ES2202017T3 - Acero de alta resistencia, aleacion baja y resistente a altas temperaturas. - Google Patents
Acero de alta resistencia, aleacion baja y resistente a altas temperaturas.Info
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Abstract
Un acero de alta resistencia, aleación baja, resistente al calor que tiene un diámetro medio del grano de cristal de a lo sumo 110 ìm e incluyendo, en porcentaje en masa: C: 0, 03-0, 15% Si: a lo sumo 1% Mn: a lo sumo 2% P: a lo sumo 0, 03% S: a lo sumo 0, 03% Ni: a lo sumo 0, 5% Cu: al menos 0, 01% pero menos de 0, 1% Cr: 1, 8-2, 8% V: 0, 1-0, 3% Nb: 0, 01-0, 08% Mo: 0, 05-0, 35% W: 1, 2-1, 8% Ti: 0, 001-0, 05% B: 0-0, 02% Al: a lo sumo 0, 1% O: a lo sumo 0, 1 N: en una cantidad que cumple la fórmula (1) [%N] = [%Ti] + 5[%B] + 0, 004 (1) y el resto de Fe e impurezas inevitables.
Description
Acero de alta resistencia, aleación baja y
resistente a altas temperaturas.
Esta invención se refiere a un acero de alta
resistencia, aleación baja, resistente al calor que tiene excelente
resistencia a fisuras por tratamiento térmico, es decir, tiene baja
susceptibilidad a fisuras formadas en juntas soldadas durante el
tratamiento térmico después de la soldadura.
Los ejemplos de materiales conocidos de alta
temperatura para uso en tubos resistentes al calor y resistentes a
la presión para calderas, equipo químico, y dispositivos similares
incluyen aceros de baja aleación, resistentes al calor conteniendo
un pequeño porcentaje de Cr, aceros ferríticos resistentes al calor
de alto contenido de Cr conteniendo 9-12% de Cr, y
aceros inoxidables austeníticos tipificados por acero de 18% Cr -
8% Ni. De estos materiales, el acero de baja aleación, resistente al
calor tipificado por acero de 2,25% Cr - 1% Mo (el llamado acero 2
1/4 Cr - 1% Mo) es barato, de modo que se utiliza en grandes
cantidades.
Los aceros de baja aleación, resistentes al calor
conteniendo un pequeño porcentaje de Cr tienen típicamente una
textura de ferrita tal como bainita templada o martensita templada.
En comparación con los aceros resistentes al calor de alto contenido
de Cr y los aceros con una textura austenítica, su resistencia a
alta temperatura es baja. Por esta razón, en los últimos años, ha
habido numerosas propuestas para mejorar la resistencia a alta
temperatura de los aceros de baja aleación, resistentes al calor
añadiendo Mo, W, Nb, V, y otro elemento de aleación a un acero
aleado bajo.
Por ejemplo, la Patente japonesa número 2659813
describe un acero que contiene Cr: 0,7-3%, Mo:
0,3-1,5%, V: 0,05-0,35%, Nb:
0,01-0,12%, y N: 0,01-0,05%, y que
se ajusta además de manera que contenga W: 0,5-2,4%,
B: 0,0005-0,015%, Al: a lo sumo 0,1%, y Ti:
0,05-0,2%. El acero se calienta a una temperatura de
al menos 1100ºC y se enfría después a temperatura ambiente, se
realiza trabajo plástico a temperatura ambiente o durante el
trabajo o durante el enfriamiento en una banda de temperatura en la
que no tendrá lugar recristalización, y finalmente se realizan
normalización a una temperatura inferior a 1100ºC y temple a una
temperatura no superior a A_{C1} para fabricar un acero en el que
se disminuye el grado de ablandamiento de las zonas afectadas por
calor de soldadura y en el que se mejoran las propiedades de impacto
del material base y que se puede usar para una temperatura de hasta
aproximadamente 600ºC.
La Solicitud de Patente japonesa publicada no
examinada Kokai Hei 4-268040 describe un acero de
baja aleación, resistente al calor que tiene excelente resistencia
a la fluencia y tenacidad y que contiene Cr:
1,5-3,5%, W: 1-3%, V:
0,1-0,35%, Nb: 0,01-0,1%, B:
0,0001-0,02%, N: menos de 0,005%, Al: menos de
0,005%, y Ti: 0,001-0,1%, y si es necesario
contiene además uno o varios de La, Ce, Y, Ca, Zr, y Ta, cada uno en
una cantidad de 0,01-0,2% y Mg en una cantidad de
0,0005-0,05%, y contiene además Mo:
0,01-0,4%, cumpliendo las cantidades de Ti y N la
fórmula:
0,080 \geq Ti(%) -
(48/14)N(%) \geq
0,003.
La Solicitud de Patente japonesa no examinada
publicada Kokai Hei 5-345949 describe un acero
ferrítico resistente al calor de bajo contenido de Cr con excelente
tenacidad y resistencia a la fluencia que incluye Cr:
1,5-3,5%, W: 1,0-3,0%, V:
0,10-0,35%, Nb: 0,01-0,10%, B:
0,0001-0,02%, N: menos de 0,005%, Al: menos de
0,005%, Ti: al menos 0,001% y menos de 0,050%, Cu:
0,10-2,50%, y si es necesario contiene Mo:
0,01-0,40% y uno o varios de La, Ce, Y, Ca, Zr, y
Ta, cada uno en una cantidad de 0,01-0,20% y Mg en
una cantidad de 0,0005-0,05%, y entre impurezas, P:
a lo sumo 0,03%, y S: a lo sumo 0,015%.
Este acero tiene alta resistencia a la fluencia,
de modo que el contenido de N y el contenido de Al se limitan a
menos de 0,005%, y se añade Ti para fijar N, y se añade B. Además,
para mejorar la resistencia de las soldaduras, se añaden Ti, Cu y W.
Se añade Cu para mejorar la resistencia a la oxidación y la
resistencia a la corrosión, mientras que se añaden V, Nb y W para
mejorar la resistencia.
La Solicitud de Patente japonesa no examinada
publicada Kokai Hei 8-325669 describe un acero
ferrítico resistente al calor de bajo contenido de Cr y contenido
ultrabajo de Mn, de excelente resistencia a alta temperatura que
contiene Cr: 0,8-3,5%, W:
0,01-3,0%, V: 0,1-0,5%, Nb:
0,01-0,20%, Al: 0,001-0,05%, Mg:
0,0005-0,05%, B: 0,0020-0,02%, N:
menos de 0,005%, P: a lo sumo 0,03%, y S: a lo sumo 0,015%, y si es
necesario contiene Mo: 0,01-1,5%, y uno o varios de
La, Ce, Y, Ca, y Ta, cada uno en una cantidad de
0,01-0,2%, y un resto de Fe e impurezas inevitables,
donde el contenido de B cumple la fórmula:
(14/11)B > N –
N(V/51) / {(C/12) + (N/14)} – Nb(Nb/93} /
{(C/12)+(N/14)}.
En este acero, se añade W para mejorar la
resistencia a la fluencia a alta temperatura, la cantidad de Mn se
limita a menos de 0,1% para suprimir la disminución del efecto de W
después de largos períodos de uso, y se añade B para evitar una
disminución de la resistencia y tenacidad e incrementar la
resistencia a la fluencia a alta temperatura. Para garantizar la
efectividad de B, la cantidad de B se controla por la fórmula
anterior con relación a N, V, C y Nb.
La Solicitud de Patente japonesa no examinada
publicada Kokai Hei 10-8194 describe un acero
ferrítico que tiene excelente soldabilidad y resistencia a alta
temperatura que incluye Cr: 0,3-1,5%, W:
0,1-3%, V: 0,01-0,5%, Nb:
0,01-0,2%, Al: 0,001-0,05%, B:
0,0001-0,02%, N: 0,001-0,03%, P: a
lo sumo 0,025%, y S: a lo sumo 0,015%, si es necesario uno o varios
de Mo: 0,01-3%, Ca, Ti, Zr, Y, La, Ce, y Ta, cada
uno en una cantidad de 0,01-0,2% y Mg en una
cantidad de 0,0005-0,05%.
Este acero es un acero ferrítico de bajo
contenido de Cr que se puede usar en lugar de un acero ferrítico de
alto contenido de Cr y que tiene mejor resistencia a la fluencia a
alta temperatura a una temperatura de al menos 450ºC y que tiene un
rendimiento comparable o mejor que el de los aceros de baja aleación
existentes con respecto a la tenacidad, trabajabilidad y
soldabilidad.
Al realizar soldadura con aceros de baja
aleación, resistentes al calor como los descritos anteriormente,
existe el problema de que se desarrollan fisuras en frío del metal
de soldadura. Para evitar las fisuras en frío del metal de
soldadura, es típico efectuar precalentamiento antes de soldar y
efectuar después tratamiento térmico después de la soldadura. Sin
embargo, como se describe en las páginas 10, 22-23,
100 y 150 de "Standards for Heat Treatment after Welding and their
Explanation" (Japan High Pressure Technology Organization,
editado por Stress and Annealing Working Group, publicado por
Nikkan Industrial Newspaper el 26/09/1994), es sabido que se
desarrollan fisuras en la zona afectada por calor de soldadura de
estos aceros de baja aleación, resistentes al calor durante el
tratamiento térmico después de la soldadura, es decir, tienen alta
susceptibilidad a las fisuras por tratamiento térmico. Las fisuras
por tratamiento térmico se producen por un mecanismo diferente de
las fisuras en frío del metal de soldadura, de modo que no se
pueden evitar mediante el control de la temperatura de
precalentamiento.
Se han publicado muchos informes relativos a las
fisuras por tratamiento térmico en aceros de baja aleación,
resistentes al calor. Por ejemplo, se propone un índice de
susceptibilidad a las fisuras por tratamiento térmico (P_{SR}) en
Journal of Welding Academy, Volumen 41 (1972), número 1, página 59.
Para un contenido de Cr del orden de a lo sumo 1,5%, el índice de
susceptibilidad a las fisuras por tratamiento térmico aumenta con
los aumentos de las cantidades de Cr, Cu, Mo, V, Nb, y Ti. En
particular, V, Nb, y Ti tienen un efecto grande en el índice.
Además, Journal of Welding Academy, Volumen 49, (1980), Nº 3,
página 203, describe que el índice de susceptibilidad a las fisuras
por tratamiento térmico aumenta a medida que aumentan las
cantidades de las impurezas P, Sb, Sn y As en el acero. Además, la
Solicitud de Patente japonesa no examinada publicada Kokai Sho
59-80755 propone un acero de baja aleación,
resistente al calor que tiene excelente resistencia a la fragilidad
por temple.
Cada una de las publicaciones antes descritas
relativas a fisuras por tratamiento térmico se refiere a un acero
que no contiene W. Como resultado de estudios realizados por los
autores de la presente invención, se aclaró que en el caso de un
acero conteniendo W, la resistencia a altas temperaturas es alta,
de modo que la susceptibilidad a la fisuración por tratamiento
térmico se incrementa considerablemente.
En las publicaciones citadas anteriormente, a
excepción de las Solicitudes de Patente japonesas no examinadas
publicadas Kokai Hei 7-268040 y Kokai Hei
5-345949, no hay descripción relativa a fisuras por
soldadura. En las Solicitudes de Patente japonesas no examinadas
publicadas Kokai Hei 7-268040 y Kokai Hei
5-345949, hay una descripción relativa a la
prevención de fisuras en frío del metal de soldadura por control de
la temperatura de precalentamiento, pero no hay mención relativa a
la fisuración por tratamiento térmico, que es un gran problema con
respecto a los aceros conteniendo W. A saber, en la actualidad, no
se ha obtenido un acero resistente al calor, de alta resistencia
conteniendo W y que tiene adecuada resistencia a la fisuración por
tratamiento térmico.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar un acero de alta resistencia, aleación baja,
resistente al calor, del tipo de Cr-Mo que contiene
W y que tiene excelente resistencia a la fisuración por tratamiento
térmico.
Los autores de la presente invención soldaron
aceros de baja aleación, resistentes al calor conteniendo W y
después investigaron con detalle las fisuras que se generaron en el
termotratamiento siguiente (denominado a continuación tratamiento
térmico post-soldadura). Como resultado, se halló
que se generan fisuras en zonas afectadas por calor donde los
granos de cristal engrosaron durante el tratamiento térmico
post-soldadura a una temperatura cerca de la línea
líquido. Cuando se observó la forma de la fractura con un
microscopio electrónico de exploración, no se hallaron puntos
fundidos (fisuras que acompañan a la formación de una fase líquido)
en la fractura y, como resultado del análisis, se halló una marcada
concentración de N en la fractura. Además, como resultado de la
observación con un microscopio electrónico, se halló que diminutos
carburos de V y Nb se generaron dentro de granos cerca de
fisuras.
A partir de estos resultados, se pensó que la
fisuración por soldadura por tratamiento térmico es un fenómeno en
el que se abren fisuras debido a los efectos combinados de factores
tal como los siguientes:
\newpage
(i) se acelera la segregación de límite de grano
de N por tratamiento térmico post-soldadura, y
disminuye la resistencia de la unión intercristalina;
(ii) debido a endurecimiento por precipitación
producido por carburos de V y Nb y endurecimiento de solución
sólida por W, se refuerza el interior de los granos, y
(iii) la deformación producida por esfuerzos
térmicos se concentra en la superficie lisa de los granos de
cristal que se engrosan debido a ciclos de calor de soldadura.
Como resultado de estas observaciones se halló
que las fisuras por tratamiento térmico de soldadura se pueden
evitar regulando la forma en la que N está presente mediante el uso
de Ti y B. A saber, puesto que Ti y B tienen fuerte afinidad para
N, forman nitruros estables con N para disminuir la cantidad de N
libre presente en los límites de grano, teniendo el N libre el
problema de que disminuye la resistencia de la unión
intercristalina.
Ti genera TiN principalmente en los límites de
grano al tiempo de la fabricación de acero, y debido al efecto de
anclaje, suprime el engrosamiento de los granos de cristal
producido por ciclos de calor de soldadura. Para que este efecto se
produzca adecuadamente es necesario que la cantidad de Ti sea al
menos 0,001%.
B tiene una fuerte tendencia a la segregación, de
modo que B que no se combina con N existe en los límites de grano
como B libre y ocupa lugares de segregación. Por lo tanto, suprime
la segregación de N y otros elementos de debilitamiento del límite
de grano y aumenta la resistencia de la unión intercristalina. Como
resultado, puede contribuir a la prevención de fisuras por
tratamiento térmico de soldadura.
Los efectos de Ti y B en la evitación de fisuras
están fuertemente influenciados, naturalmente, por la cantidad de
N, que es un elemento de fragilización intergranular. Cuando está
presente en un acero una gran cantidad de N, se necesitan grandes
cantidades de Ti y B para evitar fisuras. La figura 5, que se obtuvo
usando datos de los ejemplos descritos a continuación, ilustra la
relación entre la cantidad de N presente en un acero, con relación
a las cantidades de Ti y B, y la aparición de fisuras por
tratamiento térmico. En la figura, la abscisa es el contenido de N
[%N] de un acero según la presente invención o un ejemplo
comparativo, y la ordenada es el valor de [%Ti] + 5 [%B] + 0,004
para el acero. Los aceros en los que no había fisuras por
tratamiento térmico se indican por un círculo abierto (\circ), y
los aceros en los que se produjeron fisuras se indican por un
círculo sólido (\bullet). Se deduce de esta figura que se puede
evitar las fisuras por tratamiento térmico de soldadura si la
relación entre el contenido de N [%N] y ([%Ti] + 5 [%B] + 0,004)
cumple la fórmula siguiente (1):
(1)[%N] \leq [%Ti] + 5[%B]
+
0,004
Sin embargo, si el diámetro medio del grano de
cristal en la zona afectada por calor excede de 150 \mum, aunque
se cumpla la fórmula anterior (1), no se puede evitar la generación
de fisuras por tratamiento térmico de soldadura. Para limitar el
diámetro medio del grano de cristal en la zona afectada por calor de
soldadura a lo sumo a 150 \mum, el diámetro medio del grano de
cristal del material base debe ser a lo sumo 110 \mum.
Por consiguiente, la presente invención
proporciona un acero de baja aleación, resistente al calor con
excelente soldabilidad que tiene un diámetro medio del grano de
cristal de a lo sumo 110 \mum y que incluye en porcentaje en
masa:
C: 0,03-0,15%, Si: a lo sumo 1%,
Mn: a lo sumo 2%, P: a lo sumo 0,03%, S: a lo sumo 0,03%, Ni: a lo
sumo 0,5%, Cu: al menos 0,01% pero menos de 0,1%, Cr:
1,8-2,8%, V: 0,1-0,3%, Nb:
0,01-0,08%, Mo: 0,05-0,35%, W:
1,2-1,8%, Ti: 0,001-0,05%, B:
0-0,02%, Al: a lo sumo 0,1%; 0: a lo sumo 0,1%, N:
en una cantidad que cumple la fórmula
(1)[%N] \leq [%Ti] + 5[%B]
+
0,004
y un resto de impurezas
inevitables.
El diámetro medio del grano de cristal del acero
se puede determinar contando el número de granos de cristal
presentes en una longitud arbitraria en una fotografía tomada
usando un microscopio, y dividiendo después la longitud por el
número de granos de cristal.
Se describen aceros que tienen una composición
que cae dentro de las bandas antes definidas en
JP-A-822 5 884 (Ejemplo S) y
EP-A-560375 (Ejemplos K y 24) pero
con la excepción del rango de contenido de Cu. Tales referencias
adicionales no hablan de las condiciones relativas al diámetro del
grano y el contenido de N.
\newpage
La figura 1 es una vista en sección transversal
vertical de los extremos opuestos de dos chapas a soldarse entre
sí.
La figura 2a es una vista en planta de un cuerpo
soldado embridado formado a partir de las chapas de la figura 1, y
la figura 2b es una vista en sección transversal vertical del
cuerpo soldado embridado.
La figura 3 es una vista en planta de una pieza
de prueba de fluencia cortada del cuerpo soldado de la figura
2.
La figura 4 es un gráfico que muestra la relación
entre la entrada de calor de soldadura y el diámetro medio del
grano de cristal en la zona afectada por calor de soldadura.
La figura 5 es un gráfico de la relación entre el
contenido de N y ([%Ti] + 5[%B] + 0,004) en ejemplos del acero
según la presente invención y en ejemplos comparativos.
A continuación se describirán los efectos de cada
componente químico de un acero según la presente invención y las
razones de sus rangos. A no ser que se especifique lo contrario, %
de componentes químicos se refiere a % en masa.
C: 0,03-0,15%
C forma carburos en acero y contribuye a un
aumento de la resistencia a alta temperatura. Además, funciona como
un elemento formador de austenita, y suprime la formación de
ferrita \delta. Por esta razón, la cantidad de C debe ser al
menos 0,03%. Sin embargo, su adición excesiva aumenta la dureza de
zonas afectadas por calor de soldadura y aumenta la susceptibilidad
a fisuras en frío del metal de soldadura y a las fisuras por
tratamiento térmico después de la soldadura. Además, un acero con un
alto contenido de C resulta quebradizo cuando se utiliza durante
largos períodos a altas temperaturas. Por estas razones, el límite
superior del contenido de C es 0,15% y preferiblemente es
0,12%.
Si: a lo sumo 1%
Si se añade como un elemento desoxidante durante
la fabricación de acero. También es efectivo para mejorar la
resistencia a la oxidación y resistencia a la corrosión del acero a
alta temperatura. Sin embargo, da lugar a una disminución de la
resistencia del acero durante un uso prolongado a altas
temperaturas. Por esta razón, el límite superior del contenido de
Si es 1%, y preferiblemente es 0,8%. El límite inferior puede ser
el nivel de impurezas inevitables, pero para garantizar el efecto
desoxidante, es preferiblemente al menos 0,05%.
Mn: a lo sumo 2%
De la misma manera que Si, Mn se añade para
realizar desoxidación al tiempo de fabricar el acero. Sin embargo,
si se añade demasiado, da lugar a una disminución de la resistencia
durante un uso prolongado a altas temperaturas y una disminución de
la tenacidad. Por esta razón, el contenido de Mn es a lo sumo 2%,
preferiblemente es a lo sumo 1,5%, y más preferiblemente es menos
de 0,35%. El límite inferior puede ser el nivel de impurezas
inevitables, pero para garantizar el efecto de desoxidación, es
preferiblemente al menos 0,05%.
P: a lo sumo 0,03%
P está presente en acero como una impureza
inevitable. Si su contenido es alto, se generan fisuras por
tratamiento térmico de soldadura. Por lo tanto, el contenido de P
es a lo sumo 0,03%. La cantidad de P es preferiblemente lo más baja
que sea posible, y no hay límite inferior particular, pero la
disminución extrema del contenido de P da lugar a un aumento de los
costos de fabricación, de modo que, desde un punto de vista
práctico, el límite inferior es generalmente del orden de
0,0005%.
S: a lo sumo 0,03%
Como P, S está presente en acero como una
impureza inevitable. Si se contiene en grandes cantidades, genera
fisuras por tratamiento térmico de soldadura. Por esta razón, el
contenido de S es a lo sumo 0,03%. La cantidad de S es
preferiblemente lo más baja que sea posible, de modo que no hay
límite inferior particular. Sin embargo, como en el caso de P,
desde el punto de vista de los costos de afino, el límite inferior
es generalmente del orden de 0,0005%.
Ni: a lo sumo 0,5%
Ni es un elemento formador de austenita. Suprime
la fase de formación de ferrita, y garantiza la estabilidad de
textura, de modo que se puede añadir. Cuando se añade, su contenido
es preferiblemente al menos 0,01%. Sin embargo, su adición excesiva
disminuye la ductilidad durante el uso a altas temperaturas, de modo
que el límite superior del contenido de Ni es 0,5%.
Cu: al menos 0,01%, pero menos de 0,1%
Como Ni, Cu es un elemento formador de austenita.
Suprime la formación de fase ferrita \delta, y es útil para
garantizar la estabilidad de la textura. Sin embargo, su adición
excesiva produce una disminución extrema de la ductilidad durante un
uso prolongado a altas temperaturas, de modo que el contenido de Cu
es a lo sumo 0,5%. El contenido es menos de 0,1%, y todavía más
preferiblemente menos de 0,05%.
Cr: 1,8-2,8%
Cr es indispensable para garantizar resistencia a
la oxidación a altas temperaturas, resistencia a la corrosión a
alta temperatura, y resistencia a alta temperatura. Sin embargo, su
adición excesiva da lugar al engrosamiento de carburos, y termina
produciendo una disminución de la resistencia a alta temperatura
además de dar lugar a una disminución de la resistencia. Por estas
razones, el contenido de Cr es 1,8-2,8%.
V: 0,1-0,3%
V forma carburos o carbonitruros diminutos en
acero, y contribuye a un aumento de resistencia a la fluencia. Sin
embargo, su adición excesiva aumenta la densidad de precipitación
de carburos dentro de granos al tiempo de tratamiento térmico
post-soldadura y aumenta la susceptibilidad a las
fisuras por tratamiento térmico. Además, da lugar a agregado rápido
y el engrosamiento de carburos durante el uso a altas temperaturas
y da lugar a una disminución de la resistencia a la fluencia. Por
esta razón, el contenido de V es 0,1-0,3%.
Nb: 0,01-0,08%
Nb forma carburos o carbonitruros diminutos en
acero y contribuye a un aumento de la resistencia a la fluencia.
Por esta razón, es necesaria la adición de al menos 0,01%. Sin
embargo, su adición excesiva aumenta la densidad de precipitación de
carburos dentro de los granos durante el tratamiento térmico
post-soldadura y aumenta la susceptibilidad a
fisuras por tratamiento térmico. Por lo tanto, el contenido de Nb es
0,01-0,08%.
Mo: 0,05-0,35%
Mo aumenta la resistencia de solución sólida de
la matriz de acero, y precipita como un carburo para incrementar la
resistencia a la fluencia. Además, tiene fuerte afinidad para P, e
disminuye la cantidad de P que segrega en los límites de grano, de
modo que contribuye a una disminución de la susceptibilidad a las
fisuras por tratamiento térmico de soldadura. Para obtener estos
efectos, es necesario que su contenido sea al menos 0,05%. Sin
embargo, su adición excesiva disminuye la resistencia después de
largos períodos de uso, de modo que su límite superior es
0,35%.
W: 1,2-1,8%
Como Mo, W realiza endurecimiento de solución
sólida de la matriz de acero y forma carburos para aumentar en gran
medida la resistencia a la fluencia. Para obtener estos efectos, su
contenido debe ser al menos 1,2%. Por otra parte, refuerza sumamente
la matriz, de modo que cuando se segrega N en los límites de grano,
es grande la diferencia entre la resistencia de los límites de
grano fragilizados y la matriz, y se forman fácilmente fisuras por
tratamiento térmico. Además, su adición excesiva da lugar a una
disminución de la resistencia. Por lo tanto, el límite superior es
1,8%.
Al: a lo sumo 0,1
Al se añade como un agente desoxidante para
acero. Sin embargo, su adición excesiva disminuye la limpieza de
acero y disminuye la trabajabilidad, además de dar lugar a una
disminución de la resistencia a alta temperatura. Por esta razón, el
contenido de Al es a lo sumo 0,1%. No hay límite inferior
particular, pero si su cantidad es sumamente baja, la desoxidación
de acero es inadecuada. Por lo tanto, la cantidad es
preferiblemente al menos 0,0005%.
O (oxígeno): a lo sumo 0,1
O (oxígeno) es una impureza en acero. Está
presente primariamente como óxidos que dan lugar a una disminución
de la trabajabilidad y de la resistencia y tenacidad del material
base. Además, si está presente como óxidos en los límites de grano,
puede dar lugar a una disminución de la resistencia de la unión
intercristalina y aumentar la susceptibilidad a las fisuras por
tratamiento térmico. Por esta razón, el contenido de O es a lo sumo
0,1%, preferiblemente a lo sumo 0,06%, y todavía más preferiblemente
a lo sumo 0,03%. El contenido de oxígeno es preferiblemente lo más
bajo que sea posible, de modo que no hay límite inferior
particular, pero las reducciones extremas dan lugar a un aumento de
costos de afino, de modo que, para producción real, el límite
inferior es generalmente del orden de 0,0005%.
Ti: 0,001-0,05%
Ti es indispensable para disminuir la
susceptibilidad a fisuras por tratamiento térmico de soldadura. Ti
combina con N para formar TiN y por lo tanto disminuye la cantidad
de N libre que reduce la resistencia de la unión intercristalina en
zonas afectadas por calor de soldadura. Además, debido al efecto de
anclaje, suprime el engrosamiento de los granos de cristal en zonas
afectadas por calor de soldadura debido a ciclos térmicos de
soldadura y evita la formación de fisuras por tratamiento térmico.
Para obtener estos efectos, es necesario que su contenido sea al
menos 0,001%, y es necesario que cumpla la fórmula (1) relativa a B
y N. Sin embargo, su adición excesiva da lugar a una disminución
extrema de la resistencia, de modo que el contenido de Ti es a lo
sumo 0,05%. Más preferiblemente, es a lo sumo 0,04%.
B: 0-0,02%
Debido a la presencia de Ti en un acero según la
presente invención, no es especialmente necesario añadir B. Sin
embargo, B tiene una fuerte afinidad para N, de modo que como Ti,
forma nitruros y tiene el efecto de disminuir la cantidad de N
libre en los límites de grano. Además, el B restante que no combina
con N está presente como B libre en los límites de grano y ocupa
lugares de segregación, de modo que suprime la segregación de
elementos de debilitamiento de límite de grano tal como N, aumenta
la resistencia de la unión intercristalina, y evita la generación de
fisuras por tratamiento térmico de soldadura. Estos efectos son
marcados cuando se añade B en combinación con Ti. Por consiguiente,
es necesario que el contenido de B cumpla la fórmula (1). Sin
embargo, su adición excesiva da lugar a fragilización del material
base durante un uso prolongado a altas temperaturas. Por lo tanto,
el límite superior del contenido de B es 0,02%. Cuando se añade, el
contenido preferido es 0,002-0,006%.
N: dentro de un rango que cumple la fórmula
(1)
N se segrega como N libre en los límites de grano
al tiempo de fabricar el acero o durante tratamiento térmico
post-soldadura, donde disminuye la resistencia de la
unión intercristalina y es la causa de la formación de fisuras por
tratamiento térmico de soldadura. Para evitarlo, es eficaz fijar N
añadiendo Ti o Ti y B. Para fijar adecuadamente N, es necesario que
la cantidad de N en el acero cumpla la fórmula (1):
(1)[%N] \leq [%Ti] + 5[%B]
+
0,004
La fisuración por soldadura por tratamiento
térmico de un acero resistente al calor de esta invención se evita
por los efectos combinados de (i) una reducción de la cantidad de N
libre en los límites de grano mediante la adición de Ti y
opcionalmente B, (ii) evitando el engrosamiento de los granos de
cristal por el efecto de anclaje de TIN, y (iii) aumentando la
resistencia de la unión intercristalina por B libre. Para obtener
estos efectos, es necesario que Ti, B, y N cumplan la fórmula
(1).
Una cantidad excesiva de N da lugar a la
formación de grandes cantidades de nitruros y produce una
disminución de la tenacidad, mientras que si la cantidad de N es
demasiado pequeña, el efecto de anclaje antes descrito de TiN no se
puede obtener adecuadamente. Por consiguiente, el contenido de N es
preferiblemente mayor que 0,005% hasta 0,01%.
Diámetro medio del grano de cristal: a lo sumo
110 \mum
Hay casos en los que no se puede evitar
totalmente las fisuras por tratamiento térmico de soldadura aunque
se cumplan (i), (ii) y (iii) antes descritos. Esto es debido a que
se generan fisuras por tratamiento térmico de soldadura debido a
concentración de deformaciones debidas a esfuerzos térmicos en los
límites de grano suaves cuyos granos se engrosan por los ciclos
térmicos de soldadura. Para evitarlo, es necesario que el diámetro
medio del grano de cristal en la zona afectada por calor de
soldadura sea a lo sumo 150 \mum.
La figura 4 muestra la relación entre la entrada
de calor durante la soldadura y el diámetro medio del grano de
cristal en la zona afectada por calor de soldadura. Esta figura
muestra los resultados de la medición del diámetro medio del grano
de cristal de la zona afectada por calor de soldadura en una prueba
de soldadura embridada realizada usando una chapa de acero con un
diámetro medio del grano de cristal de 109 \mum como un material
base, variándose la entrada de calor usando el método de soldadura
por arco sumergido. Como es claro por esta figura, el diámetro
medio del grano de cristal en la zona afectada por calor de
soldadura se puede restringir a lo sumo a 150 \mum haciendo el
diámetro medio del grano de cristal del material base a lo sumo 110
\mum y haciendo la entrada de calor de soldadura a lo sumo 70
kJ/cm. El diámetro medio del grano de cristal en la zona afectada
por calor de soldadura es preferiblemente lo más pequeño que sea
posible, de modo que es más preferible limitar la entrada de calor
de soldadura a lo sumo a 50 kJ/cm.
El diámetro medio del grano de cristal del
material base antes descrito se obtuvo realizando tratamiento
térmico a 900-1100ºC durante hasta cinco horas
durante la normalización en la fabricación del material base. Cuanto
menor es el diámetro medio del grano de cristal en la zona afectada
por calor de soldadura tanto mejor, y cuando menor es el diámetro
medio del grano de cristal en el material base, tanto menor es el
diámetro medio del grano de cristal en la zona afectada por calor de
soldadura. Por lo tanto, para mejorar más la resistencia a las
fisuras por tratamiento térmico, el diámetro medio del grano de
cristal del material base es preferiblemente a lo sumo 70 \mum y
es más preferiblemente a lo sumo 45 \mum. Para obtener una
textura con un diámetro diminuto del grano de cristal en este
rango, es preferible efectuar tratamiento térmico con temple a
720-800ºC, normalizar a 900-1100ºC,
y temple repetido a 720-800ºC.
\newpage
Los efectos de la presente invención se pueden
obtener si se cumplen los rangos antes descritos para los elementos
de aleación, pero para disminuir más la susceptibilidad a las
fisuras por tratamiento térmico, la cantidad total de las impurezas
inevitables Sn, As, Sb, y Pb es preferiblemente a lo sumo 0,04%.
Además, para mejorar la trabajabilidad en caliente y disminuir más
la susceptibilidad a las fisuras por tratamiento térmico debidas a
fijación de S, el acero también puede incluir Ca: a lo sumo 0,02%,
Mg: a lo sumo 0,02%, y MTR (metales de tierras raras): a lo sumo
0,02%.
Se prepararon aceros con las composiciones
químicas mostradas en las Tablas 1-3 (conteniendo
Sn, As, Sb, y Pb como impurezas en una cantidad total de a lo sumo
0,04%). Se realizó forja en caliente, laminado en caliente, y
tratamiento térmico para fabricar chapas de acero con un espesor de
40 mm. Las condiciones de fabricación se seleccionaron de manera
que el diámetro medio del grano de cristal del material base fuese
aproximadamente 30-109 \mum. Para los aceros A7,
A10, A18, A19, A23, A27-29, B3, B4, B9 y B15, la
temperatura de temple al tiempo del tratamiento térmico se ajustó
para aumentar el diámetro medio del grano de cristal. Los aceros
A1-A4 y A8-A31 son ejemplos de
aceros según la presente invención, mientras que los aceros A5, A6,
A7 y B1-B16 son aceros comparativos fuera del rango
de la presente invención.
(Tabla pasa a página
siguiente)
De las chapas de acero obtenidas se cortaron
chapas rectangulares planas 1 de 40 mm de grosor, 50 mm de anchura
y 100 mm de longitud, y se formó un bisel de 30º de la forma
representada en la figura 1 en cada chapa 1 en uno de los lados que
medían 100 mm. Cada bisel se extendía desde la superficie superior a
dentro de aproximadamente 1,0 mm de la superficie inferior de la
chapa 1. Después se colocaron dos chapas 1 encima de una chapa de
soporte 2 con un espesor de 80 mm y que medía 200 mm de largo,
mirando los biseles uno a otro de la manera representada en la
figura 1 para definir un canal 5 con un ángulo de 60º entre los
biseles. Las caras opuestas de las chapas 1 estaban ligeramente
espaciadas una de otra, por ejemplo, aproximadamente 2,0 mm, en los
extremos inferiores de los biseles. Después se soldó cada chapa 1 a
la superficie superior de la chapa de soporte 2 con una soldadura 3
que se extendía a lo largo de tres lados de la chapa 1 para formar
un cuerpo soldado embridado 4. La figura 2a es una vista en planta
del cuerpo soldado embridado 4, y la figura 2b es una sección
transversal vertical del mismo.
En el canal 5 del cuerpo soldado embridado 4, se
utilizó un material de soldadura que tiene la composición química
mostrada en la Tabla 4 para formar una unión soldada de capas
múltiples para soldar las dos chapas 1 entre sí por el método de
soldadura TIG (GTAW, entrada de calor de soldadura aproximadamente
18kJ/cm), el método de soldadura por arco metálico blindado (SMAW,
entrada de calor de soldadura aproximadamente 25kJ/cm), y el método
de soldadura por arco sumergido (SAW, entrada de calor de soldadura
aproximadamente 50/kJ/cm).
Método de | Composición química del material de soldadura (Eq.: Fe, % en masa) | |||||||||||||
soldadura | C | Si | Mn | P | S | Ni | Cu | Cr | V | Nb | Mo | W | O | N |
GTAW | 0,06 | 0,13 | 0,51 | 0,006 | 0,001 | 0,79 | 0,02 | 2,25 | 0,29 | 0,04 | 0,12 | 1,54 | 0,007 | 0,007 |
SMAW | 0,06 | 0,44 | 0,85 | 0,008 | 0,003 | 0,81 | 0,03 | 2,21 | 0,25 | 0,05 | 0,13 | 1,53 | 0,013 | 0,008 |
SAW | 0,05 | 0,31 | 0,88 | 0,008 | 0,002 | 0,88 | 0,02 | 2,18 | 0,26 | 0,04 | 0,12 | 1,61 | 0,021 | 0,006 |
Cada uno de los materiales de soldadura tenía
forma de un alambre con un diámetro externo de 1,2 mm fabricado por
los procesos usuales de fabricación de acero, trabajo en caliente y
embutición.
Después de la soldadura, se realizó tratamiento
térmico post-soldadura por calentamiento a 715ºC y
se mantuvo durante 5 horas, después de lo que se examinó una sección
transversal de la porción soldada en 5 posiciones, y se investigó la
presencia o ausencia de fisuras en la zona afectada por calor de
soldadura. Los aceros en los que no se hallaron fisuras en ninguna
de las secciones transversales en las 5 posiciones se evaluaron
como inspección pasada (indicada por O en las Tablas
5-7), y aquellos en los que había una fisura en una
sección transversal se evaluaron como inspección fallida (indicada
por X).
Una pieza de prueba de fluencia y una pieza de
prueba de impacto se cortaron de las muestras de prueba que pasaron
la inspección de fisuras. La figura 3 ilustra una de las piezas de
prueba de fluencia, que se formaron de manera que una porción
soldada 6 estuviese en el centro de la región paralela de la pieza
de prueba. La región paralela tenía una sección transversal
circular uniforme con un diámetro de aproximadamente 6 mm y una
longitud de aproximadamente 30 mm. Se realizó una prueba de fluencia
con un esfuerzo de 196 Mpa a una temperatura de 550ºC. El esfuerzo
de 196 Mpa es un esfuerzo tal que la duración de fallo de fluencia
del material base a 550ºC es de aproximadamente 3000 horas. Las
piezas de prueba cuyo tiempo hasta el fallo era al menos 2400 horas
pasaron la inspección.
Cada pieza de prueba de impacto era una pieza de
prueba de impacto nº 4 especificada por JIS Z 2202, que se cortó de
manera que la zona afectada por calor de soldadura estuviese
situada en la ranura de la pieza de prueba. La prueba de impacto se
realizó a 0ºC. Las piezas de prueba cuya energía absorbida era al
menos 40 julios (J) pasaron la inspección, y las que tenían una
energía absorbida inferior a este valor no pasaron la
inspección.
El diámetro medio del grano de cristal del
material base y la zona afectada por calor de soldadura se hallaron
contando el número de granos de cristal por unidad de longitud
dentro del campo de visión (100x) de un microscopio óptico.
Los resultados de las diversas pruebas se exponen
en las Tablas 5-7. Los símbolos
AJ1-AJ4 y AJ12-AJ35 indican juntas
soldadas formadas a partir de los aceros según la presente
invención, mientras que los símbolos AJ5-AJ11 y
BJ1-BJ19 indican juntas soldadas formadas a partir
de los aceros comparativos.
Cada uno de los aceros A1-A31
según la presente invención tenía un contenido de Ti de
0,001-0,033% y un contenido de N inferior a [%Ti] +
5[%B] + 0,004, y tenía un diámetro medio del grano de cristal del
orden de 33-109 \mum. Por lo tanto, como es claro
por las Tablas 5 y 6, en las juntas soldadas
AJ1-AJ35 usando aceros de la presente invención,
independientemente del método de soldadura, no se detectaron fisuras
en la zona afectada por calor de soldadura. Además, la resistencia
al fallo de fluencia era del orden del tiempo hasta el fallo de
2493-2896 horas, y la resistencia a la prueba de
impacto Charpy era del orden de 41-65 julios, que
son valores satisfactorios.
En contraposición, para el acero comparativo B1,
el contenido de N era 0,018%, superior a [%Ti] + [%B] + 0,004. A
saber, no se cumplía la fórmula (1). Como resultado, como es claro
por la Tabla 7, se detectaron fisuras en la zona afectada por calor
de soldadura en la junta BJ1. Para acero comparativo B2, el diámetro
medio del grano de cristal del material base era 38 \mum. Sin
embargo, como no contenía Ti, cuando se utilizó para formar una
unión soldada (junta BJ2), el diámetro medio del grano de cristal
en la zona afectada por calor de soldadura era 152 \mum, y se
detectaron fisuras en la zona afectada por calor de soldadura.
Para aceros comparativos B3 y B4, los diámetros
medios del grano de cristal tenían valores altos de 124 \mum y
140 \mum. Por lo tanto, las juntas soldadas
BJ3-BJ7 tenían gran diámetro medio del grano de
cristal en la zona afectada por calor de soldadura de
154-173 \mum, y se detectaron fisuras en la zona
afectada por calor de soldadura.
El acero comparativo B5 tenía un contenido de N
de 0,020%, mientras que [%Ti] + 5[%B] + 0,004 llegó a 0,019%, de
modo que no cumplía la fórmula (1). Por lo tanto, se detectaron
fisuras en la zona afectada por calor de soldadura de la unión
soldada BJ8.
El acero comparativo B6 cumplía la fórmula (1),
de modo que no se formaron fisuras, pero el contenido de Ti de
0,053% era excesivo, de modo que cuando se hizo una unión soldada
(junta BJ9), la energía absorbida en la prueba de impacto Charpy
era un valor bajo de 11 julios.
El acero comparativo B7 no contenía Ti y B, de
modo que para la junta BJ10, se detectaron fisuras en la zona
afectada por calor de soldadura.
Los aceros comparativos B8-B14
tenían un contenido más alto de N que el dado por [%Ti] + 5[%B] +
0,004, de modo que no cumplían la fórmula (1). Por lo tanto, se
detectaron fisuras en la zona afectada por calor de soldadura de
cada una de las juntas BJ11-BJ17.
Cada uno de los aceros comparativos B15 y B16
tenía un contenido de N mayor que [%Ti] + 5[%B] +0,004, y el
contenido de Ti era menor que el nivel de 0,001% necesario para
exhibir un efecto de anclaje. Por consiguiente, se detectaron
fisuras en cada una de las juntas BJ18 y BJ19.
Como es claro por los resultados de la prueba
antes descritos, debido al contenido químico y el pequeño diámetro
medio del grano de cristal de un acero según la presente invención,
el acero se puede soldar sin la formación de fisuras por tratamiento
térmico de soldadura para formar juntas soldadas que tienen buenas
características de resistencia a la fluencia y al impacto.
Claims (5)
1. Un acero de alta resistencia, aleación baja,
resistente al calor que tiene un diámetro medio del grano de
cristal de a lo sumo 110 \mum e incluyendo, en porcentaje en
masa:
C: 0,03-0,15%
Si: a lo sumo 1%
Mn: a lo sumo 2%
P: a lo sumo 0,03%
S: a lo sumo 0,03%
Ni: a lo sumo 0,5%
Cu: al menos 0,01% pero menos de 0,1%
Cr: 1,8-2,8%
V: 0,1-0,3%
Nb: 0,01-0,08%
Mo: 0,05-0,35%
W: 1,2-1,8%
Ti: 0,001-0,05%
B: 0-0,02%
Al: a lo sumo 0,1%
O: a lo sumo 0,1
N: en una cantidad que cumple la fórmula (1)
(1)[%N] \leq [%Ti] + 5[%B]
+
0,004
y el resto de Fe e impurezas
inevitables.
2. Un acero de alta resistencia, aleación baja,
resistente al calor según se reivindica en la reivindicación 1
incluyendo menos de 0,35% en masa de Mn.
3. Un acero de alta resistencia, aleación baja,
resistente al calor según se reivindica en la reivindicación 1
incluyendo menos de 0,05% en masa de Cu y menos de 0,30% en masa de
Mn.
4. Un acero de alta resistencia, aleación baja,
resistente al calor como se reivindica en cualquiera de las
reivindicaciones 1-3 incluyendo más de 0,005% en
masa y a lo sumo 0,01% en masa de N, y 0,001-0,04%
en masa de Ti.
5. Un acero de alta resistencia, aleación baja,
resistente al calor como se reivindica en cualquiera de las
reivindicaciones 1-4 incluyendo
0,002-0,006% en masa de B.
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