ES2280295T3 - Un acero inoxidable austenitico menos sensible a la aparicion de grietas durante la formacion y un metodo de fabricacion del mismo. - Google Patents
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Abstract
Un acero inoxidable austenítico menos sensible a la aparición de grietas durante la formación, que tiene la composición compuesta por C hasta el 0, 04% en masa, Si al 0, 1-1, 0% en masa, Mn hasta el 5, 0% en masa, S hasta el 0, 0060% en masa, B hasta el 0, 03% en masa, Al hasta el 0, 003% en masa, Ni al 5-9% en masa, Cr al 15-20% en masa, N hasta el 0, 035% en masa, Cu al 1, 0-5, 0% en masa y siendo el resto hasta el equilibrio Fe excepto las impurezas inevitables, tiene inclusiones no metálicas de MnO-SiO2-AI2O3, que no contienen menos del 15% en masa de SiO2 y no más del 40% en masa de AI2O3, dispersado en su matriz, y no tiene inclusiones no metálicas de MnO-Al2O3 (galaxita) o MnO-Cr2O3 dispersadas en su matriz.
Description
Un acero inoxidable austenítico menos sensible a
la aparición de grietas durante la formación y un método de
fabricación del mismo.
La presente invención se refiere a un acero
inoxidable austenítico de buena conformabilidad y menos sensible a
la aparición de grietas durante la formación, y se refiere también a
un método de fabricación del mismo.
El acero inoxidable austenítico se ha aplicado a
diversos usos en amplios campos industriales, por ejemplo piezas de
vehículos a motor y piezas electrónicas, debido a su excelente
conformabilidad comparado con otros tipos. Como desarrollo de uso,
una solicitud para proporcionar un material más barato se hace cada
vez más fuerte.
Para satisfacer dicha solicitud, los inventores
han continuado la investigación sobre el diseño de materiales
dirigida a acero inoxidable austenítico maleable, que apenas está
endurecido por acritud, mientras que se ahorra la adición del
contenido de Ni caro. Como resultado de esta investigación, los
inventores propusieron un nuevo acero inoxidable austenítico
resistente al endurecimiento por acritud y con una buena
trabajabilidad térmica, como se describe en el documento JP
9-263905 A1. El acero inoxidable austenítico
propuesto contiene formadores de austenita tales como Cu y Mn en
los niveles apropiados, mientras que los contenidos de elementos
endurecedores tales como C y N se controlan a niveles menores.
Piezas o miembros para vehículos a motor y
dispositivos electrónicos se diseñan hoy en día para que tengan un
pequeño tamaño o para que sean más ligeros. La tendencia a disminuir
el tamaño o a aligerar necesita proveerse de una lámina de acero
que tenga una buena conformabilidad a la que se le puede dar la
forma objetivo con una proporción alta de revenido pero más fina
comparada con una lámina de acero convencional. Debido a las
rigurosas condiciones de formación, las inclusiones no metálicas
influyen significativamente sobre la aparición de grietas durante
la formación. La inclusión típica, que promueve la aparición y el
desarrollo de grietas, es galaxita
(MnO-AI_{2}O_{3}) en una lámina de acero con
alto contenido de Mn.
La Figura 1 es un diagrama de fases de
MnO-AI_{2}O_{3} (presentado por Oelsen, W.G.
Heynert, Arch. Eisenhiittenwes, 26 (1955), pág. 567). La galaxita,
que se genera a 1720ºC, es una inclusión dura. Una vez que la
galaxita precipita en una matriz de acero en una etapa de
fabricación de acero o de fundición, no se deforma por laminado en
caliente o laminado en frío. En consecuencia, la galaxita de un
tamaño de varias decenas de \mum, que es igual a un tamaño de
galaxita generada en la etapa de fabricación de acero o fundición,
permanece como tal en una lámina de acero. Una lámina de acero para
usar como parte de un dispositivo electrónico o similar es de
0,1-0,5 mm de espesor. Según disminuye el espesor de
una lámina de acero, el tamaño de la galaxita no se descuida puesto
que acelera el inicio de la aparición de grietas durante la
formación. Incluso cuando se suprime la aparición de grietas, la
galaxita actúa como punto de partida para generar arañazos sobre una
superficie de un producto. Si una superficie de un producto sufre
desperfectos por arañazos, el producto no puede ofrecerse en el
mercado.
Se sabe cómo equilibrar las inclusiones no
metálicas, en particular aquellas del sistema
MnO-SiO_{2}-AI_{2}O_{3} en
acero inoxidable, a partir de las descripciones en los documentos
EP-A-947591,
US-A-5314549,
JP-A-07-180000 y
JP-A-6158230.
La presente invención pretende proporcionar una
lámina de acero inoxidable austenítico limpia de buena
conformabilidad convirtiendo las inclusiones en precipitados
blandos sin generación de galaxita dura.
La presente invención propone un nuevo acero
inoxidable austenítico menos sensible a la aparición de grietas
durante la formación, que tiene la composición compuesta por C hasta
el 0,04% en masa, Si al 0,1-1% en masa, Mn hasta el
5,0% en masa, S hasta el 0,0060% en masa, Al hasta el 0,003% en
masa, Ni al 5-9% en masa, Cr al
15-20% en masa, N hasta el 0,035% en masa, Cu al
1,0-5,0% en masa y siendo el resto hasta el
equilibrio Fe excepto las impurezas inevitables. Las inclusiones no
metálicas de
MnO-SiO_{2}-AI_{2}O_{3}, que
contienen no menos del 15% en masa de SiO_{2} y no más del 40% en
masa de Al_{2}O_{3}, se dispersan en forma de partículas finas
en una matriz de acero.
El acero inoxidable se fabrica cubriendo acero
fundido con escoria básica en una atmósfera de vacío o no oxidante
y desoxidando fuertemente el acero fundido por adición de una
aleación de Si cuyo contenido de Al se controla para que sea menor
del 1,0% en masa.
La Figura 1 es un diagrama de fases de
MnO-AI_{2}O_{3}.
La Figura 2 es un gráfico para explicar las
condiciones de generación de galaxita.
La Figura 3 es un diagrama de fases de
MnO-SiO_{2}-AI_{2}O_{3}.
Los inventores han investigado y examinado los
efectos de las condiciones de desoxidación y refinado sobre la
conformabilidad de una lámina de acero inoxidable austenítico que
contiene C hasta el 0,04% en masa, Si al 0,1-1,0%
en masa, Mn hasta el 5,0% en masa, Ni al 5-9% en
masa, Cr al 15-20% en masa, N hasta el 0,035% en
masa, S hasta el 0,0060% en masa y Cu al 1,0-5,0% en
masa. Después de que el acero inoxidable austenítico se haya
desoxidado y refinado en diversas condiciones, se laminó en caliente
y se laminó en frío a un espesor de 0,3 mm.
Cada lámina de acero se sometió a un ensayo de
revenido con una proporción de revenido de 3. La existencia de
grietas se observó en una lámina de acero, en la que había una
inclusión de galaxita (MnO-AI_{2}O_{3}) que
contenía menos del 15% en masa de SiO_{2} y más del 40% en masa de
Al_{2}O_{3}. Los resultados demuestran que la galaxita, que
apenas se deforma durante el laminado en caliente o el laminado en
frío, actúa como punto de partida para generar grietas cuando la
lámina de acero se reviene profundamente.
Los inventores han adelantado diversos exámenes
para inhibir la generación de inclusión de galaxita, y descubrieron
que el contenido de Al de una aleación de Si como desoxidante
influye significativamente sobre la concentración de
Al_{2}O_{3} de la inclusión de galaxita. La concentración de
Al_{2}O_{3} de la inclusión de galaxita aumentó en proporción
al contenido de Al de la aleación de Si, como se muestra en la
Figura 2. Cuando una aleación de Si que contiene más del 1,0% en
masa de Al como impureza se usó como desoxidante, la concentración
de Al_{2}O_{3} de la inclusión de galaxita superó el 40% en
masa.
El aumento de la concentración de
Al_{2}O_{3} de la inclusión de galaxita en correspondencia con
el contenido de Al de una aleación de Si se supone que es de la
siguiente manera. La inclusión de
MnO-Cr_{2}O_{3} está presente en el acero
fundido antes de la adición de una aleación de Si como desoxidante.
Aunque la inclusión de MnO-Cr_{2}O_{3} se hace
reaccionar con Si y Al después de la adición de la aleación de Si,
la reacción con Al, que es más afín por oxígeno, progresa
preferentemente. Es decir, la reacción de la inclusión de
MnO-Cr_{2}O_{3} con la aleación de Si está
predominada sustancialmente por el contenido de Al de la aleación de
Si. Si la aleación de Si contiene Al como impureza a una proporción
mayor del 1,0% en masa, el Cr_{2}O_{3} en la inclusión de
MnO-Cr_{2}O_{3} se sustituye por AI_{2}O_{3}
de acuerdo con la fórmula de reacción (1), dando como resultado la
generación de galaxita (MnO-AI_{2}O_{3}).
(1)(Cr_{2}O_{3})_{incl} +
2\underline{AI} \rightarrow 2\underline{Cr} +
(AI_{2}O_{3})_{incl}.
por supuesto, las reacciones (2) a
(4) ocurren también durante la desoxidación, aunque una etapa de
desoxidación cambia a una etapa de fundición y solidificación en el
medio de cualquiera de las reacciones. Cualquiera de las
interrupciones de reacción en un periodo de
desoxidación-refinado industrial, de manera que la
concentración de SiO_{2} en la inclusión se deja a una proporción
baja menor del 15% en masa, mientras que MnO no se sustituye
completamente por
Al_{2}O_{3}.
(2)2(Cr_{2}O_{3})_{incl}.
+ 3\underline{Si}l \rightarrow 4\underline{Cr} +
3(SiO_{2})_{incl}.
(3)3(MnO)_{incl} +
2\underline{Al} \rightarrow 3\underline{Mn} +
(AI_{2}O_{3})_{incl}.
- 2(MnO)_{incl}. + \underline{Si}l \rightarrow 2\underline{Mn} + (SiO_{2})_{incl}.
- (4)
donde, X es un elemento disuelto en acero
fundido y
(XO_{n})_{incl}. es un compuesto
presente en una inclusión.
Si el acero fundido se desoxida y se refina sin
adición de un desoxidante fuerte, en presencia de escoria ácida o
no se recubre con escoria al aire abierto, la desoxidación del acero
fundido es insuficiente. En este caso, la concentración de O del
acero refinado es aún mayor, y la inclusión de
MnO-Cr_{2}O_{3} se deja como tal en un estado
no oxidado, para degradar la limpieza del acero refinado. Dicho
acero es sensible a la aparición de grietas provocadas por las
inclusiones, ya que el MnO-Cr_{2}O_{3} es
también una inclusión dura.
Por otro lado, cuando el acero fundido se refina
en presencia de escoria básica por adición de una aleación de Si,
cuyo contenido de Al se controla para que sea menor del 1,0% en
masa, como desoxidante fuerte en una atmósfera de vacío o no
oxidante, el Cr_{2}O_{3} de la inclusión de
MnO-Cr_{2}O_{3} en el acero fundido se
sustituye por SiO_{2} y AI_{2}O_{3}. El producto de reacción
es la inclusión de
MnO-SiO_{2}-AI_{2}O_{3} que
contiene el 15% en masa o mayor de SiO_{2} y menos del 40% en masa
de AI_{2}O_{3}. De acuerdo con el diagrama de fases de
MnO-SiO_{2}-Al_{2}O_{3}
(mostrado en la Figura 3, presentado por Snow, R.B., J. Amer.
Ceram. Soc.26 (1943), pág.11), una temperatura de liquidus se
mantiene a un nivel relativamente bajo controlando la composición
de la inclusión en el intervalo (1). Dicha inclusión se deforma
viscosamente durante el laminado en caliente, y se divide a un
tamaño fino y se distribuye en una matriz de acero por laminado en
frío. La inclusión de tamaño fino no actúa como punto de partida
para generar grietas durante la formación nunca más, de manera que
una lámina de acero puede formarse con una forma objetivo sin la
aparición de grietas.
El contenido de Al se mantiene preferiblemente a
una proporción no mayor del 0,003% en masa para generar
MnO-SiO_{2}-AI_{2}O_{3}
blando. Dicho nivel bajo de contenido de Al se consigue usando una
aleación de Si cuyo contenido de Al se controla para que no sea
mayor del 1,0% en masa.
Las otras características de la presente
invención resultarán más evidentes a partir de la explicación
mencionada a continuación sobre elementos de aleación, un
desoxidante y composición de inclusión C hasta el 0,04% en masa, N
hasta el 0,035% en masa.
C y N son elementos, que refuerzan una lámina de
acero por endurecimiento en solución. Sin embargo, contenidos
excesivos de C y N provocan un aumento del 0,2% del límite elástico
y la dureza. El aumento del límite elástico y la dureza degradan la
conformabilidad de una lámina de acero que se forma con una forma
objetivo mediante estampación, y provoca la aparición de grietas
durante la formación. En este sentido, los contenidos de C y N se
controlan para que no sean mayores del 0,04% en masa y el 0,035% en
masa, respectivamente. Si: 0,1-1,0% en masa.
Si es un componente de un desoxidante fuerte. La
reacción de desoxidación avanza bien a un contenido de Si no menor
del 0,1% en masa. Si el contenido de Si es menor del 0,1% en masa,
la reacción de desoxidación es insuficiente, de manera que la
inclusión dura de MnO-Cr_{2}O_{3}, que se genera
antes de la desoxidación y refinado, permanece como tal en una
lámina de acero. Sin embargo, un contenido excesivo de Si mayor del
1,0% en masa endurece una lámina de acero y provoca la aparición de
grietas durante el revenido. Por lo tanto, el contenido de Si se
controla en un intervalo 0,1-1,0% en masa.
Una fuente de Si útil como desoxidante fuerte es
ferrosilicio, aunque el ferrosilicio disponible industrialmente
contiene Al como impureza. Si el acero fundido se desoxida con
ferrosilicio que contiene Al a una proporción mayor del 1,0% en
masa, la inclusión de galaxita, que provoca la aparición de grietas
durante la formación, se genera inevitablemente. Por lo tanto, el
contenido de Al del desoxidante se controlará para que no sea mayor
del 1,0% en masa.
Al hasta el 0,003% en masa.
La composición de inclusiones cambia en gran
medida como respuesta al contenido de Al del acero fundido. Si el
contenido de Al supera el 0,003% en masa, se genera la inclusión de
galaxita en una lámina de acero. Por lo tanto, el contenido de Al
debe controlarse para que sea menor del 0,003% en masa.
Cuando una inclusión no metálica se convierte en
MnO-SiO_{2}-AI_{2}O_{3} que
contiene menos del 15% en masa de SiO_{2} y no más del 40% en
masa de Al_{2}O_{3}, se divide a un tamaño fino inocuo por
laminado en caliente y laminado en frío para disminuir la
sensibilidad a la aparición de grietas durante la formación. Si la
inclusión no metálica contiene menos del 15% en masa de SiO_{2} o
más del 40% en masa de Al_{2}O_{3}, se cambia a galaxita, que
se divide difícilmente por laminado en caliente y laminado en frío.
En este caso, la aparición de grietas ocurre fácilmente durante la
formación de una lámina de acero a una forma objetivo. Por lo
tanto, la inclusión no metálica se convertirá a
MnO-SiO_{2}-Al_{2}O_{3} que
contiene no menos del 15% en masa de SiO_{2} y no más del 40% en
masa de Al_{2}O_{3}.
Mn es un elemento de aleación, que hace a una
lámina de acero más blanda según aumenta el contenido de Mn. Un
efecto del Mn sobre la dureza de una lámina de acero es que se
satura al 5,0% en masa de Mn, y la lámina de acero ya no se ablanda
más por adición de Mn a una proporción por encima del 5,0% en
masa.
Como la trabajabilidad térmica de una lámina de
acero se degrada según aumenta el contenido de S, el contenido de S
se controlará para que no sea mayor del 0,0060% en masa. Para
conferir a la lámina de acero una excelente trabajabilidad térmica,
el contenido de S se restringe preferiblemente a una proporción no
mayor del 0,0030% en masa. En el caso en el que el contenido de S
supera el 0,0030% en masa, la trabajabilidad térmica de una lámina
de acero mejora por adición de B. La adición de B es eficaz también
para el diseño de aleación con un alto grado de libertad. Sin
embargo, una adición excesiva de B por encima del 0,03% en masa
degrada bastante la trabajabilidad térmica. En este sentido, un
límite superior de B se determina al 0,03% en masa.
El Ni es un elemento esencial para el acero
inoxidable austenítico, y un contenido de Ni no menor del 5% en
masa es necesario para mantener una fase austenítica. El Ni es
eficaz también para mejorar la conformabilidad. Sin embargo, el
contenido de Ni se controlará para que no sea mayor del 9% en masa,
ya que el Ni es un elemento caro. Una lámina de acero inoxidable se
ablanda suficientemente incluso por adición de Ni a una proporción
del 9% en masa o menor.
El contenido de Cr se controlará para que no sea
menor del 15% en masa para asegurar la resistencia a corrosión.
Como una adición excesiva de Cr provoca un aumento de dureza, un
límite superior de Cr se determina al 20% en masa.
El Cu es un elemento importante para el
reblandecimiento y la conformabilidad. Un efecto de Cu sobre el
reblandecimiento y la conformabilidad se observa a una proporción
no menor del 1,0% en masa. La adición de Cu mayor del 2% en masa
posibilita reducir el contenido de Ni por debajo del 5% en masa para
ahorrar en el consumo de Ni que es caro. De esta manera, el Cu se
añade a una proporción de 1,0% en masa o mayor, aunque
preferiblemente del 2,0% en masa o mayor. Dichos efectos del Cu se
llevan a cabo eficazmente por eliminación de galaxita e inclusiones
de MnO-Cr_{2}O_{3}. Sin embargo, la adición
excesiva de Cu por encima del 5,0% en masa degrada desfavorablemente
la trabajabilidad térmica de una lámina de acero.
Durante la fabricación de acero, el acero
fundido se desoxida y se refina en presencia de escoria básica en
una atmósfera de vacío o no oxidante por adición de un desoxidante
fuerte tal como ferrosilicio cuyo contenido de Al se controla para
que esté en un nivel bajo. La escoria básica tiene una actividad de
SiO_{2} reducida por adición de CaO.
No hay restricciones sobre una proporción de
adición de CaO, aunque la basicidad CaO/SiO_{2} de la escoria se
mantiene preferiblemente en un intervalo de 1,4-3,0.
La adición excesiva de CaO impide además la preparación de escoria
homogénea. Pueden añadirse otros aditivos tales como CaF_{2} o
Al_{2}O_{3} para homogeneizar la escoria. El acero fundido se
agita opcionalmente soplando un gas inerte o similar durante el
refinado, para mejorar la limpieza del acero fundido. El
acondicionado de la composición de escoria es eficaz para limpiar
el acero fundido, pero no inhibe la generación de la inclusión de
galaxita por sí misma, a menos que el acero fundido se desoxide
mediante una aleación de Si en presencia de escoria básica.
Además, un nuevo acero inoxidable austenítico se
ajusta preferiblemente a una composición apropiada, de acuerdo con
el diseño de aleación que satisface las condiciones (1) y (2). Es
decir, un acero inoxidable austenítico con buena trabajabilidad
térmica que tiene una dureza no mayor de 130 HV se ofrece
controlando a una composición que no contiene más del 9% en masa de
Ni y el 1,0-5,0% en masa de Cu con un valor d \leq
0 y un valor a > 0.
- d = 1,9Ni + 32C + 27N + 0,15(Mn + Cu) – 1,5Cr + 8,5 \leq 0
- ···(1)
- a = Ni + 0,5Cr + 0,7(Mn + Cu) - 18 > 0
- ···(2)
Cada 500 kg de acero inoxidable austenítico que
tiene una composición mostrada en la Tabla 1 se fundió en un horno
de calentamiento por inducción, y se refinó en las condiciones
mostradas en las Tablas 2 y 3. El acero refinado se fundió, se
laminó en caliente, se templó a 1050ºC, se trató con un ácido y
después se laminó en frío a un espesor de 0,3 mm. Las inclusiones
de la lámina de acero se variaron en respuesta a las condiciones de
refinado.
Cada lámina de acero inoxidable se sometió a un
ensayo de revenido multi-etapa con una proporción de
revenido de 3, y se investigó la aparición de grietas en la muestra
revenida en relación con la composición de las inclusiones.
Los resultados se muestran en las Tablas 2 y 3.
Las Muestras Nº 1-6 son aceros inoxidables refinados
de acuerdo con la presente invención. Esto es, el acero fundido se
refinó en una atmósfera de vacío o no oxidante, mientras se añadía
ferrosilicio cuyo contenido de Al se controló para que no fuera
mayor del 1,0% en masa en presencia de escoria básica. La inclusión
no metálica en cualquier caso fue
MnO-SiO_{2}-AI_{2}O_{3} que no
contenía menos del 15% en masa de SiO_{2} y menos del 40% en masa
de Al_{2}O_{3}. Los aceros inoxidables de las Muestras Nº
1-6 se comprimieron a una forma objetivo sin
aparición de grietas originadas en la inclusión no metálica.
Por otro lado, la inclusión no metálica presente
en los aceros inoxidables de las Muestras Nº 7-14
refinadas en condiciones fuera de la presente invención era
galaxita o MnO-Cr_{2}O_{3}. Cuando dichas
láminas de acero se revienen en exceso, se generaron grietas
originadas en la inclusión no metálica.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
De acuerdo con la presente invención como se ha
mencionado anteriormente, el acero inoxidable austenítico, que
contiene Si y Al a proporciones controladas, se refina y desoxida
con una aleación de Si cuyo contenido de Al está restringido por
debajo de un cierto nivel, de manera que se forma una estructura en
la que la inclusión no metálica se dispersa minuciosamente como
inclusión de
MnO-SiO_{2}-AI_{2}O_{3} en una
lámina de acero. Como la lámina de acero inoxidable austenítico
puede formarse con una forma objetivo sin aparición de grietas
debido a su menor sensibilidad a grietas, es útil para miembros o
piezas de acero en diversos campos industriales.
Claims (2)
1. Un acero inoxidable austenítico menos
sensible a la aparición de grietas durante la formación, que tiene
la composición compuesta por C hasta el 0,04% en masa, Si al
0,1-1,0% en masa, Mn hasta el 5,0% en masa, S hasta
el 0,0060% en masa, B hasta el 0,03% en masa, Al hasta el 0,003% en
masa, Ni al 5-9% en masa, Cr al
15-20% en masa, N hasta el 0,035% en masa, Cu al
1,0-5,0% en masa y siendo el resto hasta el
equilibrio Fe excepto las impurezas inevitables, tiene inclusiones
no metálicas de
MnO-SiO_{2}-AI_{2}O_{3}, que
no contienen menos del 15% en masa de SiO_{2} y no más del 40% en
masa de AI_{2}O_{3}, dispersado en su matriz, y no tiene
inclusiones no metálicas de MnO-Al_{2}O_{3}
(galaxita) o MnO-Cr_{2}O_{3} dispersadas en su
matriz.
2. Un método de fabricación de acero
inoxidable austenítico, que comprende las etapas de:
preparar un acero fundido que tiene la
composición compuesta por C hasta el 0,04% en masa, Si al
0,1-1,0% en masa, Mn hasta el 5,0% en masa, S hasta
el 0,0060% en masa, B hasta el 0,03% en masa, Al hasta el 0,003% en
masa, Ni al 5-9% en masa, Cr al
15-20% en masa, N hasta el 0,035% en masa, Cu al
1,0-5,0% en masa y siendo el resto hasta el
equilibrio Fe excepto las impurezas inevitables;
cubrir dicho acero fundido con escoria básica en
una atmósfera de vacío o no oxidante; y
desoxidar fuertemente dicho acero fundido por
adición de una aleación de Si cuyo contenido de Al se controla para
que sea menor del 1,0% en masa.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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