ES2288955T3 - Aleacion austenitica. - Google Patents
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Abstract
Una aleación austenítica que tiene la siguiente composición, en porcentaje en peso: Cr 23-30 Ni 25-35 Mo 3-6, opcionalmente Mo parcialmente sustituido por volframio, en el que al menos se incluye 2% en peso de molibdeno. Mn 3-6 N 0-0, 40 C Hasta 0, 05 Si Hasta 1, 0 S Hasta 0, 02 Cu Hasta 3, 0 de manera opcional contiene una adición de ductilidad, formada por uno o más de los elementos Mg, Ce, Ca, B, La, Pr, Zr, Ti, Nd en una cantidad total máxima de 0, 2% en peso, y el resto hierro e impurezas que aparecen normalmente y adiciones, mientras que los contenidos se ajustan para satisfacer la siguiente condición:
Description
Aleación austenítica.
El presente invento se refiere a una aleación de
acero inoxidable austenítico con elevado contenido de Cr-, Mo-,
Mn-, N- y Ni para aplicaciones dentro de áreas en las que se
requiere una combinación de buena resistencia a la corrosión, por
ejemplo frente a sustancias que de manera natural se presentan
durante la extracción de petróleo y gas, así como buenas
propiedades mecánicas, tales como elevadas impedancias de carga
frente a la carga por fatiga. Debería ser posible utilizar la
aleación de acero, por ejemplo, en la industrial de gas y petróleo,
en depuración de gases de combustión, aplicaciones de agua marina y
en refinerías.
Los aceros inoxidables austeníticos son
aleaciones de acero con una estructura cristalina de fase única, que
se caracteriza por una estructura de red cúbica centrada en las
caras. Los aceros inoxidables modernos se emplean fundamentalmente
en aplicaciones dentro de las distintas industrias de procesado, en
las que principalmente los requisitos relativos a resistencia a la
corrosión son de vital importancia a la hora de elegir el acero a
emplear. Los aceros inoxidables austeníticos presentan una
característica común y es que todos ellos tienen su temperatura
máxima en las áreas de aplicación deseadas. Con el fin de aumentar
la aplicabilidad en entornos difíciles, de manera alternativa a
temperaturas más elevadas, se añaden contenidos elevados de
elementos de aleación tales como Ni, Cr, Mo y N. Fundamentalmente,
los materiales se han empleado en acabados con recocido, en los que
los límites de fluencia están dentro de 220-450 MPa.
Ejemplos de aceros austeníticos inoxidables altamente aleados son
UNS S31254, UNS N08367, UNS N08926 y UNS S32654. También pueden
estar presentes incluso otros elementos, tales como Mn, Cu, Si y W,
bien como impurezas o bien con el fin de conferir propiedades
especiales a los aceros.
Los niveles de aleación en esos aceros
austeníticos están limitados en su extremo superior por la
estabilidad estructural. Los aceros inoxidables austeníticos son
sensibles a la precipitación de fases intermetálicas a elevados
contenidos de aleación en el intervalo de temperatura
650-1000ºC. La precipitación de la fase
intermetálica se favorece aumentando los contenidos de Cr y Mo,
pero puede evitarse mediante aleación con N y Ni. El contenido de
Ni está principalmente limitado por el aspecto coste y dicho
contenido disminuye en gran medida la solubilidad de N en el
fundido. Por consiguiente, el contenido de N está limitado por la
solubilidad en el fundido y también en la fase sólida en la que
puede ocurrir la precipitación de Cr-nitruros.
Con el fin de aumentar la solubilidad de N es el
fundido, puede aumentarse el contenido de Mn y Cr así como también
es posible reducir el contenido de Ni. No obstante, está considerado
que el Mo provoca un riesgo elevado de precipitación de la fase
intermetálica, por lo que se ha considerado que es necesario limitar
el contenido del mismo. Los contenidos elevados de elementos de
aleación se han limitado no solo debido a consideraciones
relacionadas con la estabilidad estructural. Incluso la ductilidad
en caliente durante la producción de tochos de acero ha constituido
un problema para el procesado posterior.
Una aplicación interesante del acero inoxidable
es en plantas para la extracción de petróleo/gas o de calor
geotérmico. La aplicación requiere elevadas demandas del material
debido a la sustancia altamente agresiva de ácido sulfhídrico y
cloruros, disuelta en diferentes condiciones en los gases/líquidos
producidos, tales como petróleo/agua o sus mezclas a valores de
presión y temperatura muy elevados. Los aceros inoxidables se
utilizan aquí en superficie en gran medida tanto como tubos de
producción como los denominados trépanos accionados por cabe/cables
recuperadores abajo en las fuentes. El grado de resistencia frente a
la corrosión inducida por cloruro de los materiales, de manera
alternativa la corrosión inducida por H_{2}S o sus combinaciones
puede suponer un factor limitante para su uso. En otros casos, la
utilización está limitada en gran medida a la resistencia a la
fatiga debido a la utilización repetida como trépanos accionados por
cable/cables recuperadores y a partir del pliegue del cable sobre
la denominada roldana. Además, las posibilidades para emplear el
material dentro de este sector están limitadas por la carga de
rotura permitida por los cables del trépano accionado por
cable/cables recuperadores. Actualmente, la carga de rotura puede
maximizarse mediante la utilización de material conformado en frío.
Normalmente, el grado de deformación en frío se optimiza con
respecto a la ductilidad. Pueden ser necesarios perfiles de
requisitos correspondientes para los flejes y muelles de alambre,
que se caracterizan por elevadas exigencias de propiedades de
resistencia, fatiga y corrosión.
Normalmente, los materiales de este sector para
ser utilizados en entornos corrosivos son UNS S31603, aceros
dúplex, tales como UNS S31803, que contienen 22% de Cr, de manera
alternativa UNS S32750, que contiene 25% de Cr, aceros inoxidables
altamente aleados, tales como UNS N08367, UNS S31254 y UNS S08028.
Para entornos más agresivos, se emplean materiales exclusivos tales
como aleaciones de Ni altamente aleadas con contenidos elevados de
Cr y Mo y de manera alternativa materiales basados en Co para
determinadas aplicaciones. En algunos casos, la utilización está
limitada por razones de corrosión y esfuerzo.
Cuando se considera acero para estos entornos es
bien conocido que Cr y Ni aumentan la resistencia a los entornos de
H_{2}S, mientras que Cr, Mo y N resultan favorables en entornos de
cloruro de acuerdo con la correlación familiar PRE = %Cr + 3,3%Mo +
16%N. Hasta ahora una optimización de la aleación ha conducido a que
los contenidos de Mo y N se hayan maximizado con el fin de obtener
el valor PRE más elevado. De esta forma, en muchos de los aceros
modernos que existen en la actualidad no se ha dado prioridad a la
resistencia combinada de corrosión frente a H_{2}S y frente a Cl,
sino que se únicamente se ha tenido en cuenta en menor medida.
Además, hoy en día la extracción de petróleo se está empezando a
llevar a cabo cada vez más a partir de fuentes más y más profundas.
Al mismo tiempo, la presión y la temperatura aumentan (denominados
campos de alta presión y alta temperatura). Por supuesto, una
profundidad mayor conduce a un mayor peso muerto durante la
utilización de materiales colgantes, haciendo referencia a los
denominados cables de acero. La presión y temperaturas crecientes
dan lugar a que se agraven las condiciones de corrosión, con lo que
aumentan los requisitos del acero existente. Para los cables de
acero existen también requisitos para aumentar el límite de
elasticidad frente a la tracción, ya que con los tamaños y roldanas
empleados actualmente existe plasticidad sobre la superficie de los
materiales existentes. En la capa superficial existen esfuerzos de
tracción de hasta 2000 MPa, lo que se considera que contribuye en
gran medida a un tiempo de vida más corto, que se obtiene para los
cables de acero-aleaciones.
A la luz de los antecedentes anteriores, resulta
fácil identificar un requisito para la nueva aleación, que combine
tanto la resistencia a la corrosión inducida por cloruro como la
resistencia a la corrosión provocada por H_{2}S para aplicación
particularmente en la industrial del petróleo y del gas, pero
también dentro de otras áreas de aplicación. Además, existe una
demanda de una resistencia considerablemente mayor que la que se
logra con la técnica actual a un intervalo dado de deformación en
frío. Se desea una resistencia que, conduciendo a esas dimensiones
de cable que ocurren normalmente, no produzca el plastificado sobre
la superficie o permita la utilización de dimensiones más pequeñas
si se desea.
El documento
US-A-5 480 609 describe una aleación
austenítica, que de acuerdo con la reivindicación 1 contiene hierro
y 20-30% de cromo, 25-32% de níquel,
6-7% de molibdeno, 0,35-0,8% de
nitrógeno, 0,5-5,4% de manganeso, como máximo 0,06%
de carbono, como máximo 1% de silicio, todos expresados en peso, y
que muestra un número PRE de al menos 50. Componentes opcionales
son cobre (0,5-3%), niobio
(0,001-0,3%), vanadio (0,001-0,3%),
aluminio (0,001-0,1%) y boro
(0,0001-0,003%). En el único ejemplo práctico se
emplearon 25% de cromo, 25,5% de níquel, 6,5% de molibdeno, 0,45%
de nitrógeno, 1,5% de cobre, 0,020% de carbono, 0,25% de silicio y
0,001% de azufre, y el resto hierro e impurezas. El acero muestra
buenas propiedades mecánicas, pero no presenta propiedades
suficientemente buenas como para satisfacer los fines de acuerdo con
el presente invento.
El documento
US-A-4.302.247 describe un acero
inoxidable austenítico de elevada resistencia que presenta buena
resistencia frente a la corrosión y, en particular, buena
resistencia de fragilización frente a hidrógeno.
La Fig. 1 muestra la representación gráfica de
tracción frente a temperatura bajo trabajo en caliente para las
realizaciones X y P del presente invento.
La Fig. 2 muestra la representación gráfica de
tracción frente a temperatura bajo trabajo en caliente para las
realizaciones S y P del presente invento.
La Fig. 3 muestra la representación gráfica de
la resistencia a la rotura traccional frente a la reducción del
corte transversal.
La Fig. 4 muestra la carga como característica
de la longitud de algunas realizaciones del presente invento y de
algunos ejemplos comparativos.
La Fig. 5 muestra la carga incluyendo el peso
muerto y el esfuerzo de flexión frente al diámetro de la
roldana.
La aleación austenítica presenta la siguiente
composición, en porcentaje en peso:
- Cr
- 23-30
- Ni
- 25-35
- Mo
- 3-6, opcionalmente Mo parcialmente sustituido por volframio, en el que al menos se incluye 2% en peso de molibdeno.
- Mn
- 3-6
- N
- 0-0,40
- C
- Hasta 0,05
- Si
- Hasta 1,0
- S
- Hasta 0,02
- Cu
- Hasta 3,0
de manera opcional contiene una
adición de ductilidad, formada por uno o más de los elementos Mg,
Ce, Ca, B, La, Pr, Zr, Ti, Nd en una cantidad total máxima de 0,2%
en peso, y el resto hierro e impurezas que aparecen normalmente y
adiciones, mientras que los contenidos se ajustan para satisfacer la
siguiente
condición:
Preferiblemente, el contenido de níquel debería
ser de al menos 26% en peso, más preferiblemente de al menos 28% en
peso y del modo más preferido de al menos 30 ó 31% en peso. De
manera apropiada, el límite superior para el contenido de níquel es
de 34% en peso. El contenido de molibdeno puede ser de al menos 3,7%
en peso y, de manera apropiada es de al menos 4,0% en peso. En
particular, el más elevado es de 5,5% en peso. Un contenido
apropiado de manganeso es de 3-6% en peso y
especialmente de 4-6% en peso. Preferiblemente, el
contenido de nitrógeno es de 0,20-0,40, más
preferiblemente de 0,35-0,40% en peso. De manera
apropiada, el contenido de cromo es de al menos 24. Se obtiene
resultados particularmente favorables con un contenido de cromo
máximo de 28% en peso, en particular como máximo 27% en peso.
Preferiblemente, el contenido de cobre es como máximo de 1,5% en
peso.
En la aleación en cuestión, es posible sustituir
la cantidad de molibdeno, parcial o completamente, por volframio.
No obstante, preferiblemente la aleación debe contener al menos 2%
en peso de molibdeno.
La aleación de acuerdo con el invento puede
contener una adición de ductilidad, formada por uno o más de los
elementos Mg, Ce, Ca, B, La, Pr, Zr, Ti, Nd, preferiblemente en una
cantidad total de cómo máximo 0,2%.
La importancia de los elementos de aleación para
el presente invento es la siguiente:
Níquel 25-35% en peso
Un elevado contenido de níquel homogeneiza el
acero altamente aleado aumentando la solubilidad de Cr y Mo. El
níquel estabilizador de la austenita evita la formación de fases,
sigma, lave y chi no deseadas, que en gran medida forman los
elementos de aleación cromo y molibdeno.
El níquel no sólo actúa como contra parte de
cara a la precipitación de los elementos eliminados cromo y
molibdeno, sino también como elemento importante de aleación para
las aplicaciones de petróleo/gas, en las que es normal la presencia
de ácido sulfhídrico y cloruros. Elevados esfuerzos junto con
entornos agresivos pueden provocar "craqueo por corrosión por
esfuerzo" (SCC), que normalmente se menciona como "craqueo por
corrosión por esfuerzo de sulfuro" (SSCC) en los entornos
mencionados.
La aleación está basada en los elevados
contenidos de níquel y cromo, ya que el efecto sinérgico de ellos
ha sido considerado como más decisivo que la elevada concentración
de molibdeno con respecto a la resistencia a SCC en entornos
anaerobios con una mezcla de ácidos sufhídricos y cloruros.
También se ha considerado que un elevado
contenido de níquel resulta favorable frente a la corrosión general
en entornos reductores, lo que resulta ventajoso con respecto al
entorno en fuentes de petróleo y de gas. Se ha obtenido una
ecuación basada en los resultados de los ensayos de corrosión. La
ecuación predice la velocidad de corrosión en un entorno reductor.
De manera apropiada, la aleación debería satisfacer el requisito
de:
No obstante, una desventaja es que el níquel
disminuye la solubilidad del nitrógeno en la aleación y deteriora
la facilidad de trabajo en caliente, lo que provoca una limitación
superior para el contenido de níquel de aleación.
El presente invento ha mostrado, no obstante,
que puede permitirse un elevado contenido de níquel de acuerdo con
lo anterior equilibrando el elevado contenido de níquel con los
contenidos elevados de cromo y manganeso.
Cromo 23-30% en peso
Un elevado contenido de cromo es la base para un
material resistente a la corrosión. Un modo rápido de clasificar
los materiales respecto a la corrosión crateriforme en un entorno de
cloruro es emplear la fórmula más ampliamente aplicada de
"equivalente resistente crateriforme" (PRE) = [%Cr] + 3,3x[%Mo]
+ 16x[%N], donde incluso los efectos positivos de molibdeno y
nitrógeno resultan evidentes. Existen muchas variantes diferentes de
la fórmula PRE, en particular es el factor de N el que difiere de
una fórmula a otra, algunas veces también aparece el manganeso como
elemento que hace disminuir el número PRE. Un elevado número PRE
indica una elevada resistencia a la corrosión crateriforme en
entornos de cloruro. Únicamente el nitrógeno disuelto en la matriz
tiene una influencia favorable, a diferencia, por ejemplo de los
nitruros. De hecho, fases no deseadas, tales como nitruros, pueden
actuar como puntos de iniciación de los ataques de corrosión, razón
por la cual el cromo es un elemento importante por su propiedad de
aumentar la solubilidad del nitrógeno en la aleación. La siguiente
fórmula es indicativa de la resistencia de la aleación a la
corrosión crateriforme. Cuanto más elevado sea el valor, mejor. Se
ha comprobado que esta fórmula predice mejor la resistencia a la
corrosión de la aleación que la fórmula clásica de PRE.
La fórmula también explica, porqué es importante
un contenido preferiblemente elevado de cromo en el presente
invento, a diferencia del estado de la técnica. De acuerdo con la
siguiente fórmula, en vez de una diferencia del factor de 3,3 entre
molibdeno y cromo (de acuerdo con la fórmula de PRE clásica), el
correspondiente factor se hace 2,3. El Ejemplo 1 presenta una
comparación entre la temperatura crateriforme para la nueva aleación
y UNS N08926, UNS S31254, ambos con elevados contenidos de
molibdeno, y UNS N08028.
Como se ha mencionado anteriormente, además de
la influencia frente a la corrosión crateriforme, el cromo presente
una influencia favorable frente a SCC junto con los ataque de ácido
sulfhídrico. Además, el cromo muestra una influencia positiva en el
ensayo de Huey, que refleja la resistencia a la corrosión
intergranular, es decir, corrosión en la que un material con bajo
contenido en carbono (C < 0,03% en peso) experimenta
sensitivación mediante tratamiento térmico a
600-800ºC. Se ha comprobado que la presente aleación
es altamente resistente. Realizaciones preferidas de acuerdo con el
invento cumplen el requisito:
Aleaciones que tienen una cantidad \leq 0,09
son particularmente preferidas.
A diferencia del cromo, el molibdeno aumenta la
velocidad de corrosión. La explicación es la tendencia a la
precipitación del molibdeno, que da lugar a fases no deseadas
durante la sensitivación. Por consiguiente, se elige un elevado
contenido de cromo a favor realmente de un elevado contenido de
molibdeno, pero también con el fin de obtener una estabilidad
estructural óptima para la aleación. Ciertamente, los elementos
aleantes por un lado aumentan la tendencia a la precipitación, pero
los ensayos muestras que el molibdeno presenta el doble de efecto
que el cromo. En una fórmula de la estabilidad estructura obtenida
empíricamente, de acuerdo con lo siguiente, el molibdeno presenta
una influencia más negativa que el cromo. Preferiblemente, la
aleación de acuerdo con el invento cumple con el requisito:
\vskip1.000000\baselineskip
Molibdeno 3-6% en
peso
Normalmente se lleva a cabo una gran adición de
molibdeno a las austenitas modernas resistentes a la corrosión con
el fin de aumentar la resistencia en general a los ataques de
corrosión. Por ejemplo, su efecto favorable sobre la corrosión
crateriforme en entornos de cloruro ha sido comprobado mediante la
fórmula de PRE bien conocida, una fórmula que ha servido de guía
para las aleaciones actuales. En el presente invento, también se
aprecia el efecto favorable del molibdeno sobre la resistencia a la
corrosión en fórmula desarrolladas particularmente para el
comportamiento de este invento en entornos reductores y de erosión y
en entornos de cloruro y crateriformes. De acuerdo con la fórmula
anterior para la corrosión crateriforme, es importante acentuar que
la influencia del molibdeno sobre la corrosión inducida por cloruro
no es tan elevada como el estado de la técnica ha manifestado hasta
el momento. En base a la experiencia, se sabe que la sinergias de
los elevados contenidos de níquel y cromo resultan más decisivas que
un elevado contenido en molibdeno, con respecto a la resistencia a
la corrosión por esfuerzo en un entorno anaerobio con una
combinación de ácidos sulfhídricos.
La tendencia a la precipitación de molibdeno
aporta un efecto negativo sobre la corrosión intergranular (entorno
oxidante), cuando el elemento de aleación se encuentra enlazado en
vez de la matriz. La aleación de acuerdo con el invento combina una
muy elevada resistencia a la corrosión crateriforme con resistencia
a ácidos, que la convierte en ideal para los intercambiadores de
calor de la industria química. La resistencia de la aleación a
ácidos (entorno reductor) se describe mediante la siguiente fórmula
para la corrosión general. Preferiblemente, la aleación debe
cumplir el requisito:
A partir de los diagramas se aprecia un claro
aumento de la dureza, que muestra el necesario esfuerzo durante el
tratamiento térmico para las variaciones de la aleación con elevado
contenido en molibdeno con respecto a la de bajo contenido en
molibdeno. La Figura 1 muestra la influencia negativa del molibdeno
sobre el esfuerzo necesario durante el procesado en caliente para
las variantes de aleación X y P. El esfuerzo es directamente
proporcional a la carga necesaria, que se mide cuando la superficie
de la muestra de ensayo se encuentra desafectada, es decir, justo
antes del rebaje. La tracción se calcula a partir de la
relación:
\sigma: tracción [N/mm^{2}]
F: fuerza [N]
A: superficie [mm^{2}] (= fijo)
Una menor estabilidad estructural y las
propiedades de procesado hacen que el contenido de molibdeno de la
aleación, a pesar de que normalmente presenta una influencia
favorable sobre la resistencia a la corrosión de la aleación, esté
limitado como máximo a 6%, preferiblemente como máximo a 6,0% en
peso.
Manganeso 3,0-6,0% en
peso
El manganeso es de vital importancia para la
aleación por tres razones. Se pretende que el producto final tenga
una elevada resistencia, razón por la cual la aleación debe
endurecerse por deformación plástica durante el procesado en frío.
Se sabe que tanto el nitrógeno como el manganeso disminuyen la
energía de falta de apilamiento, lo que a su vez conduce a
dislocaciones en el material que disocian y forman los parciales de
Shockley. Cuanto menor sea el defecto de apilado, mayor es la
distancia entre los parciales de Shockley y mayor es el
deslizamiento lateral de las dislocaciones, lo que hace que el
material obtenga un mayor endurecimiento por deformación plástica.
Sobre esta base, elevados contenidos de manganeso y nitrógeno
resultan muy importantes para la aleación. Las gráficas de
reducción, representadas en la Fig. 3, muestran un rápido
endurecimiento por deformación plástica, cuando se compara la nueva
aleación con aceros ya conocidos UNS N08926 y UNS N08028.
Además, el manganeso aumenta la solubilidad del
nitrógeno en la masa fundida, lo que posteriormente contribuye para
obtener un elevado contenido de manganeso. Únicamente el elevado
contenido de cromo no aporta la solubilidad suficiente, ya que el
contenido de níquel, que disminuye la solubilidad de nitrógeno, se
eligió mayor que el contenido de cromo. La solubilidad del
nitrógeno en la aleación puede predecirse termodinámicamente con la
fórmula anterior. Un factor positivo para manganeso, cromo y
molibdeno se muestra a partir de su efecto creciente sobre la
solubilidad de nitrógeno.
De manera apropiada, el valor debe ser mayor que
-0,46 y menor que 0,32.
El tercer motivo para un contenido de manganeso
dentro del intervalo para el presente invento es que, de manera
sorprendente, un análisis de la carga iniciadora de fluencia llevada
a cabo a temperatura elevada mostró el efecto mejorador del
manganeso sobre la capacidad de procesado en caliente de la
aleación. Cuanto más aleados están los aceros, más difíciles son de
trabajar y más importantes se hacen las adiciones para mejorar la
capacidad de procesado, lo que convierte a la producción en más
simple y barata. La adición de manganeso supone una disminución de
la dureza durante el procesado en caliente, lo que se deduce a
partir del diagrama de la Fig. 2, lo que muestra el esfuerzo de
deformación necesario durante el procesado en caliente para las
variantes de aleación con alto y bajo contenido en manganeso,
respectivamente. El efecto positivo del manganeso sobre la tracción
necesaria durante el procesado en caliente se demuestra aquí para
las variantes S y P de la aleación. La tracción necesaria es
directamente proporcional a la fuerza necesaria, que se mide cuando
la superficie de la muestra de ensayo se encuentra desafectada, es
decir, justo antes del rebaje. La tracción se calcula a partir de
la relación:
\sigma: tracción [N/mm^{2}]
F: fuerza [N]
A: superficie [mm^{2}] (= fijo)
La buena capacidad de procesado en caliente hace
que la aleación sea excelente para la producción de tuberías,
alambres y flejes, etc. No obstante, se encontró un efecto del
manganeso ligeramente negativo sobre la ductilidad de la aleación,
como se describe en la fórmula siguiente. Se ha estimado como más
importante su efecto altamente positivo como elemento de aleación
que disminuye la dureza durante el procesado en caliente. De manera
apropiada, la aleación presenta una composición que aporta un valor
de al menos 43 para la siguiente fórmula, preferiblemente un valor
de al menos 44.
Parece ser que el manganeso es un elemento que
disminuye la resistencia a la corrosión crateriforme de la aleación
en entornos de cloruro. Se ha escogido un contenido óptimo de
manganeso para la aleación, mediante el equilibrio entre la
corrosión y la capacidad de procesado.
Preferiblemente, la aleación presenta una
composición que, de acuerdo con la siguiente fórmula, permite
obtener un límite de encendido de 1230.
Nitrógeno 0-0,4%
en
peso
Igual que el molibdeno, el nitrógeno es un
popular elemento de aleación en las austenitas modernas resistentes
a la corrosión, con el fin de aumentar la resistencia a la
corrosión, pero también la resistencia mecánica de la aleación.
Para el presente invento, resulta principal aumentar la resistencia
mecánica mediante nitrógeno, que será aprovechado. Como se ha
mencionado anteriormente, se obtiene un gran aumento de la
resistencia durante la deformación en frío a medida que el
manganeso disminuye la energía de falta de apilamiento de la
aleación. El invento también aprovecha el hecho de que el nitrógeno
aumenta la resistencia mecánica de la aleación como consecuencia de
los átomos disueltos intersticiales, que provocan esfuerzos en la
estructura cristalina. Una elevada resistencia resulta de
importancia fundamental para las aplicaciones pretendidas tales como
láminas, intercambiadores de calor, tuberías de producción,
alambres - y muelles de flejes, cables de perforación, cables y
también todo tipo de aplicaciones médicas. Mediante el empleo de un
material altamente dúctil existe la posibilidad de obtener la misma
resistencia, pero con menos material y consecuentemente con menos
peso. Para los muelles, la tendencia para absorber la energía
elástica es de importancia decisiva. La cantidad de energía
elástica que los muelles pueden almacenar es de acuerdo con la
siguiente relación
para muelles con esfuerzo de
flexión
para muelles con tensión de
cizalladura.
donde \sigma representa el límite para la
elasticidad al valor del esfuerzo de flexión, en la práctica el
límite de fluencia bajo esfuerzo del material, E representa el
módulo de elasticidad y G representa el módulo de cizalladura.
Las constantes dependen de la forma del muelle.
Independientemente del esfuerzo de flexión y de la tensión de
cizalladura, existe la posibilidad de almacenar una elevada energía
elástica con un elevado límite de fluencia bajo tensión y bajos
módulos elástico y de cizalladura, respectivamente. Debido a las
dificultades para medir el módulo elástico de un alambre enrollado
en una bobina con cierta curvatura, se ha asumido a partir de la
bibliografía un valor válido para UNS N08926 para las aleaciones
mencionadas.
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El nitrógeno también tiene un efecto favorable
sobre la resistencia a la corrosión crateriforme, tal como se ha
mostrado anteriormente. En términos de estabilidad estructural, el
nitrógeno puede actuar tanto en la dirección estabilizadora
positiva como en la dirección negativa mediante la formación de
nitruros de cromo.
\vskip1.000000\baselineskip
Cobre 0-3% en peso
El efecto de la adición de cobre sobre las
propiedades de corrosión del acero austenítico es dudoso. No
obstante, parece claro que el cobre aumenta en gran medida la
resistencia a la corrosión en ácido sulfúrico, que resulta muy
importante en el campo de aplicación de la aleación. Durante el
ensayo, el cobre se ha mostrado como un elemento favorable para la
producción de tuberías, razón por la que la adición de cobre es
particularmente importante para el material producido para
aplicaciones de tuberías. No obstante, a partir de la experiencia
se sabe que un elevado contenido de cobre junto con un elevado
contenido de manganeso disminuye en gran medida la ductilidad en
caliente, razón por la cual se determina el límite superior de cobre
en 3% en peso. Preferiblemente, el contenido de cobre es como
máximo de 1,5% en peso.
A continuación, se describirán algunas
realizaciones de la aleación de acuerdo con el invento. Se pretende
que éstas ilustren el invento, pero no deberían limitarlo.
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Las tablas siguientes muestran las composiciones
para las aleaciones sometidas a ensayo de acuerdo con el invento y
para algunas aleaciones bien conocidas, que se han mencionado
anteriormente. Para las aleaciones bien conocidas, se aporta el
intervalo que define la composición para el ensayo en esos casos, en
los que se usaron para el ensayo.
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\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
1
Se llevaron a cabo medidas de la corrosión
crateriforme en FeCl_{3} 6% en peso de acuerdo con ASTM G 48
sobre tres aleaciones de acuerdo con el invento y tres aleaciones
comparativas. La temperatura más alta posible es 100ºC con respecto
al punto de ebullición de la disolución.
Comparando los tres acabados de ensayo
distintos, la muestra de ensayo procesada en frío molida de acuerdo
con la especificación en ASTM G48, la muestra de ensayo recocida
molida de acuerdo con al especificación en ASTM G48 y la muestra de
tubería con la superficie existente, se espera obtener la
temperatura más elevada para la muestra de ensayo recocida con
superficie molida. Después de esa, sigue la muestra de ensayo
procesada en frío con superficie molida y el ensayo más tenaz,
donde se espera la temperatura más baja, y es donde se llevó a cabo
el receptáculo de ensayo a partir de las tuberías procesadas en frío
con la superficie existente.
Ejemplo
2
Las Fig. 1 y 2 muestran la tracción necesaria
para procesar en caliente la presente aleación, a diferentes
contenidos de manganeso y molibdeno. La Fig. 1 demuestra el efecto
negativo del molibdeno sobre la tracción necesaria para la variante
X y P. La Fig. 2 demuestra el efecto positivo del manganeso sobre la
tracción necesaria para la variante S y P.
Ejemplo
3
La Fig. 3 muestra el aumento considerablemente
mayor en el esfuerzo final del procesado en caliente de las
presentes aleaciones, variantes B, C y E, en comparación con los
bien conocidos UNS N08028 y UNS N08926.
Ejemplo
4
En los diagramas de las Fig. 4 y 5 se observan
las propiedades esenciales para los alambres y los cables de la
aplicación.
El diagrama de la Fig. 1 muestra la carga que,
superando el peso muerto, puede soportar un alambre de la nueva
aleación en comparación con un alambre producido a partir de la
aleación bien conocida UNS N08028, en función de la longitud del
alambre.
Se ha estimado la densidad de las aleaciones
como \rho = 8000 kg/m^{3}.
Se ha aproximado la aceleración de la gravedad a
g = 9,8 m/s^{2}.
Un alambre largo tiene un peso muerto evidente,
que actúa sobre el alambre. Normalmente, este peso muerto es
soportado por las ruedas con curvatura variable, lo que además
aumenta el esfuerzo que soporta el alambre. Cuanto menor sea el
radio de curvatura de la rueda, mayor es la tensión de flexión sobre
el alambre. Al mismo tiempo, un menor diámetro de alambre da lugar
a una curvatura mayor. El diagrama de la Fig. 5 muestra la carga,
incluyendo el peso muerto y la tensión de flexión, que puede
soportar el alambre de la nueva aleación en comparación con la
aleación bien conocida UNS N08028, en función del diámetro de la
roldana.
Se ha estimado el módulo de elasticidad de ambas
aleaciones en E = 198 000 MPa.
Los cálculos para la elaboración del diagrama se
han llevado a cabo bajo el supuesto de que la caída del esfuerzo es
elásticamente lineal y la carga máxima sobre rodamiento se determina
mediante el límite de fluencia del material (Rp 0,2).
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Ejemplo
5
La Tabla 5 siguiente muestra los valores
calculados para las correlaciones discutidas anteriormente
I-IX de acuerdo con:
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En la Tabla 5 también se muestran los valores
preferidos para las diferentes correlaciones.
Claims (10)
1. Una aleación austenítica que tiene la
siguiente composición, en porcentaje en peso:
- Cr
- 23-30
- Ni
- 25-35
- Mo
- 3-6, opcionalmente Mo parcialmente sustituido por volframio, en el que al menos se incluye 2% en peso de molibdeno.
- Mn
- 3-6
- N
- 0-0,40
- C
- Hasta 0,05
- Si
- Hasta 1,0
- S
- Hasta 0,02
- Cu
- Hasta 3,0
de manera opcional contiene una adición de
ductilidad, formada por uno o más de los elementos Mg, Ce, Ca, B,
La, Pr, Zr, Ti, Nd en una cantidad total máxima de 0,2% en peso, y
el resto hierro e impurezas que aparecen normalmente y adiciones,
mientras que los contenidos se ajustan para satisfacer la siguiente
condición:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
2. La aleación austenítica de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que el contenido de níquel es de al menos
26% en peso, preferiblemente de al menos 28% en peso y del modo más
preferido de 31-34% en peso.
3. La aleación austenítica de la reivindicación
1 ó 2, en la que el contenido de molibdeno es de
4-0-6,0% en peso, preferiblemente
de 4,0-5,5% en peso.
4. La aleación austenítica de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el
contenido de manganeso es de 4-6% en peso.
5. La aleación austenítica de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el
contenido de nitrógeno es de 0,20-0,40% en peso;
preferiblemente de 0,35-0,40% en peso.
6. La aleación austenítica de cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que el contenido de cromo es de
23-28% en peso, preferiblemente de
24-28% en peso.
7. La aleación austenítica de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la que los
contenidos de los elementos satisfacen la siguiente condición:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
8. La aleación austenítica de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la que los
contenidos de los elementos satisfacen la siguiente condición:
\vskip1.000000\baselineskip
9. La aleación austenítica de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la que los
contenidos de los elementos satisfacen la siguiente condición:
10. La aleación austenítica de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la que los
contenidos de los elementos satisfacen la siguiente condición:
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