ES2791675T3 - Procedimiento de fabricación de chapas de acero austenítico de hierro-carbono-manganeso de muy altas características de resistencia y excelente homogeneidad - Google Patents
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Abstract
Chapa laminada en caliente de acero austenítico de hierro-carbono-manganeso cuya resistencia es superior a 1200 MPa, cuyo producto P (resistencia (MPa) x elongación a la rotura (%)) es superior a 65 000 MPa%, cuya composición química nominal comprende, estando los contenidos expresados en peso: 0,85 % <= C <= 1,05 % 16 % <= Mn <= 19 % Si <= 2 % Al <= 0,050 S <= 0,030 % P <= 0,050 % N <= 0,1 %, y opcionalmente, uno o varios elementos elegidos entre Cr <= 1 % Mo <= 1,50 % Ni <= 1 % Cu <= 5 % Ti <= 0,50 % Nb <= 0,50 % V <= 0,50 %, estando el resto de la composición constituido por hierro e impurezas inevitables resultantes de la elaboración, siendo la fracción de superficie recristalizada de dicho acero igual al 100 %, siendo la fracción de superficie de carburos precipitados de dicho acero igual al 0 %, siendo el tamaño medio de grano de dicho acero inferior o igual a 10 micrómetros, y en cualquier punto de dicha chapa, siendo el contenido local de dicho acero de carbono CL y el contenido local de manganeso MnL, expresados en peso, tales que %MnL + 9,7 %CL >= 21,66.
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento de fabricación de chapas de acero austenítico de hierro-carbono-manganeso de muy altas características de resistencia y excelente homogeneidad
[0001] La presente invención se refiere a la fabricación de chapas laminadas en caliente y en frío de aceros austeníticos de hierro-carbono-manganeso que presentan muy altas características mecánicas, y especialmente una combinación de resistencia mecánica y de elongación a la rotura muy ventajosa unida a una excelente homogeneidad de propiedades mecánicas.
[0002] En el campo de la automoción, la evolución del nivel de dotación de los vehículos hace todavía más necesario aligerar la estructura metálica en sí. Para ello, debe volverse a pensar cada función para mejorar sus rendimientos y disminuir su peso. De este modo se han desarrollado diferentes familias de aceros con vistas a satisfacer estas exigencias siempre crecientes: por orden cronológico, se citarán por ejemplo los aceros con alto límite de elasticidad endurecidos por precipitación fina de niobio, vanadio o titanio, los aceros de estructuras de doble fase (ferrita que incluye hasta el 25% de martensita), los aceros «TRIP» compuestos por ferrita, martensita y austenita susceptible de transformarse bajo deformación («Transformation Induced Plasticity»). Para cada tipo de estructura, la resistencia a la rotura y la aptitud para la deformación son propiedades antagonistas, dado que en general no es posible obtener valores muy elevados para una de las propiedades sin reducir drásticamente la otra. Así, para los aceros TRIP, es difícil obtener simultáneamente una resistencia superior a 900 MPa y una elongación superior al 25 %. También se citarán los aceros de estructura bainítica o martensito-bainítica, cuya resistencia puede alcanzar 1200 MPa en chapas laminadas en caliente, pero en los que la elongación es solo del orden del 10%. Si bien estas características pueden ser satisfactorias para determinadas aplicaciones, siguen siendo, no obstante, insuficientes en el caso en que se desee un aligeramiento suplementario por la combinación simultánea de una resistencia elevada y de una gran aptitud para las operaciones ulteriores de deformación y para la absorción de energía.
[0003] En el caso de chapas laminadas en caliente, es decir, de grosor comprendido entre aproximadamente 1 y 10 mm, dichas características se aplican en provecho del aligeramiento de las piezas de unión con el suelo, las ruedas, piezas de refuerzo tales como las barras antiintrusión de las puertas o las destinadas a vehículos pesados (camiones, autobuses). Para chapas laminadas en frío (comprendidas entre aproximadamente 0,2 mm y 6 mm), las aplicaciones persiguen la fabricación de piezas que formen parte de la seguridad y la duración de los vehículos automóviles o de las piezas exteriores. Para satisfacer estas exigencias simultáneas de resistencia y de ductilidad, se conocen aceros de estructura austenítica, tales como los aceros Fe-C (hasta el 1,5%)-Mn(del 15 al 35%) (contenidos expresados en peso) y que contienen en su caso otros elementos tales como silicio, aluminio o cromo: a una temperatura dada, el modo de deformación de los aceros austeníticos solo depende de la energía de defecto de apilamiento o «EDA», magnitud física que depende solo de la composición y de la temperatura: Cuando la EDA disminuye, se pasa sucesivamente de un modo de deformación por deslizamiento de las dislocaciones a maclado y finalmente a transformación martensítica. Entre estos modos, el maclado mecánico permite obtener una gran capacidad de batido en frío: al presentar un obstáculo para la propagación de las dislocaciones, las maclas participan en el aumento del límite de flujo. La EDA aumenta especialmente con el contenido de carbono y de manganeso.
[0004] Se conocen así aceros austeníticos Fe-0,6%C-22%Mn susceptibles de deformarse por maclado: según el tamaño de grano, estas composiciones de aceros conducen a valores de resistencia en tracción comprendidos entre 900 y 1150 MPa aproximadamente, en combinación con una deformación a la rotura comprendida entre el 50 y el 80 %. Sin embargo, existe una necesidad no resuelta de disponer de chapas de acero laminadas en caliente o en frío, de resistencia significativamente superior a 1150 MPa, que presenten igualmente una buena capacidad de deformación, y ello sin añadir aleaciones costosas. Se busca disponer de chapas de aceros que presenten un comportamiento muy homogéneo durante los esfuerzos mecánicos ulteriores.
[0005] El documento FR-A-2829775 describe un procedimiento de fabricación de un tubo soldado, del tipo que incluye una etapa final de estirado o de hidroconformado, caracterizado porque: se procede a la elaboración de una aleación; a continuación se procede a la colada de un semiproducto a partir de esta aleación, a) ya sea en forma de un lingote que a continuación experimenta un desbastado por laminado en caliente para transformarlo en una pieza en bruto, ya sea directamente en forma de una pieza en bruto, de manera que dicha pieza en bruto a continuación se lamina en caliente en forma de una banda y después se bobina, b) o bien en forma de una banda delgada; a continuación se procede a un decapado de la banda si esta se oxida en su superficie; finalmente se procede a la fabricación del tubo soldado por formación progresiva de una chapa cortada a partir de la banda anterior para llevar sus bordes hasta su acercamiento, después por soldadura de dichos bordes, posteriormente por eliminación del cordón de soldadura y después por estirado en frío o hidroconformado.
[0006] Por tanto, el objeto de la invención es disponer de una chapa o de un producto de acero laminado en caliente o en frío, de fabricación económica, que presenta una resistencia superior o igual a 1200, e incluso 1400 MPa en combinación con una elongación tal que el producto P: resistencia (MPa) x elongación a la rotura (%) sea superior a 60000 o 50000 MPa% respectivamente en el nivel de resistencia mencionado anteriormente, una gran homogeneidad de propiedades mecánicas durante deformaciones o esfuerzos mecánicos ulteriores y una estructura
libre de martensita en cualquier punto durante o después de la deformación en frío a partir de esta chapa o de este producto.
[0007] Para este fin, la invención tiene por objeto una chapa laminada en caliente de acero austenítico de hierro-carbono-manganeso cuya resistencia es superior a 1200 MPa, cuyo producto P (resistencia (MPa) x elongación a la rotura (%)) es superior a 65000 MPa%, cuya composición química nominal comprende, estando los contenidos expresados en peso: 0,85 % < C < 1,05 %, 16 % < Mn < 19 %, Si < 2 %, Al < 0,050 %, S < 0,030 %, P < 0,050 %, N < 0,1 %, y opcionalmente, uno o varios elementos elegidos entre: Cr < 1 %, Mo < 1,50 %, Ni < 1 %, Cu < 5 %, Ti < 0,50 %, Nb < 0,50 %, V < 0,50 %, estando el resto de la composición constituido por hierro e impurezas inevitables resultantes de la elaboración, siendo la fracción de superficie recristalizada del acero igual al 100 %, siendo la fracción de superficie de carburos precipitados del acero igual al 0 %, siendo el tamaño medio de grano del acero inferior o igual a 10 micrómetros.
[0008] La invención tiene asimismo por objeto una chapa laminada en frío y recocida de acero austenítico de hierro-carbono-manganeso cuya resistencia es superior a 1250 MPa, cuyo producto P (resistencia (MPa) x elongación a la rotura (%)) es superior a 65000 MPa%, cuya composición química nominal comprende, estando los contenidos expresados en peso: 0,85 % < C < 1,05 %, 16 % < Mn < 19 %, Si < 2 %, Al < 0,050 %, S < 0,030 %, P < 0,050 %, N < 0,1 %, y opcionalmente, uno o varios elementos elegidos entre: Cr < 1 %, Mo < 1,50 %, Ni < 1 %, Cu < 5 %, Ti < 0,50 %, Nb < 0,50 %, V < 0,50 %, estando el resto de la composición constituido por hierro e impurezas inevitables resultantes de la elaboración, siendo la fracción de superficie recristalizada del acero igual al 100 %, siendo el tamaño medio de grano del acero inferior a 3 micrómetros.
[0009] El contenido local de carbono Cl del acero, y el contenido local de manganeso Mrn_, expresados en peso, en cualquier punto de la chapa de acero austenítico, son tales que: %MnL + 9,7 %ClS 21,66 Preferentemente, el contenido nominal de silicio del acero es inferior o igual al 0,6 %.
[0010] Según un modo preferido, el contenido nominal de nitrógeno del acero es inferior o igual al 0,050 %.
[0011] Más preferentemente, el contenido nominal de aluminio del acero es inferior o igual al 0,030 %.
[0012] Según un modo preferido, el contenido nominal de fósforo del acero es inferior o igual al 0,040 %. La invención tiene asimismo por objeto un procedimiento de fabricación de una chapa laminada en caliente de acero austenítico de hierro-carbono-manganeso cuya resistencia es superior a 1400 MPa, cuyo producto P((resistencia (MPa) x elongación a la rotura (%)) es superior a 50000 MPa%, según el cual se elabora un acero cuya composición nominal comprende, estando los contenidos expresados en peso: 0,85 % < C < 1,05 %, 16 % < Mn < 19 %, Si < 2 %, Al < 0,050 %, S < 0,030 %, P < 0,050 %, N < 0,1 %, y opcionalmente, uno o varios elementos elegidos entre: Cr < 1 %, Mo < 1,50 %, Ni < 1 %, Cu < 5 %, Ti < 0,50 %, Nb < 0,50 %, V < 0,50 %, estando el resto de la composición constituido por hierro e impurezas inevitables resultantes de la elaboración,
- se procede a la colada de un semiproducto a partir de este acero
- se lleva el semiproducto de la composición de acero a una temperatura comprendida entre 1100 y 1300 °C, - se lamina el semiproducto hasta una temperatura de fin de laminado superior o igual a 900 °C
- se observa en caso necesario un tiempo de espera de tal manera que la fracción de superficie recristalizada del acero sea igual al 100 %,
- se enfría la chapa a una velocidad superior o igual a 20 °C/s,
- se bobina la chapa a una temperatura inferior o igual a 400 °C,
caracterizado porque se aplica, en la chapa laminada en caliente, enfriada después de bobinado y desenrollada, una deformación en frío con una tasa de deformación equivalente superior o igual al 13 % e inferior o igual al 17 %
[0013] La invención tiene asimismo por objeto un procedimiento de fabricación de una chapa laminada en frío y recocida de acero austenítico de hierro-carbono-manganeso, cuya resistencia es superior a 1250 MPa, cuyo producto P (resistencia (MPa) x elongación a la rotura (%)) es superior a 60000 MPa%, caracterizado porque se proporciona una chapa laminada en caliente obtenidas por el procedimiento anterior, se efectúa al menos un ciclo, de manera que cada ciclo consiste en laminar en frío la chapa en uno o varios pases sucesivos y después efectuar un recocido de recristalización, siendo el tamaño medio de grano austenítico antes del último ciclo de laminado en frío seguido de un recocido de recristalización inferior a 15 micrómetros.
[0014] La invención tiene asimismo por objeto un procedimiento de fabricación de una chapa laminada en frío y recocida de acero austenítico de hierro-carbono-manganeso cuya resistencia es superior a 1.400 MPa, cuyo producto P (resistencia (MPa) x elongación a la rotura (%)) es superior a 50000 MPa% caracterizado porque se efectúa, después del recocido final de recristalización, una deformación en frío con una tasa de deformación equivalente superior o igual al 6 %, e inferior o igual al 17 %.
[0015] La invención tiene asimismo por objeto un procedimiento de fabricación de una chapa laminada en frío de acero austenítico de hierro-carbono-manganeso cuya resistencia es superior a 1400 MPa, cuyo producto P (resistencia (MPa) x elongación a la rotura (%)) es superior a 50000 MPa%, caracterizado porque se proporciona una chapa laminada en frío y recocida según la invención, y porque se efectúa una deformación en frío de esta chapa con una tasa de deformación equivalente superior o igual al 6 %, e inferior o igual al 17 %.
[0016] La invención tiene asimismo por objeto un procedimiento de fabricación de una chapa de acero austenítico caracterizado porque las condiciones de colada o de recalentamiento de dicho semiproducto, tales como la temperatura de colada de dicho semiproducto, la agitación del metal líquido por fuerzas electromagnéticas, las condiciones de recalentamiento que conducen a una homogeneización del carbono y del manganeso por difusión, se eligen para que, en cualquier punto de la chapa, el contenido local de carbono Cl y el contenido local de manganeso MnL, expresados en peso, sean tales que: %MnL 9,7 %ClS 21,66.
[0017] Según un modo preferido, la colada del semiproducto se efectúa en forma de colada de piezas en bruto o de bandas finas entre cilindros de acero contrarrotatorios.
[0018] La invención tiene asimismo por objeto el uso de una chapa de acero austenítico para la fabricación de elementos de refuerzo o estructurales o de piezas exteriores, en el campo de la automoción.
[0019] La invención tiene asimismo por objeto el uso de una chapa de acero austenítico fabricada por medio de un procedimiento descrito anteriormente, para la fabricación de elementos de refuerzo o estructurales o de piezas exteriores, en el campo de la automoción.
[0020] Otras características y ventajas de la invención aparecerán en el curso de la descripción que se ofrece a continuación, dada a modo de ejemplo y realizada en referencia a la figura 1 anexa que presenta la variación teórica de la energía de defecto de apilamiento a temperatura ambiente (300 °K) en función del contenido de carbono y de manganeso.
[0021] Después de numerosos ensayos, los autores de la invención han mostrado que las diferentes exigencias referidas anteriormente se satisfacían observando las condiciones siguientes:
En lo que se refiere a la composición química del acero, el carbono desempeña un papel muy importante en la formación de la microestructura y las propiedades mecánicas obtenidas: en combinación con un contenido de manganeso comprendido entre el 16 y el 19 % en peso, un contenido nominal de carbono superior al 0,85 % permite obtener una estructura austenítica estable. Sin embargo, para un contenido de carbono superior al 1,05% se hace difícil evitar una precipitación de carburos que interviene en el curso de determinados ciclos térmicos de fabricación industrial, en particular durante el enfriamiento en el bobinado, y que degrada la ductilidad y la tenacidad. Además, el aumento del contenido de carbono disminuye la soldabilidad.
[0022] El manganeso es asimismo un elemento indispensable para incrementar la resistencia, aumentar la energía de defecto de apilamiento y estabilizar la fase austenítica. Si su contenido nominal es inferior al 16 %, existe, como se verá más adelante, un riesgo de formación de fase martensítica que disminuye muy notablemente la aptitud para la deformación. Además, cuando el contenido nominal de manganeso es superior al 19 %, el modo de deformación por maclado se ve menos favorecido con respecto al modo de deslizamiento de dislocaciones perfectas. Además, en cuestión de costes, no es conveniente que el contenido de manganeso sea elevado.
[0023] El aluminio es un elemento especialmente eficaz para la desoxidación del acero. Como el carbono, aumenta la energía de defecto de apilamiento. Sin embargo, su presencia excesiva en aceros de alto contenido de manganeso presenta un inconveniente. De hecho, el manganeso aumenta la solubilidad del nitrógeno en el hierro líquido, y si una cantidad de aluminio demasiado importante está presente en el acero, el nitrógeno al combinarse con el aluminio precipita en forma de nitruros de aluminio que estorban a la migración de las juntas de grano durante la transformación en caliente y así se aumenta muy notablemente el riesgo de la aparición de fisuras. Un contenido nominal de Al inferior o igual al 0,050 % permite evitar una precipitación de AIN. De forma correlativa, el contenido nominal de nitrógeno debe ser inferior o igual al 0,1 % con el fin de evitar esta precipitación y la formación de defectos de volumen durante la solidificación. Este riesgo se reduce especialmente cuando el contenido nominal de aluminio es inferior al 0,030 % así como cuando el contenido nominal de nitrógeno es inferior al 0,050 %.
[0024] El silicio es igualmente un elemento eficaz para desoxidar el acero, así como para endurecimiento en fase sólida. Sin embargo, por encima de un contenido nominal del 2 %, disminuye la elongación y tiende a formar óxidos indeseables durante determinados procedimientos de ensamblaje y por tanto debe mantenerse inferior a este límite. Este fenómeno se reduce enormemente cuando el contenido nominal de silicio es inferior al 0,6 %.
[0025] El azufre y el fósforo son impurezas que fragilizan las uniones de granos. Su contenido respectivo nominal debe ser inferior o igual al 0,030 y el 0,050 % con el fin de mantener una ductilidad en caliente suficiente. Cuando el contenido nominal de fósforo es inferior al 0,040 %, el riesgo de fragilidad se reduce especialmente.
[0026] El cromo puede usarse opcionalmente para aumentar la resistencia del acero por endurecimiento en solución sólida. Sin embargo, como el cromo disminuye la energía de defecto de apilamiento, su contenido nominal debe ser inferior o igual al 1 %. El níquel aumenta la energía de defecto de apilamiento y contribuye a obtener una elongación a la rotura importante. Sin embargo, es también deseable, por motivos de coste, limitar el contenido nominal de níquel a un contenido máximo inferior o igual al 1 %. El molibdeno también puede usarse por motivos similares, y este elemento retarda además la precipitación de carburos. Por cuestiones de eficacia y coste es conveniente limitar su contenido nominal al 1,5 %, y preferentemente al 0,4 %.
[0027] Asimismo, opcionalmente, una adición de cobre hasta un contenido nominal inferior o igual al 5 % es un medio de endurecer el acero por precipitación de cobre metálico. Sin embargo, por encima de este contenido, el cobre es responsable de la aparición de defectos de superficie en la lámina en caliente. El titanio, el niobio y el vanadio son igualmente elementos que pueden usarse de manera opcional para obtener un endurecimiento por precipitación de los carbonitruros. Sin embargo, cuando el contenido nominal de Nb o de V o de Ti es superior al 0,50 %, una precipitación excesiva de carbonitruros puede provocar una reducción de la ductilidad y de la embutibilidad, lo cual debe evitarse.
[0028] La implementación del procedimiento de fabricación según la invención es la siguiente: se elabora un acero cuya composición se ha expuesto anteriormente. Esta elaboración puede seguirse de una colada en lingotes, o en modo continuo en forma de acero para chapa de grosor del orden de 200 mm. Se puede igualmente efectuar la colada en forma de piezas en bruto delgadas de varias decenas de milímetros de grosor, o de bandas finas, entre cilindros de acero contrarrotatorios. Naturalmente, si bien la presente descripción ilustra la aplicación de la invención a los productos planos, puede aplicarse de la misma forma a la fabricación de productos largos de acero Fe-C-Mn.
[0029] Estos semiproductos colados se llevan en primer lugar a una temperatura comprendida entre 1100 y 1300 °C. El objetivo es alcanzar en todos los puntos los ámbitos de temperatura favorables para las deformaciones elevadas que va a experimentar el acero durante el laminado. Sin embargo, la temperatura no debe ser superior a 1300 °C, ya que podría estar demasiado próxima a la temperatura de solidificación que podría alcanzarse en algunas zonas segregadas de manganeso y/o de carbono, y provocar un inicio de paso local por un estado líquido que sería muy perjudicial para el conformado en caliente. En el caso de una colada directa de bandas finas entre cilindros contrarrotatorios, la etapa de laminado en caliente de estos semiproductos que comienza entre 1300 y 1100 °C puede hacerse directamente después de la colada, aunque en este caso no es necesaria una etapa de recalentamiento intermedio.
[0030] Las condiciones de elaboración de los semiproductos (colada, recalentamiento) tienen una influencia directa en la posible segregación del carbono y del manganeso, un punto que se detallará posteriormente.
[0031] Se lamina en caliente el semiproducto, por ejemplo, para llegar a un grosor de banda laminada en caliente de algunos milímetros. El bajo contenido de aluminio del acero según la invención permite evitar una precipitación excesiva de AIN que entorpecería la deformabilidad en caliente durante el laminado. Con el fin de evitar posibles problemas de fisuración por falta de ductilidad, la temperatura de fin de laminado debe ser superior o igual a 900 °C.
[0032] Los autores de la invención han puesto de relieve que las propiedades de ductilidad de las chapas obtenidas eran reducidas cuando la fracción de superficie recristalizada del acero era inferior al 100 %. En consecuencia, si las condiciones de laminado en caliente no han conducido a una recristalización total de la austenita, los autores de la invención han puesto de relieve que conviene observar, después de la fase de laminado en caliente, un tiempo de espera de tal manera que la fracción de superficie recristalizada sea igual al 100 %. Esta fase de mantenimiento isotermo a alta temperatura después de laminado provoca así una recristalización total.
[0033] Para las chapas laminadas en caliente, se ha puesto asimismo de relieve que es necesario evitar que intervenga una precipitación de carburos (esencialmente cementita (Fe,Mn)3C, y perlita), lo que se traduce en un deterioro de las propiedades mecánicas en particular por una disminución de la ductilidad y un aumento del límite de elasticidad. Con este fin, los autores de la invención han descubierto que una velocidad de enfriamiento después de la fase de laminado (o después del posible tiempo de espera necesario para la recristalización) superior o igual a 20 °C/s permite evitar completamente esta precipitación. Esta fase de enfriamiento se sigue de un bobinado. Se ha puesto asimismo de relieve que la temperatura de bobinado debía ser inferior a 400 °C, igualmente para evitar la precipitación.
[0034] Para composiciones de aceros según la invención, los autores de la invención han puesto de relieve que se obtienen propiedades especialmente elevadas de resistencia y de elongación a la rotura cuando el tamaño medio de grano austenítico era inferior o igual a 10 micrómetros. En estas condiciones, la resistencia a la rotura de las chapas en caliente así obtenidas es superior a 1200 MPa y el producto P (resistencia x elongación a la rotura) es superior a 65000 MPa%.
[0035] Existen aplicaciones en las que se desea obtener características de resistencia todavía más elevadas
en chapas laminadas en caliente, a un nivel superior o igual a 1400 MPa. Los autores de la invención han puesto de relieve que se obtenían estas características confiriendo a las chapas de aceros laminadas en caliente descritas anteriormente una deformación en frío con una tasa de deformación equivalente superior o igual al 13%, e inferior o igual al 17%. Esta deformación en frío se confiere así a una chapa enfriada después de bobinada, desenrollada y normalmente decapada. Esta deformación de una tasa relativamente baja conduce a la fabricación de un producto con una anisotropía reducida sin incidencia en la implementación ulterior. Así, aunque el procedimiento incluye una etapa de deformación en frío, la chapa fabricada puede calificarse de «chapa laminada en caliente» en la medida en que la tasa de deformación en frío es muy mínima en comparación con las tasas habituales realizadas durante el laminado en frío antes del recocido con vistas a la fabricación de chapas delgadas, y en la medida en que el grosor de la chapa así fabricada se encuentra situado en la gama habitual de grosores de chapas laminadas en caliente. No obstante, cuando la tasa de deformación en frío equivalente es superior al 17%, la reducción de elongación se convierte en tal que el parámetro P (resistencia R x elongación a la rotura A) no puede llegar a 50000 MPa%. En las condiciones de la invención, a pesar de su muy alta resistencia, la chapa conserva una buena capacidad de elongación ya que el producto P de la chapa así obtenida es superior o igual a 50000 MPa%.
[0036] Para chapas laminadas en frío y recocidas, los autores de la invención han puesto asimismo de relieve que la estructura debía ser totalmente recristalizada después de recocido con vistas a alcanzar las propiedades buscadas. Simultáneamente, cuando el tamaño medio de grano es inferior a 5 micrómetros, la resistencia es superior a 1200 MPa, y el producto P es superior a 65000 MPa%. Cuando el tamaño medio de grano obtenido después de recocido es inferior a 3 micrómetros, la resistencia es superior a 1250 MPa, siendo el producto P siempre superior a 65000 MPa%.
[0037] Los autores de la invención han descubierto asimismo un procedimiento de fabricación de chapas de acero laminadas en frío y recocidas de resistencia superior a 1250 MPa y de producto P superior a 60000 MPa%, realizado proporcionando chapas laminadas en caliente según el procedimiento descrito anteriormente, y después efectuando al menos un ciclo, estando cada ciclo constituido por las etapas siguientes:
- un laminado en frío en uno o varios pases sucesivos;
- un recocido de recristalización,
siendo el tamaño medio de grano austenítico antes del último ciclo de laminado en frío experimentado de un recocido de recristalización inferior a 15 micrómetros.
[0038] Se puede desear obtener una chapa laminada en frío de resistencia todavía más elevada, superior a 1400 MPa. Los autores de la invención han puesto de relieve que dichas propiedades podían obtenerse proporcionando una chapa laminada en frío que posee las características según la invención descritas anteriormente, o proporcionando una chapa laminada en frío obtenida según el procedimiento según la invención descrito anteriormente. Los autores de la invención han descubierto que la aplicación de una deformación en frío a dicha chapa con una tasa de deformación equivalente superior o igual al 6 %, e inferior o igual al 17 %, permite alcanzar una resistencia superior a 1400 MPa y un producto P superior a 50000 MPa %. Cuando la tasa de deformación en frío equivalente es superior al 17 %, la reducción de elongación se convierte en tal que el parámetro P no puede alcanzar 50000 MPa%.
[0039] A continuación, se detallará el papel especialmente importante desempeñado por el carbono y el manganeso en el marco de la presente invención. Para ello se hará referencia a la figura 1, que presenta, en un diagrama carbono-manganeso (y complemento de hierro) las curvas calculadas de isoenergía de defecto de apilamiento cuyos valores van de 5 a 30 mJ/m2. A una temperatura de deformación y para un tamaño de grano dados, el modo de deformación es teóricamente idéntico para cualquier aleación Fe-C-Mn que tenga la misma EDA. En este diagrama se ha representado igualmente el dominio de aparición de la martensita.
[0040] Los autores de la invención han puesto de relieve que, para apreciar el comportamiento mecánico, conviene considerar no solo la composición química nominal de la aleación, por ejemplo, su contenido nominal o media de carbono y de manganeso, sino también su contenido local.
[0041] De hecho, se sabe que, durante la elaboración del acero, la solidificación provoca una segregación más o menos acusada de determinados elementos. Esto proviene del hecho de que la solubilidad de un elemento dentro de la fase sólida es diferente de la existente en la fase líquida. Así, se asistirá con frecuencia a la formación de gérmenes sólidos cuyo contenido en solución es inferior a la composición nominal, de manera que en la última fase de la solidificación interviene una fase líquida residual enriquecida con solución. Esta estructura de solidificación primaria puede revestir diferentes morfologías (por ejemplo, dendrítica o equieje) y ser más o menos acusada. Incluso si se modifican estas características por el laminado y los tratamientos térmicos ulteriores, un análisis del contenido elemental local indica una fluctuación alrededor de un valor correspondiente al contenido medio o nominal de este elemento.
[0042] Por contenido local se entiende aquí el contenido medido por medio de un dispositivo tal como una
sonda electrónica. Un barrido lineal o de superficie por medio de dicho dispositivo permite apreciar la variación del contenido local.
[0043] Se ha medido así la variación del contenido local de una aleación Fe-C-Mn cuya composición nominal es: C=0,23%, Mn=24%, Si=0,203%, N=0,001 %. Los autores de la invención han puesto de relieve una cosegregación del carbono y del manganeso, las zonas localmente enriquecidas (o empobrecidas) en carbono corresponden igualmente a las zonas enriquecidas (respectivamente empobrecidas) en manganeso. En la figura 1 se ha referido cada punto medido que tiene una concentración local de carbono (Cl) y de manganeso (MnL), formando el conjunto un segmento que representa la variación local de carbono y de manganeso en la chapa de acero, centrado en el contenido nominal (C=0,23 %, Mn=24 %). En este caso, parecería que la variación del contenido local de carbono y de manganeso se traduce en una variación de la energía de defecto de apilamiento, ya que este valor está comprendido desde 7 mJ/m2 para las zonas menos ricas en C y en Mn hasta aproximadamente 20 mJ/m2 para las zonas más ricas. Se sabe además que el maclado interviene como modo de deformación privilegiado a temperatura ambiente cuando la EDA se sitúa aproximadamente hacia 15-30 mJ/m2. En el caso expuesto, este modo de deformación privilegiado puede no estar presente absolutamente en toda la chapa de acero y determinadas zonas especiales pueden presentar en su caso un comportamiento mecánico diferente del esperado para una chapa de acero de composición nominal, en particular una aptitud más reducida para la deformación por maclado dentro de determinados granos. Más en general, se concibe que, en condiciones muy especiales que dependen por ejemplo de la temperatura de deformación o de esfuerzo, del tamaño de grano, el contenido local de carbono y de manganeso puede reducirse hasta el punto de provocar localmente una transformación martensítica inducida por deformación.
[0044] Los autores de la invención han investigado las condiciones especiales para obtener características mecánicas muy elevadas simultáneamente con una gran homogeneidad de estas características dentro de una chapa de acero. Como se ha expuesto anteriormente, la combinación de carbono (0,85 %-1,05 %) y de manganeso (16-19 %) asociada a las demás características de la invención conduce a valores de resistencia superiores a 1200 MPa y a un producto (resistencia x elongación a la rotura) superior a 60000, o incluso 65000 MPa%. En la figura 1 se observará que estas composiciones de acero que se encuentran en un dominio de la EDA son del orden de 19-24 mJ/m2, es decir, favorables a la deformación por maclado. No obstante, los autores de la invención han puesto asimismo de relieve que una variación del contenido local de carbono o de manganeso tiene una influencia mucho más reducida que la reseñada en el ejemplo anterior. De hecho, medidas de variaciones de contenidos locales (Cl, MnL) efectuadas en diferentes composiciones de aceros austeníticos Fe-C-Mn han revelado, en condiciones de fabricación idénticas, una cosegregación del carbono y del manganeso muy cercana a la ilustrada en la figura 1. En estas condiciones, una variación de los contenidos locales (Cl, MnL) tiene escasa consecuencia frente al comportamiento mecánico, ya que el segmento que representa esta cosegregación está situado según una dirección sustancialmente paralela a las curvas de iso-EDA.
[0045] Además, los autores de la invención han puesto de relieve que convenía evitar absolutamente la formación de martensita durante las operaciones de deformación o de uso de las chapas para evitar la heterogeneidad de las características mecánicas en las piezas. Los autores de la invención han determinado que esta condición se satisface cuando, en cualquier punto de las chapas, los contenidos locales de carbono y de manganeso de la chapa son tales que: %MnL + 9,7 %ClS 21,66. Así, gracias a las características de la composición química nominal definidas por la invención y a las definidas por los contenidos locales de carbono y de manganeso, se realizan chapas de acero austenítico que presentan no solo características mecánicas muy elevadas sino también una muy baja dispersión de estas características.
[0046] Por medio de sus conocimientos, el experto en la materia adaptará las condiciones de fabricación de forma que se cumpla esta relación relativa a los contenidos locales, en particular por medio de las condiciones de colada (temperatura de colada, agitación del metal líquido por fuerzas electromagnéticas) o de las condiciones de recalentamiento que conducen a una homogeneización del carbono y del manganeso por difusión.
[0047] En particular, se aplicarán ventajosamente los procedimientos de colada de semiproducto en forma de piezas en bruto delgadas (varios centímetros de grosor) o de bandas finas, ya que estos procedimientos se asocian generalmente con una reducción de las heterogeneidades de composiciones locales.
[0048] A modo de ejemplo no limitativo, los resultados siguientes mostrarán las características ventajosas conferidas por la invención.
Ejemplo:
[0049] Se han elaborado los aceros de la composición nominal siguiente (contenidos expresados en porcentaje ponderal):
Tabla 1: Com osición nominal de los aceros
[0050] Después de la colada, se recalentó un semiproducto del acero I según la invención a una temperatura de 1180 °C y se laminó en caliente hasta una temperatura superior a 900 °C para alcanzar un grosor de 3 mm. Se observó un tiempo de espera de 2 s después del laminado con vistas a la recristalización completa, y después se efectuó un enfriamiento a una velocidad superior a 20 °C/s, seguido por un bobinado a temperatura ambiente.
[0051] Los aceros de referencia se recalentaron a una temperatura superior a 1150 °C, se laminaron hasta una temperatura de fin de laminado superior a 940 °C y después se bobinaron a una temperatura inferior a 450 °C.
[0052] La fracción de superficie recristalizada es del 100% para todos los aceros, la fracción de carburos precipitados es igual al 0 %, el tamaño de grano medio está comprendido entre 9 y 10 micrómetros.
[0053] Las características de tracción de las chapas laminadas en caliente son las siguientes:
Tabla 2: Características mecánicas de tracción de las^ cha as laminadas en caliente
[0054] Con respecto a un acero de referencia R1, cuyas características mecánicas son ya elevadas, el acero según la invención permite obtener una resistencia incrementada aproximadamente 200 MPa con una elongación muy comparable.
[0055] Con el fin de evaluar la homogeneidad estructural y mecánica durante una deformación, se realizaron cangilones embutidos cuya microestructura se examinó por difracción de rayos X. En el caso del acero de referencia R2, se observa la aparición de martensita una vez que la tasa de deformación supera el 17%, de manera que la operación de embutido total conduce a la rotura. Un análisis indica que la característica: %Mrn_ 9,7 %Cl > 21,66 no se cumple en todos los puntos (figura 1).
[0056] En el caso del acero de la invención, no se pone de relieve ninguna traza de martensita, un análisis similar indica que la característica: %Mrn_ 9,7 %Gl> 21,66 se cumple en cualquier punto lo que permite evitar toda aparición de martensita.
[0057] A continuación, se sometió la chapa de acero según la invención a una ligera deformación en frío por laminado con una deformación equivalente del 14%. La resistencia del producto es entonces de 1420 MPa y su elongación a la rotura es del 42 %, con lo que el producto P = 59640 MPa%. Este producto de características mecánicas excepcionalmente elevadas ofrece grandes posibilidades de deformación ulterior debido a su reserva de plasticidad y a su baja anisotropía.
[0058] Además, después de la etapa de bobinado, desenrollado y decapado, las chapas laminadas en caliente de acero según la invención y del acero R1 se laminaron en frío en frío y después se sometieron a recocido de manera que se obtuvo una estructura totalmente recristalizada. En la tabla mostrada a continuación se indican el tamaño medio de grano austenítico, la resistencia y la elongación a la rotura.
Tabla 3: Características mecánicas de las cha as laminadas en frío recocidas
continuación
[0059] La chapa de acero realizada según la invención, cuyo tamaño medio de grano es de 4 micrómetros, ofrece así una combinación resistencia-elongación especialmente ventajosa y un aumento significativo de la resistencia con respecto al acero de referencia. Como para las chapas laminadas en caliente, estas características se obtienen con una homogeneidad muy grande en el producto, y no hay presente ninguna traza de martensita después de la deformación.
[0060] Los ensayos de expansión equibiaxial con punzón hemisférico de 75 mm de diámetro realizados en una chapa laminada en frío y recocida en 1,6 mm de grosor según la invención revelan una altura límite de embutición de 33 mm, lo que pone de relieve una excelente aptitud a la deformación. Los ensayos de plegado realizados en esta misma chapa muestran igualmente que la deformación crítica antes de la aparición de fisuras es superior al 50 %.
[0061] La chapa de acero realizada según la invención se sometió a una deformación en frío por laminado con una tasa de deformación equivalente del 8 %: la resistencia del producto es entonces de 1420 MPa y su elongación a la rotura es del 48 %, con lo que el producto P = 68160 MPa%.
[0062] Así, debido a sus características mecánicas especialmente elevadas, a su comportamiento mecánico muy homogéneo y a su estabilidad microestructural, los aceros laminados en caliente o laminados en frío según la invención se usarán provechosamente para aplicaciones en las que se busca una capacidad de deformación importante y una muy alta resistencia. En el caso de su uso en la industria automovilística, se aprovechará parte de sus ventajas para la fabricación de piezas de estructura, de elementos de refuerzo o de piezas exteriores.
Claims (14)
1. Chapa laminada en caliente de acero austenítico de hierro-carbono-manganeso cuya resistencia es superior a 1200 MPa, cuyo producto P (resistencia (MPa) x elongación a la rotura (%)) es superior a 65000 MPa%, cuya composición química nominal comprende, estando los contenidos expresados en peso:
0,85% < C < 1,05%
16% < Mn < 19%
Si < 2 %
Al < 0,050
S < 0,030 %
P < 0,050 %
N < 0,1 %,
y opcionalmente, uno o varios elementos elegidos entre
Cr < 1 %
Mo < 1,50 %
Ni < 1 %
Cu < 5 %
Ti < 0,50 %
Nb < 0,50 %
V < 0,50 %,
estando el resto de la composición constituido por hierro e impurezas inevitables resultantes de la elaboración, siendo la fracción de superficie recristalizada de dicho acero igual al 100 %, siendo la fracción de superficie de carburos precipitados de dicho acero igual al 0 %, siendo el tamaño medio de grano de dicho acero inferior o igual a 10 micrómetros, y en cualquier punto de dicha chapa, siendo el contenido local de dicho acero de carbono CL y el contenido local de manganeso MnL, expresados en peso, tales que %MnL + 9,7 %Cl s 21,66.
2. Chapa laminada en frío y recocida de acero austenítico de hierro-carbono-manganeso cuya resistencia es superior a 1250 MPa, cuyo producto P (resistencia (MPa) x elongación a la rotura (%)) es superior a 65000 MPa%, de composición química nominal según la reivindicación 1, siendo la fracción de superficie recristalizada del acero igual al 100 %, siendo el tamaño medio de grano de dicho acero inferior a 3 micrómetros y, en cualquier punto de dicha chapa, siendo el contenido local de dicho acero en carbono Cl y el contenido local de manganeso MnL, expresados en peso, tales que %MnL + 9,7 %Cl s 21,66.
3. Chapa de acero según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizada porque el contenido nominal de silicio de dicho acero es inferior o igual al 0,6 %.
4. Chapa de acero según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el contenido nominal de nitrógeno de dicho acero es inferior o igual al 0,050 %.
5. Chapa de acero según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque el contenido nominal de aluminio de dicho acero es inferior o igual al 0,030 %.
6. Chapa de acero según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque el contenido nominal de fósforo de dicho acero es inferior o igual al 0,040 %.
7. Procedimiento de fabricación de una chapa laminada en caliente de acero austenítico de hierro-carbonomanganeso cuya resistencia es superior a 1400 MPa, cuyo producto P ((resistencia (MPa) * elongación a la rotura (%)) es superior a 50000 MPa%, según el cual se elabora un acero cuya composición nominal comprende, estando los contenidos expresados en peso:
0,85 % < C < 1,05 %
16 % < Mn < 19 %
Si < 2 %
Al < 0,050 %
S < 0,030 %
P < 0,050 %
N < 0,1 %,
y opcionalmente, uno o varios elementos elegidos entre
Mo < 1,50%
Ni < 1 %
Cu < 5 %
Ti < 0,50%
Nb < 0,50%
V < 0,50 %,
estando el resto de la composición constituido por hierro e impurezas inevitables que proceden de la elaboración, - se procede a la colada de un semiproducto a partir de este acero
- se lleva dicho semiproducto de dicha composición de acero a una temperatura comprendida entre 1100 y 1300 °C, - se lamina dicho semiproducto hasta una temperatura de fin de laminado superior o igual a 900 °C, - se observa en caso necesario un tiempo de espera de tal manera que la fracción de superficie recristalizada del acero sea igual al 100 %,
- se enfría dicha chapa a una velocidad superior o igual a 20 °C/s,
- se bobina dicha chapa a una temperatura inferior o igual a 400 °C,
- se aplica, en dicha chapa laminada en caliente, enfriada después del bobinado y desenrollada, una deformación en frío con una tasa de deformación equivalente superior o igual al 13 % e inferior o igual al 17 %.
8. Procedimiento de fabricación de una chapa laminada en frío y recocida de acero austenítico de hierrocarbono-manganeso, cuya resistencia es superior a 1250 MPa, cuyo producto P (resistencia (MPa) x elongación a la rotura (%)) es superior a 60000 MPa%, caracterizado porque:
se proporciona una chapa laminada en caliente enfriada y bobinada obtenida por el procedimiento según la reivindicación 7
se efectúa al menos un ciclo, de manera que cada ciclo consiste en:
- laminar en frío dicha chapa en uno o varios pases sucesivos,
- efectuar un recocido de recristalización,
siendo el tamaño medio de grano austenítico antes del último ciclo de laminado en frío seguido de un recocido de recristalización inferior a 15 micrómetros.
9. Procedimiento de fabricación de una chapa laminada en frío de acero austenítico de hierro-carbonomanganeso cuya resistencia es superior a 1.400 MPa, cuyo producto P (resistencia (MPa) x elongación a la rotura (%)) es superior a 50000 MPa%, caracterizado porque:
- se proporciona una chapa laminada en caliente enfriada y bobinada obtenida por el procedimiento según la reivindicación 7 - se efectúa al menos un ciclo, de manera que cada ciclo consiste en:
- laminar en frío dicha chapa en uno o varios pases sucesivos,
- efectuar un recocido de recristalización, siendo el tamaño medio de grano austenítico antes del último ciclo de laminado en frío seguido de un recocido de recristalización inferior a 15 micrómetros;
- se efectúa, después del recocido final de recristalización, una deformación en frío con una tasa de deformación equivalente superior o igual al 6 %, e inferior o igual al 17 %.
10. Procedimiento de fabricación de una chapa laminada en frío de acero austenítico de hierro-carbonomanganeso cuya resistencia es superior a 1400 MPa, cuyo producto P (resistencia (MPa) x elongación a la rotura (%)) es superior a 50000 MPa%, caracterizado porque se proporciona una chapa laminada en frío y recocida según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6 y porque se efectúa una deformación en frío de dicha chapa con una tasa de deformación equivalente superior o igual al 6 %, e inferior o igual al 17 %.
11. Procedimiento de fabricación de una chapa de acero austenítico según una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10 caracterizado porque las condiciones de colada o de recalentamiento de dicho semiproducto, tales como la temperatura de colada de dicho semiproducto, la agitación del metal líquido por fuerzas electromagnéticas, conduciendo las condiciones de recalentamiento a una homogeneización del carbono y del manganeso por difusión, se eligen para que, en cualquier punto de dicha chapa, el contenido local de carbono CL y el contenido local de manganeso MnL, expresados en peso, sean tales que: %MnL + 9,7 %Cl s 21,66.
12. Procedimiento de fabricación según una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, caracterizado porque la colada de dicho semiproducto se efectúa en forma de colada de piezas en bruto o de bandas finas entre cilindros de acero contrarrotatorios.
13. Uso de una chapa de acero austenítico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, para la
fabricación de piezas de estructura, elementos de refuerzo o piezas exteriores, en el campo de la automoción.
14. Uso de una chapa de acero austenítico fabricada por medio de un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 12 para la fabricación de piezas de estructura, elementos de refuerzo o piezas exteriores, en el campo de la automoción.
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