ES2250793T3 - Aleacion de precipitacion de co-ni termoresistente endurecida y metodo para su preparacion. - Google Patents

Aleacion de precipitacion de co-ni termoresistente endurecida y metodo para su preparacion.

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ES2250793T3 ES03015101T ES03015101T ES2250793T3 ES 2250793 T3 ES2250793 T3 ES 2250793T3 ES 03015101 T ES03015101 T ES 03015101T ES 03015101 T ES03015101 T ES 03015101T ES 2250793 T3 ES2250793 T3 ES 2250793T3
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Michihiko Ayada
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Abstract

Aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida que comprende, todo en peso: no más del 0, 05% de C; no más del 0, 5% de Si; no más del 1, 0% de Mn; del 25 al 45% de Ni; del 13 al 22% de Cr; del 10 al 18% de Mo ó del 10 al 18% de Mo + 1/2W; del 0, 1 al 5, 0% de Nb; del 0, 1 al 5, 0% de Fe; al menos un tipo del 0, 007 al 0, 10% de REM; del 0, 001 al 0, 010% de B; del 0, 0007 al 0, 010% de Mg y del 0, 001 al 0, 20% de Zr; el resto de Co e impurezas inevitables; una doble estructura fina; una fase matriz; y Co3Mo ó Co7Mo6 precipitado en los límites de la doble estructura fina y la fase matriz.

Description

Aleación de precipitación de Co-Ni termorresistente endurecida y método para su preparación.
Antecedentes de la invención Campo de la invención
La presente invención se refiere a una aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida y a un método para la obtención de la misma y, más en particular, a una aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida en la cual precipita Co_{3}Mo ó Co_{7}Mo_{6} en los límites entre una doble estructura fina y una fase matriz. La estructura es adecuada para resortes, pernos, etc, que se utilizan en piezas de, por ejemplo, sistemas de escape de motores y dispositivos periféricos en turbinas de gas, los cuales están expuestos a altas temperaturas.
Técnica asociada
Convencionalmente, las partes termorresistentes que se utilizan en piezas tales como sistemas de escape de motores y dispositivos periféricos en turbinas de gas, que están expuestas a altas temperaturas, se fabrican utilizando aleaciones súper termorresistentes basadas en Ni tal como Inconel X-750 (Ni: 73,0% en masa, Cr: 15,0% en masa, Al: 0,8% en masa, Ti: 2,5% en masa, Fe: 6,8% en masa, Mn: 0,70% en masa, Si: 0,25% en masa, C: 0,04, Nb+Ta: 0,9% en masa) e Inconel 718 (Ni: 53,0% en masa, Cr: 18,6% en masa, Mo: 3,1% en masa, Al: 0,4% en masa, Ti: 0,9% en masa, Fe: 18,5% en masa, Mn: 0,20% en masa, Si: 0,18% en masa, C: 0,04% en masa, Nb+Ta: 5,0% en masa).
Estas aleaciones súper termorresistentes basadas en Ni se refuerzan mediante precipitación de la fase \gamma' (Ni_{3} (Al, Ti, Nb) y la fase \gamma'' (Ni_{3}Nb). Sin embargo, cuando estas aleaciones se utilizan durante largos períodos de tiempo a altas temperaturas de o por encima de 600ºC, la fase \gamma' y la fase \gamma'' se vuelven bastas debido al sobreenvejecimiento, provocando así una disminución de su fuerza. Además, en piezas tales como resortes y pernos sobre los que se aplica un esfuerzo continuo, la relajación al esfuerzo es mayor, y por ello no se mantiene el rendimiento inicial exigido originalmente para tales piezas.
La WO-A-0224967 revela unas aleaciones termorresistentes basadas en Co-Ni que comprenden, todo en peso, no más del 0,05% en masa de C; no más del 0,5% en masa de Si; no más del 1,0% en masa de Mn; del 25 al 45% en masa de Ni; del 13 a menos del 18% en masa de Cr; del 7 al 20% en masa de Mo + 1/2W de al menos Mo o W; del 0,1 al 3,0% en masa de Ti; del 0,1 al 5,0% en masa de Nb; del 0,1 al 5,0% en masa de Fe; y el resto básicamente es Co e impurezas inevitables, comprendiendo además la aleación termorresistente basada en Co-Ni, según sea necesario, del 0,007 al 0,10% en masa de REM, comprendiendo además, todo en peso, al menos uno de los del grupo formado por del 0,001 al 0,010% en masa de B; del 0,0007 al 0,010% en masa de Mg; del 0,001 al 0,20% en masao de Zr. Los métodos de producción para las aleaciones termorresistentes basadas en Co-Ni comprenden los pasos de someter a la aleación a una solución sólida por tratamiento térmico a 1.000 a 1.200ºC o a un trabajo en caliente a esta temperatura, a continuación someter la aleación a un trabajo en frío o en caliente que permita una proporción de reducción no inferior al 40% y luego someter la aleación a un tratamiento térmico de estabilización a 500 hasta 800ºC durante 0,1 a 50 horas.
En las aleaciones termorresistentes basadas en Co-Ni es necesario al menos Cr que precipita como fase \sigma, se incrementan los elementos disueltos como Mo, Fe, y Nb, que se segregan en imperfecciones en grupo de dislocación extendida para bloquear los movimientos de dislocación, alcanzándose un alto rendimiento de endurecimiento.
Estas aleaciones presentan alta resistencia a temperatura ambiente y pueden inhibir una disminución en la resistencia aun después de largos períodos de utilización a altas temperaturas en comparación con las aleaciones convencionales súper termorresistentes basadas en Ni.
Sumario de la invención
Por tanto, los objetos de la presente invención son proporcionar una aleación termorresistente que presente mayor resistencia que la aleación súper termorresistente basada en Ni anteriormente mencionada y que pueda inhibir una disminución en la resistencia aun después de un largo período de utilización a altas temperaturas, y proporcionar un método para producirla.
Con el fin de resolver los problemas anteriormente mencionados, los inventores de la presente invención han llevado a cabo varias investigaciones y estudios sobre la composición y condiciones del tratamiento térmico de envejecimiento de las aleaciones termorresistentes basadas en Co-Ni que presentan una mayor resistencia que la aleación súper termorresistente basada en Ni anteriormente mencionada, y que puedan inhibir una reducción en la resistencia aun después de un largo período de utilización a altas temperaturas. Como resultado, los inventores han descubierto que cuando una aleación termorresistente basada en Co-Ni se somete a un tratamiento térmico de envejecimiento bajo condiciones de estrés mecánico, se forma una doble estructura fina con un tamaño de grano promedio de varias micras, y precipita Co_{3}Mo o Co_{7}Mo_{6} con tamaños desde varias micras hasta varias decenas de nanómetros en los límites entre la doble estructura fina y una fase matriz (véase la Fig. 1 y la Fig. 2 que muestran las fotografías de las estructuras del Ejemplo Práctico 22 de la presente invención). Los inventores descubrieron también que cuando se forma la estructura anteriormente mencionada, se puede obtener una aleación termorresistente que posee una gran resistencia y que puede inhibir la reducción de la resistencia aun después de un largo período de utilización a altas temperaturas. Los inventores descubrieron igualmente que cuando la aleación termorresistente basada en Co-Ni se somete primero a un trabajo en frío o en caliente que permite una proporción de reducción no inferior al 40% después de un tratamiento térmico de la solución sólida y se somete en segundo lugar a un tratamiento térmico de envejecimiento, se forma una dislocación de alta densidad en una matriz debido al trabajo en frío o en caliente por la cual se mejora la resistencia a altas temperaturas gracias al anclaje de la dislocación por los precipitados formados por un tratamiento térmico de envejecimiento después del tratamiento térmico de la solución sólida. Además, un elemento disuelto tal como Mo se segrega en la superficie las imperfecciones apiladas de la dislocación, y ésta se ancla. Por tanto, se obtiene un efecto de mejora en la resistencia a temperatura ambiente y a altas
temperaturas.
Además, los inventores descubrieron que para formar una doble estructura fina con un tamaño medio de grano de varias micras, y para formar precipitados finos de, por ejemplo, Co_{3}Mo ó Co_{7}Mo_{6} con un tamaño de grano desde varias micras hasta varias decenas de nanómetros en los límites entre la doble estructura fina y una fase matriz, se realiza un tratamiento térmico de envejecimiento donde se calienta la aleación termorresistente durante un tiempo adecuado y a una temperatura de 600 a 800ºC bajo una condición de aplicación de esfuerzo después del tratamiento térmico de la solución en sólido. Como alternativa, se realiza un tratamiento térmico de trabajo y de envejecimiento donde, en primer lugar, se somete a una aleación termorresistente a un trabajo en frío o en caliente que permita una proporción de reducción no inferior al 40% después del tratamiento térmico de solución sólida y, en segundo lugar, se calienta durante un tiempo adecuado a una temperatura de 600 a 800ºC bajo una condición de aplicación de un esfuerzo de entre 100 y 400 MPa. Como alternativa, se realiza un tratamiento térmico de trabajo y envejecimiento donde, en primer lugar, se somete una aleación termorresistente a un trabajo en frío o en caliente que permita una proporción de reducción no inferior del 40% después de tratamiento térmico de solución sólida y, en segundo lugar, se calienta durante un tiempo adecuado a una temperatura de 800ºC a 950ºC.
La presente invención ha sido realizada basándose en estos descubrimiento. En la siguiente explicación, "%" se refiere al % en masa.
La presente invención proporciona una aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida que comprende, todo en peso, no más del 0,05% de C; no más del 0,5% de Si; no más del 1,0% de Mn; del 25 al 45% de Ni; del 13 al 22% de Cr; del 10 al 18% de Mo ó del 10 al 18% de Mo + 1/2W; del 0,1 al 5,0% de Nb; del 0,1 al 5,0% de Fe; si lo hubiera del 0,1 al 3,0% de Ti; al menos un tipo del 0,007 al 0,10% de REM; del 0,001 al 0,010% de B; del 0,0007 al 0,010% de Mg y del 0,001 al 0,20% de Zr; siendo el resto Co e impurezas inevitables; una doble estructura fina; una fase matriz; y donde precipita Co_{3}Mo ó Co_{7}Mo_{6} en los límites de la doble estructura fina y la fase
matriz.
En otro aspecto de la invención, ésta proporciona un método para producir la aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida que comprende los pasos de: preparar una aleación que comprende, todo en peso, no más del 0,05% de C; no más del 0,5% de Si; no más del 1,0% de Mn; del 25 al 45% de Ni; del 13 al 22% de Cr; del 10 al 18% de Mo ó del 10 al 18% de Mo + 1/2W; del 0,1 al 5,0% de Nb; del 0,1 al 5,0% de Fe; si lo hubiera del 0,1 al 3,0% de Ti; al menos un tipo del 0,007 al 0,10% de REM; del 0,001 al 0,010% de B; del 0,0007 al 0,010% de Mg y del 0,001 al 0,20% de Zr; siendo el resto Co e impurezas inevitables; someter a la aleación a un tratamiento térmico de solución sólida; y someter a la aleación a un tratamiento térmico de envejecimiento a 600 a 800ºC durante 0,5 a 16 horas bajo una condición de aplicación de un esfuerzo de entre 100 y 400 MPa, formándose así una doble estructura fina en una fase matriz, y precipitar Co_{3}Mo ó Co_{7}Mo_{6} en el límite de la doble estructura fina y la fase
matriz.
Además, en otro aspecto de la invención, ésta proporciona un método para producir la aleación termorresistente de precipitación basada en Co-Ni endurecida que comprende los pasos de: preparar una aleación que comprende, todo en peso, no más del 0,05% de C; no más del 0,5% de Si; no más del 1,0% de Mn; del 25 al 45% de Ni; del 13 al 22% de Cr; del 10 al 18% de Mo ó del 10 al 18% de Mo + 1/2W; del 0,1 al 5,0% de Nb; del 0,1 al 5,0% de Fe; si lo hubiera del 0,1 al 3,0% de Ti; al menos un tipo del 0,007 al 0,10% de REM; del 0,001 al 0,010% de B; del 0,0007 al 0,010% de Mg y del 0,001 al 0,20% de Zr; siendo el resto Co e impurezas inevitables; someter la aleación a un tratamiento térmico de solución sólida; someter a la aleación a un trabajo en frío o en caliente que permita una proporción de reducción no inferior al 40%; y someter a la aleación a un tratamiento térmico de envejecimiento a 600 a 800ºC durante 0,5 a 16 horas bajo aplicación de un esfuerzo de entre 100 y 400 MPa, formándose así una doble estructura fina en una fase matriz, y precipitar Co_{3}Mo ó Co_{7}Mo_{6} en el límite de la doble estructura fina y la fase matriz.
En la aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida de la presente invención, los precipitados finos se forman en los límites entre la doble estructura fina y una fase matriz. No se permite que los precipitados crezcan para ser más gruesos a altas temperaturas de aproximadamente 700ºC, se realiza un efecto sobre el anclaje de la dislocación aun a altas temperaturas no inferiores a 700ºC debido a la interacción entre los precipitados y la dislocación. Los precipitados se forman en las uniones intergranulares de una doble estructura fina que tiene un tamaño medio de grano de varias micras. Por tanto, los precipitados suprimen el deslizamiento del límite de grano como formando un obstáculo cuando el dicho límite se mueve a altas temperaturas no menos de 700ºC, e impide la circulación de los granos. En consecuencia, la alta resistencia, por ejemplo la resistencia a la fluencia, es
excelente.
Además, en el método de producción de la aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida de la presente invención, la aleación termorresistente se somete a un tratamiento térmico de envejecimiento durante 0,5 a 16 horas a una temperatura de 600 a 800ºC bajo una aplicación de un esfuerzo después de un tratamiento térmico de solución sólida a 1.000 a 1.200ºC. Como alternativa, la aleación termorresistente se somete, en primer lugar, a un trabajo en frío o en caliente que permita una proporción de reducción no inferior al 40% después del tratamiento térmico de solución sólida y, en segundo lugar, se somete a un tratamiento térmico de envejecimiento durante 0,5 a 16 horas a una temperatura de 600 a 800ºC bajo aplicación de un esfuerzo de entre 100 y
400 MPa.
Breve descripción de los dibujos
Figura 1: micrografía electrónica de barrido de una sustitución dibujada que muestra una estructura ampliada 5.000 veces del Ejemplo Práctico nº 22 de la presente invención.
Figura 2: micrografía electrónica de barrido de una sustitución dibujada que muestra una estructura ampliada 2.000 veces del Ejemplo Práctico nº 22 de la presente invención.
Descripción detallada de las realizaciones preferente
A continuación la descripción siguiente expondrá las razones sobre las limitaciones mencionadas anteriormente a la composición en la aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida y al método de producción de la presente invención.
C: no más del 0,05%
El carbono C se enlaza al Nb y Ti para formar carburos que impiden que los granos se vuelvan gruesos en el momento del tratamiento térmico de solución sólida, y también para consolidar el límite de grano; así, este elemento está incluido con este propósito. Para obtener estos efectos, el contenido no debe ser inferior al 0,005%. Sin embargo, ya que un contenido que sobrepasara el 0,05%, de forma más específica un 0,03%, provocaría una disminución de la dureza y de la resistencia a la corrosión, y formaría también un carburo con un elemento de anclaje de la dislocación como Mo, lo que resultaría en una interferencia con el anclaje de la dislocación, el contenido no debe ser superior al 0,05%. El rango preferente es del 0,005 al 0,03%.
Si: no más del 0,5%
Ya que el Si se utiliza eficazmente como desoxidante, este elemento está incluido con este propósito. Sin embargo, ya que un contenido que exceda un 0,5%, de forma más específica un 0,3%, provocaría una disminución de la dureza, el contenido no es superior al 0,5%. El rango preferente es de no más del 0,3%.
Mn: no más del 1,0%
Ya que el Mn se utiliza eficazmente como desoxidante, y reduce la energía de la imperfección apilada para mejorar el rendimiento del trabajo de endurecimiento, este elemento está incluido con este propósito. Sin embargo, un contenido que exceda el 1,0%, de forma más específica el 0,7%, provocaría una disminución de la resistencia a la corrosión, por ello el contenido no debe ser superior al 1,0%. El rango preferente es de no más del 0,7%.
Ni: del 25 al 45%
El Ni es un elemento que se utiliza para estabilizar la austenita que sirve de matriz y mejora la termorresistencia y la resistencia a la corrosión de la aleación, este elemento está incluido con este propósito. Con el fin de obtener estos efectos, el contenido no debe ser inferior al 25%, con más preferencia al 27%. Sin embargo, un contenido que exceda el 45% provocaría una disminución del rendimiento del trabajo de endurecimiento, por ello el contenido debe ser del 25 al 45%. El rango preferente es del 27 al 45%.
Cr: del 13% a menos del 22%
El Cr es un elemento que se utiliza para mejorar la termorresistencia y la resistencia a la corrosión, este elemento está incluido con este propósito. Con el fin de obtener estos efectos, el contenido no debe ser inferior al 13%, con más preferencia al 16%. Sin embargo, un contenido que exceda el 22%, de forma más específica el 21%, tiende a provocar la precipitación de una fase \sigma, por ello el contenido debe encontrarse en un rango del 13 al 22%. El rango preferente es del 16 al 21%.
Mo + 1/2W: del 10 al 18%
Como Mo y W se tratan por solución sólida dentro de la matriz y consolidan la matriz para mejorar el rendimiento del trabajo de endurecimiento, estos elementos están incluidos con este propósito. Con el fin de obtener estos efectos, el contenido no debe ser inferior al 10%, con más preferencia al 11%, y preferentemente el contenido de Mo no debe ser inferior al 8,0% en el caso de contener Mo y W. Sin embargo, ya que cuando la cantidad total del contenido de Mo y 1/2 del contenido de W excede el 18% tiende a producirse la precipitación de una fase \sigma, el contenido debe encontrarse en el rango del 10 al 18%. El rango preferente es del 11 al 18%.
Nb: del 0,1 al 5,0%
Nb se enlaza a C para formar los carburos que impiden que los granos se vuelvan gruesos durante el tratamiento térmico de solución sólida y para consolidar el límite de grano; y asimismo está tratado por solución sólida en la matriz para reforzar la matriz, mejorando así el rendimiento del trabajo de endurecimiento. Así, este elemento está incluido con este propósito. Para obtener estos efectos, el contenido no debe ser inferior al 0,1%, con más preferencia al 0,8%. Sin embargo, ya que un contenido que sobrepasara un 5,0%, de forma más específica un 3,0%, provocaría la precipitación de una fase \sigma (Ni_{3}Nb) lo que resultaría en una disminución de la capacidad de trabajo y dureza, el contenido debe encontrarse en un rango del 0,1 al 5,0%. El rango preferente es del 0,8 al 3,0%.
Fe: del 0,1 al 5,0%
Ya que el Fe se trata por solución sólida en la matriz para consolidar la matriz, este elemento está incluido con este propósito. Con el fin de obtener este efecto, el contenido no debe ser inferior al 0,1%, y con más preferencia al 0,5%. Sin embargo, un contenido que sobrepasara el 5,0%, de forma más específica el 4,8%, provocaría una disminución de la propiedad de resistencia a la oxidación, por ello el contenido debe encontrarse en un rango del 0,1 al 5,0%. El rango preferente es del 0,5 al 4,8%.
La utilización de Mo, Nb y Fe en forma combinada hace posible un mayor incremento de la resistencia de solución sólida y del endurecimiento de trabajo de la matriz, lo que intensifica enormemente la resistencia máxima a la tracción obtenida a temperatura ambiente y a altas temperaturas, y ejerce el efecto de desplazar la temperatura de máxima resistencia a la tracción a altas temperaturas hacia mayores temperaturas, en comparación con la aplicación de Mo y Nb o Mo y Fe de forma combinada.
Ti: del 0,1 al 3,0%
Ya que el Ti mejora la resistencia, este elemento se incluye con este propósito. Con el fin de obtener este efecto, el contenido no debe ser inferior al 0,1%, con más preferencia al 0,5%. Sin embargo, un contenido que exceda el 3,0%, de forma más específica el 2,5%, provocaría la precipitación de una fase \eta (Ni_{3}Ti) lo que resulta en una disminución de la capacidad de trabajo y la dureza, por ello el contenido debe encontrarse en el rango del 0,1 al 3,0%. El rango preferente es del 0,5 al 2,5%.
REM: del 0,007 al 0,10%
Como REM, que es al menos uno de los elementos pertenecientes a las tierras raras tal como Y, Ce, y mischmetal (metal mixto), mejora la manejabilidad en caliente y la resistencia a la oxidación, está incluido con este propósito. Con el fin de obtener estos efectos, el contenido no debe ser inferior al 0,007%, con más preferencia al 0,01%. Sin embargo, un contenido que exceda el 0,10%, de forma más específica el 0,04%, provoca la disminución de la manejabilidad en caliente y la resistencia a la oxidación a la inversa, por ello el contenido debe encontrarse en un rango del 0,007 al 0,10%. El rango preferente es del 0,01 al 0,04%.
B: del 0,001 al 0,010%; Mg: del 0,0007 al 0,010%; Zr: del 0,001 al 0,20%
B, Mg y Zr mejoran la manejabilidad en caliente y consolidan el límite de grano, estos elementos están incluidos con este propósito. Con el fin de obtener estos efectos, B debe ser del 0,001%, con más preferencia del 0,002%, Mg debe ser del 0,0007%, con más preferencia del 0,001%, y Zr debe ser del 0,001%, con más preferencia del 0,01%. Sin embargo, que B exceda el 0,010%, de forma más específica el 0,006%, Mg exceda el 0,010%, de forma más específica el 0,004% y Zr exceda el 0,20%, de forma más específica el 0,05%, provocarían una disminución de la manejabilidad en caliente y de la resistencia a la oxidación y, por ello, los rangos de los contenidos deben encontrarse respectivamente dentro de los mencionados anteriormente. Con más preferencia, B se encuentra en un rango del 0,002 al 0,006%, Mg se encuentra en un rango del 0,001 al 0,004% y Zr se encuentra en un rango del 0,01 al 0,05%.
Co: resto
Co, que posee una estructura de red hexagonal empaquetada, permite un contenido de Ni de modo tal que pueda tener una estructura de red cúbica centrada en las caras, es decir, austenita, permitiendo así un alto rendimiento del trabajo de endurecimiento.
La aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida de la presente invención comprende la composición mencionada anteriormente, y posee una estructura donde precipita Co_{3}Mo ó Co_{7}Mo_{6} en los límites entre una doble estructura fina y una fase matriz.
A continuación la descripción siguiente expondrá el método de producción de la aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida de la presente invención. En el método de producción de la aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida, se forma una doble estructura fina que tiene un tamaño medio de grano de varias micras en una aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida que contiene la composición mencionada anteriormente, precipita Co_{3}Mo ó Co_{7}Mo_{6} cuyos tamaños oscilan entre varias micras y varias decenas de nanómetros en los límites entre la doble estructura fina y una fase matriz, y se obtiene así una aleación termorresistente que posee una alta resistencia y que puede inhibir la disminución de la resistencia después de un largo período de utilización a altas temperaturas.
Por tanto, el método de producción de la aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida de la presente invención se caracteriza porque la aleación termorresistente basada en Co-Ni mencionada anteriormente se somete, en primer lugar, a un tratamiento térmico de solución sólida calentando a 1.000 a 1.200ºC, etc, y, en segundo lugar, a un tratamiento térmico de envejecimiento calentando durante 0,5 a 16 horas a una temperatura de 600 a 800ºC bajo la aplicación de un esfuerzo.
Además, otro método de producción de la aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida de la presente invención se caracteriza porque la aleación termorrresistente basada en Co-Ni mencionada anteriormente se somete en primer lugar a un tratamiento térmico de solución sólida, en segundo lugar a un trabajo en frío o en caliente que permita una proporción de reducción no inferior al 40%, y en tercer lugar a un tratamiento térmico de envejecimiento por calentamiento durante 0,5 a 16 horas a una temperatura de 600 a 800ºC bajo aplicación de un esfuerzo.
En el método de producción de la aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida de la presente invención, el tratamiento térmico de solución sólida se realiza con el fin de hacer que la estructura sea uniforme y para reducir la dureza, facilitando el trabajo. Por tanto, el tratamiento térmico de solución sólida se realiza preferentemente calentando a 1.000 hasta 1.200ºC. Una temperatura inferior a 1.000ºC no consigue proporcionar una estructura lo suficiente uniforme y no consigue tampoco reducir la dureza, con lo que se dificulta el trabajo. Además, una temperatura inferior a 1.000ºC puede provocar la precipitación de un compuesto tal como Mo que ejerce un efecto de anclaje sobre las dislocaciones, y una reducción posterior en la capacidad de endurecimiento por envejecimiento. Una temperatura que exceda 1.200ºC hace que los granos de cristal sean gruesos, lo que provoca una disminución de la dureza y resistencia.
En el método de producción de la aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida de la presente invención, la aleación termorresistente se somete a un tratamiento térmico de envejecimiento por calentamiento durante 0,5 a 16 horas a una temperatura de 600 a 800ºC bajo aplicación de un esfuerzo con el fin de formar una doble estructura fina que tenga un tamaño medio de grano de varias micras y que precipite Co_{3}Mo o el Co_{7}Mo_{6} con tamaños de varias micras a varias decenas de nanómetros en los límites entre la doble estructura fina y una fase matriz. El esfuerzo aplicado en el tratamiento térmico de envejecimiento es de aproximadamente 100 a 400 MPa. Un esfuerzo inferior a 100 MPa no permite que precipite suficientemente el Co_{3}Mo o Co_{7}Mo_{6} fino en los límites entre una doble estructura fina y una fase matriz. Un esfuerzo aplicado que exceda 400 MPa resulta en una saturación y transforma la aleación que se somete a tratamiento térmico de envejecimiento.
En el método de producción de la aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida de la presente invención, la aleación termorresistente se somete a un tratamiento térmico de envejecimiento mediante calentamiento durante 0,5 a 16 horas a una temperatura de 600 a 800ºC porque una temperatura inferior a 600ºC o durante un tiempo inferior a 0,5 horas no precipita suficientemente una doble estructura fina y un Co_{3}Mo o Co_{7}Mo_{6} fino en los límites entre la doble estructura fina y una fase matriz, y una temperatura superior a 800ºC o durante un tiempo superior a 16 horas resulta en una saturación y hace que los precipitados sean más bien gruesos, provocando así una disminución de la resistencia, lo que provoca también un mayor alargamiento por deformación plástica al provocar una disminución en la dureza y resistencia que provoca la dislocación para volver a formarse cuando se realiza adicionalmente el tratamiento térmico de envejecimiento después de haberse realizado un trabajo en frío o en caliente que permita una proporción de reducción no inferior al 40%.
En el método de producción de la aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida de la presente invención, la aleación termorresistente se somete a un trabajo en frío o en caliente con una proporción de reducción no inferior al 40% antes de un tratamiento térmico de envejecimiento bajo aplicación de un esfuerzo porque es necesario que se formen dislocaciones de alta densidad, y porque una densidad inferior al 40% no consigue la formación de dislocaciones a alta densidad. Mediante el tratamiento térmico de envejecimiento después de la formación de las dislocaciones a alta densidad, los átomos soluto tal como Mo y Fe están segregados en imperfecciones apiladas formadas entre las media dislocaciones de las dislocaciones extendidas; así, los movimientos de dislocación se bloquean de modo tal que se suprima la relajación de esfuerzo, es decir, la reocurrencia de dislocaciones. Como resultado, se puede obtener una aleación termorresistente que tenga una gran resistencia y que pueda inhibir la reducción de la resistencia aun después de un largo período de utilización a altas temperaturas, combinada con un efecto en el cual se forma una doble estructura fina y precipita Co_{3}Mo ó Co_{7}Mo_{6} fino en los límites entre la doble estructura fina y una fase matriz.
En un ejemplo del método de producción de la aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida de la presente invención, se funde la aleación y se prepara mediante un método convencional empleando un horno de inducción a vacío de alta frecuencia, etc., y se forja en un lingote por un método típico de forjado. En un ejemplo, a continuación se somete el lingote a un trabajo en caliente y a un tratamiento térmico de solución sólida a 1.000 a 1.200ºC, y luego se somete el lingote a un tratamiento térmico de envejecimiento por calentamiento durante 0,5 a 16 horas a una temperatura de 600 a 800ºC bajo aplicación de un esfuerzo de 100 a 140 MPa. En otro ejemplo, a continuación se somete la aleación a un trabajo en frío o en caliente con una proporción de reducción no inferior al 40% después del tratamiento térmico de solución sólida mencionado anteriormente, y luego se somete la aleación a un tratamiento térmico de envejecimiento por calentamiento durante 0,5 a 16 horas a una temperatura de 600 a 800ºC bajo aplicación de un esfuerzo de 100 a 140 MPa.
Las aleaciones de precipitación termorresistentes basadas en Co-Ni endurecidas de la presente invención pueden emplearse en piezas y dispositivos tales como las piezas relacionadas con los escapes, por ejemplo colectores de escape de motores, dispositivos periféricos de turbinas de gas, materiales para cámaras de horno, muelles termorresistentes y pernos termorresistentes, para los cuales se ha utilizado Inconel X750 o Inconel X718. Pueden utilizarse también para piezas y dispositivos utilizados a temperaturas más altas. De forma específica, pueden aplicarse preferentemente a muelles y pernos en los cuales se aplica normalmente un esfuerzo a altas temperaturas.
Ejemplos
La siguiente descripción expondrá la presente invención basándose en unos ejemplos.
Ejemplo 1
Las aleaciones de los ejemplos de la presente invención y los ejemplos comparativos, cuyas composiciones figuran en la Tabla 1 siguiente, se fundieron y prepararon por métodos convencionales utilizando un horno de inducción a vacío de alta frecuencia para obtener lingotes de 50 kg. Estos lingotes se formaron en barras cilíndricas, cada una con un diámetro de 20 mm, mediante un proceso de forjado en caliente. Estas barras fueron sometidas a un tratamiento térmico de solución a 1.100ºC, y luego a un tratamiento térmico de envejecimiento a 720ºC x 8 horas bajo un esfuerzo de tracción de 200 MPa. A partir de estos elementos se obtuvieron piezas de ensayo de tracción con un diámetro de 8 mm en las partes paralelas, y éstas se sometieron a pruebas de tracción a temperatura ambiente para medir la resistencia a la tracción. Además, se obtuvieron piezas para pruebas de fluencia que tenían un diámetro de 6 mm en las partes paralelas con una distancia entre rayas de 30 mm, y éstas se sometieron a pruebas de fluencia donde se les aplicó un esfuerzo de 330 MPa a 700ºC para medir el alargamiento 1.000 horas más tarde. La Tabla 2 muestra los resultados de estas pruebas. La Tabla 2 muestra el resultado de la observación de los precipitados como una
microestructura.
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(Tabla pasa a página siguiente)
1
TABLA 2
Precipitaciones Resistencia a la Alargamiento por
por trat. de tracción a Tª. plastodeformación
envejecimiento ambiente (MPa) 1.000 horas más
tarde (%)Cond:
700ºC; 330 MPa
1 CO_{7}Mo_{6} 1.217 2,3
2 CO_{7}Mo_{6} 1.303 2,0
3 CO_{7}Mo_{6} 1.240 2,2
Ejemplos de la Presente Invención 4 CO_{7}Mo_{6} 1.121 2,7
5 CO_{7}Mo_{6} 1.144 2,7
6 CO_{7}Mo_{6} 1.252 2,2
7 CO_{7}Mo_{6} 1.299 2,1
1 - - - 895 rotura
Ejemplos Comparativos 2 - - - 881 rotura
3 - - - 976 rotura
4 - - - 924 rotura
Ejemplo 2
Barras cilíndricas con un diámetro de 20 mm de la aleación Nº 5 y Nº 6 de la presente invención indicadas en la Tabla 1 se sometieron a tratamiento térmico de solución sólida a 1.100ºC. Entonces, como ejemplos de la presente invención, las barras cilíndricas fueron sometidas a un tratamiento térmico de envejecimiento a 620ºC x 15 horas bajo un esfuerzo de tracción de 250 MPa, un tratamiento térmico de envejecimiento a 720ºC x 8 horas bajo un esfuerzo de tracción de 200 MPa, o un tratamiento térmico de envejecimiento de 770ºC x 4 horas bajo un esfuerzo de tracción de 120 MPa. Como ejemplos comparativos, las barras cilíndricas fueron sometidas a un tratamiento térmico de envejecimiento de 850ºC x 4 horas bajo un esfuerzo de tracción de 80 MPa, o un tratamiento térmico de envejecimiento de 550ºC x 15 horas bajo un esfuerzo de tracción de 250 MPa. Las piezas para probar la fluencia se obtuvieron a partir de estos elementos de la misma forma que en el Ejemplo 1, y se llevaron a cabo las pruebas de fluencia en las mismas condiciones que en el Ejemplo 1 para medir la fluencia. La Tabla 3 muestra los resultados de las pruebas.
TABLA 3
Esfuerzo aplicado Cond. del Alargamiento por
Aleaciones en trat. térmico trat. térmico plastodeformación
utilizadas de envejec. de envej. 1.000 horas más tarde
(MPa) (%) Cond.: 700ºC;
330 MPa
8 Ejemplo 5 de la
presente invención 250 620ºC x 15 h 2,6
Ejemplos de la 9 Ejemplo 5 de la
Presente Invención presente invención 200 720ºC x 8 h 2,7
10 Ejemplo 5 de la
presente invención 120 770ºC x 4 h 2,9
11 Ejemplo 6 de la
presente invención 250 620ºC x 15 h 2,0
TABLA 3 (continuación)
Esfuerzo aplicado Cond. del Alargamiento por
Aleaciones en trat. térmico trat. térmico plastodeformación
utilizadas de envejec. de envej. 1.000 horas más tarde
(MPa) (%) Cond.: 700ºC;
330 MPa
12 Ejemplo 6 de la
presente invención 200 720ºC x 8 h 2,2
13 Ejemplo 6 de la
presente invención 120 770ºC x 4 h 2,4
Ejemplos 5 Ejemplo 5 de la
Comparativos presente invención 80 850ºC x 4 h rotura
6 Ejemplo 6 de la
presente invención 250 550ºC x 15 h 4,6
Ejemplo 3
Barras cilíndricas con un diámetro de 20 mm de la aleación Nº 5 y Nº 6 de la presente invención indicadas en la Tabla 1 fueron sometidas a un tratamiento térmico de solución sólida a 1.100ºC. Entonces, como ejemplos de la presente invención, las barras cilíndricas fueron sometidas a un trabajo en frío a unas proporciones de reducción del 45, 60 ó 75%, y luego a tratamiento térmico de envejecimiento en las condiciones indicadas en la Tabla 4 (esfuerzo aplicado, temperatura de calentamiento y tiempo de calentamiento). Como ejemplo comparativo, las barras cilíndricas fueron sometidas a un trabajo en frío a una proporción de reducción del 45%, y luego a un tratamiento térmico de envejecimiento a 720ºC x 8 horas bajo condición de no-carga. Además, como otro ejemplo comparativo, las barras cilíndricas fueron sometidas a un trabajo en frío a una proporción de reducción del 60%, y luego a un tratamiento térmico de envejecimiento a 720ºC x 8 horas bajo condición de no-carga. Las piezas de pruebas de fluencia fueron obtenidas a partir de estos elementos de la misma forma que en el Ejemplo 1, y se llevaron a cabo las pruebas de fluencia en las mismas condiciones que en el Ejemplo 1 para medir la fluencia. La Tabla 4 muestra los resultados de las pruebas.
TABLA 4
Aleaciones Coef. de Esfuerzo en Cond. Trat. Alarg. por
utilizadas trabajo trat. térmico térmico de plastodeformación
en frío de envejec. envejec. 1.000 horas más
(MPa) tarde (%)
14 Ejemplo 5 de la
presente invención 45 400 720ºC x 8 h 1,8
15 Ejemplo 5 de la
presente invención 45 350 770ºC x 4 h 1,9
Ejp. 16 Ejemplo 5 de la
Invención presente invención 60 400 700ºC x 8 h 1,3
17 Ejemplo 5 de la
presente invención 60 350 720ºC x 4 h 1,5
18 Ejemplo 5 de la
presente invención 75 400 650ºC x 8 h 1,0
19 Ejemplo 5 de la
presente invención 75 350 650ºC x 4 h 1,2
TABLA 4 (continuación)
Aleaciones Coef. de Esfuerzo en Cond. Trat. Alarg. por
utilizadas trabajo trat. térmico térmico de plastodeformación
en frío de envejec. envejec. 1.000 horas más
(MPa) tarde (%)
20 Ejemplo 6 de la
presente invención 45 400 650ºC x 8 h 1,0
21 Ejemplo 6 de la
presente invención 60 400 650ºC x 8 h 0,9
22 Ejemplo 6 de la
presente invención 75 400 650ºC x 8 h 1,2
Ejemplos 7 Ejemplo 5 de la
Comp. presente invención 45 - - - 700ºC x 4 h 4.8
8 Ejemplo 5 de la
presente invención 60 - - - 720ºC x 8 h 4,6
\begin{minipage}[t]{155mm} Se midió el alargamiento por plastodeformación mediante las pruebas de fluencia llevadas a cabo en las condiciones de 700^{o}C, 330 MPa. \end{minipage}
De acuerdo con los resultados mencionados anteriormente, en los Ejemplos Nº 1 a 7 de la presente invención (Tabla 2), se formó una doble estructura fina cuando las estructuras de las piezas de prueba fueron observadas con SEM (microscopio electrónico de barrido). Además, el Co_{7}Mo_{6} ó Co_{3}Mo precipitó en los límites entre la doble estructura fina y una fase matriz. Además, la resistencia a la tracción a temperatura ambiente se estableció en un rango de 1.121 a 1.303 MPa, y el alargamiento por plastodeformación fue del 2,0 al 2,7%.
Por el contrario, en el caso de los Ejemplos Comparativos 1 a 3 en los cuales el contenido de Mo+1/2W era inferior al de la presente invención, y en el caso del Ejemplo Comparativo 4 en el cual el contenido de Mo+1/2W era inferior al de la presente invención y el Nb y Fe no estaban incluidos, el Co_{7}Mo_{6} o Co_{3}Mo no precipitó, la resistencia a la tracción a temperatura ambiente se estableció en un rango de 881 a 976 MPa, es decir, el 87% de la resistencia de la presente invención, y todas las piezas de prueba se rompieron en la prueba de fluencia.
En los Ejemplos Nº 8 a 13 de la presente invención (Tabla 3), se formó la doble estructura fina cuando las estructuras de las piezas de prueba fueron observadas al SEM (microscopio electrónico de barrido). Además, el Co_{3}Mo o CO_{7}Mo_{6} precipitó en los límites entre la doble estructura fina y una fase matriz. Además, el alargamiento por plastodeformación en la prueba de fluencia fue del 2,0 al 2,9%.
Por el contrario, en el caso del Ejemplo Comparativo 5 en el cual la temperatura del tratamiento térmico de envejecimiento era superior a la temperatura de la presente invención, y en el caso del Ejemplo Comparativo 6 en el cual la temperatura del tratamiento térmico de envejecimiento era inferior a la temperatura de la presente invención, el Co_{3}Mo o Co_{7}Mo_{6} no precipitó, las piezas de prueba se rompieron en la prueba de fluencia en el Ejemplo Comparativo 5, y el alargamiento por plastodeformación en la prueba de fluencia fue del 4,6% en el Ejemplo Comparativo 6, es decir, que no se observó ninguna mejora de la resistencia a la fluencia.
En los Ejemplos Nº 14 a 22 de la presente invención (Tabla 4), se formó la doble estructura fina cuando las estructuras de las piezas de prueba fueron observadas al SEM (microscopio electrónico de barrido). Además, el Co_{3}Mo o CO_{7}Mo_{6} precipitó en los límites entre la doble estructura fina y una fase matriz. La Figura 1 y la Figura 2 muestran las fotografías de las estructuras del Ejemplo Nº 22 de la presente invención. Por medio de estas micrografías estructurales, la estructura del Ejemplo Nº 22 de la presente invención era una estructura en la cual el Co_{3}Mo o Co_{7}Mo_{6} masivo se precipitó en los límites entre una doble estructura fina de un triángulo equilátero y una fase matriz. Además, los alargamientos por plastodeformación en la prueba de fluencia en los Ejemplos Nº 14 a 22 de la presente invención fueron del 0,9 al 1,9%. Estos alargamientos por plastodeformación eran más pequeños que los de los Ejemplos Comparativos Nº 7 a 13 en los cuales no se realizó un trabajo en frío o en caliente con una proporción de reducción no inferior al 40% antes del tratamiento térmico de envejecimiento.
Por el contrario, en el caso de los Ejemplos Comparativos 7 y 8 en los cuales se realizó el tratamiento térmico de envejecimiento bajo condición de no-carga, el Co_{3}Mo o Co_{7}Mo_{6} no precipitó y los alargamientos por plastodeformación en las pruebas de fluencia fueron respectivamente del 4,8% y del 4,6%, es decir que no se observó ninguna mejora de la resistencia a la fluencia.

Claims (6)

1. Aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida que comprende, todo en peso:
no más del 0,05% de C; no más del 0,5% de Si; no más del 1,0% de Mn; del 25 al 45% de Ni; del 13 al 22% de Cr; del 10 al 18% de Mo ó del 10 al 18% de Mo + 1/2W; del 0,1 al 5,0% de Nb; del 0,1 al 5,0% de Fe;
al menos un tipo del 0,007 al 0,10% de REM; del 0,001 al 0,010% de B; del 0,0007 al 0,010% de Mg y del 0,001 al 0,20% de Zr;
el resto de Co e impurezas inevitables;
una doble estructura fina;
una fase matriz; y
Co_{3}Mo ó Co_{7}Mo_{6} precipitado en los límites de la doble estructura fina y la fase matriz.
2. Aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida que comprende, todo en peso:
no más del 0,05% de C; no más del 0,5% de Si; no más del 1,0% de Mn; del 25 al 45% de Ni; del 13 al 22% de Cr; del 10 al 18% de Mo ó del 10 al 18% de Mo + 1/2W; del 0,1 al 5,0% de Nb; del 0,1 al 5,0% de Fe; del 0,1 al 3,0% de Ti;
al menos un tipo del 0,007 al 0,10% de REM; del 0,001 al 0,010% de B; del 0,0007 al 0,010% de Mg y del 0,001 al 0,20% de Zr;
el resto de Co e impurezas inevitables;
una doble estructura fina;
una fase matriz; y
Co_{3}Mo ó Co_{7}Mo_{6} precipitado en los límites de la doble estructura fina.
3. Método de producción para la aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida, método que comprende los pasos de:
preparar una aleación que comprende, en peso:
- no más del 0,05% de C; no más del 0,5% de Si; no más del 1,0% de Mn; del 25 al 45% de Ni; del 13 al 22% de Cr; del 10 al 18% de Mo ó del 10 al 18% de Mo + 1/2W; del 0,1 al 5,0% de Nb; del 0,1 al 5,0% de Fe;
- al menos un tipo del 0,007 al 0,10% de REM; del 0,001 al 0,010% de B;
- del 0,0007 al 0,010% de Mg y del 0,001 al 0,20% de Zr; y
- el resto de Co e impurezas inevitables;
someter a la aleación a un tratamiento térmico de solución sólida; y
someter a la aleación a un tratamiento térmico de envejecimiento a 600 a 800ºC durante 0,5 a 16 horas bajo una condición de aplicación de un esfuerzo de entre 100 y 400 MPa, formándose así una doble estructura fina en una fase matriz, y precipitar Co_{3}Mo o Co_{7}Mo_{6} en el límite de la doble estructura fina y la fase matriz.
4. Método de producción para la aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida, comprendiendo el método los pasos de:
preparar una aleación que comprende, en peso:
- no más del 0,05% de C; no más del 0,5% de Si; no más del 1,0% de Mn; del 25 al 45% de Ni; del 13 al 22% de Cr; del 10 al 18% de Mo ó del 10 al 18% de Mo + 1/2W; del 0,1 al 5,0% de Nb; del 0,1 al 5,0% de Fe; del 0,1 al 3,0% de Ti;
- al menos un tipo del 0,007 al 0,10% de REM; del 0,001 al 0,010% de B;
- del 0,0007 al 0,010% de Mg y del 0,001 al 0,20% de Zr; y el resto de Co e impurezas inevitables;
someter a la aleación a un tratamiento térmico de solución sólida; y
someter a la aleación a un tratamiento térmico de envejecimiento a 600 a 800ºC durante 0,5 a 16 horas bajo una condición de aplicación de un esfuerzo de entre 100 y 400 MPa, formándose así una doble estructura fina en una fase matriz, y precipitar Co_{3}Mo o Co_{7}Mo_{6} en el límite de la doble estructura fina y la fase matriz.
5. Método de producción para la aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida, comprendiendo el método los pasos de:
preparar una aleación que comprende, en peso:
- no más del 0,05% de C; no más del 0,5% de Si; no más del 1,0% de Mn; del 25 al 45% de Ni; del 13 al 22% de Cr; del 10 al 18% de Mo ó del 10 al 18% de Mo + 1/2W; del 0,1 al 5,0% de Nb; del 0,1 al 5,0% de Fe;
- al menos un tipo del 0,007 al 0,10% de REM; del 0,001 al 0,010% de B;
- del 0,0007 al 0,010% de Mg y del 0,001 al 0,20% de Zr; y
- el resto de Co e impurezas inevitables;
someter a la aleación a un tratamiento térmico de solución sólida;
someter a la aleación a un trabajo en frío o en caliente que tenga una proporción de reducción no inferior al 40%; y
someter a la aleación a un tratamiento térmico de envejecimiento a 600 a 800ºC durante 0,5 a 16 horas bajo una condición de aplicación de un esfuerzo de entre 100 y 400 MPa, formándose así una doble estructura fina en una fase matriz, y precipitar Co_{3}Mo o Co_{7}Mo_{6} en el límite de la doble estructura fina y la fase matriz.
6. Método de producción para la aleación de precipitación termorresistente basada en Co-Ni endurecida, comprendiendo el método los pasos de:
preparar una aleación que comprende, en peso:
- no más del 0,05% de C; no más del 0,5% de Si; no más del 1,0% de Mn; del 25 al 45% de Ni; del 13 al 22% de Cr; del 10 al 18% de Mo ó del 10 al 18% de Mo + 1/2W; del 0,1 al 5,0% de Nb; del 0,1 al 5,0% de Fe; del 0,1 al 3,0% de Ti;
- al menos un tipo del 0,007 al 0,10% de REM; del 0,001 al 0,010% de B;
- del 0,0007 al 0,010% de Mg y del 0,001 al 0,20% de Zr; y
- el resto de Co e impurezas inevitables;
someter a la aleación a un tratamiento térmico de solución sólida;
someter a la aleación a un trabajo en frío o un trabajo en caliente que tenga una proporción de reducción no inferior al 40%; y
someter a la aleación a un tratamiento térmico de envejecimiento a 600 a 800ºC durante 0,5 a 16 horas bajo una condición de aplicación de un esfuerzo de entre 100 y 400 MPa, formándose así una doble estructura fina en una fase matriz, y precipitar Co_{3}Mo o Co_{7}Mo_{6} en el límite de la doble estructura fina y la fase matriz.
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