Acero inoxidable ferrítico con 19% de cromo estabilizado con niobio.

Plancha de acero inoxidable ferrítico donde la composición incluye, las proporciones estando expresadas en pesos: siendo entendido que: C

Acero inoxidable ferrítico con 19% de cromo estabilizado con niobio.

La invención se refiere a un acero inoxidable ferrítico, con 19% Cr estabilizado con niobio, y su utilización para piezas sometidas a elevadas temperaturas, en particular a más de 950-1000ºC.

Para ciertas aplicaciones tales como las piezas situadas en las partes calientes de las líneas de escape para el automóvil, se busca simultáneamente una buena resistencia a la oxidación y un buen comportamiento mecánico a una alta temperatura: características mecánicas elevadas, buenos comportamientos a la fluencia y la fatiga térmica. El comportamiento mecánico a una alta temperatura debe estar igualmente adaptado a los ciclos térmicos asociados a las fases de aceleración-desaceleración de los motores. Además ciertas partes tales como los colectores de gas de escape requieren una buena capacidad de formación en frío para ser conformados por plegado o hidroplastia.

Diferentes tipos de acero inoxidable austenítico o ferrítico han sido propuestos para responder a las exigencias específicas de las diferentes zonas de la línea de escape. Se ha notado en particular un desarrollo de ciertos tipos de aceros inoxidables ferríticos: esto se debe a que tiene un costo menos elevado que aquel de los aceros austeníticos o refractarios, así como a su mejor comportamiento a la oxidación cíclica, éste último punto resultante de una diferencia de coeficiente de dilatación entre el acero y la capa superficial de óxidos menor para los aceros ferríticos que para los aceros austeníticos. Se conocen así aceros inoxidables ferríticos al 17% Cr estabilizados con 0,14% de titanio y 0,5% de niobio (tipo EN 1.4509, AISI 441). Este tipo de matiz sin embargo no está adaptado a las partes más calientes de las líneas de escape cuando las temperaturas son superiores a 950ºC, ya que su resistencia a la fluencia es insuficiente y la oxidación a una alta temperatura se produce de manera excesiva. Se conocen igualmente aceros inoxidables ferríticos al 14% Cr estabilizados con 0,5% de niobio sin titanio (tipo EN 1.4595). Estos presentan un comportamiento a una alta temperatura equivalente a aquella de los tipos precedentes, pero una mejor aptitud para la conformación. Sin embargo la temperatura máxima de utilización sigue siendo 950ºC. Según EP-AI-1083241 una precipitación fija a los niveles de las juntas del grano de la fase Fe₂Nb₃ asegura un buen comportamiento a la fluencia para un acero ferrítico con bajo cromo. La influencia de Nb no combinado sobre las propiedades mecánicas como la fluencia de los aceros ferríticos es señalada en los documentos US-A-4726853 ó EP-AI-478790.

La presente invención tiene como propósito resolver los problemas mencionados más arriba. Pretende en particular poner a disposición un acero inoxidable ferrítico que presenta un buen comportamiento al calor, lo que quiere decir una resistencia elevada a la fluencia, a la fatiga térmica y a la oxidación a temperaturas de oxidación periódica superiores a 950ºC así como una aptitud a la conformación en frío cercana a la de los tipos existentes. Para este propósito, la invención tiene como objeto una plancha de acero inoxidable ferrítico cuya composición comprende, las proporciones siendo expresadas en peso: C ≤q 0,03%, Mn ≤q 1%, 0,3 ≤q Si ≤q 1%, S ≤q 0,01%, P ≤q 0,04%, 18% ≤q Cr ≤q 22%, Ni ≤q 0,5%, Mo ≤q 2,5%, Cu ≤q 0,5%, Ti ≤q 0,02%, Zr ≤q 0,02%, Al ≤q 0,02%, 0,2% ≤q Nb ≤q 1%, V ≤q 0,2%, N ≤q 0,03%, 0,005% ≤q Co ≤q 0,05%, Sn ≤q 0,05%, el resto de la composición estando constituida por hierro e impurezas inevitables resultantes de la elaboración, las proporciones de titanio, aluminio y circonio satisfaciendo la relación: Ti + Al + Zr ≤q 0,030%, las proporciones de silicio y cromo satisfaciendo la relación: Cr + 5 Si ≥q 20%, las proporciones de niobio, carbono, nitrógeno y molibdeno satisfaciendo la relación: Mo + 3(Nb-7C-7N) ≥q 1,5%, las proporciones de titanio y vanadio satisfaciendo la relación: V + 10 Ti ≥q 0,06%.

Preferentemente, la plancha de acero contiene una precipitación intergranular que comprende al menos 80% de compuestos Fe₂Nb₃ cúbicos.

Preferentemente además, la fracción lineal f de las juntas de granos ferríticos que presenta una precipitación de compuestos Fe₂Nb₃ cúbicos, es superior o igual al 5%.

Según un modo preferido, la estructura es enteramente recristalizada y el tamaño promedio de grano ferrítico del acero está comprendido entre 10 y 60 micrómetros.

La invención tiene igualmente como objeto un procedimiento de fabricación de una plancha de acero inoxidable ferrítico, de acuerdo al cual:

- se aprovisiona un acero de composición descrita más arriba,

- se procede a la colada de un semiproducto a partir de este acero,

- se lleva el semiproducto a una temperatura superior a 1000ºC,

- se lamina al calor el semiproducto de forma que se obtenga una plancha laminada al calor,

- se lamina en frío la plancha, y después

- se recoce la plancha laminada en frío a una temperatura T_R comprendida entre 1030 y 1130ºC y una duración t_R comprendida entre 10 segundos y 3 minutos.

Los parámetros T_R y t_R son escogidos de tal forma que se obtenga una estructura completamente recristalizada con un tamaño de grano comprendido entre 10 y 60 micrómetros.

La invención tiene igualmente como objeto la fabricación de una pieza según la cual se aprovisiona una plancha de acero inoxidable ferrítico fabricada según el procedimiento mencionado más arriba, se forma la plancha para obtener una pieza, y después se somete la pieza a uno ó mas ciclos térmicos en un campo de temperaturas comprendidas entre 650 y 1050ºC con una duración acumulada superior a 30 minutos.

La invención tiene igualmente como objeto la utilización de una plancha de acero según las características descritas más arriba, para la fabricación de piezas sometidas a una temperatura de utilización periódica superior a 950ºC, y especialmente de colectores de escape de gas de combustión en el campo del automóvil, de quemadores, de intercambiadores de calor, de envolturas de turbocompresores, o de calderas.

Otras características y ventajas de la invención aparecerán en el curso de la descripción dada más abajo a modo de ejemplo y hecha con referencia a las figuras anexas siguientes:

- La figura 1 define esquemáticamente la fracción lineal f de las juntas de granos ferríticos que comprende una precipitación de Fe₂Nb₃ cúbicos.

- La figura 2 presenta la influencia de la fracción f sobre el comportamiento en la fluencia.

- La figura 3 presenta una observación en Microscopía Electrónica de Transmisión de precipitados cúbicos Fe₂Nb₃ en una plancha laminada en frío y recocida de un acero de acuerdo a la invención, después de un tratamiento de 100 h a 1000ºC.

- Las figuras 4 y 5 presentan respectivamente clichés de difracción electrónica y clichés teóricos de acuerdo al eje de zona de estos precipitados Fe₂Nb₃.

- La figura 6 presenta una observación en Microscopía Electrónica de Transmisión de precipitados hexagonales Fe₂Nb en una plancha laminada en frío y recocida de un acero de referencia, después de un tratamiento de 100 h a 1000ºC.

- Las figuras 7 y 8 presentan respectivamente clichés de difracción electrónica y clichés teóricos de acuerdo al eje de zona de esos precipitados Fe₂Nb.

En lo que concierne a la composición química del acero, el carbono aumenta las características mecánicas a alta temperatura, en particular la resistencia a la fluencia. Sin embargo dada su solubilidad tan débil en la ferrita, el carbono tiende a precipitarse en forma de carburos M₂₃C₆ ó M₇C₃ a una temperatura inferior a 900ºC aproximadamente. Esta precipitación generalmente situada en las juntas de los granos puede conducir a un empobrecimiento en cromo en la vecindad de sus juntas y así pues a una sensibilización... [Seguir leyendo]

1. Plancha de acero inoxidable ferrítico donde la composición incluye, las proporciones estando expresadas en pesos:

C ≤q 0,03%

Mn ≤q 1%

0,3 ≤q Si ≤q 1%

S ≤q 0,01%

P ≤q 0,04%

18%≤q Cr ≤q 22%

Ni ≤q 0,5%

Mo ≤q 2,5%

Cu ≤q 0,5%

Ti ≤q 0,02%

Zr ≤q 0.02%

Al ≤q 0,02%

0,2% ≤q Nb ≤q 1%

V ≤q 0,2%

N ≤q 0,03%

0,005% ≤q Co ≤q 0,05%

Sn≤q 0,05%

siendo entendido que:

Ti + Al + Zr ≤q 0,030%

Cr + 5 Si ≥q 20%

Mo + 3(Nb-7C-7N) ≥q 1,5%

V + 10 Ti ≥q 0,06%

el resto de la composición estando constituido por hierro e impurezas inevitables resultantes de la elaboración.

2. Pieza fabricada a partir de una plancha de acero de acuerdo a la reivindicación 1 caracterizada porque comprende una precipitación intergranular que incluye al menos 80% de compuestos Fe₂Nb₃ cúbicos

3. Pieza de acuerdo a la reivindicación 2, caracterizada porque la fracción lineal f de juntas del grano ferríticos que presentan una precipitación de compuestos Fe₂Nb₃ cúbicos, es superior o igual a 5%, la fracción está definida por f = \frac{∑_(S) \ di}{∑_(S) \ Li}, \hskip0.1cm ∑\limits_(S) di designa la longitud total de las juntas de granos que comprende los precipitados Fe₂Nb₃ relativa- mente en la superficie (S) considerada y ∑\limits_(S) Li representa la longitud total de las juntas de granos.

4. Plancha o pieza de acero de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 donde la estructura es enteramente recristalizada y el tamaño promedio del grano ferrítico está comprendido entre 10 y 60 micrómetros.

5. Procedimiento de fabricación de una plancha de acero inoxidable ferrítico, de acuerdo al cual:

- se aprovisiona un acero de composición de acuerdo a la reivindicación 1,

- se procede a la colada de un semiproducto a partir de este acero,

- se lleva el semiproducto a una temperatura superior a 1000ºC,

- se lamina al calor el semiproducto de forma que se obtenga una plancha laminada en caliente,

- se lamina en frío dicha plancha, y después

- se recoce dicha plancha laminada en frío a una temperatura de T_R comprendida entre 1030 y 1130ºC y una duración t_R comprendida entre 10 segundos y 3 minutos, para obtener una estructura completamente recristalizada con un tamaño de grano ferrítico comprendido entre 10 y 60 micrómetros.

6. Procedimiento de fabricación de una pieza de acuerdo al cual se aprovisiona una plancha de acero inoxidable ferrítico fabricado de acuerdo a la reivindicación 5, y luego

- se forma dicha plancha para obtener una pieza, después

- se somete dicha pieza a uno ó mas ciclos térmicos en un campo de temperaturas comprendidas entre 650 y 1050ºC con una duración acumulada superior a 30 minutos.

7. Utilización de la plancha de acero de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 4, o fabricada de acuerdo a un procedimiento de acuerdo a la reivindicación 5 para la fabricación de piezas sometidas a una temperatura de utilización periódica superior a 950ºC, y especialmente de colectores de escape de gas de combustión en el campo automóvil, de quemadores, de intercambiadores de calor, de envolturas de turbocompresores, de calderas.