ES2910091T3 - Aleación de colada a base de níquel-cromo-hierro - Google Patents

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Abstract

Una aleación de colada a base de Ni-Cr-Fe adecuada para su uso en la producción de componentes que entran en contacto con vidrio fundido, caracterizada por que contiene, en % en masa: Cr: 15-30 %, Fe: 15-30 %, Co: 2,5-5,0 %, W: 3,0-6,0 %, Ti: 0,0-2,0 %, Nb: 0,5-2,5 %, Mo: 0,5-2,0 %, y C: 0,5-1,2 %, el resto de níquel e impurezas inevitables.

Description

DESCRIPCIÓN
Aleación de colada a base de níquel-cromo-hierro
Campo técnico
La presente invención se refiere a una aleación de colada a base de Ni-Cr-Fe que tiene una excelente resistencia mecánica y resistencia a la corrosión con respecto a vidrio fundido. Una aleación según la presente invención es especialmente adecuada como material para su uso en la producción, preferiblemente colada, de componentes que entran en contacto con una sustancia inorgánica líquida a alta temperatura tal como vidrio fundido, por ejemplo, tal como un centrifugador centrífugo para descomponer vidrio fundido para dar fibras en un procedimiento de fibrización rotatorio.
Antecedentes de la técnica
En la industria del vidrio, se producen fibras de vidrio mediante la rotación de un centrifugador a una temperatura alta en un intervalo de 1000-1200 0C. Por tanto, la aleación en este caso se somete simultáneamente a alta tensión, oxidación a alta temperatura y ataque por corrosión. Con el fin de garantizar la calidad de un producto de vidrio y reducir los costes, la aleación para centrifugador debe tener una excelente resistencia a la oxidación, corrosión del vidrio y fluencia a alta temperatura, al tiempo que también tiene características preferidas tales como bajo coste.
Con el fin de satisfacer las características mencionadas anteriormente a altas temperaturas, generalmente se da el caso de que se usan normalmente aleaciones de cobalto (Co) y níquel (Ni), que son resistentes a altas temperaturas, en la producción de componentes que entran en contacto con vidrio fundido, por ejemplo, dentro de un centrifugador centrífugo para fibrizar vidrio fundido en un procedimiento de fibrización rotatorio. Tales aleaciones se describen en los Documentos de patente 6 y 7, por ejemplo.
Mientras tanto, se describen varias aleaciones a base de Co-Cr y aleaciones a base de Ni-Cr en los Documentos de patente 1-5, 8 y 9. Las aleaciones a base de Ni son superiores a las aleaciones a base de Co desde un punto de vista económico porque el Ni es mucho menos costoso que el Co. Por ejemplo, según precios comerciales de metales actuales (julio de 2016), 1 kg de Ni tiene un precio comparable a 1 onza troy (aproximadamente 31 g) de Co.
Sin embargo, estas aleaciones a base de Co y aleaciones a base de Ni convencionales contienen grandes cantidades de Ni, Co, W y otros elementos de alto punto de fusión. Esto hace que las aleaciones a base de Co y las aleaciones a base de Ni sean costosas mientras que también es difícil producir componentes grandes de manera uniforme mediante colada.
Por tanto, actualmente no existe un material económico que haga posible satisfacer estos requisitos para su uso en la producción de componentes que entran en contacto con el vidrio fundido. Las investigaciones de los materiales para centrifugador que están actualmente disponibles revelan la dificultad de lograr la combinación necesaria en cuanto a resistencia, resistencia a la oxidación y resistencia a la corrosión, así como coste y productibilidad.
Documentos de la técnica anterior
Bibliografía de patentes
Documento de patente 1: patente estadounidense n.° 3.933.484
Documento de patente 2: patente estadounidense n.° 4.367.083
Documento de patente 3: patente estadounidense n.° 4.662.920
Documento de patente 4: patente estadounidense n.° 4.877.435
Documento de patente 5: patente estadounidense n.° 6.266.979
Documento de patente 6: publicación de patente estadounidense n.° 2002-73742
Documento de patente 7: publicación de patente estadounidense n.° 2005- 06802
Documento de patente 8: JP H08-290933
Documento de patente 9: BE 895174
Sumario de la invención
Problema que va a resolverse por la invención
El objetivo de la presente invención radica en resolver el problema mencionado anteriormente proporcionando una aleación de colada novedosa que sea útil para componentes tales como un centrifugador centrífugo para fibrizar vidrio fundido en un procedimiento de fibrización rotatorio, por ejemplo. La aleación de colada según la presente invención puede usarse para la colada de componentes que entran en contacto con vidrio fundido y simplifica la producción gracias a tener excelente resistencia a la corrosión y durabilidad en vidrio fundido durante un largo periodo de tiempo.
Por tanto, la presente invención proporciona una aleación de colada a base de níquel-cromo-hierro que tiene una resistencia mecánica a alta temperatura y resistencia a la corrosión mejoradas en vidrio fundido a alta temperatura.
Medios para resolver el problema
Los inventores de la presente invención descubrieron que una aleación demuestra una resistencia de fluencia y resistencia a la corrosión ventajosas a altas temperaturas como resultado de la adición activa de hierro (Fe) en un intervalo del 15­ 30 % en masa a una aleación a base de Ni-Cr para la colada de un material para centrifugador. Los inventores encontraron además que es muy simple producir una aleación a base de Ni-Cr para la colada con Fe añadido controlando apropiadamente la composición de los elementos constituyentes principales tales como Ni, Cr y Fe, por ejemplo.
Se encontró además que, con el fin de mantener las propiedades de colada de una aleación a base de Ni-Cr con hierro añadido que tiene resistencia a la fluencia a alta temperatura, es necesario añadir y combinar otros elementos de aleación tales como Ti, Nb, W y un alto contenido de C. La presente invención se logró basándose en estos hallazgos según las reivindicaciones adjuntas.
Ventaja de la invención
Hasta ahora se ha considerado que las aleaciones convencionales para un centrifugador para fibrizar vidrio fundido en un procedimiento de fibrización rotatorio presentan los valores más altos en cuanto a resistencia a alta temperatura y resistencia a la corrosión en vidrio fundido entre las aleaciones a base de Ni y aleaciones a base de Co producidas por medio de colada, y que tales aleaciones no se sobrepasarán por otras aleaciones de colada. Sin embargo, la presente invención proporciona una aleación de colada a base de Ni-Cr-Fe que es superior a las aleaciones convencionales para un centrifugador con respecto a la resistencia a alta temperatura y la resistencia a la corrosión en el vidrio fundido.
Breve descripción del dibujo
La Fig. 1 es un gráfico que muestra los resultados de un ensayo de compresión y un ensayo de corrosión a 1050 0C llevados a cabo usando aleaciones a base de Ni-Cr-Fe según realizaciones ilustrativas de la presente invención, un ejemplo convencional y ejemplos comparativos.
Modo de realizaciones de la invención
A continuación se proporcionarán las razones por las que la composición y el contenido de una aleación de colada a base de Ni-Cr-Fe según la presente invención están limitadas tal como se describió anteriormente. Debe observarse que, en la siguiente descripción, los porcentajes que expresan el contenido se refieren al % en masa.
Hierro (Fe): el Fe mejora la trabajabilidad de la aleación y también es económico, por lo que el coste de la aleación se reduce añadiendo una gran cantidad del mismo. Sin embargo, se cree que la adición de una gran cantidad de Fe a una aleación a base de Ni-Cr convencional es perjudicial para la resistencia a alta temperatura y resistencia a la corrosión. Por tanto, el contenido de Fe está en un intervalo del 15-30 %, y se encontró que si se añade hierro en un intervalo especialmente preferible de entre 15 % y 25 %, se mejora la trabajabilidad de la aleación sin afectar a la resistencia, resistencia a la oxidación o resistencia a la corrosión de la misma. Comprobando una pluralidad de aleaciones, se encontró que, cuando se añade hierro, hay un ligero aumento de masa en un ensayo de 500 horas de resistencia a la oxidación.
Niobio (Nb): el niobio es un elemento que hace una gran contribución a mejorar la resistencia. Con el fin de lograr este efecto, el contenido de Nb es 0,5 % o superior. Cuando hay 2,5 % o más de Nb, se produce macrosegregación durante las fases de fusión y de empaquetamiento compacto (TCP) de geometría de fase perjudicial, tal como la fase delta y la fase de Laves son evidentes en la aleación. Por tanto, el contenido de Nb es 0,5-2,5 %, y de manera especialmente preferible el 0,5-1,4 %.
Titanio (Ti): el Ti contribuye a reforzar el límite de grano. Para lograr este efecto, el contenido de Ti es preferiblemente 0,5 % o superior. Sin embargo, cuando se incluye Ti en más de 2,0 %, existe una reducción notable de la trabajabilidad en caliente y la soldabilidad de la aleación. Por tanto, el contenido de Ti es de 0,0­ 2,0 %, y de manera especialmente preferible 0,7-1,5 %.
Carbono (C): el C se une a Nb, W y Ti para formar carburo de MC. El carburo de MC suprime el movimiento del límite de grano por medio de un efecto de fijación. Sin embargo, si se añade una cantidad excesiva de C, el carburo de MC se forma de manera gruesa y consume grandes cantidades de los elementos de refuerzo, concretamente Nb, W y Ti, por lo que las propiedades mecánicas se deterioran. Por tanto, el contenido de C es 0,5-1,2 %, y de manera especialmente preferible está en un intervalo de 0,7-1,0 %.
Cobalto (Co): el Co es un elemento para reducir la energía de fallo de apilamiento, y ajusta la distribución de carburo y refina el tamaño de grano de cristal de una aleación resistente al calor a base de Fe-Cr. Sin embargo, añadir una gran cantidad de Co a una aleación a base de Ni-Cr-Fe tiende a hacer que se una una alta proporción de Fe, Mo y W, formando una fase de TCP. Por tanto, el contenido de Co es 2,5-5,0 %, y de manera especialmente preferible está en un intervalo de 3,0-4,5 %. Además, el contenido de Co es preferiblemente 2,5­ 4,5 %, y de manera especialmente preferible está en un intervalo de 3,0-4,0 %, con el fin de mantener ventajosamente características de fluencia a alta temperatura y resistencia a la corrosión por vidrio fundido.
Molibdeno (Mo) y wolframio (W): se añaden Mo y W con el fin de mejorar la resistencia de la aleación a altas temperaturas mediante refuerzo de la disolución sólida en la fase original. Con el fin de lograr el efecto de los mismos, el valor de límite inferior del contenido de estos elementos es 0,5 % para Mo y 3,0 % para W. Si estos elementos se incluyen en una cantidad excesiva, se forma una fase de TCP en la aleación, por lo que el valor de límite superior del contenido de estos elementos es 2,0 % para Mo y 6,0 % para W. A este respecto, el contenido de Mo es 0,5-2,0 %, y de manera especialmente preferible está en un intervalo de 1,0-1,5 %. Además, el contenido de W es preferiblemente 3,0-6,0 %, y de manera especialmente preferible está en un intervalo de 3,0-5,0 %. Además, el contenido de W es preferiblemente 4,0-6,0 %, y de manera especialmente preferible está en un intervalo de 4,0-5,0 % con el fin de mantener ventajosamente las características de fluencia a alta temperatura y resistencia a la corrosión por vidrio fundido.
Cromo (Cr): el Cr es un elemento que es eficaz para mejorar la resistencia a la oxidación y la resistencia a la corrosión. Además, el Cr contribuye a mejorar la trabajabilidad en caliente de la aleación definida en la presente invención. Con el fin de lograr estos efectos, el Cr debe estar contenido en una cantidad de 15 % o superior. Sin embargo, si se incluye Cr en una cantidad excesiva, se forma una fase de TCP perjudicial. Por tanto, el contenido de Cr está en un intervalo de 15-30 %, y de manera especialmente preferible en un intervalo de 24,5 % al 28,5 %. Además, el contenido de Cr está preferiblemente en un intervalo de 22 % a 30 %, y más preferiblemente en un intervalo de 24,5 % al 28,5 % para mantener ventajosamente características de fluencia a alta temperatura y resistencia a la corrosión por vidrio fundido. La resistencia a la oxidación de una aleación que tiene un alto contenido añadido de cromo está prácticamente al mismo nivel que la de una aleación a la que se le añade hierro (del 15 % al 25 % de hierro) o a la que no se le añade hierro.
A continuación se proporcionarán realizaciones ilustrativas para realizar la presente invención con el fin de describir la invención con más detalle. Evidentemente, la presente invención no está limitada por las siguientes realizaciones ilustrativas.
Se produjeron aleaciones A-G que tenían las composiciones mostradas en la siguiente Tabla 1 mediante fusión y colada. Entre estas aleaciones, la aleación A es un ejemplo convencional, las aleaciones B-E son realizaciones ilustrativas incluidas en el primer modo de la presente invención, y las aleaciones F y G son ejemplos comparativos que tienen contenidos de elementos más allá del alcance definido en la presente invención.
[Tabla 1]
Figure imgf000004_0001
Las aleaciones B-E según la presente invención, estando la aleación A disponible comercialmente fuera del alcance de la presente invención, y las aleaciones F y G fuera del alcance de la presente invención se sometieron a un ensayo de compresión, y se compararon los resultados de las mismas. Los resultados se muestran en la Tabla 2. Tal como se muestra en la Tabla 2, el límite de resistencia a la compresión al 0,2 % a 1000 °C y el valor de la resistencia a la fluencia (tasa de fluencia a la compresión) a 1050 ^3/35 MPa de las aleaciones B-E según la presente invención fueron superiores a los de la aleación A según el ejemplo convencional y las aleaciones F y G según los ejemplos comparativos.
[Tabla 2]
Figure imgf000005_0001
Además, se sometieron las aleaciones a ensayo mediante inmersión estática en vidrio fundido durante 100 horas a 1050 0C con el fin de evaluar la resistencia a la corrosión. La Tabla 2 muestra la tasa de corrosión calculada por medio de la profundidad promedio de corrosión. Las aleaciones B-E según la presente invención fueron ligeramente superiores a la aleación A según el ejemplo convencional y las aleaciones F y G según los ejemplos comparativos. Debe observarse que la tasa de corrosión provocada por vidrio fundido se muestra como la cantidad de corrosión por año, y se muestra un valor estimado basándose en un valor experimental. La tasa de corrosión debida a vidrio fundido se obtuvo calculando la cantidad de corrosión por año usando el valor experimental de 100 horas.
La Fig. 1 es un gráfico que muestra los resultados del ensayo de compresión y el ensayo de corrosión a 1050 °C llevados a cabo usando las aleaciones a base de Ni-Cr-Fe según las realizaciones ilustrativas de la presente invención, el ejemplo convencional y los ejemplos comparativos.
Tal como se muestra en la Tabla 2 y la Fig. 1, las aleaciones de colada a base de Ni-Cr-Fe según el primer modo de la presente invención tenían un límite de resistencia a la compresión al 0,2 % a 1000 0C de 100 MPa o superior, una tasa de fluencia a la compresión constante a 1050 0C y 35 MPa de aproximadamente 7,5x10-8 s-1 o menos, y una tasa de corrosión estimada en vidrio fundido a 1050 0C de aproximadamente 10 mm/año o menos.
Al mismo tiempo, las aleaciones de colada a base de Ni-Cr-Fe según el segundo modo de la presente invención emplearon las aleaciones B, D y E que tenían las composiciones mostradas en la Tabla 1 como realizaciones ilustrativas, pero tenían un intervalo de composición que no incluyó la aleación C. El segundo modo de la presente invención mostró una resistencia a alta temperatura, resistencia a la fluencia y resistencia a la corrosión en vidrio fundido incluso mejores que el primer modo de la presente invención. Es decir, tal como se muestra en la Tabla 2 y la Fig. 1, las aleaciones de colada a base de Ni-Cr-Fe según el segundo modo de la presente invención tenían un límite de resistencia a la compresión al 0,2 % a 1000 °C de 100 MPa o superior, una tasa de fluencia a la compresión constante a 10500C y 35 MPa de aproximadamente 5,5x10-8 s-1 o menos, y una tasa de corrosión estimada en vidrio fundido a 1050 °C de aproximadamente 8,5 mm/año o menos.
Además, las aleaciones de colada a base de Ni-Cr-Fe según la presente invención fueron claramente comparables con o superiores a la aleación del ejemplo convencional y las aleaciones de los ejemplos comparativos fuera del alcance de la presente invención en cuanto a resistencia a alta temperatura, resistencia a la fluencia y resistencia a la corrosión en vidrio fundido (figura 1).
Aplicabilidad industrial
La presente invención proporciona una aleación de colada a base de Ni-Cr-Fe novedosa para componentes que entran en contacto con vidrio fundido. Los ejemplos de tales componentes que entran en contacto con vidrio fundido incluyen centrifugadores centrífugos para fibrizar vidrio fundido en un procedimiento de fibrización rotatorio. Sin embargo, la aleación de colada a base de Ni-Cr-Fe según la presente invención no se limita a esto, y puede usarse en aplicaciones para producir, preferiblemente mediante colada, componentes para fibrizar sustancias inorgánicas licuadas a alta temperatura similares a vidrio fundido, por ejemplo, sustancias inorgánicas licuadas tales como silicio o cuarzo.

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Una aleación de colada a base de Ni-Cr-Fe adecuada para su uso en la producción de componentes que entran en contacto con vidrio fundido, caracterizada por que contiene, en % en masa:
    Cr: 15-30 %,
    Fe: 15-30 %,
    Co: 2,5-5,0 %,
    W: 3,0-6,0 %,
    Ti: 0,0-2,0 %,
    Nb: 0,5-2,5 %,
    Mo: 0,5-2,0 %, y
    C: 0,5-1,2 %, el resto de níquel e impurezas inevitables.
  2. 2. La aleación de colada a base de Ni-Cr-Fe según la reivindicación 1, caracterizada por que el contenido de cada elemento de composición es al menos uno cualquiera o más de los siguientes:
    Cr: 24,5-28,5 %,
    Fe: 15-25 %,
    Co: 3,0-4,5 %,
    W: 3,0-5,0 %,
    Ti: 0,7-1,5 %,
    Nb: 0,5-1,4 %,
    Mo: 1,0-1,5 %, y
    C: 0,7-1,0 %.
  3. 3. La aleación de colada a base de Ni-Cr-Fe según la reivindicación 1 o 2, caracterizada por que el límite de resistencia a la compresión a 0,2 % a 1000 0C es 100 MPa o superior,
    la tasa de fluencia a la compresión constante a 1050 °C y 35 MPa es aproximadamente 7,5x10-8 s-1 o menos, y
    la tasa de corrosión estimada en vidrio fundido a 1050 0C es aproximadamente 10 mm/año o menos.
  4. 4. La aleación de colada a base de Ni-Cr-Fe según la reivindicación 1, caracterizada por que contiene, en % en masa:
    Cr: 22-30 %,
    Fe: 15-30 %,
    Co: 2,5-4,5 %,
    W: 4,0-6,0 %,
    Ti: 0,0-2,0 %,
    Nb: 0,5-1,4 %,
    Mo: 0,5-2,0 %, y
    C: 0,5-1,2 %, el resto de níquel e impurezas inevitables.
  5. 5. La aleación de colada a base de Ni-Cr-Fe según la reivindicación 4, caracterizada por que el contenido de cada elemento de composición es al menos uno cualquiera o más de los siguientes:
    Cr: 24,5-28,5 %,
    Fe: 15-25 %,
    Co: 3,0-4,0 %,
    W: 4,0-5,0 %,
    Ti: 0,7-1,5 %,
    Mo: 1,0-1,5 %, y
    C: 0,7-1,0 %.
  6. 6. La aleación de colada a base de Ni-Cr-Fe según la reivindicación 4 o 5, caracterizada por que el límite de resistencia a la compresión a 0,2 % a 1000 0C es 100 MPa o superior,
    la tasa de fluencia a la compresión constante a 1050 °C y 35 MPa es aproximadamente 5,5x10-8 s-1 o menos, y
    la tasa de corrosión estimada en vidrio fundido a 1050 0C es aproximadamente 8,5 mm/año o menos.
  7. 7. Un método para producir una pieza colada que emplea una aleación de colada a base de Ni-Cr-Fe, para su uso como centrifugador para fibrizar vidrio fundido en un procedimiento de fibrización rotatorio que comprende las siguientes etapas:
    (a) una etapa en la que se proporciona la aleación de colada a base de Ni-Cr-Fe según la reivindicación 1,2, 4 o 5;
    (b) una etapa en la que se funde la aleación y se deja endurecer la aleación al aire hasta temperatura ambiente para obtener un artículo en el que no están presentes defectos de colada en caliente; y
    (c) una etapa en la que se somete el artículo a tratamiento térmico a una temperatura al menos 20 °C por debajo de la temperatura de inicio de fusión de la aleación para obtener un artículo final, caracterizado por que la etapa de tratamiento térmico (c) comprende:
    una etapa en la que se calienta el artículo durante 2-4 horas a una temperatura de entre 1150 0C y 1250 0C que está al menos 20 0C por debajo de la temperatura de inicio de fusión de la aleación; y
    una etapa en la que se enfría el artículo hasta 550 0C o menos a una tasa de 65 0C-30 0C por minuto, después de lo cual se enfría el artículo hasta temperatura ambiente en el aire.
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