ES2300088T3 - Aleacion de acero duplex. - Google Patents
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Abstract
Una aleación dúplex de acero inoxidable ferrítico-austenítico, caracterizada por que muestra la composición siguiente en % en peso: Cmáx. 0,03% Simáx. 0,5% Mn0-3,0% Cr24,0-30,0% Ni4,9-10,0% Mo3,0-5,0% Co0-3,5% N0,28-0,5% B0-0,0030% Smáx. 0,010% W0-3,0% Cu0-2,0% Ru0-0,3% Al0-0,03% Ca0-0,010% Opcionalmente 0,04-0,55% de V, 0,01-0,02% de La 0,01-0,35% de Ti resto, Fe e impurezas normalmente presentes, por lo que el contenido de ferrita es de 40-65% en volumen, el valor total de PRE y PREW de la aleación excede 46, donde PRE = %Cr + 3,3%Mo + 16N y PREW = %Cr + 3,3(%Mo + 0,5%W) + 16N, donde % considera % en peso, donde el valor de PRE o PREW tanto para la fase austenita como para la ferrita está entre 47 y 49, y la proporción entre el valor de PRE o PREW para la fase ferrita está entre 0,90 y 1,15.
Description
Aleación de acero dúplex.
La presente invención se refiere a una aleación
de acero inoxidable, más específicamente, a una aleación dúplex de
acero inoxidable con una matriz
ferrítico-austenítica y con una alta resistencia a
la corrosión en combinación con buena estabilidad estructural y
aptitud para ser trabajada en caliente, particularmente un acero
inoxidable dúplex con un contenido en ferrita de
45-60% en volumen y una composición bien
equilibrada, que imparte al material propiedades resistentes a la
corrosión que hacen que sea más adecuado para uso en ambientes que
contienen cloruro que lo que antes se consideraba que era
posible.
Durante los últimos años, los ambientes en los
que se han usado los materiales metálicos resistentes a la
corrosión se han hecho más agresivos y han aumentado los
requerimientos en cuanto a sus propiedades frente a la corrosión
así como sobre sus propiedades mecánicas. Las aleaciones de acero
dúplex, que se establecieron como alternativa hasta que se usaron
como calidades de acero tales como, por ejemplo, aceros austeníticos
altamente aleados, aleaciones de base níquel u otros aceros de alta
aleación, no están exentas de este desarrollo.
Una medida establecida de la resistencia a la
corrosión en medios que contienen cloruro es el denominado
equivalente de la resistencia a picaduras (abreviado, PRE) que se
define como
PRE = % Cr +
3,3% Mo + 16%
N
en el que los porcentajes para cada
elemento se refieren a porcentajes en
peso.
Un valor numérico más alto indica una mejor
resistencia a la corrosión, en particular, frente a la corrosión
por picadura. Los elementos de aleación esenciales que afectan a esa
propiedad son, de acuerdo con la fórmula, Cr, Mo y N. Se puede ver
un ejemplo de tal calidad de acero en la patente EP0220141, que por
referencia se incluye en esta descripción. Esta calidad de acero
con la designación SAF2507 (UNS S32750) principalmente está aleada
con contenidos altos de Cr, Mo y N. Consecuentemente se ha
desarrollado en consideración a esta propiedad con toda la buena
resistencia en medios con cloruro anteriormente mencionada.
Recientemente, los elementos Cu y W han
demostrado ser adiciones aleantes eficientes para optimizar las
propiedades del acero frente a la corrosión en medios con cloruro.
El elemento W es ha usado luego como sustituto de una parte del Mo
como, por ejemplo, en la aleación comercial DP3W (UNS S39274) o
Zeron 100, que contienen, respectivamente, 2,0% y 0,7% de W. La
última aleación contiene incluso 0,7% de Cu con el fin de aumentar
la resistencia a la corrosión de la aleación en ambientes
ácidos.
La adición del elemento aleante wolframio
condujo a desarrollar la medida de la resistencia a la corrosión y,
por ello, a pasar de la fórmula de PRE a la fórmula de PREW, que
también hace que sea más clara la relación entre la influencia del
Mo y el W sobre la resistencia a la corrosión de las aleaciones:
PREW = % Cr +
3,3(% Mo + 0,5% W) + 16%
N
tal como se describe, por ejemplo,
en la patente EP 0545753. Esta publicación se refiere a una aleación
dúplex de acero inoxidable con propiedades frente a la corrosión
mejoradas en
general.
Las calidades de acero antes descritas tienen un
número PRE que, independientemente del método de cálculo, que está
por encima de 40.
De las aleaciones con buena resistencia a la
corrosión en ambientes con cloruro se mencionará también la SAF
2906, cuya composición aparece en la patente EP 0 708 845. Esta
aleación, que se caracteriza por contenidos de Cr y N más altos en
comparación con los de por ejemplo, SF2507, ha revelado ser
especialmente adecuada para uso en medios en que es importante la
resistencia a la corrosión intergranular y la corrosión en carbamato
amónico, pero también tiene una gran resistencia a la corrosión en
medios que contienen cloruro.
El documento
US-A-4 985 091 describe una aleación
prevista para uso en medios con ácido clorhídrico y ácido
sulfúrico, en los que principalmente se produce corrosión
intergranular. Está previsto principalmente como alternativa a los
aceros austeníticos usados recientemente.
El documento
US-A-6 048 413 describe un acero
inoxidable dúplex como alternativa a aceros inoxidables
austeníticos, previsto para uso en medios que contienen
cloruro.
\newpage
La desventaja de las aleaciones descritas en lo
que antecede, todas ellas con números PRE altos, es la aparición de
precipitados intermetálicos duros y frágiles en el acero, como, por
ejemplo, la fase sigma, especialmente después de tratamiento
térmico, como puede ser, por ejemplo, la soldadura en una posterior
elaboración. Ello da por resultado un material más duro con una
peor aptitud para ser trabajado y, finalmente, una resistencia a la
corrosión deteriorada.
Con el fin de mejorar, entre otros aspectos, la
resistencia de los aceros inoxidables dúplex a la corrosión por
picaduras, se requiere un aumento del número PRE de la fase ferrita
y de la fase austenita, sin que por ello se arriesgue la
estabilidad estructural o la aptitud del material para ser
trabajado. Si la composición de las dos fases no es equivalente en
cuanto a los componentes de aleación activos, una fase se hace más
sensible a la corrosión por picaduras o en resquicios.
Consecuentemente, la fase que es más sensible a la corrosión
controla la resistencia de la aleación, mientras que la estabilidad
estructural está controlada por la fase más aleada.
Por tanto, es un objetivo de la presente
invención proporcionar una aleación dúplex de acero inoxidable que
tenga una alta resistencia a la corrosión en combinación con unas
propiedades mecánicas mejoradas y que sea muy apropiada para uso en
ambientes en los que se requiere una alta resistencia a la corrosión
general y a la corrosión localizada, como puede ser, por ejemplo,
en medios que contienen cloruro.
Es otro objetivo de la presente invención
proporcionar una aleación dúplex de acero inoxidable con un
contenido de ferrita en el intervalo de 40 a 65% en volumen y un
número PRE de como mínimo entre 46 y 50 tanto en la fase ferrita
como en la fase austenita, y con una relación óptima entre el PRE de
la austenita y el PRE de la ferrita en el intervalo de 0,90 a 1,15;
preferiblemente entre 0,9 y 1,05.
Es otro objetivo más de la presente invención
proporcionar una aleación dúplex de acero inoxidable con una
temperatura crítica de corrosión por picadura (abreviadamente CPT)
cuyo valor sea superior a 90ºC, preferiblemente superior a 95ºC, y
una temperatura crítica de corrosión en resquicios (abreviadamente
CCT) cuyo valor sea como mínimo de 50ºC en FeCl_{3} al 6%,
preferiblemente de como mínimo 60ºC en FeCl_{3} al 6%.
Asimismo es otro objetivo de la invención
proporcionar una aleación con una resistencia al impacto de como
mínimo 100J a temperatura ambiente y un alargamiento a tracción de
cómo mínimo 25% a temperatura ambiente.
Por su alto contenido de elementos aleantes, el
material de acuerdo con la presente invención presenta una aptitud
para ser trabajado notablemente buena, en particular para ser
trabajado en caliente y, por tanto, será muy adecuado para uso en,
por ejemplo, la producción de barras, tubos tales como tubos
soldados y sin costura, chapa, fleje, alambre, alambre para
soldadura, partes constructivas de, por ejemplo, bombas, válvulas,
juntas y acoplamientos con el acero de acuerdo con la reivindicación
1.
La Figura 1 representa los valores de CPT de los
ensayos efectuados con coladas de ensayo según el ensayo ASTM G48C
modificado en disolución "Green Death" en comparación con los
aceros dúplex SAF2507, SAF 2906 así como con el acero austenítico
altamente aleado 654SMO.
La Figura 2 presenta valores de CPT determinados
con ayuda del ensayo ASTM G48C modificado en disolución "Green
Death" para coladas de ensayo, en comparación con el acero dúplex
SAF2507 así como el acero austenítico 654SMO.
La Figura 3 representa la cantidad media de
erosión en mm/año en HCl al 2% a la temperatura de 75ºC.
La Figura 4 representa los resultados del ensayo
de ductilidad en caliente para la mayoría de las coladas.
Un trabajo sistemático de desarrollo ha revelado
sorprendentemente que, por medio de una combinación bien
equilibrada de los elementos Cr, Mo, Ni, N, Mn y Co, se puede
obtener una aportación óptima de los elementos en la ferrita y la
austenita, lo que proporciona un material muy resistente a la
corrosión con sólo una cantidad insignificante de fase sigma en el
material. El material también alcanza una buena aptitud para ser
trabajado, lo que permite extruir tubos sin costura. Se pone de
manifiesto que, con la intención de obtener una combinación de alta
resistencia a la corrosión junto con buena estabilidad estructural,
se requiere en el material una combinación mucho más ajustada de
los elementos aleantes. De acuerdo con la reivindicación 1 se
consigue alcanzar estos objetivos:
El carbono (C) tiene una solubilidad
limitada en la ferrita y en la austenita. La solubilidad limitada
implica un riesgo de precipitación de carburos de cromo y, por
tanto, su contenido no debe exceder 0,03% en peso, preferiblemente
0,02% en peso.
El silicio (Si) se utiliza como agente
desoxidante en la producción de acero, así como porque aumenta la
fluidez durante la producción y la soldadura. Sin embargo,
contenidos demasiado altos de Si conducen a la precipitación de
fases intermetálicas no deseadas, por lo que su contenido se limita
a un máximo de 0,5% en peso, preferiblemente a un máximo de 0,3% en
peso.
El manganeso (Mn) se añade con el fin de
aumentar la solubilidad del N en el material. Sin embargo, se ha
visto que el Mn sólo tiene una influencia limitada sobre la
solubilidad del nitrógeno en el tipo de aleación en cuestión. Se
han encontrado otros elementos con una mayor influencia sobre la
solubilidad. Además, el Mn en combinación con altos contenidos de
azufre puede dar lugar a la formación de sulfuros de manganeso, que
actúan como puntos de iniciación de la corrosión por picadura. Por
tanto, el contenido de manganeso se debe limitar a entre 0 y 3,0%
en peso, preferiblemente entre 0,5 y 1,2% en peso.
El cromo (Cr) es un elemento muy activo
para mejorar la resistencia frente a la mayoría de tipos de
corrosión. Además, un alto contenido de cromo supone que se obtiene
una buena solubilidad del N en el material. Así, es deseable
mantener el contenido de Cr tan alto como sea posible con el fin de
mejorar la resistencia a la corrosión. Para lograr muy buenos
valores de resistencia a la corrosión, el contenido de cromo debe
ser de, como mínimo, 24,0% en peso, preferiblemente, de
27,0-29,0% en peso. Sin embargo, altos contenidos de
Cr aumentan el riesgo de precipitación de compuestos
intermetálicos, por cuyo motivo el contenido de cromo se debe
limitar a un máximo de hasta 30,0% en peso.
El níquel (Ni) se usa como elemento
estabilizador de la austenita y se añade en contenidos adecuados con
el fin de obtener el contenido deseado de ferrita. Para obtener la
relación deseada entre la fase austenítica y la ferrítica entre
40-65% en volumen de ferrita, se requiere una
adición de entre 4,9 y 10,0% en peso de níquel, preferiblemente de
entre 4,9 y 8,0% en peso.
El molibdeno (Mo) es un elemento activo
que mejora la resistencia a la corrosión en medios con cloruro así
como, preferiblemente, en ácidos reductores. Un contenido demasiado
alto de Mo en combinación unos contenidos altos de Cr implica el
riesgo de que aumente la precipitación de compuestos intermetálicos.
El contenido de Mo en la presente invención debe estar en el
intervalo de 3,0-5,0% en peso, preferiblemente de
3,6-4,7% en peso, en particular, de
4,0-4,3% en peso.
El nitrógeno (N) es un elemento muy
activo que aumenta la resistencia a la corrosión, la estabilidad
estructural así como la resistencia mecánica del material. Además,
un contenido alto de N mejora la restauración de la austenita
después de soldadura, lo que da buenas propiedades en la junta
soldada. Para obtener un buen efecto del N, debería añadirse al
menos 0,28% en peso de N. A contenidos altos de N, aumenta el riesgo
de precipitación de nitruros de cromo, especialmente cuando
simultáneamente el contenido de cromo es alto. Además, un alto
contenido de N implica que el riesgo de porosidad aumenta debido a
que se excede la solubilidad del nitrógeno en el material fundido.
Por estas razones, el contenido de N se debe limitar a un máximo de
0,5% en peso, preferiblemente se añade > 0,35% a 0,45% en
peso.
El boro (B) se añade con el fin de
aumentar la aptitud para trabajado en caliente del material. A un
contenido demasiado alto de boro, la soldabilidad así como la
resistencia a la corrosión se pueden deteriorar. Por tanto, el
contenido de boro se debe limitar a 0,0030% en peso.
El azufre (S) influye negativamente sobre
la resistencia a la corrosión al formar sulfuros solubles. Además,
la aptitud para ser deformado en caliente se deteriora, por lo que
el contenido de azufre se debe limitar a un máximo de 0,010% en
peso.
El cobalto (Co) se añade con el fin de
mejorar más la estabilidad estructural, así como la resistencia a la
corrosión. El Co es un elemento estabilizador de la austenita. Para
obtener el efecto, debe añadirse al menos 0,5% en peso,
preferiblemente al menos 1,5% en peso. Debido a que el cobalto es un
elemento relativamente caro, la adición de cobalto está limitada a
un máximo de 3,5% en peso.
El wolframio aumenta la resistencia a la
corrosión por picadura y en resquicio. Pero la adición de contenidos
demasiado altos de W en combinación con contenidos de Cr así como
de Mo altos significa riesgo de que aumente la precipitación de
compuestos intermetálicos. El contenido de W en la presente
invención debe estar en el intervalo de 0-3,0% en
peso, preferiblemente entre 0,5 y 1,8% en peso.
El cobre se añade con el fin de mejorar
la resistencia a la corrosión general en medios ácidos tales como
ácido sulfúrico. Al mismo tiempo, el Cu tiene influencia sobre la
estabilidad estructural. Sin embargo, unos contenidos altos de Cu
implican que se excederá la solubilidad en estado sólido. Por tanto,
el contenido de Cu debe limitarse a un máximo de 2,0% en peso,
preferiblemente de entre 0,5 y 1,5% en peso.
El rutenio (Ru) se añade para aumentar la
resistencia a la corrosión. Debido a que el rutenio es un elemento
muy caro, el contenido debe limitarse a un máximo de 0,3% en peso,
preferiblemente a más de 0 y hasta 0,1% en peso.
El aluminio (Al) y el calcio (Ca) se usan
como agentes desoxidantes en la producción de acero. El contenido
de Al se debe limitar a un máximo de 0,03% en peso con el fin de
limitar la formación de nitruros. El Ca ejerce un efecto favorable
sobre la ductilidad en caliente. Pero el contenido de Ca debe
limitarse a 0,010% en peso con el fin de evitar una cantidad no
deseada de escoria.
El contenido de ferrita es importante para
obtener unas buenas propiedades mecánicas y una buena soldabilidad.
Desde el punto de vista de la corrosión y la soldabilidad, es
deseable un contenido de ferrita entre 40-65% para
obtener buenas propiedades. Además, contenidos altos de ferrita
implican que se deteriore la resistencia al impacto a bajas
temperaturas así como el riesgo de que se deteriore la resistencia a
la fragilidad inducida por hidrógeno. El contenido de ferrita, por
tanto, es de 40-65% en volumen preferiblemente de
42-60% en volumen, en particular de
45-55% en volumen.
En los ejemplos siguientes se presenta la
composición de varias coladas de ensayo, que ilustran el efecto de
diferentes elementos de aleación sobre las propiedades. La colada
605182 representa una composición de referencia y,
consecuentemente, no es parte del campo de esta invención. Las
restantes coladas no deben considerarse como limitativas de la
invención, sino sólo ejemplos específicos de las coladas, que
ilustran la invención de acuerdo con las reivindicaciones.
Los números o valores PRE consideran siempre
cantidades calculadas de acuerdo con la fórmula de PREW, aunque
esto no se mencione explícitamente.
Las coladas de ensayo de acuerdo con este
ejemplo se produjeron colando en laboratorio lingotes de 170 kg que
luego se forjaron en caliente a barras redondas. Éstas se extruyeron
a barras (redondas y planas), extrayéndose de las redondas el
material de ensayo. Las barras planas se recocieron antes de
realizar una laminación en frío, después de la cual se tomó más
material para ensayos. Desde el punto de vista de la ingeniería de
materiales, el proceso se puede considerar representativo para la
preparación a mayor escala, por ejemplo para la producción de tubos
sin costura por el procedimiento de extrusión, seguido de laminación
en frío. La Tabla 1 presenta la composición del primer lote de
coladas de ensayo.
Con el fin de investigar la estabilidad
estructural, se recocieron a 900-1150ºC muestras de
cada colada con etapas de 50ºC y se templaron al aire,
respectivamente en agua. A las temperaturas más bajas se formó una
fase intermetálica. Con ayuda de microscopía óptica con luz se
determinó la temperatura más baja a la que la cantidad de fase
intermetálica era insignificante. Se recocieron luego a la
mencionada temperatura durante 5 minutos nuevas muestras de la
colada correspondiente, y luego se enfriaron las muestras a una
velocidad de enfriamiento constante de -140ºC/min hasta temperatura
ambiente. Seguidamente se determinó la fracción de superficie de
fase sigma en los materiales mediante barrido digital de las
imágenes obtenidas con electrones de retrodispersión en un
microscopio electrónico de barrido. Los resultados aparecen en la
Tabla 2.
Se calculó T_{mx} sigma con ThermoCalc
(versión TC N de bases de datos para el acero TCFE99) sobre la base
de las cantidades características para todos los elementos
especificados en las diferentes variaciones. T_{max} sigma es la
temperatura de disolución de la fase sigma, en la que temperaturas
de disolución altas indican estabilidad estructural más baja:
El propósito de esta investigación es poder
calificar el material en cuanto a su estabilidad estructural, esto
es, el propósito no es el contenido real de fase sigma en las
muestras que se trataron y templaron antes de, por ejemplo, el
ensayo de corrosión. Se puede ver que T_{max} sigma, que se
calculó con Termo-Calc, no coincide directamente
con las cantidades medidas de fase sigma, pero es claro que las
coladas de ensayo con los valores T_{m} sigma calculados más
bajos contienen la cantidad menor de fase sigma durante esta
investigación.
Las propiedades de corrosión por picaduras de
todas las coladas se ensayaron para calificarlas en la llamada
disolución "Green Death", que está constituida por 1% de
FeCl_{3}, 1% de CuCl_{2}, 11% de H_{2}SO_{4}, 1,2% de HCl.
El procedimiento de ensayo es equivalente al ensayo de corrosión por
picaduras de acuerdo con ASTM G48C, aunque realizado en la
disolución "Green Death", más agresiva. Además, algunas de las
coladas se ensayaron de acuerdo con ASTM G48C (2 ensayos por
colada). También se realizó el ensayo electroquímico en NaCl al 3%
(6 ensayos por colada). Los resultados en forma de la temperatura
crítica de picadura (CTP) de todos los ensayos figuran en la Tabla
3, tales como el número PREW (Cr+3,3(Mo+0,5W)+16N) para la
composición total de la aleación así como para austenita y ferrita.
El índice alfa se refiere a ferrita y el gamma a austenita.
\vskip1.000000\baselineskip
Se ha establecido que existe una relación lineal
entre el número PRE más bajo de la austenita o ferrita y el valor
de CPT del acero dúplex, pero los resultados de la Tabla 3 revelan
que el número PRE no explica sólo los valores de CPT. En la Fig. 1
se representan como diagrama los valores de CPT del ensayo ASTM G48C
modificado. Los aceros dúplex SAF2507 y SAF2906 y también el acero
austenítico de alta aleación 654SMO se incluyen como referencia. Se
deduce claramente de estos resultados que todos los materiales
ensayados presentan una CPT mejor en el ensayo ASTM G48C modificado
que tanto el SAF2507 como el SAF2906. Además, algunos de los
materiales de ensayo presentan resultados de CPT según ASTM G48C
modificado al mismo nivel, o más alto, que el acero 654SMO. La
colada de ensayo 605183, aleada con cobalto, presenta buena
estabilidad estructural a una velocidad de enfriamiento controlada
de (-140ºC/min), a pesar de que contiene contenidos altos de cromo y
molibdeno; presenta mejores resultados que AF2507 y SAF2906. Esta
investigación pone de manifiesto que una PRE alta sola no explica
los valores de CPT, sino que la relación PRE de austenita/PRE de
ferrita tiene una gran influencia sobre las propiedades de los
aceros dúplex más altamente aleados y que se requiere un ajuste
estrecho y exacto entre los elementos de aleación para obtener esta
relación óptima, que está entre 0,9 y 1,15, preferiblemente 0,9 y
1,05, y simultáneamente obtener valores PRE por encima de 46. La
relación PRE de austenita/PRE de ferrita frente a CPT del ensayo
ASTM G48C modificado para las coladas de ensayo se dan en la Tabla
3.
Se han determinado para todas las coladas la
resistencia mecánica a temperatura ambiente (t.a.), 100ºC y 200ºC y
la resistencia al impacto a temperatura ambiente (t.a.); los
resultados se presentan como media de tres ensayos.
Las probetas para los ensayos a tracción
(DR-5C50) se obtuvieron de barras extruídas de 20 mm
de diámetro, que se trataron térmicamente a temperaturas de acuerdo
con la Tabla 2 durante 20 min y seguidamente se enfriaron al aire o
en agua (605195, 605197, 605184). Los resultados de los ensayos se
presentan en las Tablas 4 y 5. Los resultados de los ensayos a
tracción revelan que los contenidos de cromo, nitrógeno y wolframio
tienen una influencia grande sobre la resistencia al impacto del
material. Aparte de la 605153, todas las coladas satisfacen la
exigencia de un 25% de alargamiento en el ensayo a tracción a
temperatura ambiente (t.a.).
\vskip1.000000\baselineskip
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(Tabla pasa a página
siguiente)
Esta investigación demuestra muy claramente que
es ciertamente necesario el temple en agua con el fin de obtener la
mejor estructura y, consecuentemente, buenos valores de la
resistencia al impacto. El requerimiento es de 100J a temperatura
ambiente y todas las coladas pasaron este valor, excepto las coladas
605184 y 605187, de las que la última queda muy cerca del valor
requerido.
La Tabla 6 presenta los resultados obtenidos en
el ensayo de refusión con wolframio-gas inerte
(abreviadamente TIG), en el que las coladas 605193, 605183, 605184
y también 605253 tienen una buena estructura en la zona
térmicamente afectada (abreviadamente HAZ). Las coladas que
contienen Ti presentan TiN en la HAZ. Un contenido demasiado alto
de cromo y nitrógeno tiene como resultado la precipitación de
Cr_{2}N, que se debe evitar porque deteriora las propiedades del
material.
En el ejemplo que se menciona seguidamente se da
la composición de otras varias coladas de ensayo producidas con el
fin de encontrar la composición óptima. Estas coladas se modifican
partiendo de las propiedades de las coladas con una buena
estabilidad estructural así como una alta resistencia a la corrosión
según los resultados que se presentaron en el Ejemplo 1. Todas las
coladas de la Tabla 7 están incluidas en la composición de acuerdo
con la presente invención, estando incluidas las coladas
1-8 en el modelo estadístico de ensayo, mientras
que las coladas e a n son aleaciones de ensayo adicionales dentro
del ámbito de esta invención.
Se produjeron varias coladas de ensayo colando
lingotes de 270 kg que se forjaron a barras redondas. Éstas se
extruyeron a barras de las que se tomaron las muestras de ensayo.
Luego se recoció la barra antes de laminar en frío a barras planas,
después de lo cual se tomó más material de ensayo. La Tabla 7
presenta la composición de estas
coladas.
coladas.
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\vskip1.000000\baselineskip
Los valores de Termo-Calc de
acuerdo con la Tabla 8 (versión N de T-C de base de
datos termodinámicos para el acero TCFE99) están basados en
cantidades características para todos los elementos especificados en
las diferentes variantes. El número PRE para la ferrita y la
austenita está basado en su composición de equilibrio a 1100ºC.
T_{max} de sigma es la temperatura de disolución de la fase sigma,
de la que las temperaturas de disolución altas indican una
estabilidad estructural menor.
La distribución de los elementos de aleación en
las fases ferrita y austenita se examinó por análisis de
micromuestras, cuyos resultados aparecen en la Tabla 9.
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\vskip1.000000\baselineskip
(Tabla pasa a página
siguiente)
Las propiedades de corrosión por picaduras de
todas las coladas se han determinado para evaluación en la
disolución "Green Death" (1% FeCl_{3}, 1% CuCl_{2}, 11%
H_{2}SO_{4}, 1,2% HCl). El procedimiento de ensayo es el mismo
del ensayo de corrosión por picaduras según ASTM G48C, pero se
realiza en una disolución más agresiva que FeCl_{3} al 6%, la
denominada disolución "Green Death". También se realizó para
evaluación el ensayo de corrosión general en HCl al 2% (2 ensayos
por colada) antes del ensayo del punto de rocío. Los resultados de
todos los ensayos se presentan en la Tabla 10, Figura 2 y Figura 3.
Todas las coladas ensayadas se comportan en la disolución "Green
Death" mejor que SAF2507. Todas las coladas están dentro del
intervalo identificado de 0,9-1,15 preferiblemente
de 0,9-1,05, aplicable para la relación PRE de
austenita/PRE de ferrita al mismo tiempo que PRE en la austenita y
en la ferrita es de más de 44 y, para la mayoría de las coladas,
incluso considerablemente de más de 44. Algunas de las coladas
incluso alcanzan el límite de PRE total de 50. Es muy interesante
notar que la colada 605251, aleada con 1,5% en peso de cobalto, se
comporta en la disolución "Green Death" de forma casi
equivalente a la colada 605250, aleada con 0,6% en peso de cobalto,
a pesar del contenido de cromo más bajo de la colada 605251. Esto
es particularmente sorprendente e interesante porque la colada
605251 tiene un número PRE de aproximadamente 48, que es mayor que
el de algunas de las aleaciones superdúplex hoy en día comerciales,
a la vez que el valor T_{máx} sigma por debajo de 1010ºC indica
una buena estabilidad estructural sobre la base de los valores de
la Tabla 2 del Ejemplo 1.
En la Tabla 10, incluso el número PREW (% Cr +
3,3%(Mo+0,5%W) + 16%N) para la composición total de la aleación y
el PRE en austenita y también en la ferrita (redondeados) se
especifican como medidos con micromuestras. El contenido de ferrita
se midió después de tratamiento térmico a 1100ºC seguido de temple
en agua.
Con el fin de examinar en detalle la estabilidad
estructural, las muestras se recocieron durante 20 minutos a
1080ºC, 1100ºC y 1150ºC, y después se templaron en agua. Con ayuda
de investigaciones por microscopía óptica luminosa, se determinó la
temperatura a la que la cantidad de fase intermetálica era
insignificante. Una comparación de la estructura de las coladas
después de recocido a 1080ºC, y seguido temple en agua indica qué
coladas son más sospechosas de contener fase sigma indeseada. Los
resultados se presentan en La Tabla 11. El control de la estructura
revela que las coladas 605249, 605251, 605252, 605253, 605254,
605255, 605259, 605260, 605266 y 605267 están exentas de la
indeseada fase sigma. Además, la colada 605249, aleada con 1,5% en
peso de cobalto, está exenta de fase sigma, mientras que la colada
605250, aleada con 0,6% en peso de cobalto, contiene una cantidad
muy pequeña de fase sigma. Ambas coladas están aleadas con altos
contenidos de cromo, de aproximadamente 29,0% en peso, y el
contenido de molibdeno es de aproximadamente 4,25% en peso. Si se
comparan las composiciones de las coladas 605249, 605250, 605251 y
605252 teniendo en cuenta el contenido de fase sigma, es muy claro
que el intervalo de la composición para ese material óptimo es muy
estrecho, en este caso en cuanto a la estabilidad estructural. Se
muestra además que la colada 605268 contiene sólo fase sigma en
comparación con la colada 605263, que contiene mucha fase sigma. Lo
que principalmente distingue a estas coladas entre sí es la adición
de cobre a la colada 605268. La colada 605266 y también la 605267
están exentas de fase sigma, a pesar del alto contenido de cromo,
la última colada está aleada con cobre. Además, las coladas 605262 y
605263, con una adición de 1,0% en peso de wolframio, presentan una
estructura con mucha fase sigma, si bien es interesante notar que
la colada 605269, también con 1,0% en peso de wolframio pero con un
contenido de nitrógeno mayor que el de 605262 y 605263, presenta
una cantidad considerablemente menor de fase sigma.
Consecuentemente, se requiere un balance muy bien equilibrado entre
los diferentes elementos de aleación a estos contenidos altos de
aleantes, por ejemplo, de cromo y molibdeno, con el fin de obtener
buenas propiedades estructurales.
La Tabla 11 presenta los resultados del examen
óptico con luz después de recocido a 1080ºC durante 20 minutos,
seguido de temple en agua. La cantidad de fase sigma se especifica
con valores de 1 a 5, donde 1 representa que no se detectó fase
sigma en el examen, mientras que 5 representa que en el examen se
detectó un contenido de fase sigma muy alto.
En la Tabla 12 se presentan los resultados del
ensayo de resistencia al impacto de algunas de las coladas. Los
resultados son muy buenos, lo que indica una buena estructura
después de recocido a 1100ºC seguido de temple en agua, y el
requerimiento de 100J se controlará con un margen alto de todas las
coladas ensayadas.
La Figura 4 muestra los resultados del ensayo de
ductilidad en caliente de la mayor parte de las coladas.
Obviamente, una buena aptitud para ser trabajado es de vital
importancia para producir un material con el que conformar
productos tales como barras, tubos, tales como tubos soldados y sin
costura, chapa, fleje, alambre, alambre de soldadura, elementos
constructivos tales como, por ejemplo, bombas, válvulas, juntas y
acoplamientos. Las coladas 605249, 605250, 605251, 605252, 605255,
605266 y 605267, la mayoría con un contenido en nitrógeno en el
entorno de 0,38% en peso, muestran valores de ductilidad en caliente
algo mejorados.
Con el fin de obtener una buenas propiedades
frente a la corrosión, a la vez que el material presente buena
estabilidad estructural, aptitud para ser trabajado en caliente y
buena soldabilidad, el material se debe optimizar de acuerdo con lo
siguiente:
- \bullet
- El número PRE de la ferrita debe exceder 45, pero preferiblemente será al menos 47.
- \bullet
- El número PRE de la austenita debe exceder 45, pero preferiblemente será al menos 47.
- \bullet
- El número PRE para la aleación entera debe ser preferiblemente al menos 46.
- \bullet
- La relación PRE de austenita/PRE de ferrita debe estar en el intervalo de 0,9-1,5, preferiblemente en el intervalo de 0,9-1,05.
- \bullet
- El contenido de ferrita debe estar, preferiblemente, en 45-55% en volumen.
- \bullet
- T_{max} sigma no debe exceder 1010ºC.
- \bullet
- El contenido de nitrógeno debe estar en el intervalo de 0,28-0,5% en peso, preferiblemente en el intervalo de 0,35-0,48% en peso, pero preferiblemente 0,38-0,40% en peso.
- \bullet
- El contenido de cobalto debe estar en el intervalo de 0-3,5% en peso, preferiblemente 1,0-2,0% en peso pero preferiblemente 1,3-1,7% en peso.
- \bullet
- Con el fin de asegurar la alta solubilidad del nitrógeno, esto es, si el contenido de nitrógeno está en el intervalo de 0,38-0,40% en peso, se debe añadir como mínimo 29% en peso de Cr así como al menos 3,0% en peso de Mo, de manera que el contenido total de los elementos Cr, Mo y N satisfaga los requerimientos mencionados en relación con el número PRE.
Claims (12)
1. Una aleación dúplex de acero inoxidable
ferrítico-austenítico, caracterizada porque
muestra la composición siguiente en % en peso:
- C
- máx. 0,03%
- Si
- máx. 0,5%
- Mn
- 0-3,0%
- Cr
- 24,0-30,0%
- Ni
- 4,9-10,0%
- Mo
- 3,0-5,0%
- Co
- 0-3,5%
- N
- 0,28-0,5%
- B
- 0-0,0030%
- S
- máx. 0,010%
- W
- 0-3,0%
- Cu
- 0-2,0%
- Ru
- 0-0,3%
- Al
- 0-0,03%
- Ca
- 0-0,010%
- Opcionalmente
- 0,04-0,55% de V,
- \quad
- 0,01-0,02% de La
- \quad
- 0,01-0,35% de Ti
resto, Fe e impurezas normalmente
presentes, por lo que el contenido de ferrita es de
40-65% en volumen, el valor total de PRE y PREW de
la aleación excede 46, donde PRE = %Cr + 3,3%Mo + 16N y PREW = %Cr +
3,3(%Mo + 0,5%W) + 16N, donde % considera % en peso, donde el valor
de PRE o PREW tanto para la fase austenita como para la ferrita
está entre 47 y 49, y la proporción entre el valor de PRE o PREW
para la fase ferrita está entre 0,90 y
1,15.
2. Aleación de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizada porque el contenido de manganeso está entre 0,5
y 1,2% en peso.
3. Aleación de acuerdo con la reivindicación 1 o
2, caracterizada porque el contenido de cromo está entre
27,0 y 29,0% en peso.
4. Aleación de acuerdo con la reivindicación
1-3, caracterizada porque el contenido de
níquel está entre 5,0 y 8,0% en peso.
5. Aleación de acuerdo con la reivindicación
1-4, caracterizada porque el contenido de
molibdeno está entre 3,6 y 4,7% en peso.
6. Aleación de acuerdo con la reivindicación
1-5, caracterizada porque el contenido de
nitrógeno está entre 0,35 y 0,45% en peso.
7. Aleación de acuerdo con la reivindicación
1-5, caracterizada porque el contenido de
rutenio es mayor que 0 y de hasta 0,1% en peso.
8. Aleación de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el
contenido de cobre está entre 0,5 y 2,0% en peso, preferiblemente
entre 1,0 y 1,5% en peso.
9. Aleación de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el
contenido de ferrita está entre 42 y 60% en volumen,
preferiblemente entre 45 y 55% en volumen.
10. Aleación de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizada porque la relación entre el valor PRE o PREW
para la fase austenita y el valor PRE o PREW para la fase ferrita
está entre 0,9 y 1,05.
11. Aleación de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes para uso en medios que contienen
cloruro.
12. Aleación de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes para uso en medios que contienen
cloruro, en formas de producto tales como barras, tubos tales como
tubos soldados y sin costura, chapa, fleje, alambre, alambre para
soldadura, partes constructivas tales como, por ejemplo, bombas,
válvulas, juntas y acoplamientos.
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