ES2276047T3 - Uso de una aleacion de acero como material de tubos para la fabricacion de recipientes para gas a presion o como material para la fabricacion de piezas moldeadas en estructuras ligeras de acero. - Google Patents

Abstract

Uso de una aleación de acero, compuesta en partes porcentuales en masa por 0, 09-0, 13% de carbono, 0, 10-0, 50% de silicio, 1, 10-1, 80% de manganeso, máx. 0, 02% de fósforo, máx. 0, 02% de azufre, 1, 00-2, 00% de cromo, 0, 20-0, 60% de molibdeno, 0, 02-0, 08% de aluminio, 0, 10-0, 25% de vanadio, y máx. 0, 2% de cobre máx. 0, 7% de níquel y hierro, así como las impurezas habituales como residuo, como material de tubos endurecidos al aire, bajo gas protector, utilizados para la fabricación de recipientes para gas a presión, o como material para la fabricación de piezas moldeadas que se utilizan en construcciones ligeras de acero.

Description

Uso de una aleación de acero como material de tubos para la fabricación de recipientes para gas a presión o como material para la fabricación de piezas moldeadas en estructuras ligeras de acero.

La invención se refiere al uso de una aleación de acero como material para tubos para la fabricación de recipientes para gas a presión, o como material para la fabricación de piezas moldeadas que se utilizan en estructuras ligeras de acero.

Los recipientes para gas a presión se fabrican, normalmente, de acero al carbono tal como, por ejemplo, St 52-3 o STE 480, en estado normalizado. Si, además del requisito de altura barométrica, existe la exigencia de ahorro de peso, se utilizan aceros para temple y revenido, endurecidos por líquidos, tales como, por ejemplo, SAE 1513.

En el curso del acabado de los recipientes para gas a presión se conforman en caliente habitualmente secciones de tubo, mediante lo que se generan los cuellos de los recipientes para gas a presión y sus suelos. A continuación, se cierran los centros de los suelos.

De acuerdo con el estado de la técnica, adicionalmente, los recipientes para gas a presión se equipan con suelos unidos por soldadura.

Independientemente de su fabricación, los recipientes para gas a presión se mejoran con aceite o agua, se tratan con chorro de arena y, por último, se someten a un examen de presión.

Los procedimientos anteriormente descritos tienen como consecuencia que con el tratamiento de mejoramiento con aceite o agua, se oxidan los interiores del recipiente para gas a presión. Como resultado, el óxido se debe eliminar por chorro de arena en un procedimiento de trabajo comparativamente costoso. Adicionalmente, se deben señalar los efectos perjudiciales para la salud de una refrigeración por aceite. Además, en el endurecimiento por líquidos, y a causa de la forma geométrica del recipiente para gas a presión (cuerpo hueco), se debe contar con una dispersión relativamente elevada de los valores de endurecimiento.

Por el documento DE 195 33 229 C1 se conoce el uso de una aleación de acero como material de recipientes para gas a presión mejorados por aire bajo un gas protector.

En esta aleación de acero, que contiene como elemento de aleación níquel, con un elevado coste, el mejoramiento por aire sólo se puede llevar a cabo tras la fabricación del recipiente para gas a presión. Para ello es recomendable revenir los recipientes para gas a presión, después de su endurecimiento al aire, en una etapa de trabajo adicional, para alcanzar la resistencia necesaria. Esta etapa de revenido está asociada con la formación de hollín en la superficie, que se opone al requisito de una superficie limpia.

Un inconveniente considerable adicional es que, como consecuencia del elevado contenido en carbono, este material no es apropiado para el procedimiento de soldadura rápida necesario para incrementar la rentabilidad en la fabricación de recipientes para gas a presión, tales como la soldadura activa de metal con gas mixto (MAG), o la soldadura por rayo láser, dado que existe el riesgo de producir grietas.

También pertenece al estado de la técnica un acero de grano fino, susceptible de mejoramiento con agua, con una resistencia a la tracción Rm de 1400 N/mm^{2}, un límite de fluencia Rp0,2 de 1100 N/mm^{2}, y un alargamiento a la rotura A5 de 8%. El acero de grano fino de este tipo se utiliza frecuentemente en las estructuras ligeras de acero, en especial en la construcción de vehículos, para la fabricación de piezas moldeadas. En este material de acero resulta problemático el hecho de que solamente se le puede mejorar con agua o por mecanización. Generalmente, es un procedimiento costoso. Sin mejoramiento, este material de acero carece, sin embargo, de resistencia suficiente. Pero con el mejoramiento, se produce el problema de la oxidación. Ésta se puede eliminar solamente mediante un procedimiento de decapado comparativamente prolongado. El proceso de decapado da lugar nuevamente a fragilidad por hidrógeno. Adicionalmente, se verifica una intensa pérdida de resistencia en las zonas de influencia térmica formadas por el cordón de soldadura, cuando las piezas moldeadas mejoradas se unen entre sí por soldadura. De hecho, es concebible también un mejoramiento completo de una pieza moldeada compuesta por múltiples piezas individuales. En este caso, sin embargo, se producen dificultades debidas al estiraje, normalmente inevitable, de la pieza moldeada completa. Por último, se comprueba también en el material de acero conocido una pérdida bastante considerable de resistencia, causada por una galvanización a temperatura alta, tal como una galvanización al fuego. Sin embargo, precisamente se debe aspirar a una galvanización de este tipo en las piezas moldeadas para la construcción de vehículos, como protección contra la corrosión con un grosor de capa
reducido.

En el caso de un acero de doble fase, con una resistencia a la tracción Rm de 600 N/mm^{2}, un límite de fluencia Rp0,2 de 400 N/mm^{2} y un alargamiento a la rotura A5 de 20%, la resistencia básica es excesivamente baja. Incrementos de resistencia se logran, de hecho, mediante grados de deformación más altos que, sin embargo, no están previstos en una serie de piezas moldeadas. Tampoco con este material de acero es posible evitar considerables alteraciones estructurales con la galvanización a temperaturas elevadas.

Con el material de acero conocido como TRIP (acero de múltiples fases), con una resistencia a la tracción Rm de 700 N/mm^{2}, un límite de fluencia Rp0,2 de 480 N/mm^{2}, y un alargamiento a la rotura A5 de 24%, la resistencia básica también es excesivamente baja. Al igual que en el caso del acero de doble fase, se logra un incremento de la resistencia mediante grados de deformación más altos que, sin embargo, son indeseables en diversas piezas moldeadas, especialmente en la construcción de vehículos. Cabe esperar un volumen considerable de alteraciones estructurales con la galvanización a temperaturas elevadas. Adicionalmente, con este material de acero el gradiente de resistencia es crítico en los cordones de soldadura y en las zonas de influencia térmica.

Por último, en el estado de la técnica se utiliza acero fino, con una resistencia a la tracción Rm de 800 N/mm^{2}, un límite de fluencia Rp0,2 de 370 N/mm^{2}, y un alargamiento a la rotura A5 de 53%. Sin embargo, el uso de acero fino representa un coste de material muy alto frente a resistencias básicas bajas. Adicionalmente, también en el acero fino se obtienen incrementos de resistencia sólo mediante incrementos de deformación, que no siempre son factibles en los componentes de la construcción de vehículos.

Se conocen también otras composiciones de acero para diferentes campos de aplicación por los documentos EP 1 143 022 A1, EP 1 041 167 A1, y EP 1 052 301 A1.

La invención tiene como misión, a partir del estado de la técnica, extender, por una parte, el campo de aplicación del material de acero conocido para estructuras ligeras de acero, de forma tal que se puedan fabricar piezas moldeadas de paredes delgadas o piezas de soldadura, de alta resistencia y una elevada resistencia a la rotura y, por otra parte, que se puedan fabricar, de manera más sencilla y económica, recipientes para gas a presión, en especial botellas para gas a presión, con un coste reducido de material, sin la necesidad de un tratamiento térmico después del proceso de fabricación y tras la soldadura.

Esta misión se resuelve por medio de las características señaladas en la reivindicación 1.

El uso de un acero caracterizado en la citada reivindicación 1 tiene, en relación con la fabricación de recipientes para gas a presión, en primer lugar, la ventaja de que el tratamiento térmico final se lleva a cabo en el transcurso de la fabricación del tubo, y se puede prescindir del revenido. Se obtiene un tubo limpio y libre de hollín. De esta forma, se rebaja el coste de fabricación.

Debido a la renuncia al níquel, como costoso elemento de aleación, y a la reducción del contenido en cromo, se obtiene la ventaja adicional de que el acero se puede poner a disposición a un precio esencialmente más favora-
ble.

La aleación de acero según la invención es apropiada para procedimientos de soldadura rápida tales como MAG o soldadura por rayo láser, y contribuye, por lo tanto, en grado considerable a una reducción de costes en la fabricación de recipientes para gas a presión.

Los ensayos de soldadura con el tipo de soldadura MAGM han demostrado que, en la zona del cordón de soldadura, existe una dureza menor y que tiene lugar un endurecimiento en la transición a material básico, así como de la zona de influencia térmica. El muy favorable incremento de dureza en la zona de influencia térmica se atribuye al endurecimiento por precipitación que se produce en este punto. Debido al endurecimiento por precipitación, los tubos se agrietan en el ensayo de tracción en el material básico y no en la zona del cordón de soldadura. El cordón de soldadura tiene, de hecho, una dureza menor, cuya característica particular se compensa, sin embargo, por la mayor sección transversal. No existe riesgo de que se formen grietas. Después de la soldadura no se requiere ningún tratamiento térmico adicional (recocido de eliminación de tensiones).

Con el acero según la invención se pueden ajustar resistencias a la tracción Rm \geq 950 N/mm^{2} y límites de fluencia Rp0,2 \geq 700 N/mm^{2}, con un alargamiento a la rotura A5 \geq 14%.

Ensayos internos han demostrado que el acero según la invención posee el valor de resiliencia exigido según la norma ISO V a -40ºC \geq 35 Julios/cm^{2}.

A causa de la consecución de los valores de resistencia y límite de fluencia elevados y uniformes, así como el valor de resiliencia sólo a través del endurecimiento al aire de los tubos, se obtiene, en el marco de la invención, la ventaja importante de que el ahorro de costes logrado de esta forma alcanza un significado especial cuando el recipiente para gas a presión se fabrica a gran escala, por ejemplo, como recipiente de reacción para sistemas de bolsas de aire (air-bags), como recipientes para extintores de fuego o botellas para gas a presión en sistemas automáticos de preparación de bebidas.

En la fabricación de un recipiente para gas a presión a partir de un tubo de acero de precisión sin soldadura, con un análisis según la invención, el tubo de partida sin soldadura y laminado en caliente se somete, en primer lugar, a un reblandecimiento y, a continuación, se decapa, fosfata y se enjabona. Después de tenderlo a continuación, tiene lugar el endurecimiento al aire a 950ºC \pm 15ºC en un horno de paso continuo, bajo gas protector. Seguidamente, se evalúa el tubo de acero de precisión y se le somete a un examen, en especial a un examen por ultrasonidos y/o de corriente de Foucault.

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Después del subsiguiente tronzado, se fabrican por conformación, a partir de cada sección tronzada del tubo, primero el suelo y el cuello de un recipiente a presión. Seguidamente, tiene lugar el acabado del recipiente para gas a presión.

En una variante adicional del acabado, se consigue cada recipiente para gas a presión mediante la soldadura de un suelo.

En lugar de un tubo de partida sin soldadura se puede utilizar también un tubo de partida soldado longitudinalmente.

El uso según la invención resulta, además, conveniente para piezas moldeadas de construcción que se utilizan en estructuras ligeras de acero, en especial de piezas importantes en caso de colisión para vehículos tales como cajones de choque, barras antivuelco, elementos de choque laterales, o refuerzos de columna, en las cuales, además de una determinada resistencia, se requiere también una cierta flexibilidad (reserva de deformación plástica), para poder transformar la energía del choque. Los aceros altamente resistentes tienen el inconveniente de que sólo se pueden moldear de manera limitada para producir piezas de construcción y que, en caso de choque, su deformación plástica de relativamente escasa.

Un acondicionamiento conveniente del concepto básico de esta invención, en relación con la fabricación de recipientes para gas a presión consiste en las características de la reivindicación 2, especialmente cuando los grosores de pared del recipiente para gas a presión son de al menos 2 mm.

Asimismo, cuando en la aplicación práctica el objetivo es evitar o reducir al mínimo el contenido en níquel en la aleación de acero para estructuras ligeras de acero, la aleación de acero utilizada puede contener básicamente bajas fracciones de níquel de hasta 0,20% como máximo. Este valor es consecuencia del uso de chatarra de acero en la fundición de la aleación de acero. Lo mismo es válido para el cobre, que aparece como consecuencia de la utilización de chatarra y que, sin embargo, se debe limitar a un máximo de 0,20% en peso.

Cuando los grosores de pared del recipiente para gas a presión son menores que 2 mm, se aplican, preferentemente, las características de la reivindicación 3.

Usos convenientes adicionales para la fabricación de piezas moldeadas en construcciones ligeras de acero se consideran en las características de las reivindicaciones 4 y 5.

En general, la adaptación apropiada de los elementos de la aleación de la aleación de acero conduce a propiedades selectivas, tales como

a)

Ajuste máximo de la resistencia dinámica, como resultado de una estructura básica bainítica más estable en estado endurecido y mejorado al aire,

b)

máxima resistencia estática frente a una dilatación simultáneamente adecuada,

c)

resistencia al revenido para zonas de influencia térmica de resistencia estable en compuestos soldados.

No obstante, una realización adicional especialmente interesante consiste en las características de la reivindicación 6.

Un punto esencial es que ahora una galvanización a una temperatura elevada de aprox. 600ºC no ejerce ninguna influencia negativa sobre la resistencia del material de acero, mejorado o endurecido al aire, utilizado según la invención para la fabricación de piezas moldeadas que se utilizan en estructuras ligeras de acero. Por el contrario, la influencia de la galvanización a temperaturas elevadas es positiva en piezas endurecidas al aire, ya que mediante el aporte de temperatura, estas piezas pasan al estado mejorado por aire, que se distingue por una mayor resistencia a la rotura. Adicionalmente, la galvanización a temperatura elevada aplicada a cada pieza moldeada se puede proveer con un grosor de capa reducido de cinc de alrededor de 20 \mum, al objeto de ofrecer una protección suficiente contra la corrosión a largo plazo con un reducido peso de cinc. Por consiguiente, la invención resulta especialmente interesante para la construc-
ción ligera, tal como se ha señalado repetidamente, de piezas moldeadas, sobre todo en la construcción de vehículos.

El uso del material de acero para la fabricación de piezas moldeadas, especialmente de paredes delgadas, en estructuras ligeras de acero conduce a una mayor resistencia básica, junto con un alargamiento a la rotura aceptable. El endurecimiento en las zonas de influencia térmica asegura también una sólida resistencia de las uniones por soldadura. La galvanización a temperatura elevada garantiza, igualmente, un reducido peso de cinc gracias a escasos grosores de capa, con una suficiente protección contra la corrosión.

Esta variante según la invención es especialmente ventajosa para la fabricación de piezas moldeadas que se utilizan en estructuras ligeras de acero, precisamente en la construcción de vehículos, preferentemente para piezas de los dispositivos de traslación tales como la barra de guía o el soporte de ejes. En estas piezas, ocupan una posición fundamental los criterios de estructura ligera y protección contra la corrosión bajo condiciones extremas, así como la resistencia a la rotura bajo solicitación dinámica. En este contexto, soluciones alternativas, tal vez igualmente valiosas, realizadas en aluminio, se asocian con considerables costes adicionales en comparación con las soluciones propuestas según la invención.

Claims (6)

1. Uso de una aleación de acero, compuesta en partes porcentuales en masa por

0,09-0,13% de carbono,

0,10-0,50% de silicio,

1,10-1,80% de manganeso,

máx. 0,02% de fósforo,

máx. 0,02% de azufre,

1,00-2,00% de cromo,

0,20-0,60% de molibdeno,

0,02-0,08% de aluminio,

0,10-0,25% de vanadio,

y

máx. 0,2% de cobre

máx. 0,7% de níquel

y hierro, así como las impurezas habituales como residuo, como material de tubos endurecidos al aire, bajo gas protector, utilizados para la fabricación de recipientes para gas a presión, o como material para la fabricación de piezas moldeadas que se utilizan en construcciones ligeras de acero.

2. Uso de una aleación de acero según la reivindicación 1 como material de tubos endurecidos al aire, bajo gas protector, utilizados para la fabricación de recipientes para gas a presión, en donde la aleación de acero está compuesta en partes porcentuales en masa por

0,09-0,12% de carbono,

0,15-0,30% de silicio,

1,45-1,60% de manganeso,

máx. 0,015% de fósforo,

máx. 0,011% de azufre,

1,25-1,50% de cromo,

0,40-0,60% de molibdeno,

0,02-0,06% de aluminio,

0,12-0,20% de vanadio,

y

máx. 0,20% de cobre,

máx. 0,70% de níquel

y hierro, así como las impurezas habituales como residuo.

3. Uso de una aleación de acero según la reivindicación 2, con un contenido en níquel de 0,2% como máximo.

4. Uso de una aleación de acero según la reivindicación 1, como material para la fabricación de piezas moldeadas que se utilizan en estructuras ligeras de acero que, en estado mejorado al aire, tienen una resistencia a la tracción de Rm de >850 N/mm^{2}, un límite de fluencia Rp0,2 de >700 N/mm^{2}, y un alargamiento a la rotura A5 de >15%, en donde la aleación de acero está compuesta, en partes porcentuales en masa, por

0,09-0,13% de carbono,

0,15-0,30% de silicio,

1,10-1,60% de manganeso,

máx. 0,015% de fósforo,

máx. 0,011% de azufre,

1,00-1,60% de cromo,

0,30-0,60% de molibdeno,

0,02-0,05% de aluminio,

0,12-0,25% de vanadio

y un resto de hierro e impurezas provocadas por el procedimiento de fundición.

5. Uso de un material de acero según la reivindicación 4 como material para la fabricación de piezas moldeadas que se utilizan en estructuras ligeras de acero que, en estado endurecido al aire, tienen una resistencia a la tracción Rm de >950 N/mm^{2}, un límite de fluencia Rp 0,2 de >700 N/mm^{2}, y un alargamiento a la rotura A5 de >14%.

6. Uso de un material de acero según la reivindicación 1 con los fines de la reivindicación 4 ó 5, con la condición de que las piezas moldeadas estén galvanizadas a temperatura elevada.