ES2218578T3 - Metodo para producir aceros bainiticos sin carburo. - Google Patents
Metodo para producir aceros bainiticos sin carburo.Info
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Abstract
UN METODO PARA LA PRODUCCION DE UN PRODUCTO DE ACERO BAINITICO RESISTENTE AL DESGASTE Y A LA FATIGA POR CONTACTO RODANTE CUYA MICROESTRUCTURA NO CONTIENE ESENCIALMENTE CARBURO. EL METODO CONSISTE EN LAMINAR EN CALIENTE UN ACERO CUYA COMPOSICION EN PESO INCLUYE DE UN 0,05 A UN 0,50 % DE CARBONO, DE UN 1,00 A UN 3,00 % DE SILICIO Y/O ALUMINIO, DE UN 0,50 A UN 2,50 5 DE MANGANESO Y DE UN 0,25 A UN 2,50 % DE CROMO, EN DONDE EL EQUILIBRIO ES HIERO Y LAS IMPUREZAS INCIDENTALES, Y REFRIGERAR CONTINUAMENTE EL ACERO DE SU TEMPERATURA DE LAMINADO BIEN DE FORMA NATURAL AL AIRE O MEDIANTE UNA REFRIGERACION ACELERADA.
Description
Método para producir aceros bainíticos sin
carburo.
Esta invención se refiere a aceros y a carriles
de acero, bainíticos, sin carburo, en particular a métodos para
producir tales carriles. Más especialmente, la invención se refiere
a carriles de acero bainítico sin carburo que tienen resistencia al
desgaste y fatiga de contacto por laminación, exaltadas, a partir
de los que se pueden producir carriles de las vías y de rodadura,
entre otras cosas.
La mayoría de los carriles de las vías se ha
producido hasta ahora a partir de aceros perlíticos. Revisiones
recientes han indicado que los aceros perlíticos se están
aproximando al límite de su desarrollo de propiedades del material
para carriles de las vías. Hay, por lo tanto, una necesidad de
evaluar tipos de acero alternativos que tengan buena resistencia al
desgaste y a la fatiga de contacto por laminación junto con niveles
mejorados de ductilidad, tenacidad y soldabilidad.
La patente europea 0.612.852A1 describe un
procedimiento para fabricar carriles de acero bainítico de alta
resistencia, con buena resistencia a la fatiga de contacto por
laminación en que la cabeza del carril, laminado en caliente, está
sujeta a un programa de enfriamiento discontinuo que implica
enfriamiento acelerado desde la región austenítica a una
temperatura de detención del enfriamiento de 500 a 300ºC, a una
velocidad de 1º a 10ºC por segundo y después enfriamiento de la
cabeza del carril, además, a una zona de temperatura aún inferior.
El acero bainítico a partir del que se producen los carriles no es
sin carburo. Se encontró que los carriles producidos por este
procedimiento se desgastaban más fácilmente que los carriles
perlíticos convencionales y presentaban una resistencia mejorada a
la fatiga de contacto por laminación. Por lo tanto, el aumento en
la velocidad de desgaste presentada por las superficies de la
cabeza de estos carriles aseguraba que se borrara el daño por fatiga
acumulado, antes de que tuvieran lugar las imperfecciones. Las
propiedades físicas presentadas por estos carriles se consiguen en
parte por el régimen de enfriamiento acelerado referido
anteriormente.
La solución propuesta por la patente europea
0.612.852A1 difiere considerablemente del método de la presente
invención, que consigue en aceros para carriles resistencia al
desgaste sustancialmente exaltada con excelente resistencia a la
fatiga de contacto por laminación. Estos aceros también muestran
tenacidad al impacto y ductilidad mejoradas en comparación con los
carriles perlíticos. El método de la presente invención también
evita la necesidad de un régimen de enfriamiento discontinuo,
complicado, como se especifica en la patente europea
0.612.852A1.
Otros documentos similares que especifican
complicados regímenes de enfriamiento discontinuo incluyen: la
patente británica 2.132.225, la patente británica 207.144, la
patente británica 1.450.355, la patente británica 1.417.330, la
patente de EE.UU. 5.108.518 y la patente europea 0.033.600.
La patente alemana B-2.302.865
describe un método para fabricar carriles a partir de un acero que
contiene: 0,28-0,35% de C; 0,2-1,5%
de Si; 0,5-3,5% de Mn; 1,25-4% de
Cr; 2,75-4,5% de Mn + Cr, opcionalmente
0,02-0,4% de Mo; 0,02-0,4% de V;
0,001-0,01% de B, Fe de equilibrio, en el que el
acero se enfría desde su temperatura de laminación y después se
retira.
Se han propuesto previamente carriles de las vías
producidos a partir de aceros bainíticos que contienen carburo de
hierro. Mientras el tamaño de listón de ferrita fino (\sim
0,2-0,8 \mum de ancho) y la alta densidad de
dislocaciones de bainita enfriada continuamente, se combina para
fabricar los aceros muy fuertes, la presencia en la microestructura
de carburos entre los listones y dentro de los listones, conduce a
fragilización aumentada que ha tendido en una gran extensión a
impedir la explotación comercial de tales aceros.
Se sabe que se puede mitigar en gran medida el
problema de la fragilización que tiene lugar debido a la presencia
de carburos perjudiciales, empleando adiciones relativamente
grandes de silicio y/o aluminio (\sim 1-2%) a
aceros de baja aleación. La presencia de silicio y/o aluminio en
aceros transformados continuamente en bainita estimula la retención
de regiones austeníticas de alto contenido en carbono, dúctiles,
más que la formación de películas de cementita dentro de los
listones, frágiles, y depende de la premisa de que la austenita
retenida, dispersada, debería ser estable tanto térmicamente como
mecánicamente. Se ha mostrado que la austenita retenida que sigue
transformación por enfriamiento continuo, en el intervalo de
temperatura bainítico, tiene lugar bien como películas entre los
listones, delgadas, finamente divididas, o en la forma de regiones
inter-paquete "en bloques". Mientras la
morfología de la película delgada presenta estabilidad térmica y
mecánica extremadamente alta, el tipo bloques puede transformar a
martensita de alto contenido en carbono, menos conducente a buena
tenacidad a la fractura. Se requiere una relación de película
delgada a morfología de bloques >0,9 para asegurar buena
tenacidad, y esto se puede conseguir por una elección cuidadosa de
la composición del acero y el tratamiento por calor. Esto da como
resultado una microestructura de tipo "bainita superior",
esencialmente sin carburo, a base de ferrita bainítica, austenita
residual y martensita de alto contenido en carbono.
Es un objeto de la presente invención
proporcionar carriles de acero bainítico sin carburo, con
intervalos de dureza sustancialmente exaltados, y que presenten
claras ventajas sobre carriles de acero de las vías conocidos.
Se describen aceros de carriles bainíticos sin
carburo en el libro de Bhordeshior "Bainite in steels", 1.992,
The Institute of Materials (Gran Bretaña), pág. 385.
De acuerdo con la presente invención se
proporciona un método para producir un carril de acero bainítico
sin carburo, resistente al desgaste y a la fatiga de contacto por
laminación, comprendiendo el método las etapas de laminación en
caliente para conformar un acero cuya composición en peso incluye:
de 0,05 a 0,50% de carbono, de 1,00 a 3,00% de silicio y/o
aluminio, de 0,50 a 2,50% de manganeso, de 0,25 a 2,50% de cromo,
de 0 a 3,00% de níquel, de 0 a 0,025% de azufre, de 0 a 1,00% de
tungsteno, de 0 a 1,00% de molibdeno, de 0 a 3% de cobre, de 0 a
0,10% de titanio, de 0 a 0,50% de vanadio y de 0 a 0,005% de boro,
hierro de equilibrio e impurezas sin importancia y enfriando
continuamente el carril desde su temperatura de laminación a
temperatura normal, de forma natural al aire, para producir el
carril de acero bainítico sin carburo, resistente al desgaste y a
la fatiga de contacto por laminación, requerido.
El contenido de carbono de las composiciones de
acero preferidas puede ser de 0,10 a 0,35% en peso. El contenido de
silicio puede ser de 1,00 a 2,50% en peso. También el contenido de
manganeso puede ser de 1,00% a 2,50% en peso, el contenido de cromo
puede ser entre 0,35 y 2,25% en peso y el contenido de molibdeno
puede ser de 0,15 a 0,60% en peso.
Los carriles de acero de acuerdo con la invención
presentan niveles mejorados de resistencia a la fatiga de contacto
por laminación, ductilidad, vida en condiciones de fatiga por
flexión y tenacidad a la fractura, junto con resistencia al
desgaste por contacto por laminación similar a, o mejor que, la de
los carriles perlíticos tratados por calor actuales.
En ciertas circunstancias se considera ventajoso
que un carril posea una velocidad de desgaste adecuadamente alta
para permitir que se borre continuamente el daño por fatiga de
contacto por laminación, acumulado sobre la superficie de la cabeza
del carril. Una manera obvia de aumentar la velocidad de desgaste
de un carril es por disminución de su dureza. Una reducción
significativa de la dureza del carril, sin embargo, causa que tenga
lugar una seria deformación plástica sobre la superficie de la
cabeza del carril, que en sí misma no es deseable.
La solución novedosa a este problema se
encuentra, por lo tanto, en ser capaz de producir un carril de
dureza/resistencia suficientemente alta para resistir la
deformación plástica excesiva en servicio, manteniéndose de ese modo
la conformación deseada del carril, poseyendo aún una velocidad de
desgaste razonablemente alta para retirar daño por fatiga de
contacto por laminación, continuo. Esto se ha conseguido en la
presente invención por la introducción deliberada en una
microestructura bainítica sin carburo, de una pequeña proporción de
ferrita proeutectoide blanda, por un ajuste apropiado a la
composición del acero.
Una ventaja del procedimiento de los carriles de
acero bainítico enfriados al aire natural, de acuerdo con la
invención, sobre los carriles de acero perlítico de alta
resistencia, actuales, se encuentra en la eliminación de operaciones
de tratamiento por calor durante, tanto la producción del carril
como su posterior unión por soldadura.
La invención se describirá ahora por medio de
ejemplo sólo con referencia a los dibujos del diagrama que se
adjuntan, en que:
La Figura 1 ilustra un perfil de dureza de un
carril de acero bainítico sin carburo de hierro de acuerdo con la
invención;
La Figura 2 es un diagrama CCT esquemático para
un carril de acero bainítico sin carburo de acuerdo con la
invención;
La Figura 3 es una micrografía de barrido
electrónico para un carril de acero bainítico sin carburo de
acuerdo con la invención;
La Figura 4 muestra curvas de transición por
impacto de entalla Charpy en V para carril de acero bainítico sin
carburo de hierro, bruto de laminación, de acuerdo con la
invención, comparadas con curvas similares para acero perlítico
tratado por calor, de carbón homogéneo, usado en la actualidad en
las vías del ferrocarril;
La Figura 5 es un gráfico de velocidad de
desgaste por contacto en laminación, de laboratorio, frente a la
dureza de muestras de acero producidas a partir de aceros
bainíticos sin carburo de acuerdo con la invención;
La Figura 6 ilustra tiempos de desgaste por
abrasión de carriles de acero bainítico sin carburo, de acuerdo con
la invención y materiales resistentes al desgaste comercialmente
disponibles frente a material abrasivo de cuarzo redondeado;
La Figura 7 es un gráfico que muestra un perfil
de dureza de placa de acero bainítico sin carburo, soldado a tope
por chispa, de acuerdo con la invención; y
La Figura 8 es una curva de templabilidad de
Jominy para carril de acero bainítico sin carburo, bruto de
laminación, de acuerdo con la invención.
Un objetivo principal de la presente invención es
proporcionar una microestructura resistente al desgaste y a la
fatiga de contacto en laminación, de alta resistencia, que
comprenda "bainita" sin carburo con algo de martensita de alto
contenido en carbono y austenita retenida en la cabeza del carril.
En la práctica, se ha encontrado que también está presente esta
microestructura de alta resistencia en las regiones tanto del alma
como del patín del carril, del carril bruto de laminación y
enfriado. Un perfil de dureza Brinell (DB) típico, para una sección
de carril de 56,05 kg/m (113 lb/yd), se muestra en la Figura 1.
Las regiones de la cabeza, alma y patín, de alta
resistencia, del carril, proporcionan buena realización de contacto
en laminación y fatiga por flexión durante el servicio en la
vía.
Este y otros objetivos deseados se consiguen por
selección cuidadosa de la composición del acero y por enfriamiento
continuo del carril de acero en el aire después de laminación en
caliente a temperatura normal.
Los intervalos de composición para aceros de
acuerdo con esta invención se disponen en la Tabla A a
continuación.
| Elemento | Intervalo de Composición (% en peso) |
| Carbono | 0,05 a 0,50 |
| Aluminio/Silicio | 1,0 a 3,0 |
| Manganeso | 0,5 a 2,5 |
| Níquel/Cobre | hasta 3,0 |
| Cromo | 0,25 a 2,5 |
| Tungsteno | hasta 1,0 |
| Molibdeno | hasta 1,00 |
| Titanio | hasta 0,10 |
| Vanadio | hasta 0,50 |
| Boro | hasta 0,0050 |
| Equilibrio | Hierro e Impurezas sin Importancia |
Dentro de los intervalos, se pueden hacer
variaciones dependiendo de, entre otras cosas, la dureza,
ductilidad, etc., requeridas. Todos los aceros son, sin embargo,
esencialmente bainíticos por naturaleza y son sin carburo. Por lo
tanto, el contenido de carbono preferido puede caer dentro del
intervalo de 0,10 a 0,35% en peso. También, el contenido de silicio
puede ser de 1 a 2,5% en peso, el contenido de manganeso de 1 a
2,5% en peso, el contenido de cromo de 0,35 a 2,25% en peso y el
contenido de molibdeno de 0,15 a 0,60% en peso.
Los carriles de acero de acuerdo con la
invención, en general, presentan valores de dureza de, entre 390 y
500 Hv30, aunque también es posible producir aceros con niveles de
dureza más bajos.
La Figura 2 muestra un diagrama CTT esquemático
en general. La adición de boro sirve para retardar la
transformación a ferrita, de manera que durante el enfriamiento
continuo, se forma bainita durante un amplio intervalo de
velocidades de enfriamiento. Además, la curva de bainita tiene una
parte de arriba plana a fin de que la temperatura de transformación
sea virtualmente constante durante un amplio intervalo de
velocidades de enfriamiento, dando como resultado sólo pequeñas
variaciones en la resistencia a través de secciones enfriadas,
enfriadas al aire, relativamente grandes.
Los aceros enunciados en la Tabla A se laminaron
a placas de 30 mm de espesor (las velocidades de enfriamiento de
placa de 30 mm de espesor están próximas a las del centro de una
cabeza de carril), de lingotes cuadrados de \sim125 mm y
enfriados al aire normal desde una temperatura de laminación final
de \sim1.000ºC a temperatura normal. Las microestructuras de
bruto de laminación desarrolladas de ese modo, comprenden
esencialmente una mezcla de bainita sin carburo, austenita retenida
con proporciones variables de martensita de alto contenido en
carbono, como se ilustra en la Figura 3.
Una comparación del intervalo de propiedades
mecánicas conseguido en las placas de acero bainítico,
experimentales, de 30 mm de espesor, de bruto de laminación, con
las obtenidas típicamente para carriles (MHT, por sus siglas en
inglés) tratados por calor en el laminador, producidos en la
actualidad, se da a continuación:
\newpage
| Tipo de | 0,2% PS | TS (N/mm^{2}) | E1 | Rof A | HV3,0 | CVN (J) | K_{1c} a -20ºC | Velocidad |
| carril | (N/mm^{2}) | (%) | (%) | a 20ºC | Mpcm^{1/2} | de Desgaste, | ||
| mg/m por | ||||||||
| Deslizamiento | ||||||||
| (tensión de | ||||||||
| contacto 750 | ||||||||
| N/mm^{2}) | ||||||||
| MHT | 800-900 | 1.150-1.300 | 9-13 | 20-25 | 360-400 | 3-5 | 30-40 | 20-30 |
| bainítico | 730-1.230 | 1.250-1.600 | 14-17 | 40-55 | 400-500 | 20-39 | 45-60 | 3-36 |
Las propiedades de las placas de acero bainítico,
de 30 mm de espesor, de bruto de laminación, representan un aumento
significativo en los niveles de resistencia y dureza comparado con
los del carril perlítico tratado por calor, acompañado por una
mejora en el nivel de energía absorbida por impacto Charpy de 4 a
típicamente 35 J, a 20ºC. Las curvas de transición por impacto de
entalla Charpy en V para dos de las composiciones de acero de
carril bainítico de bruto de laminación, (0,22% de C; 2% de Cr;
0,5% de Mo; sin B y 0,24% de C; 0,5% de Cr; 0,5% de Mo y 0,0025% de
B) junto con un carril perlítico, tratado por calor en el
laminador, de carbón homogéneo, se muestran en la Figura 4. También
se puede ver que los dos aceros de carriles bainíticos retienen
alta tenacidad al impacto por debajo de temperaturas tan bajas como
-60ºC.
Se estableció que la realización de desgaste por
contacto en laminación, de laboratorio, de las placas de acero
bainítico, de 30 mm de espesor, de bruto de laminación, bajo una
tensión de contacto de 750 N/mm^{2}, era significativamente mejor
que la de los carriles tratados por calor, perlíticos, actuales,
como se ilustra gráficamente en la Figura 5.
Los ensayos llevados a cabo en relación con
carriles de acero de acuerdo con la invención, también han mostrado
las composiciones de los aceros bainíticos para ofrecer una alta
resistencia al desgaste bajo condiciones abrasivas, con tiempos de
desgaste relativos de alrededor de 5,0 en comparación con un patrón
de acero suave, frente a un agregado de cuarzo redondeado. La
Figura 6 muestra que estos valores de tiempos de desgaste son
superiores a los de muchos materiales resistentes al desgaste
comercialmente disponibles, incluyendo Abrazo 450 y un acero
martensítico de Cr al 13%.
Se ha encontrado que la tenacidad a la fractura
(resistencia a la propagación de una grieta
pre-existente) de las placas de acero bainítico, de
30 mm de espesor, de bruto de laminación, es significativamente
superior a, entre 45 y 60 MPam^{1/2} en comparación con la de los
carriles perlíticos tratados por calor, con valores típicos en el
intervalo de 30-40 MPam^{1/2}.
Se encontró que las placas de acero de 30 mm de
espesor, de bruto de laminación, eran fácilmente soldables a tope
por chispa, con niveles de dureza en las regiones HAZ de soldadura,
críticas, de placas soldadas a tope por chispa, enfriadas al aire
normal, bien igualando o ligeramente superiores a las del material
de la placa principal, como se muestra en la Figura 7.
Las placas de acero bainítico experimentales, de
30 mm de espesor, de bruto de laminación, poseían altas
templabilidades, como se ilustra en la Figura 8, con niveles de
dureza casi constantes que se están desarrollando a distancias de,
entre 1,5 y 50 mm desde el extremo enfriado rápidamente, que
corresponde a velocidades de enfriamiento a 700ºC de, entre 225 y
2% de ºC/s.
Claims (4)
1. Un método para producir un carril de acero
bainítico sin carburo, resistente al desgaste y a la fatiga de
contacto en laminación, comprendiendo el método las etapas de
laminación en caliente para conformar un acero cuya composición en
peso incluye: de 0,05 a 0,50% de carbono, de 1,00 a 3,00% de silicio
y/o aluminio, de 0,50 a 2,50% de manganeso, de 0,25 a 2,50% de
cromo, de 0 a 3,00% de níquel, de 0 a 0,025% de azufre, de 0 a
1,00% de tungsteno, de 0 a 1,00% de molibdeno, de 0 a 3% de cobre,
de 0 a 0,10% de titanio, de 0 a 0,50% de vanadio y de 0 a 0,005% de
boro, hierro de equilibrio e impurezas sin importancia, y
enfriamiento de manera continua del carril, desde su temperatura de
laminación a temperatura normal, al aire de forma natural, para
producir el carril de acero bainítico sin carburo, resistente al
desgaste y a la fatiga de contacto en laminación, requerido.
2. Un método según se reivindica en la
reivindicación 1, en el que el contenido de carbono del carril es
de 0,10 a 0,35% en peso.
3. Un método según se reivindica en la
reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el contenido de
silicio es de 1,00 a 2,50% en peso.
4. Un método según se reivindica en una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el
contenido de manganeso es de 1,00% a 2,50% en peso, el contenido de
cromo está entre 0,35 y 2,25% en peso y el contenido de molibdeno
es de 0,15 a 0,60% en peso.
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