ES2202414T3 - Aluminiuros de hierro utiles como elementos calefactores de resistencia electrica. - Google Patents

Abstract

LA INVENCION DE REFIERE EN GENERAL A UN ALUMINIO QUE CONTIENE UNA ALEACION BASADA EN HIERRO UTIL COMO ELEMENTOS DE CALENTAMIENTO DE RESISTENCIA ELECTRICA. EL ALUMINIO QUE CONTIENE LA ALEACION BASADA EN HIERRO TIENE UNA MICROESTRUCTURA ENTERAMENTE FERRITICA Y UNA RESISTIVIDAD ELECTRICA A LA TEMPERATURA AMBIENTE DE 80-400 {NU}{OM}CM. LA ALEACION INCLUYE EN % EN PESO DE UN 14-32 % AL, HASTA UN 1 % CR, Y DE 0.05-1.0 % ZR, EQUILIBRANDO AL HIERRO (FE). PUEDE ADEMAS INCLUIR TAMBIEN HASTA UN 2 % MO, HASTA UN 2 % TI, HASTA UN 2 % SI, HASTA UN 30 % NI, HASTA UN 0.5 % Y, HASTA UN 0.1 % B, HASTA UN 1 % NB, HASTA UN 1 % TA, HASTA UN 3 % CU Y HASTA UN 30 % DE PARTICULAS DISPERSAS DE OXIDO.

Description

Aluminuros de hierro útiles como elementos calefactores de resistencia eléctrica.

La invención se refiere generalmente a aleaciones de base de hierro que contienen aluminio útiles como elementos calefactores de resistencia eléctrica.

Las aleaciones de base de hierro que contienen aluminio pueden tener estructuras cristalinas centradas en el cuerpo ordenadas y desordenadas. Por ejemplo, las aleaciones de aluminiuro de hierro con composiciones de aleación intermetálica contienen hierro y aluminio en diversas proporciones atómicas como, por ejemplo, Fe_{2}Al, FeAl, FeAl_{2}, FeAl_{3} y Fe_{2}Al_{5}. Se describen aluminiuros de hierro intermetálicos Fe_{3}Al con una estructura cristalina ordenada cúbica centrada en el cuerpo en los documentos US-A-5320802, 5158744, 5024109 y 4961903. Las estructuras cristalinas ordenadas de este tipo contienen generalmente de 25 a 40% de Al atómico y adiciones de aleantes como, por ejemplo, Zr, B, Mo, C, Cr, V, Nb, Si y Y.

Se describe una aleación de aluminiuro con una estructura cristalina centrada en el cuerpo desordenada en el documento US-A-5238645, en donde la aleación incluye, en % en peso, 8-9,5 de Al, \leq 7 de Cr, \leq 4 de Mo, \leq 0,5 de Zr y \leq 0,1 de Y, preferentemente 4,5-5,5 de Cr, 1,8-2,2 de Mo, 0,02-0,032 de C y 0,15-0,25 de Zr. Excepto para tres aleaciones binarias con 8,46, 12,04 y 15,90% en peso de Al, respectivamente, todas las composiciones de aleación específicas descritas en esta patente incluyen un mínimo de 5% en peso de Cr. Además, esta patente expone que los elementos aleantes mejoran la resistencia, la ductilidad a temperatura ambiente, la resistencia a la oxidación a temperatura elevada, la resistencia a la corrosión acuosa y la resistencia a la picadura. Esta patente no se refiere a elementos calefactores de resistencia eléctrica y no estudia propiedades como, por ejemplo, la resistencia a la fatiga térmica, la resistividad eléctrica o la resistencia al pandeo a temperatura elevada.

Se describen aleaciones de base de hierro que contienen 3-18% en peso de Al, 0,05-0,5% en peso de Zr, 0,01-0,1% en peso de B y Cr, Ti y Mo opcionales en los documentos US-A-3026197 y CA-A-648140. Se expone que el Zr y el B proporcionan afinamiento del grano, el contenido preferido de Al es 10-18% en peso y se describe que las aleaciones tienen resistencia a la oxidación y trabajabilidad. No obstante, como el documento US-A-5238645 estas patentes no se refieren a elementos calefactores de resistencia eléctrica y no estudian propiedades como, por ejemplo, la resistencia a la fatiga térmica, la resistividad eléctrica o la resistencia al pandeo a temperatura elevada.

El documento US-A-3676109 describe una aleación de base de hierro que contiene 3-10% en peso de Al, 4-8% en peso de Cr, aproximadamente 0,5% en peso de Cu, menos de 0,05% en peso de C, 0,5-2% en peso de Ti y Mn y B opcionales. Esta patente describe que el Cu mejora la resistencia a la oxidación en puntos, el Cr evita la fragilización y el Ti proporciona endurecimiento por solubilización. Esta patente expone que las aleaciones son útiles para equipo de procesamiento químico. Todos los ejemplos específicos descritos en esta patente incluyen 0,5% en peso de Cu y al menos 1% en peso de Cr, teniendo las aleaciones preferidas al menos 9% en peso en total de Al y Cr, un mínimo de Cr o Al de al menos 6% en peso y una diferencia entre los contenidos de Al y Cr de menos de 6% en peso. No obstante, como el documento US-A5238645, esta patente no se refiere a elementos calefactores de resistencia eléctrica y no estudia propiedades como, por ejemplo, la resistencia a la fatiga térmica, la resistividad eléctrica o la resistencia al pandeo a temperatura elevada.

Se describen aleaciones de base de hierro que contienen aluminio para el uso como elementos calefactores de resistencia eléctrica en los documentos US-A-1550508, US-A-1990650 y US-A-2768915 y en el documento CA-A-648141. Las aleaciones descritas en el documento US-A-1550508 incluyen: 20% en peso de Al, 10% en peso de Mn; 12-15% en peso de Al, 6-8% en peso de Mn; o 12-16% en peso de Al, 2-10% en peso de Cr. Todos los ejemplos específicos descritos en esta patente incluyen al menos 6% en peso de Cr y al menos 10% en peso de Al. Las aleaciones descritas en el documento US-A-1990650 incluyen 16-20% en peso de Al, 5-10% en peso de Cr, \leq 0,05% en peso de C, \leq 0,25% en peso de Si, 0,1-0,5% en peso de Ti, \leq 1,5% en peso de Mo y 0,4-1,5% en peso de Mn y el único ejemplo específico incluye 17,5% en peso de Al, 8,5% en peso de Cr, 0,44% en peso de Mn, 0,36% en peso de Ti, 0,02% en peso de C y 0,13% en peso de Si. Las aleaciones descritas en el documento US-A-2768915 incluyen 10-18% en peso de Al, 1-5% en peso de Mo, Ti, Ta, V, Cb, Cr, Ni, B y W y el único ejemplo específico incluye 16% en peso de Al y 2% en peso de Mo. Las aleaciones descritas en el documento CA-A-648141 incluyen 6-11% en peso de Al, 3-10% en peso de Cr, \leq 4% en peso de Mn, \leq 1% en peso de Si, \leq 0,4% en peso de Ti, \leq 0,5% en peso de C, 0,2-0,5% en peso de Zr y 0,05-0,1% en peso de B y los únicos ejemplos específicos incluyen al menos 5% en peso de Cr.

En el documento US-A-5249586 se describen calentadores de resistencia de diversos materiales.

El documento US-A-4334923 describe una aleación de base de hierro resistente a la oxidación laminable en frío útil para convertidores catalíticos que contiene \leq 0,05% de C, 0,1-2% de Si, 2-8% de Al, 0,02-1% de Y, < 0,009% de P, < 0,006% de S y < 0,009% de O.

El documento US-A-4684505 describe una aleación de base de hierro termorresistente que contiene 10-22% de Al, 2-12% de Ti, 2-12% de Mo, 0,1-1,2% de Hf, \leq 1,5% de Si, \leq 0,03% de C, \leq 0,2% de B, \leq 1,0% de Ta, \leq 0,5% de W, \leq 0,5% de V, \leq 0,5% de Mn, \leq 0,3% de Co, \leq 0,3% de Nb y 0,2% de La. Esta patente describe una aleación específica con 16% de Al, 0,5% de Hf, 4% de Mo, 3% de Si, 4% de Ti y 0,2% de C.

El documento JP-A-53-119721 describe una aleación resistente al desgaste y de permeabilidad magnética elevada con buena trabajabilidad y que contiene 1,5% de Al, 0,2-15% de Cr y 0,01-8% en total de adiciones opcionales de < 4% de Si, < 8% de Mo, < 8% de W, < 8% de Ti, < 8% de Ge, < 8% de Cu, < 8% de V, < 8% de Mn, < 8% de Nb, < 8% de Ta, < 8% de Ni, < 8% de Co, < 3% de Sn, < 3% de Sb, < 3% de Be, < 3% de Hf, < 3% de Zr, < 0,05% de Pb y < 3% de metal de tierras raras. Excepto para una aleación de 16% de Al y el resto Fe, todos los ejemplos específicos en este documento incluyen al menos 1% de Cr y excepto para una aleación de 5% de Al, 3% de Cr y el resto Fe, los ejemplos restantes incluyen \geq 10% de Al.

Una publicación de 1990 en Progresos en pulvimetalurgia, Vol. 2, por J.R. Knibloe y col., titulada "Microestructura y propiedades mecánicas de aleaciones de Fe3Al de pulvimetalurgia", pp. 219-231, describe un procedimiento pulvimetalúrgico para preparar Fe_{3}Al que contenga 2 y 5% de Cr usando un pulverizador de gas inerte. Esta publicación explica que las aleaciones de Fe_{3}Al tienen una estructura DO3 a temperaturas bajas y se transforman a una estructura B2 por encima de aproximadamente 550ºC. Para fabricar chapa fina, los polvos fueron envainados en acero dulce, se les hizo el vacío y fueron extruidos en caliente a 1.000ºC hasta una razón de reducción de área de 9:1. Después de ser retirada de la vaina de acero, la extrusión de aleación se forjó en caliente a 1.000ºC hasta 8,64 mm (0,340 pulgadas) de espesor, se laminó a 800ºC en chapa fina de aproximadamente 2,5 mm (0,1 pulgadas) de espesor y se laminó de acabado a 650ºC a 0,76 mm. Según esta publicación, los polvos impalpables eran generalmente esféricos y proporcionaban extrusiones densas y se logró ductilidad a temperatura ambiente próxima a 20% maximizando la proporción de estructura B2.

Una publicación de 1991 en Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol. 213, por V.K. Sikka titulada "Procesamiento del polvo de aleaciones de aluminiuro de hierro de base de Fe_{3}Al", pp. 901-906, describe un procedimiento para preparar polvos de aluminiuro de hierro de base de Fe_{3}Al que contengan 2 y 5% de Cr labrados en chapa fina. Esta publicación expone que los polvos se prepararon mediante pulverización por nitrógeno y pulverización por argón. Los polvos pulverizados por nitrógeno tenían niveles bajos de oxígeno (130 ppm) y nitrógeno (30 ppm). Para fabricar chapa fina, los polvos fueron envainados en acero dulce y extruidos en caliente a 1.000ºC hasta una razón de reducción de área de 9:1. El polvo pulverizado por nitrógeno extruido tenía un tamaño de grano de 30 \mum. La vaina de acero se retiró y las barras se forjaron 50% a 1.000ºC, se laminaron 50% a 850ºC y se laminaron de acabado 50% a 650ºC hasta chapa fina de 0,76 mm.

Un documento por V.K. Sikka y col., titulado "Producción de polvo, procesamiento y propiedades del Fe_{3}Al", pp. 1-11, presentado en la Exposición de la conferencia de pulvimetalurgia de 1990 en Pittsburg, Pensilvania (EE UU), describe un procedimiento para preparar polvo de Fe_{3}Al fundiendo los metales constituyentes bajo una atmósfera protectora, pasando el metal a través de una tobera medidora y desintegrando la colada mediante golpeo del chorro de colada con nitrógeno pulverizador. El polvo tenía poco oxígeno (130 ppm) y nitrógeno (30 ppm) y era esférico. Se produjo una barra extruida llenando una vaina de acero dulce de 76 mm con el polvo, haciendo el vacío en la vaina, calentando 1 ½ h a 1.000ºC y extruyendo la vaina a través de una boquilla para una reducción de 9:1. El tamaño de grano de la barra extruida era 20 \mum. Se produjo una chapa fina de 0,76 mm de espesor retirando la vaina, forjando 50% a 1.000ºC, laminando 50% a 850ºC y laminando de acabado 50% a 650ºC.

Se describen polvos de aleación de base de hierro endurecidos por dispersión de un óxido en los documentos US-A-4391634 y US-A-5032190. El documento US-A-4391634 describe aleaciones desprovistas de Ti que contienen 10-40% de Cr, 1-10% de Al y \leq 10% de fase dispersa de óxido. El documento US-A-5032190 describe un método para formar chapa fina a partir de aleación MA 956 con 75% de Fe, 20% de Cr, 4,5% de Al, 0,5% de Ti y 0,5% de Y_{2}O_{3}.

Una publicación por A. LeFort y col., titulada "Comportamiento mecánico de aleaciones intermetálicas de FeAl_{40}" presentada en las Actas del Simposio internacional sobre compuestos intermetálicos - Estructura y propiedades mecánicas (JIMIS-6), pp. 579-583, celebrado en Sendai, Japón, entre los días 17-20 de junio de 1991, describe diversas propiedades de aleaciones de FeAl (25% en peso de Al) con adiciones de boro, circonio, cromo y cerio. Las aleaciones se prepararon mediante colada en una cámara de vacío y extruyendo a 1.100ºC o se formaron mediante compresión a 1.000ºC y 1.100ºC. Este artículo explica que la excelente resistencia de los compuestos de FeAl en condiciones oxidantes y de sulfuración se debe al elevado contenido de Al y la estabilidad de la estructura ordenada B2.

Una publicación por D. Pocci y col., titulada "Producción y propiedades de aleaciones intermetálicas de FeAl CSM", presentada en la Conferencia de la Sociedad de minerales, metales y materiales (Conferencia TMS de 1994) sobre "Procesamiento, propiedades y aplicaciones de aluminiuros de hierro", pp. 19-30, celebrada en San Francisco, California (EE UU), entre los días 27 de febrero-3 de marzo de 1994, describe diversas propiedades de compuestos intermetálicos de Fe_{40}Al procesados mediante diferentes técnicas como, por ejemplo, colada y extrusión, pulverización por gas de polvo y extrusión y aleado mecánico de polvo y extrusión y que el aleado mecánico se ha empleado para reforzar el material con una dispersión de óxido fino. El artículo expone que las aleaciones de FeAl se prepararon con una estructura cristalina ordenada B2, un contenido de Al que variaba desde 23 hasta 25% en peso (aproximadamente 40% atómico) y adiciones de aleantes de Zr, Cr, Ce, C, B y Y_{2}O_{3}. El artículo expone que los materiales son candidatos como materiales estructurales en ambientes corrosivos a temperaturas elevadas y se aprovecharán en motores térmicos, etapas compresoras de motores a reacción, plantas de gasificación del carbón y la industria petroquímica.

Una publicación por J.H. Shneiblel titulada "Propiedades seleccionadas de aluminiuros de hierro", pp. 329-341, presentada en la Conferencia TMS de 1994 describe propiedades de aluminiuros de hierro. Este artículo informa de propiedades como, por ejemplo, las temperaturas de fusión, la resistividad eléctrica, la conductividad térmica, la expansión térmica y propiedades mecánicas de diversas composiciones de FeAl.

Una publicación por J. Baker titulada "Flujo y fractura de FeAl", pp. 101-115, presentada en la Conferencia TMS de 1994 describe un resumen del flujo y fractura del compuesto B2 FeAl. Este artículo expone que los tratamientos térmicos previos afectan fuertemente a las propiedades mecánicas del FeAl y que velocidades de enfriamiento superiores después de recocido a temperatura elevada proporcionan límite de deformación a temperatura ambiente y dureza superiores pero inferior ductilidad debido a lagunas reticulares sobrantes. Respecto a estas lagunas reticulares, el artículo indica que la presencia de átomos de soluto tiende a mitigar el efecto de laguna reticular retenida y que se puede usar recocido de larga duración para retirar lagunas reticulares sobrantes.

Una publicación por D.J. Alexander titulada "Comportamiento al impacto de la aleación de FeAl FA-350", pp. 193-202, presentada en la Conferencia TMS de 1994 describe propiedades de impacto y traccionales de la aleación de aluminiuro FA-350. La aleación FA-350 incluye, en % atómico, 35,8% de Al, 0,2% de Mo, 0,05% de Zr y 0,13% de C.

Una publicación por C.H. Kong titulada "El efecto de adiciones ternarias en el endurecimiento de lagunas reticulares y la estructura de defectos del FeAl", pp. 231-239, presentada en la Conferencia TMS de 1994 describe el efecto de adiciones de aleantes ternarias en aleaciones de FeAl. Este artículo expone que el compuesto estructurado en B2 FeAl muestra baja ductibilidad a temperatura ambiente e inaceptablemente baja resistencia a elevada temperatura por encima de 500ºC. El artículo expone que la fragilidad a temperatura ambiente está causada por la retención de una concentración elevada de lagunas reticulares que resulta de tratamientos térmicos a temperatura elevada. El artículo analiza los efectos de diversas adiciones de aleantes como, por ejemplo, Cu, Ni, Co, Mn, Cr, V y Ti así como el recocido a temperatura elevada y el posterior tratamiento térmico de mitigación de lagunas reticulares a baja temperatura.

Sumario de la invención

La invención proporciona una aleación de base de hierro que contiene aluminio útil como un elemento calefactor de resistencia eléctrica. Las aleaciones según la invención tienen ductilidad a temperatura ambiente, resistencia a oxidación térmica, resistencia a la fatiga cíclica, resistividad eléctrica, resistencia a temperatura baja y elevada y/o resistencia al pandeo a temperatura elevada. Además, la aleación tiene preferentemente baja difusividad térmica.

La invención se define en las reivindicaciones anexas.

El elemento calefactor de resistencia eléctrica se puede usar para productos como, por ejemplo, calentadores, tostadores, encendedores, elementos calefactores en sistema humeante de cigarrillo eléctrico, etc., en el que la aleación tiene una resistividad a temperatura ambiente de 80-400 \mu\Omega\cdotcm, preferentemente 90-200 \mu\Omega\cdotcm. La aleación se calienta preferentemente hasta 900ºC en menos de un segundo cuando se hace pasar a través de la aleación un voltaje de hasta 10 voltios y hasta 6 amperios. Cuando se calienta en aire hasta 1.000ºC durante tres horas, la aleación muestra preferentemente una ganancia de peso de menos de 4%, más preferentemente menos de 2%. La aleación puede tener una resistencia de contacto de menos de 0,05 ohmios y una resistencia de calentamiento total en el intervalo de 0,5 a 7, preferentemente 0,6 a 4 ohmios, durante todo un ciclo de caldeo entre temperatura ambiente y 900ºC. La aleación muestra preferentemente resistencia a la fatiga térmica de más de 10.000 ciclos sin rotura cuando se calienta a impulsos desde temperatura ambiente a 1.000ºC durante 0,5 a 5 segundos.

Respecto a propiedades mecánicas, la aleación tiene una relación entre el peso y la resistencia elevada (es decir, elevada resistencia específica) y debería mostrar una ductilidad a temperatura ambiente de al menos 3%. Por ejemplo, la aleación puede mostrar una reducción en área a temperatura ambiente de al menos 14% y un alargamiento a temperatura ambiente de al menos 15%. La aleación muestra preferentemente un límite de deformación de al menos 350 MPa (50 ksi) y una resistencia a la tracción a temperatura ambiente de al menos 550 MPa (80 ksi). Respecto a propiedades a temperatura elevada, la aleación muestra preferentemente una reducción en área a temperatura elevada a 800ºC de al menos 30%, un alargamiento a temperatura elevada a 800ºC de al menos 30%, un límite de deformación a temperatura elevada a 800ºC de al menos 50 MPa (7 ksi) y una resistencia a la tracción a temperatura elevada a 800ºC de al menos 70 MPa (10 ksi).

La invención proporciona también un procedimiento para fabricar una aleación adecuada para un elemento calefactor de resistencia eléctrica. El procedimiento incluye formar un polvo revestido de óxido pulverizando con agua una aleación de base de hierro que contenga aluminio y formar con ello polvo con un revestimiento de óxido, dar a una masa del polvo forma de un cuerpo y deformar el cuerpo suficientemente para romper el revestimiento de óxido en partículas de óxido y distribuir las partículas de óxido como microestructuras filiformes en un cuerpo deformado plásticamente. Según diversos aspectos del método, el cuerpo se puede formar colocando el polvo en una vaina de metal y sellando la vaina de metal con el polvo allí dentro. De forma alternativa, el cuerpo se puede formar mezclando el polvo con un aglomerante y formando una mezcla de polvo. La etapa deformante se puede llevar a cabo extruyendo en caliente la vaina de metal y formando una extrusión o extruyendo la mezcla de polvo y formando una extrusión. La extrusión se puede laminar y/o sinterizar. La aleación de base de hierro puede ser una aleación binaria y el polvo puede contener más de 0,1% en peso de oxígeno. Por ejemplo, el contenido de oxígeno puede ser 0,2-5%, preferentemente 0,3-0,8%. Para proporcionar un elemento calefactor de resistencia eléctrica que se caliente hasta 900ºC en menos de un segundo cuando se hace pasar un voltaje de hasta 10 voltios y hasta 6 amperios a través de la aleación, el cuerpo deformado plásticamente tiene preferentemente una resistividad a temperatura ambiente de 80-400 \mu\Omega\cdotcm. Debido a la pulverización por agua del polvo, el polvo es de forma irregular y las partículas de óxido están formadas esencialmente por Al_{2}O_{3}. El polvo puede tener cualquier tamaño de partícula adecuado como, por ejemplo, 5-30 \mum.

El material calefactor de resistencia eléctrica se puede preparar de diversos modos. Por ejemplo, los ingredientes en bruto se pueden mezclar con un aditivo sinterizante antes de trabajar termodinámicamente el material como, por ejemplo, mediante extrusión. El material se puede preparar mezclando elementos que reaccionen durante la etapa sinterizante para formar compuestos de metal aislantes y/o conductores eléctricamente. Por ejemplo, los ingredientes en bruto pueden incluir elementos como, por ejemplo, Mo, C y Si, formando el Mo, C y Si durante la etapa sinterizante MoSi_{2} y SiC. El material se puede preparar mediante aleado mecánico y/o mezclando polvo prealeado que comprenda metales puros o compuestos de Fe, Al, elementos aleantes y/o carburos, nitruros, boruros, siliciuros y/u óxidos de elementos metálicos como, por ejemplo, elementos de los grupos IVb, Vb y VIb de la tabla periódica. Los carburos pueden incluir carburos de Zr, Ta, Ti, Si, B, etc., los boruros pueden incluir boruros de Zr, Ta, Ti, Mo, etc., los siliciuros pueden incluir siliciuros de Mg, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Zr, Nb, Mo, Ta, W, etc., los nitruros pueden incluir nitruros de Al, Si, Ti, Zr, etc., y los óxidos pueden incluir óxidos de Y, Al, Si, Ti, Zr, etc. Los óxidos se pueden añadir a la mezcla de polvo o formar in situ añadiendo metal puro como, por ejemplo, Y a un baño de metal fundido por lo que se puede oxidar el Y en el baño fundido, durante la pulverización del metal fundido en polvo y/o mediante tratamiento posterior del polvo.

La invención proporciona también un procedimiento pulvimetalúrgico para fabricar un elemento calefactor de resistencia eléctrica pulverizando una aleación de base de hierro que contenga aluminio, dando a una masa del polvo forma de un cuerpo y deformando el cuerpo como un elemento calefactor de resistencia eléctrica. El cuerpo se puede formar colocando el polvo en una vaina de metal, sellando la vaina de metal con el polvo allí dentro seguido por sometimiento de la vaina a prensadura isostática en caliente. El cuerpo se puede formar también mediante fundición a la barbotina en el que el polvo se mezcla con un aglomerante y se le da forma de una mezcla de polvo. La etapa deformante se puede llevar a cabo de diversas maneras como, por ejemplo, prensadura isostática en frío o extruyendo el cuerpo. El procedimiento puede incluir además laminar el cuerpo y sinterizar el polvo en una atmósfera de gas inerte, preferentemente una atmósfera de hidrógeno. Si se prensa el polvo, el polvo se prensa preferentemente a una densidad de al menos 80% para proporcionar una porosidad de no más de 20% en volumen, preferentemente una densidad de al menos 95% y una porosidad de no más de 5%. El polvo puede tener diversas formas como, por ejemplo, una forma irregular o forma esférica.

Breve descripción de los dibujos

Figura 1 muestra el efecto de cambios en el contenido de Al en las propiedades a temperatura ambiente de una aleación de base de hierro que contiene aluminio;

Figura 2 muestra el efecto de cambios en el contenido de Al en las propiedades a temperatura ambiente y a temperatura elevada de una aleación de base de hierro que contiene aluminio;

Figura 3 muestra el efecto de cambios en el contenido de Al en la carga de alargamiento a temperatura elevada de una aleación de base de hierro que contiene aluminio;

Figura 4 muestra el efecto de cambios en el contenido de Al en las propiedades de carga de rotura (alargamiento plástico) de una aleación de base de hierro que contiene aluminio;

Figura 5 muestra el efecto de cambios en el contenido de Si en las propiedades traccionales a temperatura ambiente de una aleación de base de hierro que contiene Al y Si;

Figura 6 muestra el efecto de cambios en el contenido de Ti en las propiedades a temperatura ambiente de una aleación de base de hierro que contiene Al y Ti;

Figura 7 muestra el efecto de cambios en el contenido de Ti en las propiedades de rotura por alargamiento plástico de una aleación de base de hierro que contiene Ti;

Figuras 8 a-b muestran la morfología de polvo de Fe_{3}Al pulverizado por gas a aumentos de 200x y 1.000x, respectivamente;

Figuras 9 a-b muestran la morfología de polvo de Fe_{3}Al pulverizado por agua a aumentos de 50x y 100x, respectivamente;

Figuras 10 a-b muestran la presencia de microestructuras filiformes de óxido en una barra tosca de extrusión de polvo pulverizado por agua de aluminiuro de hierro que contiene 16% en peso de Al y el resto Fe en una sección longitudinal no atacada a aumentos de 100x y 1.000x, respectivamente;

Figuras 11 a-b muestran la microestructura de la barra tosca de extrusión de la Figura 10 en una sección longitudinal atacada cerca del borde a aumentos de 100x y 1.000x, respectivamente;

Figuras 12 a-b muestran la barra tosca de extrusión de la Figura 10 en una sección longitudinal atacada cerca del centro a aumentos de 100x y 1.000x, respectivamente;

Figuras 13 a-b muestran la barra tosca de extrusión de la Figura 10 en una sección transversal no atacada a aumentos de 100x y 1.000x, respectivamente;

Figuras 14 a-b muestran la barra tosca de extrusión de la Figura 10 en una sección transversal atacada a aumentos de 100x y 1.000x, respectivamente;

Figuras 15 a-b muestran la barra tosca de extrusión de la Figura 10 en una sección transversal atacada cerca del centro a aumentos de 100x y 1.000x, respectivamente;

Figuras 16 a-d muestran fotomicrografías de la barra tosca de extrusión de la Figura 10 en la que la Figura 16 a muestra una imagen electrónica de retrodispersión de las características del óxido, la Figura 16 b es un mapa de hierro donde las áreas oscuras son bajas en hierro, la Figura 16 c es un mapa de aluminio que muestra las áreas que eran bajas en hierro y enriquecidas en aluminio y la Figura 16 d es un mapa de oxígeno que muestra su concentración donde el aluminio está enriquecido y el hierro es bajo;

Figuras 17 a-c muestran el límite de deformación, la carga máxima unitaria a la tracción y el alargamiento total para los números de aleación 23, 35, 46 y 48;

Figuras 18 a-c muestran el límite de deformación, la carga máxima unitaria a la tracción y el alargamiento total para la aleación comercial Haynes 214 y las aleaciones 46 y 48;

Figuras 19 a-b muestran la carga máxima unitaria a la tracción a grados de resistencia a la tracción de 3 x 10^{-4}/s y 3 x 10^{-2}/s, respectivamente; y

Figuras 19 c-d muestran el alargamiento plástico de rotura a grados de deformación de 3 x 10^{-4}/s y 3 x 10^{-2}/s, respectivamente, para las aleaciones 57, 58, 60 y 61;

Figuras 20 a-b muestran el límite de deformación y la carga máxima unitaria a la tracción, respectivamente, a 850ºC para las aleaciones 46, 48 y 56, como una función de las temperaturas de recocido;

Figuras 21 a-e muestran datos de alargamiento plástico para las aleaciones 35, 46, 48 y 56, en las que la Figura 21 a muestra datos de alargamiento plástico para la aleación 35 después de recocido a 1.050ºC durante dos horas en vacío, la Figura 21 b muestra datos de alargamiento plástico para la aleación 46 después de recocido a 700ºC durante una hora y enfriamiento por aire, la Figura 21 c muestra datos de alargamiento plástico para la aleación 48 después de recocido a 1.100ºC durante una hora en vacío y en donde la prueba se lleva a cabo a 7 MPa (1 ksi) a 800ºC, la Figura 21 d muestra la muestra de la Figura 21 c probada a 20 MPa (3 ksi) y 800ºC y la Figura 21 e muestra la aleación 56 después de recocido a 1.100ºC durante una hora en vacío y probada a 20 MPa (3 ksi) y 800ºC.

Figuras 22 a-c muestran gráficos de valores de dureza (Rockwell C) para las aleaciones 48, 49, 51, 52, 53, 54 y 56 en donde la Figura 22 a muestra dureza contra recocido durante una hora a temperaturas de 750-1.300ºC para la aleación 48; la Figura 22 b muestra dureza contra recocido a 400ºC durante tiempos de 0-140 horas para las aleaciones 49, 51 y 56; y la Figura 22 c muestra dureza contra recocido a 400ºC durante tiempos de 0-80 horas para las aleaciones 52, 53 y 54;

Figuras 23 a-e muestran gráficos de datos de termodeformación plástica contra el tiempo para las aleaciones 48, 51 y 56, en donde la Figura 23 a muestra una comparación de termodeformación plástica a 800ºC para las aleaciones 48 y 56, la Figura 23 b muestra la termodeformación plástica a 800ºC para la aleación 48, la Figura 23 c muestra la termodeformación plástica a 800ºC, 825ºC y 850ºC para la aleación 48 después de recocido a 1.100ºC durante una hora, la Figura 23 d muestra la termodeformación plástica a 800ºC, 825ºC y 850ºC para la aleación 48 después de recocido a 750ºC durante una hora y la Figura 23 e muestra la termodeformación plástica a 850ºC para la aleación 51 después de recocido a 400ºC durante 139 horas;

Figuras 24 a-b muestran gráficos de datos de termodeformación plástica contra el tiempo para la aleación 62 en donde la Figura 24 a muestra una comparación de termodeformación plástica a 850ºC y 875ºC para la aleación 62 en forma de chapa fina y la Figura 24 b muestra la termodeformación plástica a 800ºC, 850ºC y 875ºC para la aleación 62 en forma de barra; y

Figuras 25 a-b muestran gráficos de resistividad eléctrica contra temperatura para las aleaciones 46 y 43, en donde la Figura 25 a muestra la resistividad eléctrica de las aleaciones 46 y 43 y la Figura 24 b muestra efectos de un ciclo de caldeo sobre la resistividad eléctrica de la aleación 43.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

La concentración de aluminio en las aleaciones de Fe-Al varía de 14 a 32% en peso (nominal) y las aleaciones de Fe-Al, cuando se trabajan o procesan mediante pulvimetalurgia, se pueden adaptar para proporcionar ductilidades a temperatura ambiente seleccionadas a un nivel conveniente recociendo las aleaciones en una atmósfera adecuada a una temperatura seleccionada superior a aproximadamente 700ºC (por ejemplo, 700ºC-1.000ºC) y después enfriando en el horno, enfriando por aire o enfriando en aceite las aleaciones mientras se conservan las propiedades de límite de deformación y carga máxima unitaria a la tracción, resistencia a la oxidación y a la corrosión acuosa.

La concentración de los constituyentes aleantes usados para formar aleaciones de Fe-Al de la presente invención se expresa en la presente invención en tanto por ciento en peso nominal. No obstante, el peso nominal del aluminio en estas aleaciones corresponde esencialmente a al menos aproximadamente 97% del peso real del aluminio en las aleaciones. Por ejemplo, en la aleación de Fe-Al de la composición preferida, como se describirá a continuación, un 18,46% en peso nominal puede proporcionar un 18,27% en peso real de aluminio, lo cual es aproximadamente 99% de la concentración nominal.

Los efectos de diversas adiciones aleantes y procesamientos se muestran en los dibujos, las Tablas 1-6 y la exposición siguiente.

Según la invención, se pueden proporcionar aleaciones de base de hierro que contienen aluminio que son útiles como elementos calefactores de resistencia eléctrica. Por ejemplo, la aleación de la invención se puede usar para fabricar el elemento calefactor descrito en la Solicitud de patente de EE UU de propiedad común presentada al mismo tiempo junto con la presente invención y titulada "Calentador para el uso en un sistema humeante eléctrico" (documento PM1768). No obstante, las composiciones de aleación descritas en la presente invención se pueden usar para otros fines como, por ejemplo, en aplicaciones de pulverización térmica en donde las aleaciones se podrían usar como revestimientos con resistencia a la oxidación y la corrosión. También, las aleaciones se podrían usar como electrodos resistentes a la corrosión, componentes de horno, reactores químicos, materiales resistentes a la sulfuración, materiales resistentes a la corrosión para el uso en la industria química, conducto para transportar fangos de lavado de carbón o alquitrán de hulla, materiales de sustrato para convertidores catalíticos, conductos de escape para motores de automóvil, filtros porosos, etc.

Según un aspecto de la invención, la geometría de la aleación se puede variar para optimizar la resistencia del calentador según la fórmula: R = \rho (L/W x T) en donde R = resistencia del calentador, \rho = resistividad del material del calentador, L = longitud del calentador, W = anchura del calentador y T = espesor del calentador. La resistividad del material del calentador se puede variar ajustando el contenido de aluminio de la aleación, el procesamiento de la aleación o incorporando adiciones aleantes a la aleación. Por ejemplo, la resistividad se puede aumentar significativamente incorporando partículas de alúmina al material del calentador. La aleación puede incluir opcionalmente otras partículas cerámicas para mejorar la resistencia al alargamiento plástico y/o la conductividad térmica. Por ejemplo, el material del calentador puede incluir partículas o fibras de material conductor eléctricamente como, por ejemplo, nitruros de metales de transición (Zr, Ti, Hf), carburos de metales de transición, boruros de metales de transición y MoSi_{2} con el fin de proporcionar buena resistencia al alargamiento plástico a temperatura elevada hasta 1.200ºC y también excelente resistencia a la oxidación. El material del calentador puede incorporar también partículas de material aislante eléctricamente como, por ejemplo, Al_{2}O_{3}, Y_{2}O_{3}, Si_{3}N_{4}, ZrO_{2} con el fin de fabricar el material del calentador resistente a la deformación plástica a temperatura elevada y también mejorar la conductividad térmica y/o reducir el coeficiente térmico de expansión del material del calentador. Las partículas/fibras aislantes/conductoras eléctricamente se pueden añadir a una mezcla de polvo de Fe, Al o aluminiuro de hierro o estas partículas/fibras se pueden formar mediante síntesis reactiva de polvos elementales que reaccionan exotérmicamente durante la fabricación del elemento calefactor.

El material del calentador se puede fabricar de diversos modos. Por ejemplo, el material del calentador se puede fabricar a partir de un polvo prealeado o aleando mecánicamente los constituyentes aleantes. La resistencia al alargamiento plástico del material se puede mejorar de diversos modos. Por ejemplo, se puede mezclar un polvo prealeado con Y_{2}O_{3} y alearse mecánicamente para intercalarse en el polvo prealeado. El polvo aleado mecánicamente se puede procesar mediante técnicas de pulvimetalurgia convencionales como, por ejemplo, envainado y extrusión, fundición a la barbotina, fundición centrífuga, prensadura en caliente y prensadura isostática en caliente. Otra técnica es usar polvos elementales puros de Fe, Al y elementos aleantes opcionales con o sin partículas cerámicas como, por ejemplo, Y_{2}O_{3} y óxido de cerio y alear mecánicamente estos ingredientes. Además de lo anterior, las partículas aislantes eléctricamente y/o conductoras eléctricamente mencionadas anteriormente se pueden incorporar a la mezcla de polvo para adaptar propiedades físicas y la resistencia al alargamiento plástico a temperatura elevada del material del calentador.

El material del calentador se puede fabricar mediante fundición convencional o técnicas de pulvimetalurgia. Por ejemplo, el material del calentador se puede producir a partir de una mezcla de polvo con diferentes fracciones pero una mezcla de polvo preferida comprende partículas con un tamaño menor que 100 de paso de tamiz. Según un aspecto de la invención, el polvo se puede producir mediante pulverización por gas, en cuyo caso el polvo puede tener una morfología esférica. Según otro aspecto de la invención, el polvo se puede fabricar mediante pulverización por agua, en cuyo caso el polvo puede tener una morfología irregular. Además, el polvo producido mediante pulverización por agua puede incluir un revestimiento de óxido de aluminio sobre las partículas de polvo y este óxido de aluminio se puede romper e incorporar al material del calentador durante el procesamiento termomecánico del polvo para formar formas como, por ejemplo, chapa fina, barra, etc. Las partículas de alúmina son eficaces para aumentar la resistividad de la aleación de hierro y aluminio y aunque la alúmina es eficaz para aumentar la resistencia y la resistencia al alargamiento plástico, se reduce la ductilidad de la aleación.

Se añade molibdeno en un intervalo eficaz de 0,2 a 5,0%, proporción eficaz que es suficiente para acelerar el endurecimiento por solubilización de la fase sólida de la aleación y la resistencia al alargamiento plástico de la aleación al exponerse a temperaturas elevadas. La concentración del molibdeno puede variar de 0,25 a 4,25% en una realización preferida, y de 0,3 a 0,5%. Adiciones de molibdeno mayores que aproximadamente 2,0% disminuyen la ductilidad a temperatura ambiente debido a la amplitud del endurecimiento por solubilización de la fase sólida causada por la presencia de molibdeno en estas concentraciones.

Se puede añadir titanio en una proporción eficaz para mejorar la resistencia al alargamiento plástico de la aleación y se puede presentar en proporciones de hasta 3%. Si está presente, la concentración de titanio está preferentemente en el intervalo de \leq 2,0%.

La concentración de carbono está preferentemente en el intervalo de aproximadamente 0,03% a aproximadamente 0,3%. La cantidad eficaz de carbono y del formador de carburo son cada una suficientes para asegurar juntas la formación de suficientes carburos para controlar el crecimiento de los granos en la aleación durante la exposición de ésta a temperaturas crecientes. Los carburos pueden proporcionar también algún aumento de concentración por solubilización en las aleaciones. La concentración de carbono y del formador de carburo en la aleación puede ser tal que la adición de carburo proporcione una razón estequiométrica o casi estequiométrica de carbono a formador de carburo de modo que no quede esencialmente ningún carbono sobrante en la aleación acabada.

Se incorpora circonio a la aleación para mejorar la resistencia a la oxidación a temperatura elevada. Si está presente carbono en la aleación, un exceso en la aleación de un formador de carburo como, por ejemplo, circonio es beneficioso en tanto en cuanto ayuda a formar un óxido resistente al desconchado durante el ciclado térmico en aire a temperatura elevada. El circonio es más eficaz que el Hf ya que el Zr forma microestructuras filiformes de óxido perpendiculares a la superficie descubierta de la aleación que fijan el óxido superficial mientras que el Hf forma microestructuras filiformes de óxido que son paralelas a la superficie.

Los formadores de carburo incluyen elementos formadores de carburo como, por ejemplo circonio, niobio, tántalo y hafnio y combinaciones de los mismos. El formador de carburo es preferentemente circonio en una concentración suficiente para formar carburos con el carbono presente dentro de la aleación. Las concentraciones para niobio, tántalo y hafnio cuando se usan como formadores de carburo corresponden esencialmente a las del circonio.

Además de los elementos aleantes mencionados, el uso de una proporción eficaz de un elemento de tierras raras como, por ejemplo, 0,05-0,25% de cerio o itrio en la composición de aleación es beneficiosa ya que se ha comprobado que estos elementos mejoran la resistencia a la oxidación de la aleación.

Se obtiene también mejora en propiedades añadiendo hasta 30% en peso de partículas de fase dispersa de óxido como, por ejemplo, Y_{2}O_{3}, Al_{2}O_{3} o similares. Las partículas de fase dispersa de óxido se pueden añadir a una colada o mezcla de polvo de Fe, Al y otros elementos aleantes. De forma alternativa, el óxido se puede crear in situ pulverizando con agua una colada de una aleación de base de hierro que contenga aluminio por lo que se obtiene un revestimiento de alúmina o itria sobre polvo de hierro-aluminio. Durante el procesamiento del polvo, los óxidos se rompen y se disponen como microestructuras filiformes en el producto final. La incorporación de las partículas de óxido a la aleación de hierro-aluminio es eficaz para aumentar la resistividad de la aleación. Por ejemplo, incorporando aproximadamente 0,5-0,6% en peso de oxígeno a la aleación, se puede aumentar la resistividad de aproximadamente 100 \mu\Omega\cdotcm a aproximadamente 160 \mu\Omega\cdotcm.

Para mejorar la conductividad térmica y/o resistividad de la aleación, se puede incorporar a la aleación hasta 30% en peso de partículas cerámicas de compuestos de metal conductores eléctricamente y/o aislantes eléctricamente. Estos compuestos de metal incluyen óxidos, nitruros, siliciuros, boruros y carburos de elementos seleccionados de los grupos IVb, Vb y VIb de la tabla periódica. Los carburos pueden incluir carburos de Zr, Ta, Ti, Si, B, etc., los boruros pueden incluir boruros de Zr, Ta, Ti, Mo, etc., los siliciuros pueden incluir siliciuros de Mg, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Zr, Nb, Mo, Ta, W, etc., los nitruros pueden incluir nitruros de Al, Si, Ti, Zr, etc. y los óxidos pueden incluir óxidos de Y, Al, Si, Ti, Zr, etc. Los óxidos se pueden añadir a la mezcla de polvo o formarse in situ añadiendo metal puro como, por ejemplo, Y a un baño de metal fundido por lo que el Y se puede oxidar en el baño fundido, durante la pulverización del metal fundido en polvo y/o mediante tratamiento posterior del polvo. Por ejemplo, el material del calentador puede incluir partículas de material eléctricamente conductor como, por ejemplo, nitruros de metales de transición (Zr, Ti, Hf), carburos de metales de transición, boruros de metales de transición y MoSi2 con el fin de proporcionar buena resistencia al alargamiento plástico a temperatura elevada hasta 1.200ºC y también excelente resistencia a la oxidación. El material del calentador puede incorporar también partículas de material aislante eléctricamente como, por ejemplo, Al_{2}O_{3}, Y_{2}O_{3}, Si_{3}N_{4}, ZrO_{2} con el fin de fabricar el material del calentador resistente a la deformación plástica a temperatura elevada y también mejorar la conductividad térmica y/o reducir el coeficiente térmico de expansión del material del calentador.

Elementos adicionales que se pueden añadir a las aleaciones según la invención incluyen Si, Ni y B. Por ejemplo, proporciones pequeñas de Si de hasta 2,0% pueden mejorar la resistencia a temperatura baja y elevada pero la ductibilidad a temperatura ambiente y a temperatura elevada de la aleación son afectadas adversamente con adiciones de Si por encima de 0,25% en peso. La adición de hasta 30% en peso de Ni puede mejorar la resistencia de la aleación por vía de aumento de concentración de segunda fase pero el Ni aumenta el coste de la aleación y puede reducir la ductibilidad a temperatura ambiente y elevada, conduciendo así a dificultades de fabricación, concretamente a temperaturas elevadas. Proporciones pequeñas de B pueden mejorar la ductibilidad de la aleación y el B se puede usar en combinación con Ti y/o Zr para proporcionar precipitados de boruro de titanio y/o circonio para afinamiento del grano. Los efectos en Al, Si y Ti se muestran en las Figuras 1-7.

La Figura 1 muestra el efecto de cambios en el contenido de Al en las propiedades a temperatura ambiente de una aleación de base de hierro que contiene aluminio. En concreto, la Figura 1 muestra valores de resistencia a la tracción, límite de deformación, reducción de área, alargamiento y dureza Rockwell A para aleaciones de base de hierro que contienen hasta 20% en peso de Al.

La Figura 2 muestra el efecto de cambios en el contenido de Al en las propiedades a temperatura elevada de una aleación de base de hierro que contiene aluminio. En concreto, la Figura 2 muestra valores de resistencia a la tracción y límite elástico proporcional a temperatura ambiente, 800ºF, 1.000ºF, 1.200ºF y 1.350ºF para aleaciones de base de hierro que contienen hasta 18% en peso de Al.

La Figura 3 muestra el efecto de cambios en el contenido de Al en la carga de alargamiento a temperatura elevada de una aleación de base de hierro que contiene aluminio. En concreto, la Figura 3 muestra la carga de ½ % de alargamiento y carga de 2% de alargamiento en 1 hora para aleaciones de base de hierro que contienen hasta 15-16% en peso de Al.

La Figura 4 muestra el efecto de cambios en el contenido de Al en las propiedades de alargamiento plástico de una aleación de base de hierro que contiene aluminio. En concreto, la Figura 4 muestra la carga de rotura en 100 h y 1.000 h para aleaciones de base de hierro que contienen hasta 15-18% en peso de aluminio.

La Figura 5 muestra el efecto de cambios en el contenido de Si en las propiedades traccionales a temperatura ambiente de una aleación de base de hierro que contiene Al y Si. En concreto, la Figura 5 muestra valores de límite elástico, resistencia a la tracción y alargamiento para aleaciones de base de hierro que contienen 5,7 ó 9% en peso de Al y hasta 2,5% en peso de Si.

La Figura 6 muestra el efecto de cambios en el contenido de Ti en las propiedades a temperatura ambiente de una aleación de base de hierro que contiene Al y Ti. En concreto, la Figura 6 muestra valores de resistencia a la tracción y alargamiento para aleaciones de base de hierro que contienen hasta 12% en peso de Al y hasta 3% en peso de Ti (fuera del alcance de esta invención).

La Figura 7 muestra el efecto de cambios en el contenido de Ti en las propiedades de rotura por alargamiento plástico de una aleación de base de hierro que contiene Ti. En concreto, la Figura 7 muestra valores de carga de rotura para aleaciones de base de hierro que contiene hasta 3% en peso de Ti a temperaturas de 700 a 1.350ºF.

Las Figuras 8 a-b muestran la morfología de polvo de Fe_{3}Al pulverizado por gas a aumentos de 200x y 1.000x, respectivamente. Como se muestra en estas figuras, el polvo pulverizado por gas tiene una morfología esférica. El polvo pulverizado por gas se puede obtener pulverizando un chorro de metal fundido en una atmósfera de gas inerte como, por ejemplo, argón o nitrógeno.

Las Figuras 9 a-b muestran la morfología de polvo de Fe_{3}Al pulverizado por agua a aumentos de 50x y 100x, respectivamente. Como se ilustra en estas figuras, el polvo pulverizado por agua tiene una forma sumamente irregular. Además, cuando el polvo se pulveriza por agua se proporciona un revestimiento de óxido de aluminio sobre las partículas de polvo. La sinterización de este polvo sin procesamiento termomecánico previo de este polvo puede proporcionar un producto con partículas de óxido de un tamaño de 0,1-20 \mum. No obstante, mediante procesamiento termomecánico de este polvo es posible romper los óxidos y proporcionar una dispersión de óxidos mucho más fina con un tamaño de 0,01-0,1 \mum en el producto final. Las Figuras 10-16 muestran detalles de un polvo pulverizado por agua esencialmente sin óxido de hierro formado a consecuencia de pulverizar por agua el polvo.

Las Figuras 10 a-b muestran la presencia de microestructuras filiformes de óxido en una barra tosca de extrusión de polvo pulverizado por agua de aluminiuro de hierro que contiene 16% en peso de Al y el resto Fe en una sección longitudinal no atacada a aumentos de 100x y 1.000x, respectivamente. Las Figuras 11 a-b muestran la microestructura de la barra tosca de extrusión de la Figura 10 en una sección longitudinal atacada cerca del borde a aumentos de 100x y 1.000x, respectivamente. Las Figuras 12 a-b muestran la barra tosca de extrusión de la Figura 10 en una sección longitudinal atacada cerca del centro a aumentos de 100x y 1.000x, respectivamente. Las Figuras 13 a-b muestran la barra tosca de extrusión de la Figura 10 en una sección transversal no atacada a aumentos de 100x y 1.000x, respectivamente. Las Figuras 14 a-b muestran la barra tosca de extrusión de la Figura 10 en una sección transversal atacada a aumentos de 100x y 1.000x, respectivamente. Las Figuras 15 a-b muestran la barra tosca de extrusión de la Figura 10 en una sección transversal atacada cerca del centro a aumentos de 100x y 1.000x, respectivamente. Las Figuras 16 a-d muestran fotomicrografías de la barra tosca de extrusión de la Figura 10 en donde la Figura 16 a muestra una imagen electrónica de retrodispersión de las características del óxido, la Figura 16 b es un mapa de hierro donde las áreas oscuras son bajas en hierro, la Figura 16 c es un mapa de aluminio que muestra las áreas que eran bajas en hierro y enriquecidas en aluminio y la Figura 16 d es un mapa de oxígeno que muestra su concentración donde el aluminio está enriquecido y el hierro es bajo.

Las Figuras 17-25 muestran gráficos de propiedades de las aleaciones de las Tablas 1a y 1b. Las Figuras 17 a-c muestran el límite de deformación, la carga máxima unitaria a la tracción y el alargamiento total para las aleaciones números 23, 35, 46 y 48. Las Figuras 18 a-c muestran el límite de deformación, la carga máxima unitaria a la tracción y el alargamiento total para las aleaciones 46 y 48 comparadas con la aleación comercial Haynes 214. Las Figuras 19 a-b muestran la carga máxima unitaria a la tracción a grados de resistencia a la tracción de 3 x 10^{-4}/s y 3 x 10^{-2}/s, respectivamente; y las Figuras 19 c-d muestran el alargamiento plástico de rotura a grados de deformación de 3 x 10^{-5}/s y 3 x 10-^{-2}/s, respectivamente, para las aleaciones 57, 58, 60 y 61. Las Figuras 20 a-b muestran el límite de deformación y la carga máxima unitaria a la tracción, respectivamente, a 850ºC para las aleaciones 46, 48 y 56, como una función de las temperaturas de recocido. Las Figuras 21 a-e muestran datos de alargamiento plástico para las aleaciones 35, 46, 48 y 56. La Figura 21 a muestra datos de alargamiento plástico para la aleación 35 después de recocido a 1.050ºC durante dos horas en vacío. La Figura 21 b muestra datos de alargamiento plástico para la aleación 46 después de recocido a 700ºC durante una hora y enfriamiento por aire. La Figura 21 c muestra datos de alargamiento plástico para la aleación 48 después de recocido a 1.100ºC durante una hora en vacío y en donde la prueba se lleva a cabo a 7 MPa (1 ksi) a 800ºC. La Figura 21 d muestra la muestra de la Figura 21 c probada a 20 MPa (3 ksi) y 800ºC y la Figura 21 e muestra la aleación 56 después de recocido a 1.100ºC durante una hora en vacío y probada a 20 MPa (3 ksi) y 800ºC.

Las Figuras 22 a-c muestran gráficos de valores de dureza (Rockwell C) para las aleaciones 48, 49, 51, 52, 53, 54 y 56 en donde la Figura 22 a muestra dureza contra recocido durante una hora a temperaturas de 750-1.300ºC para la aleación 48; la Figura 22 b muestra dureza contra recocido a 400ºC durante tiempos de 0-140 horas para las aleaciones 49, 51 y 56; y la Figura 22 c muestra dureza contra recocido a 400ºC durante tiempos de 0-80 horas para las aleaciones 52, 53 y 54. Las Figuras 23 a-e muestran gráficos de datos de termodeformación plástica contra el tiempo para las aleaciones 48, 51 y 56, en donde la Figura 23 a muestra una comparación de termodeformación plástica a 800ºC para las aleaciones 48 y 56, la Figura 23 b muestra la termodeformación plástica a 800ºC para la aleación 48, la Figura 23 c muestra la termodeformación plástica a 800ºC, 825ºC y 850ºC para la aleación 48 después de recocido a 1.100ºC durante una hora, la Figura 23 d muestra la termodeformación plástica a 800ºC, 825ºC y 850ºC para la aleación 48 después de recocido a 750ºC durante una hora y la Figura 23 e muestra la termodeformación plástica a 850ºC para la aleación 51 después de recocido a 400ºC durante 139 horas. Las Figuras 24 a-b muestran gráficos de datos de termodeformación plástica contra el tiempo para la aleación 62 en donde la Figura 24 a muestra una comparación de termodeformación plástica a 850ºC y 875ºC para la aleación 62 en forma de chapa fina y la Figura 24 b muestra la termodeformación plástica a 800ºC, 850ºC y 875ºC para la aleación 62 en forma de barra. Las Figuras 25 a-b muestran gráficos de resistividad eléctrica contra temperatura para las aleaciones 46 y 43 en donde la Figura 25 a muestra la resistividad eléctrica de las aleaciones 46 y 43 y la Figura 24 b muestra efectos de un ciclo de caldeo sobre la resistividad eléctrica de la aleación 43.

Las aleaciones de Fe-Al de la presente invención se forman preferentemente mediante técnicas pulvimetalúrgicas o mediante la fusión por arco, fusión por corriente de inducción en aire o fusión por corriente de inducción en vacío de trozos pulverizados y/o sólidos de los constituyentes aleantes seleccionados a una temperatura de aproximadamente 1.600ºC en un crisol adecuado formado de ZrO_{2} o similar. La aleación fundida se cuela preferentemente en un molde de grafito o similar en la configuración de un producto deseado o para formar una hornada de la aleación usada para la formación de un artículo de aleación trabajando la aleación.

La colada de la aleación que se va a trabajar se corta, si es necesario, a un tamaño apropiado y después se reduce en espesor forjando a una temperatura en el intervalo de aproximadamente 900ºC a 1.100ºC, laminando en caliente a una temperatura en el intervalo de aproximadamente 750º a 1.100ºC, laminando en templado a una temperatura en el intervalo de aproximadamente 600º a 700ºC y/o laminando en frío a temperatura ambiente. Cada paso a través de los laminadores en frío puede proporcionar una reducción de 20 a 30% de espesor y le sigue un tratamiento en caliente de la aleación en aire, gas inerte o vacío a una temperatura en el intervalo de aproximadamente 700º a 1.050ºC, preferentemente aproximadamente 800ºC, durante una hora.

Las muestras de aleación forjada expuestas en las tablas siguientes se prepararon fundiendo por arco los constituyentes aleantes para formar hornadas de las diversas aleaciones. Estas hornadas se cortaron en trozos de 13 mm (0,5 pulgadas) de espesor que se forjaron a 1.000ºC para reducir el espesor de las muestras de aleación a 6 mm (0,25 pulgadas) (50% de reducción), después se laminaron en caliente a 800ºC para reducir más el espesor de las muestras de aleación a 2,5 mm (0,1 pulgadas) (60% de reducción) y después se laminaron en templado a 650ºC para proporcionar un espesor final de 0,76 mm (0,030 pulgadas) (70% de reducción) para las muestras de aleación descritas y probadas en la presente invención. Para pruebas de tracción, las muestras se perforaron a partir de chapa fina de 0,76 mm (0,030 pulgadas)con una distancia entre señales de la muestra de 13 mm (½ pulgada) alineada con la dirección de laminado de la chapa fina.

En las tablas siguientes se exponen también muestras preparadas mediante técnicas pulvimetalúrgicas. En general, los polvos se obtuvieron mediante técnicas de pulverización por gas o pulverización por agua. Dependiendo de qué técnica se use, se puede obtener morfología de polvo que varía de esférica (polvo pulverizado por gas) a irregular (polvo atomizado por agua). El polvo atomizado por agua incluye un revestimiento de óxido de aluminio que se rompe en microestructuras filiformes de partículas de óxido durante el procesamiento termomecánico del polvo en formas útiles como, por ejemplo, chapa fina, cinta, barra, etc. Las partículas de óxido modifican la resistividad eléctrica de la aleación actuando como aislantes discretos en una matriz conductora de Fe-Al.

Para comparar composiciones de aleaciones formadas según la presente invención entre sí y con otras aleaciones de Fe-Al, en las Tablas 1 a-b se exponen composiciones de aleaciones según la invención y con fines de comparación. La Tabla 2 expone propiedades de resistencia y ductibilidad a temperaturas bajas y elevadas para composiciones de aleación de las Tablas 1 a-b seleccionadas.

En la Tabla 3 se exponen datos de resistencia al pandeo para diversas aleaciones. Las pruebas de pandeo se llevaron a cabo usando cintas de las diversas aleaciones sostenidas en un extremo o sostenidas en ambos extremos. La proporción de pandeo se midió después de calentar las cintas en una atmósfera de aire a 900ºC durante los tiempos indicados.

En la Tabla 4 se exponen datos de alargamiento plástico para diversas aleaciones. Las pruebas de alargamiento plástico se llevaron a cabo usando una prueba de tracción para determinar la carga a la que las muestras se rompían a la temperatura de prueba en 10 h, 100 h y 1.000 h.

En la Tabla 5 se exponen la resistividad eléctrica a temperatura ambiente y la estructura cristalina para aleaciones seleccionadas. Como se muestra en dicha tabla, la resistividad eléctrica está afectada por la composición y procesamiento de la aleación.

La Tabla 6 expone datos de dureza de aleaciones endurecidas por dispersión de un óxido según la invención. En concreto, la Tabla 6 muestra la dureza (Rockwell C) de las aleaciones 62, 63 y 64. Como se muestra en dicha tabla, incluso con hasta 20% de Al_{2}O_{3} (aleación 64), la dureza del material se puede mantener por debajo de Rc45. Para proporcionar trabajabilidad, no obstante, se prefiere que la dureza del material se mantenga por debajo de aproximadamente Rc35. Así, cuando se desea utilizar material endurecido por dispersión de un óxido como el material del calentador de resistencia, la trabajabilidad del material se puede mejorar llevando a cabo un tratamiento térmico adecuado para disminuir la dureza del material.

La Tabla 7 muestra calores de formación de compuestos intermetálicos que se pueden formar mediante síntesis reactiva. Aunque en la Tabla 7 se muestran solo aluminiuros y siliciuros, se puede usar también síntesis reactiva para formar carburos, nitruros, óxidos y boruros. Por ejemplo, se puede formar una matriz de aluminiuro de hierro y/o productos cerámicos covalentes aislantes eléctricamente o conductores eléctricamente en forma de partículas o fibras mezclando polvos elementales que reaccionan exotérmicamente durante el calentamiento de estos polvos. Así, esta síntesis reactiva se puede llevar a cabo mientras se extruye o sinteriza el polvo usado para formar el elemento calefactor según la invención.

(Tabla pasa a página siguiente)

1

2

3

4

5

6

7

Tratamientos térmicos de las muestras

A = 800ºC/1 h/enfriamiento por aire

B = 1.050ºC/2 h/enfriamiento por aire

C = 1.050ºC/2 h en vacío

D = tosco de laminación

E = 815ºC/1 h/enfriamiento en aceite

F = 815ºC/1 h/enfriamiento en horno

G = 700ºC/1 h/enfriamiento por aire

H = extruido a 1.100ºC

I = extruido a 1.000ºC

J = extruido a 950ºC

K = 750ºC/1 h en vacío

L = 800ºC/1 h en vacío

M = 900ºC/1 h en vacío

N = 1.000ºC/1 h en vacío

O = 1.100ºC/1 h en vacío

P = 1.200ºC/1 h en vacío

Q = 1.300ºC/1 h en vacío

R = 750ºC/1 h enfriamiento lento

S = 400ºC/139 h

T = 700ºC/1 h enfriamiento en aceite

Aleaciones 1-22, 35, 43, 46, 56, 65-68 probadas con grados de deformación de 5 mm/min. (0,2 pulgadas/min.)

Aleaciones 49, 51, 53 probadas con grados de deformación de 4 mm/min. (0,16 pulgadas/min.)

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Condiciones adicionales

a = peso de hilo suspendido en el extremo libre para que las muestras tengan el mismo peso

b = cintas metálicas de igual longitud y espesor colocadas sobre las muestras para que las muestras tengan el mismo peso

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Lo precedente ha descrito los principios, realizaciones preferidas y modos de funcionamiento de la presente invención. No obstante, la invención no debe interpretarse como limitada a las realizaciones concretas expuestas. Así, las realizaciones descritas anteriormente deben considerarse como ilustrativas antes que restrictivas y se debe comprender que se pueden hacer variaciones en esas realizaciones por parte de trabajadores expertos en la técnica sin desviarse del alcance de la presente invención según las siguientes reivindicaciones.

Claims (42)

1. Una aleación de aluminiuro de hierro resistente a la oxidación, corrosión y/o sulfuración que comprende, en peso, 14 a 32% de Al, \leq 1% de Cr, 0,02 a 1% de Zr, \leq 0,1% de B, 0,2 a 5% de Mo, \leq 1% de C, \leq 3% de Ti, \leq 2% de Si, \leq 30% de Ni, \leq 1% de Nb y/o \leq 1% de Ta y/o \leq 1% de Hf como formador de carburo, \leq 3% de Cu, 0,1 a 30% de partículas de fase dispersa de óxido, \leq 30% de partículas cerámicas y/o fibras, \leq 1% de metal de tierras raras, opcionalmente Mn, el resto Fe e impurezas.

2. Una aleación según la reivindicación 1 que está desprovista de Cr, desprovista de Mn, desprovista de Si y/o desprovista de Ni.

3. Una aleación según la reivindicación 1 ó 2 que incluye \geq 0,0015% de B.

4. Una aleación según la reivindicación 1, 2 ó 3 con una microestructura ferrítica que está desprovista de austenita.

5. Una aleación según cualquiera de las reivindicaciones precedentes desprovista de partículas cerámicas.

6. Una aleación según cualquiera de las reivindicaciones precedentes que está formada por 20,0 a 31,0% de Al, \leq 1% de Mo, 0,05 a 0,15% de Zr, 0,01 a 0,1% de C, 0,1 a 30% de partículas de fase dispersa de óxido, el resto Fe e impurezas.

7. Una aleación según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 que está formada por 14,0 a 20,0% de Al, 0,3 a 1,5% de Mo, 0,05 a 1,0% de Zr, \leq 0,1% de C, \leq 2,0% de Ti, 0,1 a 30% de partículas de fase dispersa de óxido, el resto Fe e impurezas.

8. Una aleación según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 que está formada por 20,0 a 31,0% de Al, 0,3 a 0,5% de Mo, 0,05 a 0,3% de Zr, \leq 0,1% de C, \leq 2,0% de Ti, 0,1 a 30% de partículas de fase dispersa de óxido, el resto Fe e impurezas.

9. Una aleación según cualquiera de las reivindicaciones precedentes que muestra una reducción en área a temperatura ambiente de al menos 14%, un alargamiento a temperatura ambiente de al menos 15%, un límite de deformación a temperatura ambiente de al menos 350 MPa (50 ksi) y una resistencia a la tracción a temperatura ambiente de al menos 550 MPa (80 ksi).

10. Una aleación según cualquiera de las reivindicaciones precedentes que muestra una reducción en área a temperatura elevada a 800ºC de al menos 30%, un alargamiento a temperatura elevada a 800ºC de al menos 30%, un límite de deformación a temperatura elevada a 800ºC de al menos 50 MPa (7 ksi) y una resistencia a la tracción a temperatura elevada a 800ºC de al menos 70 MPa (10 ksi).

11. Un elemento calefactor de resistencia eléctrica de una aleación según cualquiera de las reivindicaciones precedentes.

12. Un elemento calefactor de resistencia eléctrica según la reivindicación 11 con una resistividad a temperatura ambiente de 80-400 \mu\Omega\cdotcm.

13. Un elemento calefactor de resistencia eléctrica según la reivindicación 11 ó 12 que se calienta hasta 900ºC en menos de 1 segundo cuando se hace pasar a través de la aleación un voltaje de hasta 10 voltios y hasta 6 amperios.

14. Un elemento calefactor de resistencia eléctrica según la reivindicación 10, 11 ó 12 que muestra una ganancia en peso de menos de 4% cuando se calienta en aire hasta 1.000ºC durante tres horas.

15. Un elemento calefactor de resistencia eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14 con una resistencia de 0,5 \Omega a 7 \Omega durante todo un ciclo de caldeo entre temperatura ambiente y 900ºC.

16. Un elemento calefactor de resistencia eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15 con una resistividad de contacto de 80 a 200 \Omega\cdot cm durante todo un ciclo de caldeo entre temperatura ambiente y 900ºC.

17. Un elemento calefactor de resistencia eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 16 que muestra resistencia a la fatiga térmica de más de 10.000 ciclos sin rotura cuando se calienta a impulsos desde temperatura ambiente a 1.000ºC durante 0,5 a 5 segundos en cada uno de los ciclos.

18. Un procedimiento para fabricar una aleación según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 adecuada para un elemento calefactor de resistencia eléctrica que comprende:

formar un polvo revestido de óxido pulverizando con agua una aleación de base de hierro que contenga aluminio y formar con ello polvo con un revestimiento de óxido;

dar a una masa del polvo forma de un cuerpo; y

deformar el cuerpo suficientemente para romper el revestimiento de óxido en partículas de óxido y distribuir las partículas de óxido como microestructuras filiformes en un cuerpo deformado plásticamente.

19. Un procedimiento según la reivindicación 18 en el que el cuerpo se forma colocando el polvo en una vaina de metal y sellando la vaina de metal con el polvo dentro de la misma.

20. Un procedimiento según la reivindicación 18 en el que la etapa deformante se lleva a cabo extruyendo en caliente la vaina de metal y formando una extrusión.

21. Un procedimiento según la reivindicación 20 que comprende además laminar la extrusión.

22. Un procedimiento según la reivindicación 20 ó 21 que comprende además sinterizar la extrusión.

23. Un procedimiento según la reivindicación 18 en el que el cuerpo se forma mezclando el polvo con un aglomerante y formando una mezcla de polvo.

24. Un procedimiento según la reivindicación 23 en el que la etapa deformante se lleva a cabo extruyendo en caliente la mezcla de polvo y formando una extrusión.

25. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 18 a 24 en el que el polvo contiene 0,2 a 5% de oxígeno.

26. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 18 a 25 en el que el cuerpo deformado plásticamente tiene una resistencia eléctrica de 100-400 \mu\Omega\cdotcm.

27. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 18 a 26 en el que el polvo es de forma irregular.

28. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 18 a 27 en el que las partículas de óxido están formadas esencialmente por Al_{2}O_{3}.

29. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 18 a 28 en el que las partículas de óxido tienen tamaños de partícula de 0,01 a 0,1 \mum.

30. Un procedimiento de pulvimetalurgia para fabricar un elemento calefactor de resistencia eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 17, que comprende:

dar a una masa de polvo que contenga aluminio y hierro forma de un cuerpo de aluminiuro de hierro; y

deformar el cuerpo como un elemento calefactor de resistencia eléctrica.

31. Un procedimiento según la reivindicación 30 en el que el cuerpo se forma colocando el polvo en una vaina de metal, sellando la vaina de metal con el polvo dentro de la misma, seguido por sometimiento de la vaina a prensadura isostática en caliente.

32. Un procedimiento según la reivindicación 31 en el que el cuerpo se forma mediante fundición a la barbotina en el que el polvo se mezcla con un aglomerante y se le da forma de una mezcla de polvo.

33. Un procedimiento según la reivindicación 32 en el que el cuerpo se forma mediante fundición centrífuga.

34. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 30 a 33 en el que la etapa deformante se lleva a cabo extruyendo o prensando isostáticamente en frío el cuerpo.

35. Un procedimiento según la reivindicación 30 en el que el cuerpo se forma colocando polvos de la aleación de aluminiuro de hierro que incluyen polvos elementales de Fe y Al en una vaina de metal, sellando la vaina de metal con el polvo dentro de la misma y extruyendo la vaina de metal sellada de modo que los polvos sufren síntesis reactiva y forman el aluminiuro de hierro durante la extrusión.

36. Un procedimiento según la reivindicación 30 que comprende además sinterizar el polvo en una atmósfera de gas inerte.

37. Un procedimiento según la reivindicación 36 en el que la atmósfera de gas inerte comprende hidrógeno.

38. Un procedimiento según las reivindicaciones 36 ó 37 que comprende además prensar el polvo a una densidad de al menos 95% y porosidad de \leq 5% en volumen.

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39. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 30 a 38 en el que el polvo es irregular y/o de forma esférica.

40. Un procedimiento según la reivindicación 30 en el que el cuerpo se forma colocando polvos elementales que reaccionan y forman partículas o fibras cerámicas covalentes aislantes eléctricamente y/o conductoras eléctricamente en un receptáculo y calentando el receptáculo de modo que los polvos sufren síntesis reactiva y forman las partículas o fibras cerámicas covalentes conductoras eléctricamente durante el calentamiento.

41. Un procedimiento según la reivindicación 30 en el que el cuerpo se forma colocando polvos elementales de Fe y Al en un receptáculo y calentando el receptáculo de modo que los polvos sufren síntesis reactiva y forman el aluminiuro de hierro durante el calentamiento.

42. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 30 a 41 en el que el elemento calefactor de resistencia eléctrica así fabricado tiene una resistencia eléctrica de 100-400 \mu\Omega\cdotcm.