Aleación de acero inoxidable martensítica que consiste, en combinación,

en peso, en: del 0,1 al 0,3% de carbono (C), del 8 al 17% de cobalto (Co), del 6 al 12% de cromo (Cr), del 2,0 hasta e incluyendo el 5% de níquel (Ni), del 1,0 hasta menos del 3% de molibdeno (Mo), menos del 3% de tungsteno (W) en una cantidad para formar carburos M2C de base de Cr-Mo-W, del 0,1 hasta menos del 0,8% de vanadio (V), menos del 0,3% de niobio (Nb), del 0,1 al 0,05% de titanio (Ti) y opcionalmente menos del 1% de silicio (Si), menos del 0,5% de manganeso (Mn), menos del 0,15% de cobre (Cu), menos del 0,2% de tántalo (Ta), menos del 0,2% de lantano (La) u otros elementos de las tierras raras, menos del 0,15% de zirconio (Zr), menos del 0,005% de boro (B), menos del 0,02% de azufre (S), menos del 0,012% de fósforo (P), menos del 0,015% de oxígeno (O), menos del 0,015% de nitrógeno (N), y combinaciones de los mismos; y el resto es hierro (Fe) e impurezas adicionales; caracterizada por una microestructura que incluye principalmente una dispersión de carburos M2C a escala nanométrica que tienen un diámetro inferior a diez nanómetros en los que M se selecciona del grupo que incluye Cr, Mo, V, W, cuando está presente Nb, cuando está presente Ta y combinaciones de los mismos

Aceros estructurales, resistentes a la corrosión, de ultra-alta resistencia, reforzados por precipitación de nanocarburos.

Referencia cruzada a solicitudes relacionadas

Esta solicitud se basa en las siguientes solicitudes estadounidenses provisionales y no provisionales que se incorporan como referencia al presente documento y para las que se reivindica prioridad: solicitud estadounidense con n.º de serie 60/267.627, presentada el 9 de febrero de 2001, titulada, "Nano-Precipitation Strengthened Ultra-High Strength Corrosion Resistant Structural Steels", solicitud estadounidense con n.º de serie 60/323.996 presentada el 21 de septiembre de 2001 titulada, "Nano-Precipitation Strengthened Ultra-High Strength Corrosion Resistant Structural Steels" y solicitud estadounidense con n.º de serie (ha de asignarse), presentada el 8 de febrero de 2002, titulada, "Nanocarbide Precipitation Strengthened Ultrahigh Strength Corrosion Resistant, Structural Steels".

Antecedentes de la invención

En un aspecto principal, la presente invención se refiere a aleaciones de acero inoxidable martensíticas de cobalto, níquel y cromo que tienen ultra-alta resistencia y resistencia a la corrosión caracterizadas por precipitados de carburo de tamaño de escala nanométrica, en particular, precipitados de M₂C.

Los principales componentes estructurales en estructuras aeroespaciales y otras de alto rendimiento están compuestos casi exclusivamente por aceros de ultra-alta resistencia debido a que el peso, tamaño y, en algunos casos, penalizaciones en los costes asociados con el uso de otros materiales es prohibitivo. Sin embargo, los aceros de ultra-alta resistencia con una resistencia a la tracción en el intervalo de al menos 240 ksi a 300 ksi (de 1650 a 2070 MPa) tienen una escasa resistencia a la corrosión general y son susceptibles de fragilidad ambiental y debida al hidrógeno.

Por tanto, para proporcionar resistencia a la corrosión general en componentes estructurales aeroespaciales y otros de acero, normalmente se emplea el cadmiado de los componentes, y cuando es necesaria resistencia al desgaste, se usa predominantemente un simple cromado. Estos recubrimientos tienen desventajas desde el punto de vista de los costes, la fabricación, el medio ambiente y la fiabilidad. En consecuencia, un objetivo en el diseño o el descubrimiento de aleaciones de acero de ultra-alta resistencia es la eliminación de la necesidad de recubrimientos de cadmio y cromo sin un déficit mecánico ni una disminución de la resistencia. Un objetivo de rendimiento para las aleaciones de la invención objeto es la sustitución de aceros estructurales que no son inoxidables por aceros inoxidables o resistentes a la corrosión que tienen resistencias a la tracción superiores a aproximadamente 240 ksi (1650 MPa), que no requieren recubrimiento de cadmio y que demuestran resistencia al desgaste sin cromado u otros recubrimientos protectores y resistentes al desgaste.

Uno de los aceros de ultra-alta resistencia más ampliamente usados para aplicaciones estructurales aeroespaciales es 300M. Esta aleación es esencialmente acero 4340 modificado para proporcionar una temperatura de revenido de fase I ligeramente superior, permitiendo de ese modo el desgasificado por calentamiento del hidrógeno de fragilización introducido durante el procesamiento. La especificación para materiales aeroespaciales AMS 6257A [SAE International, Warrendale, PA, 2001], cubre la mayor parte del uso de 300M en aplicaciones aeroespaciales. Dentro de esta especificación, las propiedades mínimas de tracción son resistencia máxima a la tracción (UTS) de 280 ksi (1930 Mpa), límite elástico (YS) de 230 ksi (1590 MPa), alargamiento del 8% y reducción del área del 30%. La tenacidad a la fractura en modo I de deformación plana promedio es de 52 ksi (57 MPa s/m) en [Philip, T. V. y T. J. McCaffrey, Ultrahigh-Strength Steels, Properties and selection: Irons. Steels, and High-Performance Alloys, Materials Park, OH, ASM International, 1: 430-448, 1990]. Se notifica que la resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión en una disolución acuosa de cloruro de sodio al 3,5% en peso es de 10 ksi surdpulgada (11 MPa s/m).

La alta resistencia a la tracción de 300M permite el diseño de componentes estructurales ligeros en sistemas aeroespaciales tales como el tren de aterrizaje. Sin embargo, la falta de resistencia a la corrosión general requiere el recubrimiento con cadmio, y la baja resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión da como resultado fallos de campo significativos debidos a fragilidad ambiental.

También pueden usarse aceros inoxidables endurecibles por precipitación, principalmente 15-5PH, [AMS 5659K, SAE International, Warrendale, PA, 1998], que se incorpora al presente documento, en componentes aeroespaciales estructurales, pero normalmente sólo en aplicaciones con cargas ligeras en las que las penalizaciones por el peso debidas a su baja resistencia no son grandes. La resistencia a la corrosión es suficiente para una aleación de este tipo de modo que puede eliminarse el cadmiado; sin embargo las propiedades mínimas de tracción de 15-5PH en la condición H900 de máxima resistencia son una UTS de sólo 190 ksi (1310 MPa) e YS de 170 ksi (1170 MPa). Esto limita la aplicación a componentes que no tienen una resistencia limitada.

Otro acero inoxidable endurecible por precipitación, Carpenter Custom 465^TM [Alloy Digest, SS-716, Materials Park, OH, ASM International, 1998], usa la precipitación intermetálica y alcanza una UTS máxima ligeramente inferior a 270 ksi (1860 MPa). A ese nivel de resistencia Custom 465^TM tiene una energía de impacto con entalla Charpy en V baja de aproximadamente 5 pies-libra (69 kg cm) [Kimmel, W. M., N. S. Kuhn, et al., Cryogenic Model Materials, 39th AIAA Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, Reno, NV, 2001]. Para la mayor parte de aplicaciones estructurales, Custom 465^TM debe usarse en una condición que limite su UTS hasta muy por debajo de 270 ksi (1860 MPa) con el fin de mantener una resistencia al impacto con entalla Charpy en V adecuada.

Campbell et al, Systems Design of High Performance Stainless Steels I, Journal of Computer Aided Design, Vol. 7, n.º 3, 2000, páginas 145-170, y Campbell et al, Systems Design of High Performance Stainless Steels II, Journal of computer Aided Design, Vol. 7, n.º 3, 2000. páginas 171-194, describen el trabajo para diseñar aceros inoxidables martensíticos de alto rendimiento que tienen como objetivo incluir una dispersión de refuerzo de carburos M₂C precipitados.

En la segunda de estas publicaciones, se afirma que el acero inoxidable martensítico prototipo de diseño CS62 tiene una composición (% en peso) tal como sigue: el 0,21% de carbono (C), el 15,51% de cobalto (Co), el 9,13% de cromo (Cr), el 1,56% de níquel (Ni), el 0,002% de molibdeno (Mo), el 0,21% de vanadio (V), el 0,011% de titanio (Ti) y pequeñas cantidades de silicio (Si), manganeso (Mn), aluminio (Al), boro (B), cerio (Ce), nitrógeno (N), oxígeno (O), fósforo (P) y azufre (S), siendo el resto hierro (Fe). Se afirma que la estructura incluye una dispersión de refuerzo de carburos M₂C.

La patente estadounidense n.º 6176946 reivindica aceros endurecidos en la superficie o en el núcleo que comprenden (% en peso): del 0,05 al 0,24% de carbono (C), del 15 al 28% de cobalto (Co), del 1,5 al 9,5% de níquel (Ni), y uno o más aditivos tomados del grupo que consiste en: aproximadamente del 3,5 al 9,0% de cromo (Cr), hasta aproximadamente el 2,5% de molibdeno (Mo), y hasta el 0,2% de vanadio (V), siendo el resto hierro (Fe). Se endurece en la superficie la mezcla en el intervalo de dureza superficial superior a aproximadamente 60 Rockwell C, o se endurece en el núcleo en el intervalo superior a aproximadamente 50 Rockwell C.

Esta patente estadounidense pone como ejemplo específicamente un acero inoxidable CS1, que tiene la composición (% en peso): del 0,05 al 0,20% de carbono (C), el 15% de cobalto (Co), el 1,5% de níquel (Ni), el 9,0% de cromo (Cr), el 0,0% de molibdeno (Mo), el 0,2% de vanadio (V), siendo el resto hierro (Fe). Se afirma que esta aleación tiene una longevidad a la fatiga L₁₀ igual o superior al acero para cojinetes M50.

La publicación de solicitud japonesa sin examinar n.º 6065692 reivindica un acero inoxidable endurecible por precipitación que tiene alta resistencia y alta tenacidad, que tiene una composición (% en peso): del 0,05 al 0,25% de carbono (C), del 10 al 15% de cobalto (Co), del 1,5 al 9,5% de níquel (Ni), del 10 al 16% de...

1. Aleación de acero inoxidable martensítica que consiste, en combinación, en peso, en: del 0,1 al 0,3% de carbono (C), del 8 al 17% de cobalto (Co), del 6 al 12% de cromo (Cr), del 2,0 hasta e incluyendo el 5% de níquel (Ni), del 1,0 hasta menos del 3% de molibdeno (Mo), menos del 3% de tungsteno (W) en una cantidad para formar carburos M₂C de base de Cr-Mo-W, del 0,1 hasta menos del 0,8% de vanadio (V), menos del 0,3% de niobio (Nb), del 0,1 al 0,05% de titanio (Ti) y opcionalmente menos del 1% de silicio (Si), menos del 0,5% de manganeso (Mn), menos del 0,15% de cobre (Cu), menos del 0,2% de tántalo (Ta), menos del 0,2% de lantano (La) u otros elementos de las tierras raras, menos del 0,15% de zirconio (Zr), menos del 0,005% de boro (B), menos del 0,02% de azufre (S), menos del 0,012% de fósforo (P), menos del 0,015% de oxígeno (O), menos del 0,015% de nitrógeno (N), y combinaciones de los mismos; y el resto es hierro (Fe) e impurezas adicionales; caracterizada por una microestructura que incluye principalmente una dispersión de carburos M₂C a escala nanométrica que tienen un diámetro inferior a diez nanómetros en los que M se selecciona del grupo que incluye Cr, Mo, V, W, cuando está presente Nb, cuando está presente Ta y combinaciones de los mismos.

2. Aleación según la reivindicación 1, en la que más del 85% en peso del contenido en carbono de la aleación comprende dichos carburos M₂C a escala nanométrica.

3. Aleación según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, teniendo la aleación una temperatura de inicio martensítica (M₃) medida mediante dilatometría de templado y un factor de transformación del 1%, superior a aproximadamente 150ºC.

4. Aleación según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, comprendiendo dicha aleación Cr y Co en combinación con carburos M₂C para proporcionar una capa de pasivación resistente a la corrosión rica en Cr.

5. Aleación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que tiene una resistencia máxima a la tracción (UTS) superior a 240 ksi (1650 MPa).

6. Aleación según la reivindicación 5, en la que la UTS es superior a 260 ksi (1790 MPa).

7. Aleación según la reivindicación 6, en la que la UTS es superior a 280 ksi (1930 MPa).

8. Aleación según la reivindicación 5, que tiene un límite elástico (YS) superior a 200 ksi (1380 MPa).

9. Aleación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la microestructura está sustancialmente libre de fases intermetálicas con empaquetamiento topológicamente compacto (TCP).

10. Aleación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, teniendo la aleación una capa de superficie de pasivación de Cr y teniendo una tasa de corrosión anual, medida mediante mediciones de polarización lineal en una disolución acuosa de cloruro de sodio al 3,5% en peso, equivalente o inferior a la tasa determinada para acero inoxidable 15-5PH (condición H900).

11. Aleación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, incluyendo la aleación, en peso, uno o más de: silicio (S) en una cantidad inferior al 1%, niobio (Nb) en una cantidad inferior al 0,3%, titanio (Ti) en una cantidad inferior al 0,2%, lantano (La) u otros elementos de las tierras raras en una cantidad inferior al 0,2%, zirconio (Zr) en una cantidad inferior al 0,15% y boro (B) en una cantidad inferior al 0,005%.

12. Aleación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que La o Ce, O y S están presentes como compuesto de adsorción de La₂O₂S o Ce₂O₂S.

13. Aleación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que un elemento seleccionado del grupo que consiste en C, Mo y cuando está presente B proporciona un elemento de potenciación de la cohesión de límite de grano.

14. Aleación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, estando la aleación revenida hasta una dureza superior a aproximadamente 45 Rockwell C.

15. Aleación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, estando la aleación endurecida en la superficie hasta una dureza superficial superior a aproximadamente 60 Rockwell C.

16. Aleación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, teniendo la aleación una razón de tenacidad/resistencia, K_ID/s_y1 superior o igual a 0,21 surdpulgadas (0,033 surdm), en la que K_IC es la tenacidad a la fractura de la aleación y s_y es el límite elástico.

17. Aleación según la reivindicación 1, que comprende, en combinación, en peso, del 0,20 al 0,25% de carbono (C), del 12 al 15% de cobalto (Co), del 2,0 al 3,0% de níquel (Ni), del 7,0 al 8,0% de cromo (Cr), del 1,0 al 3,0% de molibdeno (Mo), tungsteno (W) presente en una cantidad de menos del 2,5%, menos del 0,75% de silicio (Si) y vanadio (V) presente en una cantidad de menos del 0,8%, siendo el resto esencialmente hierro (Fe) e impurezas adicionales.

18. Uso de la aleación según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17 como material de un componente aeroespacial estructural.

19. Uso según la reivindicación 18, en el que el componente aeroespacial estructural es el tren de aterrizaje.