ES2643579T3 - Tira de acero inoxidable para válvulas de aleta - Google Patents

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hardening
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Azhar Nawaz
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Voestalpine Precision Strip AB
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Description

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DESCRIPCION
Tira de acero inoxidable para valvulas de aleta
CAMPO TECNICO
La invencion se refiere a una tira de acero inoxidable para valvulas de aleta en compresores y otras aplicaciones de cana.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Las valvulas de aleta o de cana se usan en diversos tipos de aplicaciones en las que un tipo espedfico de ciclo de compresion se regula para un proposito espedfico. Puede ser un ciclo de refrigeracion en un compresor alternativo hermetico de funcionamiento ininterrumpido en un refrigerador o en el acondicionador de aire de un automovil. Una valvula de aleta es basicamente un resorte hecho de una tira de acero pre-endurecido. En su forma mas simple, la valvula de aleta es en forma de lengueta, donde un extremo es fijo y el extremo opuesto cuelga libremente y regula el flujo de ftquido o de gas en el compresor. La valvula de aleta sufre tanto tensiones de flexion dclica como tensiones de impacto dclico durante su servicio. Frecuentemente, estas tensiones dclicas causan eventualmente fallos por fatiga. Por consiguiente, las propiedades contra la fatiga son de suma importancia para el material de valvula de aleta.
La valvula de aleta hecha a partir de la tira de acero de la presente invencion presenta unas propiedades de fatiga optimizadas por el efecto combinado de las modificaciones en la composicion qrnmica del acero, las inclusiones no metalicas y el tratamiento termico.
Los OEM de compresores requieren materiales que tengan una vida mayor contra la fatiga para mejorar el rendimiento y la vida util del compresor.
Ademas, existe un interes creciente en la industria por desarrollar compresores energeticamente mas eficientes y mas silenciosos. El coeficiente de rendimiento (COP) puede incrementarse aumentando el levantamiento de la valvula y reduciendo el espesor de las valvulas. Por lo tanto, los disenadores de compresores requieren materiales de valvula que tengan propiedades de amortiguacion mejoradas ademas de la mejora de la resistencia a la fatiga.
Las calidades de acero existentes utilizadas para las valvulas de cana son versiones modificadas de un acero al carbono AISI 1095 y un acero inoxidable AISI 420 producido mediante procedimientos convencionales de fusion, colada, laminacion y tratamiento termico. Sin embargo, las exigencias de la industria y los requerimientos de rendimiento consecuentes implican que las futuras canas de aleta tengan que estar hechas de una tira de acero muy delgada con una paulatina mayor esperanza de vida contra la fatiga y mayores propiedades de amortiguacion.
El documento US5714114 describe un acero inoxidable martensftico de alta dureza con buena resistencia a la corrosion por picaduras, adecuado para productos que requieren al mismo tiempo buena resistencia a la corrosion, particularmente resistencia a la corrosion por picaduras, y alta dureza, tales como clavos, pernos, tornillos, herramientas afiladas, muelles y similares.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
El objeto general de la presente invencion es proporcionar una tira de acero inoxidable pre-endurecido para valvulas de aletas que tenga un perfil de propiedades optimizado, de tal manera que pueda usarse para fabricar compresores mas eficientes y fiables.
Un objeto adicional es proporcionar una tira de acero inoxidable pre-endurecido para valvulas de aletas, que reduce la contribucion de la cana de aleta a los niveles de ruido global del compresor.
Tambien es un objeto de la presente invencion proporcionar un procedimiento para producir tal tira de acero mejorada.
Los objetos anteriores, asf como las ventajas adicionales, se consiguen en una medida significativa proporcionando una tira de acero inoxidable martensftico laminada en frto y endurecida que tiene una composicion, microestructura y propiedades ffsicas segun se especifica en las reivindicaciones.
La invencion se define en las reivindicaciones.
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DESCRIPCION DETALLADA
La importancia de los elementos separados y su interaccion entre sf, as^ como las limitaciones de los ingredientes qmmicos de la aleacion reivindicada, se explican brevemente a continuacion. Todos los porcentajes para la composicion qmmica del acero se dan en % en peso (% en peso) a lo largo de la descripcion. La cantidad de fases microestructurales se da en % volumen (% en volumen). Los lfmites superior e inferior de los elementos individuales pueden combinarse libremente dentro de los lfmites establecidos en las reivindicaciones.
Carbono (0,3 - 0,5%)
Debe estar presente en un contenido mmimo de 0,3%, preferiblemente de al menos 0,32, 0,34, 0,36 o 0,36%. El carbono es un fuerte estabilizador de austenita con una solubilidad relativamente grande en austenita. El lfmite superior para el carbono es de 0,5% y puede ajustarse a 0,48, 0,46, 0,44 o 0,42%. Un intervalo de referencia es de 0,35 a 0,41%. En cualquier caso, la cantidad de carbono debe ser controlada de tal manera que la cantidad de carburos primarios del tipo M23C6, M7C3 y M6C en el acero este limitada, preferiblemente el acero estara libre de tales carburos primarios.
Silicio (0,2 - 0,8%)
El silicio se utiliza para la desoxidacion. Si es un fuerte formador de ferrita y aumenta la actividad del carbono. Si es tambien un potente elemento de endurecimiento de la solucion solida y refuerza la matriz de acero. Este efecto aparece en un contenido de 0,2% de Si. Un intervalo preferido es de 0,30 - 0,60%.
Manganeso (0,2 -1,0%)
El manganeso es un estabilizador de austenita y contribuye a mejorar la templabilidad del acero. Por lo tanto, el manganeso estara presente en un contenido mmimo de 0,2%, preferiblemente de al menos 0,3, 0,35 o 0,4%. Cuando el contenido de Mn es demasiado grande, la cantidad de austenita retenida despues del recocido final puede ser demasiado alta. Por lo tanto, el acero contendra un maximo de 1,0% Mn, preferiblemente un maximo de 0,8, 0,7 o 0,65%.
Cromo (12,0 -15,0%)
El cromo es un elemento estabilizador de ferrita, que se anade para impartir al acero resistencia a la corrosion. El Cr debe estar presente en un contenido de al menos 12,0% para proporcionar una pelmula pasiva sobre la superficie de acero. El lfmite inferior puede ser 12,4, 12, 6, 12, 8 o 13%. Sin embargo, cuando el contenido de Cr excede el 15,0%, puede formarse ferrita delta.
Molibdeno (0,5 - 2,0%)
Mo es un estabilizador de ferrita y se sabe que tiene un efecto muy favorable sobre la templabilidad. El molibdeno es esencial para lograr una buena respuesta de endurecimiento secundario. El contenido mmimo es de 0,5% y puede fijarse en 0,6, 0,7 o 0,8%. El molibdeno es un potente elemento formador de carburo y tambien un potente formador de ferrita. Por lo tanto, el contenido maximo de molibdeno es del 2,0%. Preferiblemente, Mo esta limitado a 1,5, 1,3 o 1,1%.
Vanadio (0,01 -0,20%)
El vanadio forma carburos, nitruros y carbonitruros bien precipitados uniformemente distribuidos del tipo V (N, C) en la matriz del acero. Esta fase dura tambien se puede designar MX, en la que M es principalmente V, pero otros metales como Cr y Mo pueden estar presentes hasta cierto punto. X es uno o ambos de C y N. Por consiguiente, el vanadio estara presente en una cantidad de 0,01 - 0,20%. El lfmite superior puede ajustarse a 0,1 o 0,08%. El lfmite inferior puede ser 0,02, 0,03, 0,04 o 0,05%.
Nitrogeno (0,02 -0,15%)
El nitrogeno es un potente formador de austenita. N se restringe al 0,15% para obtener el tipo y la cantidad deseados de fases duras, en particular V (C, N). Un contenido mas alto de nitrogeno puede conducir a endurecimiento por trabajo, fisuras en el borde y/o una gran cantidad de austenita retenida. Cuando el contenido de nitrogeno se equilibra adecuadamente con el contenido de vanadio, se formaran carbonitruros ricos en vanadio V (C, N). Estos se disolveran en parte durante la etapa de austenitizacion y despues se precipitaran durante la etapa de templado como partmulas de tamano nanometrico. Se considera que la estabilidad termica de los carbonitruros de vanadio es mejor que la de los carburos de vanadio. Por lo tanto, la resistencia contra el crecimiento del grano a altas temperaturas de austenitizacion se incrementa. El lfmite inferior puede ser 0,02, 0,03, 0,04 o 0,05%. El lfmite superior puede ser de 0,12, 0,10, 0,08 o 0,06%.
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^quel (< 2,0%)
El mquel es un formador de austenita. Ni puede estar presente en una cantidad de <2,0%. Da al acero una buena templabilidad y dureza. Sin embargo, debido al coste, el contenido en mquel del acero debe ser limitado. Por lo tanto, el lfmite superior puede fijarse en 1,0, 0,5 o 0,5%. Sin embargo, el Ni normalmente no se anade deliberadamente.
Cobalto (< 2,0 %)
El cobalto es un formador de austenita. Co hace que la temperatura de solidificacion aumente y por lo tanto proporciona una oportunidad para aumentar la temperatura de endurecimiento. Por lo tanto, durante la austenitizacion es posible disolver una fraccion mayor de carburos y, de este modo, aumentar la templabilidad. Co tambien aumenta la temperatura Ms. Sin embargo, una gran cantidad de Co puede resultar en una reduccion de la tenacidad y la resistencia al desgaste. La cantidad maxima es del 2% y puede fijarse en 0,5%. Sin embargo, por razones practicas, tales como la manipulacion de chatarra, normalmente no se hace una adicion deliberada de Co.
Cobre (< 2,0%)
El Cu es un elemento estabilizador de austenita pero tiene una baja solubilidad en ferrita. Cu puede contribuir a aumentar la dureza y la resistencia a la corrosion del acero. Sin embargo, no es posible extraer el cobre del acero una vez que se ha anadido. Esto hace drasticamente mas diffcil la manipulacion de la chatarra. Por esta razon, el lfmite superior puede ser de 1,0, 0,5 o 0,3%. Normalmente, el cobre no se anade deliberadamente.
Aluminio (< 0,06%)
Se puede usar aluminio para desoxidacion en combinacion con Si y Mn. El lfmite inferior se ajusta a 0,001, 0,003,
O, 005 o 0,007% para asegurar una buena desoxidacion. El lfmite superior esta restringido al 0,06% para evitar la precipitacion de fases no deseadas tales como AlN e inclusiones de Alumina duras y quebradizas. El lfmite superior puede ser de 0,05, 0,04, 0,03, 0,02 o 0,015%.
Tungsteno (< 2,0%)
En principio, el molibdeno puede sustituirse por el doble de tungsteno debido a sus similitudes qmmicas. Sin embargo, el tungsteno es caro y tambien complica la manipulacion de la chatarra. Por lo tanto, la cantidad maxima esta limitada a 2,0%, preferiblemente 0,5% o 0,3% y, mas preferiblemente, no se realizan adiciones deliberadas.
Niobio (< 0,05%)
El niobio es similar al vanadio porque forma carbonitruros del tipo M (N, C) y puede en principio utilizarse para reemplazar parte del vanadio, pero se requiere la cantidad doble de niobio en comparacion con el vanadio. Sin embargo, Nb da lugar a una forma mas angular de la M (N, C) y estos son tambien mucho mas estables que V (C, N) y por lo tanto pueden no disolverse durante la austenitizacion. Por lo tanto, la cantidad maxima es 0,05%, preferiblemente 0,01% y, mas preferiblemente, no se realizan adiciones deliberadas.
Ti, Zr y Ta (< 0,05% cada uno)
Estos elementos son formadores de carburo y pueden estar presentes en la aleacion en los intervalos reivindicados para alterar la composicion de las fases duras. Sin embargo, normalmente no se anade ninguno de estos elementos.
Boro (< 0,01%)
B se puede utilizar para aumentar adicionalmente la dureza del acero. La cantidad esta limitada a 0,01%, preferiblemente < 0,005 o incluso < 0,001%.
Ca y REM (metales de tierras raras)
Estos elementos pueden anadirse al acero en las cantidades reivindicadas con el fin de mejorar aun mas la trabajabilidad en caliente y modificar la forma de inclusiones no metalicas.
Elementos de impureza
P, S y O son las impurezas principales, que tienen un efecto negativo sobre las propiedades mecanicas de la banda de acero. P puede por lo tanto estar limitado a 0,03%, preferiblemente a 0,01%. S puede limitarse a 0,03, 0,01, 0,008, 0,0005 o 0,0002%. O puede limitarse a 0,003, 0,002 o 0,001%.
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Los presentes inventores han investigado sistematicamente el efecto de una composicion qmmica modificada y de un tratamiento termico modificado sobre las propiedades mecanicas del material de valvula de aleta. Las modificaciones realizadas a la composicion qmmica con respecto al material convencional se centraron principalmente en aumentos de nitrogeno y vanadio, aunque algunos beneficios tambien se obtuvieron a partir de aumentos en los niveles de austenita y el control mas estricto sobre elementos tales como carbono, manganeso y fosforo.
El endurecimiento continuo de la tira de valvula se llevo a cabo usando diferentes parametros del horno para trazar la respuesta de endurecimiento del material de las composiciones qmmicas convencionales y modificadas. Los ensayos de produccion se llevaron a cabo a una velocidad de lmea constante con temperaturas de endurecimiento en el intervalo de 1000°C a 1080°C, enfriamiento en una aleacion de plomo fundido a una temperatura en el intervalo de 250°C a 350°C y templado a temperaturas en el intervalo de 220°C a 600°C.
Las propiedades mecanicas resultantes de estos ensayos de endurecimiento sobre el material convencional se correspondieron con:
• un lfmite elastico Rpo,2 entre 1300 MPa y 1600 MPa,
• una resistencia a la traccion Rm entre 1740 MPa y 2100 MPa
• un intervalo de alargamiento A50 entre 4% y 6%
Se llevaron a cabo ensayos de endurecimiento continuo adicionales sobre el material con la composicion qmmica modificada y contenido con inlcusion no metalica. Los ensayos de produccion se llevaron a cabo a una velocidad de lmea constante con temperaturas de endurecimiento en el intervalo de 1050°C a 1100°C, enfriamiento en una aleacion de plomo fundido a una temperatura en el intervalo de 250°C a 350°C y templado a temperaturas en el intervalo de 220°C a 600°C.
Las propiedades mecanicas resultantes de los ensayos de endurecimiento adicionales sobre el material con la composicion qmmica modificada y el contenido con inclusion no metalica se correspondieron con:
• un rango Rp0,2 entre 1400 MPa y 1750 MPa,
• un rango Rm entre 1970 MPa y 2300 MPa
• un rango A50 entre 4% y 8%
EJEMPLO
En este ejemplo, una tira de acero inoxidable de acuerdo con la invencion se compara con una tira de acero inoxidable convencional. La composicion de los aceros investigados fue la siguiente:
Convencional Inventivo
C
0,38 0,40
Si
0,36 0,42
Mn
0,48 0,56
Cr
13,1 13,4
Mo
0,98 0,99
N
0,017 0,052
V
0,009 0,055
Ni
0,31 0,15
P
0,018 0,018
S
0,0004 0,0006
Siendo el resto Fe e impurezas.
Las tiras laminadas en fno utilizadas para las pruebas de endurecimiento y templado teman todas un grosor de 0,203 mm y una anchura de 140 mm. Las tiras se sometieron a endurecimiento y templado en el horno de endurecimiento continuo antes mencionado. Las mediciones de resistencia a la traccion se realizaron de acuerdo con la norma ISO 6892: 2009. La Figura 1 describe propiedades de traccion en funcion de la temperatura de austenizacion. La Figura 2 describe las propiedades de traccion en funcion de la temperatura de templado. La resistencia a la traccion (Rm) y la estructura del acero segun la invencion se ajustan a la reivindicacion 1.
APLICABILIDAD INDUSTRIAL
La tira de acero de la invencion se puede usar para fabricar valvulas de aleta para compresores que tienen propiedades mejoradas.

Claims (12)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Tira de acero inoxidable martensftico/austemtico laminada en fr^o y endurecida para valvulas de aletaa de los compresores, en la que la tira de acero
    10
    a) esta hecha de acero que consiste en % en peso (% en peso):
    C
    0,3 -0,5
    Si
    00 o' CM o~
    Mn
    o CM o~
    Cr
    12,0 -15,0
    Mo
    0,5 -2,0
    N
    0,02 -0,15
    V
    0,01 -0,20
    Ni
    < 2,0
    Co
    < 2,0
    Cu
    < 2,0
    W
    < 2,0
    Al
    < 0,06
    Ti
    <0,05
    Zr
    <0,05
    Nb
    <0,05
    Ta
    <0,05
    B
    < 0,01
    Ca
    < 0,009
    REM
    < 0,2
    15 Siendo el resto Fe e impurezas
    b) tiene una matriz que consiste en martensita templada y entre 5 y 15% en volumen de austenita,
    c) tiene una resistencia a la traccion (Rm) entre 1970-2300 MPa,
    d) tiene un espesor de 0,07 - 3 mm y una anchura de < 500 mm
    20
  2. 2. Tira segun la reivindicacion 1 que cumple al menos uno de los siguientes requisitos:
    C
    0,35 -0,41
    Si
    0,30 -0,60
    Mn
    0,40 -0,65
    Cr
    13 -14
    Mo
    0,8 -1,2
    N
    0,03 -0,13
    V
    0,02 -0,10
    Ni
    < 0,5
    Co
    < 0,5
    Cu
    < 0,5
    W
    < 0,5
    Al
    < 0,01
    5
    10
    15
    20
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    30
    35
    40
    (continuacion)
    Ti
    < 0,01
    Zr
    < 0,01
    Nb
    < 0,01
    Ta
    < 0,01
    B
    < 0,001
    Ca
    0,0005 -0,002
    y donde el contenido de impurezas de P, S y O cumple los siguientes requisitos
    P
    < 0,03
    S
    < 0,03
    O
    < 0,003
  3. 3. Tira segun la reivindicacion 1 o 2 que cumple los siguientes requisitos:
    C
    0,35 -0,41
    Si
    0,30 -0,60
    Mn
    0,40 -0,65
    Cr
    13 -14
    Mo
    0,8 -1,2
    N
    0,03 -0,10
    V
    0,03 -0,09
  4. 4. Tira requisitos:
    segun cualquiera de las anteriores reivindicaciones, que cumple al menos uno de los siguientes
    una resistencia a la traccion (Rm) entre 2000-2200 MPa, un lfmite elastico (RP0.2) entre 1500-1750 MPa, una dureza Vickers (HVl) entre 570 - 650, una ductilidad A50 entre 4-9%
  5. 5. Tira segun cualquiera de las anteriores reivindicaciones, que cumple los siguientes requisitos: la fatiga por flexion inversa es> 850 MPa.
  6. 6. Tira segun cualquiera de las anteriores reivindicaciones que tiene un espesor entre 0,1 - 1,5 mm y / o una anchura entre 5 -150 mm.
  7. 7. Tira segun cualquiera de las anteriores reivindicaciones, en la que el tamano maximo de inclusion globular es de 6 pm.
  8. 8. Tira segun cualquiera de las anteriores reivindicaciones, en la que las especies de inclusion primaria son de tipo silicato con una anchura maxima de 4 pm.
    5
    10
    15
    20
    25
    30
  9. 9. Procedimiento para producir una tira de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, el cual comprende las siguientes etapas:
    a) Laminacion en caliente de un acero que tiene una composicion como se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 - 3,
    b) Laminacion en fno de la banda laminada en caliente hasta un espesor de 0,07 - 3 mm,
    c) Endurecimiento y templado continuo de la banda laminada en fno,
    d) Opcionalmente, cortado de la tira laminada en fno.
  10. 10. Procedimiento segun la reivindicacion 9, en el que la temperatura de austenizacion es 1000-1150°C en la etapa c) y en la que la temperatura de templado es de 2O0 a 600°C.
  11. 11. Procedimiento segun la reivindicacion 9 o 10, en el que el endurecimiento implica el enfriamiento rapido de la tira en un bano de plomo fundido o aleacion de plomo, manteniendo preferiblemente el bano a una temperatura de 250 - 350°C.
  12. 12. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en el que el acero utilizado es producido por metalurgia de polvo y en el que el tamano maximo de inclusion globular de dicho acero es de 6 pm.
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