ES2248625T3 - Acero inoxidable ferritico y utilizacion de este ultimo en la fabricacion de productos resistentes a altas temperaturas. - Google Patents
Acero inoxidable ferritico y utilizacion de este ultimo en la fabricacion de productos resistentes a altas temperaturas.Info
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Abstract
Acero inoxidable ferrítico, caracterizado porque comprende los siguientes elementos químicos expresados en porcentaje en peso: - Cr 14, 0 ¿ 20, 0 - Al 0, 50 ¿ 1, 50 - Zr 0, 10 ¿ 1, 50 - Si 0, 30 ¿ 0, 50 - Ti 0, 10 ¿ 0, 35 - Nb 0, 25 ¿ 0, 55 - C < 0, 035 - N < 0, 035 comprendiendo de manera opcional itrio y/o elementos de tierras raras en un porcentaje en peso comprendido entre 0, 10 y 0, 30, siempre que los contenidos de Ti, Nb, C y N satisfagan la siguiente relación: %Ti + %Nb / 1, 94 > 9(%C + %N) siendo el resto hierro e impurezas.
Description
Acero inoxidable ferrítico y utilización de este
último en la fabricación de productos resistentes a altas
temperaturas.
La presente invención se refiere al campo de los
aceros inoxidables ferríticos que pueden ser utilizados en la
fabricación de productos resistentes a altas temperaturas.
Un objetivo de la presente invención es un acero
inoxidable ferrítico que gracias a su composición y a unos
tratamientos termo-mecánicos adecuados, es adecuado
para la fabricación de productos que presenten unos altos
rendimientos a temperaturas elevadas, en particular para la
fabricación de sistemas de colectores de escape de vehículos.
En la fabricación de componentes del sistema de
escape de vehículos, se prefieren los aceros inoxidables
ferríticos, a los aceros austeníticos, debido a su menor
coeficiente de dilatación térmica. En el desarrollo del campo
tecnológico relacionado con esta técnica, se han escogido los
aceros inoxidables ferríticos para la fabricación de componentes
del sistema de escape de vehículos que trabajan a temperaturas que
alcanzan los 750ºC. En el caso de la fabricación de colectores,
sometidos a temperaturas superiores a los 800ºC, desde siempre se
ha preferido el hierro fundido a los aceros inoxidables ferríticos.
Sin embargo, la adopción del material anterior se ha demostrado que
no es satisfactoria debido a la aparición de inconvenientes
relacionados con el incremento de peso, el consumo de combustible
que ello implica y las dificultades de diseño debidas al gran
espesor de los componentes fabricados de esta forma.
Los intentos de sustituir el hierro fundido por
aceros inoxidables ferríticos para esta utilización específica dan
unos buenos resultados debido a la ligereza de peso del producto.
Sin embargo, todavía se espera superar las limitaciones debidas a la
falta de adecuación en el rendimiento de los materiales avanzados
en presencia de la exposición a las elevadas temperaturas de los
gases de escape y a los repetidos choques térmicos bajo condiciones
oxidantes, especialmente con respecto al descascarillado.
Por lo tanto, en este campo específico hay una
demanda de un acero inoxidable ferrítico adecuado para la
fabricación de colectores que presenten un comportamiento libre de
los inconvenientes de los materiales de la técnica anterior.
En realidad, el objetivo de la presente invención
es obtener un acero inoxidable ferrítico que esté compuesto por los
siguientes elementos químicos, expresados en porcentaje en
peso:
- -
- Cr 14,0 - 20,0
- -
- Al 0,50 - 1,50
- -
- Zr 0,10 - 0,50
- -
- Si 0,30 - 1,50
- -
- Ti 0,10 - 0,35
- -
- Nb 0,25 - 0,55
- -
- C < 0,035
- -
- N < 0,035
siempre que los contenidos de Ti,
Nb, C y N satisfagan la siguiente
relación:
%Ti + %Nb/1,94
> 9(%C +
%N)
siendo los componentes opcionales
los que se mencionarán más adelante, y el resto hierro e
impurezas.
El acero inoxidable ferrítico según la presente
invención puede comprender también itrio y/o elementos de tierras
raras, en un porcentaje en peso comprendido entre 0,10 y 0,30.
La presente invención abarca también bandas o
chapas de acero fabricadas en un acero según la invención,
soldables, deformables y altamente resistentes a la oxidación y a
la fluencia.
Otro objetivo de la presente invención es un
procedimiento para la preparación de bandas o chapas, en el que el
acero según la invención es sometido a los siguientes pasos:
- -
- laminación en caliente y/o en frío;
- -
- recocido, después de la laminación en caliente y/o en frío, a una temperatura comprendida entre 900º y 1.200ºC y durante un tiempo inferior a 3.600 segundos;
- -
- decapado opcional después del laminado en caliente y/o en frío.
La presente invención abarca la utilización del
acero inoxidable ferrítico según la invención para la fabricación
de productos en forma de desbastes planos, bandas, lingotes,
piezas fundidas, piezas forjadas o artículos semimanufacturados, así
como los desbastes planos, las bandas, los lingotes, las piezas
fundidas, las piezas forjadas y los artículos semimanufacturados
fabricados con el mismo.
La presente invención se refiere además a la
utilización de la banda o la chapa de acero según la invención para
la fabricación de tuberías y de productos que pueden derivarse de
las tuberías.
Las tuberías fabricadas de esta manera pueden ser
soldadas o sin soldadura, incluso soldadas longitudinalmente.
Asimismo, las tuberías y los productos que pueden derivarse de las
tuberías fabricados con dichas bandas o chapas de acero son un
objetivo de la presente invención.
Finalmente, la invención se refiere también a los
componentes de los sistemas de escape a altas temperaturas, en
particular a los colectores de escape de vehículos.
A elevadas temperaturas, el acero inoxidable
ferrítico de la invención presenta las características deseadas, en
particular, resistencia a la oxidación cíclica en caliente gracias
a una sinergia apropiada de elementos químicos tales como cromo,
aluminio, zirconio, silicio, titanio, niobio, carbono, nitrógeno y
de forma opcional itrio y/o elementos de tierras raras. Estas
características, deseables a elevadas temperaturas, se incrementan
mediante la laminación en caliente y/o la laminación en frío y
mediante el posterior tratamiento de recocido de las chapas y/o de
las bandas obtenidas de esta manera, durante el cual se produce un
proceso de precipitación de carbonitruro de zirconio, seguido
opcionalmente por un tratamiento de decapado.
Los inventores consideran que las funciones de
los principales elementos químicos que componen la aleación de la
presente invención son las siguientes.
El cromo, en los porcentajes en peso indicados,
aumenta de forma considerable la resistencia a la oxidación sin
favorecer la formación de fases frágiles.
El silicio y el aluminio estabilizan la matriz
ferrítica y son responsables del aumento de resistencia a la
oxidación en caliente. La utilización de estos elementos por encima
de los límites indicados, es perjudicial para la calidad del acero,
en cuanto a formación de fases intermetálicas y de un aumento de
problemas de fabricación.
El zirconio forma carbonitruros estables cuya
presencia influye en el desarrollo de microestructuras durante el
recocido de los artículos laminados en frío.
El titanio y el niobio forman carburos y nitruros
estables e impiden la precipitación de los nitruros y los carburos
de cromo en los bordes de los granos y la consiguiente
descromatización (sensibilización) de la matriz en las proximidades
de los mismos, favoreciendo además la presencia de una estructura
totalmente ferrítica a cualquier temperatura, así como reducen de
las cantidades de carbono y nitrógeno disueltos.
El itrio y/o los elementos de tierras raras
incrementan la resistencia a la oxidación en caliente en presencia
de choques térmicos y mecánicos debidos al aumento de adherencia
del óxido en el substrato metálico.
Hasta el momento, se ha descrito la presente
invención en líneas generales. A continuación, y con la ayuda de
cifras y ejemplos, se dará una descripción más detallada de las
formas de realización específicas de la invención, que se pretende
pongan en evidencia los objetivos, las características, las
ventajas y los modos de aplicación de la misma.
La Figura 1 muestra la variación en peso por
unidad de superficie producida en muestras de aceros austeníticos y
ferríticos, para identificar de entre los aceros conocidos en la
técnica actual el más adecuado para proporcionar las mejores
características en cuanto a resistencia a la oxidación cíclica en
caliente, llevando a cabo con este fin un ensayo de oxidación
cíclica según el número de ciclos a una temperatura igual a
1.000ºC.
La Figura 2 muestra la variación en peso por
unidad de superficie de una muestra de acero AISI 441 de una
composición conocida en la técnica actual, identificado como
adecuado para proporcionar las mejoras características en lo que se
refiere a resistencia a la oxidación cíclica, llevando a cabo con
este fin un ensayo de oxidación cíclica, según el número de ciclos,
a una temperatura igual a 1.000ºC.
La Figura 3 muestra la variación de peso por
unidad de superficie en una muestra de acero según la invención,
llevando a cabo a tal efecto un ensayo de oxidación cíclica, según
el número de ciclos, a una temperatura igual a 1.000ºC.
Para evaluar la resistencia a los ciclos térmicos
bajo condiciones críticas de funcionamiento en elementos de acero
situados en la parte caliente de los sistemas de escape de
vehículos, estos elementos se sometieron a ensayos de resistencia
cíclica a la oxidación.
Estos ensayos fueron realizados en aceros
conocidos a diversas temperaturas, para determinar el acero
conocido que mejor satisfaga los requisitos de resistencia cíclica
térmica.
Se adoptó un procedimiento de ensayo normalizado
con 25 minutos de calentamiento y con ciclos de permanencia en el
horno de 25 minutos y de 5 minutos de enfriamiento espontáneo al
aire.
Se ensayaron los aceros inoxidables ferríticos
441, 436, 429 y los aceros austeníticos 321, 309, 310, 4828
trabajando a temperaturas de 1.000ºC.
La Figura 1 muestra la variación de peso por
unidad de superficie de los diversos tipos de acero, según el
número de ciclos.
Aparentemente, los aceros austeníticos presentan
el peor comportamiento, con una rápida disminución de peso debida al
descascarillado. En particular, un acero 321 presenta una elevada
inestabilidad y se descompone en un periodo de tiempo muy corto.
Por el contrario, los resultados referentes a los
aceros ferríticos son más satisfactorios, ya que el peso permanece
casi invariable durante todos los ciclos de oxidación.
En particular, el acero 411 sufre un ligero
aumento de peso respecto a los aceros 436 y 429 que en cambio
presentan una ligera disminución de peso después del ensayo. De
aquí que, el acero 441, adecuado para proporcionar el mejor
comportamiento entre los aceros conocidos, se utilizase como
comparación con el acero de tipo avanzado según la presente
invención.
Dicho acero convencional AISI 441, se preparó
según la siguiente composición expresada en porcentaje en peso: C
0,016; Cr 18,18; Si 0,60; Al 0,09; Nb 0,42; Ti 0,18; Mn 0,18; Cu
0,08; N 0,012 y hierro la cantidad restante hasta 100.
Se obtuvo un producto plano en forma de desbaste
plano según esta composición, que se calentó a 1.150ºC, y mediante
la laminación en caliente posterior, se obtuvieron bandas de un
espesor de 5 mm, que fueron recocidas a continuación durante 1
minuto a 1.050ºC.
Después del decapado, las bandas laminadas en
caliente siguieron un proceso de laminación en frío para disminuir
su espesor a 1,5 mm, y a continuación fueron recocidas durante 40
segundos a una temperatura de 1.080ºC.
La resistencia a la oxidación cíclica de la banda
obtenida de esta manera fue ensayada a 1.000ºC y a 1.050ºC en un
ensayo de 1.000 ciclos, consistiendo cada ciclo en un calentamiento
y una permanencia en el horno de 25 minutos y un enfriamiento al
aire de 5 minutos. Los resultados del ensayo aparecen en la Figura
2.
Sobre las mismas bandas laminadas en caliente y
posteriormente laminadas en frío, se realizaron unos ensayos SAG
durante 100 horas a una temperatura de 1.000ºC para evaluar la
resistencia a la fluencia de las mismas. El resultado de los ensayos
SAG se obtiene midiendo la deformación permanente después de una
exposición de las muestras en el interior del horno suspendidas por
sus extremos.
La medición final del ensayo puso de relieve una
deformación permanente de 40 mm, muy superior al umbral de 18 mm
generalmente aceptado por la tecnología actual.
Se preparó un acero según la presente invención,
que tenía la siguiente composición, expresada en porcentaje en
peso: Cr 17,68; Al 0,94; Zr 0,15; Si 1,16; Ti 0,21; Nb 0,40; C
0,022; N 0,013 y sustancialmente hierro en la cantidad restante
hasta 100.
El acero se fundió mediante un proceso de colada
en desbastes planos con unos espesores delgados típicamente
comprendidos entre 50 y 90 mm, y en el ejemplo eran iguales a 60
mm. Este desbaste plano, obtenido mediante la composición
anteriormente indicada, fue calentado a 1.150ºC y mediante una
laminación en caliente posterior se fabricó a partir del mismo
bandas con un espesor igual a 5 mm.
Las bandas fabricadas de esta manera se
recocieron durante 1 minuto a 1.050ºC.
Después del decapado, las bandas laminadas en
caliente se siguieron un proceso de laminación en frío hasta un
espesor de 1,5 mm y a continuación fueron recocidas durante 40
segundos a una temperatura de 1.080ºC.
La resistencia a la oxidación cíclica de la banda
obtenida de esta manera fue ensayada a 1.000ºC y a 1.050ºC en un
ensayo de 1.000 ciclos, consistiendo cada ciclo en un calentamiento
y una permanencia en el horno de 25 minutos y un enfriamiento al
aire de 5 minutos. Los resultados del ensayo se muestran en la
Figura 3.
Sobre las mismas bandas laminadas en caliente y
luego laminadas en frío, se realizaron unos ensayos SAG durante 100
horas a una temperatura de 1.000ºC para evaluar la resistencia a la
fluencia de las mismas.
Los resultados del ensayo SAG, en cuanto a
medición de la deformación permanente después de una exposición de
las muestras de banda en el interior del horno suspendidas por sus
extremos dio un valor de 11 mm.
Por lo tanto el acero según la presente invención
permanece por debajo del umbral de los 18 mm de deformación,
generalmente aceptado por la tecnología actual.
Se preparó un acero según la presente invención,
que tenía la siguiente composición expresada en porcentaje en
peso:
Cr 18; Al 0,94; Zr 0,15; Si 0,95; Ti 0,18; Nb
0,44; C 0,015; N 0,013, comprendiendo además itrio y un 0,20% en
peso de elementos de tierras raras, y sustancialmente hierro en la
cantidad restante hasta 100.
El acero se fundió mediante un proceso de colada
tradicional en desbastes planos que primero se calentaron a
1.150ºC. A continuación, mediante un laminado en caliente posterior
se fabricaron bandas de un espesor de 5 mm.
Las bandas obtenidas de esta manera se recocieron
durante 1 minuto a 1.050ºC.
Después del decapado, las bandas laminadas en
caliente siguieron un proceso de laminación en frío hasta un espesor
de 1,5 mm y a continuación fueron recocidas durante 40 segundos a
una temperatura de 1.080ºC.
La resistencia a la oxidación cíclica de la banda
obtenida de esta manera fue ensayada a 1.000ºC y a 1.050ºC en un
ensayo de 1.000 ciclos, consistiendo cada ciclo en un calentamiento
y una permanencia en el horno de 25 minutos y un enfriamiento al
aire de 5 minutos. Los resultados del ensayo son sustancialmente
equivalentes a los que aparecen en la Figura 3.
Sobre las mismas bandas laminadas en caliente y
luego laminadas en frío se realizaron unos ensayos SAG durante 100
horas a una temperatura de 1.000ºC para evaluar la resistencia a la
fluencia de las mismas. Las mediciones después del ensayo
destacaron una deformación permanente de alrededor de 13 mm, por
debajo del umbral de los 18 mm de deformación, generalmente
aceptado por la tecnología actual.
Claims (10)
1. Acero inoxidable ferrítico,
caracterizado porque comprende los siguientes elementos
químicos expresados en porcentaje en peso:
- -
- Cr 14,0 - 20,0
- -
- Al 0,50 - 1,50
- -
- Zr 0,10 - 1,50
- -
- Si 0,30 - 0,50
- -
- Ti 0,10 - 0,35
- -
- Nb 0,25 - 0,55
- -
- C < 0,035
- -
- N < 0,035
comprendiendo de manera opcional
itrio y/o elementos de tierras raras en un porcentaje en peso
comprendido entre 0,10 y
0,30,
siempre que los contenidos de Ti, Nb, C y N
satisfagan la siguiente relación:
%Ti + %Nb/1,94
> 9(%C +
%N)
siendo el resto hierro e
impurezas.
2. Bandas o chapas de acero,
caracterizadas porque están fabricadas de acero según la
reivindicación 1, y porque son soldables, deformables y altamente
resistentes a la oxidación y a la fluencia.
3. Procedimiento para la preparación de la banda
o la chapa de acero según la reivindicación 2, caracterizado
porque el acero de la reivindicación 1 está sometido a los
siguientes pasos:
- laminación en caliente y/o en frío;
- recocido, después de la laminación en caliente
y/o en frío, a una temperatura que va desde 900ºC hasta 1.200ºC y
durante un tiempo inferior a 3.600 segundos,
- decapado opcional después de la laminación en
caliente y/o en frío.
4. Utilización del acero inoxidable ferrítico
según la reivindicación 1, para la fabricación de productos en
forma de desbastes planos, bandas, lingotes, piezas moldeadas,
piezas forjadas o artículos semimanufacturados.
5. Desbastes planos, bandas, lingotes, piezas
moldeadas, piezas forjadas y artículos semimanufacturados,
caracterizados porque están fabricados de acero, según la
reivindicación 1.
6. Utilización de bandas o chapas según la
reivindicación 2, para la fabricación de tuberías o de productos
derivados de las tuberías.
7. Utilización de bandas o chapas según la
reivindicación 6, para la fabricación de tuberías sin soldadura o
de tuberías soldadas, incluso tuberías soldadas
longitudinalmente.
8. Tuberías y productos derivados de tuberías,
caracterizados porque están fabricados con la banda o la
chapa según la reivindicación 2.
9. Productos que pueden derivarse de tuberías
según la reivindicación 8, adecuados para ser un componente de un
sistema de escape a alta temperatura.
10. Producto según la reivindicación 9, apto para
ser un colector de un sistema de escape de un vehículo.
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