ES2355171T3 - Material de acero inoxidable ferrítico para los componentes del pasaje del gas de escape de un automóvil. - Google Patents
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Abstract
Un material de acero inoxidable ferrítico que tiene resistencia térmica y tenacidad a baja temperatura excelentes para los componentes del pasaje del gas de escape de un automóvil, que tiene una composición que comprende, en términos de % en masa, como máximo el 0,03% de C, como máximo el 1% de Si, del 0,6 al 2% de Mn, como máximo el 3% de Ni, del 10 al 25% de Cr, del 0,3 al 0,7% de Nb, de más del 1 al 2% de Cu, del 1 al 2,5% de Mo, del 1 al 2,5% de W, como máximo el 0,15% de Al, del 0,03 al 0,2% de V, como máximo el 0,03% de N y, opcionalmente, al menos uno de los siguientes: al menos uno de Ti y Zr en una cantidad de menos del 1% en total, B en una cantidad de como máximo el 0,02%, Co en una cantidad de como máximo el 2%, y al menos uno de ETR (elemento de tierras raras) y Ca en una cantidad de como máximo el 0,1% en total, con el resto hasta el total de Fe e impurezas inevitables, y que satisface las siguientes fórmulas (1) y (2), y que tiene una textura donde la cantidad total de Nb y Mo existentes como una fase de precipitación es como máximo el 0,2% en masa: (1),1,2Nb + 5Mo + 6Cu >=q 11,5(2).15Nb + 2Mo + 0,5Cu >=q 10,5
Description
Material de acero inoxidable ferrítico para los
componentes del pasaje del gas de escape de un automóvil.
La presente invención se refiere a un material
de acero inoxidable ferrítico para su uso como los componentes del
pasaje del gas de escape de un automóvil, en particular a un
material de acero inoxidable ferrítico para su uso como los
componentes del pasaje del gas de escape de un automóvil, que tiene
resistencia térmica excelente y tenacidad a baja temperatura
favorable para los componentes del pasaje del gas de escape
corriente arriba, donde la temperatura del material puede estar por
encima de 900ºC o, adicionalmente, por encima de 950ºC, por
ejemplo, colectores de escape, conversores catalíticos, tubos
delanteros y similares.
Hasta ahora, dos especies típicas de acero
ferrítico se han usado apropiadamente para los componentes del
pasaje del gas de escape de un automóvil, dependiendo del intervalo
de temperatura de servicio de los componentes. Una es una especie
de acero, tal como típicamente acero SUS429, aplicado principalmente
a los componentes cuya temperatura final máxima del material puede
estar a un nivel de 750ºC; y la otra es una especie de acero, tal
como típicamente acero SUS444, aplicado principalmente a los
componentes cuya temperatura final máxima del material puede estar
a un nivel de 850ºC.
Para satisfacer los recientes requisitos de
control de emisiones y regulación de kilometraje, las temperaturas
del gas de escape tienden a ser más altas, y suponiendo que la
temperatura del material en los componentes del pasaje del gas de
escape corriente arriba puede subir realmente hasta aproximadamente
1000ºC, puede ser de esperar que los requisitos para materiales
resistentes al calor aumenten para estos componentes. El acero
SUS444 convencional (acero
18Cr-2Mo-0,5Nb) sería difícil de
aplicar a los componentes que se exponen a dichas altas
temperaturas. Para que los materiales sean duraderos al usarlos a
dichas temperaturas tan altas, aquellos que meramente tienen una
alta resistencia a tracción a altas temperaturas no son suficientes,
y es una cuestión importante que el límite elástico al 0,2% de los
materiales a alta temperatura, que es un índice de la tensión a la
que los materiales empiezan a experimentar deformación plástica, sea
alto.
Con el aumento de los diversos dispositivos que
hay que ajustar en una sala de máquinas, la limitación al espacio
de alojamiento para los componentes del pasaje del gas de escape
está aumentando cada vez más. Por consiguiente, se requiere que los
componentes del pasaje del gas de escape corriente arriba tengan una
excelente operabilidad en diversas formas. En particular, no solo
como planchas sino también como tubos, se requiere que los
componentes tengan una excelente operabilidad duradera para un
trabajado duro en formas complicadas. Además, también se requiere
que los componentes del pasaje del gas de escape tengan buena
tenacidad a baja temperatura.
Hasta ahora, diversos aceros inoxidables
ferríticos que tienen resistencia térmica mejorada, tales como
aquellos mencionados más adelante, se han desarrollado y se han
llevado a un uso práctico.
- La Referencia de Patente 1 muestra un acero inoxidable ferrítico cuya composición y textura están controladas de manera que puede tener, seguramente, una cantidad suficiente de Nb en solución sólida para que sea duradero para usarlo en un intervalo de temperatura por encima de 900ºC, y puede tener una resistencia a tracción de 20 MPa a 950ºC. Sin embargo, no hay descripción alguna respecto al límite elástico al 0,2%, y la durabilidad del acero en un caso en el que la temperatura del material haya subido realmente hasta aproximadamente 1000ºC no está confirmada. En esto, no se toma ninguna consideración especial para la resistencia a fatiga térmica y tenacidad a baja temperatura.
- La Referencia de Patente 2 muestra un acero inoxidable ferrítico que tiene una excelente resistencia a alta temperatura a 900ºC y que tiene excelente tenacidad a baja temperatura. Sin embargo, ésta no tiene una descripción relacionada con límite elástico al 0,2%, y en ella, las medidas para un aseguramiento suficientemente de la durabilidad en un caso en el que la temperatura del material haya subido realmente hasta 1000ºC o así, no siempre puede decirse que sean satisfactorias.
- La Referencia de Patente 3 describe un acero inoxidable ferrítico que tiene buena resistencia a alta temperatura a 950ºC y buena operabilidad. Sin embargo, ésta no muestra nada relacionado con el límite elástico al 0,2%, y en ésta, no hay certeza de que el material pueda ser o no realmente duradero a una exposición a aproximadamente 1000ºC o así. No se toma una consideración especial para la tenacidad a baja temperatura.
- La Referencia de Patente 4 muestra una aleación de Fe-Cr cuyo coeficiente de expansión térmica es reducido. Sin embargo, no hay intención de mejorar la resistencia a alta temperatura del material en un intervalo de temperatura de aproximadamente 1000ºC o así.
- La Referencia de Patente 5 describe un acero inoxidable ferrítico que tiene excelente resistencia a fatiga térmica y buena tenacidad a baja temperatura. En ésta, sin embargo, el material se evaluó para la resistencia a alta temperatura en términos del límite elástico al 0,2% del mismo a 600ºC, y su durabilidad no está clara en un caso en el que la temperatura del material haya subido realmente hasta aproximadamente 1000ºC.
- La Referencia de Patente 6 muestra un acero inoxidable ferrítico para los componentes del sistema del gas de escape a usar a una temperatura de no menos de 700ºC. Respecto a la resistencia a alta temperatura, sin embargo, ésta solo muestra los datos de resistencia a tracción del material a 600ºC y 850ºC, y no está claro si el material podría resistir o no una exposición a temperaturas de 1000ºC o así. Además, ésta no posee una descripción respecto a la tenacidad a baja temperatura.
- La Referencia de Patente 7 es una solicitud del mismo solicitante que el de la presente solicitud, y describe un acero inoxidable ferrítico que contiene más del 1 al 2% de Cu y no más del 0,5% de Nb, que adicionalmente opcionalmente contiene en un total no más del 4% de Mo y W. No hay una enseñanza sobre la característica de las relaciones entre Mo, Nb y Cu que efectúe un aumento de la resistencia a alta temperatura a un nivel de 1000ºC, mientras mantiene alta la resistencia a alta temperatura del mismo a un nivel de 600ºC.
- Referencia de Patente 1: JP 2959934
- Referencia de Patente 2: JP 2696584
- Referencia de Patente 3: JP 3468156
- Referencia de Patente 4: JP 2005-206944A
- Referencia de Patente 5: JP 2006-117985A
- Referencia de Patente 6: JP 2000-303149A
- Referencia de Patente 7: EP 1 930 461 A. El documento EP 478790 describe también un acero resistente al calor con una tenacidad a baja temperatura mejorada, que tiene 1,0-4,5 Mo, 0,1-2,5 Cu y, opcionalmente, volframio.
Un procedimiento capaz de producir de forma
estable un material que presente una excelente durabilidad cuando
se usa a una temperatura por encima de 900ºC y satisfaga tanto una
buena tenacidad a baja temperatura como una buena operabilidad, aún
no se ha establecido (véanse las Referencias de Patente
anteriores).
Un objetivo de la presente invención es
proporcionar un material de acero inoxidable ferrítico para los
componentes del pasaje del gas de escape de un automóvil, que
satisfaga simultáneamente el límite elástico al 0,2% a una alta
temperatura de 1000ºC, resistencia a fatiga térmica, tenacidad a
baja temperatura y operabilidad, todo a un alto nivel y que,
incluso cuando se usa en la condición en la que la temperatura del
material realmente alcanza un intervalo de alta temperatura, de
mayor de 900ºC e incluso mayor de 950ºC, aún presenta una
durabilidad excelente.
Para conseguir el objetivo anterior, la
invención proporciona un material de acero inoxidable ferrítico que
tiene excelente resistencia térmica y tenacidad a baja temperatura
para los componentes del pasaje del gas de escape de un automóvil,
que tiene una composición que básicamente contiene, en términos de %
en masa, como máximo el 0,03% de C, como máximo el 1% de Si, del
0,6 al 2% de Mn, como máximo el 3% de Ni, del 10 al 25% de Cr, del
0,3 al 0,7% de Nb, de más del 1 al 2% de Cu, del 1 al 2,5% de Mo,
del 1 al 2,5% de W, como máximo el 0,15% de Al, del 0,03 al 0,2% de
V, y como máximo el 0,03% de N, y que opcionalmente contiene al
menos uno de Ti y Zr en una cantidad de menos del 1% en total, o
que adicionalmente contiene al menos uno de B en una cantidad de
como máximo el 0,02% y Co en una cantidad de como máximo el 2%, o
que adicionalmente contiene al menos uno de ETR (elemento de
tierras raras) y Ca en una cantidad de como máximo el 0,1% en total,
con el resto hasta el total de Fe e impurezas inevitables,
satisfaciendo la composición las siguientes fórmulas (1) y (2), y
que tiene una textura en la que la cantidad total de Nb y Mo que
existe como una fase de precipitación es como máximo el 0,2% en
masa:
(1),1,2Nb + 5Mo
+ 6Cu \geq
11,5
(2).15Nb + 2Mo
+ 0,5Cu \geq
10,5
En las fórmulas (1) y (2) anteriores, el código
del elemento está sustituido por el contenido del elemento
correspondiente, expresado en términos de % en masa.
"Material de acero inoxidable ferrítico para
los componentes del pasaje del gas de escape de un automóvil"
significa un material de acero procesado para un templado final con
calor a una temperatura mayor de 1000ºC (por ejemplo, de 1050 a
1100ºC) (esto puede denominarse, simplemente, como "templado
final") en un procedimiento de producción de los componentes del
pasaje del gas de escape de un automóvil. Por ejemplo, en el caso de
que una lámina de acero se suelde y se forme en un tubo, después se
conforme y se trabaje, y posteriormente se procese para el templado
final, el tubo después del templado final corresponde al material de
acero inoxidable ferrítico para los componentes del pasaje del gas
de escape de un automóvil como se menciona en el presente
documento. En el caso de que una lámina de acero se procese para el
templado final, la lámina de acero después del templado final, y el
tubo, cubierta cilíndrica o similar obtenidos trabajando
adicionalmente la lámina templada final, corresponde al material de
acero inoxidable ferrítico para los componentes del pasaje del gas
de escape de un automóvil.
De los materiales de acero mencionados
anteriormente, aquellos para su uso para los componentes del pasaje
del gas de escape que tienen que estar dentro de un intervalo de
temperatura del material por encima de 900ºC, o adicionalmente por
encima de 950ºC, son aspectos especialmente preferidos en la
invención.
De acuerdo con la invención, se proporciona un
material de acero inoxidable ferrítico para los componentes del
pasaje del gas de escape de un automóvil, que satisface todos los
requisitos de durabilidad de resistencia a alta temperatura por
exposición a alta temperatura de 1000ºC, buena resistencia a fatiga
térmica, buena operabilidad y buena tenacidad a baja temperatura.
El material satisface la reciente tendencia en la técnica hacia
temperaturas elevadas del gas de escape, y ocasiona una libertad
ampliada en la planificación de los componentes del pasaje del gas
de escape corriente arriba.
En la invención, es importante aumentar la
resistencia a alta temperatura (límite elástico al 0,2%) del
material de acero a un nivel de 1000ºC, manteniendo una alta
resistencia a alta temperatura (límite elástico al 0,2%) del mismo
a un nivel de 600ºC. Es extremadamente eficaz hacer que el material
de acero tenga una alta resistencia en los dos intervalos de
temperatura para mantener una alta resistencia a fatiga térmica del
mismo. Como resultado de diversas investigaciones, es deseable que
el límite elástico al 0,2% a 600ºC y el límite elástico al 0,2% a
1000ºC del material de acero sean ambos al menos 1,5 veces mayores
que el límite elástico a las mismas temperaturas del acero SUS444.
En concreto, es deseable que el límite elástico al 0,2% a 600ºC del
material de acero sea al menos 200 MPa y el límite elástico al 0,2%
a 1000ºC del mismo sea al menos 15 MPa. Se ha descubierto que el
material que tiene dichas características de resistencia a alta
temperatura tiene buena resistencia a fatiga a alta temperatura,
satisfactoria para un uso práctico cuando recibe un cambio de
temperatura repetido entre la temperatura ordinaria y 1000ºC o así,
como los componentes del pasaje del gas de escape de un
automóvil.
En la invención, se usa Cu para mejorar la
resistencia a alta temperatura del material de acero en un intervalo
de temperatura que incluye 600ºC (intervalo que va de
aproximadamente 500 a 800ºC). Específicamente, cuando se añade Cu
al material de acero, precipita una fase de
\varepsilon-Cu a una temperatura de
aproximadamente 600ºC, y éste se dispersa finamente en la matriz
del material para expresar, de esta manera, un fenómeno de refuerzo
de la precipitación. Para que el material de acero pueda mantener la
resistencia a alta temperatura (límite elástico al 0,2%) en el
intervalo de temperatura mayor de al menos aproximadamente 1,5 veces
la del acero SUS444, es necesario aprovechar la ventaja del
refuerzo de Nb y Mo en solución sólida además de la precipitación
de la fase de \varepsilon-Cu. Como resultado de
diversas investigaciones, controlar los ingredientes constitutivos
para que el contenido de Nb, Mo y Cu pueda satisfacer la fórmula (1)
hace posible aumentar el intervalo de alta temperatura, de como
máximo 800ºC, de resistencia del material de acero en al menos
aproximadamente 1,5 veces la del cero SUS444.
(1).1,2Nb + 5Mo
+ 6Cu \geq
11,5
En un intervalo de temperatura por encima de
800ºC, la solución sólida de la fase
\varepsilon-Cu se promueve adicionalmente, y el
efecto de Cu para potenciar la resistencia a alta temperatura del
material de acero se debilita. Para aumentar la resistencia a alta
temperatura (límite elástico al 0,2%) a 1000ºC del material de
acero en al menos aproximadamente 1,5 veces la del acero SUS444, es
importante aprovechar toda la ventaja del refuerzo en solución
sólida con Nb y Mo. Como la solución sólida de Cu también es eficaz
para potenciar la resistencia a alta temperatura, también se
utiliza. Como resultado de diversas investigaciones, se ha
descubierto que los ingredientes constitutivos deben controlarse
para satisfacer la fórmula (2).
(2).15Nb + 2Mo
+ 0,5Cu \geq
10,5
El coeficiente de Nb en la fórmula (2)
corresponde al aumento en el límite elástico al 0,2% (MPa) a 1000ºC
por el 0,1% en masa de Nb; y el coeficiente de cada uno de Mo y Cu
corresponde al aumento en el límite elástico al 0,2% (MPa) a 1000ºC
por el 1% en masa de Nb y Cu, respectivamente.
Sin embargo, para aumentar el límite elástico al
0,2% del material de acero a una alta temperatura de 1000ºC en al
menos aproximadamente 1,5 veces la del acero SUS444, la composición
que satisface la fórmula (2) anterior no es suficiente.
Investigaciones más detalladas han confirmado que, en particular, es
extremadamente importante hacer que el material de acero tenga una
textura metálica en la que los precipitados de Nb y el Mo se
reduzcan tanto como sea posible. En concreto, después del templado
final, el material de acero debe tener una condición de textura en
la que la canti-
dad total de Nb y Mo que existen como una fase de precipitación en su interior sea como máximo el 0,2% en masa.
dad total de Nb y Mo que existen como una fase de precipitación en su interior sea como máximo el 0,2% en masa.
No solo para mantener la resistencia a alta
temperatura del material de acero, sino también para mantener una
buena operabilidad, la tenacidad a baja temperatura y la
soldabilidad del mismo, es extremadamente eficaz hacer que el
material de acero tenga la condición de textura mencionada
anteriormente después del templado final. En el caso de que la
cantidad de Nb o Mo añadido sea considerablemente grande, la
cantidad de Mo en solución sólida o de Nb en solución sólida puede
asegurarse suficientemente incluso cuando la cantidad total de Nb y
Mo existentes como una fase de precipitación es mayor del 0,2% en
masa, y la resistencia a alta temperatura del material de acero a
1000ºC podría aumentarse, debido a su refuerzo en solución sólida.
En este caso, sin embargo, es difícil potenciar tanto la tenacidad
a baja temperatura como la operabilidad del material de acero.
La "cantidad total (% en masa) de Nb y Mo
existentes como una fase de precipitación" puede determinarse de
la siguiente manera: El residuo de la fase de precipitación como se
extrae mediante electrolisis a potencial constante en una solución
electrolítica con disolvente sin agua (procedimiento SPEED) se
analiza para cuantificación elemental, y la masa total de Nb y Mo
en el residuo se divide por la masa total de la matriz disuelta y la
fase de precipitación extraída en la electrolisis, y esto se
expresa como porcentaje.
Para obtener la condición de textura en la que
la cantidad total de Nb y Mo existentes como una fase de
precipitación es como máximo el 0,2% en masa, la velocidad de
enfriamiento de 1050ºC a 500ºC, en la etapa de enfriamiento en el
templado final, debe controlarse a al menos 5ºC/s. Por ejemplo, en
el caso de que un tubo producido por soldadura se aplique a los
componentes del pasaje del gas de escape de un automóvil, una lámina
de acero formada previamente en un tubo, o después de formarla en
un tubo pero antes de usarla como el componente, puede procesarse
al menos una vez para templado final, que comprende poner en remojo
a un calor de 1050 a 1100ºC durante de 0 a 10 minutos, seguido de
enfriamiento de 1050ºC a 500ºC a una velocidad de enfriamiento de
al menos 5ºC/s. En lo que respecta al material de acero, se procesa
una vez para tener, de esta manera, la condición de textura
anterior, antes de usarlo como un componente del pasaje del gas de
escape de un automóvil, cualquier fase de precipitación superflua
de Nb y Mo podría no formarse cuando el componente del pasaje del
gas de escape de un automóvil formado por el material de acero se
usa con calor a una temperatura de 1000ºC o así, y prácticamente,
por lo tanto, la resistencia a alta temperatura y la tenacidad a
baja temperatura del material de acero no empeorarían.
Los ingredientes de aleación se describen más
adelante.
C y N son generalmente eficaces para mejorar la
resistencia a deformación permanente por fatiga y otras propiedades
de resistencia a alta temperatura aunque empeoran la propiedad de
resistencia a oxidación, operabilidad, tenacidad a baja temperatura
y soldabilidad cuando están contenidas en exceso. En la invención,
tanto C como N están limitados a un contenido de como máximo el
0,03% en masa.
El Si es eficaz para mejorar la resistencia a
oxidación a alta temperatura. Sin embargo, cuando se añade en
exceso, aumenta la dureza y, de esta manera, degrada la operabilidad
y tenacidad a baja temperatura. En la invención, el contenido de Si
está limitado a como máximo el 1% en masa.
El Mn mejora la resistencia a oxidación a alta
temperatura, especialmente la resistencia al desprendimiento de
escamas. Para asegurar suficientemente la resistencia a oxidación a
alta temperatura a un nivel de 1000ºC, el contenido de Mn debe ser
de al menos el 0,6% en masa. Sin embargo, el Mn afecta a la
operabilidad y soldabilidad cuando se añade en exceso. Además, el
Mn es un elemento estabilizador de austenita que cuando se añade en
una gran cantidad facilita la formación de la fase martensita y, de
esta manera, provoca una disminución en la resistencia a fatiga
térmica y operabilidad. El contenido de Mn, por lo tanto, está
limitado a como máximo el 2% en masa, preferiblemente como máximo
el 1,5% en masa, más preferiblemente menos del 1,5% en masa.
El Ni contribuye a mejorar la tenacidad a baja
temperatura, pero cuando se añade demasiado, puede reducir el
alargamiento en frío. En la invención, el contenido de Ni aceptable
es hasta el 3% en masa, aunque más preferiblemente, el contenido de
Ni es como máximo el 0,6% en masa.
El Cr estabiliza la fase ferrita y contribuye a
mejorar la resistencia a oxidación, una propiedad importante de los
materiales de alta temperatura. En la invención, el contenido de Cr
se asegura que sea al menos el 15% en masa para presentar
suficientemente su efecto. Sin embargo, demasiado Cr hace al
material de acero quebradizo y empeora la operabilidad del mismo y,
por lo tanto, el contenido de Cr no es mayor del 25% en masa.
El Nb es eficaz para aumentar la resistencia a
alta temperatura en un intervalo de temperatura de aproximadamente
600ºC o así, reforzando la solución sólida, aunque la invención
aprovecha la ventaja del efecto de refuerzo de la solución sólida
de Nb para asegurar la resistencia a alta temperatura en un
intervalo de alta temperatura, mayor de 900ºC. Para ello, el
contenido de Nb debe ser de al menos el 0,3% en masa, y debe
satisfacer la fórmula (2) mencionada anteriormente. Además, como se
ha mencionado anteriormente, la invención debe asegurar la condición
de textura del acero en la que la cantidad total de Nb y Mo
existente como una fase de precipitación es como máximo el 0,2% en
masa. En conexión con esto, el Nb tiene una fuerte afinidad por C y
N, por lo que forma fácilmente precipitados que pueden reducir la
resistencia a alta temperatura, la tenacidad a baja temperatura, la
operabilidad y otras propiedades. Por consiguiente, el contenido de
Nb está limitado a como máximo el 0,7% en masa.
El Cu es un elemento importante en la invención.
Específicamente, como se ha mencionado también anteriormente, la
invención aprovecha la ventaja del fenómeno de precipitación con
dispersión fina de la fase \varepsilon-Cu del
material de acero para potenciar así la resistencia del mismo a
aproximadamente 600ºC (de aproximadamente 500 a 850ºC) y mejorar la
resistencia a fatiga térmica del mismo. En un intervalo de alta
temperatura por encima de 850ºC, el Cu adicionalmente desempeña un
papel de ayudar al efecto de potenciar la resistencia a alta
temperatura de Nb y Mo, basado en la potenciación de la solución
sólida con Cu. Como resultado de diversos estudios, el contenido de
Cu debe ser, al menos, mayor del 1% en masa para conseguir de forma
satisfactoria estos efectos. Sin embargo, demasiado Cu empeora la
operabilidad, la tenacidad a baja temperatura y la soldabilidad y,
por lo tanto, el límite más alto del contenido de Cu está limitado
al 2% en masa.
El Mo, al igual que el Nb, es eficaz para
aumentar la resistencia a alta temperatura, reforzando la solución
sólida. Especialmente en la invención, la resistencia a alta
temperatura en un intervalo de alta temperatura por encima de 900ºC
debe aumentarse, y la adición de Mo en una cantidad de al menos el
1% en masa es indispensable. Como también se ha mencionado
anteriormente, la invención debe asegurar la condición de textura
del acero, donde la cantidad total de Nb y Mo existentes como una
fase de precipitación es como máximo el 0,2% en masa. El exceso de
adición de Mo puede dar como resultado la formación de carburo y
fase de Laves (Fe_{2}Mo), confiriendo así resistencia a alta
temperatura y tenacidad a baja temperatura. Por consiguiente, el
contenido de Mo está limitado a como máximo el 2,5% en masa.
El W es un elemento eficaz para aumentar la
resistencia a alta temperatura en un intervalo de alta temperatura
por encima de 900ºC, y en la invención, el contenido de W debe ser
de al menos el 1% en masa. Sin embargo, el exceso de adición de W
afecta a la operabilidad y, por lo tanto, el contenido de W deber
ser como máximo el 2,5% en masa, más preferiblemente como máximo el
2% en masa.
El Al se usa como un desoxidante en la
fabricación de acero, y actúa para mejorar la resistencia a
oxidación a alta temperatura. Sin embargo, demasiada adición de Al
tiene influencias negativas sobre las propiedades superficiales,
operabilidad, soldabilidad y tenacidad a baja temperatura. Por
consiguiente, el Al se añade dentro de un intervalo de como máximo
el 0,15% en masa.
El V contribuye a mejorar la resistencia a alta
temperatura cuando se añade junto con Nb y Cu. Cuando existente
junto con el Nb, el V mejora la operabilidad, la tenacidad a baja
temperatura, la resistencia a la susceptibilidad a la corrosión del
límite de grano, y la tenacidad de la zona afectada por el calor de
soldadura. Para obtener suficientemente todos estos efectos, el V
se añade en la invención en una cantidad de al menos el 0,03% en
masa. Sin embargo, una adición excesiva de V afecta a la
operabilidad y tenacidad a baja temperatura. Por consiguiente, el
contenido de V está limitado a como máximo el 0,2% en masa.
Ti y Zr son elementos eficaces para mejorar la
resistencia a alta temperatura; y, si se desea, al menos uno de
éstos puede añadirse. Sin embargo, la adición excesiva afecta a la
tenacidad. En el caso de que se añada al menos uno de Ti y Zr, el
contenido total del mismo debe ser menor del 1% en masa.
B y Co, al igual que Ni, son elementos que
contribuyen a la tenacidad a baja temperatura. Si se desea, pueden
añadirse uno o dos de B y Co. Sin embargo, la adición excesiva
reduce el alargamiento en frío; y, por lo tanto, el contenido de B
es como máximo el 0,02% en masa y el contenido de Co es como máximo
el 2% en masa. Más eficazmente, el contenido de B es del 0,0005 al
0,02% en masa.
ETR (elemento de tierras raras) y Ca son
elementos que contribuyen a la resistencia a oxidación a alta
temperatura. Si se desea, al menos uno de éstos puede añadirse. Más
eficazmente, el contenido total de ETR y Ca es al menos el 0,001%
en masa. Sin embargo, la adición excesiva del mismo puede tener
algunas influencias negativas sobre la producibilidad y, por lo
tanto, el contenido total de ETR y Ca está limitado a como máximo el
0,1% en masa.
El material de acero inoxidable de la invención
puede producirse preparando un acero inoxidable que tiene una
composición controlada como en el caso anterior, de acuerdo con un
procedimiento ordinario de fusión de acero, trabajándolo después en
una lámina de acero que tiene un espesor predeterminado de acuerdo
con un procedimiento ordinario de producción de una lámina de acero
inoxidable, soldándolo posteriormente en un tubo, o conformándolo y
adicionalmente trabajándolo. En este procedimiento, en la etapa de
templado final en la que se calienta el acero a de 1050 a 1100ºC,
es importante enfriar el acero de 1050ºC a 500ºC a una velocidad de
enfriamiento controlada de al menos 5ºC/s, como se ha mencionado
también anteriormente. Si se sobrepasa la condición de
enfriamiento, el acero apenas podría tener una condición de textura
en la que la cantidad total de Nb y Mo existentes como una fase de
precipitación fuera como máximo el 0,2% en masa, y puede ser difícil
potenciar la resistencia a alta temperatura (límite elástico al
0,2%) del material de acero a 1000ºC de forma estable a un nivel de
al menos aproximadamente 1,5 veces la
de SUS444. En esta condición, además, la tenacidad a baja temperatura del material de acero también puede reducirse.
de SUS444. En esta condición, además, la tenacidad a baja temperatura del material de acero también puede reducirse.
Los aceros inoxidables ferríticos mostrados en
la Tabla 1 se produjeron de acuerdo con un procedimiento de fusión
de acero, y después se trabajaron en láminas de acero templadas,
laminadas en frío, que tienen un espesor de 2 mm de acuerdo con un
procedimiento de laminado en caliente, templado de láminas laminadas
en caliente, laminado en frío y templado final. El templado final
se obtuvo en la condición como se simuló para el templado final de
materiales de acero para los componentes del pasaje del gas de
escape. La condición de templado final fue la siguiente: Después de
calentado a 1050ºC con puesta en remojo durante 1 minuto, los
aceros, excepto algunas muestras comparativas (tal como la Nº 21),
se enfriaron de 1000ºC a 500ºC a una velocidad de enfriamiento
media de al menos 5ºC/s. La velocidad de enfriamiento se controló
con un termopar unido a la superficie de cada muestra. Las muestras
de láminas de acero templadas, laminadas en frío, obtenidas de esta
manera después del templado final se ensayaron y se analizaron para
diversas propiedades de los componentes del pasaje del gas de
escape.
Las muestras (después del templado final) se
ensayaron y se analizaron para la cantidad total de Nb y Mo
existentes como una fase de precipitación en su interior (esto se
expresa como "cantidad de Nb precipitado + Mo precipitado"), y
el límite elástico al 0,2% a 600ºC, el límite elástico al 0,2% a
1000ºC, la tenacidad a baja temperatura y la operabilidad en frío
del mismo de la manera mencionada más adelante.
\vskip1.000000\baselineskip
De acuerdo con un procedimiento SPEED como se ha
mencionado anteriormente, se ensaya una muestra por electrolisis a
potencial constante a un potencial al que la matriz de la muestra se
disuelve, pero la fase de precipitación de la misma no se disuelve,
y el residuo de la fase de precipitación extraída se analiza para la
determinación elemental. La masa total de Nb y Mo en el residuo se
divide por la masa total de la matriz disuelta y la fase de
precipitación extraída en la electrolisis, y esto se expresa como
porcentaje de la cantidad de Nb precipitado + Mo precipitado. En el
procedimiento SPEED, se usa acetilacetona al 10% + cloruro de
tetrametilamonio al 1% + solución de alcohol metílico como un
disolvente sin agua.
\vskip1.000000\baselineskip
Una pieza de ensayo para resistencia a tracción
que tiene un espesor de 2 mm (la dirección de tracción de la
muestra es la misma que la dirección de laminado de la misma) se
ensaya para la resistencia a tracción a 600ºC y la resistencia a
tracción a 1000ºC de acuerdo con JIS G0567. Las muestras cuyo límite
elástico al 0,2% a 600ºC es al menos 200 MPa, correspondiente a
aproximadamente al menos 1,5 veces el del acero SUS444, son buenas;
y aquellas cuya resistencia sea menor de esto no son buenas. Las
muestras cuyo límite elástico al 0,2% a 1000ºC sea al menos 15 MPa,
correspondiente a aproximadamente al menos 1,5 veces el del acero
SUS444, son buenas; y aquellas cuya resistencia sea menor de esto
no son buenas.
\vskip1.000000\baselineskip
Una pieza de ensayo para impacto Charpy de
muesca en V se corta de una muestra que tiene un espesor de 2 mm
(la dirección en la que se golpea la pieza de ensayo con un martillo
es en paralelo a la dirección de laminado de la muestra), y se
ensaya en un ensayo de impacto Charpy a un espaciado de 25ºC dentro
de un intervalo de -75ºC a 25ºC de acuerdo con JIS Z2242,
determinando así la temperatura de transición
ductilidad-tenacidad de la muestra. Las muestras
cuya temperatura de transición no sea mayor de -25ºC se clasifican
como B (buenas en el punto de la tenacidad a baja temperatura); y
aquellas cuya temperatura de transición es mayor de -25ºC se
clasifican como NB (no buenas en el punto de la tenacidad a baja
temperatura).
\vskip1.000000\baselineskip
Tres piezas de ensayo de tracción (JIS 13B) se
cortan de una muestra que tiene un espesor de 2 mm, de manera que
la dirección de tracción de la misma pueda estar a un ángulo de 0º,
45º o 90º respecto a la dirección de laminado de la misma. De
acuerdo con JIS 2241, éstas se ensayan para la resistencia a
tracción a rotura (tiempos de ensayo n = 3). Las piezas rotas se
unen a tope, y se determina el alargamiento a rotura (%) de las
mismas. De acuerdo con la siguiente fórmula (3), se calcula el
alargamiento medio AL_{M} de la muestra y este AL_{M} indica el
alargamiento en frío de la muestra ensayada.
(3)AL_{R} =
(AL_{L} + AL_{D} +
AL_{T})
En ésta, AL_{L} significa el alargamiento a
rotura de la muestra en una dirección de tracción de 0º (valor
medio de n = 3); AL_{D} significa el alargamiento a rotura en una
dirección de tracción de 45º (valor medio de n = 3); y AL_{T}
significa el alargamiento a rotura en una dirección de tracción de
90º (valor medio de n = 3). Las muestras que tienen un AL_{M} de
al menos el 30% se clasifican como B (buenas en el punto de la
operabilidad en frío); y aquellas que tienen un AL_{M} menor del
30% se clasifican como NB (no buenas en el punto de la operabilidad
en frío).
Los resultados se muestran en la Tabla 2. En la
Tabla 2, "velocidad de enfriamiento en el templado final"
significa la velocidad de enfriamiento media de 1050ºC a 500ºC.
\vskip1.000000\baselineskip
Los ejemplos de materiales de acero de la
invención que satisfacen los requisitos para la composición y la
cantidad de Nb precipitado + Mo precipitado tenían todos un límite
elástico al 0,2% a 600ºC y un límite elástico al 0,2% a 1000ºC
ambos mayores en al menos aproximadamente 1,5 veces el del acero
SUS444, como se sabe a partir de la Tabla 2; y, en consecuencia,
tienen una excelente resistencia a alta temperatura en un intervalo
de alta temperatura por encima de 850ºC, y tienen una resistencia a
fatiga térmica suficientemente buena. Además, su tenacidad a baja
temperatura y operabilidad en frío también son buenas.
En contraste, el Nº 21 no es bueno, aunque su
composición está dentro del alcance de la invención. Esto se debe a
que la velocidad de enfriamiento de 1000ºC a 500ºC en el templado
final era menor de 5ºC/s y, por lo tanto, una gran cantidad de
precipitados de Nb y Mo se formaron durante la etapa de
enfriamiento, dando así una condición de textura en la que la
cantidad de Nb precipitado + Mo precipitado era demasiada. Esta
muestra comparativa era mala respecto a la resistencia a alta
temperatura a 1000ºC, la tenacidad a baja temperatura y la
operabilidad en frío. En el Nº 22, el contenido de Mo y Nb era
pequeño; y en Nº 23, el contenido de Cu era adicionalmente pequeño.
Puesto que éstos no satisfacen las fórmulas (1) y (2), su
resistencia a alta temperatura a 600ºC y 1000ºC era mala. En el Nº
24, el contenido de W era demasiado y, por lo tanto, éste era malo
respecto a la operabilidad en frío. En el Nº 25, el contenido de Cu
era bajo y éste no satisfacía la fórmula (1), y la resistencia a
alta temperatura a 600ºC de esta muestra comparativa era mala. En el
Nº 26, el contenido de Cu era demasiado, y éste no satisfacía la
fórmula (2). Además, W no se añadió al mismo y, por lo tanto, la
resistencia a alta temperatura a 1000ºC de la muestra comparativa
era baja. En el Nº 27, el contenido de Mo era demasiado, y en la
textura del mismo, la cantidad de Nb precipitado + Mo precipitado
era demasiada. Su contenido de Nb era demasiado bajo, y este no
satisfacía la fórmula (2). Su resistencia a alta temperatura a
1000ºC y su tenacidad a baja temperatura eran malas. En el Nº 28, el
contenido de Nb era alto, y en la textura del mismo, la cantidad de
Nb precipitado + Mo precipitado era demasiada, y su operabilidad en
frío era mala. En el Nº 29, el contenido de Mo y Nb era alto, y en
la textura del mismo, la cantidad de Nb precipitado + Mo
precipitado era demasiada, y su tenacidad a baja temperatura era
mala. Además, puesto que su contenido de Cu era pequeño, su
resistencia a alta temperatura a 600ºC era baja. En el Nº 30, el
contenido de Mo era demasiado alto, y en la textura del mismo, la
cantidad de Nb precipitado + Mo precipitado era demasiada. Sin
embargo, debido a la solución sólida de Mo en su interior, la
resistencia a alta temperatura a 1000ºC de la muestra comparativa
era alta, aunque la tenacidad a baja temperatura y la operabilidad
en frío de la misma eran malas.
Claims (5)
1. Un material de acero inoxidable ferrítico que
tiene resistencia térmica y tenacidad a baja temperatura excelentes
para los componentes del pasaje del gas de escape de un automóvil,
que tiene una composición que comprende, en términos de % en masa,
como máximo el 0,03% de C, como máximo el 1% de Si, del 0,6 al 2% de
Mn, como máximo el 3% de Ni, del 10 al 25% de Cr, del 0,3 al 0,7%
de Nb, de más del 1 al 2% de Cu, del 1 al 2,5% de Mo, del 1 al 2,5%
de W, como máximo el 0,15% de Al, del 0,03 al 0,2% de V, como máximo
el 0,03% de N y, opcionalmente, al menos uno de los siguientes: al
menos uno de Ti y Zr en una cantidad de menos del 1% en total, B en
una cantidad de como máximo el 0,02%, Co en una cantidad de como
máximo el 2%, y al menos uno de ETR (elemento de tierras raras) y
Ca en una cantidad de como máximo el 0,1% en total, con el resto
hasta el total de Fe e impurezas inevitables, y que satisface las
siguientes fórmulas (1) y (2), y que tiene una textura donde la
cantidad total de Nb y Mo existentes como una fase de precipitación
es como máximo el 0,2% en masa:
(1),1,2Nb + 5Mo
+ 6Cu \geq
11,5
(2).15Nb + 2Mo
+ 0,5Cu \geq
10,5
2. El material de acero de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que la composición contiene al menos uno de
Ti y Zr en una cantidad de menos del 1% en total.
3. El material de acero de acuerdo con la
reivindicación 1 ó 2, en el que la composición contiene al menos
uno de B en una cantidad de como máximo el 0,02% y Co en una
cantidad de como máximo el 2%.
4. El material de acero de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la composición
contiene al menos uno de ETR (elemento de tierras raras) y Ca en una
cantidad de como máximo el 0,1% en total.
5. El material de acero de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que se usa para los
componentes del pasaje del gas de escape, estando la temperatura
del material en un intervalo de temperatura por encima de
900ºC.
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