ES2269358T3

ES2269358T3 - Acero inoxidable duplex.

Info

Publication number: ES2269358T3
Application number: ES01912632T
Authority: ES
Inventors: Orjan Bergstrom; Pasi Kangas; Mattias Klockars; Goucai Chai
Original assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 2000-03-02
Filing date: 2001-03-01
Publication date: 2007-04-01
Anticipated expiration: 2021-03-01
Also published as: NO337124B1; AU2001241320A1; NO20024150D0; WO2001064969A1; SE514816C2; SE0000678L; EP1259656A1; NO20024150L; SE0000678D0; DE60124227T2; CA2397592A1; US20010031217A1; EP1259656B1; CA2397592C; KR100622090B1; US6749697B2; JP4249419B2; JP2003525354A; ATE344336T1; DE60124227D1

Abstract

Una aleación de acero inoxidable dúplex, que tiene una microestructura de ferrita-austenita y presenta una buena soldabilidad y una alta resistencia mecánica, así como una alta resistencia a la corrosión bajo tensión, cuando se extruye en caliente y tiene un acabado recocido; en la que la aleación comprende, en % en peso: C Si Mn Cr Ni Mo N máximo 0, 05% 0-2, 0% 0-3, 0% 29-35% 4-10% 3-5% 0, 45-0, 55%; y el resto Fe y las impurezas que se producen normalmente; y en la que el contenido de ferrita es 30-70% en volumen.

Description

Acero inoxidable dúplex.

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Campo de la invención

La presente invención se refiere a un acero inoxidable dúplex con alto contenido de Cr, Mo y N. El contenido de ferrita se encuentra en el intervalo 30-70%. El material es especialmente adecuado para la producción de tubos para la extracción de petróleo crudo y gas, pero se puede usar también en aplicaciones donde se requiere una buena resistencia a la corrosión junto con una alta resistencia mecánica.

Antecedentes de la invención

En la descripción de los antecedentes de la presente invención que sigue se hace referencia a algunas estructuras y métodos, sin embargo, tales referencias no se deben interpretar necesariamente como una aceptación de que estas estructuras y métodos se califican como técnica anterior bajo las disposiciones legales aplicables. Los solicitantes se reservan el derecho de demostrar que cualquiera de los asuntos considerados como referencia no constituye técnica anterior con relación a la presente invención.

Los aceros dúplex se caracterizan por tener una estructura de austenita-ferrita en que ambas fases tienen diferentes composiciones químicas. Los modernos aceros inoxidables dúplex se alean principalmente con Cr, Mo, Ni y N. La patente sueca 8504131-7 describe una calidad de acero inoxidable dúplex con la denotación comercial SAF 2507 (UNS S32750), que se alea principalmente con un alto contenido de Cr, Mo y N para conseguir una buena resistencia a la corrosión por picadura. Con frecuencia, esta resistencia se describe con el índice PRE (índice de resistencia a la picadura, PRE, del inglés "Pitting Resistance Equivalent" = % de Cr + 3,3% de Mo + 16% de N). De este modo, la aleación se optimiza consecuentemente con respecto a esta propiedad y, ciertamente, tiene una buena resistencia en muchos ácidos y bases, pero, por encima de todo, la aleación se idea para que sea resistente frente a un ambiente de cloruros. Posteriormente, como adiciones aleantes también se usaron Cu y W. Por consiguiente, una calidad de acero con denotación comercial DP3W tiene una composición de carácter similar a la SAF 2507, pero se ha aleado con 2,0% de W como sustitutivo en la aleación de una parte del contenido de Mo. Una calidad de acero con denotación comercial Zeron 100 es una calidad adicional de acero de una clase similar a la SAF 2507, pero esta se alea con aproximadamente 0,7% de Cu y aproximadamente 0,7% de W. Todas las calidades de acero descritas antes tienen un índice PRE mayor que 40, con independencia del método de cálculo.

Otro tipo de aleación dúplex con una alta resistencia a los cloruros es la calidad de acero descrita en la patente sueca 9302139-2. Esta aleación se caracteriza por tener 0,3-4% de Mn, 28-35% de Cr, 3-10% de Ni, 1-3% de Mo, 1,0% como máximo de Cu y 2,0% como máximo de W, y tiene un alto índice PRE por encima de 40. Comparada con los aceros superdúplex conocidos SAF 2507 y otros, la mayor diferencia es que en esta calidad de acero es mayor el contenido de Cr y N. Esta calidad de acero ha encontrado uso en ambientes donde es importante la resistencia a la corrosión intergranular y a la corrosión en carbamato amónico, pero esta aleación también tiene una resistencia muy alta a la corrosión en ambiente de cloruros.

En aplicaciones de extracción de petróleo y gas, los aceros dúplex se usan en forma de tubos de producción, por ejemplo los tubos que transportan el petróleo desde el yacimiento hasta la plataforma petrolífera. Los pozos de petróleo contienen dióxido de carbono (CO_{2}) e incluso a veces sulfuro de hidrógeno (H_{2}S). Un pozo de petróleo que contiene CO_{2} pero no cantidades importantes de H_{2}S se llama pozo de petróleo dulce. Sin embargo, un pozo de petróleo agrio contiene H_{2}S en cantidades variables.

Los tubos de producción se suministran con un acabado roscado. Por medio de manguitos de unión los tubos se empalman hasta las longitudes necesarias. La longitud de los tubos de producción puede llegar a ser grande debido a que los pozos de petróleo se sitúan a una considerable profundidad. Las exigencias para el material que se usa en esta aplicación se pueden resumir según lo siguiente:

\text{*}: Límite aparente de elasticidad bajo tensión, mínimo, 760 MPa (110 ksi).

\text{*}: Resistencia a la corrosión provocada por CO_{2} o H_{2}S. El material se debe calificar e incluir, por ejemplo, en la norma NACE MR-0175.

\text{*}: Buena resiliencia al choque por debajo de -46ºC, al menos de 50 J.

\text{*}: Además, el material se ha de poder elaborar en forma de tubos sin costura (sin soldadura), así como se ha de poder producir manguitos de unión roscados y de ensambladura para los tubos.

En la situación de hoy en día, para tales aplicaciones se usan aceros al carbono de baja aleación, acero inoxidable austenítico, acero inoxidable dúplex o aleaciones a base de níquel, dependiendo del nivel de la actividad corrosiva en el pozo de petróleo. Para los diferentes materiales se han establecido unos límites. Normalmente, para los pozos de petróleo dulce se puede usar un acero al carbono o un acero inoxidable de baja aleación, por ejemplo, acero martensítico al 13% de Cr. En los pozos de petróleo agrio, donde la presión parcial del H_{2}S excede de 68,9 Pa (0,01 psi), normalmente se requiere el uso de un acero inoxidable. En la patente WO 00/79017 A1 se describe un ejemplo de un acero inoxidable dúplex usado en umbilicales. En este caso, el acero inoxidable dúplex tiene una composición de un máximo de 0,05% de C, un máximo de 0,8% de Si, 0,30-1,5% de Mn, 28-30% de Cr, 5,8-7,4% de Ni, 2-2,5% de Mo, 0,3-0,4% de N y un máximo de 2% de W.

Entre otras cosas, los aceros dúplex son una alternativa económica a los aceros inoxidables y aleaciones a base de níquel, gracias al bajo contenido de níquel. Los aceros dúplex llenan el hueco entre los aceros de alta aleación, los aceros al carbono de baja aleación y el acero martensítico al 13% de Cr. Un intervalo de aplicación típico para los aceros dúplex del tipo al 22% de Cr y al 25% de Cr es cuando la presión parcial del H_{2}S en el gas del pozo de petróleo se encuentra en la región de 1,4 a 34,5 kPa (0,2 a 5 psi).

Puesto que hay una exigencia en el nivel de resistencia mecánica de al menos 760 MPa (110 ksi), los aceros al 22% de Cr y al 25% de Cr se suministran con un acabado por laminación en frío, lo que aumenta al nivel deseado la resistencia mecánica, pero esto también limita la resistencia del material frente a la corrosión bajo tensión provocada por el H_{2}S. El material del tipo al 22% de Cr, en una condición recocida, tiene un límite aparente de elasticidad de solamente 517 MPa (75 ksi), el valor correspondiente para el de 25% de Cr es 552 MPa (80 ksi). Además, desde el punto de vista de la producción, es difícil producir tubos de producción con tales materiales, debido a que la resistencia mecánica depende tanto del grado total de reducción como del tipo y método de reducción, es decir, estiramiento o laminación. Adicionalmente, la operación de laminación en frío es de producción costosa. La laminación en frío deteriora
considerablemente la resiliencia al choque de los materiales, lo que limita aún más la aplicabilidad de tales materiales.

Con el fin de resolver estos problemas, hay necesidad de una aleación que se pueda suministrar con un acabado extrudido en caliente y recocido, en la que la resistencia mecánica sea al menos 760 MPa (110 ksi). Simultáneamente, la aleación debe tener una buena aptitud para ser trabajada y se ha de poder extrudir, sin problemas, en tubos sin costura. La resistencia mecánica de las aleaciones dúplex se puede aumentar mediante aleación con altos contenidos de los elementos Cr, Mo y N. En la situación de hoy en día hay aceros dúplex con hasta 29% de Cr y 0,4% de N, que tienen límites aparentes de elasticidad de 655 MPa (95 ksi), pero en esta aleación se debe mantener bajo el contenido de Mo con el fin de evitar precipitaciones de, por ejemplo, fase sigma. Cuando el contenido de Mo es alto, el contenido de Cr se ha de reducir a aproximadamente 25% si se quiere conservar la estabilidad estructural. De este modo, con el fin de conservar la estabilidad estructural parece existir un límite superior para la combinación de Cr y Mo. El contenido
de N se limita a un máximo de 0,3% para las aleaciones al 25% de Cr, y de 0,4% para las aleaciones al 29% de Cr.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 muestra una representación gráfica en forma lineal del límite elástico frente al contenido de la aleación.

La Figura 2a muestra la resiliencia al choque a -46ºC como característica del contenido de N en la fase austenita.

La Figura 2b muestra la resiliencia al choque a -46ºC como característica del contenido de Cr en la fase austenita.

La Figura 3 muestra las temperaturas TCP resultantes frente a los índices PRE calculados a partir de la fase ferrita.

La Figura 4 muestra la temperatura de solubilización para la fase sigma, Tmax\sigma, en función del contenido de Si.

Compendio de la invención

Un trabajo sistemático de desarrollo ha mostrado sorprendentemente que elevando simultáneamente a niveles altos los elementos Cr, Mo y N se obtiene un inesperado efecto sinérgico positivo de esos elementos. En cierto modo, se muestra que el Cr y el Mo aumentan la solubilidad del N, lo que a su vez permite contenidos más altos de Cr y Mo sin que se precipiten cantidades mayores de una fase intermetálica, tal como la fase sigma. Anteriormente se sabía que el Cr y el Mo aumentan la solubilidad del N, pero los contenidos obtenidos actualmente son más altos comparados con los que se estimaron antes como límites superiores que es posible lograr. Los altos contenidos de Cr, Mo y N proporcionan a la aleación una resistencia mecánica muy alta y, simultáneamente, una buena aptitud para ser trabajada por extrusión en tubos sin costura. El límite aparente de elasticidad bajo tensión excede de 760 MPa (110 ksi) en condición extrudida y recocida, y el material muestra también unas buenas propiedades a la corrosión. Con el fin de obtener la combinación de una alta resistencia mecánica y una buena resiliencia al choque, debe predominar una combinación precisa del contenido de los elementos Cr, Mo y N.

Además de mostrar unas propiedades mecánicas excelentes, la nueva aleación tiene una alta resistencia a la corrosión por picadura y a la corrosión en el interior de las fisuras en ambiente de cloruros, así como una alta resistencia a la fisuración por corrosión bajo tensión provocada por el sulfuro de hidrógeno. Además, la aleación es soldable, lo que implica que la aleación según la presente invención es muy adecuada para aplicaciones que requieren soldadura, tales como por ejemplo los tubos sin costura o soldados longitudinalmente para diversas aplicaciones de tubería enrollada. Por consiguiente, la aleación es especialmente adecuada para tubos hidráulicos, tales como los tubos umbilicales, que se usan con el fin de controlar las plataformas en los campos petrolíferos.

Según un aspecto, la presente invención proporciona una aleación de acero inoxidable dúplex que tiene una microestructura de austenita-ferrita y presenta una buena soldabilidad y una alta resistencia mecánica, así como una buena y alta resistencia a la corrosión, cuando se extruye en caliente y tiene un acabado recocido; en la que la aleación comprende, en % en peso:

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C	máximo 0,05%
Si	0-2,0%
Mn	0-3,0%
Cr	29-35%
Ni	4-10%
Mo	3-5%
N	0,45-0,55%; y

el resto Fe y las impurezas y adiciones que se producen normalmente; y en la que el contenido de ferrita es
30-70% en volumen.

Según un aspecto adicional, la presente invención proporciona un tubo extrudido sin costura formado con la aleación antes mencionada, teniendo el tubo un límite aparente de elasticidad bajo tensión que excede de 760 MPa.

Según un aspecto adicional, la presente invención proporciona un tubo umbilical formado con la aleación antes mencionada.

Según otro aspecto, la presente invención proporciona un artículo formado con la aleación antes mencionada que posee resistencia frente a la corrosión en agua de mar.

Según todavía otro aspecto, la presente invención proporciona un artículo formado con la aleación antes mencionada que tiene una alta resistencia mecánica y una buena resistencia a la corrosión, estando el artículo en forma de tubo sin costura, alambre para soldadura, tubo soldado longitudinalmente, fleje, hilo metálico, varilla, lámina, brida o manguito de unión.

Según un aspecto adicional, la presente invención proporciona una pluralidad de tubos sin costura soldados a tope o de tubos soldados longitudinalmente, enrollados en un serpentín formado con la aleación antes mencionada.

Descripción detallada de la invención

Según un aspecto, la presente invención proporciona una aleación que tiene una composición que comprende, en % en peso:

C	máximo 0,05%
Si	0-2,0% opcionalmente
Mn	0-3,0%
Cr	29-35%
Ni	4-10%
Mo	3-5%
N	0,45-0,55%

y el resto Fe y las impurezas que se producen normalmente; y en la que el contenido de ferrita es 30-70 por
ciento en volumen.

Los principios y ventajas de la aleación de la presente invención, y la selección de los intervalos deseados de los elementos constitutivos de la aleación de la presente invención que suponen la inesperada superioridad de la aleación, se pueden exponer como sigue.

El carbono se ha de considerar como un contaminante en esta invención y tiene una limitada solubilidad tanto en la ferrita como en la austenita. La limitada solubilidad implica el riesgo de precipitación de carburos de cromo y, por lo tanto, se debe limitar el contenido a un máximo de 0,05%, preferiblemente a un máximo de 0,03%, y lo más preferiblemente a un máximo de 0,02%.

El silicio se utiliza como desoxidante en la producción de acero, y también aumenta la flotabilidad en la producción y el soldeo. Recientemente se sabe que un alto contenido de Si contribuye a la precipitación de una fase intermetálica. Sorprendentemente, se ha mostrado que un aumento del contenido de Si afecta favorablemente en la precipitación de la fase sigma. Por esta razón, se debe permitir opcionalmente un cierto contenido de Si. Sin embargo, el contenido de Si se debe limitar a un máximo de 2,0%.

El manganeso se añade con el fin de aumentar la solubilidad del N en el material. Sin embargo, en el tipo de aleación actual el Mn solamente tiene una influencia limitada sobre la solubilidad del N. En cambio, hay otros elementos con mayor influencia sobre la solubilidad. Además, el Mn en combinación con altos contenidos de azufre puede originar sulfuros de manganeso, que actúan como puntos de iniciación para la corrosión por picadura. Por lo tanto, el contenido de Mn se debe limitar entre 0-3%, y preferiblemente 0,5-1,5%.

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El cromo es un elemento muy activo para mejorar la resistencia a la pluralidad de tipos de corrosión. Por otra parte, el cromo aumenta la resistencia mecánica de la aleación. Adicionalmente, un alto contenido de cromo implica una solubilidad muy buena del N en el material. Por consiguiente, es deseable mantener el contenido de cromo tan alto como sea posible con el fin de mejorar la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión. Para conseguir unas muy buenas propiedades de resistencia mecánica y resistencia a la corrosión, el contenido de cromo debe ser al menos 29%. Sin embargo, los altos contenidos de Cr aumentan el riesgo de precipitaciones intermetálicas. Por esta razón, el contenido de cromo se debe limitar a un máximo de 35%.

El níquel se usa como elemento estabilizante de la austenita y se añade a la aleación en un nivel adecuado con el fin de lograr el deseable contenido de ferrita. Con el fin de lograr un contenido de ferrita entre 30-70%, se requiere alear con 4-10% de níquel, preferiblemente 5-9%.

El molibdeno es un elemento activo que mejora la resistencia a la corrosión en ambiente de cloruros, así como en ácidos reductores. Un excesivo contenido de Mo en combinación con un alto contenido de Cr implica que aumenta el riesgo de precipitaciones intermetálicas. Puesto que el Mo aumenta la resistencia mecánica, en la presente invención el contenido de Mo se debe encontrar en el intervalo de 3-5%.

El nitrógeno es un elemento muy activo que en parte aumenta la resistencia a la corrosión y en parte aumenta la estabilidad estructural, así como la resistencia mecánica del material. Además, un alto contenido de N mejora la reformación de la austenita después de la soldadura, lo que asegura unas buenas propiedades para las juntas soldadas. Se debe añadir al menos 0,45% de N con el fin de lograr un buen efecto del N. Un alto contenido de N aumenta el riesgo de precipitación de nitruros de cromo, especialmente cuando simultáneamente el contenido de cromo es alto. Por otra parte, un alto contenido de N implica que aumenta el riesgo de porosidad debido a que se excede la solubilidad del N en la masa fundida de acero o en el baño de fusión de la soldadura. De este modo, el contenido de N se debe limitar a 0,45-0,55% de N.

El contenido de ferrita es importante para obtener unas buenas propiedades mecánicas y propiedades ante la corrosión, así como una buena soldabilidad. Desde el punto de vista de la corrosión y del soldeo, para obtener unas buenas propiedades es deseable un contenido de ferrita entre 30-70%. Los altos contenidos de ferrita producen un deterioro de la resiliencia al choque a baja temperatura y de la resistencia a la acritud por absorción de hidrógeno. Por lo tanto, el contenido de ferrita es 30-70%, preferiblemente 35-55%.

Ejemplo 1

En el ejemplo siguiente, la composición de varias hornadas experimentales ilustra la influencia sobre las propiedades de los diferentes elementos aleantes.

Se produjeron varias hornadas experimentales mediante la fundición de 170 kg de lingotes, que se forjaron en caliente en barras redondas. Las barras se extruyeron en caliente en varillas, de las que se tomó el material de ensayo. Desde el punto de vista del material se puede considerar que el procedimiento es representativo para una preparación a mayor escala, por ejemplo la producción de tubos sin costura con el método de extrusión. La Tabla 1 muestra la composición de estas hornadas experimentales.

TABLA 1 Composición de las hornadas experimentales, % en peso

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1

Con el fin de investigar la estabilidad estructural, las muestras se recocieron a 800-1.200ºC con escalones de 50ºC. A las temperaturas más bajas se formó una fase intermetálica. Con ayuda de estudios que usaron un microscopio óptico lumínico, se determinó la temperatura más baja en que la cantidad de fase intermetálica era insignificantemente pequeña. El material se recoció luego a esta temperatura durante tres minutos, luego se enfrió rápidamente hasta la temperatura ambiente con una velocidad constante de -140ºC/min. Se calculó la cantidad de fase sigma en este material con ayuda del recuento de puntos con un microscopio óptico lumínico. Los resultados se muestran en la
Tabla 2.

TABLA 2 Cantidad de fase sigma después de enfriar rápidamente con una velocidad de enfriamiento rápido de -140ºC/min, desde la respectiva temperatura de recocido hasta la temperatura ambiente

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2

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A partir de la Tabla 2 se hace evidente que el material que cumple dos o tres de las siguientes condiciones muestra una tendencia mayor para formar fase sigma durante el enfriamiento. Las tres condiciones son:

\text{*}: Alto contenido de Cr

\text{*}: Alto contenido de Mo

\text{*}: Bajo contenido de N.

Para todas las hornadas se determinaron la resistencia mecánica y la resiliencia al choque. Con las varillas extrudidas se produjeron unas probetas para ensayo de tracción estática, que se trataron térmicamente por solubilización a temperaturas según la Tabla 2. Los resultados de la investigación se muestran en las Tablas 3 y 4.

TABLA 3 Propiedades mecánicas, resistencia a la rotura a la temperatura ambiente (TA), 100ºC y 200ºC

3

4

Los resultados de los ensayos de resistencia a la rotura muestran que el contenido de Cr, Mo y N influye pronunciadamente sobre la resistencia a la rotura del material.

TABLA 4 Propiedades mecánicas, resiliencia al choque a la temperatura ambiente (TA) y -46ºC como media de 3 ensayos

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Se hace evidente que las hornadas se pueden dividir en dos categorías; las de alta resiliencia al choque, que tienen una resiliencia al choque por encima de 180 J, y las que son considerablemente más frágiles, con una resiliencia al choque alrededor o por debajo de 60 J. Se muestra que la resiliencia al choque está muy pronunciadamente correlacionada con la composición química de la fase austenita, particularmente es de importancia el contenido de nitrógeno y cromo. Durante los estudios continuados se mostró que los altos contenidos de N en la austenita dan lugar a fracturas por fragilidad.

Se ensayaron las propiedades ante la corrosión por picadura, en parte mediante ensayos electroquímicos en 3% de NaCl y agua de mar sintética (6 ensayos por hornada), y en parte mediante ensayos según ASTM G48C (2 ensayos por hornada). En la Tabla 5 se muestran los resultados de todos los ensayos.

TABLA 5 TCP para las diversas hornadas, en grados Celsius, e índice PRE para la composición total de la aleación

6

Las hornadas 605125, 631934 y 631945 tienen sorprendentemente una alta TCP, tanto en los ensayos según G48 como en los electroquímicos. Todas estas hornadas tienen unos índices PRE relativamente altos (>45). Es evidente que existe una correlación entre los PRE y las TCP, así como que el índice PRE para la composición de la hornada no explica únicamente las TCP.

Ejemplo 2

En el siguiente ejemplo se indica la composición de varias hornadas experimentales que se incluyen con el fin de ilustrar la influencia sobre las propiedades de los diferentes elementos aleantes.

Se produjeron nueve hornadas experimentales mediante colada de 170 kg de lingotes, que se forjaron en caliente en barras redondas. Estas se extruyeron en caliente en varillas, de las que se tomó el material de ensayo. La composición de estas nueve hornadas se basa en las composiciones del ejemplo 1. La Tabla 6 muestra la composición de estas hornadas experimentales.

TABLA 6 Composición de las hornadas experimentales, % en peso

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Las seis primeras hornadas de la Tabla 6 son variantes de la hornada 631945 en el ejemplo 1, las dos hornadas siguientes son variantes de la hornada 631928 en el ejemplo 1, y la última es una variante de la hornada 631931 en el ejemplo 1.

Se examinó la distribución de los elementos aleantes en las fases ferrita y austenita con análisis por microsonda, los resultados de los cuales se muestran en la Tabla 7.

TABLA 7 Elementos aleantes en la fase ferrita y la respectiva austenita

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Con el fin de examinar la estabilidad estructural de las hornadas experimentales de este ejemplo, se recocieron unas probetas de ensayo durante 20 minutos a 1.025ºC, 1.050ºC, 1.075ºC, 1.100ºC y 1.125ºC, y después de eso se enfriaron rápidamente en agua. Se determinó la temperatura en que la cantidad de fase intermetálica se volvía insignificantemente pequeña con ayuda de investigaciones en un microscopio óptico lumínico. Las probetas de ensayo para la investigación de la estabilidad estructural se recocieron en un horno de vacío a la respectiva temperatura durante tres minutos, y después de eso se enfriaron rápidamente hasta la temperatura ambiente con una velocidad de -140ºC/min. Se determinó la cantidad de fase sigma en este material mediante recuento de puntos usando un microscopio óptico lumínico. En la Tabla 8 se muestran los resultados.

TABLA 8 Cantidad de fase sigma después del enfriamiento rápido desde la respectiva temperatura de recocido hasta la temperatura ambiente

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En la Tabla 8 se muestra que la composición optimizada de los materiales disminuye o elimina por completo la cantidad de fase sigma precipitada. Los valores de la Tabla 8 se encuentran sustancialmente por debajo de los valores del ejemplo 1 (Tabla 2). Por consiguiente, estas hornadas tienen una composición más óptima.

Para todas las hornadas de la Tabla 6 se han determinado la resistencia mecánica y la resiliencia al choque. Con las varillas extrudidas se produjeron unas probetas para ensayo de tracción estática, que se trataron térmicamente a temperaturas según la Tabla 8. En las Tablas 9 y 10 se muestran los resultados de los ensayos.

TABLA 9 Propiedades mecánicas, resistencia a la tracción a la temperatura ambiente

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Los resultados de los ensayos de resistencia a la tracción de los ejemplos 1 y 2 (Tablas 3 y 9) muestran que el contenido de Cr, Mo y N influye pronunciadamente en la resistencia a la tracción del material. Se muestra que la influencia mutua del contenido de estos elementos aleantes sobre la resistencia a la tracción permanece como (0,93% de Cr) + % de Mo + (4,5% de N), véase la Figura 1. Para obtener una resistencia a la tracción por encima de 760 MPa debe ser válido lo siguiente: (0,93% de Cr) + % de Mo + (4,5% de N) \geq 35.

TABLA 10 Propiedades mecánicas, resiliencia al choque a la temperatura ambiente (TA) y -46ºC como media de 3 ensayos

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Los ensayos de resiliencia al choque de los ejemplos 1 y 2 (Tablas 4 y 10) muestran que la resiliencia al choque depende pronunciadamente del contenido de N y Cr en la fase austenita. En las Figuras 2a-2b esta relación es clara. Se produce una transición a una fracción más frágil para un contenido de Cr por encima de 31% y un contenido de N por encima de 0,9%, preferiblemente 0,8%.

Se investigaron las propiedades ante la corrosión por picadura determinando la Temperatura Crítica de Corrosión por Picadura (TCP) según ASTM G48C (2 ensayos por hornada). En la Tabla 11 se muestran los resultados. Además, en la Tabla 11 se proporcionan los índices PRE para la fase ferrita y la respectiva austenita; los contenidos se han obtenido mediante análisis por microsonda. Con respecto a esto, el índice PRE se define como PRE = % de Cr + 3,3% de Mo + 16% de N.

TABLA 11 TCP para las diversas hornadas, en grados Celsius, e índice PRE para la composición total de la aleación

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Anteriormente se sabía que para los aceros dúplex de un contenido de aleación medio existe una relación lineal entre el menor de los índices PRE para la austenita o la ferrita en una aleación dada, y el valor de la TCP. Por consiguiente, la fase menos aleada limita la resistencia a la corrosión por picadura. En esta investigación se confirma que esta relación existe incluso en los materiales considerablemente más aleados. Esto se ilustra además en la Figura 3, que muestra los valores medidos de la TCP en relación con los índices PRE calculados a partir de la fase ferrita, que es la fase más débil en este ejemplo.

En todas las hornadas se llevaron a cabo unos ensayos con refusión de electrodo de wolframio bajo gas inerte (TIG, del inglés "Tungsten Inert Gas"). Se han estudiado la soldabilidad y la microestructura. En la Tabla 12 se presentan los resultados.

TABLA 12 Resultado de los ensayos con refusión de electrodo de wolframio bajo gas inerte (TIG)

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A partir de la investigación anterior se muestra que la soldabilidad del material depende pronunciadamente del contenido de N. Es posible encontrar un contenido de N máximo para este tipo de aleación. Por comparación de las hornadas 605165 y 605166 es obvio que el contenido de N no debe exceder, preferiblemente, de 0,5%.

Composición óptima de una realización preferida de la presente invención:

Con el fin de obtener unas propiedades de alta resistencia mecánica y buena resiliencia al choque, al mismo tiempo que el material es estructuralmente estable, soldable y tiene unas buenas propiedades ante la corrosión, el material se debe alear según lo siguiente:

-: El contenido de nitrógeno en la austenita medido, por ejemplo, con una microsonda no debe exceder de 0,9%, preferiblemente 0,8%.

-: El contenido de cromo en la fase austenita medido, por ejemplo, con una microsonda no debe exceder de 31,0%, preferiblemente 30,5%.

-: El contenido total de nitrógeno de la aleación no debe exceder de 0,50%.

-: Se debe añadir cromo, molibdeno y nitrógeno para que se cumpla la relación 35 \leq 0,93% de Cr + % de Mo + 4,5% de N.

-: En la fase ferrita, el índice PRE es preferiblemente 45,7-50,9. En la fase austenita, el índice PRE es preferiblemente 51,5-55,2.

-: El contenido de ferrita debe encontrarse en el intervalo de 35-55%, en volumen.

Ejemplo 3

El siguiente ejemplo muestra la influencia del aumento del contenido de Si sobre la estabilidad de la fase sigma para la aleación.

Cálculos termodinámicos que compararon una hornada de ensayo y un material producido a gama completa, en que la hornada a gama completa 451260 daba lugar a un aumento del contenido de Si (véase la Tabla 13), muestran una reducción de la sensibilidad a la precipitación de una fase intermetálica, preferiblemente fase sigma. Esto se ilustra en la Tabla 14 por la menor temperatura Tmax\sigma para la aleación 451260 producida a gama completa, comparada con la hornada de ensayo 605161. Tmax\sigma es la temperatura en que la fase sigma comienza a precipitar, en equilibrio termodinámico, lo que implica que este parámetro es una medida de la estabilidad estructural de la
aleación.

TABLA 13 Composición química de las hornadas comparadas

Hornada	Cr	Ni	Mo	N	Mn	Si	C	Comentario
451260	31,71	7,28	3,45	0,47	0,97	0,20	0,011	Invención
605161	31,85	7,25	3,47	0,5	0,9	0,05	0,014	Invención

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TABLA 14 Tmax\sigma de las hornadas comparadas

Hornada	Tmax\sigma (ºC)
451260	993
605161	1.006

Estudios termodinámicos adicionales para la composición según la Tabla 13 de la hornada a gama completa 451260 confirman que el aumento del contenido de Si favorece la estabilidad estructural del acero. Para estos cálculos, se varió el contenido de Si entre 0 y 2,5% y se calculó la temperatura de solubilización, es decir, Tmax\sigma para la fase sigma.

Según se muestra en la Figura 4, la estabilidad de la fase sigma disminuye con el aumento del contenido de Si en el intervalo entre 0-1,7%. Para este contenido, se encontró un mínimo de la estabilidad de la fase sigma, y después aumentó la estabilidad con el aumento del contenido de Si.

La investigación experimental sobre los materiales de la hornada producida a gama completa y la de ensayo confirma los cálculos teóricos. Se llevaron a cabo unos ensayos de tratamiento térmico con la misma técnica descrita en los ejemplos 1 y 2. La microestructura se hizo visible mediante rectificado, bruñido y ataque ácido, y se midió la cantidad de fase sigma de acuerdo con lo descrito en los ejemplos 1 y 2.

Los contenidos medidos de la fase sigma muestran que las velocidades de enfriamiento rápido de -120ºC/min y menores proporcionan un rápido aumento del contenido de fase sigma, mientras que las velocidades de enfriamiento rápido de -160ºC/min y mayores proporcionan una influencia marginal sobre el contenido de fase sigma (véase la Tabla 15). Los resultados comparables de la hornada de ensayo 605161 muestran que la cantidad de fase sigma es significativamente mayor, para las mismas condiciones de disolución y enfriamiento rápido, véase la Tabla 15. Esto confirma que el material producido a gama completa muestra una significativamente mejor estabilidad estructural, comparado con el material de la hornada de ensayo. Por medio del cálculo termodinámico esto se puede relacionar con el mayor contenido de Si en el material a gama completa.

TABLA 15 Contenido de fase sigma como característica del tratamiento por disolución/velocidad de enfriamiento rápido

Hornada	90ºC/min	120ºC/min	140ºC/min	160ºC/min	180ºC/min
451260	0,754%	0,227%	0,183%	0,079%	0,087%
605161	10%	5%	<1%

De este modo, el Si se puede añadir ventajosamente al material con el propósito de obtener un material más estable estructuralmente, así como para favorecer la soldabilidad de la aleación. Sin embargo, el contenido no debe exceder de 2,0%.

Mientras que la presente invención se ha descrito con referencia a las realizaciones antes mencionadas, algunas modificaciones y variaciones serán evidentes para el experto usual en la técnica. Por lo tanto, la presente invención está limitada solamente por el alcance y espíritu de las reivindicaciones anexas.

Claims

1. Una aleación de acero inoxidable dúplex, que tiene una microestructura de ferrita-austenita y presenta una buena soldabilidad y una alta resistencia mecánica, así como una alta resistencia a la corrosión bajo tensión, cuando se extruye en caliente y tiene un acabado recocido; en la que la aleación comprende, en % en peso:

C máximo 0,05% Si 0-2,0% Mn 0-3,0% Cr 29-35% Ni 4-10% Mo 3-5% N 0,45-0,55%; y el resto Fe y las impurezas que se producen normalmente; y en la que el contenido de ferrita es 30-70% en volumen.

2. La aleación de la reivindicación 1, que comprende además un máximo de 0,03% de C.

3. La aleación de la reivindicación 2, que comprende además un máximo de 0,02% de C.

4. La aleación de la reivindicación 1, en la que el contenido de ferrita está entre 35-55%.

5. La aleación de la reivindicación 1, que comprende además 0,5-1,5% de Mn.

6. La aleación de la reivindicación 5, que comprende además 5-9% de Ni.

7. La aleación de la reivindicación 1, en la que las cantidades relativas de los elementos aleantes constituyentes son tales que: (0,93% de Cr) + % de Mo + (4,5% de N) \geq 35.

8. La aleación de la reivindicación 1, en la que las cantidades relativas de los elementos aleantes constituyentes son tales que el índice PRE, definido como % de Cr + 3,3% de Mo + 16% de N, en la fase ferrita es 45,7-50,9, y el índice PRE en la fase austenita es 51,5-55,2.

9. La aleación de la reivindicación 8, en la que la aleación muestra un límite aparente de elasticidad bajo tensión por encima de 760 MPa, cuando se extruye en caliente y tiene un acabado recocido.

10. La aleación de la reivindicación 8, en la que el contenido de N en la fase austenita no excede de 0,9%, preferiblemente 0,8%.

11. La aleación de la reivindicación 8, en la que el contenido de Cr en la fase austenita no excede de 30,5%.

12. La aleación de la reivindicación 8, en la que el contenido total de N no excede de 0,50%.

13. Un tubo extrudido sin costura formado con la aleación de la reivindicación 1, teniendo el tubo un límite aparente de elasticidad bajo tensión que excede de 760 MPa.

14. Un tubo umbilical formado con la aleación de la reivindicación 1.

15. Un artículo formado con la aleación de la reivindicación 1, que posee resistencia frente a la corrosión en agua de mar.

16. Un artículo formado con la aleación de la reivindicación 1, que tiene una alta resistencia mecánica y una buena resistencia a la corrosión, estando el artículo en forma de tubo sin costura, alambre para soldadura, tubo soldado longitudinalmente, fleje, hilo metálico, varilla, lámina, brida o manguito de unión.

17. Una pluralidad de tubos sin costura soldados a tope y de tubos soldados longitudinalmente, formados con la aleación de la reivindicación 1 y enrollados en un serpentín.