ES2341151T3 - Aleacion de hierro-niquel-cromo-silicio. - Google Patents
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Abstract
Aleación de hierro-níquel-cromo-silicio con, en % en peso, 34 al 42% de níquel, 18 al 26% de cromo, 1,0 al 2,5% de silicio y adiciones del 0,05 al 1% de Al, 0,01 al 1% de Mn, 0,01 al 0,26% de lantano, 0,0005 al 0,05% de magnesio, 0,01 al 0,14% de carbono, 0,01 al 0,14% de nitrógeno, máx. 0,01% de azufre, máx. 0,005% de B, opcionalmente 0,0005 al 0,07% de Ca, opcionalmente al menos uno de los elementos Ce, Y, Zr, Hf, Ti con un contenido del 0,01 al 0,3%, opcionalmente del 0,001 al 0,020% de fósforo, opcionalmente del 0,01 al 1,0% respectivamente de uno o varios de los elementos Mo, W, V, Nb, Ta, Co, el resto hierro y las impurezas habituales inherentes al procedimiento.
Description
Aleación de
hierro-níquel-cromo-silicio.
La invención se refiere a una aleación de
hierro-níquel-cromo-silicio
con vida útil y estabilidad dimensional mejoradas.
Las aleaciones de
hierro-níquel-cromo-silicio
austeníticas con diferentes contenidos de níquel, cromo y silicio
se usan desde hace tiempo como conductores de calentamiento en el
intervalo de temperatura hasta 1100ºC. Este grupo de aleaciones
está normalizado en DIN 17470 (Tabla 1) y ASTM
B344-83 (Tabla 2) para el uso como aleación para
conductores de calentamiento. Para esta norma hay una serie de
aleaciones comercialmente disponibles que se enumeran en la Tabla
3.
La fuerte subida del precio del níquel en los
últimos años suscita el deseo de utilizar aleaciones para
conductores de calentamiento con contenidos de níquel a ser posible
bajos. A este respecto existe especialmente el deseo de sustituir
las variantes con alto contenido de níquel NiCr8020, NiCr7030 y
NiCr6015 (Tabla 1), que destacan por propiedades especialmente
ventajosas, por materiales con contenido de níquel reducido sin
deber aceptar pérdidas demasiado grandes en el rendimiento de los
materiales.
En general debe observarse que la vida útil y la
temperatura de utilización de las aleaciones especificadas en las
Tablas 1 y 2 aumentan con contenido de níquel creciente. Todas estas
aleaciones forman una capa de óxido de cromo (Cr_{2}O_{3}) con
una capa de SiO_{2} más o menos cerrada que se encuentra debajo.
Pequeñas adiciones de elementos fuertemente afines al oxígeno como
Ce, Zr, Th, Ca, Ta (Pfeifer/ Thomas, Zunderfeste Legierungen, 2ª
edición, Springer Verlag 1963, páginas 258 y 259) elevan la vida
útil investigándose en el caso citado sólo la influencia de un
único elemento afín al oxígeno, pero no facilitándose información
sobre la acción de una combinación de elementos de este tipo. El
contenido de cromo se consume lentamente en el transcurso de la
utilización de un conductor de calentamiento para la construcción de
la capa protectora. Por este motivo, la vida útil aumenta mediante
un mayor contenido de cromo ya que un mayor contenido del elemento
cromo que forma la capa protectora retrasa el momento en el que el
contenido de Cr está por debajo del límite crítico y se forman
óxidos distintos de Cr_{2}O_{3} que son, por ejemplo, óxidos que
contienen hierro.
Por el documento EP=A 0 531 775 se ha dado a
conocer una aleación de níquel austenítica térmicamente moldeable
resistente al calor de la siguiente composición (en % en peso):
\vskip1.000000\baselineskip
En el documento EP A 0 386 730 se describe una
aleación de níquel-cromo-hierro con
muy buena resistencia a la oxidación y resistencia al calor como se
desean para aplicaciones avanzadas de conductores de calentamiento
que se basan en la conocida aleación para conductores de
calentamiento NiCr6015 y en la que mediante modificaciones
ajustadas entre sí de la composición pudieron conseguirse
específicamente mejoras considerables de las propiedades de uso. La
aleación se diferencia del material conocido NiCr6015 especialmente
en que los metales de tierras raras están sustituidos por itrio que
adicionalmente contiene circonio y titanio, y en que el contenido de
nitrógeno está especialmente ajustado a los contenidos de circonio
y titanio.
\newpage
Del documento WO-A 2005/031018
puede extraerse una aleación austenítica de
Fe-Cr-Ni para la utilización en el
intervalo de altas temperaturas que esencialmente presenta la
siguiente composición química (en % en peso):
En elementos de calentamiento libremente
suspendidos también existe el requisito, además del requisito de
una alta vida útil, de una buena estabilidad dimensional a la
temperatura de aplicación. Un combado (sagging) demasiado fuerte
del filamento durante el funcionamiento tiene como consecuencia una
separación desigual de las vueltas con una distribución de
temperatura desigual, por lo que se acorta la vida útil. Para
compensar esto se necesitarían más puntos de apoyo para el
filamento de calentamiento, lo que aumenta los costes. Es decir,
que el material para conductores de calentamiento debe tener una
estabilidad dimensional o resistencia a la fluencia suficientemente
buenas.
Todos los mecanismos de fluencia que perjudican
la estabilidad dimensional en el intervalo de la temperatura de
aplicación (fluencia de dislocación, migración del límite granular o
fluencia por difusión) están influidos, excepto la fluencia de
dislocación, por un gran tamaño de grano en la dirección de mayor
resistencia a la fluencia. La fluencia de dislocación no depende
del tamaño de grano. La producción de un alambre con gran tamaño de
grano aumenta la resistencia a la fluencia y, por tanto, la
estabilidad dimensional. Por este motivo, en todas las
consideraciones también deberá considerarse el tamaño de grano como
un factor de influencia importante.
Además, para un material para conductores de
calentamiento es importante una resistencia eléctrica específica a
ser posible alta y un cambio a ser posible pequeño de la relación
resistencia al calor/resistencia al frío con la temperatura
(coeficiente de temperatura ct).
Las variantes con menor contenido de níquel
NiCr3020 o 35Ni, 20Cr (Tabla 1 o Tabla 2) que destacan por costes
claramente más bajos cumplen sólo insuficientemente especialmente
los requisitos de la vida útil.
Por tanto, el objetivo consiste en diseñar una
aleación que con contenido de níquel claramente más bajo que
NiCr6015 y, por tanto, costes considerablemente más bajos tenga
- a)
- una alta resistencia a la oxidación y una larga vida útil asociada a la misma
- b)
- una estabilidad dimensional suficientemente buena a la temperatura de aplicación
- c)
- una alta resistencia eléctrica específica junto con un cambio a ser posible bajo de la relación resistencia al calor/resistencia al frío con la temperatura (coeficiente de temperatura ct).
\vskip1.000000\baselineskip
Este objetivo se alcanza mediante una aleación
de
hierro-níquel-cromo-silicio
con (en % en peso) 34 al 42% de níquel, 18 al 26% de cromo, 1,0 al
2,5% de silicio y adiciones del 0,05 al 1% de Al, 0,01 al 1% de Mn,
0,01 al 0,26% de lantano, 0,0005 al 0,05% de magnesio, 0,01 al 0,14%
de carbono, 0,01 al 0,14% de nitrógeno, máx. 0,01% de azufre, máx.
0,005% de B, el resto hierro y las impurezas habituales inherentes
al procedimiento.
Variantes ventajosas del objeto de la invención
se extraen de las reivindicaciones dependientes
correspondientes.
Debido a su composición especial, esta aleación
tiene una vida útil más larga que las aleaciones según el estado de
la técnica con los mismos contenidos de níquel y cromo.
Adicionalmente puede conseguirse una elevada estabilidad
dimensional o un menor combado que las aleaciones según el estado de
la técnica con 0,04 al 0,10% de carbono.
El intervalo de dispersión para el elemento
níquel se encuentra entre el 34 y el 42% pudiendo darse en función
del caso de utilización contenidos de níquel como los
siguientes:
- -
- 34-39%
- -
- 34-38%
- -
- 34-37%
- -
- 37-38%.
\vskip1.000000\baselineskip
El contenido de cromo se encuentra entre el 18 y
el 26% pudiendo darse aquí también, dependiendo del área de
utilización de la aleación, contenidos de cromo como los
siguientes:
- -
- 20-24%
- -
- 21-24%.
\vskip1.000000\baselineskip
El contenido de silicio se encuentra entre el
1,0 y el 2,5% pudiendo ajustarse en función del área de aplicación
contenidos definidos dentro del intervalo de dispersión:
- -
- 1,5-2,5%
- -
- 1,0-1,5%
- -
- 1,5-2,0%
- -
- 1,7-2,5%
- -
- 1,2-1,7%
- -
- 1,7-2,2%
- -
- 2,0-2,5%.
\vskip1.000000\baselineskip
El elemento aluminio se prevé como adición y
concretamente en contenidos del 0,05 al 1%. Preferiblemente,
también puede ajustarse del siguiente modo en la aleación:
- -
- 0,1-0,7%.
\vskip1.000000\baselineskip
Lo mismo rige para el elemento manganeso que se
añade a del 0,01 al 1% de la aleación. Alternativamente, también
sería posible el siguiente intervalo de dispersión:
- -
- 0,1-0,7%.
\vskip1.000000\baselineskip
El objeto de la invención se basa
preferiblemente en que las propiedades de materiales especificadas
en los ejemplos se ajustan esencialmente con la adición del
elemento lantano en contenidos del 0,01 al 0,26%. Dependiendo del
área de aplicación, aquí también pueden ajustarse valores definidos
en la aleación:
- -
- 0,01-0,2%
- -
- 0,02-0,15%
- -
- 0,04-0,15%.
\vskip1.000000\baselineskip
Esto rige de igual forma para el elemento
nitrógeno que se añade en contenidos entre el 0,01 y el 0,14%.
Contenidos definidos puede darse del siguiente modo:
- -
- 0,02-0,10%
- -
- 0,03-0,09%.
\vskip1.000000\baselineskip
El carbono se añade de igual forma a la
aleación, y concretamente en contenidos entre el 0,01 y el 0,14%.
Concretamente pueden ajustarse contenidos del siguiente modo en la
aleación:
- -
- 0,04-0,14%
- -
- 0,04-0,10%.
\newpage
El magnesio también figura entre los elementos
de adición en contenidos del 0,0005 al 0,05%. Concretamente existe
la posibilidad de ajustar este elemento del siguiente modo en la
aleación:
- -
- 0,001-0,05%
- -
- 0,008-0,05%.
\vskip1.000000\baselineskip
Los elementos azufre y boro pueden darse en la
aleación del siguiente modo:
- Azufre
- máx. 0,01%, preferiblemente máx. 0,005%
- Boro
- máx. 0,005%, preferiblemente máx. 0,003%.
\vskip1.000000\baselineskip
La aleación puede contener además calcio en
contenidos entre el 0,0005 y el 0,07%, especialmente del 0,001 al
0,05% o del 0,01 al 0,05%.
Si la eficacia del elemento reactivo lantano
solo no es suficiente para producir las propiedades de materiales
expuestas en el planteamiento del objetivo, la aleación puede
contener además al menos uno de los elementos Ce, Y, Zr, Hf, Ti con
un contenido del 0,01 al 0,3%, que temporalmente también pueden ser
adiciones definidas.
Los aditivos de elementos afines al oxígeno como
La, Ce, Y, Zr, Hf, Ti mejoran la vida útil. Hacen esto
incorporándose en la capa de óxido y bloqueando allí en los límites
granulares las rutas de difusión del oxígeno. Por este motivo, la
cantidad de elementos que están a disposición para este mecanismo
debe normalizarse al peso atómico para poder comparar las
cantidades de diferentes elementos entre sí.
Por este motivo, el potencial de elementos
activos (PwE) se define como
PwE = 200
\cdot \Sigma (X_{E}/peso atómico de
E)
en la que E es el elemento en
cuestión y X_{E} el contenido del elemento en cuestión en
porcentaje.
Como ya se ha mencionado, la aleación puede
contener del 0,01 al 0,3% respectivamente de uno o varios de los
elementos La, Ce, Y, Zr, Hf, Ti, siendo
\Sigma PwE =
1,43 \cdot X_{Ce} + 1,49 \cdot X_{La} + 2,25 \cdot X_{Y}
+ 2,19 \cdot X_{Zr} + 1,12 X_{Hf} + 4,18 \cdot X_{Ti}
\leq
0,38,
especialmente \leq 0,36 (a del
0,01 al 0,2% de elemento total), correspondiendo PwE al potencial de
los elementos
activos.
Alternativamente, en caso de que al menos uno de
los elementos La, Ce, Y, Zr, Hf, Ti se presente en contenidos del
0,02 al 0,10% existe la posibilidad de que la suma PwE = 1,43
X_{Ce} + 1,49 \cdot X_{La} + 2,25 X_{Y} + 2,19 \cdot
X_{Zr} + 1,12 X_{Hf} + 4,18 \cdot X_{Ti} sea menor o igual
a 0,36, correspondiendo PwE al potencial de los elementos
activos.
La aleación puede presentar además un contenido
de fósforo entre el 0,001 y el 0,020%, especialmente del 0,005 al
0,020%.
Además, la aleación puede contener entre el 0,01
y el 1,0% respectivamente de uno o varios de los elementos Mo, W,
V, Nb, Ta, Co que además todavía pueden limitarse del siguiente
modo:
- -
- 0,01 al 0,2%
- -
- 0,01 al 0,06%.
\vskip1.000000\baselineskip
Finalmente, los elementos cobre, plomo, cinc y
estaño todavía pueden darse en impurezas en contenidos del
siguiente modo:
La aleación según la invención deberá usarse
para la utilización en elementos de calentamiento eléctricos,
especialmente en elementos de calentamiento eléctricos que requieren
una alta estabilidad dimensional y un bajo combado.
Un caso de aplicación concreto de la aleación
según la invención es la utilización en la construcción de
hornos.
El objeto de la invención se explica más
detalladamente mediante los siguientes ejemplos.
Las Tablas 1 a 3 reproducen - como ya se ha
mencionado al principio - el estado de la técnica.
En las Tablas 4a y 4b se representan aleaciones
de
hierro-níquel-cromo-silicio
fundidas a escala industrial según el estado de la técnica T1 a T7,
una aleación fundida a escala de laboratorio según el estado de la
técnica T8 y varias aleaciones experimentales según la invención
fundidas a escala de laboratorio V771 a V777, V1070 a V1076, V1090
a V1093 para la optimización de la composición de aleaciones.
En el caso de las aleaciones fundidas a escala
de laboratorio T8, V771-V777,
V1070-V1076, V1090 - V1093, a partir del material
colado en bloques se preparó un alambre con recocido blando con un
diámetro de 1,29 mm mediante laminado en caliente, estirado en frío
y recocidos intermedios o finales apropiados.
En el caso de las aleaciones fundidas a escala
industrial T1-T7, de la fabricación a escala
industrial se tomó una muestra industrialmente acabada y con
recocido blando con un diámetro de 1,29 mm. Para el ensayo de la
vida útil se tomó una cantidad parcial más pequeña de alambre
respectivamente a escala de laboratorio de hasta 0,4 mm.
Para el conductor de calentamiento en forma de
alambre son posibles y habituales ensayos de vida útil acelerados
para comparar los materiales entre sí, por ejemplo, con las
siguientes condiciones:
El ensayo de vida útil de conductores de
calentamiento se realiza en alambres con un diámetro de 0,40 mm. El
alambre se tensa entre 2 suministros de corriente a la distancia de
150 mm y se calienta mediante la aplicación de una tensión de hasta
1150ºC. El calentamiento hasta 1150ºC se realiza respectivamente
durante 2 minutos, luego se interrumpe el suministro de corriente
durante 15 segundos. Al final de la vida útil, el alambre falla
porque se funde la sección transversal restante. El tiempo de
combustión es la suma de los tiempos de "encendido" durante la
vida útil del alambre. El tiempo de combustión relativo tb es el
dato en % referido al tiempo de combustión de un lote de
referencia.
Para investigar la estabilidad dimensional, en
un ensayo de combado se investiga el comportamiento de caída
(combado) del filamento de calentamiento a la temperatura de
aplicación. A este respecto, en filamentos de calentamiento se
registra el combado de los filamentos de la horizontal después de un
tiempo determinado. Cuanto menor sea el combado, mayor será la
estabilidad dimensional o la resistencia a la fluencia del
material.
Para este experimento, alambre con recocido
blando con un diámetro de 1,29 mm se bobina en espirales con un
diámetro interno de 14 mm. En total, para cada lote se fabrican 6
filamentos de calentamiento con respectivamente 31 vueltas. Todos
los filamentos de calentamiento se regulan al inicio del experimento
a una temperatura inicial uniforme de 1000ºC. La temperatura se
determina con un pirómetro. El experimento se realiza con un ciclo
de conexión de 30 s "encendido"/30 s "apagado" a tensión
constante. El experimento se termina después de 4 horas. Después
del enfriamiento de los filamentos de calentamiento, el combado de
las vueltas individuales se mide a partir de la horizontal y se
forma el valor medio de 6 valores. Estos valores (mm) están
introducidos en la Tabla 4b.
En la Tabla 4a y 4b se listan ejemplos de las
aleaciones según el estado de la técnica T1 a T7. T1 y T2 son
aleaciones con aproximadamente 30% de níquel, aproximadamente 20% de
Cr y aproximadamente 2% de Si. Contienen adiciones de tierras raras
(SE), en este caso metal mixto de cerio que significa que la SE está
constituida aproximadamente por 60% de Ce, aproximadamente 35% de
La y el resto Pr y Nd. El tiempo de combustión relativo asciende al
24% o al 35%.
El Ejemplo T3 es una aleación con
aproximadamente 40% de níquel, aproximadamente 20% de Cr y
aproximadamente 1,3% de Si. Contiene adiciones de tierras raras
(SE), en este caso metal mixto de cerio que significa que la SE es
aproximadamente 60% de Ce, aproximadamente 35% de La y el resto Pr y
Nd. El tiempo de combustión relativo se encuentra en el 72%.
Los Ejemplos T4 a T7 son aleaciones con
aproximadamente 60% de níquel, aproximadamente 16% de Cr y
aproximadamente 1,2 - 1,5% de Si. Contienen adiciones de tierras
raras (SE), en este caso metal mixto de cerio que significa que la
SE es aproximadamente 60% de Ce, aproximadamente 35% de La y el
resto Pr y Nd. El tiempo de combustión relativo se encuentra en el
intervalo de aproximadamente 100 al 130%.
Además, las Tablas 4a y 4b contienen una serie
de aleaciones fundidas a escala de laboratorio. La aleación fundida
a escala de laboratorio según el estado de la técnica T8 es una
aleación con 36,2% de níquel, 20,8% de Cr y 1,87% de Si.
Contiene, al igual que las aleaciones fabricadas
a escala industrial T1-T7, adiciones de tierras
raras (SE) en forma de metal mixto de cerio que significa que la SE
es aproximadamente 60% de Ce, aproximadamente 35% de La y el resto
Pr y Nd y, aparte del contenido de Ni, Cr y Si, se fundió según las
mismas especificaciones que los lotes a escala industrial. Por
tanto, los lotes según el estado de la técnica T1 a T8 son
directamente comparables. El tiempo de combustión relativo de T8
asciende al 53%.
En las aleaciones experimentales según la
invención fundidas a escala de laboratorio V771 a V777, V1070 a
V1076, V1090 a V1093, el contenido de Ni asciende a aproximadamente
el 36%, el contenido de Cr a aproximadamente el 20% y el contenido
de Si a aproximadamente el 1,8%. Se variaron las adiciones de Ce,
La, Y, Zr, Hf, Ti, Al, Ca, Mg C, N. Por este motivo, estos lotes
pueden compararse directamente con las aleaciones según el estado
de la técnica T8 que, por tanto, sirve como aleación de referencia
para la optimización.
La adición de Ce y La en V771 a V777, V1070,
V1071 y V1076 se realiza mediante una adición de metal mixto de
cerio. Por este motivo, estos lotes todavía contienen, además de Ce
y La, cantidades mínimas de Pr y Nd pero éstas no se han citado
explícitamente en la Tabla 4a debido a sus mínimas proporciones
cuantitativas.
Como ya se ha mencionado, los aditivos de
elementos afines al oxígeno mejoran la vida útil. Hacen esto
incorporándose en la capa de óxido y bloqueando allí en los límites
granulares las rutas de difusión del oxígeno. Por este motivo, la
cantidad de elementos que están a disposición para este mecanismo
debe normalizarse al peso atómico para poder comparar las
cantidades de diferentes elementos entre sí.
Por este motivo, el potencial de elementos
activos (PwE) se define como
PwE = 200 *
suma (X_{E}/peso atómico de
E)
en la que E es el elemento en
cuestión y X_{E} el contenido del elemento en cuestión en
porcentaje.
La Fig. 1 muestra una representación gráfica del
tiempo de combustión relativo tb y del potencial PwE para las
distintas aleaciones especificadas en las Tablas 4a y 4b. Zona A:
contenido habitual de elementos activos, zona B: contenido posible
de elementos activos, zona C: contenido demasiado alto de elementos
activos.
En la comparación de T6 con T7 llama la atención
que el contenido de SE es igual; no obstante T7 tiene, a pesar de
una vida útil ligeramente más larga, un contenido más pequeño de Ca
y Mg. En presencia de SE o Ce o La, parece que el Ca y el Mg ya no
pertenecen a los elementos activos. Como en las masas fundidas de
laboratorio sin SE o Ce o La el Ca o el Mg es siempre inferior o
igual al 0,001%, estos dos elementos no se incluyen en el potencial
de los elementos activos.
Por este motivo, la suma para el potencial de
elementos activos PwE se ha expuesto mediante Ce, La, Y, Zr, Hf y
Ti. Si no hay ningún dato para Ce y La, sino que debido a la adición
de metal mixto de cerio sólo se facilita un dato global de SE,
entonces para el cálculo de PwE se asume Ce = 0,6 SE y La = 0,35
SE.
PwE = 1,43
\cdot X_{Ce} + 1,49 \cdot X_{La} + 2,25 \cdot X_{Y} +
2,19 \cdot X_{Zr} + 1,12 X_{Hf} + 4,18 \cdot
X_{Ti}
En el caso de las aleaciones según el estado de
la técnica T1 a T8, PwE se encuentra entre 0,11 (T2 y T4) y 0,15
(T6 y T7). La aleación según el estado de la técnica T8, que al
mismo tiempo es la aleación de referencia para las masas fundidas
experimentales, tiene un PwE de 0,12.
Las masas fundidas experimentales V1090 y V1072
en las que no se añadió ningún metal mixto de cerio, es decir, ni
Ce ni La, pero sí Y, muestran un tiempo de combustión relativo más
pequeño que T8, aunque V1090 con 0,10 tiene un PwE ligeramente más
pequeño, pero para esto V1072 tiene con 0,18 un PwE mayor. El Y
parece que no actúa tan bien como el Ce y/o el La, de manera que
una sustitución de la SE por Y conduce a un empeoramiento en
comparación con el estado de la técnica. Mediante otras adiciones de
Zr y Ti (V1074) o Zr y Hf (V1092, V1073, V1091, V1093) en
diferentes proporciones cuantitativas se ha logrado conseguir de
nuevo la vida útil de T8. Pero para esto, en todos los casos fue
necesario un PwE superior a 0,28 (0,28 para V1092 y V1073; 0,50
para V1074; 0,33 para V1091 y 0,42 para V1093). Esto aumenta los
costes debido a un mayor consumo de elementos afines al oxígeno
caros y por este motivo no es una ruta ventajosa.
Las masas fundidas experimentales V771 a V777,
V1070, V1071 se han fundido todas con metal mixto de cerio, V1075
sólo contiene La. De estas masas fundidas experimentales, las masas
fundidas experimentales V1075 y V777 alcanzaron el mayor tiempo de
combustión relativo de aproximadamente el 70%. El PwE de V777 es con
0,36 claramente mayor que en V1075 con 0,20, que se encuentra en el
límite del PwE de aleaciones según el estado de la técnica. Debido
a esto es evidente que una alta cantidad de elementos afines al
oxígeno no es decisiva para alcanzar un alto tiempo de combustión
relativo, sino que es mucho más importante añadir elementos afines
al oxígeno definidos. Se ha alcanzado un tiempo de combustión
relativo similarmente bueno con V777 con una combinación de 0,06%
de Ce, 0,02% de La, 0,03% de Zr y 0,04% de Ti. No obstante, para
esto se necesita un PwE mucho mayor de 0,36 como en V1075. Para
V772, el tiempo de combustión relativo es ligeramente más bajo que
en V1075 y V777 aunque esté contenida la misma cantidad de La que en
V1075. El PwE es con 0,53 muy alto. Un contenido demasiado alto de
elementos afines al oxígeno conduce a oxidación interna reforzada y,
por tanto, en el efecto final a un acortamiento del tiempo de
combustión relativo. Por tanto, no parece ser práctico superar
claramente un PwE de 0,36. V771 tiene con 0,23 un PwE sólo algo
mayor que V1075, pero un tiempo de combustión relativo claramente
más pequeño. En V771, una gran parte de los elementos afines al
oxígeno están constituidos por Ce y sólo la parte más pequeña por
La. En consecuencia, parece que el La es mucho más eficaz como
aditivo que mejora el tiempo de combustión que el Ce. Al parecer,
esto tampoco puede compensarse por un fuerte aumento tanto de Ce al
0,17% como de La al 0,08% como muestra V773 con un tiempo de
combustión relativo casi igual del 58% a un PwE elevado de 0,36.
Esto confirma la afirmación ya facilitada de que no es práctico un
PwE de claramente superior a 0,36. Pero incluso a un PwE de 0,22
como en V776 con un tiempo de combustión relativo del 59%, una
combinación de Ce = 0,06% y La = 0,02% y Zr = 0,05% parece que no es
tan eficaz como la adición de sólo La en V1075, lo que significa
que el Zr tampoco es tan eficaz como el La. Lo mismo rige para un
adición adicional de Y a Ce y La como muestra V774 (PwE = 0,28) y
una combinación de Ce, La, Zr y Hf como muestra V1070 (PwE = 0,19).
Un aumento de PwE de 1,7 veces a 0,32 para la combinación Ce, La, Zr
y Hf sólo trae un alargamiento del tiempo de combustión relativo de
1,15 veces en V1076, lo que por otra parte muestra que PwE
demasiados altos ya no son tan eficaces. Esto es de nuevo evidente
en la comparación de V1071 con V777. V1071 tiene el mismo contenido
de Ce, La, Zr que V777, sólo un contenido claramente mayor de Ti,
lo que significa un PwE de 0,44 y un tiempo de combustión claramente
reducido en comparación con V777 de sólo el 49%. V775 con 0,07% de
Ce y 0,03% de La, 0,05% de Y y 0,03% de Hf con un PwE de 0,30 sólo
tiene un tiempo de combustión relativo del 46%, lo que muestra que
adiciones adicionales de Y y Zr a Ce y La no son tan eficaces.
La Figura 2 es una representación gráfica de
tiempos de combustión relativos y PwE para aclarar lo anteriormente
descrito. La Figura 2 muestra el tiempo de combustión relativo de
las aleaciones T1 a T8 según el estado de la técnica en función del
contenido de níquel. Las líneas limitan la banda de dispersión en
los tiempos de combustión relativos en la que se encuentran las
aleaciones según el estado de la técnica en función del contenido
de níquel. Adicionalmente se marca la aleación experimental V1075
con la adición del elemento más eficaz La. Su vida útil se
encuentra claramente por encima de la banda de dispersión.
En la Tabla 4b se resume el combado junto con el
tamaño de grano de los alambres. Las aleaciones según el estado de
la técnica T1 a T8 muestran un combado entre 4,5 y 6,2 mm a tamaños
de grano comparables entre 20 y 25 \mum.
La Figura 3 muestra una representación respecto
al contenido de níquel. Pero parece que éste no es decisivo para el
combado.
La Figura 4 muestra una representación de las
aleaciones T1 a T8 y de las aleaciones experimentales respecto al
contenido de C. Como las aleaciones experimentales tienen diferentes
tamaños de grano, se clasificaron en 2 clases: tamaños de grano de
19 a 26 \mum y tamaños de grano de 11 a 16 \mum. Las aleaciones
T1 a T8 y las aleaciones experimentales con un tamaño de grano de
19 \mum a 26 \mum que tienen tamaños de grano comparables
muestran todas un combado similar en el intervalo de 4,5 a 6,2 mm.
Las aleaciones experimentales que tienen un tamaño de grano de 11 a
16 \mum y un contenido de carbono inferior al 0,042% muestran un
mayor combado de aproximadamente 8 mm, como es de esperar debido al
menor tamaño de grano. Las aleaciones experimentales con un tamaño
de grano de 11 a 16 \mum y un contenido de carbono superior al
0,044% muestran inesperadamente un menor combado de 2,8 a
5 mm.
5 mm.
La Figura 5 muestra una representación de las
aleaciones T1 a T8 y de masas fundidas experimentales respecto al
contenido de N. Las aleaciones T1 a T8 y las aleaciones
experimentales con un tamaño de grano de 19 \mum a 26 \mum que
tienen todas tamaños de grano comparables muestran una disminución
del combado con contenido de N creciente. Las aleaciones
experimentales que tienen un tamaño de grano de 11 a 16 \mum y un
contenido de N inferior al 0,010% muestran, como es de esperar
debido al tamaño de grano, un combado mayor que todas las
aleaciones con un tamaño de grano de 19 a 26 \mum. Las aleaciones
experimentales con un tamaño de grano de 11 a 16 \mum y un
contenido de carbono superior al 0,044%, que al mismo tiempo también
tienen un contenido de nitrógeno superior al 0,045%, muestran
inesperadamente un combado de igual a menor que todas las aleaciones
con un tamaño de grano de 19 a
26 \mum.
26 \mum.
La Figura 6 muestra una representación respecto
a la suma de C+N. De nuevo ilustra cómo el C+N juntos reducen
claramente el combado. Las aleaciones T1 a T8 y las aleaciones
experimentales con un tamaño de grano de 19 \mum a 26 \mum que
tienen todas tamaños de grano comparables muestran una disminución
del combado con contenido de C+N creciente. Las aleaciones
experimentales que tienen un tamaño de grano de 11 a 16 \mum y un
contenido de C+N inferior al 0,060% muestran, como es de esperar
debido al tamaño de grano, un combado mayor que todas las
aleaciones con un tamaño de grano de 19 a 26 \mum. Las aleaciones
experimentales con un tamaño de grano de 11 a 16 \mum y un
contenido de C+N superior al 0,09% constituidas por un contenido de
carbono superior al 0,044% y al mismo tiempo un contenido de
nitrógeno superior al 0,045% muestran inesperadamente un combado de
igual a menor que todas las aleaciones con un tamaño de grano de 19
a 26 \mum.
Un mayor contenido de C o N también reduce el
combado tan fuertemente que no se compensa completamente el efecto
que aumenta el combado de un menor tamaño de grano. Todas las
aleaciones experimentales se han sometido a un tratamiento térmico
estándar.
Como muestra la Tabla 4b, se forman tamaños de
grano más pequeños especialmente con un contenido de C superior al
0,04%. En estas aleaciones con un contenido de C superior al 0,04%
puede conseguirse una reducción adicional del combado modificando
el tratamiento térmico estándar a temperaturas ligeramente mayores a
las que luego se forman mayores tamaños de grano.
La aleación V777 muestra el menor combado de
todas las aleaciones. Tiene el mayor contenido de C y un contenido
de N en el tercio superior. Un alto contenido de C parece ser en
consecuencia especialmente eficaz en la reducción del combado.
Contenidos de níquel por debajo del 34% empeoran
mucho la vida útil (tiempo de combustión relativo), la resistencia
eléctrica específica y el valor de ct. Por este motivo, el 34% es el
límite inferior para el contenido de níquel. Contenidos de níquel
demasiado altos originan mayores costes debido al alto precio del
níquel. Por este motivo, el límite superior para el contenido de
níquel deberá ser el 42%.
Contenidos de Cr demasiado bajos significan que
la concentración de Cr disminuye muy rápidamente por debajo del
límite crítico. Por este motivo, el 18% de Cr es el límite inferior
para el cromo. Contenidos de Cr demasiado altos empeoran la
procesabilidad de la aleación. Por este motivo, el 26% de Cr es el
límite superior.
La formación de una capa de óxido de silicio por
debajo de la capa de óxido de cromo disminuye la tasa de oxidación.
Por debajo del 1%, la capa de óxido de silicio está demasiado llena
de huecos para desarrollar completamente su acción. Contenidos de
Si demasiado altos perjudican la procesabilidad de la aleación. Por
este motivo, un contenido de Si del 2,5% es el límite superior.
Se necesita un contenido mínimo del 0,01% de La
para obtener la acción que aumenta la resistencia a la oxidación
del La. El límite superior es el 0,26%, lo que se corresponde con un
PwE de 0,38. No son prácticos valores mayores de PwE como se
explica en los ejemplos.
El Al se necesita para mejorar la procesabilidad
de la aleación. Por este motivo se necesita un contenido mínimo del
0,05%. Por otra parte, contenidos demasiado altos perjudican la
procesabilidad. Por este motivo, el contenido de Al se limita al
1%.
Se necesita un contenido mínimo del 0,01% de C
para una buena estabilidad dimensional o un bajo combado. El C se
limita al 0,14% ya que este elemento reduce la resistencia a la
oxidación y la procesabilidad.
Se necesita un contenido mínimo del 0,01% de N
para una buena estabilidad dimensional o un bajo combado. El N se
limita al 0,14% ya que este elemento reduce la resistencia a la
oxidación y la procesabilidad.
Para el Mg se requiere un contenido mínimo del
0,0005% ya que mediante éste se mejora la procesabilidad del
material. El valor límite se fija al 0,05% para no suavizar el
efecto positivo de este elemento.
Los contenidos de azufre y de boro deberán
mantenerse tan bajos como sea posible ya que estos elementos
tensioactivos perjudican la resistencia a la oxidación. Por este
motivo se fijan a máx. el 0,01% de S y máx. el 0,005% de B.
El cobre se limita a máx. el 1% ya que este
elemento reduce la resistencia a la oxidación.
El Pb se limita a máx. el 0,002% ya que este
elemento reduce la resistencia a la oxidación. Lo mismo rige para
el Sn.
Se necesita un contenido mínimo del 0,01% de Mn
para mejorar la procesabilidad. El manganeso se limita al 1% ya que
este elemento reduce la resistencia a la oxidación.
Claims (38)
1. Aleación de
hierro-níquel-cromo-silicio
con, en % en peso, 34 al 42% de níquel, 18 al 26% de cromo, 1,0 al
2,5% de silicio y adiciones del 0,05 al 1% de Al, 0,01 al 1% de Mn,
0,01 al 0,26% de lantano, 0,0005 al 0,05% de magnesio, 0,01 al
0,14% de carbono, 0,01 al 0,14% de nitrógeno, máx. 0,01% de azufre,
máx. 0,005% de B, opcionalmente 0,0005 al 0,07% de Ca,
opcionalmente al menos uno de los elementos Ce, Y, Zr, Hf, Ti con
un contenido del 0,01 al 0,3%, opcionalmente del 0,001 al 0,020% de
fósforo, opcionalmente del 0,01 al 1,0% respectivamente de uno o
varios de los elementos Mo, W, V, Nb, Ta, Co, el resto hierro y las
impurezas habituales inherentes al procedimiento.
2. Aleación según la reivindicación 1 con un
contenido de níquel del 34 al 39%.
3. Aleación según la reivindicación 1 con un
contenido de níquel del 34 al 38%.
4. Aleación según la reivindicación 1 con un
contenido de níquel del 34 al 37% de níquel
5. Aleación según la reivindicación 1 con un
contenido de níquel del 37 al 38%.
6. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 5 con un contenido de cromo del 20 al 24%.
7. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 5 con un contenido de cromo del 21 al 24%.
8. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 7 con un contenido de silicio del 1,5 al 2,5%.
9. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 7 con un contenido de silicio del 1,0 al 1,5%.
10. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 7 con un contenido de silicio del 1,5 al 2,0%.
11. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 7 con un contenido de silicio del 1,7 al 2,5%.
12. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 7 con un contenido de silicio del 1,2 al 1,7%.
13. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 7 con un contenido de silicio del 1,7 al 2,2%.
14. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 7 con un contenido de silicio del 2,0 al 2,5%.
15. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 14 con un contenido de aluminio del 0,1 al 0,7%.
16. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 15 con un contenido de manganeso del 0,1 al 0,7%.
17. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 16 con un contenido de lantano del 0,01 al 0,2%.
18. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 16 con un contenido de lantano del 0,02 al 0,15%.
19. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 16 con un contenido de lantano del 0,04 al 0,15%.
20. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 19 con un contenido de nitrógeno del 0,02 al 0,10% de
nitrógeno.
21. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 19 con un contenido de nitrógeno del 0,03 al 0,09%.
22. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 21 con un contenido de carbono del 0,04 al 0,14%.
23. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 21 con un contenido de carbono del 0,04 al 0,10%.
24. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 23 con un contenido de magnesio del 0,001 al 0,05%.
25. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 23 con un contenido de magnesio del 0,008 al 0,05%.
26. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 25 con máx. 0,005% de azufre y máx. 0,003% de B.
27. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 26 que contiene del 0,001 al 0,05% de Ca.
28. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 26 que contiene del 0,01 al 0,05% de Ca.
29. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 28 con del 0,01 al 0,3% respectivamente de uno o varios de los
elementos La, Ce, Y, Zr, Hf, Ti siendo la suma PwE = 1,43 \cdot
X_{Ce} + 1,49 \cdot X_{La} + 2,25 \cdot X_{Y} + 2,19
\cdot X_{Zr} + 1,12 X_{Hf} + 4,18 \cdot X_{Ti} inferior o
igual a 0,38, correspondiendo PwE al potencial de los elementos
activos.
30. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 28 con del 0,01 al 0,2% respectivamente de uno o varios de los
elementos La, Ce, Y, Zr, Hf, Ti siendo la suma PwE = 1,43 \cdot
X_{Ce} + 1,49 \cdot X_{La} + 2,25 \cdot X_{Y} + 2,19
\cdot X_{Zr} + 1,12 \cdot X_{Hf} + 4,18 \cdot X_{Ti}
inferior o igual a 0,36, correspondiendo PwE al potencial de los
elementos activos.
31. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 28 con del 0,02 al 0,15% respectivamente de uno o varios de los
elementos La, Ce, Y, Zr, Hf, Ti siendo la suma PwE = 1,43 \cdot
X_{Ce} + 1,49 \cdot X_{La} + 2,25 X_{Y} + 2,19 \cdot
X_{Zr} + 1,12 \cdot X_{Hf} + 4,18 \cdot X_{Ti} inferior o
igual a 0,36, correspondiendo PwE al potencial de los elementos
activos.
32. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 31 con un contenido de fósforo del 0,005 al 0,020%.
33. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 32 que contiene del 0,01 al 0,2% respectivamente de uno o varios
de los elementos Mo, W, V, Nb, Ta, Co.
34. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 32 que contiene del 0,01 al 0,06% respectivamente de uno o varios
de los elementos Mo, W, V, Nb, Ta, Co.
35. Aleación según una de las reivindicaciones 1
a 38 en la que las impurezas están ajustadas a contenidos de máx.
1,0% de Cu, máx. 0,002% de Pb, máx. 0,002% de Zn, máx. 0,002% de
Sn.
36. Uso de la aleación según una de las
reivindicaciones 1 a 35 para la utilización en elementos de
calentamiento eléctricos.
37. Uso de la aleación según una de las
reivindicaciones 1 a 35 para la utilización en elementos de
calentamiento eléctricos que requieren una alta estabilidad
dimensional o un bajo combado.
38. Uso de la aleación según una de las
reivindicaciones 1 a 35 para la utilización en la construcción de
hornos.
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