ES2728876T3

ES2728876T3 - Material de acero inoxidable ferrítico para soldadura fuerte, y miembro intercambiador de calor

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Publication number: ES2728876T3
Application number: ES10789467T
Authority: ES
Original assignee: Nippon Steel Stainless Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Stainless Steel Corp
Priority date: 2009-06-15
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2019-10-29
Anticipated expiration: 2030-06-14
Also published as: CA2762899C; WO2010147092A1; PL2444509T3; EP2444509B1; US20120085513A1; CN102459676B; JP5349153B2; KR101612696B1; CA2762899A1; EP2444509A4; US9932650B2; JP2010285683A; KR20120027293A; EP2444509A1; HUE045271T2; CN102459676A

Abstract

Un material de acero inoxidable ferrítico recristalizado y trabajado en frío para soldadura fuerte, con una estructura parcialmente recristalizada y una composición química que consiste en un porcentaje en masa de C: un 0,03% o menos, de Si : más de un 0,1 a un 3%, de Mn: de un 0,1 a un 2%, Cr: de un 10 a un 35%, Nb: de un 0,2 a un 0,8%, N: un 0,03 % o menos, y, de manera opcional al menos un elemento entre Mo, Cu, V y W en una cantidad total de un 4% o menos, al menos un elemento entre Ti y Zr en la cantidad total de un 0,5% o menos, al menos un elemento entre Ni y Co en la cantidad total de un 5% o menos, al menos un elemento entre Al: un 6% o menos, metal de tierras raras: un 0,2 % o menos y Ca: un 0,1% o menos y siendo el resto Fe e impurezas inevitables, en el que la relación del área en porcentaje de los granos recristalizados formados por calentamiento después del trabajado en frío es de un 10 a un 80%.

Description

DESCRIPCIÓN

Material de acero inoxidable ferrítico para soldadura fuerte, y miembro intercambiador de calor

Campo técnico

La presente invención se refiere a un acero inoxidable ferrítico adecuado para un miembro intercambiador de calor al cual se aplica una soldadura fuerte a alta temperatura por ejemplo soldadura fuerte de níquel y un miembro intercambiador de calor soldado fuerte con la misma.

Técnica antecedente

En vehículos que incorporan un motor de combustión interna montado en ellos, por ejemplo automóviles, una técnica de EGR (Recirculación de Gases de Escape) algunas veces se emplea con la finalidad de reducción del NOx en el gas de escape y de la mejora de la eficiencia del combustible. Esta técnica es una tecnología de extracción de una parte del gas de escape aspirado desde un motor de combustión interna y de nuevo la respiración desde el lado de admisión del motor de combustión interna, y se ha utilizado ampliamente sobre todo en un motor diésel. Sin embargo, en los últimos años la tecnología está siendo aplicada a un motor de gasolina.

El sistema de EGR requiere un aparato para refrigerar el gas de escape a una temperatura a la que el gas de escape pueda ser puesto en circulación. Este es el refrigerador de la EGR.

Incluso en un equipo de recuperación del calor latente de un calentador de agua, un intercambiador de calor es ^{utilizado con la finalidad de la reducción del CO}2 ^{en el gas de escape de combustión y la reutlización de calor, y se}ha desarrollado un intercambiador de calor secundario que puede reducir una temperatura del gas de combustión aspirado a aproximadamente 200° C hasta aproximadamente de 50 a 80° C.

La estructura general del intercambiador de calor que recupera el calor del gas de escape se muestra esquemáticamente en la Fig. 1 y en la Fig. 2. La sección de intercambio de calor dividida por dos placas divisorias se dispone en una parte del paso del flujo de gas de escape constituido por un cilindro externo y la sección está constituida por un intercambiador de calor que permite que el calor escape en el agua de refrigeración. Un tubo de aire está conectado a la placa divisoria en una porción perforada del mismo y el gas de escape fluye por dentro del tubo de aire en la sección de intercambio de calor. El agua de refrigeración fluye alrededor del tubo de aire. El tubo de aire incluye un tipo constituido por un tubo fabricado simplemente en metal (Fig. 1) y un tipo que incorpora una aleta dispuesta dentro del tubo (Fig. 2).

Dicho intercambiador de calor está constituido por unos miembros de metal como por ejemplo un cilindro externo, una placa divisoria, un tubo de aire y una aleta dentro del tubo de aire, y esos miembros están unidos mediante soldadura fuerte. La carga de soldadura fuerte en cobre, la carga de soldadura fuerte en aleación de cobre, la carga de la soldadura fuerte en níquel, la carga de soldadura fuerte en hierro y similares son utilizadas como un metal de carga de soldadura fuerte. Sin embargo en el refrigerador de la EGR y similares, debido a que la temperatura del gas de escape en el lado de entrada de la sección del intercambiado de calor a veces alcanza hasta aproximadamente 800° C y la temperatura del lado de salida algunas veces alcanza hasta aproximadamente 200° C, frecuentemente se utiliza una carga de soldadura fuerte en níquel (BNi - 5, BNi - 6 y similares de JIS Z3265) que presenta una resistencia a la oxidación a alta temperatura y una resistencia a las altas temperaturas excelentes. El miembro de metal que constituye el cambiador de calor requiere las siguientes características.

(1) Que la soldadura fuerte sea satisfactoria

(2) Que la resistencia a la corrosión con arreglo al entorno de utilización sea satisfactoria. Por ejemplo, en aplicaciones automovilísticas, que la resistencia a la corrosión en la sal de fusión de la nieve sea satisfactoria. En particular, que las aplicaciones de la EGR la resistencia a la corrosión con respecto al LLC (Líquido Refrigerante de Larga Duración; por ejemplo etilenglicol) sea satisfactoria. En aplicaciones de calentadores de agua, que la resistencia a la corrosión en el caso de quedar expuesta al entorno exterior sea satisfactoria. (3) Que la resistencia a la corrosión el agua de refrigeración (medio calefactor) sea satisfactoria. Por ejemplo, que en aplicaciones de la EGR, la resistencia a la corrosión con respecto al LLC (Líquido Refrigerante de Larga Duración; por ejemplo etilenglicol) sea satisfactoria.

(4) Que la resistencia a la corrosión con respecto a la condensación en rocío del agua sea satisfactoria. En un miembro expuesto al gas de escape del motor, y al gas de escape de combustión, la condensación de rocío es fácil que se produzca en las inmediaciones del lado de salida del gas de combustión durante el funcionamiento, y la condensación del rocío es fácil que se produzca en la porción de contacto del gas de escape después del funcionamiento.

(5) Que la resistencia a las altas temperaturas y la resistencia a la corrosión a alta temperatura sean satisfactorias. La razón de ello es que un intercambiador de calor que recupere el calor del gas de escape está expuesto a un gas de altas temperaturas.

Se llama la atención sobre el documento EP 2 280 090 A1, que divulga un acero inoxidable ferrítico y un procedimiento de producción de una chapa inoxidable ferrítica. El acero inoxidable ferrítico está adaptada para su uso como miembro intercambiadores de calores destinados a ser soldados fuerte con un metal de carga en Ni o un metal de carga en Cu y comprende, sobre la base de un porcentaje en masa, C: un 0,03 % o menos, Si : un 3% o menos, Mn : un 2 % o menos, P : un 0,05% o menos, S: un 0,03% o menos, Cr : de un 11 a un 30%, Nb : de un 0,05 a un 0,8 % y N : un 0,03% o menos , en el que el equilibrio está compuesto por Fe e impurezas incidentales, y en el que un valor A determinado por la siguiente ecuación es 0,10 o superior: A = Nb - (C x 92,9 / 12 N x 92,9 / 14). El procedimiento de producción de una chapa de acero inoxidable ferrítica comprende: una etapa de preparación del acero inoxidable ferrítico anteriormente mencionado, una etapa de desarrollo de un laminado en caliente a una temperatura de refrigeración inferior a 750° C y una etapa de desarrollo de un recocido de acabado bajo la condición de que la tasa de calentamiento media desde 600° C hasta una temperatura alcanzada máxima de Tm en un procedimiento de calentamiento es de 10° C / s o superior y que la tasa de refrigeración media a partir de la temperatura máxima alcanzada de Tm a 600° C en un procedimiento de refrigeración sea de 10° C / s o superior. Así mismo, el documento EP 1 734 143 A1 divulga una chapa de acero inoxidable ferrítico y un procedimiento de producción de una chapa de acero inoxidable ferrítico. La chapa de acero inoxidable ferrítico contiene un tanto por ciento en masa de C : de un 0,001 a un 0,010%, Si : de un 0,01 a un 0,03%, Mn : de un 0,01 a un 1,0%, P : de un 0,01 a un 0,04%, Cr : de un 10 a un 20%, N : de un 0,001 a un 0,020%, Nb : de un 0,3 a un 1,0%, Mo: de un 0,5 a un 2,0%, y contiene unos precipitados en una cantidad total de un 0,05 a un 0,60% en masa. Y un material para el laminado en frío es preparado de tal manera que contenga unos precipitados en Nb con un diámetro de 0,1 a 1 de mumetal en una cantidad de 0,15 a 0,6 % en volumen y / o para contener granos recristalizados con un diámetro de 1 a 40 de mumetal en una proporción de recristalización de un 10 a un 90% y, a continuación, el material es sometido a un laminado en frío y a continuación es recocido de 1010 a 1080° C.

Sumario de la invención

Problemas a resolver por la invención

A la vista de las características anteriormente exigidas, actualmente, el acero inoxidable austenítico representado por SUS 304 y SUS 316 se utiliza principalmente en un miembro de metal de un intercambiador de calor que recupera el calor del gas de escape. Por ejemplo, el documento JP 2003 193205 A describe partes del sistema de recirculación del gas de escape que utiliza acero inoxidable fundido austenítico. Sin embargo, debido a que el acero inoxidable presenta un gran coeficiente de expansión térmica, la escala oxidada sobre la superficie del miembro, formado a alta temperatura se separa de la superficie en el momento de la refrigeración y fluye por dentro de una tubería de conducción, y es fácil que se produzca un fallo por fatiga térmica debido a la repetición del calentamiento y del enfriamiento. Así mismo, se desea la mejora de la resistencia a las altas temperaturas. Así mismo, debido a que es costoso el Ni contenido en gran cantidad, el coste del material es elevado

Por otro lado, el acero inoxidable ferrítico tiene un coeficiente de expansión térmica menor que el del acero de calidad austenítica y su coste material es generalmente más barato que el del acero de calidad austenítica. El acero inoxidable ferrítico es frecuentemente utilizado en un colector de escape, un silenciador y elementos similares que constituyen el paso del gas de escape. Sin embargo, existe el problema de que los granos de cristal es fácil que se engrosen cuando son expuestos a alta temperatura. Por ejemplo cuando se expone a una soldadura fuerte a una elevada temperatura, por ejemplo de 1100° C o superior, el acero inoxidable ferrítico generalmente provoca un engrosamiento anormal de los granos de cristal. El engrosamiento es un fenómeno de crecimiento anormal de los granos definido como sigue. La denominada recristalización secundaria que recristaliza los granos que muestra un rápido crecimiento durante el avance de la recristalización mediante el acoplamiento entre sí con otros granos recristallizados, rápidamente avanza por el calentamiento a alta temperatura. En la presente descripción, este crecimiento anormal de los granos se denomina "engrosamiento de grano". En el acero inoxidable ferrítico en el que se produce el engrosamiento del grano, la dureza se reduce. Así mismo, en la porción en la que están presentes los granos de cristal engrosados que penetran el grosor, los granos de cristal pueden soltarse por la corrosión limítrofe de los granos como punto de partida y, en este caso, se forma un agujero pasante sobre el miembro.

El documento JP 7292 446 A divulga un acero inoxidable ferrítico para un intercambiador de calor, que ofrece una soldadura fuerte satisfactoria. Sin embargo, el acero inoxidable ferrítico no se espera que sea sometido a una soldadura fuerte a alta temperatura expuesta a 1100° C o superior, la mejora de la soldabilidad fuerte en níquel y la prevención del engrosamiento del grano en dicho caso todavía no se ha llevado a cabo y resuelto.

Un objetivo de la presente invención es proporcionar un acero inoxidable ferrítico en el cual se impida el engrosamiento del grano en el que el acero inoxidable quede expuesto a la alta temperatura referida cuando un miembro intercambiador de calor y un intercambiador de calor que incluye el acero inoxidable ferrítico esté exento del engrosamiento del grano después de la soldadura fuerte.

Medios para resolver los problemas

De acuerdo con la presente invención, se proporciona un acero inoxidable ferrítico de acuerdo con lo definido en la reivindicación 1. Otras formas de realización se divulgan entre otras en las reivindicaciones dependientes. El objetivo expuesto se consigue mediante un material de acero inoxidable ferrítico para una soldadura fuerte, con una estructura parcialmente recristalizada y una composición química que entre otros incluye en porcentaje en masa, C: un 0,03% o menos, Si : más de un 0,1 a un 3%, Mn : de un 0,1 a un 2%, Cr : de un 10 a un 35%, Nb : de un 0,2 a un 0,8%, N: de un 0,03% o menos, si es necesario, al menos uno entre Mo, Cu, y W: de un 4% o menos en total, al menos uno entre Ti y Zr : de un 0,5% o menos en total, al menos uno entre Ni y Co : un 5% o menos en total, o al menos uno entre Al : un 6% o menos, un REM (metal de tierras raras): un 0,2% o menos y Ca : un 0,1% o menos, y siendo el resto Fe e impurezas inevitables, siendo, de modo preferente, el contenido total de C y N de un 0,01% o más, en el que la relación de superficie de los granos recristalizados formados por calentamiento después del trabajo en frío es de un 10 a un 80%.

La presente invención proporciona un miembro intercambiador de calor que comprende un acero inoxidable ferrítico soldado fuerte que utiliza una cualquiera entre una carga de soldadura fuerte en níquel o una carga de soldadura fuerte de aleación en cobre definida en JIS Z 3262 y una carga de soldadura fuerte de hierro (carga de soldadura fuerte que contiene hierro en una cantidad de un 35% en masa o más), en el que los granos de cristal de ferrita del acero no penetran el grosor del acero y presentan un tamaño de grano de cristal medio de 500 pm o menos. El miembro concretamente incluye un cilindro externo, una placa divisoria, un tubo de aire y elementos similares que constituyen un intercambiador de calor que recupera el calor del gas de escape. En concreto, el miembro de modo preferente, es un miembro refrigerador de la EGR de automóviles, obtenido mediante soldadura fuerte del acero utilizando una carga de soldadura fuerte en níquel definida en JIS Z 3265, o una carga de soldadura fuerte en níquel que contiene Ni en una cantidad de un 35% en masa o más.

Un tamaño de grano de cristal medio es evaluado utilizando un valor medio de diámetro circular equivalente que es medido como sigue. En la estructura de metal de una sección transversal (sección transversal en L) vertical en la dirección del grosor de una placa de acero, y en una dirección del trabajo en frío, es medida la superficie del grano de cristal individual de ferrita, y es calculado el diámetro circular equivalente del grano. El valor medio de esos diámetros circulares equivalentes es utilizado para evaluar un tamaño del grano de cristal medio. La región de observación es una región continua de 1 mm2 o más. La medición puede efectuarse utilizando un procesador de imágenes.

Ventajas de la invención

De acuerdo con la presente invención se proporciona un acero inoxidable ferrítico que puede impedir el engrosamiento del grano en el caso de que el acero sea sometido a una soldadura fuerte a alta temperatura como por ejemplo soldadura fuerte en níquel. El uso del acero consigue un intercambiador de calor que presenta unas características de resistencia a la fatiga térmicas mejoradas, menos separación de la escala oxidada y un coste material reducido, en comparación con el intercambiador de calor convencional que utiliza acero inoxidable austenítico como miembro

Breve descripción de los dibujos

La Fig. 1 es una vista que muestra esquemáticamente la estructura del intercambiador de calor que recupera el calor del gas de escape.

La Fig. 2 es una vista que muestra esquemáticamente la estructura de un intercambiador de calor que recupera el calor del gas de escape, que es un tipo que presenta una aleta dentro de un tubo de aire.

La Fig. 3 es un gráfico que traza el tamaño G de grano de cristal después de calentar el acero inoxidable ferrítico con una deformación por tracción en un intervalo de entre un 0 y un 20% transmitido a aquél a 1,175° C durante 30 minutos.

La Fig. 4 es un micrográfico óptico que ejemplifica una estructura en sección transversal después del tratamiento por calor de la recristalización del acero inoxidable ferrítico y una estructura en sección transversal después del tratamiento por calor correspondiente a la soldadura fuerte del acero.

La fig. 5 es un gráfico que ejemplifica la relación entre la temperatura del tratamiento del calor de recristalización del acero inoxidable ferrítico y el porcentaje de elongación del acero tratado, y del tamaño G de grano de cristal después de someter el acero a un tratamiento de calor correspondiente a la soldadura fuerte.

Mejor modo de llevar a cabo la invención

De acuerdo con las investigaciones realizadas por los actuales inventores, se ha encontrado que incluso en un material que no provoca el engrosamiento de grano cuando, por ejemplo, una muestra de chapa de acero es simplemente calentada a una temperatura elevada de 1100° C o más alta (por ejemplo, 1175° C en la región de la temperatura de soldadura en níquel cuando el material se forma en un miembro intercambiador de calor y, a continuación, el miembro es sometido a soldadura fuerte en níquel se produce el engrosamiento, que algunas veces constituye el problema. La razón de ello se considera que se trata de que el acero ferrítico de Cr elevado presenta la propiedad de que el engrosamiento de grano es fácil que se produzca en el calentamiento a alta temperatura en el caso de que el acero haya sido sometido a un trabajo relativamente suave de aproximadamente entre un 00,5 y un 10% después del recocido. Un ejemplo de los resultados de los experimentos dirigidos por los actuales inventores se muestra en la Fig. 3. Esta es un gráfico obtenido mediante el trazado del tamaño de grano de cristal G (JIS G 0552: 2005) después de calentar el acero de 18 Cr - 1 Mn - 2 Mo - 0,65 Nb - 0,1 Cu con una deformación por tracción en un intervalo entre un 0 y un 20% conferido a aquél a 1175° C durante 30 minutos. Se aprecia que el engrasamiento del grano es fácil en máximo grado que se produzca en el caso de dirigir el trabajo suave desde aproximadamente un 0,5 a un 5%. Siendo los miembros (cilindro externo, placa divisoria, tubo de aire y similares) sometidos a soldadura fuerte, de un intercambiador de calor a menudo presentan una porción que ha recibido por ejemplo el trabajo suave durante el perfilado de la forma, y se considera que este es el factor que estimula el engrosamiento del grano.

Los inventores actuales han efectuado diversas investigaciones sobre la técnica de evitación del engrosamiento del grano en el calentamiento a alta temperatura del acero inoxidable ferrítico que se ha aplicado a este por ejemplo el trabajo suave. Como resultado de ello, se ha encontrado que en el caso de dicha estructura parcialmente recristalizada que es una relación de superficie (relación de superficie de granos recristalizados) ocupada por granos recristalizados en la estructura en sección transversal de un 10 a un 80% se ha producido en la etapa de recocido de acabado para la producción de una chapa de acero, se impide de manera sorprendente el posterior engrosamiento de grano en el calentamiento a alta temperatura después de someterse a un perfilado de forma suave. Desde el punto de vista del aseguramiento de la facilidad de trabajo, la relación de superficie en porcentaje de granos recristalizados es, de modo más preferente, de un 30 a un 70%. El "grano recristalizado" es grano de cristal de ferrita nuevamente formado mediante un calentamiento dirigido después del trabajo en frío. En la presente descripción este calentamiento se denomina "tratamiento por calor de recristalización". Así mismo, el área de superficie de grano recristalizado es denominado "tasa de recristalización".

Con respecto a una chapa de acero de acero de 18 Cr - 1 Mn - 2 Mo - 0,65 Nb - 0,1 Cu, la Fig. 4 muestra unas estructuras en sección transversal (a) y (b) después del tratamiento de calor de recristalización, y unas estructuras en sección transversal (c) y (d) en el caso de dirigir un tratamiento de calor correspondiente a la soldadura fuerte, esto es, los materiales son sometidos a un calentamiento a 1175° C durante 30 minutos después de que aproximadamente un 2% de deformación de trabajo sea conferida a esos materiales. La Fig. 4 (a) es una chapa de acero correspondiente a la presente invención en la que la relación de superficie (tasa de recristalización) del grano recristalizado formado por el calentamiento después del trabajo en frío es de aproximadamente de un 50%. Como se muestra, la tasa de recristalización se puede medir por observación de la estructura con un microscopio óptico. El plano de observación es una sección transversal (sección transversal en L) paralela a la dirección de laminado, un nuevo grano de cristal (grano recristalizado) formado por el tratamiento de calor de recristalización aparece en grano de cristal extendido en una dirección laminado mediante laminado en frío, y se muestra una estructura parcialmente recristalizada. Como se aprecia en la Fig. 4 (c), el engrosamiento del grano no se produce después del tratamiento de calor correspondiente a la soldadura fuerte. Por otro lado, la Fig. 4 (b) es un material recocido general que presenta una tasa de recristalización de un 95% o más. En el caso del acero, en dicho estado estructural, el engrosamiento del grano se produce después del tratamiento de calor correspondiente a la soldadura fuerte, como se muestra en la Fig. 4 (d). Están presentes granos de cristal de ferrita que penetran en el grosor del acero.

La tasa de recristalización se puede medir como sigue. En la sección transversal en L, la estructura de metal está expuesta por una mezcla líquida de ácido fluorhídrico y ácido nítrico. La región de medición de 0,5 mm2 o más se dispone sobre la sección transversal en L. Los granos de cristal (incluyendo los granos de cristal hendidos por una línea limítrofe de la región de medición) presentes en la región de medición son clasificados en granos de cristal en los cuales se observan la estructura de deformación (banda deslizante) y granos de cristal en los que no se observa la estructura de deformación. Se obtiene la proporción % del área total de los granos de cristal en los que no se observa la estructura de deformación" con respecto a la región de medición y el valor es considerado como la tasa de recristalización.

La tasa de recristalización puede ser controlada por la relación de trabajo en frío antes del tratamiento de calor de recristalización, y por la temperatura y el tiempo del tratamiento de calor de recristalización. La relación de trabajo en frío en porcentaje antes del tratamiento de calor de recristalización oscila, de modo preferente, entre un 25 y un 90%. Utilizando un acero trabajado en frío con una relación de trabajo en este intervalo, es fácil dirigir el control para conseguir una tasa de recristalización determinada con precisión satisfactoria mediante el tratamiento de calor de recristalización. Aunque varían dependiendo de la composición del componente del acero, por ejemplo, en el caso del acero inoxidable ferrítico que contiene Nb, en el caso del acero laminado en frío de aproximadamente un 75% de reducción del laminado, las condiciones óptimas del tratamiento de calor de recristalización para obtener una estructura parcialmente recristalizada con una tasa de recristalización en porcentaje de un 10 a un 80% pueden ser encontradas en tasas de tratamiento de calor de recristalización (temperatura del material) : 900 a 1000° C el tiempo de tratamiento de calor ("tiempo de absorción" en el que la porción central de un material es mantenida durante un tiempo de tratamiento de calor determinado): de 0 a 3 minutos.

Los datos (línea continua) que examinan el porcentaje de elongación obtenido dirigiendo una prueba de tracción de muestras de acero que han sido sometidas a tratamiento de calor de recristalización de 1 minuto de absorción a diversas temperaturas utilizando acero de 18 Cr -1 Mn - 2 Mo - 0,65 Nb - 0,1 Cu que ha había sido laminado en frío a una reducción de laminado de un 75% y los datos (línea discontinua) del tamaño de grano de cristal G (JIS G 0552: 2005) después del tratamiento de calor correspondiente a la soldadura fuerte, esto es, después del calentamiento a 1,175° C durante 30 minutos, el acero al que aproximadamente un 2% de deformación de trabajo ha sido conferido después del tratamiento de calor de recristalización. El trazado de contorno (abierto) es el material de la presente invención correspondiente a la tasa de recristalización de entre un 10 y un 80%, y el trazado negro (continuo) es un material con una tasa de recristalización que sobrepasa el 80%. La tasa de recristalización se reduce al disminuir la temperatura del tratamiento de calor de recristalización, de manera que el porcentaje de elongación del material se reduce. Para dirigir la formación de un perfil en un miembro intercambiador de calor, se desea seleccionar un material con un porcentaje de elongación de al menos aproximadamente un 10%, pero el porcentaje de elongación de un 10% puede asegurase en la medida suficiente en un intervalo de la tasa de recristalización de un 80% o menos. En el caso de utilizar un acero con una tasa de recristalización en porcentaje de un 10 a un 80%, se puede impedir el engrosamiento del grano después de la soldadura fuerte a alta temperatura. Por otro lado, cuando la temperatura del tratamiento de calor de recristalización se incrementa, la tasa de ^{recristalización sobrepasa un}80^{%, y el porcentaje de elongación (procesabilidad) es satisfactorio y similar al}material recocido del acero inoxidable ferrítico general, pero el tamaño de grano de cristal G después de la soldadura fuerte a alta temperatura se convierte en -3, y se produce un sorprendente engrosamiento de grano. En el acero con una composición de componentes definida en la presente invención, se advierte la misma tendencia en cualquier acero.

A continuación se describen los elementos componentes. A menos que se indique lo contrario, la indicación "%" en la composición de los componentes significa "% en masa".

C y N son elementos que forman carburo y nitruro de Nb cuando el Nb es añadido. En el caso de que el Nb sea consumido por esos precipitados y se reduzca la solución sólida de Nb, se deteriora el efecto debido a la solución sólida de Nb con la resistencia a alta temperatura y su efecto de inhibición del engrosamiento del grano de cristal. Por tanto, es necesario en la presente invención restringir el contenido en C a un 0,03% o menos y el contenido en C de un 0,025% o menos es preferente. Así mismo, el contenido en N es necesario que sea restringido hasta un 0,03% y el contenido en N es, de modo preferente, de un 0,025% o menos.

Sin embargo, con respecto a la inhibición del engrosamiento de grano de cristal en la soldadura fuerte a alta temperatura, el efecto de anclaje por el carburo y nitruro de Nb puede contribuir a la inhibición. Por tanto, es ventajoso asegurar un determinado alcance de los contenidos en C y N. Como resultado de diversas investigaciones, es preferente que el contenido total de C y N sea de un 0,01% en masa o más. Con respecto a los elementos individuales, es preferente asegurar C: un 0,005% en masa o más y N: un 0,005% en masa o más.

Si es un elemento de mejora de las propiedades de oxidación a alta temperatura. Sin embargo, el exceso del contenido en Si hace que sea difícil la fase de ferrita, y resulta un factor de deterioro de la facilidad de trabajo. Así mismo, el exceso del contenido de Si deteriora la capacidad de soldadura fuerte de níquel (humectabilidad con la carga de soldadura fuerte de níquel). Como resultado de las diversas investigaciones, el contenido de Si queda restringido a un intervalo de más de un 0,1 a un 3% y, de modo más preferente, a un intervalo entre un 0,3 y un 2,5%. El límite superior puede restringirse a un 1,5%.

El Mn es un elemento que mejora las propiedades de oxidación a alta temperatura particularmente la resistencia a la posibilidad de liberación de cascarilla de óxido. Sin embargo, la excesiva adición de Mn estimula la formación de la fase austenítica a alta temperatura. Se desea en la presente invención preparar una composición de componentes de ferrita de una sola fase que no forme una fase austenítica a una temperatura de soldadura fuerte a 1,100° C o superior. Como resultado de las diversas investigaciones, el contenido en Mn se restringe a un intervalo de entre un 0,1 y un 2%.

El Cr actúa sobre la estabilización de las propiedades de oxidación a alta temperatura del acero. Por tanto, es necesario asegurar un 10% o más del contenido en Cr. Sin embargo, el exceso del contenido en Cr inhibe la manufacturabilidad y la facilidad de trabajo del acero. Por esta razón el contenido en Cr se restringe a un margen de un 35% o menos, y el contenido en Cr de un 25% o menos es más preferente.

El Nb es un elemento importante en la presente invención y actúa eficazmente sobre el incremento de la resistencia a altas temperaturas y a la supresión del engrosamiento de grano de cristal en la soldadura fuerte a alta temperatura. Un reforzamiento de la solución principalmente sólida de Nb contribuye en gran medida a la mejora a la ^{resistencia a alta temperatura, pero se considera que el efecto de anclaje por precipitados tales como Fe}2^{Nb (Laves)}y FeaNbC (M6X), finamente dispersados en una matriz de ferrita actúa eficazmente sobre la supresión del grano de cristal. Para exhibir suficientemente esas acciones, es importante asegurar un 20% más del contenido den Nb, además de que el contenido en C y N queden restringidos a los márgenes expuestos. En particular, con el fin de suprimir el engrosamiento de grano de cristal en la soldadura fuerte a alta temperatura es efectivo incrementar el contenido en Nb, y es preferente que el contenido en Nb sea de un 0,3% o más, e incluso de un 0,4% o más. Cuando el contenido de Nb se incrementa el contenido en Nb afecta negativamente a la facilidad de trabajo de las características de la calidad de superficie del acero. Por tanto, el contenido en Nb se restringe a un margen de 0,8% o menos.

El Mo, Cu, V y W principalmente contribuyen a la mejora de la resistencia a alta temperatura mediante principalmente el reforzamiento de la solución sólida. Por tanto, cuando sea necesario, al menos puede estar contenido uno de esos elementos. En particular, es más eficaz asegurar un 0,05% o más del contenido total de esos elementos. Sin embargo, la adición excesiva de esos elementos afecta negativamente a la facilidad de trabajo en caliente. Así mismo, la adición excesiva se convierte en un factor de inhibición de la dureza a alta temperatura. Como resultado de diversas investigaciones, en el caso de añadir al menos un elemento entre el Mo, Cu, V y W, su contenido total debe suprimirse hasta un 4% o menos.

El Ti y el Zr actúan sobre la formación de precipitados finos unidos con C y N y para mejorar la resistencia a alta temperatura mediante la dispersión de finos precipitados en el acero. Por tanto, cuando sea necesario, al menos uno de esos elementos puede estar contenido. Sin embargo, cuando cada uno de esos elementos esté contenido en gran cantidad, se convierte en un factor que induce la reducción de la facilidad de trabajo en caliente y de las características de calidad de las superficies. Así mismo, debido a que esos elementos tienen que formar una película de óxido fuerte sobre la superficie del acero, el flujo de una carga de soldadura fuerte fundida puede resultar defectuosa debido a la película de óxido. Como resultado de investigaciones, cuando al menos un elemento entre el Ti y Zr es añadida, el contenido total debe suprimirse hasta un 0,5% o menos. En particular, el contenido total, es eficaz en un intervalo de entre un 0,03 y un 0,3%, y es más preferente el contenido total de entre un 0,03 y un 0,25%.

El Ni y el Co son notoriamente eficaces para suprimir la reducción de la dureza en el caso de que los granos de cristal se engrosen ligeramente mediante la soldadura fuerte a alta temperatura. Así mismo, esos elementos son ventajosos para mejorar la resistencia a alta temperatura. Por tanto, cuando sea necesario, al menos uno de esos elementos puede estar contenido. En particular, es eficaz asegurar un 0,5% o más del contenido total de Ni y de Co. Sin embargo, la adición excesiva de Ni y de Co provoca la formación de la fase austenítica en una zona de alta temperatura, lo que no es preferente. En el caso de añadir al menos una sustancia entre el Ni y el Co, el contenido total de Ni y Co debe suprimirse hasta un margen de un 5% o menos.

El Al, el REM (metal de tierras raras) y el Ca son elementos para mejorar las características de oxidación a alta temperatura, y en la presente invención, al menos uno de ellos puede añadirse cuando sea necesario. En particular, es más eficaz asegurar un 0,01% o más del contenido total de Al, del REM y del Ca. Sin embargo, la adición de una gran cantidad reduce la manufacturabilidad por la reducción de la dureza y efectos similares. Como resultado de diversas investigaciones el Al debe ser suprimido hasta un margen de un 6% o menos, el REM debe suprimirse hasta un margen de un 0,2% o menos, y el Ca debe suprimirse hasta un margen de un 0,1% o menos.

Se ha confirmado que el acero inoxidable ferrítico con una composición como la expuesta presenta un nivel carente de problemas en la resistencia a la corrosión con respecto a la sal de fusión de la nieve, de resistencia a la corrosión con respecto al LLC y la resistencia de la corrosión con respecto al agua condensada, en comparación con la calidad del acero austenítico utilizado en el intercambiador de calor convencional. La resistencia a alta temperatura (un límite convencional de elasticidad de un 0,2%) en el entorno del gas de escape y una resistencia de liberación de cascarilla de óxido, del acero inoxidable ferrítico fueron mejoradas con relación a las de la calidad del acero austenítico.

El acero inoxidable ferrítico que presenta la composición referida es sometido al tratamiento de calor de recristalización anteriormente descrito, formando de esta manera una estructura parcialmente recristalizada con una tasa de recristalización desde un 10 hasta un 80%. Así, se obtiene el acero de la presente invención. El acero se forma en miembros como por ejemplo un cilindro externo, una placa divisoria, un tubo de aire y una aleta dispuesta dentro del tubo de aire, que constituyen el intercambiador de calor que recupera calor del gas de escape. Esos miembros están unidos mediante soldadura fuerte de níquel o procedimientos similares, por medio de los cuales se integra el intercambiador de calor.

Ejemplos

Se fundieron aceros con unas composiciones químicas mostradas en la Tabla 1, y cada barra de acero obtenida se formó adoptando una forma de barra redonda y una chapa mediante forjado en caliente, obteniendo así una barra redonda con un diámetro de 15 mm y una chapa con un grosor de 30 mm. La barra redonda fue sometida a un termotratamiento de solubilización fijando una temperatura de mantenimiento del orden de 1,000 a 1,100° C. La chapa fue entonces laminada en caliente formando una chapa laminada en caliente con un grosor de 4 mm. La chapa fue sometida a recocido y, a continuación, laminada en frío convertiéndose en una chapa laminada en frío con un grosor de 1 mm. La chapa fue sometida a un tratamiento de calor de recristalización como recocido final fijando la temperatura de mantenimiento en el margen de entre 850 a 1,100° C. Así, se obtuvieron materiales con unas tasas de recristalización diversas. A continuación, los materiales, excluyendo algunos materiales, fueron sometidos a laminado en frío en una relación de reducción ligera (mostrada en la Tabla 2) en la que es fácil que se produzca un engrosamiento de grano de cristal en una soldadura fuerte a alta temperatura. Así, fueron preparadas unos aceros de muestra. El acero No. N significa acero inoxidable austenítico.

Las siguientes características fueron examinadas utilizando los aceros de muestra obtenidos.

Límite convencional de elasticidad de un 0,2% a 700° C

Fue preparada una pieza de ensayo de tracción a alta temperatura con un diámetro en un cuerpo paralelo de 10 mm a partir de la barra redonda después del termotratamiento de solubilización. Aproximadamente un 2% de deformación de resistencia a la tracción fue conferido a la pieza de ensayo a temperatura ambiente, se llevó a cabo una prueba de tracción a alta temperatura a 700° C de acuerdo con el JIS G 0567, y fue medido el límite convencional de elasticidad a un 2%. A partir del hecho de que el acero con un límite convencional de elasticidad de un 0,2 a 700° C de 100 N/mm2 o más presenta las características que sobrepasan las de la calidad del acero austenítico convencional como intercambiador de calor presentando la pieza de ensayo con dichas características fue considerada como "aceptable".

Propiedades de oxidación a alta temperatura en ciclo repetitivo

La pieza de muestra de 25 mm x 35 mm fue cortada de la muestra de acero con un grosor de 1 mm y, a continuación sometida a un tratamiento de calor correspondiente a la soldadura fuerte a 1,175° C durante 30 minutos. A continuación, la entera superficie de la pieza de muestra fue sometida a un acabado de pulido húmedo de #400, preparando de esta manera una pieza de ensayo de oxidación a alta temperatura. Simulando el uso repetido como un miembro intercambiador de calor, el ciclo de "900° C x 25 minutos de calentamiento — ► refrigeración natural a temperatura ambiente durante 10 minutos" fue realizado en 1,000 ciclos en atmósfera y 60° C de vapor de agua saturada. El cambio en masa ("más" significa incrementa y "menos" significa reducción) de la pieza de ensayo antes del ensayo y después del ensayo fue dividido por el área de superficie de la pieza de ensayo antes del ensayo, obteniendo de esta manera el cambio de masa por unidad de superficie. Cuando el valor absoluto del cambio en masa es de 10 mg/cm2 o menos, es evaluado como considerado con unas propiedades de oxidación a alta temperatura excelentes como miembro intercambiador de calor, y la pieza de ensayo con 5 mg / cm2 o menos es particularmente excelente.

Soldabilidad fuerte (Humectabilidad)

Dos piezas de ensayo de soldadura fuerte, cada una con 10 mm x 20 mm fueron cortadas de la muestra de chapa con un grosor de 1 mm para cada calidad de acero. La entera superficie de una de las dos piezas de ensayo fue revestida con un metal pastoso de carga de soldadura fuerte de 0,5 mm de grosor en un estado en el que la pieza de ensayo fue colocada horizontalmente. Otra pieza de ensayo fue colocada sobre la pieza de ensayo revestida, constituyendo con ello un laminado que incluye tres capas de pieza de ensayo / metal de carga de soldadura fuerte / pieza de ensayo. El laminado fue colocado en un horno al vacío manteniendo horizontalmente al tiempo el laminado y después de la extracción del vacío el laminado fue calentado a 1,175° C durante 30 minutos. Después del enfriamiento, el laminado fue sacado del horno después de observada la superficie de la pieza superior (pieza de ensayo) a la que no se aplicó la carga de soldadura fuerte de Ni). El área humedecida por el metal de carga de soldadura fuerte sobre la superficie fue dividida por la entera área de la superficie de la pieza de ensayo. Así, se obtuvo la cubierta del metal de carga de soldadura fuerte. La pieza de ensayo con una cubierta de metal de carga de soldadura fuerte de un 50% o más fue evaluada como "A", la pieza de ensayo con la cubierta de metal de carga de soldadura fuerte de un 20% a menos de un 50% fue evaluada como "B", y la pieza de ensayo con una cubierta de metal de carga de soldadura fuerte de menos de un 20% fue evaluada como "C". Las piezas de ensayo con la evaluación "A" o "B" fueron consideradas "Aceptables". El metal de carga de soldadura fuerte utilizado presenta la composición de un 19% en masa de Cr - 10% en masa, Si - 71 % en masa, Ni correspondiente a BNi - 5 de JIS Z 3265).

Resistencia al engrosamiento del grano

Con respecto a la pieza de ensayo en la que fue evaluada la soldabilidad del Ni, la estructura de metal de su sección transversal (sección transversal paralela a la dirección de laminado y a la dirección del grosor: sección transversal en L) fue observada con un microscopio óptico. Se llevó a cabo un grabado al ácido utilizando un ácido mezclado con ácido fluorhídrico y ácido nítrico. La pieza de ensayo con un tamaño de grano de cristal medio de 200 pm o menos fue evaluado como "A", la pieza de ensayo con un tamaño de grano de cristal medio de más de 200 pm a 500 pm fue evaluada como "B", y la pieza de ensayo con un tamaño de grano de cristal medio de más de 500 pm fue evaluada como "C". La pieza de ensayo con la evaluación "A" o "B" fue considerada como "Aceptable", el tamaño de grano de cristal medio utilizado fue un valor medio por un diámetro circular equivalente descrito con anterioridad.

Estos resultados se muestran en la Tabla 2.

Como se aprecia en la Tabla 2, el acero inoxidable ferrítico de los Ejemplos de la invención fueron excelentes en un límite convencional de elasticidad de un 0,2% a 700° C y con unas propiedades de oxidación a alta temperatura en un ciclo repetitivo, en comparación con el acero inoxidable austenítico del Ejemplo Comparativo No. 28. La soldabilidad (humectabilidad) y resistencia al engrasamiento de grano fueron satisfactorias, y se confirmó que presentan unas características suficientemente satisfactorias como miembro de intercambio de calor.

Frente a ello, aunque los Ejemplos Comparativos Nos. 21 a 25 se satisfacen con la composición química definida en la presente invención, la temperatura del tratamiento de calor de recristalización fue inapropiada. Como resultado de ello, la tasa de recristalización sobre pasaba un 80% y el engrosamiento de grano no hubiera podido impedirse. El No. 26 presenta un contenido en C elevado y un contenido en Nb bajo. Por tanto, la cantidad de Nb de la solución sólida es deficiente, y la resistencia a la elevada temperatura (un límite convencional de elasticidad de un 0,2% a 700° C) y el rendimiento de la resistencia al engrosamiento de grano fueron deficientes. El No. 27 fue debido a que el contenido en Ti es excesivo, una película de óxido es fácil que se forme sobre la superficie en el rasante, y la soldabilidad es defectuosa. El No. 28 es acero inoxidable austenítico, y la resistencia a alta temperatura (límite convencional de elasticidad del 0,2% a 700° C) fue un nivel inferior al del acero de calidad ferrítico. Así mismo, debido a la influencia de que un coeficiente de expansión térmica es grande, la cascarilla de óxido es fácil de separar en el ciclo repetitivo, y el cambio de masa mostró un valor negativo considerable.

Claims

REIVINDICACIONES

1. - Un material de acero inoxidable ferrítico recristalizado y trabajado en frío para soldadura fuerte, con una estructura parcialmente recristalizada y una composición química que consiste en un porcentaje en masa de C: un 0,03% o menos, de Si : más de un 0,1 a un 3%, de Mn: de un 0,1 a un 2%, Cr: de un 10 a un 35%, Nb: de un 0,2 a un 0,8%, N: un 0,03 % o menos, y, de manera opcional al menos un elemento entre Mo, Cu, V y W en una cantidad total de un 4% o menos, al menos un elemento entre Ti y Zr en la cantidad total de un 0,5% o menos, al menos un elemento entre Ni y Co en la cantidad total de un 5% o menos, al menos un elemento entre Al: un 6% o menos, metal de tierras raras: un 0,2 % o menos y Ca: un 0,1% o menos y siendo el resto Fe e impurezas inevitables, en el que la relación del área en porcentaje de los granos recristalizados formados por calentamiento después del trabajado en frío es de un 10 a un 80%.

2. - El material de acero inoxidable ferrítico de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el contenido total de C y de N es de un 0,01% o más.

3. - Un miembro intercambiador de calor que comprende un metal de acero inoxidable ferrítico recristalizado y trabajado en frío de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, soldado fuerte utilizando uno cualquiera entre la carga de soldadura fuerte de níquel definida en JIS Z 3265, una carga de soldadura fuerte de níquel que contiene Ni en una cantidad de un 35% en masa o más, una carga de soldadura fuerte de cobre o una carga de soldadura fuerte de aleación de cobre, definida en JIS Z 3262, y una carga de soldadura fuerte de hierro, en la que después de la soldadura fuerte, los granos de cristal de ferrita del acero no se puede apreciar que penetren en el grosor del acero y presentan un tamaño de grano de cristal medio de 500 pm o menos.

4.- El miembro intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 3, el cual es un refrigerador de EGR de automóviles, obtenido mediante soldadura fuerte del material de acero utilizando una carga de soldadura fuerte de níquel definida en JIS Z 3265 o una carga de soldadura fuerte de níquel que contiene Ni en una cantidad de un 35% en masa o más.