ES2291728T3 - Pieza de acero de construccion soldable y procedimiento de fabricacion. - Google Patents
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Abstract
Pieza de acero de construcción soldable, caracterizada porque su composición química comprende, en peso: 0, l0% <= C <= 0, 22% 0, 50% <= Si <= 1, 50% Al <= 0, 9% 0% <= Mn <= 3% 0% <= Ni <= 5% 0% <= Cr <= 4% 0% <= Cu <= 1% 0% <= Mo + W/2 <= 1, 5% 0, 0005% <= B <= 0, 010% N <= 0, 025% eventualmente al menos un elemento escogido entre V, Nb, Ta, S y Ca, en contenidos inferiores a 0, 3%, y/o entre Ti y Zr en contenidos inferiores o iguales a 0, 5%, el resto siendo hierro e impurezas resultantes de la elaboración, los contenidos en aluminio, en boro, en titanio y en nitrógeno, expresados en milésimas de %, de dicha composición satisfacen además la relación siguiente: con K = Min (I*; J*) I* = Max (0; I) y J* = Max (0; J) I = Min (N ; N-0, 29(Ti-5)) los contenidos en silicio y en aluminio de la composición verificando además las condiciones siguientes: si C > 0, 145, entonces Si + Al < 0, 95 y donde la estructura es bainítica, martensítica o martensito-bainítica y comprende además de 3 a 20% de austenita residual.
Description
Pieza de acero de construcción soldable y
procedimiento de fabricación.
La presente invención concierne a piezas de
acero de construcción soldables y su procedimiento de
fabricación.
Los aceros de construcción deben presentar un
cierto nivel de características mecánicas para estar adaptados al
uso que se desea hacer, y los mismos deben en particular presentar
una dureza elevada. Para esto, se utilizan aceros susceptibles de
ser templados, es decir para los cuales se puede obtener una
estructura martensítica o bainítica cuando se les enfría de manera
suficientemente rápida y eficaz. Se define así una velocidad crítica
bainítica, más allá de la cual se ob-
tiene una estructura bainítica, martensítica o martensito-bainítica en función de la velocidad de enfriamiento alcanzada.
tiene una estructura bainítica, martensítica o martensito-bainítica en función de la velocidad de enfriamiento alcanzada.
La aptitud al temple de esos aceros depende de
su contenido en elementos templables. Como regla general, mientras
mayor sea la cantidad presente de esos elementos más baja es la
velocidad crítica bainítica.
Más allá de sus características mecánicas, los
aceros de construcción deben igualmente presentar una buena
capacidad de soldadura. Ahora bien, cuando se suelda una pieza de
acero, la zona de soldadura, también llamada Zona Afectada
Térmicamente o ZAT, es sometida a una temperatura muy alta durante
un tiempo breve, y luego a un enfriamiento brutal que le confiere a
esta zona una dureza elevada que puede conducir a fisuras y limitar
así la capacidad de soldadura del acero.
De forma clásica, la capacidad de soldadura de
un acero puede ser estimada con la ayuda del cálculo de su
"carbono equivalente" dado por la formula siguiente:
C_{eq} = (%C
+ %Mn/6 + (%Cr + (%Mo + %W/2) + %V)/5 +
%Ni/15)
En una primera aproximación, mientras más bajo
es su carbono equivalente mayor es la capacidad de soldadura del
acero. Se comprende entonces que la mejora de la capacidad de
temple, que pasa por un contenido más grande de elementos
templables, se hace en detrimento de la capacidad de soldadura.
Para mejorar la capacidad de temple de esos
aceros sin degradar su capacidad de soldadura, se han desarrollado
entonces tipos micro-aleados con boro, aprovechando
que, específicamente la eficacia de temple de este elemento
disminuye cuando la temperatura de austenización aumenta. De esta
forma la ZAT es menos templable de lo que sería en un tipo de
igual capacidad de temple sin boro, y se puede de esta forma
disminuir la capacidad de temple y la dureza de esta ZAT.
Sin embargo, como el efecto templable del boro
en la parte no soldada del acero tiende a saturar para contenidos
eficaces de 30 a 50 ppm, una mejora suplementaria de la capacidad de
temple del acero puede hacerse solamente adicionando elementos
templables cuya eficacia no dependa de la temperatura de
austenización lo que penaliza automáticamente la capacidad de
soldadura de esos aceros. Igualmente, la mejora de la capacidad de
soldadura pasa por la disminución de los contenidos en elementos
templables, que reducen automáticamente la capacidad de temple.
El objeto de la presente invención es remediar
este inconveniente proponiendo un acero de construcción que tiene
una capacidad de temple mejorada sin disminución de su capacidad de
soldadura.
A este efecto, la invención tiene como primer
objeto una pieza de acero de construcción soldable cuya composición
química comprende, en peso:
0,l0% \leq C \leq
0,22%
0,50% \leq Si \leq
1,50%
Al \leq
0,9%
0% \leq Mn \leq
3%
0% \leq Ni \leq
5%
0% \leq Cr \leq
4%
0% \leq Cu \leq
1%
0% \leq Mo + W/2 \leq
1,5%
0,0005% \leq B \leq
0,010%
N \leq
0,025%
eventualmente al menos un elemento
escogido entre V, Nb, Ta, S y Ca, en contenidos inferiores a 0,3%,
y/o entre Ti y Zr en contenidos inferiores o iguales a 0,5%, el
resto siendo hierro e impurezas resultantes de la elaboración, los
contenidos en aluminio, en boro, en titanio y en nitrógeno,
expresados en milésimas de %, de dicha composición satisfacen
además la relación
siguiente:
con
K = Min (I*; J*)
I* = Max (0; I) y
\hskip0.5cmJ* = Max (0; J)
I = Min (N;
N-0,29(Ti-5))
los contenidos en silicio y en
aluminio de la composición verificando además las condiciones
siguientes:
si C >
0,145,
\hskip0.5cmentonces
\hskip0.5cmSi + Al < 0,95
y donde la estructura es bainítica,
martensítica o martensito-bainítica y comprende
además de 3 a 20% de austenita residual, de preferencia de 5 a 20%
de austenita
residual.
En un modo de realización preferida, la
composición química del acero de la pieza según la invención
satisface además la relación:
(2)1,1 %Mn +
0,7%Ni + 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) \geq 1, de preferencia \geq
2
En otro modo de realización preferida, la
composición química del acero de la pieza según la invención
satisface además la relación:
%Cr + 3(%Mo +
%W/2) \geq 1,8, de preferencia \geq
2,0.
La invención tiene igualmente como segundo
objeto un procedimiento de fabricación de una pieza en acero
soldable según la invención, caracterizado porque:
- se somete a austenización la pieza por
calentamiento a una temperatura comprendida entre Ac_{3} y
1000ºC, de preferencia comprendida entre Ac_{3} y 950ºC, y luego
se enfría hasta una temperatura inferior o igual a 200ºC de tal
manera que, en el corazón de la pieza, la velocidad de enfriamiento
entre 800ºC y 500ºC sea superior o igual a la velocidad crítica
bainítica,
- eventualmente, se efectúa un revenido a una
temperatura inferior o igual a Ac_{1},
Entre 500ºC aproximadamente y la temperatura
ambiente y específicamente entre 500ºC y una temperatura inferior o
igual a 200ºC, la velocidad de enfriamiento puede ser eventualmente
disminuida, específicamente para favorecer un fenómeno de
auto-revenido y la retención de 3% a 20% de
austenita residual. De preferencia la velocidad de enfriamiento
entre 500ºC y una temperatura inferior o igual a 200ºC estará
entonces comprendida entre 0,07ºC/s y 5ºC/s; más preferentemente
entre 0,15ºC/s y 2,5ºC/s.
En un modo de realización preferido, se efectúa
un revenido a una temperatura inferior a 300ºC durante un tiempo
inferior a 10 horas, a la salida del enfriamiento hasta una
temperatura inferior o igual a 200ºC.
En otro modo de realización preferido, el
procedimiento según la invención no comprende revenido a la salida
del enfriamiento de la pieza hasta una temperatura inferior o igual
a 200ºC.
En otro modo de realización preferido, la pieza
sometida al procedimiento según la invención es una chapa de espesor
comprendido entre 3 y 150 mm.
\newpage
La invención tiene como tercer objeto un
procedimiento de fabricación de una chapa en acero soldable según
la invención, cuyo espesor está comprendido entre 3 mm y 150 mm, y
que está caracterizado porque se realiza un temple de dicha chapa,
la velocidad de enfriamiento V_{R} en el corazón de la chapa entre
800ºC y 500ºC, expresada en ºC/hora, y la composición del acero
siendo tal que:
1,1%Mn + 0,7%Ni
+ 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) + log V_{R} \geq
5,5,
y de preferencia \geq 6, log
siendo el logaritmo
decimal.
La presente invención está basada sobre el nuevo
testimonio de que la adición de silicio en los contenidos indicados
aquí permite aumentar el efecto templable del boro de 30 a 50%. Esta
sinergia interviene sin aumento de la cantidad de boro adicionado,
mientras que el silicio no presenta efecto templable específicamente
en ausencia de boro.
Por otra parte, la adición de silicio no afecta
la propiedad del boro de ver su capacidad de temple reducirse y
luego anularse con temperaturas de austenización crecientes, como es
el caso en la ZAT.
Se observa entonces que la utilización de
silicio en presencia de boro permite aumentar también la capacidad
de temple de la pieza sin alterar su capacidad de soldadura.
Por otra parte, se ha descubierto igualmente
que, gracias a la mejora de la capacidad de temple de esos tipos de
aceros, y garantizando un contenido mínimo en elementos carburígenos
que son, específicamente, el cromo, el molibdeno y el tungsteno, se
podrían fabricar esos aceros efectuando solamente un revenido a baja
temperatura, incluso suprimiéndolo.
En efecto, la mejora de la capacidad de temple
permite enfriar las piezas más lentamente, garantizando
completamente una estructura esencialmente bainítica, martensítica
o martensito-bainítica. Ese enfriamiento más lento
combinado con un contenido suficiente en elementos carburígenos
permite entonces la precipitación de finos carburos de cromo, de
molibdeno y/o de tungsteno por un fenómeno llamado de
auto-revenido. Ese fenómeno de
auto-revenido es, además, grandemente favorecido
por la disminución de la velocidad de enfriamiento por debajo de
500ºC. Igualmente esa disminución favorece también la retención de
austenita, preferentemente en una proporción comprendida entre 3% y
20%. Se simplifica por lo tanto el procedimiento de fabricación,
mejorando completamente las características mecánicas del acero,
que no sufre un apaciguamiento importante debido a un revenido a
alta temperatura, como se practica habitualmente. Sin embargo es
posible efectuar tal revenido a temperaturas usuales, es decir
inferiores o iguales a Ac_{1}.
La invención ahora va a ser descrita más en
detalle pero de forma no limitativa.
El acero de la pieza de la invención contiene,
en peso:
- más de 0,10% de carbono, para permitir obtener
una dureza suficiente, pero menos de 0,22% para obtener una
excelente capacidad de soldadura, una buena capacidad de corte, una
buena aptitud al plegado y una tenacidad satisfactoria;
- más de 0,50%, de preferencia más de 0,75%, y
de forma particularmente preferida más de 0,85% en peso, de silicio
para obtener la sinergia con el boro, pero menos de 1,5% en peso
para no fragilizar el acero;
- más de 0,0005%, de preferencia más de 0,001%
de boro para ajustar la capacidad de temple, pero menos de 0,010%
en peso para evitar un contenido más grande en nitruros de boro
nefastos para las características mecánicas del acero;
- menos de 0,025%, y de preferencia menos de
0,015% de nitrógeno, el contenido obtenido estando en función del
procedimiento de elaboración del acero,
- de 0% a 3% y, de preferencia de 0,3% a 1,8% de
manganeso, de 0% a 5% y, de preferencia de 0% a 2% de níquel, de 0%
a 4% de cromo, de 0 a 1% de cobre, la suma del contenido en
molibdeno y la mitad del contenido en tungsteno siendo inferior a
1,50% de forma de obtener una estructura principalmente bainítica,
martensítica o martensito- bainítica, el cromo, el molibdeno y el
tungsteno teniendo, además, la ventaja de permitir la formación de
carburos favorables a la resistencia mecánica y al desgaste como se
indicó precedentemente; además, la suma %Cr + 3(%Mo + %W/2) es de
preferencia superior a 1,8%, y de forma particularmente preferida
superior a 2,0%, a fin de poder eventualmente limitar el revenido a
300ºC, incluso de suprimirlo;
- eventualmente al menos un elemento escogido
entre V, Nb, Ta, S y Ca, en contenidos inferiores a 0,3%, y/o entre
Ti y Zr en contenidos inferiores o iguales a 0,5% y/o el aluminio a
un contenido inferior a 0,9%. La adición de V, Nb, Ta, Ti, Zr
permite obtener un endurecimiento por precipitación sin deteriorar
excesivamente la capacidad de soldadura. El titanio, el zirconio y
el aluminio pueden ser utilizados para fijar el nitrógeno presente
en el acero lo que protege el boro, el titanio pudiendo ser
remplazado todo o en parte por un peso doble de Zr. El azufre y el
calcio permiten mejorar la fabricación del tipo de acero. El
aluminio está limitado a 0,9% para evitar cualquier problema de
obstrucción de los conductos durante la colada.
- los contenidos en aluminio, en boro, en
titanio y en nitrógeno, expresados en milésimas de %, de dicha
composición satisfacen además la relación siguiente
con
K = Min (I*; J*)
I* = Max (0; I) y
\hskip0.5cmJ* = Max (0; J)
I = Min (N;
N-0,29(Ti-5))
con la condición suplementaria
que:
- si C > 0,145 (y de preferencia > 0,140),
entonces Si + Al < 0,95, y de preferencia < 0,90, a fin de
delimitar claramente la invención con relación a la solicitud
anterior EP 0 725 156,
- el resto siendo hierro e impurezas resultantes
de la elaboración.
Para fabricar una pieza soldable, se elabora un
acero conforme a la invención se cuela bajo la forma de un semi
producto que es entonces conformado por deformación plástica al
calor, por ejemplo por laminado o por forja. La pieza así obtenida
es entonces sometida a una austenización por calentamiento a una
temperatura por encima de Ac_{3} pero inferior a 1000ºC, y de
preferencia inferior a 950ºC, y luego enfriada hasta la temperatura
ambiente de manera que, en el corazón de la pieza, la velocidad de
enfriamiento entre 800ºC y 500ºC sea superior a la velocidad
crítica bainítica. Se limita la temperatura de austenización a
1000ºC, ya que más allá el efecto de templable del boro deviene
demasiado bajo.
Sin embargo, es igualmente posible obtener la
pieza por enfriamiento directo en el calor de la conformación (sin
re-austenización) y en ese caso, incluso si el
calentamiento antes de la conformación sobrepasa 1000ºC
permaneciendo inferior a 1300ºC, el boro conservando su efecto en
ese caso.
Para enfriar la pieza hasta la temperatura
ambiente, desde la temperatura de austenización, se puede templar
utilizando todos los procedimientos de temples conocidos (aire,
aceite, agua) desde el momento que la velocidad de enfriamiento se
mantiene superior a la velocidad crítica bainítica.
Eventualmente a continuación se somete la pieza
a un revenido clásico a una temperatura inferior o igual a Ac_{1}
pero se prefiere limitar la temperatura a 300ºC, incluso suprimir
esta etapa. En efecto, la ausencia de revenido puede ser,
eventualmente compensada por un fenómeno de auto revenido. Este es
específicamente favorito permitiendo una velocidad de enfriamiento
a baja temperatura (es decir por debajo de 500ºC aproximadamente)
preferentemente comprendida entre 0,07ºC/s y 5ºC/s; más
preferentemente entre 0,15ºC/s y 2,5ºC/s.
A este efecto se podrán emplear todos los medios
de temple conocidos, a condición de controlarlos si fuera
necesario. De esta forma se podrá por ejemplo utilizar un temple al
agua si se disminuye la velocidad de enfriamiento cuando la
temperatura de la pieza desciende por debajo de 500ºC, lo que podrá
hacerse específicamente sacando la pieza del agua para terminar el
temple al aire.
Se obtiene así una pieza, y específicamente una
chapa, soldable constituida de acero teniendo una estructura
bainítica, martensítica o martensito-bainítica en el
corazón, que comprende de 3 a 20% de austenita residual.
La presencia de austenita residual ofrece un
interés particular en vistas al comportamiento del acero a la
soldadura. En efecto con vistas a limitar el riesgo de fisura a la
soldadura, y complementariamente a la reducción antes mencionada de
la capacidad de temple de la ZAT, la presencia de austenita residual
en el metal de base, en las cercanías de la ZAT, permite fijar una
parte del hidrógeno disuelto, eventualmente introducido por la
operación de soldadura, hidrógeno que, si no fuera así fijado,
vendría a aumentar el riesgo de fisura.
A título de ejemplo, se han fabricado lingotes
con los aceros 1 y 2 conformes a la invención, y con los aceros A y
B del arte anterior, cuyas composiciones están, en milésimas de % en
peso y con la excepción del hierro:
Después de la forja de los lingotes, la
capacidad de temple de los cuatro aceros fue evaluada por
dilatometría. Es de interés aquí a título de ejemplo la capacidad
de temple martensítica y por lo tanto la velocidad crítica
martensítica V1 después de una austenización a 900ºC durante 15
minutos.
Se deduce de esta de velocidad V1 los espesores
máximos de las chapas que se pueden obtener conservando una
estructura esencialmente martensítica en el corazón que comprende
igualmente al menos 3% de austenita residual. Esos espesores han
sido determinados en el caso de un temple al aire (A), al aceite (H)
y al agua (E).
En fin, se ha estimado la capacidad de soldadura
de los cuatro aceros calculando su porcentaje de carbono
equivalente según la fórmula:
C_{eq} = (%C
+ %Mn/6 + (%Cr + (%Mo + %W/2) + %V)/5 +
%Ni/15)
Las características de los lingotes L1 y L2,
conformes a la invención, y de los lingotes LA y LB dados a título
de comparación, son:
Se constata que las velocidades críticas
martensíticas de las piezas según la invención son específicamente
inferiores a las velocidades correspondientes de los lingotes en
acero del arte anterior, lo que significa que su capacidad de
temple ha sido sensiblemente mejorada, mientras que al mismo tiempo
su capacidad de soldadura no es cambiada.
La mejora de la capacidad de temple permite así
fabricar piezas de estructura templada en el corazón en condiciones
de enfriamiento menos drásticas que aquellas del arte anterior y/o
con espesores máximos más fuertes.
Claims (11)
1. Pieza de acero de construcción soldable,
caracterizada porque su composición química comprende, en
peso:
0,l0% \leq C \leq
0,22%
0,50% \leq Si \leq
1,50%
Al \leq
0,9%
0% \leq Mn \leq
3%
0% \leq Ni \leq
5%
0% \leq Cr \leq
4%
0% \leq Cu \leq
1%
0% \leq Mo + W/2 \leq
1,5%
0,0005% \leq B \leq
0,010%
N \leq
0,025%
eventualmente al menos un elemento
escogido entre V, Nb, Ta, S y Ca, en contenidos inferiores a 0,3%,
y/o entre Ti y Zr en contenidos inferiores o iguales a 0,5%, el
resto siendo hierro e impurezas resultantes de la elaboración, los
contenidos en aluminio, en boro, en titanio y en nitrógeno,
expresados en milésimas de %, de dicha composición satisfacen
además la relación
siguiente:
con
K = Min (I*; J*)
I* = Max (0; I) y
\hskip0.5cmJ* = Max (0; J)
I = Min (N;
N-0,29(Ti-5))
los contenidos en silicio y en
aluminio de la composición verificando además las condiciones
siguientes:
si C >
0,145, entonces
\hskip0.5cmSi + Al < 0,95
y donde la estructura es bainítica,
martensítica o martensito-bainítica y comprende
además de 3 a 20% de austenita
residual.
2. Pieza de acero según la reivindicación 1
caracterizada porque su composición química satisface además
la relación siguiente:
(2)1,1%Mn +
0,7%Ni + 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) \geq
1
3. Pieza de acero según la reivindicación 2,
caracterizada además porque su composición química satisface
además la relación siguiente:
(2)1,1%Mn +
0,7%Ni + 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) \geq
2
\newpage
4. Pieza de acero según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque su composición
química satisface además la relación siguiente:
%Cr + 3(%Mo +
%W/2) \geq
1,8
5. Pieza de acero según la reivindicación 4,
caracterizada además porque su composición química satisface
además la relación siguiente:
%Cr + 3(%Mo +
%W/2) \geq
2,0.
6. Procedimiento de fabricación de una pieza en
acero soldable según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5,
caracterizada porque,
- se someta a austenización la pieza por
calentamiento a una temperatura comprendida entre Ac_{3} y
1000ºC, y luego se enfría hasta una temperatura inferior o igual a
200ºC de tal manera que, en el corazón de la pieza, la velocidad de
enfriamiento entre 800ºC y 500ºC sea superior o igual a la velocidad
crítica bainítica,
- eventualmente, se efectúa un revenido a una
temperatura inferior o igual a Ac_{1}.
7. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque, en el corazón de dicha pieza, la
velocidad de enfriamiento entre 500ºC y una temperatura inferior o
igual a 200ºC está comprendida entre 0,07ºC/s y 5ºC/s.
8. Procedimiento según la reivindicación 6 o 7,
caracterizado porque se efectúa un revenido a una temperatura
inferior a 300ºC durante un tiempo inferior a 10 horas, a la salida
del enfriamiento hasta una temperatura inferior o igual a 200ºC.
9. Procedimiento según la reivindicación 6 o 7,
caracterizado porque no se efectúa un revenido a la salida
del enfriamiento hasta una temperatura inferior o igual a 200ºC.
10. Procedimiento de fabricación de una chapa en
acero soldable según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5,
donde el espesor está comprendido entre 3 mm y 150 mm,
caracterizado porque se realiza un temple de dicha chapa, la
velocidad de enfriamiento de V_{R}, expresada en ºC/h, en el
corazón de la pieza entre 800ºC y 500ºC y la composición del acero
siendo tal que:
1,1%Mn + 0,7%Ni
+ 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) + log V_{R} \geq
5,5.
11. Procedimiento de fabricación de una chapa en
acero soldable según la reivindicación 10, caracterizado
porque la velocidad de enfriamiento V_{R}, expresada en ºC/h, en
el corazón de la pieza entre 800ºC y 500ºC y la composición del
acero son tales que:
1,1%Mn + 0,7%Ni
+ 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) + log V_{R} \geq
6.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| FR0214422 | 2002-11-19 | ||
| FR0214422A FR2847273B1 (fr) | 2002-11-19 | 2002-11-19 | Piece d'acier de construction soudable et procede de fabrication |
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| ES2291728T3 true ES2291728T3 (es) | 2008-03-01 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES03789465T Expired - Lifetime ES2291728T3 (es) | 2002-11-19 | 2003-11-13 | Pieza de acero de construccion soldable y procedimiento de fabricacion. |
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