de solda funde e será comprimido de lado, permitindo que o intervalo diminua. Em muitos casos, quando se soldam objectos, tal como por exemplo permutadores de calor de placas, o perímetro dos objectos será aquecido 6

ΕΡ 1 347 859 /PT mais rapidamente que o interior dos objectos. Em consequência, também o material de soldadura começa a fundir no perímetro. 0 boro começa a difundir-se e com isso o material de soldadura começa a solidificar, devido à alteração na composição, no perímetro antes do material de soldadura no interior ter fundido. De acordo com o invento proposto, o silício é o elemento utilizado para diminuir o ponto de fusão e o boro apenas numa pequena extensão como um elemento diminuidor do ponto de fusão. Dado que o silício difunde mais devagar que o boro, o tempo de difusão aumenta, de modo que o inerte de soldadura nas partes interiores pode fundir antes das partes exteriores solidificarem. A função do boro é principalmente aumentar a molhabilidade do material de soldadura.

Uma razão adicional para evitar um elevado teor de boro tem lugar quando as ligas de soldadura contêm crómio. Muitos aços inoxidáveis contêm cerca de 17% de Cr. 0 teor de crómio comanda em grande extensão as propriedades de corrosão do aço inoxidável. Se houver crómio no objecto a ser soldado, e boro no material de soldadura, existe o risco de formação de boretos de crómio. Cada átomo de boro liga 3,8 átomos de crómio se a fórmula para o boreto for Cr23B6. Também o facto da relação no peso molecular entre Cr e B ser 52,0/10,8 =4,8 mostra que mesmo pequenas percentagens, e.g. 2-3% de B podem diminuir o teor de crómio em tal extensão que terá efeitos graves sobre a resistência à corrosão. A resistência à corrosão do aço irá diminuir com cada boreto formado. Os boretos de crómio serão mais duros que o material de base e terão também uma forma de agulha. A sua forma pode dar origem a concentração de tensão e, em consequência, à formação de fissuras. O presente invento é de grande valor para a soldadura de diferentes tipos de objectos de aço. Como exemplo, pode ser mencionado aço inoxidável de liga 316. A composição química desta liga é de máx. 2,0% de Mn, 16,5-18% de Cr, 10,0-13,0% de Ni, 2,0-2,5% de Mo, sendo o balanço Fe. De acordo com o invento, prepara-se um material de soldadura com a mesma composição da liga, mas com uma quantidade adequada de Si substituindo a mesma quantidade de Fe em peso. Após o processo de soldadura, o produto soldado terá principalmente 7

ΕΡ 1 347 859 /PT a mesma composição nos objectos soldados que nas juntas de soldadura.

Na Tabela seguinte, mostram-se diferentes exemplos de composições de materiais de soldadura que foram produzidos por fusão numa pequena fornalha sob vácuo. 0 lingote foi depois deixado solidificar no molde.

Tabela 1. Análise de alguns fundidos experimentais

Fundido Fe | %si ;i %Mn ;! %P %b i %Cr í %Mo %lli | 1 Bal i 6 5 1 i 0 l 0 i 17 s 2, 5 1 12 S 2 Bal \ 8 :j i i 0 l 0 1 17 \ 2, 5 1 12 \ 3 Bal | 10 :i 1 i 0 ! o í 17 I 2, 5 i 12 ! 4 Bal 12 :i 1 i 0 o i 17 | 2,5 I 12 j 5 Bal ( 15 ;j 1 1 0 i: 0 i 17 f 2,5 i 12 | 6 Bal 6 ; 1 \ 0 l 1,5 í 17 | 2,5 I 12 ! 7 Bal 6 ; 1 : 3 1 0 1 17 | 2,5 | 12 | 8 Bal i 10 ) 1 , 5 | 17 ! 2, 5 i 20 | A expressão Bal (balanço) remanescente no fundido consiste dos fundidos após o vazamento foi significa que o material em Fe. A actual composição medida e pode ser observada na Tabela 2.

Tabela 2. Percentagens medidas no lingote Fundido i Fe ! %SÍ \ %Mn i %P %B i %Cr : %Mo i %Ni ! ppm O · ! 1 : Bal : 5,86 i 1, 43 17, 1 i 2,45 ; n,9 | 2 i Bal i 8,20 1 1,29 : 17,2 í 2,51 1 n'9 i 3 : Bal : 10,0 | 1,25 i i 17,1 ! 2,46 I 12,0 | (56:57) j 4 ! Bal 1 12,1 ;! 1,20 : : 16,8 i 2,47 1 U'9 : j (31:31) i 5 í: Bal i: 14,7 1,81 i ! 16,6 l 2,54 | 1!,9 | J (38:42) í 6 S Bal S 5,93 \ 1,46 i | 1,20 1 i 16,7 ;j 2,42 1 11'9 1 7 Bal 6,37 1 1,60 : | 3,09 i 17,2 í 2,51 | 11,6 8 1 Bal 10,0 i 1,47 i | 16,4 l 2,54 5 20,5 1 (27:30) : • Duas medições

Foi produzido um pó a partir destes fundidos experimentais e um teste de soldadura foi conduzido através 8

ΕΡ 1 347 859 /PT de uma fornalha sob vácuo. A temperatura máxima na fornalha foi de cerca de 1190°C. Os espécimens foram examinados visualmente para uma determinação, se a liga tinha ou não fundido, se tinha atingido e passado a temperatura de estado sólido, ou se tinha fundido completamente, se tinha atingido a temperatura de estado liquido.

Tabela 3. Determinação visual das propriedades sólidas e liquidas após soldadura de teste a 1190°C numa fornalha sob vácuo

Fundido > Sólido > Liquido ; i 1 Sim | Não ; ! 2 Sim Próximo ! 3 Sim Sim ou próximo : i 4 Sim i Sim ; í 5 Sim | Sim 6 Sim ;; Não 7 Sim Não 8 Sim I Próximo

Como se pode observar na Tabela, os fundidos 2-5 e 8 indicam que o material pode ser adequado para material de soldadura a uma temperatura de soldadura inferior a 1200°C.

As Figuras anexas mostram como os fundidos 2,3 e 5 foram examinados para medição do intervalo de fusão num equipamento de DTA (Análise térmica diferencial). A medição é realizada por aquecimento do material em duas etapas, desde a temperatura ambiente até uma temperatura de 900°C e depois até uma temperatura máxima de 1300°C. O material é depois arrefecido até uma temperatura de 900°C. O aquecimento e arrefecimento são repetidos duas vezes. Os picos, que se sobrepõem e apontam para baixo no diagrama, mostram a quantidade de calor necessária para conseguir a fusão. A extensão do pico constitui uma medida do intervalo de fusão da liga estudada. A Fig. 1 mostra a curva de DTA para o fundido n.° 2, a Fig. 2 mostra a mesma curva para o fundido n.° 3 e a Fig. 3 para o fundido n.° 5. 9

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Como se pode observar nos desenhos, o intervalo de fusão para uma liga com cerca de 9% de Si é de 1154-1197°C (Fig. 1), para uma liga com 10% de Si, de 1145-1182°C (Fig. 2) e para uma liga com 15% de Si, de 1142-1177°C (Fig. 3). A precisão do intervalo de fusão, ou desvios do valor que foi medido, não depende apenas de diferenças na composição média. Para além da microestrutura do material, o teor de contaminantes também é importante. Os elementos habitualmente contaminantes são C, O, S e N. A uma percentagem de O mais elevada, o Si é ligado quimicamente durante o processo de produção, o que significa que a percentagem de Si dissolvida e eficaz é reduzida. Isto significa que a temperatura de estado liquido e a temperatura de estado sólido aumentam. A percentagem de carbono influencia a temperatura de fusão de tal modo que um teor de C mais elevado normalmente proporciona um intervalo de fusão mais baixo (temperaturas de estado sólido e de estado liquido mais baixas), mas as propriedades de corrosão por exemplo são influenciadas de um modo negativo quando se solda um material baseado em ferro, como por exemplo a liga 316. Variações das temperaturas de estado sólido e de estado liquido de ±10°C não são incomuns. A precisão do valor também está dependente do instrumento de medição e do método utilizado para a análise. Uma incerteza de ±20°C para as temperaturas de estado líquido e de estado sólido é normal para ligas em que é comum uma análise com o método de DTA. O material de soldadura de acordo com o invento é produzido adequadamente na forma de um pó. O pó pode ser fabricado produzindo um lingote, o qual é posteriormente triturado e moído. A natureza quebradiça do material é aproveitada por este processo de fabrico. A desvantagem com a fundição de um lingote é que um certo risco de segregação pode dar origem a um material não homogéneo, com um intervalo de fusão que é difícil de definir ou que é amplo. Para lingotes mais pequenos e/ou um arrefecimento rápido, o risco de segregação é reduzido. Na fundição de lingotes é importante minimizar o contacto com o ar, utilizando fundição sob vácuo 10

ΕΡ 1 347 859 /PT ou fundição com um gás protector. Como consequência do tratamento mecânico, o teor energético do material de soldadura aumenta e com isso a sua reactividade.

Processos de fabrico adicionais para produzir um pó com uma composição homogénea consistem em atomização com água ou gás. As propriedades do pó variam com o processo de fabrico. As partículas trituradas e moídas são angulares e pontiagudas, as atomizadas com água são nodulares e as atomizadas com gás são quase esféricas. Esta diferença na forma das partículas dá ao material de soldadura propriedades algo variáveis quando é utilizado para soldadura. Ao escolher diferentes processos de atomização e trituração/moagem combinados com peneiração, a distribuição do tamanho de partícula pode ser controlada. Na atomização com água, o teor de oxigénio será geralmente maior dado que a atomização com água ocorre a um maior potencial de oxigénio que a atomização com gás. Um teor de oxigénio mais elevado pode dar origem à formação de óxidos de Si no material, o que pode ter uma influência negativa nas propriedades mecânicas da junta de soldadura. A percentagem de Si eficaz no material de soldadura será consequentemente mais baixa, o que significa que o intervalo de fusão irá ser deslocado.

Tabela 4. Outras composições desenvolvidas

Composição %Fe %Si %Mn %P i %B i %N %Cr %Mo %Ni > Sólido > Líquido 9 Bal 12,2 1,5 18 0,3 8 Sim Sim 10 Bal 18,1 1,2 0 0 Sim Sim 11 Bal 8 1,5 ! 0,5 I _ 2,2 11 Sim Sim 12 Bal 5 1, 5 5 ; i _ 2,2 11 Sim Sim 13 Bal 7,8 0,45 j i 0,2 20 6,1 18 Sim Sim 14 Bal 13 0,7 13 0 0 Sim Sim

As ligas com composição 9-12 foram soldadas a uma temperatura de 1190°C e as ligas com composição 13-14 foram soldadas a 1215°C. 0 material de soldadura de acordo com o invento pode ser aplicado nos locais em que se deseja uma junta de soldadura por meio de processos diferentes. Um pó do material de soldadura fabricado através de qualquer dos processos 11

ΕΡ 1 347 859 /PT descritos pode ser suspenso num qualquer ligante para ser aplicado de qualquer modo adequado.

Lisboa,

Claims

ΕΡ 1 347 859 /PT 1/2 REIVINDICAÇÕES 1. Material de soldadura baseado em ferro, que compreende uma liga que contém (i) 9 a 30% em peso de Cr; (ii) 0 a 5% em peso de Mn; (iii) 0 a 25% em peso de Ni; (iv) 0 a 7% em peso de Mo; (v) 0 a 1% em peso de N; (vi) 6 a 20% em peso de Si, numa quantidade eficaz para diminuir a temperatura à qual o material de soldadura está completamente fundido; (vii) opcionalmente, microelementos de liga seleccionados de V, Ti, w, Al, Nb ou Ta; e (viii) estando B presente numa quantidade inferior a 1,5% em peso, ou estando P presente numa quantidade inferior a 15% em peso; e (ix) sendo a liga equilibrada com Fe, e pequenas quantidades inevitáveis de elementos contaminantes tais como C, O e S.
2. Material de soldadura de acordo com a reivindicação 1, em que a liga inclui 7 a 16% em peso de Si.
3. Material de soldadura de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que a liga inclui de 8 a 12% em peso de Si.
4. Material de soldadura de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que a liga é produzida por atomização com gás ou atomização com água ou extrusão em fusão.
5. Produto que compreende componentes feitos de um material baseado em ferro e soldado juntamente com um material de soldadura de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 4.
6. Produto de acordo com a reivindicação 5, em que o material baseado em ferro dos componentes soldados juntamente com o material de soldadura compreende no máximo 2% em peso de Mn, 16,5-18% de Cr, 10,0-13,0% em peso de Ni, 2,0-2,5% em peso de Mo, sendo equilibrado com Fe e pequenas quantidades ΕΡ 1 347 859 /PT 2/2 inevitáveis de elementos contaminantes.
7. Produto de acordo com a reivindicação 5 ou 6, em que os componentes são placas de permutadores de calor, sendo o produto um permutador de calor de placas destinado a pelo menos dois meios de permuta térmica e compreendendo pelo menos um conjunto de placas incluindo várias placas de permutador de calor de paredes finas de um material baseado em ferro soldado juntamente com o material de soldadura nas juntas de soldadura possuindo uma composição metalúrgica próxima da, e com uma maior quantidade de Si que a, composição do material de placa baseado em ferro.
8. Processo de soldadura de componentes feitos de um material baseado em ferro através da utilização de um material de soldadura baseado em ferro, em que o material de soldadura consiste numa . liga, a qual contém (i) 9 a 30% em peso de Cr; (ii) 0 a 5% em peso de Mn; (iii) 0 a 25% em peso de Ni; (iv) 0 a 7% em peso de Mo; (v) 0 a 1% em peso de N; (vi) 6 a 20% em peso de Si, diminuir a temperatura à qual o material de soldadura está completamente fundida; (vii) opcionalmente, microelementos de liga seleccionados de V, Ti, W, Al, Nb ou Ta; e (viii) estando B presente numa quantidade inferior a 1,5% em peso, ou estando P presente numa quantidade inferior a 15% em peso; e (ix) sendo a liga equilibrada com Fe, e pequenas quantidades inevitáveis de elementos contaminantes tais como C, 0 e S. Lisboa