BR112017006063B1

BR112017006063B1 - Aço inoxidável austenítico, resistente ao aquecimento, possuindo excelentes propriedades de fadiga térmica e componentes de exaustão feitos com o mesmo

Info

Publication number: BR112017006063B1
Application number: BR112017006063-9A
Authority: BR
Inventors: Hirofumi Kimura; Tomonori NAMITO; Susumu Katsuragi; Junji Hayakawa
Original assignee: Hitachi Metals, Ltd
Priority date: 2014-10-03
Filing date: 2015-10-05
Publication date: 2021-06-01
Also published as: US10815555B2; JPWO2016052750A1; KR102453685B1; JP6481692B2; CN107075633A; EP3202939B1; WO2016052750A1; EP3202939A4; BR112017006063A2; CA2963369C; CA2963369A1; KR20170063709A; US20170298489A1; EP3202939A1; CN107075633B; MX2017004302A

Abstract

a presente invenção refere-se a um aço inoxidável austenítico resistente ao aquecimento que possui excelentes propriedades de fadiga térmica, caracterizado pelo fato de compreender em massa 0,3-0,6% de c, 0,5-3% de si, 0,5-2% de mn, 15-30% de cr, 6-30% de ni, 0,6-5% de nb, 0,01-0,5% de n, e 0,01-0,5% de s, c/n sendo 4-7 e o restante sendo fe e impurezas inevitáveis; e uma proporção a/b de índice a de formação de carboneto de cr para um índice b de formação de carboneto de nb sendo de 0,6 a 1,7, em que a e b são expressos pela fórmula (1) de a = 8,5c ? nb +0,05cr + 0,65 ni ? 5 e a fórmula (2) de b = 7,8nb.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção refere-se a um aço inoxidávelaustenítico, resistente ao aquecimento, que possui excelentes propriedades de fadiga térmica adequado para componentes de exaustão, particularmente para carcaças de turbina, etc. de automóveis e um componente de exaustão feito com ele.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[0002] Com o propósito de reduzir a carga ambiental e anecessidade de proteção ambiental em escala global, a limpeza de gases de exaustão para redução da emissão de materiais poluentes do ar e o aperfeiçoamento da eficiência do combustível (baixo consumo de combustível) para suprimir a emissão de CO2, uma causa do aquecimento global, são muito necessários em automóveis. Para esse propósito, várias tecnologias tais como o desenvolvimento de motores com melhor desempenho e uso eficiente do combustível, a limpeza dos gases de exaustão, a redução de peso das carrocerias, a redução da resistência ao ar das carrocerias, a transmissão eficiente de energia dos motores para os sistemas de direção com pouca perda, etc. têm sido desenvolvidas e empregadas.

[0003] Tecnologias para fornecer motores com alto desempenho eeficiência aperfeiçoada do uso de combustível incluem a injeção direta de combustível, a alta pressão da injeção de combustível, aumento nas taxas de compressão, diminuição dos deslocamentos pelos turbo- compressores, a redução do peso e do tamanho dos motores (downsizing). etc. e são usadas não apenas em carros de luxo, mas também em carros populares. Como resultado, a combustão do combustível tende a ocorrer em temperaturas e pressões mais elevadas, resultando em gases de exaustão em temperatura elevada descarregados das câmaras de combustão dos motores para os componentes de exaustão. Por exemplo, as temperaturas do gases de exaustão são de 1000°C ou até maiores nos carros populares, carros esportivos de luxo, tal que as temperaturas da superfície dos componentes de exaustão tendem a exceder 900°C. Como os componentes de exaustão expostos a gases oxidantes em alta temperatura são submetidos a ciclos repetidos de aquecimento/resfriamento pela partida e parada dos motores em um ambiente de oxidação mais severo do que nunca, é necessário que eles tenham uma resistência ao aquecimento e uma durabilidade maiores do que nunca.

[0004] Componentes de exaustão tais como carcaças de turbina,coletores de escape, etc., usados para automóveis têm sido convencionalmente formados com moldes com grande diversidade de formas devido às suas formas complicadas. Adicionalmente, devido às severas condições de uso em altas temperaturas, ferro fundido resistente ao aquecimento tal como ferro fundido rico em Si, ferro fundido com grafite esferoidal e ferro fundido resistente ao Ni (ferro fundido austenítico contendo Ni-Cr), ferro fundido ferrítico resistente ao aquecimento, ferro fundido austenítico resistente ao aquecimento, etc., são usados. Particularmente, quando os componentes de exaustão possuem temperaturas superficiais de 900°C ou mais, seus materiais são aço inoxidável ferrítico resistente ao aquecimento ou aço inoxidável austenítico resistente ao aquecimento.

[0005] Entretanto, como os aços inoxidáveis ferríticos resistentesao calor geralmente possuem pouca resistência à alta temperatura em 900°C ou mais, eles não são adequadamente usados em uma faixa de temperatura que exceda 950°C. Materiais capazes de resistir a temperaturas elevadas mais do que os aços inoxidáveis ferríticos resistentes ao calor são os aços inoxidáveis austeníticos resistentes ao calor. Por exemplo, WO 2005/103314 propõe um aço inoxidável austenítico rico em Cr, rico em Ni, resistente ao aquecimento que compreende em massa 0,2-1,0% de C, 3% ou menos de Si, 2% ou menos de Mn, 15-30% de Cr, 6-30% de Ni, 0,5-6% (como W + 2Mo) de W e/ou Mo, 0,5-5% de Nb, 0,23% ou menos de Al, 0,01-0,5% de N, 0.5% ou menos de S e 0,07% ou menos de O, sendo o restante substancialmente Fe e as impurezas inevitáveis. Como esse aço inoxidável austenítico resistente ao aquecimento tem um limite de elasticidade em alta temperatura, resistência à oxidação e alongamento em temperatura ambiente elevada, assim como excelentes propriedades de fadiga térmica, particularmente quando expostos a um gás de exaustão em alta temperatura a 1000°C ou mais, ele é adequado para componentes de exaustão, etc., para motores de automóveis.

[0006] É necessário que os componentes de exaustão sejamadaptados para a elevação de temperatura e oxidação por gases descarregados pelos motores e para condições de uso severas. Por exemplo, em um tratamento de limpeza de gás de exaustão (tratamento para a remoção de substancias nocivas, etc., de um gás de exaustão por um catalisador ou filtro em um equipamento de limpeza de gás de exaustão), o desempenho da limpeza pode ser aumentado pelo aquecimento rápido do catalisador para ativação depois que o motor começa a funcionar ou pelo fornecimento de um gás de exaustão para o catalisador ou filtro uniformemente. Para a ativação rápida de um catalisador, um gás de exaustão que flui através do componente de exaustão deve sofrer pouca diminuição de temperatura, ou seja, o calor de um gás de exaustão deve ser dissipado o mínimo possível. Consequentemente, é necessário que o componente de exaustão seja fino para ter massa térmica pequena (capacidade térmica) em sua via de fluxo de gás de exaustão. Entretanto, um componente de exaustão mais fino sofre mais elevação de temperatura por um gás de exaustão.

[0007] Uma tendência recente para reduzir o deslocamento domotor pelos turbo-compressores e o tamanho e o peso dos motores tornam o ambiente de uso dos componentes de exaustão mais severo. Motores pequenos são acompanhados por componentes de exaustão menores. Como os componentes de exaustão são feitos mais finos para o tratamento de limpeza de gás de exaustão acima e como componentes de exaustão menores possuem menor massa térmica como um todo os componentes de exaustão tendem a sofrer maior elevação de temperatura.

[0008] O aumento na quantidade de gás de admissão pelosupercarregamento pelos turbocompressores resulta em um aumento na quantidade de um gás de exaustão, o que aumenta o fluxo de calor adicionado ao componente de exaustão. Como resultado, a elevação da temperatura (velocidade de elevação da temperatura) do componente de exaustão na unidade de tempo aumenta. Como o componente de exaustão tem porções finas e porções grossas, assim como uma forma complicada incluindo porções em contato com o gás de exaustão e aquelas que não contatam o gás de exaustão, é gerada uma diferença de temperatura no componente de exaustão, através do qual um gás de exaustão passa. Em geral em um componente de metal submetido à diferença de temperatura, ou seja, ao estresse térmico por um gradiente de temperatura, rachaduras tendem a aparecer. O fluxo de calor aumentado pelo supercarregamento leva a uma maior velocidade de elevação da temperatura de um componente de exaustão, tal que aumenta o gradiente de temperatura no componente de exaustão. Um gradiente de temperatura mais amplo leva a um estresse térmico maior, tal que o componente de exaustão tende a ser rachado ou quebrado. O aumento no gradiente de temperatura de um componente de exaustão se torna maior já que a pressão do supercarregamento ou a eficiência do supercarregamento se tornam maiores.

[0009] Portanto, componentes de exaustão de um automóveldevem ser adaptados à elevação da temperatura e a oxidação pelos gases de exaustão, a elevação de temperatura devida ao afinamento e diminuição da massa térmica, um gradiente de temperatura mais amplo pelo fluxo de calor aumentado, etc. Especificamente, quando os componentes da exaustão são expostos aos gases de exaustão em temperaturas tão altas quanto 950-1100°C, as temperaturas doe componentes de exaustão per se, são elevadas para 950-1050°C, próximas de 1000°C. Os componentes de exaustão devem ter resistência térmica e durabilidade excelentes em tais altas temperaturas. Para atingir esse requisito, é necessário que os materiais que formam os componentes de exaustão tenham propriedades de fadiga térmica, resistência a oxidação, resistência em alta temperatura, flexibilidade (alongamento), etc. excelentes. Embora o aço inoxidável austenítico, resistente ao aquecimento do WO 2005/103314 seja contemplado para ser usado em componentes de exaustão expostos a gases de exaustão em 1000°C ou mais, ainda é insuficiente para uso nos componentes de exaustão expostos às condições severas acima e suas propriedades de fadiga térmica necessitam particularmente de aperfeiçoamento.

OBJETIVO DA INVENÇÃO

[00010] Consequentemente, um objetivo da presente invenção é fornecer um aço inoxidável austenítico, resistente ao aquecimento que possui propriedades de fadiga térmica excelentes, próximo de 1000°C e um componente de exaustão tal como uma carcaça de turbina feita desse aço inoxidável austenítico, resistente ao aquecimento.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[00011] Como resultado de intensa pesquisa sobre uma variedade de composições de aço inoxidável austenítico, resistente ao aquecimento com propriedades de fadiga térmica drasticamente aperfeiçoadas. A presente invenção foi finalizada.

[00012] Portanto, o aço inoxidável austenítico resistente ao aquecimento da presente invenção que possui propriedades de fadiga térmica excelentes compreende, em massa:0,3-0,6% de C,0,5-3% de Si,0,5-2% de Mn,15-30% de Cr,6-30% de Ni,0,6-5% de Nb,0,01-0,5% de N, e0,01-0,5% de S,uma relação de quantidade de C/N de C para N sendo 4-7, o restante sendo Fe e impurezas inevitáveis; euma proporção A/B de índice A de formação de carboneto de Cr para um índice B de formação de carboneto de Nb expressa pelas seguintes fórmulas (1) e (2):A = 8,5C - Nb +0,05Cr + 0,65 Ni - 5 (1) eB = 7,8Nb (2),em que o símbolo de um elemento em cada fórmula representa seu teor (% em massa), sendo de 0,6 - 1,7.

[00013] O aço inoxidável austenítico, resistente ao aquecimento da presente invenção contém ainda, preferivelmente, 0,005 a 0,5% em massa de Zr. Na estrutura do aço inoxidável austenítico resistente ao aquecimento que contém Zr, o número de partículas de nitrito de Zr que possui diâmetros circulares equivalentes de 0,15 μm ou mais é de preferivelmente 20 a 150 por área de um campo de 0,25 mm2.

[00014] O aço inoxidável austenítico, resistente ao aquecimento da presente invenção tem, preferivelmente, um período de fadiga de 1500 ciclos ou mais, quando medido por um teste de fadiga de baixo ciclo, em alta temperatura, que adiciona e remove cargas de tensão elástica e tensão de compressão sob condições de uma temperatura de teste de 900°C, uma amplitude de tensão de 0,5%, uma velocidade de aplicação de tensão de 0,1%/segundo e um tempo de manutenção de compressão de 1 minuto.

[00015] O componente de exaustão da presente invenção é feito com o aço inoxidável austenítico, resistente ao aquecimento acima, que possui propriedades de fadiga térmica excelentes. Exemplos desse componente de exaustão incluem uma carcaça de turbina, um coletor de escape, uma carcaça de turbina integrada com um coletor de escape, uma caixa de catalisação, uma caixa de catalisação integrada a um coletor de escape e uma saída de exaustão.

EFEITOS DA INVENÇÃO

[00016] Como o aço inoxidável austenítico, resistente ao aquecimento da presente invenção tem excelente resistência térmica e durabilidade, assim como boas propriedades de fadiga térmica em aproximadamente 1000°C, componentes de exaustão tais como carcaças de turbina feitos com ele podem ser usados sob condições de temperatura tão severas quanto próximo de 1000°C.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DAS FIGURAS

[00017] A Fig. 1 é uma microfotografia eletrônica de uma peça de teste do Exemplo 35.

DESCRIÇÃO DAS MODALIDADES PREFERIDAS

[00018] Aço inoxidável austenítico, resistente ao aquecimento

[00019] O aço inoxidável austenítico, resistente ao aquecimento da presente invenção será explicado em detalhes abaixo. As quantidades dos elementos que constituem o aço inoxidável resistente ao aquecimento são expressas em “% em massa”, a menos que mencionado de outra maneira.

[00020] (A) Composição

[00021] (1) C (carbono): 0,3 a 0,6%

[00022] C aperfeiçoa a fluidez de uma massa fundida, a moldabilidade fornece uma solução parcialmente sólida que reforça uma matriz e forma carbonetos para aperfeiçoar a e resistência em alta temperatura. Para exibir tais funções efetivamente, o teor de C deve ser de 0,3% ou mais. Entretanto, mais do que 0,6% de C gera excesso de carbonetos, fornecendo um aço inoxidável resistente ao aquecimento com baixas propriedades de fadiga térmica, usinabilidade e ductilidade. Consequentemente, o teor de C é de 0,3 a 0,6%. O limite inferior do teor de C é de preferivelmente 0,35%, mais preferivelmente 0,4%. O limite superior do teor de C é de preferivelmente 0,55%, mais preferivelmente 0,5%.

[00023] (2) Si (silício): 0,5 a 3%

[00024] Si é um elemento que atua como desoxidante de umamassa fundida e, efetivamente, aperfeiçoa a resistência à oxidação e, portanto, as propriedades de fadiga térmica. Para obter tais funções. o teor de Si deve ser de 0,5% ou mais. Entretanto, Si em excesso torna a estrutura de austenita instável, fornecendo um aço inoxidável resistente ao aquecimento como moldabilidade deteriorada e ainda pouca usinabilidade, devido ao endurecimento. Portanto, o teor de Si deve ser de 3% ou menos. O limite inferior do teor de Si é de preferivelmente 0,8%, mais preferivelmente 1%. O limite superior do teor de Si é de preferivelmente 2%, mais preferivelmente 1,6%.

[00025] (3) S (enxofre): 0,01 a 0,5%

[00026] S é combinado com Mn e Cr para formar sulfetos tais como MnS, (Mn/Cr)S, etc, cuja função de lubrificação aperfeiçoa a usinabilidade do aço inoxidável resistente ao aquecimento. Para obter esse efeito, S deve estar em 0,01% ou mais. Entretanto, mais do que 0,5% de S tendem a deteriorar a resistência e a ductilidade do aço inoxidável resistente ao aquecimento e fornecer um aço inoxidável resistente ao aquecimento com propriedades de fadiga térmica baixas devido aos sulfetos formados em excesso. Consequentemente, o teor de S é de 0,01 a 0,5%. O limite inferior do teor de S é de preferivelmente 0,05%, mais preferivelmente 0,1%. O limite superior do teor de S é de preferivelmente 0,3%, mais preferivelmente 0,2%.

[00027] (4) Mn (manganês): 0,5 a 2%

[00028] Mn é eficaz como um desoxidante de uma massa fundida como Si e, combinado com S para formar sulfetos tais como MnS, aperfeiçoa dessa maneira a usinabilidade do aço inoxidável resistente ao aquecimento. Para exibir esses efeitos, o teor de Mn deve ser de 0,5% ou mais. Entretanto, como Mn em excesso deteriora a resistência à oxidação do aço inoxidável resistente ao aquecimento, o teor de Mn deve ser de 2% ou menos. Portanto, o teor de Mn é de 0,5 a 2%. O limite inferior do teor de Mn é de preferivelmente 0,7% e o limite superior do teor de Mn é de preferivelmente 1,3%.

[00029] (5) Cr (cromo): 15 a 30%

[00030] Cr é um elemento eficaz para a austenitização da estrutura do aço inoxidável resistente ao aquecimento junto com o Ni descrito abaixo, aumentando dessa maneira a resistência térmica (resistência em alta temperatura e resistência à oxidação) do aço inoxidável resistente ao aquecimento. Para exibir o efeito de melhora da resistência térmica, particularmente em altas temperaturas próximas de 1000°C, Cr deve estar em 15% ou mais. Entretanto, Cr é um elemento de cristalização de carboneto de Cr com base em Cr23C6 e Cr7C3. Como o carboneto de Cr não se ajusta, cristalograficamente, em uma matriz de austenita, há um enfraquecimento eutético dos limites entre o carboneto de Cr e a austenita, que atua como via de propagação de rachaduras. Quando o teor de Cr é maior do que 30% uma grande quantidade de carboneto de Cr é cristalizada, tendendo a acelerar a propagação de rachaduras, fornecendo dessa maneira o aço inoxidável resistente ao aquecimento com propriedades de fadiga térmica e ductilidade extremamente baixas. Por outro lado, quando Cr em excesso está contido, a ferrita é cristalizada na estrutura, resultando em baixa resistência em alta temperatura. Portanto, o teor de Cr é de 15 a 30%. O limite inferior do teor de Cr é de preferivelmente 20%, mais preferivelmente 24%. O limite superior do teor de Cr é de preferivelmente 28%, mais preferivelmente 26%.

[00031] (6) Ni (níquel): 6 a 30%

[00032] Ni é um elemento que forma austenita, que estabiliza a estrutura da austenita do aço inoxidável resistente ao aquecimento, aumenta a resistência à alta temperatura e a resistência à oxidação do aço inoxidável resistente ao aquecimento junto com o Cr e aperfeiçoa a moldabilidade de componentes de exaustão finos que possuem formas complicadas. Para exibir tais funções, o teor de Ni deve ser de 6% ou mais. Entretanto, quando mais do que 30% de Ni estão presentes, a quantidade aumentada de Ni dissolvida na matriz diminui o limite de solução sólida de C na matriz, resultando na excessiva cristalização de carboneto de Cr, fornecendo dessa maneira o aço inoxidável resistente ao aquecimento com propriedades de fadiga térmica baixas. Em adição, mesmo quando mais do que 30% de Ni está contido, os efeitos de aperfeiçoamento das propriedades acima são saturados, levando a apenas desvantagens econômicas devido ao alto custo do elemento. Consequentemente, o teor de Ni é de 6 a 30%. O limite inferior do teor de Ni é de preferivelmente 10%, mais preferivelmente 11%. O limite superior do teor de Ni é de preferivelmente 25%, mais preferivelmente 22%.

[00033] (7) Nb (nióbio): 0,6 a 5%

[00034] Nb é combinado com C mais predominantemente do que Cr, para formar carboneto de Nb fino, suprimindo dessa maneira a cristalização de carboneto de Cr e indiretamente aperfeiçoando a resistência em alta temperatura e as propriedades de fadiga térmica do aço inoxidável resistente ao aquecimento. Adicionalmente, Nb forma carboneto eutético com austenita, aperfeiçoando a moldabilidade, que é importante na produção de moldes finos com formas complicadas tais como componentes de exaustão. Para tal finalidade, a quantidade de Nb deve ser de 0,6% ou mais. Por outro lado, quando Nb excede 5%, uma grande quantidade de carboneto eutético duro é formada nos limites do grão cristalino, fornecendo o aço inoxidável resistente ao aquecimento com resistência à alta temperatura e propriedades de fadiga térmica baixas e com ductilidade extremamente reduzida devido à fragilidade. Adicionalmente, como Nb em excesso forma partículas finas de carboneto de Nb e colônias de carboneto eutético densamente agregado com austenita, tornando a aço inoxidável resistente ao aquecimento menos resistente à oxidação. Consequentemente, o teor de Nb é de 0,6 a 5%. O limite inferior do teor de Nb é de preferivelmente 0,8%. O limite superior do teor de Nb é de preferivelmente 3%, mais preferivelmente 2,2%.

[00035] (8) N (nitrogênio): 0,01 a 0,5%

[00036] N é um forte elemento de formação de austenita,estabilizando a matriz de austenita do aço inoxidável resistente ao aquecimento para aperfeiçoar a resistência à alta temperatura. N também é um elemento eficaz para fazer grãos de cristal mais finos em moldes de formas complicadas, para os quais a forja ou a laminação para fazer grãos de cristais mais finos não podem ser realizadas. Com a presença de N, os grãos de cristal se tornam mais finos, aperfeiçoando dessa amaneira a ductilidade e a usinabilidade do aço inoxidável resistente ao aquecimento. Como N também torna a velocidade de difusão de C menor, a agregação dos carbonetos precipitados é retardada, evitando eficazmente dessa amaneira que as partículas de carboneto se tornem maiores e assim prevenindo a fragilização. Para obter tais efeitos, o teor de N deve ser de 0,01% ou mais. Entretanto, mais do que 0,5% de N diminui o limite de solução sólida de C na matriz, como Ni, resultando na cristalização excessiva de carboneto de Cr e, dessa maneira, fornecendo o aço inoxidável resistente ao aquecimento com propriedades de fadiga térmica baixas. Quando N está contido em uma quantidade de mais do que 0,5%, o N é dissolvido na matriz em uma grande quantidade, tornando o aço inoxidável resistente ao aquecimento duro e combinado com Cr e Al para precipitar grandes quantidades de nitritos frágeis, duros tais como Cr2N, AIN, etc., fornecendo dessa maneira o aço inoxidável resistente ao aquecimento com resistência à alta temperatura e ductilidade baixas. Além disso, B em excesso acelera a geração de defeitos causados pelo gás tais como orifícios, áreas ocas, etc., durante a moldagem, deteriorando dessa maneira o rendimento da moldagem. Consequentemente, o teor de N é de 0,01 a 0,5%. O limite inferior do teor de N é de preferivelmente 0,05%, mais preferivelmente 0,06%. O limite superior do teor de N é de preferivelmente 0,4%, mais preferivelmente 0,2%.

[00037] (9) C/N: 4 a 7

[00038] A otimização de uma proporção de C/N é uma medida de controle da cristalização de carbonitritos. Ambos C e N, elementos intersticiais, estão dissolvidos na matriz, fornecendo uma matriz de austenita estável para uma resistência a alta temperatura aperfeiçoada. Adicionalmente, como C e N são fixados pela dissolução na matriz para formar uma solução sólida, as quantidades de carbonitritos cristalizados nos limites dos grãos em uma diminuição final do estágio de solidificação, suprimindo a diminuição das propriedades de fadiga térmica. Particularmente, no aço inoxidável resistente ao aquecimento da presente invenção que possui uma grande quantidade de Cr, carbonetos de Cr planares ou em forma de rede, baseados em Cr23C6 e Cr7C3, são cristalizados nos limites do grão, resultando em propriedades de fadiga térmica extremamente deterioradas. Consequentemente, C é desejavelmente dissolvido como uma solução sólida na matriz o máximo possível. A fim de que C seja dissolvido como uma solução sólida na matriz, ele pode ser contemplado para reduzir o teor de N o máximo possível, mas N deve existir em uma quantidade apropriada no aço inoxidável resistente ao aquecimento da presente invenção para aperfeiçoar a ductilidade e a usinabilidade por tornar os grãos de cristal de austenita mais finos e para evitar efetivamente a fragilização, evitando que o carboneto precipitado se torne maior. Com C e N contidos nas quantidades apropriadas, a otimização de C/N é eficaz para acelerar a formação de uma solução sólida de C na matriz. Com C/N otimizados, o limite da solução sólida de C pode ser elevado enquanto são mantidos os efeitos da adição de N.

[00039] Quando a quantidade de C é pequena em relação àquela de N (C/N pequena), uma grande quantidade de N é dissolvida como uma solução sólida na matriz, diminuindo o limite de solução sólida de C. Como resultado, uma grande quantidade de carboneto de Cr é cristalizada, resultando em propriedades de fadiga térmica baixas. Para obter boas propriedades de fadiga térmica, C/N deve ser 4 ou mais. Por outro lado, quando a quantidade de C é grande em relação àquela de N (C/N grande), uma grande quantidade de C é dissolvida como uma solução sólida na matriz, diminuindo o limite de N na solução sólida. Como N tem um efeito maior de estabilização de uma matriz de austenita do que aquele do C, a supressão da formação de uma solução sólida de N resulta em baixa resistência em alta temperatura. Para obter uma boa resistência em alta temperatura, C/N deve ser de 7 ou menos. Portanto, C/N é 4 a 7. Preferivelmente C/N é de 5 a 6.

[00040] (10) A/B: 0,6 a 1,7

[00041] Na presente invenção, em adição a satisfazer a faixa de cada elemento na composição acima, uma proporção de A/B de um índice A de formação de carboneto de Cr para um índice B de formação de carboneto de Nb expresso pelas seguintes fórmulas (1) e (2):A = 8,5C - Nb + 0,05Cr + 0,65Ni - 5 ... (1), e

[00042] B = 7,8Nb ... (2),

[00043] em que o símbolo de um elemento em cada fórmula representa seu teor (% em massa), é preferivelmente de 0,6 a 1,7.

[00044] Na fórmula (1), o índice A de formação de carboneto de Cr indica que a tendência à cristalização de carboneto de Cr se torna maior (mais carboneto de Cr) conforme as quantidades de C, Cr e Ni se tornam maiores e menor (menos carboneto de Cr) conforme a quantidade de Nb se torna maior. Na fórmula (2), o índice B de formação de carboneto de Nb indica que a tendência de cristalização do carboneto de Nb se torna maior (mais carboneto de Nb) proporcionalmente ao aumento do teor de Nb.

[00045] As quantidades de carboneto de Cr e carboneto de Nb cristalizadas são alteradas pelas quantidades de C, Cr, Ni e Nb e quando suas cristalizações são substancialmente iguais, as propriedades de fadiga térmica estão no seu máximo. Consequentemente, A/B maior leva a uma pequena quantidade de C fixado pelo Nb, resultando em uma maior quantidade cristalizada de carboneto de Cr e, assim a propriedades de fadiga térmica e ductilidade menores. Por outro lado, A/B menor leva a uma maior quantidade cristalizada de carboneto de Nb, apesar da menor quantidade cristalizada de carboneto de Cr, resultando em propriedades de fadiga térmica, resistência a alta temperatura e ductilidade menores. Para obter boas propriedades de fadiga térmica, A/B está preferivelmente entre 0,6 a 1,7, mais preferivelmente 0,7 a 1,3, o mais preferivelmente 0,8 a 1,2.

[00046] Para a obtenção da faixa desejada de A/B, o teor de Nb é preferivelmente ajustado dependendo do teor de Ni. Por exemplo, o teor de Nb é desejavelmente de 0,6 a 1% quando o teor de Ni é de 10%, 0,75 a 1,2% quando o teor de Ni é de cerca de 13% e 1,3 a 2% quando o teor de Ni é de cerca de 20%.

[00047] (11) Zr (zircônio): 0.005 a 0,5%

[00048] O aço inoxidável austenítico, resistente ao aquecimento da presente invenção, contendo Zr, tem uma estrutura na qual as partículas de carboneto de Cr, partículas de carboneto de Nb, partículas de sulfeto, tais como MnS e partículas de nitrito de Zr, estão dispersas em uma matriz de austenita composta por grãos de cristal fino. Particularmente, quando as partículas de nitrito de Zr que possuem diâmetros circulares equivalentes de 1,5 μm ou mais estão contidas em um número de 20 a 150 por área de campo de 0,25 mm2, o aço inoxidável resistente ao aquecimento tem uma matriz reforçada, tendo dessa maneira propriedades de fadiga térmica aperfeiçoadas.

[00049] Como óxidos, nitritos e carbonetos tais como ZrO2, ZrN, ZrC, etc., formados pelo Zr contido estão dispersos na matriz do aço inoxidável resistente ao aquecimento, para atuar como núcleos que formam carboneto de Nb e sulfetos tais como MnS, o carboneto de Nb e os sulfetos tais como MnS estão finamente dispersos. É presumido que a dispersão fina de carboneto de Cr cristalizada em um estágio final de solidificação não seja causada pelos núcleos de formação de ZrO2, ZrN, ZrC, etc., mas indiretamente causada pelo carboneto de Nb finamente disperso cristalizado em um estágio precoce de solidificação e grãos finos de cristal de austenita.

[00050] Quando Zr não está presente, uma grande quantidade de carboneto de Nb eutético e de austenita é formada densamente em forma de uma colônia ou lamelar. Quando o carboneto de Nb, que tem uma acentuada tendência oxidante é densamente cristalizado, as partículas de carboneto de Nb estão muito próximas umas das outras, provavelmente tornando vulnerável à oxidação. Como resultado, o aço inoxidável resistente ao aquecimento tem baixa resistência à oxidação e assim baixas propriedades de fadiga térmica. Quando Zr está presente, as partículas granulares de carboneto de Nb estão finamente dispersas, resultando em uma distância maior entre as partículas de carboneto de Nb e, assim, menor tendência à oxidação. Como resultado, o aço inoxidável resistente ao aquecimento tem propriedades de fadiga térmica aperfeiçoadas.

[00051] Adicionalmente, Zr é combinado com N para formar não apenas ZrN que funciona como um núcleo para a formação de carboneto de Nb e sulfetos tais como MnS, mas também como nitrito de Zr finamente disperso para reforçar a matriz. Como resultado, o aço inoxidável resistente ao aquecimento é fornecido com propriedades aperfeiçoadas de fadiga térmica.

[00052] Quando Zr está presente para obter o efeito acima, Zr está presente preferivelmente entre 0,005% ou mais. Por outro lado, quando Zr está presente em mais do que 0,5%, os carbonitritos tais como ZrN, ZrC, etc., são excessivamente cristalizados sem a obtenção dos efeitos aumentados correspondentes, fornecendo um aço inoxidável resistente ao aquecimento com fragilidade e menor resistência a alta temperatura, ductilidade e usinabilidade, resultando meramente em desvantagens econômicas por que o Zr é um elemento caro. Portanto, quando o Zr está presente, seu teor é de 0,005 a 0,5%. O limite inferior do teor de Zr é de preferivelmente 0,01%, mais preferivelmente 0,03%, o mais preferivelmente 0,04%. O limite superior do teor de Zr é de preferivelmente 0,3%, mais preferivelmente 0, 2%, o mais preferivelmente 0,1%.

[00053] (12) Impurezas inevitáveis

[00054] As impurezas inevitáveis contidas no aço inoxidável austenítico resistente ao aquecimento da presente invenção são, principalmente, P. Al, W e Mo que vêm dos materiais de partida e/ou do desoxidante. Como P é segregado nos limites do grão de cristal, resultando em dureza extremamente baixa, sua quantidade é preferivelmente tão pequena quanto possível, desejavelmente 0,06 ou menos. Al forma inclusões, tais como uma massa de Al2O3, que causa defeitos de fundição e assim deteriora o rendimento da fundição. Al também forma AlN duro e frágil, diminuindo a ductilidade e a usinabilidade. Consequentemente, a quantidade de Al épreferivelmente tão pequena quanto possível, desejavelmente de 0,05% ou menos. W e Mo formam carbonetos, diminuindo a ductilidade. W e Mo também estão dissolvidos na matriz, reduzindo a quantidade de Cr dissolvido na matriz e assim diminuído a resistência à oxidação da matriz. Além disso, W e Mo aceleram a cristalização de carboneto de Cr, deteriorando as propriedades de fadiga térmica. Consequentemente, as quantidades de W e Mo são preferivelmente tão pequenas quanto possível, W e Mo sendo preferivelmente de 0,5% ou menos de cada um, mais preferivelmente 0,5% ou menos no total.

[00055] (B) Estrutura

[00056] Se contiver Zr, o aço inoxidável austenítico resistente ao aquecimento da presente invenção tem preferivelmente 20 a 150 partículas de nitrito de Zr que possuem diâmetros circulares equivalentes de 1,5 μm ou mais por área de campo de 0,25 mm2 na estrutura. Com 20 ou mais partículas de nitrito de Zr que possuem diâmetros circulares equivalentes de 1,5 μm ou mais por área de campo de 0,25 mm2, a matriz é reforçada, fornecendo o aço inoxidável resistente ao aquecimento com propriedades de fadiga térmica aperfeiçoadas. Como as partículas de nitrito de Zr que possuem diâmetros circulares equivalentes de menos do que 1,5 μm não possuem efeitos acentuados no aperfeiçoamento das propriedades de fadiga térmica, o número de partículas de nitrito de Zr que possuem diâmetros circulares equivalentes de 1,5 μm ou mais é contado na presente invenção. Como as partículas de nitrito de Zr são duras e frágeis, mais do que 150 partículas de nitrito de Zr q por área de campo de 0,25 mm2 fornecem o aço inoxidável resistente ao aquecimento com baixa ductilidade e usinabilidade. O número de partículas de nitrito de Zr que possuem diâmetros circulares equivalentes de 1,5 μm ou mais é mais preferivelmente de 30 a 100 por área de campo de 0,25 mm2. Para fornecer um aço inoxidável resistente ao aquecimento com ductilidade e usinabilidade aperfeiçoadas, as partículas de Zr são preferivelmente tão finas quanto possível. Especificamente, o diâmetro circular equivalente médio das partículas de Zr é preferivelmente de 1,5 a 10 μm, mais preferivelmente 1,5 a 5 μm , o mais preferivelmente 1,5 a 3 μm.

[00057] (C) Propriedades de fadiga térmica

[00058] Componentes de exaustão necessitam ter uma longa vida em fadiga térmica devido à repetição da partida (aquecimento) e da parada (resfriamento) dos motores. A vida em fadiga térmica é um dos índices que representa as propriedades de fadiga térmica. O grande número de ciclos até que a falha por fadiga térmica ocorra pela ruptura e deformação causadas pelo aquecimento e resfriamento repetidos em um teste de fadiga térmica significa uma vida em fadiga térmica mais longa e, assim, melhores propriedades de fadiga térmica. O teste de fadiga térmica para avaliar a vida em fadiga térmica inclui (a) um teste de vida em fadiga térmica (TMF: fadiga termomecânica), no qual um material é repetidamente forçado em uma dada amplitude de temperatura ao aquecimento e resfriamento para causar a falha por fadiga térmica, com alongamento e encurtamento devido ao aquecimento e resfriamento mecanicamente forçado; e (b) um teste de fadiga em baixo ciclo, alta temperatura (LCF: fadiga em baixo ciclo), no qual um material é submetido à tensão e compressão com uma amplitude de tensão constante em uma temperatura constante, para causar a falha por fadiga térmica pela repetição da carga da tensão.

[00059] TMF que avalia a vida em fadiga térmica pelo aquecimento e resfriamento, pode ser considerado como sendo próximo a um teste de motor real. Ele é determinado, por exemplo, pela repetição de um ciclo de aquecimento/resfriamento que compreende um período de temperatura elevada de 2 minutos, um período de manutenção da temperatura de 1 minuto e um período de resfriamento de 4 minutos, 7 minutos no total, com a temperatura de resfriamento mais baixa de 150°C, a temperatura de aquecimento mais alta de 1000°C e uma amplitude de temperatura de 850°C. Como esse teste necessita de muito tempo e como ocorrem estreitamentos no material devido à expansão e encurtamento pelo aquecimento e resfriamento durante o teste, a vida em fadiga térmica pode não ser precisamente avaliada. Por outro lado, LCF é determinada por um teste de repetição de um ciclo de tensão/compressão, que compreende carregar tensão por 10 segundos e manter a compressão por 1 minuto, 1 minuto e 10 segundos, no total (70 segundos). Como LCF necessita apenas de um curto período de teste e como o estreitamento pela expansão e encurtamento não ocorre no material devido a uma temperatura de teste constante, LCF pode avaliar a vida em fadiga térmica mais precisamente do que TMF. Consequentemente, ambos os testes de fadiga térmica de TMF e LCF foram realizados, para avaliar as propriedades de fadiga térmica do aço inoxidável resistente a temperatura por LCF, enquanto que TMF foi usado para dados adicionais.

[00060] O aço inoxidável austenítico resistente à temperatura da presente invenção tem, preferivelmente, uma vida em fadiga de 1500 ciclos ou mais, quando medida por um teste de fadiga em baixo ciclo, alta temperatura (teste LCF) com a tensão carregada aumentada e diminuída pela tensão e compressão, sob as condições de uma temperatura de teste de 900°C, uma amplitude de tensão de 0,5%, uma velocidade de aplicação de tensão de 0,1%/segundo e um tempo de manutenção da compressão de 1 minuto. Com o teste LCF de vida em fadiga térmica de 1500 ciclos ou mais, o aço inoxidável austenítico resistente a temperatura pode ser considerado como possuindo excelentes propriedades de fadiga térmica, adequado para componentes de exaustão, cujas temperaturas são elevadas até próximo de 1000°C pela exposição a gases de exaustão em 950 a 1100°C. A vida em fadiga térmica LCF é mais preferivelmente de 1800 ciclos ou mais, ainda preferivelmente 1900 ciclos ou mais, o mais preferivelmente 2000 ciclos ou mais, particularmente 2200 ciclos ou mais.

[00061] Com A/B de 0,6-1,7 e o teor de Zr de 0,005 -0,5%, o aço inoxidável austenítico resistente da presente invenção pode ter uma vida em fadiga térmica LCF de 2000 ciclos ou mais.

[00062] [2] Componente de exaustão

[00063] O componente de exaustão da presente invenção é feito do aço inoxidável austenítico resistente à temperatura acima. Exemplos preferidos de componentes de exaustão incluem, embora sem restrições, é claro, uma carcaça de turbina, um coletor de escape, uma carcaça de turbina integrada com um coletor de escape, uma caixa de catalisação, uma caixa de catalisação integrada a um coletor de escape e uma saída de exaustão.

[00064] O componente de exaustão da presente invenção exibe alta resistência térmica e durabilidade, mesmo quando aquecido a 9001050°C pela exposição a um gás de exaustão em 950 a 1100°C. Como o componente de exaustão da presente invenção é adaptado para alta temperatura, condições de uso severas, ele possibilita a aplicação de tecnologias de aperfeiçoamento do desempenho e eficiência do combustível de motores de carros populares. Assim, é esperado que o componente de exaustão da presente invenção contribua para a limpeza dos gases de exaustão de automóveis e aperfeiçoamento da eficiência do combustível.

[00065] A presente invenção será explicada em mais detalhes pelosExemplos abaixo sem intenção de restrição. Aqui, a quantidade de cada elemento que constitui o aço inoxidável austenítico resistente ao aquecimento é expressa em “% em massa”, a menos que mencionado de outra maneira.

[00066] Exemplos 1 a 25 e Exemplos Comparativos 1 a 33

[00067] As composições químicas, C/N e A/B dos aços inoxidáveis austeníticos resistentes ao calor dos Exemplos 1 a 25 são mostradas nas Tabelas 1-1 e 1-2 e as composições químicas, C/N e A/B dos aços inoxidáveis austeníticos resistentes ao calor dos Exemplos Comparativos 1 a 33 são mostradas nas Tabelas 2-1 e 2-2. Os Exemplos Comparativos 1 a 33 estão fora do escopo da presente invenção em pelo menos uma das composições químicas, C/N e A/B. O Exemplo Comparativo 33 é um exemplo de aço inoxidável austenítico rico em Cr, rico em Ni, resistente ao aquecimento descrito no WO 2005/103314, que contém 2,8% em massa de W. Exceto pelo W no Exemplo Comparativo 33, as impurezas inevitáveis em cada aço inoxidável resistente ao aquecimento eram de 0,02% ou menos de P, 0,03% ou menos de Al, 0,1% ou menos de W e 0,1% ou menos de Mo.

[00068] Usando um forno de fusão de alta frequência, 100 kg com um revestimento básico, cada material de partida dos Exemplos 1 a 25 e dos Exemplos Comparativos 1 a 33 foi fundido, carregado em uma colher de fundição a 1550-1600°C e imediatamente vertido em um molde para a moldagem de um bloco em Y de 1 polegada a 15001550°C, para obter cada amostra de aço inoxidável. Uma pedaço de teste foi cortado de cada amostra e submetido às seguintes avaliações.

[00069] (1) Propriedades de fadiga térmica

[00070] Como as propriedades de fadiga térmica, a vida em fadiga térmica foi medida pelo teste de vida em fadiga térmica (TMF) e um teste de fadiga de baixo ciclo, alta temperatura (LCF).

[00071] (a) Teste de vida em fadiga térmica (TMF)

[00072] Um pedaço de uma haste redonda de teste de superfícielisa com 25 mm de bitola e 100 mm de diâmetro foi cortado de cada amostra de bloco em Y de 1 polegada, acoplado a um testador de material do tipo servo eletro-hidráulico (Servopulser EHF-ED10TF-20L disponibilizado por Shimadzu Corporation) com uma relação de restrição de 0,25, para medir sua vida em fadiga térmica, pela submissão de cada peça de teste a ciclos repetidos de aquecimento/resfriamento, cada um compreendendo um período de elevação de temperatura de 2 minutos, um período de manutenção da temperatura de 1 minuto e um período de resfriamento de 4 minutos, 7 minutos no total, com a temperatura de resfriamento mais baixa de 150°C, a temperatura de aquecimento mais alta de 1000°C e uma amplitude de temperatura de 850°C, no ar, causando dessa maneira falha por fadiga térmica durante a restrição mecânica do alongamento e encurtamento devido ao aquecimento e resfriamento.

[00073] O grau de restrição mecânica é expresso por uma relação de restrição definida por [(alongamento pela expansão térmica livre - alongamento sob restrição mecânica) / alongamento pela exposição térmica livre]. Por exemplo, uma relação de restrição de 0,1 significa uma condição de restrição mecânica, na qual nenhum alongamento é permitido quando a peça de teste é aquecida entre 150°C a 1000°C. Por exemplo, quando o alongamento pela expansão livre é de 2 mm, uma relação de restrição de 0,5 significa uma condição de restrição mecânica, na qual apenas um alongamento de 1 mm é permitido. Consequentemente, a relação de restrição de 0,5 aplica uma carga de compressão durante a elevação da temperatura e uma carga de tração durante a diminuição da temperatura. Como as relações de restrição de componentes de exaustão atuais para automóveis são de cerca de 0,1 a 0,5, permitindo o alongamento em alguma extensão, a vida em fadiga térmica foi avaliada em uma relação de restrição de 0,25.

[00074] A vida em fadiga térmica foi definida como o número de ciclos de aquecimento/resfriamento até que a carga de tração máxima medida em cada ciclo diminua para 75%, em um diagrama de carga- temperatura determinado pela mudança da carga pela repetição do aquecimento e resfriamento, com a carga de tração máxima (gerada na temperatura mais baixa) no segundo ciclo com uma referência (100%). Os resultados das medidas da vida em fadiga térmica por TMF nos Exemplos 1 a 25 e Exemplos Comparativos 1 a 33 são mostrados nas Tabelas 3 e 4, respectivamente.

[00075] Para ter resistência térmica suficiente em cerca de 1000°C, a vida em fadiga térmica medida por TMF do aquecimento e resfriamento em uma relação de restrição de 0,25, que é referida daqui por diante como vida em fadiga térmica TMF, com a temperatura de aquecimento mais alta de 1000°C e a amplitude de temperatura de 850°C, é preferivelmente de 900 ciclos ou mais. Componentes de exaustão feitos de um aço inoxidável resistente ao aquecimento que possui uma vida em fadiga térmica de 900 ciclos ou mais, têm vidas longas até que a falha for fadiga térmica ocorra pela ruptura e deformação, devido ao aquecimento e resfriamento repetidos dos motores.

[00076] Como está claro nas Tabelas 3 e 4, todos os Exemplos 1 a 25 exibiram vidas em fadiga térmica TMF de 900 ciclos ou mais. Portanto, quando o aço inoxidável austenítico resistente a temperatura da presente invenção que possui excelentes propriedades de fadiga térmica é usado para componentes de exaustão repetidamente submetidos ao aquecimento em uma temperatura de cerca de 1000°C e ao resfriamento, os componentes de exaustão são esperados exibir resistência térmica e durabilidade suficientes. Por outro lado, qualquer um dos aços inoxidáveis dos Exemplos Comparativos 1 a 33 exibiu uma vida em fadiga térmica TMF de menos do que 900 ciclos, exceto o Exemplo Comparativo 2. A propósito, o Exemplo Comparativo 2 exibiu uma curta vida em fadiga térmica por LCF.

[00077] (b) Teste de fadiga em baixo ciclo, alta temperatura (LCF)

[00078] O teste de fadiga em baixo ciclo, alta temperatura (LCF) foi realizado como se segue, de acordo com “Standard for High- Temperature, Low-Cycle Fatigue Testing (JSMS-SD-7-03)” publicada pela The Society of Materials Science, Japan em 2 de junho de 2003. Um pedaço de uma haste redonda flangeada, de superfície lisa com 25 mm de bitola e 100 mm de diâmetro foi cortado de cada amostra de bloco em Y de 1 polegada, acoplado ao mesmo testador de material do tipo servo eletro-hidráulico como em TMF. Cada peça de teste foi repetidamente submetida à carga de tração adicionada e removida pela tensão e compressão em uma temperatura constante de 900°C no ar, cada ciclo compreendendo aplicar uma carga de tensão de 0,25% por 5 segundos, carregando tensão de compressão de 0,25% por 5 segundos e mantendo a tensão de compressão de 0,25% por 60 segundos, 70 segundos no total, sob as condições de uma amplitude de tensão de 0,5% e uma velocidade de aplicação de tensão de 0,1%/segundo. A amplitude da tensão foi ajustada para 0,5%, porque uma tensão de cerca de 0,5% é presumivelmente gerada em porções de componentes de exaustão reais de automóveis, nos quais a rachadura provavelmente ocorre. A velocidade de aplicação da tensão foi ajustada para 0,1%/segundo por que é a recomendada no “Standard for High-Temperature, Low-Cycle Fatigue Testing (JSMS- SD-7-03).”

[00079] A vida em fadiga térmica foi determinada pela diminuição da carga (estresse) pela repetição da tensão e da compressão, como o número de ciclos de tensão/compressão até que a carga de tensão diminuísse para 75% da carga de tensão máxima determinada pela extrapolação da alteração carga de tensão antes que a ruptura ocorresse. Os resultados da medida da vida em fadiga térmica LCF nos Exemplos 1 a 25 e nos Exemplos Comparativos 1 a 33 são mostrados nas Tabelas 3 e 4, respectivamente.

[00080] Para ter resistência térmica suficiente em cerca de 1000°C, a vida em fadiga térmica LCF medida pela aplicação de tensão de tração e tensão de compressão sob as condições de uma temperatura de teste de 900°C, uma amplitude de tensão de 0,5%, uma velocidade de aplicação de tensão de 0,1%/segundo e um tempo de manutenção de compressão de 1 minuto é de 1500 ciclos ou mais. Componentes de exaustão feitos com o aço inoxidável resistente ao aquecimento que possui vida em fadiga térmica LCF de 1500 ciclos ou mais, possuem vidas longas até a ocorrência de falha por fadiga térmica pela ruptura e deformação devida ao aquecimento e resfriamento repetidos dos motores.

[00081] Como está claro na Tabela 3, a vida em fadiga térmica foi de 1500 ciclos ou mais em todos os Exemplos 1 a 25. Entre esses, nos Exemplos 9-13, 15-21 e 23, nos quais o teor de Cr era de 24 a 26%, o teor de Ni era de 11 a 22% e A/B era de 0,7 a 1,3, a vida em fadiga térmica era de 1800 ciclos ou mais.

[00082] Os resultados acima revelaram que o aço inoxidável austenítico da presente invenção tem excelentes propriedades de fadiga térmica e que componentes de exaustão feitos com ele são esperados exibir resistência térmica e durabilidade suficientes, quando submetidos repetidamente ao aquecimento em temperaturas de cerca de 1000°C e ou resfriamento. Por outro lado, como está claro na Tabela 4, qualquer um dos aços inoxidáveis dos Exemplos Comparativos 1 a 33 tem uma vida em fadiga térmica de menos do que 1500 ciclos.

[00083] (2) Redução de peso pela oxidação

[00084] Um filme de óxido é formado sobre a superfície de um componente de exaustão exposto a um gás de exaustão (que contém gases oxidantes tais como óxido de enxofre, óxido de nitrogênio, etc.) a 950 a 1100°C, que é descarregado por um motor. Conforme a oxidação ocorre, ocorre a fratura do filme de óxido e a propagação para dentro do membro de exaustão e finalmente a penetração a partir da superfície externa do membro de exaustão para a superfície interna, resultando em vazamento de um gás de exaustão e a ruptura do componente de exaustão. Para avaliar a resistência à oxidação de um componente de exaustão a 1050°C, a redução de peso pela oxidação foi medida pelo seguinte método. A saber, um pedaço de uma haste redonda de teste com 10 mm de diâmetro e 20 mm de comprimento foi cortado de cada amostra de um bloco em Y de 1 polegada, mantido em 1050°C por 200 horas no ar e submetido ao jateamento para remover a as placas de óxido, determinando dessa maneira a alteração de massa por unidade de área antes e depois do teste de oxidação [redução de peso pela oxidação (mg/cm2)]. As reduções de peso pela oxidação nos Exemplos 1 a 25 e Exemplos Comparativos 1 a 33 estão mostradas nas Tabelas 3 e 4, respectivamente.

[00085] Para exibir resistência térmica suficiente em cerca de 1000°C, a redução de peso pela oxidação é de preferivelmente 30 mg/cm2 ou menos, mais preferivelmente 20 mg/cm2 ou menos, o mais preferivelmente 10 mg/cm2 ou menos. Como está claro na Tabela 3, todos os Exemplos 1 a 25 exibiram redução de peso pela oxidação de menos do que 30 mg/cm2, indicando que o aço inoxidável austenítico resistente ao calor da presente invenção tem excelente resistência à oxidação, exibindo resistência à oxidação suficiente quando usado em componentes de exaustão que atingem temperaturas de cerca de 1000°C. Como está claro na Tabela 4, em qualquer um dos Exemplos Comparativos 7, 11 e 13, nos quais a quantidade de Si, Cr, ou Ni era muito pequena e nos Exemplos Comparativos 9 e 22, nos quais a quantidade de Mn ou Nb era muito grande, a redução de peso pela oxidação excedeu 30 mg/cm2. Isso significa que os aços inoxidáveis dos Exemplos Comparativos 7, 9, 11, 13 e 22 não exibem resistência à oxidação suficiente quando usado em componentes de exaustão que atingem temperaturas de cerca de 1000°C.

[00086] (3) Limite de elasticidade em temperatura elevada

[00087] Componentes de exaustão devem ser resistentes à deformação térmica, mesmo com a partida (aquecimento) e parada (resfriamento) repetidas de motores. Para assegurar resistência à deformação térmica suficiente, ele preferivelmente tem resistência em alta temperatura. A resistência em alta temperatura é avaliada pelo limite da elasticidade 0,2% a 1050°C (limite da elasticidade em alta temperatura). Um pedaço de uma haste redonda flangeada, de superfície lisa com 50 mm de bitola e 10 mm de diâmetro foi cortado de cada amostra de bloco em Y de 1 polegada, acoplado ao mesmo testador de material do tipo servo eletro-hidráulico como em TMF, para medir o limite da elasticidade 0,2% (Mpa) da cada pedaço de teste a 1050°C em ambiente aberto. Os limites de elasticidade em alta temperatura dos Exemplos 1 a 25 e Exemplos Comparativos 1 a 33 são mostrados nas Tabelas 3 e 4, respectivamente.

[00088] Para exibir resistência térmica suficiente em cerca de 1000°C, o limite da elasticidade 0,2% em 1050°C é de preferivelmente 20 MPa ou mais. Componentes de exaustão feitos com o aço inoxidável que tem limite de elasticidade 0,2% de 20 Mpa ou mais em 1050°C, têm elasticidade suficiente para suprimir as fissuras e rupturas a 950-1100 sob tração. O aço inoxidável austenítico, resistente ao aquecimento da presente invenção tem, mais preferivelmente, limite da elasticidade 0,2% de 30Mpa ou mais a 1050°C.

[00089] Como está claro na Tabela 3, os pedaços de teste dos Exemplos 1 a 25 tiveram alto limite de elasticidade de 20 MPa ou mais, indicando que os aços inoxidáveis austeníticos resistentes ao calor da presente invenção possuem excelente limite de elasticidade em alta temperatura, exibindo resistência em alta temperatura quando usados em componentes de exaustão que atingem temperaturas de cerca de 1000°C. Por outro lado, como está claro na Tabela 4, em qualquer um dos Exemplos Comparativos 23 que possui um teor de N muito pequeno e os Exemplos Comparativos 6, 8, 10, 12, 22 e 24, nos quais a quantidade de C, Si, S, Cr, Nb, ou N era muito grande, o limite de elasticidade em alta temperatura foi menor do que 20 Mpa, indicando que o aço inoxidável dos Exemplos Comparativos 6, 8, 10, 12 e 22 e 24 tinham limite de elasticidade em alta temperatura insuficiente, falhando em exibir resistência em alta temperatura suficiente quando usado em componentes de exaustão que atingem temperaturas de cerca de 1000°C.

[00090] (4) Alongamento em temperatura ambiente

[00091] É necessário que componentes de exaustão sejam resistentes à deformação térmica na partida (aquecimento) e parada (resfriamento) repetidas de motores. Para assegurar uma resistência à deformação térmica suficiente, eles preferivelmente possuem alta ductilidade em adição ao limite de elasticidade em alta temperatura. Para avaliar a ductilidade, Um pedaço de uma haste de teste redonda flangeada, de superfície lisa com 50 mm de bitola e 10 mm de diâmetro foi cortado de cada amostra de bloco em Y de 1 polegada, acoplado ao mesmo testador de material do tipo servo eletro-hidráulico como em TMF, para medir o alongamento em temperatura ambiente (%) de cada pedaço de teste a 25°C no ar. Os alongamentos em temperatura ambiente nos Exemplos 1 a 25 e Exemplos Comparativos 1 a 33 são mostrados nas Tabelas 3 e 4, respectivamente.

[00092] O aço inoxidável austenítico resistente ao aquecimento da presente invenção preferivelmente tem um alongamento de 2,0% ou mais em temperatura ambiente. Quando componentes de exaustão feitos com o aço inoxidável resistente ao aquecimento que possui um alongamento de 2,0% ou mais em temperatura ambiente são resfriados de altas temperaturas até próximo da temperatura ambiente, eles exibem ductilidade suficiente para suprimir a deformação e as trincas, o que é causado pela conversão de tensão de compressão gerada em altas temperaturas em tensão de tração. Os componentes de exaustão também podem suportar a vibração mecânica e o choque aplicados durante a produção e a montagem de motores, no momento da partida dos automóveis, durante a condução do veículo, etc., resultando em trincas e fissuras suprimidas. O alongamento em temperatura ambiente do aço inoxidável austenítico resistente ao calor da presente invenção é mais preferivelmente de 3,0% ou mais, o mais preferivelmente 4,0% ou mais.

[00093] Como está claro na Tabela 3, o alongamento em temperatura ambiente era de 2,0% ou mais nos Exemplos 1 a 25. Isso indica que os aços inoxidáveis austeníticos da presente invenção possuem excelente alongamento em temperatura ambiente, exibindo resistência à deformação térmica suficiente quando usados em componentes de exaustão repetidamente submetidos ao aquecimento e resfriamento. Por outro lado, como está claro na Tabela 4, o alongamento em temperatura ambiente foi menos do que 2,0% nos Exemplos Comparativos 10, 12, 22 e 24 que continham S, Cr, Nb, ou N em excesso. Isso indica que os aços inoxidáveis dos Exemplos Comparativos 10, 12, 22 e 24 têm alongamento em temperaturaambiente insuficiente, falhando em exibir resistência à deformação térmica suficiente quando usado para componentes de exaustão repetidamente submetidos ao aquecimento e resfriamento.

[00094] Foi descoberto que os aços inoxidáveis austeníticos resistentes ao aquecimento da presente invenção possuem excelentes propriedades de fadiga térmica necessárias para exibir resistência térmica e durabilidade que são requeridas para componentes de exaustão que atingem temperaturas de cerca de 1000°C, assim como resistência à oxidação, resistência em alta temperatura e resistência à deformação térmica.

[00095] Exemplos 26 a 49 E Exemplo Comparativo 34

[00096] As composições químicas, C/N e A/B dos aços inoxidáveis austeníticos resistentes ao aquecimento dos Exemplos 26 a 49 e do aço inoxidável resistentes ao aquecimento do Exemplo Comparativo 34 são mostradas nas Tabelas 5-1 e 5-2. As impurezas inevitáveis em cada aço inoxidável resistente ao aquecimento eram 0,02% ou menos de P, 0,03% ou menos de Al, 0,1% ou menos de W e 0,1% ou menos de Mo.

[00097] Cada aço inoxidável resistente ao calor dos Exemplos 26 a 49 e do Exemplo Comparativo 34 foi produzido pelo mesmo método como nos Exemplos 1 a 25, para medir as propriedades de fadiga térmica, redução de peso pela oxidação, limite de elasticidade em alta temperatura, alongamento em temperatura ambiente e o número de partículas de nitrito de Zr. Os resultados das medidas são mostrados na Tabela 6.

[00098] (1) Propriedades de fadiga térmica

[00099] Como está claro na Tabela 6, todos os Exemplos 24 a 49 exibiram vidas em fadiga térmica TMF de 1000 ciclos ou mais e vidas em fadiga térmica LCF de 2000 ciclos ou mais. Esses resultados revelaram que os aços inoxidáveis austeníticos resistentes ao aquecimento da presente invenção têm excelentes propriedades de fadiga térmica e que, quando são usados em componentes de exaustão repetidamente submetidos ao aquecimento em temperaturas de aproximadamente 1000°C e resfriamento, os componentes de exaustão são esperados exibir resistência térmica e durabilidade suficientes. Por outro lado, o aço inoxidável do Exemplo Comparativo 34 que possui um teor muito pequeno de Nb e uma proporção baixa de C/N exibiu uma vida em fadiga térmica TMF de menos do que 900 ciclos e uma vida em fadiga térmica LCF de menos do que 1500 ciclos.

[000100] (2) Redução de peso pela oxidação

[000101] Como está claro na Tabela 6, a redução de peso pela oxidação foi menor do que 30 mg/cm2 em todos os Exemplos 26 a 49, indicando que o aço inoxidável austenítico resistente ao calor da presente invenção tem excelente resistência à oxidação, exibindo resistência à oxidação suficiente quando usado em componentes de exaustão que atingem temperaturas de cerca de 1000°C. Por outro lado, o aço inoxidável do Exemplo Comparativo 34, que possui um teor muito pequeno de Nb com uma proporção baixa de C/N, exibiu uma redução de peso pela oxidação que excede 30 mg/cm2. Isso indica que o aço inoxidável do Exemplo Comparativo 34 não exibiu resistência à oxidação suficiente quando usado em componentes de exaustão que atingem temperaturas de cerca de 1000°C.

[000102] (3) Limite de elasticidade em alta temperatura

[000103] Como está claro na Tabela 6, o limite de elasticidade em alta temperatura foi de 20 Mpa ou mais nos Exemplos 26 a 49. Isso indica que os aços inoxidáveis austeníticos resistentes ao aquecimento da presente invenção têm excelente limite de elasticidade em alta temperatura, exibindo resistência em alta temperatura quando usado em componentes de exaustão que atingem temperaturas de cerca de 1000°C.

[000104] (4) Alongamento em temperatura ambiente

[000105] Como está claro na Tabela 6, o alongamento em temperatura ambiente foi de 2,0% ou mais em todos os Exemplos 26 a 49. Isso indica que os aços inoxidáveis austeníticos da presente invenção possuem excelente alongamento em temperatura ambiente, exibindo resistência à deformação térmica suficiente quando usados em componentes de exaustão repetidamente submetidos ao aquecimento e resfriamento.

[000106] Como descrito acima, os aços inoxidáveis austeníticos resistentes ao aquecimento da presente invenção que contêm Zr não possuem apenas excelentes propriedades de fadiga térmica necessárias para exibir resistência térmica e durabilidade que são requeridas para componentes de exaustão que atingem temperaturas de cerca de 1000°C, mas também resistência à oxidação, resistência em alta temperatura e resistência à deformação térmica.

[000107] (5) Número de partículas de nitrito de Zr

[000108] Uma peça de teste para observação da estrutura cortada da porção inferior de uma amostra do bloco em Y do Exemplo 35 foi polida e sua microfotografia eletrônica foi tirada em um campo de 158 μm x 119 μm por um microscópio eletrônico de varredura com emissão de campo (FE-SEM, SU-70 disponibilizado por Hitachi High- Technologies Corporation) sem erosão. A Fig. 1 mostra a microfotografia eletrônica, na qual a porção cinza claro é uma fase de austenita 1, partículas brancas são carboneto de Nb granulado 2, partículas branco-acinzentadas angulosas são partículas de nitrito de Zr 3, partículas cinza escuras são carboneto de Cr 4 e as partículas pretas são partículas de sulfeto 5 tais como MnS. As partículas de nitrito de Zr foram confirmadas pela análise com um espectrofotômetro de raios X dispersivo de energia (EDS, EDAX Genesis disponibilizado por AMETEK Co., Ltd.) acoplado ao FE-SEM.

[000109] Uma peça de teste para observação da estrutura foi cortada de cada amostra e suas microfotografias eletrônicas foram tiradas em três campos arbitrários de 950 μm x 500 μm (0,25 mm2). O número de partículas de nitrito de Zr que possui diâmetros circulares equivalentes de 1,5 μm ou mais foi contado em cada campo pela análise da imagem e a média foi calculada para três campos. Os resultados nos Exemplos 26 a 49 e Exemplo Comparativo 34 são mostrados na Tabela 6. Como está claro na Tabela 6, na estrutura de cada aço inoxidável resistente ao aquecimento dos Exemplos 26 a 49 que contém Zr, o número de partículas de nitrito de Zr que possui diâmetros circulares equivalentes de 1,5 μm ou mais foi de 20 a 150 por área de campo de 0,25 mm2.

Claims

1. Aço inoxidável austenítico resistente ao aquecimento, que apresenta excelentes propriedades de fadiga térmica, que compreende em massa:0,3-0,6% de C,0,5-3% de Si,0,5-2% de Mn,15-30% de Cr,6-22% de Ni,0,6-5% de Nb,0,01-0,5% de N, e0,05-0,5% de S,o restante sendo Fe e impurezas inevitáveis;as ditas impurezas inevitáveis compreendendo 0,06% ou menos de P; 0,05% ou menos de Al, 0,5% ou menos de W e 0,5% ou menos de Mo,caracterizado pelo fato de que uma relação de quantidade de C/N de C para N sendo 4-7;uma proporção A/B de índice A de formação de carboneto de Cr para um índice B de formação de carboneto de Nb expressa pelas seguintes fórmulas (1) e (2):A = 8,5C - Nb +0,05Cr + 0,65 Ni - 5 (1) eB = 7,8Nb (2),em que o símbolo de um elemento em cada fórmula representa seu teor (% em massa), sendo de 0,6 - 1,7, esendo que opcionalmente o aço inoxidável austenítico resistente ao aquecimento contém ainda 0,005 a 0,5% em massa de Zr,sendo que o número de partículas de nitrito de Zr que apresenta diâmetros circulares equivalentes de 1,5 μm ou mais é de 20 a 150 por área de campo de 0,25 mm2,sendo que o dito número é medido usando o método descrito no relatório descritivo sob o título "Número de partículas de nitrito de Zr".

2. Componente de exaustão, caracterizado pelo fato de que é feito com o aço inoxidável austenítico resistente ao aquecimento, como definido na reivindicação 1.

3. Componente de exaustão, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que é uma carcaça de turbina, um coletor de escape, uma carcaça de turbina integrada com um coletor de escape, uma caixa de catalisação, uma caixa de catalisação integrada a um coletor de escape e uma saída de exaustão.