MX2012012874A - Acero inoxidable austenitico con bajo contenido de niquel, y su uso. - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un acero inoxidable austenítico, al bajo níquel, con elevada resistencia al agrietamiento retardado, y al uso de este acero. El acero contiene en % peso 0.02 - 0.15% de carbono; 7 -15% de manganeso; 14 - 19% de cromo; 0.1 - 4% de níquel; 0.1- 3% de cobre; 0.05 - 0.3% de nitrógeno, el resto del acero siendo fierro e impurezas inevitables, y el intervalo de la composición química en términos de la suma de los contenidos de carbono y nitrógeno (C+N) y la temperatura Md30 medida está dentro del área definida por los puntos ABCD que tienen los siguientes valores: Punto Md30 °C C+N % A -80 0.1 B +7 0.1 C -40 0.40 D -80 0.40.

Description

ACERO INOXIDABLE AUSTENÍTICO CON BAJO CONTENIDO DE NÍQUEL, Y SU USO Campo Técnico Esta invención se refiere a un acero inoxidable austenítico al bajo níquel y de elevada formabilidad, el cual es altamente resistente al agrietamiento retardado en comparación con grados de acero austenítico con bajo contenido de níquel que actualmente se encuentran en el mercado. La invención también se refiere al uso del acero en productos metálicos fabricados mediante métodos de forjado.

Antecedentes de la Invención Las elevadas fluctuaciones en el precio del níquel han incrementado el interés por alternativas con bajo contenido de níquel o sin níquel en aceros inoxidables austeníticos aliados con Cr-Ni. Cuando se describe el contenido del elemento en lo siguiente, el contenido se expresa en % peso, si no se indica de alguna otra forma. Los aceros inoxidables austeníticos aliados con manganeso, de la serie 200, tiene generalmente formabilidad igual en comparación con los grados de la serie 300, aliados con Cr-Ni, así como también sus otras propiedades son comparables. Sin embargo, la mayoría de los grados aliados con manganeso, especialmente aquellos con contenido particularmente bajo de níquel, desde 0% hasta 5%, son susceptibles de sufrir el fenómeno del agrietamiento retardado, lo cual evita su uso en aplicaciones en donde se necesitan severas operaciones de embutición profunda. Otra desventaja de los grados bajos en níquel que actualmente están disponibles consiste en que estos tienen reducido el contenido de cromo con el objeto de asegurar una estructura de cristal totalmente austenítica. Por ejemplo, los grados al bajo níquel con aproximadamente 1% de níquel contienen típicamente solo 15% de cromo, lo cual perjudica su resistencia a la corrosión.

Un ejemplo de grado de acero aliado con manganeso y al bajo níquel es el grado AISI 204 (UNS S20400) que puede prepararse como una versión modificada mediante aleación con cobre, Cu. El nuevo material aliado con cobre en el estándar es denominado como S20431 de acuerdo con el estándar ASTM A 240-09b y EN grado especificado 1.4597. Estos aceros son ampliamente utilizados para aparatos electrodomésticos, vasijas y bandejas superficiales y otros productos de consumo. Sin embargo, los aceros que actualmente se encuentran disponibles son muy susceptibles al agrietamiento retardado y, por lo tanto, no pueden ser utilizados en aplicaciones en donde el material se somete a embutición profunda.

Se han propuesto algunos grados de acero inoxidable austeníticos con reducido contenido de níquel que están diseñados para ser resistentes al agrietamiento diferido. La patente británica 1419736 describe un acero inoxidable austenítico inestable con baja susceptibilidad al agrietamiento retardado, el cual está basado en bajos contenidos de C y N. Sin embargo, el acero en cuestión tiene un contenido mínimo de Ni especificado como 6.5%, que daña la relación costo-eficacia del acero.

La publicación WO 95/06142 describe un acero inoxidable austenítico que está hecho resistente al agrietamiento diferido al limitar el contenido de C y N y controlando la temperatura Md3o que describe la estabilidad de la austenita del acero. Sin embargo, el acero de esta publicación WO contiene el mínimo del 6% de níquel y, de esta forma, no es rentable.

La patente EP 2025770 describe un acero inoxidable austenítico con reducido contenido de níquel, el cual es hecho resistente al agrietamiento retardado al controlar la temperatura Md30. Sin embargo, el acero de esta patente EP contiene el mínimo de 3% de níquel, reduciendo la relación costo-eficiencia del acero.

Además, han sido propuestos numerosas aleaciones para encontrar alternativas rentables para grados de aceros aliados con Cr-Ni convencionales. Sin embargo, ninguna de las aleaciones existentes combina un bajo contenido de níquel (aproximadamente 1%) y una alta resistencia al agrietamiento diferido.

Por ejemplo, la patente EP 0694626 describe un acero inoxidable austenítico que contiene 1.5-3.5% de níquel. El acero contiene 9-1 1% de manganeso, el cual sin embargo puede dañar la calidad de la superficie y la resistencia a la corrosión del acero. La patente de los Estados Unidos de América 6274084 describe un acero inoxidable austenítico con 1-4% de níquel. La patente de los Estados Unidos de América 3893850 describe un acero inoxidable austenítico sin níquel y que contiene el mínimo de 8.06% de manganeso y no más de 0.14% de nitrógeno. La patente EP 0593158 describe un acero inoxidable austenítico que contiene cuando menos 2.5% de níquel, no presentando de esta manera una óptima relación costo-eficacia. Adicionalmente, ninguno de los aceros mencionados anteriormente ha sido diseñado para que sea resistente al agrietamiento retardado, lo cual limita su uso en aplicaciones tales en las que se requiere llevar a cabo severas operaciones de formación.

Compendio y Objetivos de la Invención El objetivo de la presente invención es el de eliminar algunas de las desventajas de la técnica anterior y el de proveer un acero inoxidable austenítico al bajo níquel y sustancialmente con una baja susceptibilidad al agrietamiento diferido en comparación con los aceros inoxidables al bajo níquel que actualmente existen en el mercado. La resistencia al agrietamiento retardado se asegura al diseñar cuidadosamente la composición química del acero, mostrando una óptima combinación de estabilidad de la austenita y del contenido de carbono y nitrógeno. El objetivo de la presente invención también es el uso del acero en productos metálicos manufacturados mediante métodos de forjado, métodos en los cuales puede ocurrir el agrietamiento diferido. Las características esenciales de la invención se presentan en las reivindicaciones anexas.

La composición química preferida del acero inoxidable austenítico de la invención es como se indica a continuación (en % peso): 0.02 - 0.15% de C 0.1 - 2% de Si 7 - 15% de Mn 14 - 19% de Cr 0.1 - 4% de Ni 0.1 - 3% de Cu 0.05 - 0.35% de N el resto siendo fierro e impurezas inevitables.

El acero de la invención puede contener de manera opcional cuando menos uno del siguiente grupo: hasta 3% de molibdeno (Mo), hasta 0.5% de titanio (Ti), hasta 0.5% de niobio (Nb), hasta 0.5% de tungsteno (W), hasta 0.5% de vanadio (V), hasta 50 ppm de boro (B) y/o hasta 0.05% de aluminio (Al).

El acero de la invención presenta las siguientes propiedades: El límite elástico Rpo.2% es mayor que 260 MPa.

- La resistencia final a la tracción Rm es mayor que 550 MPa.

La elongación a la fractura Agomm es mayor del 40% - La resistencia equivalente a la corrosión por picaduras PRE (PRE = %Cr + 3.3%Mo + 16%N es mayor que 17.

El acero de la invención muestra que se alcanza una proporción de estiramiento de hasta al menos 2.0 o aún más alta en la embutición profunda sin la ocurrencia de agrietamiento diferido. La relación de estiramiento se define como la proporción de los diámetros de un blanco circular que tiene un diámetro variante y un troquel con un diámetro constante usado en la operación de embutición profunda. El acero inoxidable austenítico de la invención puede utilizarse para la resistencia al agrietamiento retardado en productos metálicos fabricados mediante métodos de forjado de embutición profunda, formación por estiramiento, doblamiento, conformación por rotación, hidroformado y/o formado por rolado o por cualquier combinación de estos métodos de forjado.

A continuación se describen los efectos y los contenidos en % peso de los elementos para el acero inoxidable austenítico de la invención.

El carbono (C) es un elemento valioso para la formación y estabilización de la austenita, lo cual hace posible el uso reducido de elementos costosos como el Ni, Mn y Cu. El límite superior para la aleación del carbono se establece por el riesgo de la precipitación del carburo, lo cual deteriora la resistencia a la corrosión del acero. Por lo tanto, el contenido de carbono estará limitado por debajo del 0.15%, preferiblemente por debajo del 0.12% y apropiadamente por debajo del 0.1%. La reducción del contenido de carbono a niveles bajos mediante el proceso de descarburización no es económico y, por lo tanto, el contenido de carbono no será menor de 0.02%. Al limitar el contenido de carbono a niveles bajos se incrementa también la necesidad de otros formadores y estabilizadores caros de la austenita.

El silicio (Si) se agrega al acero inoxidable con propósitos desoxidantes en la fundidora y no debe estar por debajo del 0.1%. Debido a que el silicio es un elemento formador de la ferrita, su contenido se debe limitar a por debajo de 2%, preferiblemente por debajo del 1%.

El manganeso (Mn) es un elemento clave del acero de la invención, asegurando la estructura estable del cristal austenítico y haciendo posible la reducción del uso de más níquel costoso. El manganeso también aumenta la solubilidad del nitrógeno para el acero. Con el propósito de lograr una estructura de cristal completamente austenítica y suficientemente estable, con una aleación tan baja en níquel como sea posible, el contenido del manganeso debe ser mayor de 7%. Un elevado contenido de manganeso hace que el proceso de descarburización del acero sea más difícil, daña la calidad de la superficie y reduce la resistencia a la corrosión del acero. Por lo tanto, el contenido de manganeso debe ser menor de 15%, preferiblemente menos de 10%.

El cromo (Cr) es el responsable de asegurar la resistencia a la corrosión del acero.

El cromo también estabiliza la estructura austenítica y de esta forma es importante en términos de evitar el fenómeno del agrietamiento diferido. Por lo tanto, el contenido de cromo deberá estar en el mínimo de 14%. Al aumentar el contenido desde este nivel se puede mejorar la resistencia a la corrosión del acero. El cromo es un elemento formador de ferrita. Por lo tanto, al aumentar el contenido de cromo se incrementa la necesidad de los costosos formadores de austenita Ni, Mn, Ni o se requiere de imprácticos elevados contenidos de C y N. Por lo tanto, el contenido de cromo debe ser más bajo que 19%, preferiblemente más bajo de 17.5%.

El níquel (Ni) es un fuerte formador y estabilizador de la austenita. Sin embargo, es un elemento costoso y, por lo tanto, con el propósito de mantener una proporción costo-eficacia del acero de la invención el límite superior para la aleación de níquel deberá ser 4%. Preferiblemente, para mejorar adicionalmente la relación costo-eficacia, el contenido de níquel deberá estar por debajo del 2%, apropiadamente 1.2%. Contenidos muy bajos de níquel requerirían de una aleación imprácticamente elevada con los otros elementos formadores y estabilizadores de la austenita. Por lo tanto, el contenido de níquel deberá ser preferiblemente más alto que 0.5% y más preferiblemente más alto que 1%.

El cobre (Cu) puede ser utilizado como un sustituto más barato para el níquel como formador y estabilizador de la austenita. El contenido de cobre no deberá ser mayor que 3% debido a la pérdida de ductilidad en caliente. Preferiblemente, el contenido de cobre no excederá el 2.4%.

El nitrógeno (N) es un fuerte formador y estabilizador de la austenita. Por lo tanto, la aleación con nitrógeno mejora la eficiencia de costos del acero de la invención al hacer posible el menor uso de níquel, cobre y manganeso. Con el fin de asegurar un uso razonablemente bajo de los elementos de aleación anteriormente referidos, el contenido de nitrógeno deberá ser al menos 0.05%, preferiblemente más del 0.15%. Los altos contenidos de nitrógeno aumentan la resistencia del acero y de esta manera hacen que las operaciones de formación sean más difíciles. Además, aumenta el riesgo de la precipitación de nitruro con el aumento del contenido de nitrógeno. Por estas razones, el contenido de nitrógeno no deberá de exceder el 0.35%, preferiblemente el contenido de nitrógeno deberá ser más bajo de 0.28%.

El molibdeno (Mo) es un elemento opcional, el cual se puede agregar para mejorar la resistencia a la corrosión del acero. Sin embargo, debido a su elevado costo, el contenido del Mo en el acero deberá estar por debajo del 3%.

Breve Descripción de los Dibujos La presente invención se describe con más detalle haciendo referencia a los dibujos, en donde: La Figura 1 ilustra el intervalo de la composición química del acero de la invención en términos de la suma de los contenidos de carbono y nitrógeno (C+N) y la temperatura Md3o medida; La Figura 2 muestra la microestructura de la aleación 2 de la tabla 1 para el acero de la invención; La Figura 3 muestra tazas producidas por embutición profunda a partir del acero de la invención (aleación 1); La Figura 4 muestra tazas producidas por embutición profunda a partir del acero de la invención (aleación 2); La Figura 5 muestra tazas producidas por embutición profunda a partir de un acero convencional que contiene 1.1% de níquel.

Descripción Detallada de Modalidades Preferidas de la Invención Además de los intervalos anteriormente mencionados de elementos de aleación individuales, la combinación de la temperatura Md30 y la suma de los contenidos de carbono y nitrógeno (C+N) del acero se ajustarán de manera que la combinación esté dentro del área definida por el área ABCD en la Figura 1. Los puntos ABCD en la Figura 1 tienen los valores de: Punto Md30 °C C+N % A - 80 0.1 B + 7 0.1 C - 40 0.40 D - 80 0.40 La temperatura Md30 se define como la temperatura a la cual se forma el 50% de martensita inducida por deformación a una deformación por tracción plástica efectiva de 0.3. Se han propuesto varias fórmulas empíricas para calcular la temperatura Md30. Es digno de mencionar que ninguna de ellas es exacta para el acero de la invención que tiene un elevado contenido de Mn. Por lo tanto, se hace referencia a temperaturas Md30, las cuales han sido medidas experimentalmente para el acero de la invención.

Descripción de Experimentos Para probar el acero de la invención se produjeron varios aceros inoxidables austení ticos aliados con Mn y al bajo Ni, como muestras de pequeña escala de 60 Kg. Se rolaron en caliente lingotes vaciados y se laminaron en frío a espesores que variaban entre 1.2 y 1.5 mm. El contenido de níquel de los aceros varió entre 1 y 4.5%. También se incluyen en las pruebas algunos grados típicos y comercialmente disponibles, que se sabe son susceptibles al agrietamiento diferido. Se estudió la susceptibilidad de los materiales de prueba al agrietamiento retardado por medio de pruebas de copa de Swift, en donde blancos circulares de diámetros variables se produjeron por embutición profunda para formar tazas mediante el uso de un troquel cilindrico.

Se determinó la estabilidad de la austenita de los aceros, denotando la tendencia del material a transformarse a fase martensita inducida por deformación, mediante la medición de las temperaturas Md30 de los aceros en forma experimental. Muestras de prueba de deformación se sometieron a deformación a una deformación plástica efectiva de 0.3 a varias temperaturas constantes, y se midieron los contenidos de martensita usando un Ferritoscopio, un dispositivo que mide el contenido de la fase ferromagnética en el material. Las lecturas del Ferritoscopio se convirtieron a contenidos de martensita multiplicando por la constante de calibración de 1.7. Los valores de la temperatura Md3o se determinaron sobre la base de resultados experimentales mediante análisis de regresión.

Debido a que la determinación experimental de la temperatura Md3o es tediosa, para algunos materiales las temperaturas Md30 se determinaron usando una fórmula empírica derivada del análisis de regresión de los resultados experimentales.

La Figura 1 presenta un resumen de los resultados. Cada punto de información en el diagrama representa un único material de prueba. El símbolo (1.4, 1.6, 1.8, 2.0 y 2.1) utilizado indica la relación de embutición más alta a la cual el material podría ser sometido a embutición profunda sin la ocurrencia de agrietamiento diferido dentro de 2 meses a partir de la operación de embutición profunda. Las líneas diagonales se trazaron sobre la base de los puntos de información experimental para ilustrar de mejor manera los efectos de la temperatura Md30 y la suma de los contenidos de carbono y nitrógeno (C+N) del acero.

Claramente, los resultados experimentales muestran que el riesgo del agrietamiento diferido es dependiente de la combinación de la temperatura Md3o y la suma de los contenidos de carbono y nitrógeno (C+N) del acero. Mientras más bajos eran la temperatura Md30, el contenido de carbono y el contenido de nitrógeno, más bajo era el riesgo de agrietamiento. El diagrama desarrollado y presentado en la Figura 1 se utilizó para diseñar la composición química del acero de la presente invención de manera que se lograra la resistencia deseada al agrietamiento diferido con el mínimo costo de materias primas.

En la tabla 1 se muestran y se comparan dos composiciones químicas típicas del acero de la invención con acero convencional al 1% de Ni susceptible al agrietamiento retardado. La aleación 1 cae dentro del intervalo ABCD de la Figura 1 y podía ser sometido a embutición profunda a una relación de estiramiento de 2.0 sin la ocurrencia de agrietamiento diferido. La aleación 2 cae dentro del rango DEFG de la Figura 1, y podría ser sometido a embutición profunda a una proporción de estiramiento de 2.1 sin la ocurrencia de agrietamiento retardado. El acero convencional podía ser estirado solo a la relación de estiramiento de 1.4. Las Figuras 3, 4 y 5 muestran muestras de tazas sometidas a embutición profunda a partir de la aleación 1 , aleación 2 y un acero convencional, respectivamente.

Tabla 1 Otra característica importante del acero de la invención es que su contenido de cromo puede ser aumentado hasta el 17% sin el riesgo de la formación de d-ferrita, como en el caso de la Aleación 2. En los aceros convencionales al bajo níquel que contienen aproximadamente 1% de níquel el contenido de cromo tiene que ser limitado al 15% con el propósito de evitar la presencia de d-ferrita, la cual podría causar problemas durante el rolado en caliente del acero. El contenido más elevado de cromo del acero de la invención hace posible una más alta resistencia a la corrosión en comparación con los aceros convencionales. Por ejemplo, la Aleación 2, a pesar de su alto contenido de Cr, no contiene ninguna d-ferrita. En consecuencia, la Aleación 2 podría ser rolada en caliente sin la ocurrencia de agrietamiento marginal de bandas calientes. La Figura 2 muestra la microestructura completamente austenítica de la Aleación 2 después de laminado en frío.

Claims (11)

Reivindicaciones

1. Acero inoxidable austenítico, al bajo níquel, con elevada resistencia al agrietamiento retardado, caracterizado en que el acero contiene en % peso 0.02 - 0.15% de carbono; 7 - 15% de manganeso; 14 - 19% de cromo; 0.1 - 4% de níquel; 0.1- 3% de cobre; 0.05 - 0.35% de nitrógeno, el resto del acero siendo fierro e impurezas inevitables, y en que se logra una proporción de estiramiento de al menos 2.0 en embutición profunda para el acero sin la ocurrencia de agrietamiento retardado, y en que la combinación de la suma de los contenidos de carbono y nitrógeno (C+N) y la estabilidad de la austenita determinada mediante la medición experimental de la temperatura Md3o del acero está dentro del área definida por los puntos ABCD que tienen los siguientes valores: Punto Md30 °C C+N % A - 80 0.1 B + 7 0.1 C - 40 0.40 D - 80 0.40

2. Acero inoxidable austenítico al bajo níquel de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el acero contiene 15 - 17.5% de cromo.

3. Acero inoxidable austenítico al bajo níquel de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el acero contiene 7 - 10% de manganeso.

4. Acero inoxidable austenítico al bajo níquel de acuerdo con la reivindicación 1 , 2 o 3, caracterizado porque el acero contiene 1 - 2% de níquel.

5. Acero inoxidable austenítico al bajo níquel de acuerdo con las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el acero contiene 0.1 - 2.4% de cobre.

6. Acero inoxidable austenítico al bajo níquel de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado porque el acero opcionalmente contiene cuando menos uno del siguiente grupo: hasta 3% de molibdeno, hasta 0.5% de titanio, hasta 0.5% de niobio, hasta 0.5% de tungsteno, hasta 0.5% de vanadio, hasta 50 ppm de boro y/o hasta 0.05% de aluminio.

7. Acero inoxidable austenítico al bajo níquel de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el límite elástico Rp0.2 es mayor que 260 MPa y la resistencia final a la tracción Rm es mayor que 550 MPa.

8. Acero inoxidable austenítico al bajo níquel de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la elongación a la fractura A80mm es mayor del 40%.

9. Acero inoxidable austenítico al bajo níquel de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la resistencia equivalente a la corrosión por picaduras PRE es mayor que 17.

10. Acero inoxidable austenítico al bajo níquel de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado en que se logra una proporción de estiramiento de al menos 2.0 en embutición profunda para el acero sin la ocurrencia de agrietamiento retardado, y en que la combinación de la suma de los contenidos de carbono y nitrógeno (C+N) y la estabilidad de la austenita determinada mediante la medición experimental de la temperatura Md30 del acero está dentro del área definida por los puntos DEFG que tienen Punto Md30 °C C+N % D - 80 0.40 E - 80 0.2 F - 20 0.2 G - 53 0.40

11. El uso de acero inoxidable austenítico al bajo níquel con elevada resistencia al agrietamiento retardado, caracterizado en que el acero contiene en % peso 0.02 - 0.15% de carbono; 7 - 15% de manganeso; 14 - 19% de cromo; 0.1 - 4% de níquel; 0.1- 3% de cobre; 0.05 - 0.3% de nitrógeno, el resto del acero siendo fierro e impurezas inevitables, y en que se logra una proporción de estiramiento de al menos 2.0 en embutición profunda para el acero sin la ocurrencia de agrietamiento retardado, y en que la combinación de la suma de los contenidos de carbono y nitrógeno (C+N) y la estabilidad de la austenita determinada mediante la medición experimental de la temperatura Md30 del acero está dentro del área definida por los puntos ABCD que tienen los siguientes valores: Punto Md30 °C C+N % A - 80 0.1 B + 7 0.1 C - 40 0.40 D - 80 0.40 que se utiliza para la resistencia al agrietamiento retardado en productos de metal manufacturados mediante métodos de forjado de embutición profunda, formación por estiramiento, doblamiento, conformación por rotación, hidroformado y/o formado por rolado o por cualquier combinación de estos métodos de forjado.