ES2828442T3

ES2828442T3 - Aleación de cementación de acero inoxidable austenítico resistente a la excoriación y al desgaste libre de cobalto

Info

Publication number: ES2828442T3
Application number: ES15809942T
Authority: ES
Inventors: Ryan Smith; Tapasvi Lolla; Sudarsanam Babu; David Gandy; John Siefert; J Frederick Gregory; Lou Lherbier; David Novotnak
Original assignee: Ohio State University
Current assignee: Ohio State University
Priority date: 2014-06-19
Filing date: 2015-06-19
Publication date: 2021-05-26
Anticipated expiration: 2035-06-19
Also published as: EP3158098A1; JP2017524814A; JP6640752B2; EP3158098B1; US20190071759A1; US10094010B2; WO2015196032A1; US20150368766A1; EP3158098A4

Abstract

Un método para elaborar un componente metálico cementado, que comprende: unir una capa de una aleación de acero inoxidable en forma de polvo a una superficie de un componente metálico, de modo que la capa defina una superficie externa, en donde la aleación de acero inoxidable está libre de cobalto y comprende fases secundarias duras en una fase primaria austenítica; procesar isostáticamente en caliente ("HIP") la capa a una temperatura de HIP para unir la capa al componente; dejar que la capa se enfríe al aire; calentar la capa hasta una temperatura de recocido en solución mayor que la temperatura de HIP; y templar la capa en agua; y que comprende además someter al componente a estrés mecánico para endurecer por tensión una capa delgada de la aleación de cementación en la superficie externa; en donde la temperatura de recocido en solución está por encima de 1100°C, en donde las fases duras comprenden al menos uno de un carburo y un nitruro, y en donde la aleación consiste en, en peso: de 21,0 a 27,0% de cromo; de 3,0 a 7,0% de manganeso; de 2,0 a 6,0% de níquel; de 1,5 a 4,0% de silicio; de 1,0 a 5,0% de molibdeno; de 0,9 a 1,3% de carbono; 0,3-0,6% de nitrógeno; el resto hierro e impurezas.

Description

DESCRIPCIÓN

Aleación de cementación de acero inoxidable austenítico resistente a la excoriación y al desgaste libre de cobalto

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere generalmente a un método para elaborar un componente metálico cementado.

Los componentes metálicos cementados formados por aleaciones de cementación se usan para una variedad de aplicaciones incluyendo: asientos de válvulas, vástagos de válvulas, álabes de turbinas, álabes de cortacéspedes, mezcladoras, laminadores, trituradoras, cuchillas, etc. Estas aleaciones ofrecen una variedad de propiedades incluyendo: alta resistencia a la excoriación, buena resistencia al desgaste, buen comportamiento de resistencia y erosión, comportamiento frente a la corrosión y alta dureza. La mayoría de las aleaciones de cementación se encuentran dentro de una de tres categorías de aleaciones: aleaciones basadas en hierro, basadas en níquel y basadas en cobalto. Las aleaciones basadas en cobalto han sido el estándar industrial para aplicaciones de cementación de válvulas desde hace casi 50 años, debido en gran parte a su versatilidad a lo largo de una amplia gama de aplicaciones. Las dos más notables de estas son STELLITE 6 y 21. Desgraciadamente, para aplicaciones nucleares, estas aleaciones tienden a desgastarse con el tiempo y a formar isótopos radiactivos tales como Co58 y Co60.

Durante las dos décadas pasadas, se ha prestado una atención considerable a las aleaciones basadas en hierro, esencialmente aceros inoxidables modificados, ya que estas aleaciones pueden eliminar el problema de la acumulación de radiación mientras que ofrecen excelente comportamiento frente al desgaste, la excoriación y la corrosión. Varios “aceros inoxidables modificados” basados en hierro libres de cobalto son usados actualmente por la industria nuclear principalmente para aplicaciones a asientos de válvulas incluyendo: NOREM, GALLTOUGH PLUS, NITRONIC 60 y TRISTELLE 5183. Estas aleaciones han tenido un éxito limitado por diversas razones incluyendo: agrietamiento por solidificación durante la soldadura, escasa capacidad para la soldadura, agrietamiento durante el uso, pobres propiedades frente al desgaste a temperaturas de uso y escasa aceptación por la industria en general. Los cálculos del análisis de composición y la estabilidad de fase usando herramientas de predicción más avanzadas actuales han descrito por qué muchas de estas aleaciones han fallado en el cumplimiento de los rigurosos estándares y aplicaciones industriales.

El documento WO-A1 -2010/053431 (de Uddeholm Tooling AB) divulga un material de acero que contiene vanadio.

Según esto, existe una necesidad de componentes metálicos cementados alternativos mejorados formados por aleación de cementación libre de cobalto para el uso en la industria nuclear así como otras industrias.

BREVE SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Esta necesidad se aborda mediante el método de elaboración de un componente metálico cementado con gran comportamiento contra el desgaste, la excoriación y la corrosión.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La materia que se considera la invención se puede entender mejor mediante referencia a la siguiente descripción tomada junto con las figuras de dibujos adjuntas, en las que:

La Figura 1 muestra la probabilidad de defecto de apilamiento experimental (difracción de rayos X, puntos) y teórico (línea) en una aleación de acero inoxidable basándose en las contribuciones de la segregación de nitrógeno en un modelo termodinámico de energía de defecto de apilamiento generalizado;

la Figura 2 ilustra el balance de fases en equilibrio de una aleación de la presente invención a lo largo de un intervalo de temperatura de procesamiento predicho por el software de modelado termodinámico;

la Figura 3 muestra los resultados de excoriación para un probeta de bloque de STELLITE 6 probada a 343°C (650°F) e indicaba el nivel de estrés;

la Figura 4 muestra resultados de excoriación para la aleación de la probeta de la presente invención (recocido a 1102°C) probada a 343°C (650°F) e indicaba el nivel de estrés;

la Figura 5 muestra el desgaste por excoriación superficial producido para la aleación de la presente invención durante la carga a 206,8 MPa (30 ksi) a 350°C; y

la Figura 6 muestra el desgaste por excoriación superficial producido para una aleación NOREM durante la carga a 241,27 MPa (35 ksi) a 350°C.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Un nuevo componente metálico cementado que comprende una capa unida de una aleación de acero inoxidable libre de cobalto sobre su superficie se fabrica según el método de la reivindicación 1. La capa de aleación de acero inoxidable libre de cobalto, que proporciona una alta resistencia a la excoriación, el desgaste y la erosión, se ha fabricado en forma de polvo y se puede aplicar a través de pulvimetalurgia-procesamiento isostático en caliente a un componente que se va a proteger del desgaste, tal como una superficie de un asiento de válvula, El polvo se puede aplicar a una superficie de un componente y unirse a la misma usando procedimientos de pulvimetalurgia convencionales.

Según se apunta anteriormente, actualmente están en el mercado varias aleaciones de cementación existentes. Actualmente, solo unas pocas de estas se usan en la industria del polvo y están dirigidas principalmente a una resistencia mejorada a la excoriación. Una revisión extensa de la bibliografía sugiere que la resistencia a la excoriación en aleaciones de acero inoxidable basadas en hierro se alcanza a través de dos contribuciones clave: alto grado de endurecimiento por tensión y alta fracción en volumen de fases secundarias duras. El alto endurecimiento por tensión se consigue mediante la modificación del mecanismo de deformación plástica a través de la disminución de la energía de defecto de apilamiento (''SFE'') mediante adición de nitrógeno. Por supuesto, las propiedades exactas dependen de la composición, el procesamiento y la microestructura inicial resultante de la aleación.

La presente invención se enfoca a la comprensión del papel de cada una de estas contribuciones en aleaciones de cementación basadas en hierro y a continuación el diseño de una aleación optimizada que emplee los contribuyentes minimizando de ese modo fases perjudiciales potenciales. Los resultados del programa han producido una aleación que se ha diseñado alrededor de tres atributos significativos: (1) una alta sobresaturación de nitrógeno en la matriz para disminuir la energía de defecto de apilamiento (SFE) y alterar la transformación martensítica inducida por tensión; (2) una alta fracción en volumen de fases secundarias duras (carburos y nitruros); y (3) el uso de un procesamiento apropiado usando pulvimetalurgia-procesamiento isostático en caliente (PM-HIP) y un tratamiento térmico optimizado.

Para comparación, varias aleaciones de la técnica anterior se muestran en la Tabla 1a.

Tabla 1a

La química y los intervalos propuestos de la nueva aleación se muestran en la Tabla 1b.

Tabla 1b

Conjuntamente, estos atributos han producido un componente metálico cementado que tiene una capa de unión sobre su superficie que proporciona excelentes propiedades frente a la excoriación y el desgaste por deslizamiento a temperatura ambiente y hasta las temperaturas de funcionamiento de plantas nucleares de 343°C (650°F). Por otra parte, la aleación rivaliza con el comportamiento de excoriación y desgaste por deslizamiento de aleaciones basadas en cobalto tales como STELLITE 6 y 21 a lo largo del intervalo de funcionamiento hasta 343°C (650°F). Cada uno de los atributos de la aleación se describe más a fondo en los párrafos siguientes.

Alta Concentración de Nitrógeno

Tradicionalmente, se considera que el nitrógeno es un estabilizante austenítico en aceros inoxidables y eleva la energía de defecto de apilamiento. En aceros inoxidables 18-8 convencionales, tales como 304 o 316, donde las concentraciones de nitrógeno típicas son bajas, el nitrógeno estabiliza la fase austenítica y en efecto eleva la energía de defecto de apilamiento. Sin embargo, a altas concentraciones (>0,2% en peso de N), el nitrógeno puede disminuir drásticamente la energía requerida para formar defectos de apilamiento a nivel microscópico, Figura 1. Se encontró que el intervalo óptimo era 0,44-0,55% en peso de nitrógeno en la presente aleación. Este efecto se ha atribuido a un efecto de segregación o aglomeración de N en los defectos de apilamiento, explicando su efecto no lineal sobre la SFE.

Mecanísticamente, el nitrógeno proporciona una influencia significativa sobre los mecanismos de deformación plástica en aceros inoxidables austeníticos, principalmente al alterar la SFE efectiva. Se sabe que la SFE en metales cúbicos centrados en la cara ("FCC") controla el mecanismo de deformación plástica, produciéndose endurecimiento por dislocación "forestal" a altos valores, y progresando aunque defectos de apilamiento extensos, maclación y una transformación de FCC en fase martensítica estrechamente empaquetada hexagonal ("HCP") a medida que la SFE se disminuye. A medida que el mecanismo de deformación plástica cambia con la disminución de la SFE, el grado de endurecimiento por deformación se incrementa simultáneamente. En efecto, este mismo proceso se produce en aleaciones basadas en cobalto, que tienen una SFE baja a lo largo de una amplia gama de temperaturas y composiciones, y se postula que sea una causa de su buen comportamiento frente al desgaste y la excoriación. En efecto, un grado de endurecimiento por acritud también se ha correlacionado generalmente con una resistencia a la excoriación en aceros inoxidables. En la presente aleación, la presencia de maclación por deformación en superficies desgastadas a alta temperatura demuestra que las altas concentraciones de nitrógeno de matriz disminuyen la SFE sustancialmente (p. ej. hasta aproximadamente 20-50 mJ/m2) incluso a 343°C.

Así, el método descrito en la presente da como resultado un acero de plasticidad inducida por maclación ("TWIP") a alta temperatura que representa una novedad en aleaciones de cementación libres de Co. Adicionalmente, la incorporación de martensita inducida por tensión a baja temperatura, una alta fracción en volumen de segundas fases y un procedimiento de prensado isostático en caliente ("HIP") para la fabricación de cementaciones libres de soldaduras dan como resultado un nuevo componente metálico cementado que tiene un comportamiento de excoriación singularmente superior a alta temperatura.

Transformación Martensítica Inducida por Tensión

Adicionalmente, en aceros inoxidables austeníticos, se puede alcanzar un grado de endurecimiento por tensión superior a bajas temperaturas a través de una transformación martensítica de FCC en BCC inducida por tensión. Algunas aleaciones de acero inoxidable austenítico se basan en una fase FCC que es metaestable a temperatura ambiente. Cuando se introduce tensión o deformación en esta familia de aleaciones austeníticas, la microestructura puede sufrir una transformación en una microestructura martensítica más resistente. La estructura cristalina de estas estructuras martensíticas puede ser HCP o cúbica centrada en la base ("BCC") o tetragonal centrada en el cuerpo ("BCT") o sus combinaciones. Se sabe que las microestructuras martensíticas proporcionan protección contra la erosión, resistencia al desgaste y comportamiento frente a la excoriación incrementados.

Se ha observado que resultan dos formas de estructuras martensíticas de la transformación desde austenita, incluyendo una estructura BCC martensítica y una HCP martensítica épsilon. Se sabe que la transformación en martensita £ dará como resultado una fase estable que está directamente relacionada con una baja energía de defecto de apilamiento. De forma correspondiente, la transformación en martensita a da como resultado una estructura BCC muy estable, lo que también proporciona buena resistencia al desgaste. En cualquier caso, se cree que la capacidad para formar fácilmente martensita bajo carga (tensión/estrés) es extremadamente beneficiosa para proporcionar resistencia a la excoriación, el desgaste y la erosión a aleaciones de acero inoxidable austenítico, principalmente al afectar al grado de endurecimiento por tensión. En efecto, la pérdida de transformación en martensita alfa, sin una baja SFE, se ha relacionado con la degradación de las propiedades de desgaste con la temperatura creciente en alguna cementación de aceros inoxidables.

La formación de martensita alfa en aceros inoxidables se considera un proceso limitado por nucleación, y así requiere sitios defectuosos de alta energía para que se produzca la transformación. La generación de estos sitios defectuosos está controlada por el mecanismo de deformación de la matriz subyacente, que se puede controlar por la energía de defecto de apilamiento. Se ha mostrado que la modificación con nitrógeno de la matriz incrementa la cinética de transformación en la prueba de tracción in situ. Así, los cambios con nitrógeno en SFE pueden controlar los mecanismos de deformación a lo largo de todo el intervalo de temperatura de la aleación (de temperatura ambiente hasta 350°C), e incrementar el grado de endurecimiento por tensión a lo largo de este intervalo de temperatura.

Por lo tanto, el nitrógeno actúa para incrementar el grado de endurecimiento por tensión a través de un intervalo de temperaturas mediante diferentes mecanismos de deformación plástica. A baja temperatura, se observa FCC en martensita BCC inducida por tensión en superficies desgastadas deformadas, mientras que a alta temperatura (343°C) el modo de deformación cambia a plasticidad inducida por maclación. En cada caso, el nitrógeno actúa a través de su efecto sobre la energía de defecto de apilamiento, que cambia la micromecánica del proceso de deformación plástica y da como resultado un grado superior de endurecimiento por tensión a lo largo de todo el intervalo de temperaturas consideradas. Esto da como resultado una capa endurecida por tensión muy pequeña cerca de la superficie, lo que reduce el volumen de desgaste global y retrasa el comienzo del proceso de excoriación hasta estreses superiores.

Alto Volumen de Fases Secundarias

Se sabe que las microestructuras heterogéneas compuestas por partículas duras en una matriz dúctil mejoran la resistencia al desgaste abrasivo y adhesivo. Los grados de desgaste globales se reducen al disminuir la adhesión interfacial, evitando la deformación superficial y proporcionando caminos de baja energía para la formación de partículas por desgaste. Adicionalmente, el reparto de la tensión plástica a la matriz más dúctil incrementa la transformación matensítica inducida por tensión e incrementa el grado de endurecimiento por tensión. Esto incrementa la resistencia a la localización de la tensión e incrementa la resistencia a la excoriación. Estos efectos se explican comúnmente en materiales de recubrimiento cerametálicos (partículas cerámicas embebidas en una matriz metálica). Sin embargo, en el método descrito en la presente, las segundas fases duras se manipulan en la química de aleación y en una fracción en volumen óptima. Esto de como resultado una estabilidad a alta temperatura a largo lazo comparativa, una tenacidad incrementada y un ajuste de expansión térmica mejorado (para la fabricación de piezas) mientras que sigue reteniendo alta resistencia al desgaste y la excoriación a temperaturas elevadas.

Procesamiento de la Aleación de Revestimiento Duro

El método descrito en la presente comprende una combinación de pulvimetalurgia-HIP y un tratamiento térmico de recocido con solución optimizado para generar una microestructura apropiada. Las técnicas de pulvimetalurgia ofrecen microestructura, composición y control de los defectos superiores en comparación con técnicas de recubrimiento con soldadura o termopulverización tradicionales. Una etapa inicial en la cementación de un componente es aplicar y unir una capa de la aleación en forma de polvo a una superficie del componente, usando técnicas de pulvimetalurgia convencionales, y a continuación someter el componente con la capa aplicada a un procedimiento de HIP convencional. Se han realizado modelado termodinámico y fásico considerable para establecer una química de aleación y condiciones de tratamiento térmico apropiadas. Se apreció que sería deseable producir una estructura de matriz FCC completamente (o casi completamente) austenítica con una fase dura secundaria dispersada a la temperatura de procesamiento de HIP. El modelado fásico sugería que se podía producir una estructura de matriz FCC casi completamente austenítica a la temperatura de procesamiento de HIP, con la condición de que se pudiera obtener un enfriamiento rápido (temple) después de un cierto tiempo a la temperatura de procesamiento, Figura 2. Desgraciadamente, la mayoría de las unidades de HIP se enfrían al aire y así puede llevar horas alcanzar la temperatura ambiente.

Como resultado, se eligió procesar la aleación de cementación a través de la temperatura de procesamiento de HIP, por ejemplo aproximadamente 1050°C, permitir que se enfriara en aire (como es lo normal), recalentar la aleación de nuevo hasta la temperatura de recocido de la solución (por encima de 1100°C), seguido por un temple rápido con agua. Las dos últimas etapas (recocido en solución y temple) permitían que la aleación formara una microestructura completamente austenítica tras enfriar con una sobresaturación de nitrógeno de matriz.

Posteriormente, tras la aplicación de carga (estrés) como se podría encontrar sobre la superficie de un asiento de válvula, la estructura austenítica se endurece fácilmente por tensión a lo largo de una capa delgada en la superficie del asiento, Figura 5, confinando de ese modo la deformación a una capa superficial menor y elevando la resistencia a la excoriación. Esta se mejora mucho en comparación con la capa producida por la aleación NOREM, Figura 6. Así, la aleación de la presente invención proporciona una estructura que tiene un comportamiento superior frente al desgaste y la excoriación. Esta estructura (junto con el aleado apropiado) produce fácilmente resistencia a la excoriación a través de todo el intervalo de funcionamiento de una central nuclear (de temperatura ambiente hasta 350°C).

Ninguna otra aleación de cementación libre de cobalto cubre el intervalo desde temperatura ambiente hasta 350°C de temperatura de funcionamiento mientras que proporciona buen comportamiento frente a la excoriación y el desgaste. A temperatura elevada < 343°C (650°F), condiciones de desgaste por deslizamiento (tales como un disco de válvula al asiento), la aleación de la presente invención muestra un comportamiento comparable a un material de cementación basado en Co estándar (STELLITE 6). Adicionalmente, y en referencia al procesamiento, la temperatura de recocido incrementada (1102°C frente a 1065°C) incrementa adicionalmente la resistencia al desgaste por deslizamiento, según se muestra en la Tabla 2. Para las condiciones probadas a temperaturas ambiente y elevadas, la aleación de la presente invención muestra un comportamiento que está enormemente mejorado sobre materiales de cementación basados en Fe tradicionales y es casi equivalente en resistencia al desgaste que materiales de cementación basados en Co como STELLITE 6.

Tabla 2

Para verificar la resistencia a la excoriación bajo condiciones de desgaste por deslizamiento, las pruebas de excoriación ASTM G98 se efectuaron y se proporcionan en las Figuras 3 y 4. Según se muestra, las marcas de desgaste sobre las probetas en bloque para la aleación de la presente solicitud (recocido a 1102°C) y STELLITE 6 son comparables en apariencia y en la magnitud del daño superficial. Un estrés de excoriación liminar no se determina fácilmente para la aleación de la presente solicitud ya que no había tendencia a deformación por excoriación macroscópica bajo los valores de estrés aplicados indicados de la Figura 4. Estos resultados confirman la superioridad del método de la presente solicitud para aplicaciones exigentes a válvulas cuando las condiciones de servicio aplicadas (es decir, temperatura y estrés) puedan inducir excoriación significativa en asientos y discos para materiales menos resistentes.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para elaborar un componente metálico cementado, que comprende:

unir una capa de una aleación de acero inoxidable en forma de polvo a una superficie de un componente metálico, de modo que la capa defina una superficie externa, en donde la aleación de acero inoxidable está libre de cobalto y comprende fases secundarias duras en una fase primaria austenítica;

procesar isostáticamente en caliente ("HIP") la capa a una temperatura de HIP para unir la capa al componente; dejar que la capa se enfríe al aire;

calentar la capa hasta una temperatura de recocido en solución mayor que la temperatura de HIP; y

templar la capa en agua;

y que comprende además someter al componente a estrés mecánico para endurecer por tensión una capa delgada de la aleación de cementación en la superficie externa;

en donde la temperatura de recocido en solución está por encima de 1100°C,

en donde las fases duras comprenden al menos uno de un carburo y un nitruro,

y en donde la aleación consiste en, en peso: de 21,0 a 27,0% de cromo; de 3,0 a 7,0% de manganeso; de 2,0 a 6,0% de níquel; de 1,5 a 4,0% de silicio; de 1,0 a 5,0% de molibdeno; de 0,9 a 1,3% de carbono; 0,3-0,6% de nitrógeno; el resto hierro e impurezas.

2. El método según la reivindicación 1, en el que la temperatura de HIP es aproximadamente 1050°C.

3. El método según la reivindicación 1, en el que el contenido de nitrógeno de la aleación es 0,44-0,55% en peso.

4. El método según la reivindicación 1, en el que la aleación consiste en, en peso: 25,73% de cromo; 4,78% de manganeso; 4,37% de níquel; 3,34% de silicio; 2,04% de molibdeno; 1,21% de carbono; 0,46% de nitrógeno; el resto hierro e impurezas.