ES2925948T3 - Piezas forjadas de acero inoxidable altamente aleado elaboradas sin recocido en solución - Google Patents

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Abstract

El paso de recocido de solución posterior al forjado que normalmente se lleva a cabo en forjados en caliente hechos de metales altamente aleados puede eliminarse mientras se evita la formación de fases intermetálicas nocivas adoptando una serie de características separadas en relación con la forma en que se realiza el forjado. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Piezas forjadas de acero inoxidable altamente aleado elaboradas sin recocido en solución
Antecedentes
Los metales altamente aleados, es decir, las aleaciones metálicas que contienen cantidades sustanciales de elementos metálicos adicionales distintos de sus elementos metálicos de base, presentan muchas propiedades deseables, incluidas resistencia general y resistencia a la corrosión superiores.
La Fig. 1 ilustra diagramas isotérmicos de tiempo-temperatura-transformación (TTT) para tal aleación, en particular, un acero inoxidable dúplex AISI-2205. Cuando tal aleación se mantiene en condiciones de tiempo y temperatura dentro de la envolvente de su curva de TTT particular, los elementos individuales que forman la aleación tienden a segregarse unos de otros, combinándose algunos de estos elementos entre sí para formar fases intermetálicas discretas. Por tanto, cada curva en la Fig. 1 muestra la cantidad (es decir, el 1 %, el 3 %, el 5 % y el 10 %) de la fase sigma intermetálica nociva que se formará en esta aleación cuando se mantenga a una temperatura particular durante un tiempo particular. Por ejemplo, la Fig. 1 muestra que el mantenimiento de esta aleación a una temperatura de aproximadamente 860 °C durante un periodo de estabilización de aproximadamente 2 minutos conduce a la precipitación del 1 % de la fase sigma en la aleación. Del mismo modo, el mantenimiento de esta aleación a esta misma temperatura durante aproximadamente 7 minutos provoca la formación de una fase sigma del 5 %.
La extrapolación de la parte superior de las curvas de TTT a tiempos muy largos produce una temperatura crítica superior por encima de la que las fases intermetálicas no son termodinámicamente estables. La extrapolación de la parte inferior de las curvas de TTT a tiempos muy largos conduce a una temperatura crítica más baja por debajo de la que no se forman fases intermetálicas por razones cinéticas. El intervalo de temperatura definido por las temperaturas críticas superior e inferior se denomina intervalo de temperatura crítico para la formación de fases intermetálicas. Si la aleación se mantiene a una temperatura por encima del intervalo crítico, todos los elementos de la aleación, incluyendo aquellos que ya están presentes en las fases intermetálicas, tienden a redistribuirse en una solución sólida uniforme. Por otra parte, una vez que la aleación está a una temperatura por debajo del intervalo crítico, los elementos de la aleación están completamente inmóviles entre sí sin importar la cantidad de tiempo que se mantenga la aleación a esa temperatura.
La presencia de estas fases intermetálicas en una cantidad más que insignificante resulta perjudicial para las propiedades de la aleación. Como resultado, una práctica convencional en la industria consiste en someter piezas forjadas en caliente elaboradas a partir de metales altamente aleados a un tratamiento de recocido en solución posterior a la forja. El recocido en solución implica calentar una aleación hasta, y mantener la aleación a, una temperatura elevada por encima de la temperatura crítica superior para la formación de fases intermetálicas. Como resultado, los elementos atómicos que han formado las fases intermetálicas vuelven a entrar en solución sólida con todos los demás elementos de la aleación. Después de eso, la aleación se enfría rápidamente a través de su intervalo de temperatura crítica de modo que se evite o al menos minimice la formación de estas fases intermetálicas.
Esto se ilustra en la Fig. 2, que muestra curvas de enfriamiento continuo, o "curvas de CCT", para esta aleación. Por ejemplo, la Fig. 2 muestra que, si tal aleación se enfría de 950 °C a por debajo de 600 °C de acuerdo con el régimen de enfriamiento representado mediante la línea continua en esta figura, esta desarrollará aproximadamente el 1 % de fase sigma nociva. Por otro lado, si la aleación se enfría mediante los regímenes de enfriamiento representados mediante las otras líneas en esta figura, esta desarrollará aproximadamente el 3 %, el 5 % o incluso el 10 % de esta fase sigma nociva, dependiendo de la velocidad de enfriamiento que se siga.
Debido al tiempo y la complejidad implicados, el recocido en solución posterior a la forja es costoso. Además, este también puede conducir a diversos problemas técnicos y comerciales, tales como una oxidación de la superficie, propiedades mecánicas inferiores debido al crecimiento del grano, un tiempo y coste de producción adicionales y un impacto medioambiental negativo, incluyendo el consumo de energía y agua de enfriamiento. Por consiguiente, resultaría deseable eliminar por completo el recocido en solución posterior a la forja, si fuese posible.
El documento US 4.721.600 se dirige a un método para el trabajado en caliente de determinadas aleaciones ferrosas de fase dúplex mientras se encuentran en una condición superplástica. Los documentos US 2014/0255719 y US 2014/0238552 se refieren a la forja de aceros altamente aleados mientras se evita la formación intermetálica.
Sumario
De conformidad con la presente invención, que se facilita en las reivindicaciones, se ha hallado que se puede eliminar la etapa de recocido en solución posterior a la forja que normalmente se lleva a cabo en las piezas forjadas en caliente elaboradas a partir de metales altamente aleados y, al mismo tiempo, evitar los problemas asociados con las fases intermetálicas perjudiciales mediante la adopción de varias características específicas en relación con la forma en que se ha elaborado la pieza forjada.
Por tanto, la presente invención, que se facilita en las reivindicaciones, proporciona un proceso para la elaboración de una pieza forjada en caliente a partir de un metal altamente aleado que comprende (1) seleccionar como palanquilla a forjar únicamente aquellas palanquillas que están esencialmente libres de fases intermetálicas perjudiciales, (2) calentar la palanquilla hasta su temperatura de forja de manera que la palanquilla calentada esté libre o esencialmente libre de fases intermetálicas nocivas, (3) llevar a cabo la forja de manera que no se formen fases intermetálicas en la totalidad de la palanquilla y (4) enfriar la pieza forjada así obtenida lo suficientemente rápido como para evitar sustancialmente la formación de cualquier fase intermetálica.
Descripción detallada
Definiciones
A menos que resulte evidente por el contexto, los siguientes términos y expresiones usadas en la presente divulgación tendrán los siguientes significados:
El término "palanquilla" significa la pieza de metal sobre la que se llevan a cabo las etapas de forja del proceso de la invención. Normalmente, se obtiene una palanquilla mediante la subdivisión de una pieza de material de forja en secciones de un tamaño adecuado.
La expresión "material de forja" significa un producto metálico que se ha obtenido mediante el sometimiento de un lingote a una o más operaciones de trabajado del metal, tales como laminación en caliente o en frío, forja o similares, para reducir su dimensión de espesor. En muchos casos, el material de forja estará en forma de una varilla, una barra o una tira cuya longitud es muchas veces su espesor.
La expresión "metal altamente aleado" significa una aleación metálica que se forma a partir de un metal de base, tal como Fe o Ni, y que incluye una cantidad sustancial de uno o más elementos metálicos de tal manera que la aleación metálica tiende a formar fases intermetálicas cuando se calienta hasta temperatura elevada.
La expresión "pieza forjada en caliente" significa un producto metálico cuya forma se ha obtenido, al menos en parte, sometiendo una palanquilla de metal que se ha calentado hasta una temperatura de forja por encima de la temperatura crítica superior para la formación de fases intermetálicas a fuerzas de compresión localizadas sustanciales. Estas fuerzas de compresión localizadas sustanciales normalmente se aplican mediante un martillo u otro utensilio adecuado, pero también se pueden aplicar mediante la deformación de la palanquilla entre dos troqueles cerrados acoplados. Las operaciones específicas de forja incluyen forja por laminación, estampación en caliente, laminado de lingotes, forja con estampa abierta, forja con estampa cerrada, forja con estampa de impresión, forja en prensa, forja automática en caliente, forja radial y forja por recalcado.
El término "lingote" significa el producto metálico obtenido cuando se solidifica un metal fundido. Cuando tal producto se cuela continuamente, se entenderá que el "lingote" incluye secciones longitudinales de tal producto. El "lingote" está destinado a distinguir los productos que se obtienen mediante la reducción del espesor de un lingote mediante algún tipo de procedimiento de trabajado en caliente o en frío, tal como laminado en caliente o en frío, forja y similares.
La expresión "sustancialmente libre de fases intermetálicas" significa una concentración de fases intermetálicas en un producto metálico que es tan pequeña que no afecta negativamente a las propiedades del producto metálico de ninguna manera significativa. La mayoría de los productos metálicos comerciales, incluyendo los productos intermedios, se elaboran para que tengan un conjunto deseado de propiedades, como se determina mediante las especificaciones del producto, para ese producto metálico en particular. Se entenderá que un producto metálico que está sustancialmente libre de fases intermetálicas significa un producto metálico que, aunque contenga fases intermetálicas nocivas que afecten negativamente a sus propiedades, contiene estas fases intermetálicas nocivas en concentraciones que son tan pequeñas que el producto metálico sigue cumpliendo con sus especificaciones de producto.
Metales altamente aleados
El proceso de forja de la invención se lleva a cabo en palanquillas altamente aleadas de estructuras de fases dúplex austeníticas o austenítico-ferríticas y aleaciones basadas en níquel que contienen al menos el 2 % en peso de Mo y al menos el 18 % en peso de Cr.
Por tanto, en una realización, el proceso de forja de la invención se lleva a cabo en aleaciones de base ferrosa que contienen cantidades significativas de elementos metálicos adicionales distintos del Fe.
Los aceros de particular interés en este sentido son aquellos que presentan un valor de CP de 500 o más. El valor de CP es una indicación relativa de la cinética de precipitación de las fases intermetálicas en una aleación. Este se describe en el documento US 5.494.636. El valor de CP de una aleación se puede calcular usando la siguiente fórmula, en donde los porcentajes son porcentajes en peso basados en el peso total de la aleación:
CP =20x % de Cr 0,3 % de Ni+ 30x % de Si 40x % de Mo 5x % de W 10 % de Mn 50x % de C - 200 % de N.
Las aleaciones que tienen valores de CP de menos de 500 no son especialmente propensas a desarrollar rápidamente fases intermetálicas nocivas cuando se calientan hasta temperaturas elevadas. Por otro lado, aquellas que presentan valores de CP de 500 a 700 muestran cierta tendencia a hacerlo, mientras que aquellas que presentan valores de CP de 700 a 750 son incluso más propensas a hacerlo. Por otra parte, las aleaciones que tienen valores de CP de 750 a 800, y por encima, son especialmente propensas a desarrollar estas fases intermetálicas nocivas cuando se calientan hasta temperaturas elevadas. De conformidad con la presente invención, las palanquillas elaboradas a partir de todas estas aleaciones y especialmente aquellas que presentan valores de CP de 500 a 700, de 701 a 750 y de 751 a 800, y por encima, se pueden usar como materia prima para el proceso de la invención para elaborar piezas forjadas en caliente que presenten pocas o ninguna fase intermetálica nociva, aunque tales piezas forjadas se hayan elaborado sin un recocido en solución posterior a la forja.
Resultan de especial interés, en este sentido, los aceros superinoxidables, es decir, los aceros inoxidables que contienen de aproximadamente el 19 al 26 % en peso de Cr y del 3 al 8 % en peso de Mo.
Básicamente, existen dos tipos de aceros superinoxidables, aquellos que presentan una estructura de fase austenítica y aquellos que presentan una estructura de fase dúplex. Los aceros superinoxidables que presentan una estructura de fase austenítica normalmente contienen de aproximadamente el 19 al 25 % en peso de Cr y del 5 al 8 % en peso de Mo y, a veces, se denominan "aleaciones 6-Moly superausteníticas". Los ejemplos de tales aceros incluyen AISI-N08367 (aleación 6XN o AL6XN), AISI-S31254 (aleación 254), AISI-N08925 (aleación 1925hMo) y AISI-S31266 (aleación B66). Los aceros superinoxidables que presentan una estructura de fase dúplex normalmente contienen de aproximadamente el 24 al 26 % en peso de Cr y del 3 al 5 % en peso de Mo y, a veces, se denominan aceros inoxidables "superdúplex". Los ejemplos de tales aceros incluyen AISI-S32750 (aleación 2507) y AISI-S32760 (aleación Zeron 100).
Las aleaciones metálicas adicionales sobre las que se puede llevar a cabo el proceso de forja de la invención son las aleaciones basadas en níquel que contienen al menos aproximadamente el 2 % en peso de Mo y al menos el 18 % en peso de Cr. Los ejemplos específicos incluyen aleaciones AISI-N0820 (aleación C20 o "Carpenter 20"), AISI-N08031 (aleación 31) y AISI-N08825 (aleación 825).
Otras aleaciones más sobre las que se puede llevar a cabo el proceso de forja de la invención son las aleaciones "7-Moly superausteníticas", ejemplos de las cuales incluyen AISI-S32654 (aleación 654) y AISI-S531277 (aleación 27-7Mo), los aceros inoxidables "austeníticos altamente aleados", tales como AISI-N08904 (aleación 904L), las aleaciones "dúplex aplásticas", tales como AISI-532101 (aleación LDX 2101), las aleaciones dúplex regulares, tales como AISI-S32205 (aleación 2205), las aleaciones "hiperdúplex", tales como AISI-S33207 (aleación SAF 3207), y los aceros inoxidables austeníticos "convencionales" muy conocidos, tales como AISI-S31600 (aleación 316) y AISI-S31700 (aleación 317).
Finalmente, también resultan de especial interés todas las aleaciones identificadas en la norma ASTM A182 que se dice que requieren recocido en solución. Véase, especialmente, la Tabla 1 de este método de ensayo de la ASTm .
Material de partida
De conformidad con la presente invención, se ha hallado que las piezas forjadas en caliente elaboradas a partir de metales altamente aleados que presentan una combinación deseable de propiedades, incluyendo una resistencia mecánica y resistencia a la corrosión superiores, se pueden producir sin someter la pieza forjada a un recocido en solución después de que se haya elaborado, como se creía necesario anteriormente, mediante la adopción de varias características separadas en relación con la forma en que se elabora la pieza forjada.
La primera de estas características, que se puede considerar opcional, pero sigue siendo importante, se refiere a la manera en la que se selecciona la palanquilla sobre la que se lleva a cabo el proceso de la invención. De conformidad con esta característica, únicamente se seleccionan para este fin aquellas palanquillas que están esencialmente libres de fases intermetálicas perjudiciales.
Como se ha indicado anteriormente en relación con la Fig. 1, cuando un metal altamente aleado, tal como un acero inoxidable dúplex, se mantiene dentro de su intervalo de temperatura crítico durante un tiempo suficientemente largo (es decir, dentro de la envolvente definida mediante su curva de TTT particular), algunos de los elementos que forman la aleación se combinarán entre sí para formar fases intermetálicas discretas. Estas fases intermetálicas, si están presentes en cantidades más que insignificantes, son la razón subyacente por la que una pieza forjada en caliente elaborada a partir de tal aleación presenta unas propiedades deficientes si esta no se ha recocido en solución después de la forja. Por lo tanto, parecería tener sentido comenzar con una palanquilla que esté libre o esencialmente libre de estas fases intermetálicas nocivas.
Sin embargo, en algunos casos en la práctica comercial, el material de forja obtenido a partir de una fundición no está necesariamente en un estado completamente recocido en solución. En muchas aleaciones, las temperaturas elevadas comúnmente usadas para trabajar en caliente un lingote, o para laminar en caliente un material de barra, de la aleación en el material de forja son aproximadamente las mismas que las temperaturas elevadas necesarias para el recocido en solución de la aleación. Además, una práctica común en la fundición consiste en enfriar rápidamente el material de forja como parte de su operación de fabricación. Como resultado, se puede hacer la suposición de que el material de forja obtenido estará libre o sustancialmente libre de fases intermetálicas nocivas.
Sin embargo, las temperaturas de trabajado en caliente realmente usadas en operaciones de fundición particulares pueden ser menores que la temperatura mínima requerida para lograr un recocido en solución eficaz. Además, el enfriamiento rápido puede no haber sido lo suficientemente rápido. Por tanto, existe el riesgo real de que tal material de forja que no se ha recocido en solución por separado contenga cantidades sustanciales de fases intermetálicas nocivas, dado que su historial térmico puede haber sido insuficiente para retirar todos estos materiales.
En otros casos en la práctica comercial, el material de forja se recuece en solución en la fundición antes de enviarse al cliente. A veces, la fundición simplemente le asegura al cliente que este material de forja esté libre de fases intermetálicas nocivas porque se recoció en solución antes de enviarse. Sin embargo, en estas situaciones, sigue existiendo el riesgo de que el proceso de recocido en solución realmente llevado a cabo fuera insuficiente para retirar todas o esencialmente todas las fases intermetálicas nocivas que podrían haber estado presentes.
En otros casos más en la práctica comercial, la fundición proporciona al cliente un análisis certificado de la composición, las propiedades y las estructura de fases del material de forja que se suministra basándose en ensayos analíticos reales llevados a cabo en esta pieza de material de forja particular o en muestras representativas de este material de forja. En estas situaciones, el riesgo de que el material de forja recibido siga conteniendo fases intermetálicas nocivas es menor.
De conformidad con esta primera característica de la invención, se tiene cuidado de asegurar que se seleccionen únicamente aquellas palanquillas que estén esencialmente libres de fases intermetálicas perjudiciales para procesarse mediante el proceso de forja de la invención. En términos prácticos, esto no se puede hacer basándose únicamente en el historial de procesamiento de la fábrica y/o las garantías de la fundición en relación con el recocido en solución del material de forja a partir del que se derivan estas palanquillas. Más bien, se necesitan una o más etapas adicionales para concluir que este material de forja y, por tanto, las palanquillas derivadas de este material de forja están, de hecho, libres o esencialmente libres de estas fases intermetálicas nocivas.
De conformidad con una de estas etapas adicionales, un análisis certificado de la estructura de fases de la palanquilla, el material de forja del que se deriva la palanquilla o al menos unas muestras representativas de este material de forja son necesarias antes de que se pueda suponer que la palanquilla seleccionada para su uso en el proceso de forja en caliente de la invención está, de hecho, libre o esencialmente libre de fases intermetálicas nocivas. El equipo que lleva a cabo el proceso de forja en caliente inventivo puede, en sí mismo, obtener tal análisis certificado. Adicionalmente, o como alternativa, el equipo que lleva a cabo el proceso de forja en caliente de la invención también se puede basar en tal análisis certificado obtenido a partir de su fundición/proveedor en aquellas circunstancias en las que el equipo considere razonable basarse en la información recibida de su proveedor de fundición.
Independientemente del procedimiento particular adoptado, es importante que se seleccione el material de partida del proceso de la invención, es decir, la palanquilla sobre la que se practica el proceso de forja en caliente de la invención, que esté libre o esencialmente libre de las fases intermetálicas nocivas que dan lugar a unas propiedades de aleación deficientes en el producto de forja en caliente final producido.
En determinadas realizaciones de la presente invención, otra etapa más que se puede adoptar para ayudar a asegurar que las piezas forjadas en caliente producidas mediante el proceso de la invención estén libres o esencialmente libres de fases intermetálicas nocivas consiste en restringir el espesor máximo de la pieza forjada en caliente que se produce. Debido a las restricciones de transferencia de calor inherentes, cuanto más grande se vuelve una pieza forjada, más difícil resulta enfriar rápidamente su núcleo. Lo que esto significa en términos prácticos es que, a medida que se vuelve más grande el espesor de una pieza forjada, resulta más difícil o incluso imposible el enfriamiento del núcleo de la pieza forjada después de un recocido en solución lo suficientemente rápido como para evitar que se formen fases intermetálicas. Por tanto, en algunas realizaciones de la presente invención, el espesor o diámetro máximo de la pieza forjada que se está elaborando se restringe a un valor que es lo suficientemente pequeño como para evitar que se produzca este problema de transferencia de calor.
Por consiguiente, en estas realizaciones de la invención, el espesor o diámetro máximo de la pieza forjada en caliente que se está elaborando se restringe a 12 centímetros, 9 centímetros, 6 centímetros, 5 centímetros, 4 centímetros o incluso 3 centímetros.
Calentamiento de la palanquilla
Otra característica del proceso de la invención se refiera a la manera en la que se calienta la palanquilla hasta su temperatura de forja.
La Fig. 3 es un diagrama de historial térmico que ilustra la relación entre el tiempo y la temperatura en la fabricación de un producto forjado en caliente. Para proporcionar una mayor exhaustividad, la Fig. 3 incluye la etapa de recocido en solución que normalmente se lleva a cabo en el material de forja en la fundición para asegurar que esté libre o esencialmente libre de fases intermetálicas nocivas, como se ha analizado en la sección anterior de la presente divulgación. Además, para los fines de esta ilustración, se supone que este material de forja se ha derivado de un lingote (o un producto intermedio producido mediante trabajado en caliente del lingote para reducir su espesor) que se ha dejado enfriar hasta temperatura ambiente.
Comenzando en el punto 20 en el que el material de forja está a temperatura ambiente o próxima a ella, el material de forja se somete a un procedimiento de recocido en solución en el que, en primer lugar, se calienta hasta el punto 22, que está por encima del intervalo de temperatura crítico (CTR, por sus siglas en inglés) de la aleación. A continuación, se mantiene a esta temperatura durante un periodo de tiempo adecuado para asegurar que todas o esencialmente todas las fases intermetálicas nocivas que puedan estar presentes en la aleación se vuelvan a disolver. En ese momento, cuando se llega al punto 24, el material de forja, a continuación, se templa rápidamente, habitualmente mediante contacto con agua u otro líquido de enfriamiento, descendiendo hasta la temperatura ambiente en el punto 26. Como se puede observar a partir de esta figura, durante este procedimiento de temple rápido, el material de forja pasa una determinada cantidad de tiempo, indicado mediante At1 , en el intervalo de temperatura crítico (CTR) de la aleación.
Como se ha analizado en la sección anterior de la presente divulgación, se tiene cuidado de asegurar que las palanquillas sobre las que se lleva a cabo el proceso de la invención estén libres o esencialmente libres de fases intermetálicas perjudiciales. Lo que esto significa en términos del material de forja ilustrado en la Fig. 3 es que el periodo de tiempo en el que la aleación se mantiene por encima de su intervalo de temperatura crítico (CTR), representado mediante la línea que se extiende entre los puntos 22 y 24, es lo suficientemente largo como para volver a disolver cualquier fase intermetálica nociva que pudiera haber estado originalmente presente en este material de forja y, además, que At1 es lo suficientemente corto como para que esencialmente no se formen fases intermetálicas perjudiciales a medida que este material de forja se enfría a través de su intervalo de temperatura crítico (CTR).
Volviendo ahora a la etapa de calentamiento del proceso de la invención, esta etapa de calentamiento se representa mediante la línea que se extiende entre los puntos 28 y 30 en la Fig. 3. De conformidad con esta segunda característica del proceso de la invención, esta etapa de calentamiento se realiza de manera que cuando se complete esta etapa de calentamiento, que normalmente será cuando la palanquilla calentada se retire de la fuente de calentamiento usada para llevar a cabo esta etapa de calentamiento, la palanquilla calentada obtenida esté libre o esencialmente libre de fases intermetálicas nocivas.
Preferentemente, esto se hace mediante el calentamiento de la palanquilla hasta su temperatura de forja lo más rápido posible, al menos durante el periodo de tiempo en el que la palanquilla permanece dentro de su intervalo de temperatura crítico, que se indica mediante At2 en esta figura. Para este fin, el calentamiento se realizará normalmente mediante calentamiento por resistencia o inducción, dado que el calentamiento radiante dentro de un horno es demasiado lento. El calentamiento de la palanquilla lo más rápido posible mientras se encuentra en su intervalo de temperatura crítico minimiza en gran medida y normalmente elimina por completo o al menos esencialmente por completo cualquier formación de fases intermetálicas nocivas durante este periodo de tiempo.
En la práctica comercial actual, como se ha indicado anteriormente, en muchos casos, resulta incierto si la palanquilla que se usa está libre o esencialmente libre de fases intermetálicas nocivas. Por esta razón, no resulta raro que estas palanquillas se calienten hasta temperaturas de forja con bastante lentitud, ya que esto evita el agrietamiento durante el calentamiento de las palanquillas que contienen estas fases intermetálicas en cualquier cantidad significativa. De hecho, un fabricante recomienda expresamente que al menos uno de sus productos metálicos altamente aleado, el acero inoxidable superdúplex 2507, se caliente lentamente por esta razón. Véase, http://smt.sandvik.com/en/materialscenter/material-datasheets/billets/sandvik-saf-2507/. Durante este calentamiento lento, se formarán fases intermetálicas adicionales cuando la palanquilla se encuentre dentro de su intervalo de temperatura crítico.
A diferencia de este enfoque, en el proceso de la invención, la palanquilla se calienta lo más rápido posible para evitar la formación de cualquier cantidad nueva de fases intermetálicas nocivas en la mayor medida posible. La razón principal por la que esto se puede hacer es porque el material de partida de la palanquilla sobre el que se lleva a cabo el proceso de forja en caliente de la invención está libre o esencialmente libre de estas fases intermetálicas, como se ha analizado en la sección anterior de la presente divulgación. Como resultado, la palanquilla calentada obtenida cuando se ha completado esta etapa de calentamiento sigue estando libre o esencialmente libre de fases intermetálicas nocivas.
Una segunda forma en la que se puede llevar a cabo esta etapa de calentamiento para producir una palanquilla calentada que esté libre o esencialmente libre de fases intermetálicas nocivas cuando se retire de su fuente de calentamiento consiste en continuar el calentamiento de la palanquilla por encima de su intervalo de temperatura crítico durante el tiempo suficiente como para volver a disolver cualquier fase intermetálica nociva que pueda estar presente. Por ejemplo, el mantenimiento de la temperatura de la palanquilla por encima de la temperatura crítica superior para la formación de fases intermetálicas durante un periodo de tiempo más largo que el periodo de tiempo durante el que la palanquilla se encontraba dentro del intervalo de temperatura crítico de la aleación durante el calentamiento de la palanquilla, generalmente, asegurará que se elimine cualquier fase intermetálica nociva que se pudiera haber formado durante el calentamiento antes de que comience la etapa de forja. Aunque esta segunda forma de calentamiento requiere tiempo y calentamiento adicionales, no obstante, también resulta eficaz para producir palanquillas calentadas que estén libres o esencialmente libres de fases intermetálicas nocivas.
Forja de la palanquilla
En la siguiente etapa del proceso de forja en caliente de la invención, la palanquilla calentada se convierte en una pieza forjada mediante la aplicación de un trabajado en caliente sustancial. Esto se puede hacer mediante cualquier técnica de trabajado en caliente conocida, incluyendo forja por laminación, estampación en caliente, laminado de lingotes, forja con estampa abierta, forja con estampa cerrada, forja con estampa de impresión, forja en prensa, forja automática en caliente, forja radial y forja por recalcado.
En la Fig. 3, esta etapa de forja se representa mediante la línea que se extiende de los puntos 30 a 32. Como se muestra en la misma, esta etapa de forja comienza en el punto 30, cuando la palanquilla calentada se retira de su fuente de calentamiento, y termina en el punto 32, cuando comienza el enfriamiento rápido de la pieza forjada producida. De conformidad con otra característica más del proceso de forja en caliente de la invención, esta etapa de forja en caliente se realiza de tal manera que no se forman fases intermetálicas en la palanquilla/pieza forjada durante esta etapa o al menos en el núcleo de esta palanquilla/pieza forjada. Esto, a su vez, se logra mediante el aseguramiento de que la temperatura de esta palanquilla/pieza forjada o al menos su núcleo no descienda por debajo del límite superior de su intervalo de temperatura crítico (CTR) en ningún momento durante toda esta etapa de forja.
En la práctica comercial, esta etapa de forja normalmente implica varias operaciones diferentes, incluyendo la retirada de la palanquilla de su fuente de calentamiento, la transferencia de la palanquilla calentada al aparato de forja, la forja en caliente de la palanquilla, la retirada de la pieza forjada así formada del aparato de forja, la transferencia de la pieza forjada a su estación de enfriamiento rápido y el inicio de la operación de enfriamiento rápido. Por diversas razones, incluyendo largas operaciones de forja, grandes piezas forjadas y procesamientos ineficaces, la finalización de esta etapa de forja puede tardar varias decenas de minutos hasta horas o incluso más. Sin embargo, como se ilustra en la Fig. 3, tan pronto como se retira la palanquilla de su fuente de calentamiento en el punto 30, esta comienza a enfriarse rápidamente. Como resultado, no resulta raro en la práctica convencional que la temperatura de la palanquilla/pieza forjada o al menos una parte sustancial de la palanquilla/pieza forjada descienda por debajo del límite superior de su intervalo de temperatura crítico (CRT) durante un periodo de tiempo no insignificante.
Si ocurre esto, en algunos casos en la práctica convencional, no se hace nada, basándose en la idea de que cualquier fase intermetálica nociva que se haya introducido en este momento se puede retirar mediante el recocido en solución posterior que siempre se realiza en estos productos. Más comúnmente, sin embargo, la pieza forjada se recalienta para provocar que al menos algunas de las fases intermetálicas nocivas que se han formado se vuelvan a disolver antes de que comience el enfriamiento rápido.
De conformidad con esta característica del proceso de la invención, esta práctica convencional de basarse en el recocido en solución posterior y/o el recalentamiento de la palanquilla/pieza forjada durante su etapa de forja se evita por ser innecesaria, ya que el mantenimiento de la temperatura de la palanquilla/pieza forjada por encima del límite superior de su intervalo de temperatura crítico (CRT) en todo momento durante toda esta etapa de forja asegura que no se formen fases intermetálicas nocivas durante este tiempo.
En teoría, la forma más sencilla de asegurar que la temperatura de la palanquilla/pieza forjada permanezca por encima del límite superior de su intervalo de temperatura crítico (CRT) en todo momento durante toda esta etapa de forja parecería consistir en controlar la temperatura de la palanquilla en diversos momentos y/o fases de esta etapa de forja. En la práctica, sin embargo, esto puede resultar poco práctico por una diversidad de razones. Por lo tanto, en términos de control de procesos, la forma más fácil de asegurar que la temperatura de la palanquilla/pieza forjada permanezca en este nivel deseado consiste en controlar el tiempo entre el inicio y el final de esta etapa de forja, es decir, el periodo de tiempo que transcurre entre los puntos 30 y 32 de la Fig. 3. Además de controlar este transcurso de tiempo, en algunas realizaciones de la presente invención, la temperatura de la palanquilla en el punto 30, es decir, la temperatura de la palanquilla cuando sale de la fuente de calentamiento en la que se calentó durante la etapa de calentamiento mencionada anteriormente, también se puede controlar.
En este sentido, para cada pieza forjada en caliente particular que se elabore, el tiempo que tardará en enfriarse la palanquilla/pieza forjada, después de dejar su fuente de calentamiento, hasta una temperatura definida mediante el límite superior de su intervalo de temperatura crítico (CRT), se puede calcular fácilmente. Por lo tanto, la forma más fácil de asegurar que la temperatura de la palanquilla/pieza forjada permanezca por encima de este límite superior en todo momento durante toda la etapa de forja consiste en asegurarse de que el temple rápido de la pieza forjada comience antes de que haya transcurrido este periodo de tiempo.
Por tanto, se contempla que toda la etapa de forja del proceso de la invención, de principio a fin, se llevará a cabo en menos de 3 minutos, más comúnmente en menos de 2 minutos, menos de 90 segundos, menos de 75 segundos, menos de 60 segundos, menos de 45 segundos o menos de 30 segundos. Por supuesto, llevar a cabo esta etapa tan rápido normalmente requiere que la palanquilla/pieza forjada sea bastante pequeña, en la práctica, que es el caso de muchas piezas forjadas en caliente elaboradas a partir de los metales fuertemente aleados contemplados en la presente invención.
En este sentido, los metalúrgicos expertos entienden que, debido a las limitaciones de transferencia de calor inherentes, la velocidad a la que se calienta o enfría el núcleo de una pieza de trabajo de metal es normalmente más lenta que la velocidad a la que se calienta o enfría la superficie de la pieza de trabajo. Además, los metalúrgicos expertos entienden mejor que esta diferencia aumenta a medida que aumenta el tamaño de la pieza de trabajo. Además, los metalúrgicos expertos también entienden que un martillo de forja u otro utensilio de trabajado en caliente puede actuar como disipador térmico, en efecto, absorbiendo rápidamente el calor latente de las superficies particulares de una palanquilla que se golpean mediante estos utensilios, provocando, de este modo, que estas superficies de palanquilla se enfríen muy rápidamente. Por estas razones, los metalúrgicos expertos entienden que, en el proceso de la invención, como en muchos otros procesos metalúrgicos en los que una pieza de trabajo se calienta o se enfría, la temperatura del interior o del núcleo de las palanquillas/piezas forjadas que se procesan puede ser diferente de la temperatura en la superficie de esta palanquilla/núcleo.
Por consiguiente, resulta importante entender que, en la presente invención, cuando se dice que la temperatura de la palanquilla/pieza forjada permanece por encima del límite superior de su intervalo de temperatura crítico (CRT) en todo momento durante toda esta etapa de forja, no se quiere decir que cada parte de la palanquilla/pieza forjada permanezca siempre por encima de esta temperatura. Más bien, lo que se quiere decir es que resulta posible que la temperatura de alguna parte de la palanquilla/pieza forjada en algún momento durante la etapa de forja pueda descender por debajo de esta temperatura durante algún periodo de tiempo. Sin embargo, si esto sucede, no obstante, el tiempo durante el que esto se produce, así como la parte de la palanquilla/pieza forjada en la que se produce este descenso de temperatura, es tan pequeño que su efecto sobre el producto de forja en caliente obtenido es insignificante en el sentido de que este producto seguirá cumpliendo con las especificaciones aplicables del producto.
Por tanto, se apreciará que, en algunas realizaciones de la presente invención, especialmente cuando las piezas que se elaboran son pequeñas, la temperatura de todas las partes de la palanquilla/pieza forjada permanecerá por encima del límite superior del intervalo de temperatura crítico (CRT) en todo momento durante toda esta etapa de forja. Por el contrario, en otras realizaciones, especialmente cuando las piezas se vuelven más grandes, el núcleo de la palanquilla/pieza forjada permanecerá por encima del límite superior del intervalo de temperatura crítico en todo momento, al tiempo que algunas o todas las superficies externas de la forja de palanquilla pueden descender por debajo de esta temperatura durante periodos de tiempo que son demasiado cortos como para permitir que se formen fases intermetálicas nocivas en un grado significativo. También resulta posible que, en otras realizaciones más, incluso el núcleo de la palanquilla/pieza forjada puede descender por debajo de esta temperatura durante un periodo de tiempo muy corto. Sin embargo, esto probablemente se producirá únicamente cuando la palanquilla/pieza forjada sea muy pequeña y, además, resulta menos deseable que las otras realizaciones de la invención en las que la temperatura del núcleo, y preferentemente la temperatura de toda la palanquilla/pieza forjada, se mantiene por encima del límite superior del intervalo de temperatura crítico (CRT) en todo momento durante toda esta etapa de forja.
También se pueden usar otras etapas para el aseguramiento de que la temperatura de la palanquilla/pieza forjada permanezca por encima del límite superior de su intervalo de temperatura crítico (CRT) en todo momento durante toda la etapa de forja del proceso de la invención, incluyendo el mantenimiento del equipo usado para llevar a cabo esta etapa o al menos parte del mismo, a una temperatura elevada que sea lo suficientemente alta como para evitar un enfriamiento rápido de las condiciones ambientales.
Enfriamiento rápido
Una vez completada la etapa de forja del proceso de la invención, la pieza forjada obtenida se enfría rápidamente hasta una temperatura que está por debajo de su intervalo de temperatura crítico (CTR). De conformidad con otra característica más del proceso de la invención, esto se hace de una manera lo suficientemente rápida como para evitar que se formen fases intermetálicas en una cantidad significativa.
En la Fig. 3, esta etapa de enfriamiento rápido se representa mediante la línea que se extiende desde los puntos 32 a 34, aunque, en la práctica real, la pieza forjada normalmente se enfriará rápidamente hasta una temperatura cercana a la temperatura ambiente, como se representa mediante el punto 36. Como se muestra en la Fig. 3, esta etapa de enfriamiento rápido comienza en el punto 32, cuando la pieza forjada en caliente se pone en contacto por primera vez con un medio de enfriamiento y termina en el punto 34 cuando la pieza forjada en caliente se ha enfriado hasta una temperatura que está por debajo del límite inferior de su intervalo de temperatura crítico (CTR). De conformidad con esta característica del proceso de la invención, el enfriamiento de la pieza forjada en caliente en esta etapa de enfriamiento se logra de modo que el tiempo en el que la pieza forjada en caliente se encuentre dentro de su intervalo de temperatura crítico (CTR), que se indica mediante At3 en esta figura, sea tan corto que las fases intermetálicas nocivas no tengan la oportunidad de formarse, al menos en un grado significativo.
Esto se puede hacer de cualquier forma convencional, tal como mediante el contacto de la pieza forjada en caliente con agua u otro líquido de enfriamiento, ya sea mediante la inmersión de la pieza forjada en caliente en el líquido de enfriamiento, mediante el direccionamiento de chorros o pulverizaciones del líquido de enfriamiento a la pieza forjada en caliente u otro procedimiento adecuado.
En algunas realizaciones de la presente invención, esto se logra mediante la inmersión de cada pieza forjada en caliente en el líquido de enfriamiento individualmente o como una pequeña cantidad de piezas forjadas pequeñas que se han elaborado a partir de la misma palanquilla, en lugar de como una gran cantidad de piezas forjadas que habitualmente se templan juntas después del recocido en solución.
En este sentido, en la práctica convencional, la forma normal de templar rápidamente piezas forjadas en caliente que son de tamaño relativamente pequeño consiste en disponer un grupo de piezas forjadas en caliente en una bandeja o cesta u otro dispositivo de soporte y, a continuación, sumergir la bandeja y todo su contenido en el líquido de enfriamiento. Este enfoque inherentemente ralentiza el proceso de enfriamiento rápido, no solo por los retrasos que supone disponer un grupo de piezas forjadas en caliente en su bandeja/soporte, sino también porque el apretado empaquetamiento de las piezas forjadas en caliente entre sí más la masa de la bandeja u otro soporte reduce la capacidad calorífica eficaz del líquido de enfriamiento que toca las superficies de cada pieza forjada en caliente. Estos problemas se evitan si cada pieza forjada en caliente se sumerge individualmente en el líquido de enfriamiento, lo que acelera la velocidad a la que se produce el enfriamiento de cada pieza forjada.
Por tanto, de conformidad con esta característica del proceso de la invención, se contempla que cuando el proceso de la invención se lleve a cabo para elaborar múltiples piezas forjadas en caliente que sean relativamente pequeñas en el sentido de que no pesen más de 5 kg, no más de 3 kg, no más de 2,5 kg, no más de 2 kg, no más de 1,5 kg, no más de 1 kg o incluso no más de 0,5 kg, estas piezas forjadas en caliente se enfrían rápidamente mediante la inmersión de cada una en un charco de agua de enfriamiento u otro líquido individualmente. Normalmente, se elaborarán múltiples piezas forjadas en caliente de este tipo en serie, es decir, una tras otra, por lo que se contempla, además, que estas piezas forjadas en caliente individuales se sumerjan individualmente en el líquido de enfriamiento de la misma manera en serie, ya que esto no únicamente acelera la velocidad a la que se produce el enfriamiento, como se ha mencionado anteriormente, sino que también minimiza el tiempo de retraso entre la finalización de la pieza forjada y el inicio del enfriamiento rápido para cada pieza forjada.
En otras situaciones, se elaboran múltiples piezas forjadas a partir de la misma palanquilla, siendo múltiples palanquillas procesadas en serie para elaborar estas múltiples piezas forjadas en caliente. En esta situación, debido a que las múltiples piezas forjadas que se elaboran a partir de la misma palanquilla se elaboran esencialmente al mismo tiempo, el grupo de piezas forjadas elaboradas a partir de la misma palanquilla se puede enfriar rápidamente. Sin embargo, en este caso, sigue resultando preferible enfriar rápidamente cada grupo de tales piezas forjadas individualmente, en el orden en que se elabora cada grupo.
Proceso de la invención en su conjunto
A partir de lo anterior, se puede observar que se pueden formar fases intermetálicas nocivas durante cualquier fase de la fabricación de un producto forjado en caliente, empezando por cómo se procesa en la fundición el material de forja a partir del que se elabora el producto y terminando con cómo se enfría rápidamente el producto después de la forja. Además, a partir de lo anterior, también se puede observar que un aspecto importante del proceso de la invención consiste en que, en cada una de estas fases de fabricación, se tiene cuidado de eliminar o al menos minimizar la cantidad de estas fases intermetálicas nocivas que se forman.
Para este fin, se debe apreciar que lo que es más importante al llevar a cabo el proceso de la invención es que el producto forjado en caliente final obtenido esté libre o esencialmente libre de estas fases intermetálicas nocivas en el sentido de que cumpla con las especificaciones de producto aplicables. Por ejemplo, la particular aleación AISI-2205, cuyos diagramas de TTT y curvas de CCT se proporcionan en las Fig. 1 y 2, se puede convertir en una pieza forjada en caliente que sea adecuada para su uso en muchas aplicaciones (procesamiento químico, lavadores de gases, fábricas de pasta, lavadoras de blanqueo, procesamiento de alimentos, tuberías del campo petrolífero, etc.). Del mismo modo, se pueden producir piezas forjadas con una resistencia y una resistencia a la corrosión incluso mayores a partir de acero inoxidable superdúplex para el que las especificaciones pertinentes establecen que esta pieza forjada en caliente presenta una pérdida de peso de no más de 0,0004 g/cm2 y ninguna picadura, como se determina mediante la norma ASTM-G48, y un límite elástico al 0,2 % de al menos 551 MPa (80 ksi), según la norma ASTM-A182. Estos requisitos pueden ser satisfechos por una pieza forjada en caliente elaborada a partir de esta aleación superdúplex que está "esencialmente libre" de esta fase intermetálica en el contexto de la presente divulgación.
Aunque únicamente se han descrito anteriormente unas pocas realizaciones de la presente invención, se pueden hacer muchas modificaciones sin apartarse del alcance de la presente invención. Se pretende que todas estas modificaciones se incluyan dentro del alcance de la presente invención, que estará limitada únicamente por las siguientes reivindicaciones.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un proceso que comprende:
(a) calentar por resistencia o inducción una palanquilla hasta una temperatura de forja en una fuente de calentamiento, estando la palanquilla elaborada a partir de un acero inoxidable:
que tiene una estructura de fase dúplex austenítica o austenítico-ferrítica,
que está sustancialmente libre de fases intermetálicas, y
que tiene un valor de CP de 500 o más, en donde el valor de CP de la aleación viene dado por la siguiente fórmula:
CP =20x % de Cr 0,3 % de Ni+ 30x % de Si 40x % de Mo 5x % de W 10x % de Mn 50x % de C -200x % de N.
(b) retirar la palanquilla de la fuente de calentamiento y forjar la palanquilla mientras se mantiene la temperatura de toda la palanquilla por encima del límite superior de un intervalo de temperatura crítico del acero, de tal manera que toda la palanquilla permanezca sustancialmente libre de fases intermetálicas,
(c) enfriar en líquido la palanquilla hasta por debajo del intervalo de temperatura crítico de la aleación de acero dentro de los tres minutos posteriores a la retirada de la palanquilla de la fuente de calentamiento, de tal manera que toda la palanquilla permanezca sustancialmente libre de fases intermetálicas.
2. El proceso de la reivindicación 1, en donde el acero tiene un valor de CP en el intervalo de 500 a 700, de 701 a 750 o de 751 a 800 y por encima.
3. El proceso de la reivindicación 1, en donde la palanquilla se elabora a partir de un acero superinoxidable que contiene del 19 al 26 % en peso de Cr y del 3 al 8 % en peso de Mo.
4. El proceso de la reivindicación 1, en donde la palanquilla se elabora a partir de una aleación 6-Moly superaustenítica seleccionada de AISI-N08367 (aleación 6XN o AL6XN), AISI-S31254 (aleación 254), AISI-N08925 (aleación 1925hMo) y AISI-S31266 (aleación B66).
5. El proceso de la reivindicación 1, en donde la palanquilla se elabora a partir un acero inoxidable superdúplex seleccionado de AISI-S32750 (aleación 2507) y AISI-S32760 (aleación Zeron 100).
6. El proceso de la reivindicación 1, en donde la palanquilla se elabora a partir de una aleación seleccionada de AISI-S32654 (aleación 654), AISI-S31277 (aleación 27-7Mo), AISI-N08904 (aleación 904L), AISI-32101 (aleación LDX 2101), AISI-S32205 (aleación 2205), AISI-S33207 (aleación SAF 3207), AISI-S31600 (aleación 316) y AISI-S31700 (aleación 317).
7. El proceso de la reivindicación 1, en donde:
la palanquilla se elabora a partir de un acero superinoxidable que tiene una estructura de fase dúplex y contiene del 24 al 26 % en peso de Cr y del 3 al 5 % en peso de Mo, y
en donde, en la etapa (c), la palanquilla presenta una pérdida de peso de no más de 0,0004 g/cm2 y ninguna picadura, como se determina mediante la norma ASTM-G48, y un límite elástico al 0,2 % de al menos 551 MPa, como se determina mediante la norma ASTM-A182.
8. Un proceso que comprende:
(a) calentar por resistencia o inducción una palanquilla hasta una temperatura de forja en una fuente de calentamiento, estando la palanquilla elaborada a partir de una aleación basada en níquel que contiene al menos el 2 % en peso de Mo y al menos el 18 % en peso de Cr y que está sustancialmente libre de fases intermetálicas,
(b) retirar la palanquilla de la fuente de calentamiento y forjar la palanquilla mientras se mantiene la temperatura de toda la palanquilla por encima del límite superior de un intervalo de temperatura crítico de la aleación basada en níquel, de tal manera que toda la palanquilla permanezca sustancialmente libre de fases intermetálicas,
(c) enfriar en líquido la palanquilla hasta por debajo del intervalo de temperatura crítico de la aleación basada en níquel dentro de los tres minutos posteriores a la retirada de la palanquilla de la fuente de calentamiento, de tal manera que toda la palanquilla permanezca sustancialmente libre de fases intermetálicas.
9. El proceso de la reivindicación 8, en donde la palanquilla comprende una aleación basada en níquel seleccionada de AISI-N0820 (aleación C20 o "Carpenter 20"), AISI-N08031 (aleación 31) y AISI-N08825 (aleación 825).
10. El proceso de la reivindicación 1 u 8, en donde el tiempo de forja es no menor de 90 segundos después de la retirada de la palanquilla de la fuente de calentamiento.
11. El proceso de la reivindicación 10, en donde el tiempo de forja es menor de 60 segundos.
12. El proceso de la reivindicación 1 u 8, en donde el espesor máximo de la palanquilla es menor de 5 cm.
13. El proceso de la reivindicación 12, en donde el espesor máximo de la palanquilla es menor de 4 cm.
14. El proceso de la reivindicación 13, en donde el diámetro o espesor máximo de la palanquilla es menor de 3 cm.
15. El proceso de la reivindicación 14, en donde el diámetro o espesor máximo de la palanquilla es de 4 cm y el peso máximo de la palanquilla es de 3 kg.
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