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MX2015002677A - Acero inoxidable ferritico con excelente resistencia a la oxidacion, buena fuerza a alta temperatura y buena conformabilidad. - Google Patents

Acero inoxidable ferritico con excelente resistencia a la oxidacion, buena fuerza a alta temperatura y buena conformabilidad.

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MX2015002677A
MX2015002677A MX2015002677A MX2015002677A MX2015002677A MX 2015002677 A MX2015002677 A MX 2015002677A MX 2015002677 A MX2015002677 A MX 2015002677A MX 2015002677 A MX2015002677 A MX 2015002677A MX 2015002677 A MX2015002677 A MX 2015002677A
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MX
Mexico
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less
titanium
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MX2015002677A
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Inventor
Eizo Yoshitake
Original Assignee
Ak Steel Properties Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Ak Steel Properties Inc filed Critical Ak Steel Properties Inc
Publication of MX2015002677A publication Critical patent/MX2015002677A/es
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Abstract

Los aceros inoxidables ferríticos con buena resistencia a la oxidación, buena fuerza a alta temperatura y buena conformabilidad se producen con adición de Ti y bajo contenido de Al para conformabilidad a temperatura ambiente que resulta de estructuras de grano de colada equiáxicas; el columbio (niobio) y el cobre se agregan para fuerza a alta temperatura; el silicio y el manganeso se agregan para resistencia a la oxidación; los aceros inoxidables ferríticos proporcionan mejor resistencia a la oxidación que los aceros inoxidables ferríticos de 18Cr-2Mo y 15Cr-Cb-Ti-Si-Mn; además, generalmente son menos costosos de producir que 18Cr-2Mo.

Description

ACERO INOXIDABLE FERRÍTICO CON EXCELENTE RESISTENCIA A LA OXIDACIÓN- BUENA FUERZA A ALTA TEMPERATURA Y BUENA CONFORMABILIDAD La presente solicitud reclama prioridad de la solicitud de patente provisional con número de serie 61/695,771, titulada "Aceros Inoxidables con Excelente Resistencia a la Oxidación con Buena Fuerza a Alta Temperatura y Buena Conformabilidad", presentada el 31 de agosto de 2012, y la solicitud de patente no provisional con número de serie 13/837,500, titulada "Acero Inoxidable Ferrítico con Excelente Resistencia a la Oxidación, Buena Fuerza a Alta Temperatura y Buena Conformabilidad", presentada el 15 de marzo de 2013. La divulgación de la solicitud con número de serie 61/695,771 y la solicitud con número de serie 13/837,500 se incorporan en la presente como referencia.
ANTECEDENTESDELAINVENCIÓN Se desea producir un acero inoxidable ferrítico con características de resistencia a la oxidación, fuerza a alta temperatura y buena conformabilidad. Columbio y cobre se agregan en cantidades para proporcionar fuerza a alta temperatura, y se agregan silicio y manganeso en cantidades para proporcionar resistencia a la oxidación. El presente acero inoxidable ferrítico proporciona mejor resistencia a la oxidación que los aceros inoxidables conocidos como 18Cr-2Mo y 15Cr-Cb-Ti-Si-Mn. Además, el presente acero inoxidable ferrítico es menos costoso de fabricar que otros aceros inoxidables como 18Cr-2Mo y se puede producir sin un paso de recocido de banda caliente.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN El presente acero inoxidable ferrítico se produce con adiciones de titanio y baja concentración de aluminio para proporcionar conformabilidad a temperatura ambiente de estructuras equiáxicas de grano de colada, como se divulga en las Patentes de EE.UU. Nos. 6,855,213 y 5,868,875, las divulgaciones completas de las cuales se incorporan como referencia. Columbio y cobre se agregan al acero inoxidable ferrítico para fuerza a alta temperatura y se agregan silicio y manganeso para mejorar la resistencia a la oxidación.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN El acero inoxidable ferrítico se produce usando condiciones de proceso conocidas en la téenica para usarse en la fabricación de aceros inoxidables ferríticos, como los procesos descritos en las Patentes de EE.UU. Nos. 6,855,213 y 5,868,875. Columbio y cobre se agregan al acero inoxidable ferrítico para fuerza a alta temperatura y se agregan silicio y manganeso para mejorar la resistencia a la oxidación. Se puede producir a partir de material que tiene una estructura de colada de granos equiáxicos finos.
Se proporciona una fundición ferrosa para el acero inoxidable ferrítico en un horno de fundición como un horno de arco eléctrico. Esta fundición ferrosa se puede formar en el horno de fundición a partir de chatarra de rodamiento de hierro sólido, chatarra de acero de carbono, chatarra de acero inoxidable, materiales que contienen hierro sólido, carburo de hierro, hierro reducido directo, hierro caliente en briquetas o la fundición se puede producir corriente arriba del homo de fundición en un alto horno o cualquier otra unidad de fundición de hierro capaz de proporcionar una fundición ferrosa. La fundición ferrosa después se refinará en el horno de fundición o se transferirá a un recipiente de refinación como un recipiente de descarburación de argón-oxígeno o un recipiente de descarburación de oxígeno al vacío, seguido esto por una estación de recorte como un horno de metalurgia de cuchara o una estación de alimentación de alambre.
En algunas modalidades, el acero se cuela a partir de una fundición que contiene suficiente titanio y nitrógeno pero una cantidad controlada de aluminio para formar pequeñas inclusiones de óxido de titanio para proporcionar los núcleos necesarios para formar la estructura equiáxica de grano de colada, de modo que la lámina de recocido producida a partir de este acero también tenga características mejoradas de elevación y conformabilidad.
En algunas modalidades se agrega titanio a la fundición para desoxidación antes del colado. La desoxidación de la fundición con titanio forma pequeñas inclusiones de óxido de titanio que proporcionan los núcleos que resultan en una estructura equiáxica de grano fino de colada. Para minimizar la formación de inclusiones de aluminio, es decir, óxido de aluminio, Al2O3, en algunas modalidades el aluminio puede no agregarse a esta fundición refinada como un desoxidante y en otras modalidades el aluminio se puede agregar a esta fundición refinada en una fracción pequeña. En algunas modalidades el titanio y el nitrógeno pueden estar presentes en la fundición antes del colado de modo que la relación del producto de titanio y nitrógeno divida por el aluminio residual es de al menos aproximadamente 0.14.
Si el acero ha de estabilizarse, se puede agregar una cantidad suficiente del titanio más allá de la requerida para desoxidación para combinación con carbono y nitrógeno en la fundición, pero preferiblemente menos que la requerida para la saturación con nitrógeno, es decir, en una cantidad de sub-equilibrio, evitando así o al menos minimizando la precipitación de grandes inclusiones de nitruro de titanio antes de la solidificación. La cantidad máxima de titanio para "subequilibrio" se ilustra generalmente en la Figura 4 de la Patente de EE.UU. No. 4,964,926, la divulgación de la cual se incorpora en la presente como referencia. En algunas modalidades se pueden agregar también a la fundición uno o más elementos estabilizadores como columbio, circonio, tantalio y vanadio.
El acero colado se procesa en caliente en una lámina. Para esta divulgación, el término "lámina" está pensado para incluir longitudes de tira o corte continuos formados a partir de tiras continuas y el término "procesado en caliente" significa que el acero de colada se recalentará, si es necesario, y después se reducirá a un grosor predeterminado, por ejemplo, por laminación en caliente. Si se lamina en caliente, una plancha de acero se recalienta de 1093 a 1288 °C, se lamina en caliente usando una temperatura de terminación de 816 a 982 °C y se enrosca a una temperatura de 538 a 760 °C. La lámina laminada en caliente también se conoce como la "banda caliente". En algunas modalidades, la banda caliente se puede recocer a una temperatura de metal pico de 926 a 1149 °C. En otras modalidades, la lámina no experimenta un paso de recocido de banda caliente. En algunas modalidades, la banda caliente se puede descalcificar y reducirse en frío al menos 40 % hasta un grosor de lámina final deseado. En otras modalidades, la banda caliente se puede descalcificar y reducirse en frío al menos 50% hasta un grosor de lámina final deseado. Después de eso, la lámina reducida en frío se puede recocer finalmente a una temperatura pico de metal de 982 a 1149 °C.
El acero inoxidable ferrítico se puede producir a partir de una lámina procesada en caliente por medio de muchos métodos. La lámina se puede producir a partir de planchas formadas a partir de lingotes o planchas de colado continuo de 50 a 200 mm de grosor que se recalientan de 1093 a 1288 °C, seguido esto por laminación en caliente para proporcionar una lámina procesada en caliente de inicio a partir de una tira colada continuamente en grosores de 2 a 52 mm. El presente proceso es aplicable a láminas producidas por medio de métodos en donde las planchas de colado continuo o las planchas producidas a partir de lingotes se alimentan directamente a un molino de laminación en caliente con o sin recalentado significativo, o los lingotes se reducen a planchas de temperatura suficiente para laminarse en caliente en la lámina con o sin recalentado adicional.
Se usa titanio para desoxidación del acero inoxidable ferrítico fundido antes del colado. La cantidad de titanio en la fundición puede ser de 0.30 % o menor. A menos que se indique lo contrario, todas las concentraciones mencionadas como "%" son porcentajes en peso. En algunas modalidades, el titanio puede estar presente en una cantidad de sub-equilibrio. Como se usa en la presente, el término "sub-equilibrio" significa que la cantidad de titanio se controla de modo que el producto de solubilidad de los compuestos de titanio formados esté por debajo del nivel de saturación a la temperatura de licuefacción del acero, evitando así la precipitación excesiva de nitruro de titanio en la fundición. El nitrógeno excesivo no es un problema para los fabricantes que refinan las fundiciones de acero inoxidable ferrítico en un recipiente de descarburación de argón oxígeno. El nitrógeno sustancialmente por debajo de 0.010 % se puede obtener cuando se refina el acero inoxidable en un recipiente de descarburación de argón oxígeno, permitiendo así que la cantidad incrementada de titanio sea tolerada y aún así estar en sub-equilibrio.
Para proporcionar los sitios de nucleación necesarios para formar granos de ferrito equiáxicos de colada, debería de pasar suficiente tiempo después de agregar el titanio a la fundición para permitir que se formen las inclusiones de óxido de titanio antes de colar la fundición. Si la fundición se cuela inmediatamente después de agregar el titanio, la estructura de colado de la fundición puede incluir granos columnares más grandes. La cantidad de tiempo que debería pasar se puede determinar por medio de un experto en la téenica sin experimentación no necesaria. Los lingotes colados en el laboratorio menos de 5 minutos después de agregar el titanio a la fundición tenían grandes granos columnares de colada incluso cuando el producto de titanio y nitrógeno dividido entre el aluminio residual fue de al menos 0.14.
Suficiente nitrógeno debería estar presente en el acero antes del colado, de modo que la relación del producto de titanio y nitrógeno divida entre el aluminio sea de al menos aproximadamente 0.14. En algunas modalidades, la cantidad de nitrógeno presente en la fundición es de < 0.020 %.
Aunque las concentraciones de nitrógeno después de la fundición en un horno de arco eléctrico pueden ser tan altas como 0.05 %, la cantidad de N disuelto se puede reducir durante la refinación de gas argón en un recipiente de descarburación de argón oxígeno a menos de 0.02 %. La precipitación del TiN excesivo se puede evitar reduciendo la cantidad de sub-equilibrio de Ti a agregarse a la fundición para cualquier contenido dado de nitrógeno. Alternativamente, la cantidad de nitrógeno en la fundición se puede reducir en un recipiente de descarburación de argón oxígeno para una cantidad anticipada de Ti contenida en la fundición.
El aluminio residual total se puede controlar o minimizar en relación con las cantidades de titanio y nitrógeno. Cantidades mínimas de titanio y nitrógeno deben estar presentes en la fundición en relación con el aluminio. La relación del producto de titanio y nitrógeno dividida entre el aluminio residual puede ser de al menos aproximadamente 0.14 en algunas modalidades, y de al menos 0.23 en otras modalidades. Para minimizar las cantidades de titanio y nitrógeno requeridas en la fundición, la cantidad de aluminio es de < 0.020 % en algunas modalidades. En otras modalidades, la cantidad de aluminio es de < 0.013 % y en otras modalidades se reduce a < 0.010 %. Si el aluminio no se alea a propósito con la fundición durante la refinación o el colado, por ejemplo, por desoxidación inmediatamente antes del colado, el aluminio total se puede controlar o reducir a menos del 0.020 %. Se debe tener en cuenta que el aluminio se puede agregar accidentalmente a la fundición como una impureza presente en una adición de aleación de otro elemento, es decir, titanio. Las aleaciones de titanio pueden contener tanto como 20 % de Al, lo cual puede contribuir Al total a la fundición. Controlando cuidadosamente las prácticas de refinación y colado se puede obtener una fundición que contiene < 0.020 % de aluminio.
Además de usar titanio para estabilización, otros elementos estabilizadores adecuados también pueden incluir columbio, circonio, tantalio, vanadio o mezclas de los mismos. En algunas modalidades, si se usa un segundo agente estabilizador en combinación con titanio, por ejemplo, columbio o vanadio, este segundo elemento estabilizador puede estar limitado a < 0.50 % cuando se requiere conformabilidad profunda. Algunas modalidades incluyen columbio en concentraciones de 0.5 % o menores. Algunas modalidades incluyen columbio en concentraciones de 0.28 a 0.43 %. El vanadio puede estar presente en cantidades menores al 0.5 %. Algunas modalidades de los aceros inoxidables ferríticos incluyen de 0.008 a 0.098 % de vanadio.
El cobre mejora la fuerza a alta temperatura. Los aceros inoxidables ferríticos contienen de 1.0 a 2.0 % de cobre. Algunas modalidades incluyen de 1.16 a 1.31 % de cobre.
El silicio generalmente está presente en los aceros inoxidables ferríticos en una cantidad de 1.0 a 1.7 %. En algunas modalidades, el silicio está presente en una cantidad de 1.27 a 1.35 %. Una pequeña cantidad de silicio generalmente está presente en un acero inoxidable ferrítico para promover la formación de la fase de ferrito. El silicio también mejora la resistencia a la oxidación a alta temperatura y proporciona fuerza a alta temperatura. En la mayoría de las modalidades el silicio no excede aproximadamente 1.7 % debido a que el acero se puede volver muy duro y el alargamiento se puede ver afectado de forma adversa.
El manganeso está presente en el acero inoxidable ferrítico en una cantidad de 0.4 a 1.5 %. En algunas modalidades, el manganeso está presente en una cantidad de 0.97 a 1.00 %. El manganeso mejora la resistencia a la oxidación y la resistencia al astlllamiento a altas temperaturas. En consecuencia, algunas modalidades incluyen manganeso en cantidades de al menos 0.4 %. Sin embargo, el manganeso es un formador de austenita y afecta la estabilización de la fase de ferrito. Si la cantidad de manganeso excede aproximadamente 1.5 %, la estabilización y conformabilidad del acero se pueden ver afectadas.
El carbono está presente en el acero inoxidable ferrítico en una cantidad de hasta 0.02 %. En algunas modalidades, el contenido de carbono es < 0.02 %. En incluso otras modalidades, es de 0.0054 a 0.0133 % El cromo está presente en algunas modalidades de los aceros inoxidables ferríticos en una cantidad de 15 a 20 %. Si el cromo es mayor que aproximadamente 25 %, la conformabilidad del acero se puede reducir.
En algunas modalidades el oxígeno está presente en el acero en una cantidad de < 100 ppm. Cuando se prepara secuencialmente una fundición de acero en un recipiente de refinación de descarburación de argón oxígeno y un recipiente de aleación de horno de metalurgia de cuchara, el oxígeno en la fundición puede estar dentro del intervalo de 10 a 60 ppm, proporcionando así un acero muy limpio que tiene pequeñas inclusiones de óxido de titanio que ayudan a formar sitios de nucleación responsables de la estructura de grano equiáxica de colada fina.
El azufre está presente en el acero inoxidable ferrítico en una cantidad de < 0.01 %.
El fósforo puede deteriorar la conformabilidad en la laminación en caliente y puede causar picaduras. Está presente en el acero inoxidable ferrítico en una cantidad de < 0.05 %.
Como el manganeso, el níquel es un formador de austenita y afecta la estabilización de la fase de ferrito. En consecuencia, en algunas modalidades, el níquel está limitado a < 1.0 %. En algunas modalidades, el níquel está presente en cantidades de 0.13 a 0.19 %.
El molibdeno también mejora la resistencia a la corrosión. Algunas modalidades incluyen 3.0 % o menos de molibdeno. Algunas modalidades incluyen de 0.03 a 0.049 % de molibdeno.
Para algunas aplicaciones, puede ser deseable incluir boro en los aceros de la presente invención en una cantidad de < 0.010 %. En algunas modalidades, el boro está presente en una cantidad de 0.0001 a 0.002 %. El boro puede mejorar la resistencia a la fragilización de trabajo secundario del acero de modo que será menos probable que la lámina de acero se rompa durante aplicaciones de embutición profunda y aplicaciones de formación de pasos múltiples.
En algunas modalidades, los aceros inoxidables ferríticos también pueden incluir otros elementos conocidos en la téenica de la fabricación de acero que se pueden hacer ya sea como adiciones deliberadas o presentarse como elementos residuales, es decir, impurezas del proceso de fabricación del acero.
EJEMPLO 1 Las modalidades de los aceros inoxidables ferríticos y los aceros de referencia comparativa se hicieron con las composiciones expuestas en el Cuadro 1 más adelante.
Los materiales identificados como "Materiales de Laboratorio" se procesaron en equipo de laboratorio de conformidad con los siguientes parámetros. Cada lingote se recalentó a una temperatura de 1260 °C. Se laminó en caliente a un grosor de tira de 5.08 mm. Después se recoció en banda caliente a una temperatura de 996 a 1079 °C. Después se laminó en frío hasta un grosor de 2.0 a 2.5 mm. La tira laminada en frío finalmente se recoció hasta una temperatura de 1029 a 1066 °C.
Los materiales identificados como "Materiales de Planta" se procesaron en equipo de producción en la planta de conformidad con los siguientes parámetros. Cada plancha se recalentó a una temperatura de 1245 a 1258°C. Después se laminó en caliente a un grosor de tira de 5.08 a 4.57 mm. Excepto cuando se indique en los ejemplos más adelante, la tira laminada en caliente después se recoció en banda caliente a una temperatura de 1066 a 1083 °C. Después de la laminación en frío a 2.0 a 1.5 mm la tira finalmente se recoció a una temperatura de 1038 a 1093 °C.
CUADRO 1 Composiciones químicas en porcentaje en peso D Los materiales identificados como "Invención" en las observaciones son modalidades de los aceros inoxidables ferríticos de la presente divulgación. Los materiales identificados como "Referencia" no son modalidades de los aceros inoxidables ferríticos de la presente divulgación. De hecho, dos son productos previos bien conocidos: HT #831187 es acero inoxidable Tipo 444 y HT #830843 es acero inoxidable 15 CrCb, que es un producto de AK Steel Corporation, West Chester, Ohio.
EJEMPLO 2 La resistencia a la oxidación de varias de las composiciones de acero descritas en el Ejemplo 1 y en el Cuadro 1 anteriores se puso a prueba a 930 °C por 200 horas en el aire. Los resultados de las pruebas están expuestos en el Cuadro 2 más adelante. Las composiciones individuales están identificadas por medio de su respectivo número de ID. La resistencia a la oxidación se evaluó usando dos factores. Uno fue la cantidad de ganancia de peso y el otro fue el grado de astillamiento. Para cada material, excepto por HT #920097, el valor de ganancia de peso reportado es un promedio de dos pruebas. Para HT #920097 se pusieron a prueba ocho muestras y se ha reportado el mínimo, el promedio y el máximo de estas ocho pruebas.
CUADRO 2 Resistencia a la oxidación de los resultados de las pruebas a 930 °C por 200 horas en el aire * - "Parcial" significa que el astillamiento ocurrió justo alrededor de los bordes de los especímenes y a unos cuantos puntos pequeños desde los bordes.
EJEMPLO 3 Las propiedades de tracción de alta temperatura longitudinal de varias de las composiciones de acero del Ejemplo 1 se pusieron a prueba de conformidad con el procedimiento de la prueba de tracción ASTM Estándar E21. Los resultados de estas pruebas se exponen a continuación: CUADRO 3 Propiedades de tracción de alta temperatura longitudinal f Pruebas de tracción ASTM Estándar E21) EJEMPLO 4 Las propiedades de tracción longitudinal de varias de las composiciones de acero del Ejemplo 1 se pusieron a prueba de conformidad con el procedimiento de ASTM Estándar E8/E8M. Además, los valores de estiramiento r se pusieron a prueba de conformidad con el procedimiento de ASTM Estándar E517. La resistencia a la elevación de las composiciones también se determinó sobre una escala cualitativa de 0 a 6, en donde 0 es el mejor y 6 es inaceptable. Los resultados de estas pruebas se exponen a continuación: CUADRO 4 Propiedades de tracción longitudinal (ASTM E8/E8MT valores de estiramiento r v resistencias a elevación EJEMPLO 5 Las propiedades de tracción longitudinal de varias de las composiciones de acero del Ejemplo 1 se pusieron a prueba de conformidad con el procedimiento de prueba ASTM Estándar E8/E8M. Además, los valores de estiramiento r se pusieron a prueba de conformidad con el procedimiento de ASTM Estándar E517. La resistencia a la elevación de las composiciones también se determinó sobre una escala cualitativa de 0 a 6, en donde 0 es el mejor y 6 es inaceptable. Los resultados de estas pruebas se exponen a continuación: CUADRO 5 Propiedades de tracción longitudinal (ASTM E8/E8M?. valores de estiramiento r v EJEMPLO 6 Se produjeron en la planta cuatro muestras de banda caliente A, B, C y D de la prueba clasificatoria #920097. Se llevó a cabo un estudio de laboratorio para examinar el efecto del proceso de recocido de banda caliente y las temperaturas de recocido de banda caliente para una barra r superior (embutibilidad o capacidad de embutición), los resultados del cual se exponen en el Cuadro 6. La temperatura inferior de recocido de banda caliente y el procesamiento sin recocido de banda caliente resultaron en una barra r superior con elongación de tracción ligeramente inferior y menos resistencia a la elevación, pero todo dentro de un intervalo aceptable.
CUADRO 6 Propiedades de tracción longitudinal (ASTM E8/E8M1. valores de estiramiento r v resistencias a elevación EJEMPLO 7 Una bobina de banda caliente producida en planta con la composición expuesta en el Cuadro 1 (HT #930354, CL #681158-03) se procesó finalmente sin recocido de banda caliente a un calibre de 1.5 mm. Cuando se incluyó un paso de recocido de banda caliente, las bobinas producidas en planta de HT # 930354 resultaron en valores de barra r de 1.34, 1.31, 1.38 y 1.34 como se muestra en el Cuadro 5, Cuando el paso de recocido de banda caliente no se incluyó, resultó en una barra r superior de 1.46, como se muestra en el Cuadro 7 a continuación.
CUADRO 7 Propiedades de tracción longitudinal ÍASTM E8/E8MT valores de estiramiento r v resistencias a elevación Se entenderá que se pueden hacer varias modificaciones a esta invención sin apartarse del espíritu y alcance de la misma. Por lo tanto, los límites de esta invención deberían determinarse a partir de las reivindicaciones anexas.

Claims (3)

NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES
1.- Un acero inoxidable ferrítico que comprende los siguientes elementos en porcentaje en peso: 0.020 % o menos de carbono; 0.020 % o menos de nitrógeno; 15 a 20 % de cromo; 0.30 % o menos de titanio; 0.50 % o menos de columbio; 1.0 a 2.00 % de cobre; 1.0 a 1.7 % de silicio; 0.4 a 1.5 % de manganeso; 0.050 % o menos de fósforo; 0.01 % o menos de azufre; 0.020 % o menos de aluminio.
2.- El acero inoxidable ferrítico de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque comprende adicionalmente al menos uno de los siguientes elementos en porcentaje en peso:
3.0 % o menos de molibdeno; 0.010 % o menos de boro; 0.5 % o menos de vanadio; 1.0 % o menos de níquel.
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