ES2842424T3 - Ferritic alloy - Google Patents
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Abstract
Una aleación ferrítica que comprende los siguientes elementos en % en peso [% en peso] C 0,01 a 0,1; N: 0,001 a 0,1; O: <= 0,2; Cr 4 a 15; Al 2 a 6; Si 0,5 a 3; Mn: <= 0,4; Mo+ W <= 4; Y <= 1,0; Sc, Ce y/o La <= 0,2; Zr 0,05 a 0,40; RE <= 1,0; siendo el resto Fe y las impurezas que se producen normalmente y también se debe cumplir la siguiente ecuación (elementos en fracción de peso): **(Ver fórmula)**A ferritic alloy comprising the following elements in% by weight [% by weight] C 0.01 to 0.1; N: 0.001 to 0.1; O: <= 0.2; Cr 4 to 15; Al 2 to 6; If 0.5 to 3; Mn: <= 0.4; Mo + W <= 4; Y <= 1.0; Sc, Ce and / or La <= 0.2; Zr 0.05 to 0.40; RE <= 1.0; the remainder being Fe and the impurities that normally occur and the following equation must also be met (elements in weight fraction): ** (See formula) **
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Aleación ferríticaFerritic alloy
Campo técnicoTechnical field
La presente divulgación se refiere a una aleación ferrítica de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1. La presente divulgación se refiere además al uso de la aleación ferrítica y a objetos o revestimientos fabricados con la misma.The present disclosure refers to a ferritic alloy according to the preamble of claim 1. The present disclosure further relates to the use of the ferritic alloy and to objects or coatings made therefrom.
Antecedentes e introducciónBackground and introduction
Las aleaciones ferríticas, tal como las aleaciones de FeCrAl que comprenden niveles de cromo (Cr) del 15 al 25 % en peso y niveles de aluminio (Al) del 3 al 6 % en peso, son bien conocidas por su capacidad para formar incrustaciones de a-alúmina protectora (ALO3), óxido de aluminio, cuando se exponen a temperaturas entre 900 y 1300 °C. El límite inferior de contenido de Al para formar y mantener la incrustación de alúmina varía con las condiciones de exposición. Sin embargo, el efecto de un nivel de Al demasiado bajo a temperaturas más altas es que la oxidación selectiva de Al fallará y se formarán incrustaciones menos estables y menos protectoras basadas en cromo y hierro.Ferritic alloys, such as FeCrAl alloys comprising chromium (Cr) levels from 15 to 25% by weight and aluminum (Al) levels from 3 to 6% by weight, are well known for their ability to form scale of a-protective alumina (ALO 3 ), aluminum oxide, when exposed to temperatures between 900 and 1300 ° C. The lower limit of Al content to form and maintain the alumina scale varies with exposure conditions. However, the effect of too low an Al level at higher temperatures is that selective oxidation of Al will fail and less stable and less protective chromium and iron based scale will form.
Se acepta comúnmente que las aleaciones de FeCrAl normalmente no formarán la capa protectora de a-alúmina si se exponen a temperaturas por debajo de aproximadamente 900 °C. Ha habido intentos de optimizar las composiciones de las aleaciones de FeCrAl de modo que formen la a-alúmina protectora a una temperatura por debajo de aproximadamente 900 °C. Sin embargo, en general, estos intentos no han tenido mucho éxito porque la difusión de oxígeno y aluminio a la interfaz óxido-metal será relativamente lenta a temperaturas más bajas y, por lo tanto, la velocidad de formación de la incrustación de alúmina será baja, lo que significa que habrá un riesgo de serios ataques de corrosión y formación de óxidos menos estables.It is commonly accepted that FeCrAl alloys will not normally form the protective α-alumina layer if exposed to temperatures below about 900 ° C. There have been attempts to optimize the FeCrAl alloy compositions so that they form the protective α-alumina at a temperature below about 900 ° C. However, in general, these attempts have not been very successful because the diffusion of oxygen and aluminum to the oxide-metal interface will be relatively slow at lower temperatures and therefore the rate of formation of the alumina scale will be low. , which means that there will be a risk of serious corrosion attacks and the formation of less stable oxides.
Otro problema que surge a temperaturas más bajas, es decir, temperaturas por debajo de 900 °C, es el fenómeno de la fragilización a largo plazo que surge de una brecha de miscibilidad a baja temperatura para el Cr en el sistema de aleación FeCrAl. La brecha de miscibilidad existe para niveles de Cr por encima de aproximadamente el 12 % en peso a 550 °C. Recientemente, se han desarrollado aleaciones con niveles más bajos de Cr de aproximadamente un 10 a un 12 % en peso de Cr para evitar este fenómeno. Se ha descubierto que este grupo de aleaciones funciona muy bien en plomo fundido con O2 a baja presión controlada.Another problem that arises at lower temperatures, ie temperatures below 900 ° C, is the long-term embrittlement phenomenon that arises from a low-temperature miscibility gap for Cr in the FeCrAl alloy system. The miscibility gap exists for Cr levels above about 12% by weight at 550 ° C. Recently, alloys with lower Cr levels of about 10 to 12% by weight Cr have been developed to avoid this phenomenon. This group of alloys has been found to work very well in molten lead with O 2 at controlled low pressure.
El documento EP 0475 420 se refiere a una lámina de aleación ferrítica solidificada rápidamente que consiste esencialmente en Cr, Al, Si, aproximadamente del 1,5 al 3 % en peso y REM (Y, Ce, La, Pr, Nd, siendo el resto Fe e impurezas. La lámina puede contener además aproximadamente del 0,001 al 0,5 % en peso de al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste en Ti, Nb, Zr y V. La lámina tiene un tamaño de grano de no más de aproximadamente 10 gm. El documento EP 075420 analiza las adiciones de Si para mejorar las propiedades de flujo de la aleación fundida, pero el éxito fue limitado debido a la reducción de la ductilidad.EP 0475 420 relates to a rapidly solidified ferritic alloy sheet consisting essentially of Cr, Al, Si, about 1.5 to 3% by weight and REM (Y, Ce, La, Pr, Nd, the remainder Fe and impurities. The sheet may further contain about 0.001 to 0.5% by weight of at least one element selected from the group consisting of Ti, Nb, Zr, and V. The sheet has a grain size of no more than about 10 gm EP 075420 discusses Si additions to improve flow properties of molten alloy, but success was limited due to reduced ductility.
El documento EP 0091 526 se refiere a aleaciones termocíclicas resistentes a la oxidación y trabajables en caliente, más en particular, a aleaciones de hierro-cromo-aluminio con adiciones de tierras raras. En la oxidación, las aleaciones producirán un óxido con textura de bigotes que es deseable en las superficies del convertidor catalítico. Sin embargo, las aleaciones obtenidas no proporcionaron una resistencia a altas temperaturas.EP 0091 526 relates to oxidation resistant and hot workable thermocyclic alloys, more particularly to iron-chromium-aluminum alloys with rare earth additions. On oxidation, the alloys will produce a desirable whisker textured oxide on catalytic converter surfaces. However, the alloys obtained did not provide high temperature resistance.
Por tanto, sigue existiendo la necesidad de mejorar aún más la resistencia a la corrosión de las aleaciones ferríticas para que puedan usarse en entornos corrosivos durante condiciones de alta temperatura. Los aspectos de la presente divulgación son resolver o al menos reducir los problemas mencionados anteriormente.Therefore, there remains a need to further improve the corrosion resistance of ferritic alloys so that they can be used in corrosive environments during high temperature conditions. Aspects of the present disclosure are to solve or at least reduce the problems mentioned above.
Sumario de la divulgaciónDisclosure summary
Por lo tanto, la presente divulgación se refiere a una aleación ferrítica como se describe en la reivindicación 1. Therefore, the present disclosure refers to a ferritic alloy as described in claim 1.
Por tanto, existe una relación entre el contenido de Cr y Si y Al en la aleación de acuerdo con la presente divulgación, que si se cumple proporcionará una aleación con excelente resistencia a la oxidación y ductilidad y también una fragilidad reducida en combinación con una mayor resistencia a la corrosión a alta temperatura. Therefore, there is a relationship between the content of Cr and Si and Al in the alloy according to the present disclosure, which if met will provide an alloy with excellent oxidation resistance and ductility and also reduced brittleness in combination with increased resistance to high temperature corrosion.
La presente divulgación también se refiere a un objeto y/o un revestimiento que comprende la aleación ferrítica de acuerdo con la presente divulgación. Además, la presente divulgación también se refiere al uso de la aleación ferrítica como se define anteriormente en el presente documento o a continuación en el presente documento para fabricar un objeto y/o un revestimiento.The present disclosure also refers to an object and / or a coating comprising the ferritic alloy according to the present disclosure. Furthermore, the present disclosure also relates to the use of the ferritic alloy as defined hereinabove or hereinafter to make an object and / or a coating.
Breve descripción de las figurasBrief description of the figures
Figura 1 a y Figura 1 b divulgan las fases en nivel de Fe - 10 % Cr - 5 % Al frente a Si (figura 1a) y el nivel de Fe - 20 % Cr - 5 % Al frente a Si (figura 1 b). El diagrama se ha realizado usando la base de datos TCFE7 y el software Thermocalc. Figure 1 a and Figure 1 b disclose the phases at the level of Fe - 10% Cr - 5% Al versus Si (figure 1a) and the level of Fe - 20% Cr - 5% Al versus Si (figure 1 b). The diagram has been made using the TCFE7 database and Thermocalc software.
Figuras 2a a e divulgan secciones pulidas de dos aleaciones de acuerdo con la presente divulgación en comparación con tres aleaciones de referencia después de una exposición a 50 ciclos de 1 hora a 850 °C expuestas a cenizas de biomasa (gránulos de madera) que contienen grandes cantidades de potasio.Figures 2a ae disclose polished sections of two alloys in accordance with the present disclosure compared to three reference alloys after exposure to 50 cycles of 1 hour at 850 ° C exposed to biomass ash (wood granules) containing large amounts potassium.
Descripción detallada de la divulgaciónDetailed description of the disclosure
Como ya se indicó anteriormente, la presente divulgación proporciona una aleación ferrítica como se describe en la reivindicación 1.As already indicated above, the present disclosure provides a ferritic alloy as described in claim 1.
Sorprendentemente, se ha descubierto que una aleación como se define anteriormente en el presente documento o a continuación en el presente documento, es decir, que contiene los elementos de aleación y en los intervalos mencionados en el presente documento, formará inesperadamente una capa superficial protectora que contiene óxido rico en aluminio incluso a niveles de cromo tan bajos como el 4 % en peso. Esto es muy importante tanto para la trabajabilidad como para la estabilidad de fase a largo plazo de la aleación, ya que la fase o frágil indeseable, después de una exposición prolongada en el intervalo de temperatura mencionado en el presente documento, se reducirá o incluso se evitará. Por tanto, la interacción entre Si y Al y Cr mejorará la formación de una capa superficial protectora estable y continua que contiene óxido rico en aluminio, y al usar la ecuación anterior, será posible agregar Si y aun así obtener una aleación ferrítica que será posible tanto para producir como para transformar en diferentes objetos. El inventor ha descubierto sorprendentemente que si las cantidades de Si y Al y Cr se equilibran de modo que se cumpla la siguiente condición (todos los números de los elementos están en fracciones en peso):Surprisingly, it has been discovered that an alloy as defined hereinbefore or hereinafter, i.e., containing the alloying elements and in the ranges mentioned herein, will unexpectedly form a protective surface layer containing Aluminum rich oxide even at chromium levels as low as 4% by weight. This is very important for both the workability and the long-term phase stability of the alloy, since the undesirable brittle phase, after prolonged exposure in the temperature range mentioned herein, will be reduced or even reduced. will avoid. Therefore, the interaction between Si and Al and Cr will improve the formation of a stable and continuous protective surface layer containing oxide rich in aluminum, and by using the above equation, it will be possible to add Si and still obtain a ferritic alloy that will be possible both to produce and to transform into different objects. The inventor has surprisingly discovered that if the amounts of Si and Al and Cr are balanced so that the following condition is met (all the numbers of the elements are in fractions by weight):
la aleación obtenida tendrá una combinación de excelente resistencia a la oxidación y trabajabilidad y conformabilidad dentro del rango de Cr de la presente divulgación. De acuerdo con un modo de realización, 0,015 < (Al + 0,5 Si)(Cr + 10 Si + 0,1) < 0,021, tal como 0,016 < (Al + 0,5 Si)(Cr + 10 Si + 0,1) < 0,020, tal como 0,017 < (Al + 0,5 Si)(Cr + 10 Si + 0,1) < 0,019.The alloy obtained will have a combination of excellent oxidation resistance and workability and formability within the Cr range of the present disclosure. According to one embodiment, 0.015 <( Al + 0.5 Si) ( Cr + 10 Si + 0.1) <0.021, such as 0.016 <( Al + 0.5 Si) ( Cr + 10 Si + 0 , 1) <0.020, such as 0.017 <( Al + 0.5 Si) ( Cr + 10 Si + 0.1) <0.019.
La aleación ferrítica de la presente divulgación es especialmente útil a temperaturas por debajo de aproximadamente 900 °C, ya que se formará una capa superficial protectora que contiene óxido rico en aluminio sobre un objeto y/o un revestimiento hecho de dicha aleación, lo que evitará la corrosión, oxidación y fragilización del objeto y/o del revestimiento. Además, la presente aleación ferrítica puede proporcionar protección contra la corrosión, oxidación y fragilización a temperaturas tan bajas como 400 °C ya que se formará una capa superficial protectora que contiene óxido rico en aluminio sobre la superficie del objeto y/o revestimiento fabricado con la misma. Además, la aleación de acuerdo con la presente divulgación también funcionará excelentemente a temperaturas de hasta aproximadamente 1100 °C y mostrará una tendencia reducida a la fragilización a largo plazo en el intervalo de temperatura de 400 a 600 °C.The ferritic alloy of the present disclosure is especially useful at temperatures below about 900 ° C, as a protective surface layer containing aluminum-rich oxide will form on an object and / or a coating made from said alloy, which will prevent corrosion, oxidation and embrittlement of the object and / or the coating. In addition, the present ferritic alloy can provide protection against corrosion, oxidation and embrittlement at temperatures as low as 400 ° C as a protective surface layer containing aluminum rich oxide will form on the surface of the object and / or coating manufactured with the herself. Furthermore, the alloy according to the present disclosure will also perform excellently at temperatures up to about 1100 ° C and will show a reduced tendency for long-term embrittlement in the temperature range of 400 to 600 ° C.
La presente aleación se puede usar en forma de revestimiento. Además, un objeto también puede comprender la presente aleación. De acuerdo con la presente divulgación, el término "revestimiento" pretende referirse a modos de realización en los que la aleación ferrítica de acuerdo con la presente divulgación está presente en forma de una capa expuesta a un entorno corrosivo que está en contacto con un material base, independientemente de los medios y procedimientos para lograrlo, e independientemente de la relación de espesor relativo entre la capa y el material base. Por tanto, ejemplos de esto, pero sin limitarse a los mismos, son un revestimiento de PVD, un recubrimiento o un compuesto o material compuesto. El objetivo de la aleación es proteger el material que se encuentra debajo de la corrosión y la oxidación. Ejemplos de objetos adecuados, pero sin limitarse a los mismos, son un tubo compuesto, un tubo, una caldera, un componente de turbina de gas y un componente de turbina de vapor. Otros ejemplos incluyen un supercalentador, una pared de agua en una planta eléctrica, un componente en un recipiente o un intercambiador de calor (por ejemplo, para reformar u otro procesamiento de hidrocarburos o gases que contienen CO/CO2), un componente usado en relación con el tratamiento térmico industrial de acero y aluminio, procesos de pulvimetalurgia, elementos calefactores eléctricos y de gas.The present alloy can be used in the form of a coating. Furthermore, an object may also comprise the present alloy. In accordance with the present disclosure, the term "coating" is intended to refer to embodiments in which the ferritic alloy according to the present disclosure is present in the form of a layer exposed to a corrosive environment that is in contact with a base material. , regardless of the means and procedures to achieve it, and regardless of the relative thickness relationship between the layer and the base material. Therefore, examples of this, but not limited to, are a PVD coating, a coating, or a composite or composite material. The purpose of the alloy is to protect the material underneath from corrosion and oxidation. Examples of suitable objects, but not limited to, are a composite tube, a tube, a boiler, a gas turbine component, and a steam turbine component. Other examples include a superheater, a wall of water in a power plant, a component in a vessel or a heat exchanger (for example, for reforming or other processing of hydrocarbons or gases containing CO / CO 2 ), a component used in related to the industrial heat treatment of steel and aluminum, powder metallurgy processes, electric and gas heating elements.
Además, la aleación de acuerdo con la divulgación es adecuada para su uso en entornos que tienen condiciones corrosivas. Ejemplos de dichos entornos incluyen, pero no se limitan a, la exposición a sales, plomo líquido y otros metales, exposiciones a cenizas o depósitos de alto contenido de carbono, atmósferas de combustión, atmósferas con entornos de baja actividad en pO2 y/o de alta actividad en N2 y/o de alta actividad en carbono.Furthermore, the alloy according to the disclosure is suitable for use in environments that have corrosive conditions. Examples of such environments include, but are not limited to, exposure to salts, liquid lead and other metals, exposures to ash or high carbon deposits, combustion atmospheres, atmospheres with low pO 2 activity environments and / or high activity in N 2 and / or high activity in carbon.
Además, la presente aleación ferrítica se puede fabricar usando velocidades de solidificación que se producen normalmente que van desde la metalurgia convencional hasta la solidificación rápida. La presente aleación también será adecuada para fabricar todo tipo de objetos tanto forjados como extruidos, tales como un alambre, una tira, una barra y una placa. La cantidad de deformación plástica en caliente y en frío, así como la estructura del grano y el tamaño del grano, como saben los expertos en la técnica, variarán entre las formas de los objetos y la vía de producción. Furthermore, the present ferritic alloy can be manufactured using normally occurring solidification rates ranging from conventional metallurgy to rapid solidification. The present alloy will also be suitable for making all kinds of objects both forged and extruded, such as a wire, a strip, a bar and a plate. The amount of hot and cold plastic deformation, as well as grain structure and grain size, as those skilled in the art know, will vary between object shapes and production pathway.
Las funciones y efectos de los elementos de aleación esenciales de la aleación definidos anteriormente en el presente documento y a continuación en el presente documento se presentarán en los siguientes párrafos. La lista de funciones y efectos de los respectivos elementos de aleación no debe considerarse completa ya que puede haber otras funciones y efectos de dichos elementos de aleación.The functions and effects of the essential alloying elements of the alloy defined earlier herein and hereinafter will be presented in the following paragraphs. The list of functions and effects of the respective alloying elements should not be considered complete as there may be other functions and effects of such alloying elements.
Carbono (C)Carbon (C)
El carbono puede estar presente como una impureza inevitable resultante del proceso de producción. También se puede incluir carbono en la aleación ferrítica como se define anteriormente en el presente documento o a continuación en el presente documento para aumentar la resistencia mediante endurecimiento por precipitación. Para tener un efecto notable sobre la resistencia de la aleación, el carbono debe estar presente en una cantidad de al menos 0,01 % en peso. A niveles demasiado altos, el carbono puede dar como resultado dificultades para formar el material y también un efecto negativo en la resistencia a la corrosión. Por lo tanto, la cantidad máxima de carbono es del 0,1 % en peso. Por ejemplo, el contenido de carbono es 0,02 - 0,09 % en peso, tal como 0,02 - 0,08 % en peso, tal como 0,02 - 0,07 % en peso, tal como 0,02 - 0,06 % en peso, tal como 0,02 - 0,05 % en peso, tal como 0,01 - 0,04 % en peso.Carbon can be present as an unavoidable impurity resulting from the production process. Carbon can also be included in the ferritic alloy as defined hereinabove or hereinafter to increase strength by precipitation hardening. To have a noticeable effect on the strength of the alloy, carbon must be present in an amount of at least 0.01% by weight. At too high levels, carbon can result in difficulties in forming the material and also a negative effect on corrosion resistance. Therefore, the maximum amount of carbon is 0.1% by weight. For example, the carbon content is 0.02-0.09% by weight, such as 0.02-0.08% by weight, such as 0.02-0.07% by weight, such as 0.02. - 0.06% by weight, such as 0.02-0.05% by weight, such as 0.01-0.04% by weight.
Nitrógeno (N)Nitrogen (N)
El nitrógeno puede estar presente como una impureza inevitable resultante del proceso de producción. También se puede incluir nitrógeno en la aleación ferrítica como se define anteriormente en el presente documento o a continuación en el presente documento para aumentar la resistencia mediante endurecimiento por precipitación, en particular cuando se aplica una vía de proceso pulvimetalúrgico. A niveles demasiado altos, el nitrógeno puede dar como resultado dificultades para formar la aleación y también tener un efecto negativo en la resistencia a la corrosión. Por lo tanto, la cantidad máxima de nitrógeno es del 0,1 % en peso. Los intervalos adecuados de nitrógeno son, por ejemplo, 0,001 - 0,08 % en peso, tal como 0,001 - 0,05 % en peso, tal como 0,001 - 0,04 % en peso, tal como 0,001 - 0,03 % en peso, tal como 0,001 - 0,02 % en peso.Nitrogen can be present as an unavoidable impurity resulting from the production process. Nitrogen may also be included in the ferritic alloy as defined hereinbefore or hereinafter to increase strength by precipitation hardening, particularly when applying a powder metallurgical process route. At too high levels, nitrogen can result in difficulties in alloying and also have a negative effect on corrosion resistance. Therefore, the maximum amount of nitrogen is 0.1% by weight. Suitable ranges of nitrogen are, for example, 0.001-0.08% by weight, such as 0.001-0.05% by weight, such as 0.001-0.04% by weight, such as 0.001-0.03% by weight. weight, such as 0.001-0.02% by weight.
Oxígeno (O)Oxygen (O)
El oxígeno puede existir en la aleación como se define anteriormente en el presente documento o a continuación en el presente documento como una impureza resultante del proceso de producción. En ese caso, la cantidad de oxígeno puede ser de hasta 0,02 % en peso, tal como hasta 0,005 % en peso. Si se agrega oxígeno deliberadamente para proporcionar resistencia mediante reforzamiento por dispersión, como cuando se fabrica la aleación mediante una vía de proceso pulvimetalúrgico, la aleación tal como se define anteriormente en el presente documento o a continuación en el presente documento, comprende hasta o es igual a 0,2 % en peso de oxígeno. Oxygen may exist in the alloy as defined hereinbefore or hereinafter as an impurity resulting from the production process. In that case, the amount of oxygen can be up to 0.02% by weight, such as up to 0.005% by weight. If oxygen is deliberately added to provide strength by dispersion reinforcement, such as when the alloy is manufactured by a powder metallurgical process route, the alloy as defined hereinbefore or hereinafter comprises up to or equals 0.2% by weight of oxygen.
Cromo (Cr)Chromium (Cr)
El cromo está presente en la presente aleación principalmente como un elemento de solución de matriz sólida. El cromo promueve la formación de la capa de óxido de aluminio en la aleación a través del llamado efecto del tercer elemento, es decir, mediante la formación de óxido de cromo en la etapa de oxidación transitoria. El cromo deberá estar presente en la aleación como se define anteriormente en el presente documento o a continuación en el presente documento en una cantidad de al menos el 4 % en peso para cumplir este propósito. En la presente aleación de acuerdo con la invención, el Cr también mejora la susceptibilidad a formar una fase o y Cr3Si frágil. Este efecto surge aproximadamente al 12 % en peso y se mejora a niveles por encima del 15 % en peso, por lo que el límite de Cr es del 15 % en peso. También desde el punto de vista de la oxidación, niveles superiores al 15 % en peso darán como resultado una contribución indeseable de Cr en las incrustaciones protectoras de óxido. De acuerdo con un modo de realización, el contenido de Cr es del 5 al 13 % en peso, tal como del 5 al 12 % en peso, tal como del 6 al 12 % en peso, tal como del 7 al 11 % en peso, tal como del 8 al 10 % en peso.Chromium is present in the present alloy primarily as a solid matrix solution element. Chromium promotes the formation of the aluminum oxide layer in the alloy through the so-called third element effect, that is, through the formation of chromium oxide in the transient oxidation stage. Chromium should be present in the alloy as defined hereinbefore or hereinafter in an amount of at least 4% by weight to serve this purpose. In the present alloy according to the invention, Cr also improves the susceptibility to form a brittle o and Cr3Si phase. This effect arises at about 12% by weight and is enhanced at levels above 15% by weight, whereby the Cr limit is 15% by weight. Also from an oxidation point of view, levels greater than 15% by weight will result in an undesirable contribution of Cr in the protective oxide scale. According to one embodiment, the Cr content is 5 to 13% by weight, such as 5 to 12% by weight, such as 6 to 12% by weight, such as 7 to 11% by weight. , such as 8 to 10% by weight.
Aluminio (Al)Aluminum (Al)
El aluminio es un elemento importante en la aleación tal como se define anteriormente en el presente documento o a continuación en el presente documento. El aluminio, cuando se expone al oxígeno a alta temperatura, formará el óxido denso y delgado, AbO3, a través de la oxidación selectiva, que protegerá la superficie de la aleación subyacente de una mayor oxidación. La cantidad de aluminio debe ser de al menos el 2 % en peso para asegurar que se forme una capa superficial protectora que contenga óxido rico en aluminio y también para asegurar que haya suficiente aluminio presente para curar la capa superficial protectora cuando esta se dañe. Sin embargo, el aluminio tiene un impacto negativo sobre la conformabilidad y grandes cantidades de aluminio pueden dar como resultado la formación de grietas en la aleación durante el trabajo mecánico de la misma. En consecuencia, la cantidad de aluminio no debe exceder el 6 % en peso. Por ejemplo, el aluminio puede ser del 3 al 5 % en peso, tal como del 2,5 al 4,5 % en peso, tal como del 3 al 4 % en peso.Aluminum is an important element in the alloy as defined hereinabove or hereinafter. Aluminum, when exposed to oxygen at high temperature, will form the thin, dense oxide, AbO3, through selective oxidation, which will protect the underlying alloy surface from further oxidation. The amount of aluminum must be at least 2% by weight to ensure that a protective surface layer is formed containing aluminum rich oxide and also to ensure that there is enough aluminum present to cure the protective surface layer when it is damaged. However, aluminum has a negative impact on formability and large amounts of aluminum can result in the formation of cracks in the alloy during mechanical working of the alloy. Consequently, the amount of aluminum should not exceed 6% by weight. For example, aluminum can be 3 to 5% by weight, such as 2.5 to 4.5% by weight, such as 3 to 4% by weight.
Silicio (Si)Silicon (Si)
En las aleaciones comerciales de FeCrAl, el silicio suele estar presente en niveles de hasta el 0,4 % en peso. En las aleaciones ferríticas como se definen anteriormente en el presente documento o a continuación en el presente documento, el Si jugará un papel muy importante ya que se ha descubierto que tiene un gran efecto en la mejora de la resistencia a la oxidación y corrosión. El límite superior de Si se establece por la pérdida de trabajabilidad en condiciones de frío y calor y una mayor susceptibilidad a la formación de Cr3Si y fase o frágil durante la exposición a largo plazo. Por lo tanto, las adiciones de Si se deben realizar en relación con el contenido de Al y Cr. Por lo tanto, la cantidad de Si está entre el 0,5 y el 3 % en peso, tal como del 1 al 3 % en peso, tal como del 1 al 2,5 % en peso, tal como del 1,5 al 2,5 % en peso.In commercial FeCrAl alloys, silicon is usually present in levels of up to 0.4% by weight. In ferritic alloys as defined hereinabove or hereinafter document, Si will play a very important role as it has been found to have a great effect in improving resistance to oxidation and corrosion. The upper limit of Si is established by the loss of workability in hot and cold conditions and an increased susceptibility to Cr3Si and phase or brittle formation during long-term exposure. Therefore, the Si additions must be made in relation to the Al and Cr content. Therefore, the amount of Si is between 0.5 and 3% by weight, such as 1 to 3% by weight. weight, such as 1 to 2.5% by weight, such as 1.5 to 2.5% by weight.
Manganeso (Mn)Manganese (Mn)
El manganeso puede estar presente como una impureza en la aleación como se define anteriormente en el presente documento o a continuación en el presente documento hasta el 0,4 % en peso, tal como del 0 al 0,3 % en peso.Manganese may be present as an impurity in the alloy as defined hereinbefore or hereinafter up to 0.4% by weight, such as 0 to 0.3% by weight.
Itrio (Y)Yttrium (Y)
En metalurgia fundida, se puede agregar itrio en una cantidad de hasta 0,3 % en peso para mejorar la adherencia de la capa superficial protectora. Además, en la pulvimetalurgia, si se agrega itrio para crear una dispersión junto con oxígeno y/o nitrógeno, el contenido de itrio es de al menos un 0,04 % en peso, para lograr el efecto de endurecimiento de la dispersión deseada mediante óxidos y/o nitruros. La cantidad máxima de itrio en aleaciones endurecidas en dispersión en forma de compuestos de Y que contienen oxígeno puede ser de hasta 1,0 % en peso.In molten metallurgy, yttrium can be added in an amount up to 0.3% by weight to improve the adhesion of the protective surface layer. In addition, in powder metallurgy, if yttrium is added to create a dispersion together with oxygen and / or nitrogen, the yttrium content is at least 0.04% by weight, to achieve the effect of hardening the desired dispersion by oxides. and / or nitrides. The maximum amount of yttrium in dispersion hardened alloys in the form of oxygen-containing Y compounds can be up to 1.0% by weight.
Escandio (Sc), cerio (Ce) y lantano (La)Scandium (Sc), cerium (Ce) and lanthanum (La)
El escandio, el cerio y el lantano son elementos intercambiables y se pueden agregar individualmente o en combinación en una cantidad total de hasta 0,2 % en peso para mejorar las propiedades de oxidación, la autocuración de la capa de óxido de aluminio (Al2O3) o la adherencia entre la aleación y la capa de Al2O3.Scandium, cerium and lanthanum are interchangeable elements and can be added individually or in combination in a total amount of up to 0.2% by weight to improve the oxidation properties, the self-healing of the aluminum oxide layer (Al2O3) or the adhesion between the alloy and the Al2O3 layer.
Molibdeno (Mo) y tungsteno (W)Molybdenum (Mo) and tungsten (W)
Tanto el molibdeno como el tungsteno tienen efectos positivos sobre la resistencia en caliente de la aleación tal como se define anteriormente en el presente documento o a continuación en el presente documento. El Mo también tiene un efecto positivo sobre las propiedades de corrosión en húmedo. Pueden agregarse individualmente o en combinación en una cantidad de hasta 4,0 % en peso, tal como de 0 a 2,0 % en peso.Both molybdenum and tungsten have positive effects on the hot strength of the alloy as defined hereinbefore or hereinafter. Mo also has a positive effect on wet corrosion properties. They can be added individually or in combination in an amount of up to 4.0% by weight, such as 0 to 2.0% by weight.
Elementos reactivos (RE)Reactive elements (RE)
Por definición, los elementos reactivos son altamente reactivos con carbono, nitrógeno y oxígeno. El titanio (Ti), el niobio (Nb), el vanadio (V), el hafnio (Hf), el tantalio (Ta) y el torio (Th) son elementos reactivos en el sentido de que tienen una alta afinidad por el carbono, por lo que son fuertes formadores de carburo. Estos elementos se agregan para mejorar las propiedades de oxidación de la aleación. La cantidad total de elementos es de hasta el 1,0 % en peso, tal como el 0,4 % en peso, tal como hasta el 0,15.By definition, reactive elements are highly reactive with carbon, nitrogen, and oxygen. Titanium (Ti), niobium (Nb), vanadium (V), hafnium (Hf), tantalum (Ta) and thorium (Th) are reactive elements in the sense that they have a high affinity for carbon. , so they are strong carbide formers. These elements are added to improve the oxidation properties of the alloy. The total amount of elements is up to 1.0% by weight, such as 0.4% by weight, such as up to 0.15.
Las cantidades máximas del respectivo elemento reactivo dependerán principalmente de la tendencia del elemento a formar fases intermetálicas adversas.The maximum amounts of the respective reactive element will depend mainly on the tendency of the element to form adverse intermetallic phases.
Circonio (Zr)Zirconium (Zr)
A menudo se hace referencia al circonio como un elemento reactivo, ya que es muy reactivo con el oxígeno, el nitrógeno y el carbono. En la presente aleación, se ha descubierto que el Zr tiene un doble papel ya que estará presente en la capa superficial protectora que contiene óxido rico en aluminio, mejorando así la resistencia a la oxidación y también formará carburos y nitruros. Por tanto, para conseguir las mejores propiedades de la capa superficial protectora que contiene óxido rico en aluminio, es ventajoso incluir Zr en la aleación.Zirconium is often referred to as a reactive element, as it is very reactive with oxygen, nitrogen, and carbon. In the present alloy, it has been discovered that Zr has a dual role as it will be present in the protective surface layer containing aluminum rich oxide, thus improving oxidation resistance and will also form carbides and nitrides. Therefore, to achieve the best properties of the protective surface layer containing aluminum rich oxide, it is advantageous to include Zr in the alloy.
Sin embargo, los niveles de Zr por encima del 0,40 % en peso tendrán un efecto sobre la oxidación debido a la formación de inclusiones intermetálicas ricas en Zr y los niveles por debajo del 0,05 % en peso serán demasiado pequeños para cumplir el doble propósito, independientemente del contenido de C y N. Por tanto, el intervalo de Zr está entre 0,05 y 0,40 % en peso, tal como 0,10 a 0,35.However, levels of Zr above 0.40% by weight will have an effect on oxidation due to the formation of Zr-rich intermetallic inclusions and levels below 0.05% by weight will be too small to meet the goal. dual purpose, regardless of the C and N content. Therefore, the range of Zr is between 0.05 and 0.40% by weight, such as 0.10 to 0.35.
Además, también se ha descubierto que la relación entre Zr y N y C puede ser importante para lograr una resistencia a la oxidación aún mejor de la capa superficial protectora, es decir, la incrustación de alúmina. Por tanto, el inventor ha descubierto sorprendentemente que si se agrega Zr a la aleación y la aleación también comprende N y C y si se cumple la siguiente condición (el contenido del elemento dado en % en peso): In addition, it has also been found that the ratio of Zr to N and C may be important in achieving even better oxidation resistance of the protective surface layer, ie, the scaling of alumina. Therefore, the inventor has surprisingly found that if Zr is added to the alloy and the alloy also comprises N and C and if the following condition is met (the content of the element given in% by weight):
- 0 , 1 5 <Zr - - ■ < 0 , 1 5 , -0,15 < Z r - ^ ^ - r - 4 - 0.1 5 <Zr - - ■ < 0.1 5, -0.15 <Z r - ^ ^ - r - 4
' 7C 4N < 0,10, Z < 0,10, o,62 - tal como ' °'62 tal como -0.05 < 0,62 la aleación obtenida logrará una buena resistencia a la oxidación. '7C 4N <0.10, Z <0.10, or, 62 - as''62 ° as -0.05 <.62 alloy obtained achieve a good oxidation resistance.
El resto en la aleación ferrítica como se define anteriormente en el presente documento o a continuación en el presente documento es Fe e impurezas inevitables. Ejemplos de impurezas inevitables son elementos y compuestos que no se han agregado a propósito, pero que no pueden evitarse por completo, ya que normalmente se producen como impurezas en, por ejemplo, el material usado para la fabricación de la aleación ferrítica. The remainder in the ferritic alloy as defined hereinbefore or hereinafter is Fe and unavoidable impurities. Examples of unavoidable impurities are elements and compounds that have not been added on purpose, but cannot be completely avoided, as they are normally produced as impurities in, for example, the material used to make the ferritic alloy.
La figura 1a y la figura 1b muestran que un Cr más alto en una aleación ferrítica que contiene Si es propenso a formar inclusiones de Si3Cr y al 20 % de Cr también es propenso a promover una fase o frágil no deseada después de la exposición durante un tiempo prolongado en el área de temperatura de enfoque. Aunque los diagramas solo se muestran para dos niveles de Cr, 10 y 20 %, la tendencia de las fases de fragilización que aumentan con un Cr más alto se demuestra claramente. Se observa la ausencia de fase o al 10 % de Cr y la cantidad creciente de fase de Cr3Si con mayor contenido de Si en ambos niveles de Cr. Por lo tanto, estas cifras muestran que habrá problemas al usar niveles de Cr de aproximadamente el 20 %.Figure 1a and Figure 1b show that a higher Cr in a ferritic alloy containing Si is prone to forming Si3Cr inclusions and at 20% Cr is also prone to promoting an unwanted brittle phase after exposure for a prolonged time in the focus temperature area. Although the diagrams are only shown for two Cr levels, 10 and 20%, the trend of embrittlement phases increasing with higher Cr is clearly demonstrated. The absence of phase or 10% Cr and the increasing amount of Cr3Si phase with higher Si content is observed at both Cr levels. Therefore, these figures show that there will be problems when using Cr levels of about 20 %.
Cuando los términos ''<" o "menor que o igual a" se usan en el siguiente contexto: "elemento < número", el experto en la técnica sabe que el límite inferior del intervalo es 0 % en peso a menos que se indique específicamente otro número. Además, el artículo indefinido "un/una" no excluye una pluralidad.When the terms "<" or "less than or equal to" are used in the following context: "element <number", it is known to the person skilled in the art that the lower limit of the range is 0% by weight unless indicated specifically another number Furthermore, the indefinite article "a / an" does not exclude a plurality.
La presente divulgación se ilustra además mediante los siguientes ejemplos no limitantes.The present disclosure is further illustrated by the following non-limiting examples.
EjemplosExamples
Las masas fundidas de prueba se produjeron en un horno de fusión al vacío. Las composiciones de las masas fundidas de prueba se muestran en la tabla 1.The test melts were produced in a vacuum melting furnace. The compositions of the test melts are shown in Table 1.
Las muestras obtenidas se laminaron en caliente y se mecanizaron en varillas planas con una sección transversal de 2 x 10 mm. A continuación, se cortaron en cupones de 20 mm de largo y se molieron con papel de SiC hasta una malla 800 para su exposición al aire y las condiciones de combustión. Algunas de las varillas se cortaron en varillas de 200 mm de largo x 3 x 12 mm para la prueba de tracción a temperatura ambiente en un aparato de prueba de tracción Zwick/Roell Z100.The samples obtained were hot rolled and machined into flat rods with a cross section of 2 x 10 mm. They were then cut into 20mm long coupons and ground with SiC paper to 800 mesh for exposure to air and burning conditions. Some of the rods were cut into 200mm long x 3x12mm rods for room temperature tensile testing on a Zwick / Roell Z100 tensile tester.
Los resultados de las pruebas de exposición y tracción se muestran en la tabla 1.The results of the exposure and traction tests are shown in Table 1.
Las muestras se ensayaron para determinar la tensión de rotura y elongación, así como el alargamiento a la rotura en una máquina de ensayo de tracción estándar y el resultado que da > 3 % de alargamiento a la rotura se designa como "x" en la columna "Trabajable" de la tabla. Por lo tanto, la "x" designa una aleación que se lamina fácilmente en caliente y que muestra un comportamiento dúctil a temperatura ambiente. En la columna "Oxidación", la "x" indica que la aleación forma una incrustación protectora de óxido rico en alúmina a 950 °C en el aire y a 850 °C con depósito de cenizas de biomasa.The samples were tested for breaking stress and elongation as well as elongation at break on a standard tensile testing machine and the result giving> 3% elongation at break is designated as "x" in the column. "Workable" table. Therefore, the "x" designates an alloy that is easily hot rolled and exhibits ductile behavior at room temperature. In the "Oxidation" column, the "x" indicates that the alloy forms a protective oxide scale rich in alumina at 950 ° C in air and at 850 ° C with biomass ash deposition.
Tabla 1: La composición de las masas fundidas y los resultados de la prueba de trabajabilidad y oxidación. La (x) indica un valor de alargamiento entre el 3 y el 6 %. Table 1: The composition of the melts and the results of the workability and oxidation test. The ( x) indicates an elongation value between 3 and 6%.
Por tanto, como puede verse en la tabla anterior, las aleaciones de la presente divulgación muestran una buena trabajabilidad y un buen comportamiento de oxidación.Therefore, as can be seen from the table above, the alloys of the present disclosure show good workability and good oxidation behavior.
Las figuras 2a a e divulgan muestras que son secciones pulidas de la presente divulgación (figuras 2a) 4783 y 2b) 4779) en comparación con tres aleaciones comparativas después de la exposición a 50 ciclos de 1 hora a 850 °C expuestas a cenizas de biomasa (gránulos de madera) que contienen grandes cantidades de potasio. Las micrografías se toman en un JEOL FEG SEM a un aumento de 1000 veces y muestran una clara ventaja en el comportamiento entre las aleaciones de la presente divulgación y los materiales de referencia. Como se puede ver, en las aleaciones de la presente divulgación, se ha formado una incrustación de alúmina protectora de 3-4 gm de espesor (capa de óxido de aluminio), mientras que se forma una incrustación rica en cromo (óxido de cromo) más gruesa y menos protectora en el acero inoxidable (2c - 11 Ni, 21 Cr, N, Ce, resto de Fe) y una aleación a base de Ni (2e - Inconel 625: 58Ni, 21Cr, 0,4Al, 0,5Si, Mo, Nb, Fe), y se forma una incrustación de alúmina relativamente porosa y no tan protectora en la aleación comparativa de FeCrAl (aleación 4776) (figura 2d - 20Cr, 5Al, 0,04 Si, resto de Fe).Figures 2a to e disclose samples that are polished sections of the present disclosure (Figures 2a) 4783 and 2b) 4779) compared to three comparative alloys after exposure to 50 cycles of 1 hour at 850 ° C exposed to biomass ash ( wood granules) that contain large amounts of potassium. The micrographs are taken on a JEOL FEG SEM at 1000-fold magnification and show a clear performance advantage between the alloys of the present disclosure and the reference materials. As can be seen, in the alloys of the present disclosure, a 3-4 gm thick protective alumina scale (aluminum oxide layer) has been formed, while a chromium-rich scale (chromium oxide) is formed. thicker and less protective on stainless steel (2c - 11 Ni, 21 Cr, N, Ce, Fe remainder) and a Ni-based alloy (2e - Inconel 625: 58Ni, 21Cr, 0.4Al, 0.5Si , Mo, Nb, Fe), and a relatively porous and not so protective alumina scale is formed in the comparative FeCrAl alloy (alloy 4776) (Figure 2d - 20Cr, 5Al, 0.04 Si, Fe residue).
Como se puede ver en las figuras 2a - e, la adición de Si, Al y Cr de acuerdo con los rangos de acuerdo con la presente divulgación promoverá la formación de incrustaciones de alúmina a niveles de Al tan bajos como aproximadamente 2 % en peso y a niveles de cromo tan bajos como 5 % en peso. As can be seen in Figures 2a-e, the addition of Si, Al and Cr in accordance with the ranges according to the present disclosure will promote the formation of alumina scale at Al levels as low as about 2% by weight and longer. chromium levels as low as 5% by weight.
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