Acero inoxidable ferrítico que presenta excelente resistencia térmica.

Acero ferrítico inoxidable comprende:

C en un 0,015% en masa o menos;

Si en un 0,4 a 1,0% en masa;

Mn en un 1,0% en masa o menos;

P en un 0,040% en masa o menos;

S en un 0,010% en masa o menos;

Cr entre un 16 y un 23% en masa;

Al entre un 0,2 y un 1,0% en masa;

N en un 0,015% en masa o menos;

Cu entre un 1,0 y un 2,5% en masa;

Nb entre un 0,3 y un 0,65% en masa;

Ti en un 0,5% en masa o menos;

Mo en un 0,1% en masa o menos; W en un 0,1% en masa o menos; y uno o dos o más seleccionados de B entre un 0,0005 y un 0,003% en masa, Co entre un 0,005 y un 0,5% en masa, Ni entre un 0,05 y un 0,5% en masa, cumpliendo el Si y el Al la relación Si (% en masa) ≥ Al (% en masa); y opcionalmente uno o dos o más seleccionados de REM en un 0,08% en masa o menos, Zr en un 0,50% en masa o menos, V en un 0,5% en masa o menos; y

Fe e impurezas inevitables como resto.

Acero inoxidable ferrítico que presenta excelente resistencia térmica

Campo técnico La presente invención se refiere a aceros que contienen Cr, en particular a aceros inoxidables ferríticos, que presentan altos niveles de propiedad de fatiga térmica (o resistencia a la fatiga térmica) , resistencia a la oxidación, y una propiedad de fatiga a alta temperatura (o resistencia a la fatiga a alta temperatura) y pueden utilizarse adecuadamente en elementos de sistemas de escape de alta temperatura, tales como tubos de escape y carcasas de convertidores para automóviles y motocicletas y conductos de aire de escape de centrales termoeléctricas.

Antecedentes Los elementos del sistema de escape de un automóvil, incluyendo un colector de escape, un tubo de escape, una carcasa de convertidores, y un silencioso, requieren tener altos niveles de resistencia a la oxidación, la propiedad de fatiga térmica, y la propiedad de fatiga a altas temperaturas (en adelante denominado colectivamente "resistencia térmica") . En el inicio y la parada del funcionamiento del motor, los elementos del sistema de escape se calientan y se enfrían repetidamente. Estos elementos están restringidos por los elementos circundantes y, por lo tanto, su expansión y contracción térmica están restringidas. En consecuencia, el material en sí experimenta una tensión térmica, y esta tensión térmica provoca fenómenos de fatiga térmica. La fatiga térmica que se menciona aquí representa este tipo de fenómeno de fatiga. Mientras un motor está en funcionamiento, los elementos del sistema de escape se calientan y están sometidos a vibraciones. Estas vibraciones producen una acumulación de tensiones lo que también da lugar a fenómenos de fatiga. La fatiga a alta temperatura mencionada anteriormente representa este tipo de fenómeno de fatiga. El primero es la fatiga de ciclo bajo, mientras que el segundo es la fatiga de ciclo alto; éstos son tipos de fenómenos de fatiga completamente diferentes.

Como materiales para tales elementos que requieren una resistencia térmica como se ha indicado anteriormente, se actualmente utilizan ampliamente aceros que contienen Cr tales como el Tipo 429 que contiene Nb y Si (sistema 14Cr-0, 9Si-0, 4Nb) . Sin embargo, el mejor rendimiento de los motores ha incrementado la temperatura de los gases de escape a un nivel superior a 900 º C, por lo que es imposible lograr totalmente los requisitos de rendimiento, en particular, la propiedad de fatiga térmica, con el Tipo 429.

Se han desarrollado algunos materiales para hacer frente a este problema, incluyendo aceros que contienen Cr los cuales contienen Nb y Si para una mejor tensión a prueba de altas temperaturas, el SUS444 (19Cr-0, 5Nb-2Mo) especificado en JIS G4305, y aceros inoxidables ferríticos que contienen Nb, Mo, y W (por ejemplo, véase el documento de patente 1) . Sin embargo, el reciente aumento terriblemente brusco y la fluctuación de los precios de Mo, W, y otros metales raros ha hecho necesario el desarrollo de materiales que puedan ser elaborados a partir de materias primas baratas y tengan una resistencia térmica comparable a la de los materiales mencionados anteriormente.

Un ejemplo de materiales altamente resistentes al calor y que no contienen elementos costosos tales como Mo y W es el que se describe en el documento de patente 2, un acero inoxidable ferrítico para conductos de flujos de gas de escape de automóviles, que se basa en un acero que contiene Cr en un 10 a 20% en masa y que contiene además Nb en un 0, 50% en masa o menos, Cu en un 0, 8 a 2, 0% en masa, y V en un 0, 03 a 0, 20% en masa. Otro ejemplo es el que se describe en el documento de patente 3, un acero inoxidable ferrítico con una excelente propiedad de fatiga térmica, que se basa en un acero que contiene Cr en un 10 a 20% en masa y contiene además Ti en un 0, 05 a 0, 30% en masa, Nb en un 0, 10-0, 60 % en masa, Cu en un 0, 8 a 2, 0% en masa, y B en un 0, 0005 a 0, 02% en masa. Todavía, otro ejemplo es el que se describe en el documento de patente 4, un acero inoxidable ferrítico para componentes de un sistema de escape de un automóvil, que se basa en un acero que contiene Cr en un 15 a 25% en masa y contiene además Cu en un 1 a 3% en masa. Estos aceros contienen todos Cu para mejorar la propiedad de fatiga térmica.

Desafortunadamente, la adición de Cu como en los documentos de patente 2, 3, y 4 mejora ciertamente la propiedad de fatiga térmica pero, por otra parte, reduce significativamente la resistencia a la oxidación, terminando con una reducción de la resistencia térmica global. Peor aún, los aceros que contienen Cu pueden carecer en cierta medida de la propiedad de fatiga térmica durante su uso en determinadas condiciones de temperatura.

Algunas otras publicaciones de patente han descrito aceros inoxidables ferríticos que contienen Al para obtener mejores características. Un ejemplo es el que se describe en el documento de patente 5, un acero inoxidable ferrítico para sistemas de escape de automóviles, que se basa en un acero que contiene Cr en un 13 a 25% en masa y contiene, además, Ni en un 0, 5% en masa o menos, V en un 0, 5% en masa o menos, Nb entre > 0, 5 y un 1, 0% en masa, Ti entre 3 x (C + N) y un 0, 25% en masa, y Al entre un 0, 2 y un 2, 5% en masa; la adición de Al contribuye a una mayor resistencia a altas temperaturas. Otro ejemplo es el que se describe en el documento de patente 6, un acero inoxidable ferrítico resistente al calor como soporte de catalizador, que se basa en un acero que contiene Cr entre un 10 y un 25% en masa y, además, contiene Al entre un 1 y un 2, 5% en masa y Ti entre 3 x (C + N) y 20 x (C + N) ; el Al añadido forma una capa de Al2O3 que proporciona una excelente resistencia a la oxidación. Todavía otro ejemplo es el que se describe en el documento de patente 7, un acero inoxidable ferrítico resistente al calor para hidroformación, que se basa en un acero que contiene Cr entre un 6 y un 20% en masa y contiene, además, Ni en un 2% en masa o menos, O en un 0, 008% en masa o menos, y uno cualquiera o dos o más de Ti, Nb, V y Al en un 1% en masa o menos en total; el Ti, Nb, V, y/o Al añadidos fija C y N y forma un carbonitruro para reducir el inconveniente de C y N, haciendo que el acero sea más conformable.

Desafortunadamente, el Al, cuando se añade a un acero con un bajo contenido en Si como en el documento de patente 5, forma preferiblemente un óxido o un nitruro y se disuelve en sólido en una cantidad reducida, haciendo que el acero carezca ligeramente de resistencia a alta temperatura. Además, si el Al está presente en el acero en un alto contenido superior a un 1, 0%, como en el documento de patente 6, se reduce significativamente la trabajabilidad a temperatura ambiente y también provoca una reducción de la resistencia a la oxidación en lugar de mejorarla debido a una alta afinidad de unión al oxígeno. El acero descrito en el documento de patente 7, que no contiene ni Cu ni Al o los contiene solamente en un bajo contenido, carece en cierto modo de resistencia térmica.

El documento de patente 8 describe un acero inoxidable ferrítico excelente en términos tanto de resistencia a la oxidación como de resistencia a la fatiga térmica sin añadir elementos costosos tales como Mo o W. Además, los aceros inoxidables ferríticos resistentes al calor son conocidos del documento de patente 9 y el documento de patente 10.

Documentos de patente [Documento de Patente 1] Publicación de la solicitud de patente japonesa no examinada nº 2004-018921 [Documento de Patente 2] Publicación Internacional nº WO 2003/004714 [Documento de Patente 3] Publicación de la solicitud de patente japonesa no examinada nº 2006-117985 [Documento de Patente 4] Publicación de la solicitud de patente japonesa no examinada nº 2000-297355 [Documento de Patente 5] Publicación de la solicitud de patente japonesa no examinada nº 2008-285693 [Documento de Patente 6] Publicación de la solicitud de patente japonesa no examinada nº 2001-316773 [Documento de Patente 7] Publicación de la solicitud de patente japonesa no examinada nº 2005-187857 [Documento de Patente 8] Solicitud de patente europea nº EP 2 166 120 A1 [Documento de Patente 9] JP 2009 235555 A [Documento de Patente 10] Patente americana US 4 331 474 A

Descripción de la invención Problema técnico Sin embargo, la investigación de los presentes inventores ha revelado que, al igual que con los aceros descritos en los documentos de patente 2 a 4 que se han mencionado anteriormente, la adición de Cu para mejorar la resistencia térmica mejora ciertamente la propiedad de fatiga térmica pero, por otra parte, reduce significativamente la resistencia a la oxidación del propio acero en lugar de mejorarla y con frecuencia termina con una resistencia... [Seguir leyendo]

1. Acero ferrítico inoxidable comprende:

C en un 0, 015% en masa o menos; Si en un 0, 4 a 1, 0% en masa; Mn en un 1, 0% en masa o menos; P en un 0, 040% en masa o menos; S en un 0, 010% en masa o menos; Cr entre un 16 y un 23% en masa; Al entre un 0, 2 y un 1, 0% en masa; N en un 0, 015% en masa o menos; Cu entre un 1, 0 y un 2, 5% en masa; Nb entre un 0, 3 y un 0, 65% en masa; Ti en un 0, 5% en masa o menos; Mo en un 0, 1% en masa o menos; W en un 0, 1% en masa o menos; y uno o dos o más seleccionados de B entre un 0, 0005 y un 0, 003% en masa, Co entre un 0, 005 y un 0, 5% en masa, Ni entre un 0, 05 y un 0, 5% en masa, cumpliendo el Si y el Al la relación Si (% en masa) ≥ Al (% en masa) ; y opcionalmente uno o dos o más seleccionados de REM en un 0, 08% en masa o menos, Zr en un 0, 50% en masa o menos, V en un 0, 5% en masa o menos; y Fe e impurezas inevitables como resto.

2. Acero inoxidable ferrítico según la reivindicación 1, en el que el contenido de Ti supera un 0, 15% en masa pero no es mayor de un 0, 5% en masa.

3. Acero inoxidable ferrítico según la reivindicación 1, en el que el contenido de Ti es un 0, 01% en masa o menos.

4. Acero inoxidable ferrítico según la reivindicación 1 ó 2, en el que el contenido de V está en el intervalo entre un 0, 01 y un 0, 5% en masa.

A ALTA TEMPERATURA (x105 CICLOS)

OXIDACIÓN