MX2008012810A

MX2008012810A - Tubo de aleacion de acero de bajo contendo de carbono de muy alta resistencia y excelente tenacidad a baja temperatura, y metodo para fabricarlo.

Info

Publication number: MX2008012810A
Application number: MX2008012810A
Authority: MX
Inventors: Edgardo Oscar Lopez; Eduardo Altschuler
Original assignee: Tenaris Connections Ag
Priority date: 2006-04-03
Filing date: 2007-04-02
Publication date: 2009-03-16
Also published as: WO2007113642A2; KR20090013769A; EP2007914B1; BRPI0709458B1; US20060169368A1; AR060286A1; EP2007914A2; BRPI0709458A2; US20090101242A1; CN101448966A; CA2650452A1; JP2009532584A; WO2007113642A3

Abstract

Un tubo de acero de aleación con bajo contenido de carbono y un método para fabricarlo, especialmente para un recipiente inflador de gas almacenado a presión, donde el tubo de acero, en peso, consiste esencialmente en: entre aproximadamente 0,06% y aproximadamente 0,18% de carbono, entre aproximadamente 0,3% y aproximadamente 1,5% de manganeso, entre aproximadamente 0,05% y aproximadamente 0,5% de silicio, hasta aproximadamente 0,015% de azufre, hasta aproximadamente 0,025% de fósforo, y al menos uno de los siguientes elementos: hasta aproximadamente 0,30% de vanadio, hasta aproximadamente 0,10% de aluminio, hasta aproximadamente 0,06% de niobio, hasta aproximadamente 1% de cromo, hasta aproximadamente 0,70% de níquel, hasta aproximadamente 0,70% de molibdeno, hasta aproximadamente 0,35% de cobre, hasta aproximadamente 0,15% de elementos residuales, y el resto está compuesto por hierro e impurezas incidentales. Después se realiza un calentamiento a una velocidad elevada, de aproximadamente 100°C por segundo; y se enfría rápida y completamente el tubo de acero en una solución de enfriamiento basada en agua, a una velocidad de enfriamiento de entre aproximadamente 100°C por segundo. El acero tiene una resistencia a la tracción de al menos aproximadamente 145 ksi, y tan elevada como 220 ksi, y presenta un comportamiento dúctil a temperaturas tan bajas como: -100°C.

Description

TUBO DE ALEACIÓN DE ACERO DE BAJO CONTENIDO DE CARBONO DE MUY ALTA RESISTENCIA Y EXCELENTE TENACIDAD A BAJA TEMPERATURA. Y MÉTODO PARA FABRICARLO Esta solicitud del TCP reclama el beneficio de la solicitud de Patente no provisional de los EEUU N° 11/395,322 presentada el 3 de abril de 2006. Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención La presente invención está relacionada con tubos de aleación de acero con bajo contenido de carbono que tienen muy alta resistencia y excelente tenacidad a baja temperatura, y también con un método para la fabricación de dicho tubo de acero. El tubo de acero es particularmente apropiado para la fabricación de componentes para recipientes, que a su vez son sistemas de contención para automóviles, un ejemplo de los cuales es un inflador de bolsa de aire (airbag) para automóviles. Además, se desarrollaron composiciones de acero alternativas en la categoría de bajo contenido de carbono, de baja aleación, y distintos procesos de tratamiento térmico, y se los evaluó para reducir el costo de fabricación. 2. Antecedentes de la invención En la Publicación Japonesa N° 10-140249 [fecha de solicitud: 5 de Noviembre de 1996] y en la Publicación Japonesa N° 10-140283 [fecha de solicitud: 12 de Noviembre de 1996] se ilustra en términos amplios la química del acero considerada útil para un inflador de bolsa de aire para automóviles. En estos documentos se menciona como condición final la ausencia de tratamiento térmico, una liberación de las tensiones, y una normalización o un enfriamiento y un templado. En estas publicaciones no se menciona la posibilidad de realizar simplemente un enfriamiento como un paso de tratamiento térmico. No se mencionan propiedades mecánicas en las reivindicaciones. En los diversos ejemplos, el acero se enfría y se templa solamente en el ejemplo #21, pero la UTS informada es de solamente 686 MPa (99 ksi). Aún las propiedades mecánicas más elevadas mencionadas, en el ejemplo #26, son relativamente bajas, con una UTS máxima de 863 MPa (125 ksi). Por consiguiente, estas publicaciones se relacionan con grados que son relativamente bajos (el objetivo buscado es de 590 MPa (86 ksi). Además, estas publicaciones indican ductilidad a baja temperatura, con una prueba de aplanamiento por caída de peso (DW) a -40°C. La prueba aceptada en la actualidad para demostrar ductilidad a baja temperatura es la prueba de estallido, que es más eficiente para poner en evidencia la fragilidad. Se cree que la mayoría de los ejemplos presentados en estos documentos, que se presume que son dúctiles después de una prueba DW, en realidad podrían no tener un comportamiento dúctil a baja temperatura en una prueba de estallido, por lo que no calificarían para determinadas aplicaciones en bolsas de aire, debido al incumplimiento de las reglamentaciones gubernamentales (por ejemplo, las del US DOT). En la Publicación Japonesa N° 2001-49343 [fecha de solicitud: 8 de Octubre de 1999] se establece que está dirigida solamente a aceros para uso en la preparación de tubos soldados con resistencias eléctricas (el proceso ERW). En las reivindicaciones se especifican diversos aspectos del proceso ERW, y un tratamiento térmico opcional para una normalización o un enfriamiento y un templado, un trefilado en frío posterior, un tratamiento térmico posterior opcional (normalización o enfriamiento y templado). Este documento solamente está dirigido a dos químicas de acero diferentes y muy generales, una de las cuales es un acero con bajo contenido de carbono, y en la otra se indican límites comunes en diversos elementos de aleación. En este documento no se sugiere la posibilidad de realizar un tratamiento térmico que solamente consista en un enfriamiento. Se proporcionan diversos ejemplos para un material enfriado y templado, pero las propiedades mecánicas obtenidas son relativamente bajas. El resultado máximo obtenido es 852 MPa (123 ksi) en el ensayo de enfriamiento y templado #18. Se cree que la "química" del acero detallada por Sumitomo en cada una de JP 10-140249, JP 10-140283, JP 2001-49343, y también la química identificada posteriormente en Kondo et al., US 6878219 B2, o la continuación publicada como US 2005/0039826 A1, de hecho define aceros con rangos tan amplios como para incluir el acero para usos generales SAE 1010, como el que se fabrica y comercializa en EEUU desde mucho antes de 1990. Los solicitantes saben que durante varios años un acero de clasificación SAE 1010 fabricado con tecnologías modernas normalmente garantiza que una cantidad P será inferior a 0.025 y una cantidad S será inferior a 0.01, como se describe en la solicitud mencionada. Otros documentos en los que se ilustra el estado de la técnica previa en aceros para aplicaciones de bolsas de aire incluyen Erike, US 6386583 B2, y varias de sus continuaciones publicadas, incluyendo US 2004/0074570 A1 y US 2005/0061404 A1. En estos documentos no se sugiere ninguna ventaja como la que se presenta en la presente documentación, obtenida a partir de una austenitización por inducción extremadamente rápida y un enfriamiento posterior muy rápido con agua, sin mencionar el simple uso de un enfriamiento rápido, sin un paso de templado posterior. Además, en JP 10-140283 se describe una química que se superpone con la de US 6878219 B2, solamente con un máximo ligeramente menor para P (0.02) y un máximo ligeramente mayor para S (0.02). Si bien en la Publicación de Patente US20020033591 A1 se sugiere en términos amplios la posibilidad de enfriar sin templar, en las reivindicaciones 6 y 7 no se menciona la necesidad de enfriar para obtener las propiedades mecánicas reivindicadas, y en su lugar, estas reivindicaciones requieren al menos dos tratamientos térmicos. Los infladores de bolsa de aire para sistemas de contención para pasajeros de vehículos deben cumplir con normas estructurales y funcionales estrictas. Por lo tanto, en el proceso de fabricación se imponen procedimientos y tolerancias estrictas. Mientras que la experiencia indica que la industria ha sido exitosa en el cumplimiento de las normas estructurales y funcionales anteriores, se necesitan propiedades nuevas y/o mejoradas para satisfacer los requerimientos que evolucionan, mientras que al mismo tiempo también es importante una reducción continua de los costos de fabricación. Las bolsas de aire o los sistemas de contención suplementarios son una característica importante de seguridad en muchos vehículos actuales. En el pasado, los sistemas de bolsa de aire empleaban productos químicos explosivos, pero eran muy costosos, y debido a problemas de reciclado y ambientales, en los años recientes se ha desarrollado un nuevo tipo de inflador, que utiliza un acumulador compuesto por un tubo de acero lleno con gas argón u otro gas similar, y este tipo es de uso creciente. El acumulador mencionado con anterioridad es un recipiente que en condiciones normales mantiene el gas o similar a alta presión, el cual se expande dentro de la bolsa de aire en el momento de la colisión de un automóvil, mediante una expansión en una sola etapa o en etapas múltiples. Por consiguiente, un tubo de acero que se usa como acumulador será sometido a tensión en una alta tasa de eesfuerzo en un periodo de tiempo extremadamete corto. Entonces, en comparación con una estructura simple, tal como un cilindro presurizado convencional, el tubo de acero antes descrito debe tener una precisión dimensional superior, excelente facilidad para trabajarlo y para soldarlo, y sobre todo, debe tener alta resistencia, tenacidad y una resistencia excelente al estallido. La precisión dimensional también es importante para asegurar que un volumen muy preciso de gas explotará dentro de la bolsa de aire. En los miembros tubulares usados para fabricar el acumulador, las propiedades de conformado en frío son muy importantes, ya que aquellos se llevan a su forma final después de que el tubo ya ha sido fabricado. Dependiendo de la configuración del recipiente, se obtienen diferentes formas mediante conformado en frío. Es crucial que después de la conformación en frío se obtengan recipientes de presión sin fisuras o defectos superficiales. Más aún, es vital que después de la conformación en frío pueda obtenerse una muy buena tenacidad aún a bajas temperaturas.

Los aceros descritos en la presente documentación tienen una muy buena facilidad de soldadura, y para aplicaciones en acumuladores de bolsas de aire, no necesitan un precalentamiento antes de la soldadura o un tratamiento térmico después de la soldadura. Para obtener la buena facilidad de soldadura requerida, el equivalente de carbono, definido por la fórmula: Ceq = % de C + % de Mn/6 + (% de Cr + % de Mo + % de V)/5 + (% de Ni + % de Cu)/15 debe ser menor que aproximadamente 0.63%. A medida que el Ceq se reduce, aumenta la facilidad de soldadura. En la modalidad preferida de esta invención, el equivalente de carbono definido con anterioridad debería ser menor que aproximadamente 0.60%, preferentemente menor que aproximadamente 0.56%, y más preferentemente menor que aproximadamente 0.52%, o aún menor que aproximadamente 0.48%, con el fin de garantizar mejor la facilidad de soldadura.

Para producir un recipiente para gas, se corta a medida un tubo laminado en frío fabricado de acuerdo con la presente invención, y luego se lo conforma en frío usando diferentes tecnologías conocidas (tales como estrechamiento, embutido o similares) para obtener la forma deseada. En una forma alternativa, es posible usar un tubo soldado. A continuación, para producir el acumulador, a cada extremo del recipiente se suelda un difusor y una tapa por medio de cualquier tecnología apropiada, tal como soldadura por fricción, soldadura por arco de tungsteno bajo gas inerte o soldadura láser. Estas soldaduras son altamente críticas, y por ende, requieren una cantidad de mano de obra considerable, y en determinados casos, requieren un ensayo para asegurar la integridad de la soldadura en el recipiente de presión y el despliegue de la bolsa de aire. Se ha observado que esas soldaduras pueden agrietarse o fallar, con lo que se pone en riesgo la integridad del acumulador, y posiblemente la operación de la bolsa de aire. Los infladores son sometidos a ensayos para asegurar que mantengan su integridad estructural durante el despliegue de la bolsa de aire. Uno de estos ensayos es el llamado ensayo de estallido. Este es un ensayo de tipo destructivo en el cual un recipiente es sometido a presiones internas significativamente mayores que las esperadas durante su uso normal, es decir, durante el despliegue de la bolsa de aire. En este ensayo, el inflador es sometido a una presión interna creciente hasta que ocurre la ruptura. Al revisar los resultados del ensayo de estallido y estudiar las muestras de recipiente provenientes de estos ensayos, se ha encontrado que la fractura ocurre a través de caminos alternativos diferentes: fractura dúctil, fractura por fragilidad y algunas veces por una combinación de ambos modos. Se ha observado que en la fractura dúctil ocurre una ruptura hacia afuera, ejemplificada por una abertura con abultamiento (tal como sería el caso de una burbuja que explota). La superficie donde se produce la ruptura está inclinada aproximadamente 45 grados respecto de la superficie externa del tubo, y está ubicada dentro de un área determinada. Por otro lado, en la fractura por fragilidad se observa una grieta longitudinal no restringida a lo largo de la longitud del inflador, la cual es indicativa de una zona frágil del material. En este caso, la superficie de la fractura es normal a la superficie externa del tubo. Los dos modos de fractura tienen superficies distintas cuando se observan bajo un microscopio electrónico de barrido; la fractura dúctil se caracteriza por muescas tipo hoyuelo, mientras que una división es indicativa de fragilidad. A veces es posible observar una combinación de estos dos tipos de fractura, y las fracturas por fragilidad pueden propagarse a partir de un área con ruptura dúctil. Dado que todo el sistema, incluyendo el inflador de la bolsa de aire, puede emplearse en vehículos que operan en climas muy distintos, es crucial que el material exhiba un comportamiento dúctil sobre una amplia gama de temperaturas, desde ambientes muy fríos hasta cálidos. Breve descripción de la invención En primer lugar, la presente invención se relaciona con determinados aceros de aleación con bajo contenido de carbono apropiados para una conformación en frío, que tienen una resistencia a la tracción más que elevada (UTS 1000 MPa (145 ksi) como mínimo), y que preferentemente tienen una resistencia a la tracción extremadamente alta (UTS 1103 MPa (160 ksi) como mínimo, y posiblemente 1206.5 MPa (175 ksi o 1517 MPa (220 ksi)), y en consecuencia, tienen una presión de estallido muy alta. Más aún, el acero tiene una tenacidad excelente a baja temperatura, con un comportamiento dúctil garantizado a -60°C, es decir, una temperatura de transición entre dúctil y frágil (DBTT) inferior a -60°C, y posiblemente tan baja como -100°C. Segundo, la presente invención también se relaciona con un proceso para fabricar un tubo de acero con las características mencionadas, que esencialmente comprende una nueva técnica de austenización rápida por inducción/enfriamiento de alta velocidad/sin templado. En un método preferido, hay una austenización por inducción extremadamente rápida, con un paso de enfriamiento extremadamente rápido que elimina cualquier paso de templado, con el fin de crear un tubo de acero de aleación con bajo contenido de carbono que también es apropiado para la conformación en frío, que tiene una resistencia a la tracción extremadamente alta (UTS 1000 MPa (145 ksi) como mínimo y hasta 1517 MPa (220 ksi)), y en consecuencia, una presión de estallido muy alta. Más aún, el acero tiene una tenacidad excelente a baja temperatura, con un comportamiento dúctil garantizado a -60°C, es decir, una temperatura de transición entre dúctil y frágil (DBTT) que es inferior a -60°C, y posiblemente aún tan baja como -100°C. El material de la presente invención es particularmente útil en componentes para recipientes destinados a componentes de sistemas de contención para el automotor, un ejemplo de los cuales es el inflador de bolsas de aire para automóviles. La química usada para crear cada uno de los aceros descritos en la presente documentación es novedosa, y de aquí en adelante se identificará como Acero A, Acero B, Acero C, Acero D y Acero E, cuyas composiciones individuales se resumen en la siguiente Tabla I: Acero Ti Si Cu Al Carbón, eq A 0.023 0.27 0.24 0.035 0.38 B 0.025 0.28 0.22 0.035 0.52 C 0.026 0.25 0.22 0.028 0.55 D 0.001 0.08 0.06 0.033 0.33 E 0.002 0.19 0.07 0.027 0.20 Los resultados de los ensayos realizados usando cada uno de estos aceros con una nueva técnica de austenización rápida por inducción/enfriamiento de alta velocidad/sin templado revelaron resultados sorprendentes y diferentes entre las cinco composiciones de acero, lo que se resume en la siguiente Tabla II: Breve descripción de los dibujos Más adelante se describirán las modalidades preferidas de la invención, solamente a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, donde: La Figura I es una microestructura nuclear resultante de un enfriamiento de alta velocidad en el Acero E. En la Figura II se ilustran ensayos de estallido a -60°C para un enfriamiento de alta velocidad en el Acero E. En la Figura III se ilustra la microestructura resultante de un enfriamiento normal en el Acero E. En la Figura IV se ilustra una microestructura nuclear resultante de un enfriamiento de alta velocidad en el Acero D. En la Figura V se ilustran ensayos de estallido a -60°C para un enfriamiento de alta velocidad en el Acero D. En la Figura VI se ilustra la microestructura resultante de un enfriamiento normal en el Acero D. Descripción de las modalidades preferidas Mientras que la presente invención puede ser realizada de diferentes formas, de aquí en adelante se describirá una modalidad actualmente preferida, entendiéndose que la presente descripción debe ser considerada como una ejemplificación de la invención, que no pretende limitarla a la realización especifica ilustrada. La presente invención está relacionada con tubos de acero para usar en recipientes de presión para infladores de gas almacenado. Más particularmente, la presente invención se relaciona con un acero de grado de resistencia extremadamente alto con bajo contenido de carbono, para aplicaciones en recipientes a presión sin costuras, con un comportamiento dúctil garantizado a -60°C, es decir, una temperatura de transición entre dúctil y frágil inferior a -60°C, y posiblemente aún tan baja como -100°C. Más particularmente, la presente invención está relacionada con una composición química y un proceso de fabricación para obtener un tubo de acero sin costura para usar en la fabricación de un inflador. Una ilustración esquemática de un método para producir el tubo de acero sin costura de aleación con bajo contenido de carbono de resistencia extremadamente alta puede ser como se indica a continuación: 1. Fabricación del acero. 2. Colada del acero. 3. Laminado en caliente del tubo. 4. Operaciones de terminación de la sección hueca de la pieza laminada en caliente. 5. Laminado en frío. 6. Austenización con enfriamiento (sin templado). 7. Operaciones de terminación del tubo laminado en frío. Uno de los principales objetivos del proceso de fabricación de acero es refinar el hierro para separar el carbono, el silicio, el azufre, el fósforo y el manganeso. En particular, el azufre y el fósforo son perjudiciales para el acero porque perjudican las propiedades mecánicas del material. Antes o después del proceso básico de fabricación, se realiza el proceso de metalurgia en cuchara para llevar a cabo pasos específicos de purificación que permiten un procesamiento más rápido en la operación básica de fabricación de acero. El proceso de fabricación de acero se realiza bajo prácticas de extrema pureza para obtener un contenido muy bajo de azufre y fósforo, lo cual, a su vez, es crucial para obtener la tenacidad elevada requerida por el producto. Por consiguiente, se ha impuesto el objetivo de un nivel de inclusión de 2 o menos - serie fina, y un nivel de 1 o menos -serie gruesa-, medido de acuerdo con los lineamientos del Método del Peor Campo de la Norma ASTM E45 (Método A). En la modalidad preferida de la presente invención, el contenido máximo de microinclusión medido de acuerdo con la norma mencionada debe ser: Además, la práctica de extrema pureza permite obtener un contenido de inclusiones sobremedida con un tamaño de 30 pm o menor. Este contenido de inclusiones se obtiene limitando el contenido total de oxígeno a 20 ppm. La práctica de pureza extrema en metalúrgica secundaria se lleva a cabo haciendo burbujear gases inertes en el horno de cuchara para forzar la flotación de las inclusiones y las impurezas. La producción de una escoria fluida capaz de absorber impurezas, y la modificación de la forma y el tamaño de las inclusiones por medio de la adición de SiCa al acero líquido, produce un acero de alta calidad con bajo contenido de inclusiones. Ejemplos usando aceros de aleación con bajo contenido de carbono La composición química del acero obtenido es la siguiente (en cada caso "%" denota porcentaje en masa): Carbono (C) El carbono es un elemento que eleva en forma económica la resistencia del acero, pero si su contenido es menor que 0.06% es difícil obtener la resistencia deseada. Por otro lado, si el acero tiene un contenido de C mayor de 0.18%, la capacidad de ser trabajado en frío, la facilidad de soldadura y la tenacidad decrecen. Por lo tanto, el rango de contenido de carbono comprende entre 0.06% y 0.18%. Un rango preferido de contenido de carbono comprende entre 0.07% y 0.12%, y aún de mayor preferencia es el rango entre 0.10% y 0.12%. Manganeso (Mn) El Mn es un elemento eficaz para aumentar la templabilidad del acero, y por lo tanto, aumenta su resistencia y su tenacidad. Si su contenido es menor de 0.3%, es difícil de obtener la resistencia deseada, mientras que si excede un 1.5%, las estructuras estratificadas se hacen marcadas y se reduce la tenacidad. Por consiguiente, el contenido de Mn es de entre 0.3% y 1.5%, y el rango preferido de Mn es de entre 0.60 y 1.40%. Silicio (Si) El silicio es un elemento que tiene un efecto desoxidante durante el proceso de fabricación de acero, y también aumenta la resistencia del acero. Si el contenido de Si es menor de 0.05% el acero es susceptible de sufrir oxidación, por otro lado, si el Si excede un 0.50%, decrecen la tenacidad y la facilidad de ser trabajado. Por lo tanto el contenido de Si es de entre 0.05% y 0.5%, y un rango preferido de Si es de entre 0.05% y 0.40%. Azufre (S) El azufre es un elemento que reduce la tenacidad del acero. En concordancia, el contenido de S está limitado a un máximo de 0.015%. Un valor máximo preferido es 0.010%. Fósforo (P) El P es un elemento que reduce la tenacidad del acero. En concordancia, el contenido de P está limitado a un máximo de 0.025%. Un valor máximo preferido es 0.02%. Níquel (Ni) El Ni es un elemento que incrementa la fuerza y la tenacidad del acero, pero es muy costoso, por lo que, debido a razones de costo, el Ni se limita a un máximo de 0.70%. Un valor máximo preferido es 0.50%. Cromo (Cr) El Cr es un elemento efectivo para aumentar la resistencia, tenacidad, y resistencia a la corrosión del acero. Si excede 1%, la tenacidad en la zona de soldadura se reduce marcadamente. Por consiguiente, el contenido de Cr se limita a un máximo de 1.0%, y un contenido máximo de Cr preferido es 0.80%. Molibdeno (Mo) El Mo es un elemento que es efectivo para incrementar la resistencia del acero, y contribuye a retardar el ablandamiento durante el templado, pero es muy costoso. Por consiguiente, el contenido de Mo se limita a un máximo de 0.7%, y un contenido máximo de Mo preferido es 0.50% Vanadio (V) vanadio es un elemento efectivo para aumentar resistencia del acero, aún agregado en cantidades pequeñas, y permite retardar el ablandamiento durante el templado. Sin embargo, esta ferroaleacion es costosa, por lo que es necesario reducir el contenido máximo. Entonces, el V se limita a un máximo de 0.3%, con un máximo preferido de 0.20% Los rangos preferidos para otros elementos no indicados con anterioridad son los siguientes: Elemento % en peso Aluminio 0.10% máximo Niobio 0.06% máximo Sn 0.05% máximo Sb 0.05% máximo Pb 0.05% máximo As 0.05% máximo Los elementos residuales en una única cuchara de acero usado para producir tubos o cámaras serán: Sn + Sb + Pb + As = 0.15% máximo, y S + P < 0.025 El paso siguiente es la colada del acero para producir una barra sólida de acero capaz de ser perforada y laminada para formar un tubo de acero sin costura. El acero se moldea en la acería en la forma de un tocho cilindrico sólido de diámetro uniforme a lo largo de su eje longitudinal. El tocho cilindrico sólido de acero de extremadamente alta pureza se calienta a una temperatura de entre aproximadamente 1200°C y 1300°C, y en este punto se lo somete al proceso de laminación. Preferentemente, el tocho se calienta a una temperatura de aproximadamente 1250°C, y luego se lo pasa por el tren de laminación. El tocho es perforado, preferentemente usando el proceso conocido de Manessmann, y luego se reduce substancialmente el diámetro externo y el espesor de pared, mientras que su longitud aumenta substancialmente durante el laminado en caliente. Por ejemplo, una barra sólida de 148 mm de diámetro externo se lamina en caliente para formar un tubo laminado en caliente de 48.3 mm de diámetro externo, con un espesor de pared de 3.25 mm.

La reducción del área de la sección transversal, medida como la relación entre el área de la sección transversal del tocho sólido y el área de la sección transversal del tubo laminado en caliente, es importante para obtener una microestructura refinada necesaria para obtener las propiedades mecánicas deseadas. Entonces, la reducción del área transversal mínima es de aproximadamente 15:1, y las reducciones del área transversal mínima preferida y más preferida son de aproximadamente 20:1 y aproximadamente 25:1, respectivamente. El tubo sin costura laminado en caliente fabricado de este modo se enfría a temperatura ambiente. El tubo sin costura laminado en caliente de acero de extremadamente alta pureza así fabricado tiene un espesor de pared aproximadamente uniforme, tanto en su circunferencia alrededor del tubo como en su longitud a lo largo del eje del tubo. El tubo laminado en caliente se somete luego a diferentes pasos de terminación, por ejemplo, se corta en entre 2 a 4 piezas, se despunta en sus extremos, de ser necesario se somete a un enderezado en un equipo rotatorio de enderezado, y se somete a ensayos no destructivos por medio de una o más técnicas conocidas como técnicas de ensayo electromagnéticas o por ultrasonido. Después, la superficie de cada pieza de tubo laminado en caliente se acondiciona en forma apropiada para su laminado en frío. Este acondicionamiento incluye decapado por inmersión en solución ácida y la aplicación de una capa apropiada de lubricantes, como la conocida combinación de fosfato de cinc y estearato de sodio, o un aceite reactivo. Después del acondicionar la superficie, el tubo se trefila en frío haciéndolo pasar a través de una matriz externa con un diámetro menor que el diámetro externo del tubo a trefilar. En la mayoría de los casos, la superficie interna del tubo también es soportada por un mandril interno fijado a un extremo de una varilla, de modo que el mandril permanece cercano al molde durante el trefilado. Esta operación de trefilado se realiza sin necesidad de calentar previamente el tubo a una temperatura superior a la ambiente. El tubo sin costura es trefilado en frío por lo menos una vez, y cada paso reduce tanto el diámetro externo como el espesor de pared del tubo. El tubo de acero trafilado en frío fabricado de este modo tiene un diámetro externo uniforme a lo largo del eje del tubo, y un espesor de pared uniforme, tanto en su circunferencia como en su longitud a lo largo del eje del tubo. El tubo trefilado en frío tiene un diámetro externo preferentemente de entre 10 y 70 mm, y un espesor de pared de entre 1 y 4 mm. El tubo trefilado en frío se calienta posteriormente en un horno de austenización, a una temperatura al menos igual a la temperatura de austenización superior, o Ac3 (que para la química específica descrita en la presente documentación, es de aproximadamente 880°C), pero preferentemente es superior a aproximadamente 920°C e inferior a aproximadamente 1050°C. Esta temperatura de austenización máxima se impone con el fin de evitar el engrosamiento de los granos. El proceso puede realizarse tanto en un horno de combustión como en un horno del tipo de inducción, pero preferentemente se realiza en este último tipo de horno. El tiempo de tránsito en el horno depende fuertemente del tipo de horno utilizado. Se ha establecido que la alta calidad de superficie requerida para esta aplicación se consigue mejor utilizando un horno de inducción. Esto se debe a la naturaleza del proceso de inducción, en el cual se necesitan tiempos de tránsito muy cortos evitando así la oxidación. Preferentemente, la velocidad de calentamiento de austenización es de al menos aproximadamente 100°C por segundo, pero más preferentemente es de al menos aproximadamente 200°C por segundo. La velocidad de calentamiento extremadamente alta, y en consecuencia los tiempos de calentamiento muy cortos, son importantes para obtener una microestructura de granos muy fina, la cual a su vez garantiza las propiedades mecánicas requeridas. Además, un factor de llenado apropiado, definido como la relación entre el área circular definida por el diámetro externo del tubo y el área circular definida por el diámetro interno de la bobina del horno de inducción, es importante para obtener las altas velocidades de calentamiento requeridas. El factor de llenado mínimo es de aproximadamente 0.36. En la zona de salida del horno o en sus cercanías, el tubo se enfría bruscamente por medio de un fluido de enfriamiento apropiado. El fluido de enfriamiento rápido preferentemente es agua, o una solución de enfriamiento a base de agua. La temperatura del tubo cae rápidamente hasta la temperatura ambiente, preferentemente a una velocidad de por lo menos aproximadamente 100°C por segundo, más preferentemente a una velocidad de por lo menos aproximadamente 200°C por segundo. Esta velocidad de enfriamiento extremadamente alta es crucial para obtener una transformación de microestructura completa. En una técnica en la que se emplea un paso de templado, el tubo de acero se templa posteriormente con una temperatura y un tiempo de ciclado apropiado, a una temperatura inferior a Ac1. Preferentemente, la temperatura de templado es de entre aproximadamente 400 y 600°C, y más preferentemente entre aproximadamente 450 y 550°C. Como alternativa, la temperatura de templado puede ser de entre 200°C y 600°C, y más preferentemente, entre 250°C y 550°C. El tiempo de estabilización térmica será lo suficientemente largo para garantizar una muy buena homogeneidad de temperatura, pero si es demasiado largo, no se obtienen las propiedades mecánicas deseadas. Este paso de templado preferentemente se efectúa en una atmósfera protectora reductora o neutra para evitar la descarburación y/o la oxidación del tubo. En un método preferido, se elimina el paso de templado y solamente se emplea un enfriamiento de alta velocidad usando agua o soluciones a base de agua, como se describió con anterioridad. Con el fin de obtener un enfriamiento de alta velocidad, se prefiere el siguiente equipo, aunque no se lo requiere. Una línea de enfriamiento con una capacidad completa de 2200 kg por hora, que sigue a un horno de inducción con una potencia de inducción máxima fijada en 500 Kw. El enfriador principal emplea 42 líneas, con 12 toberas en cada línea. El flujo de agua de enfriamiento se ajusta en un rango de entre 10 y 60 m3 por hora, y la velocidad de avance del tubo se controla desde 5 hasta 25 metros por minuto. Adicionalmente, a continuación se colocan rodillos de arrastre para producir una rotación sobre el tubo. El tubo de acero de resistencia extremadamente alta fabricado de este modo se procesa a través de diferentes pasos de terminación, se endereza en el equipo de enderezado rotativo conocido, y se somete a ensayos no destructivos con una o más técnicas conocidas diferentes. Preferentemente, para esta clase de aplicaciones, los tubos deben ser evaluados con ambas técnicas conocidas, de ultrasonido y electromagnéticas. Después del tratamiento térmico, el tubo puede someterse a un proceso químico para obtener un tubo con una apariencia deseable y una rugosidad superficial muy baja. Por ejemplo, el tubo puede decaparse en una solución que contiene ácido sulfúrico y ácido clorhídrico, puede fosfatizarse usando fosfato de cinc, y puede aceitarse usando un aceite a base de hidrocarburos de petróleo, un aceite de base acuosa o un aceite mineral . Un tubo de acero obtenido de acuerdo con el primer o el segundo método descrito tiene las siguientes propiedades mecánicas mínimas: Límite de elasticidad Aproximadamente 758 MPa (110 ksi) mínimo Resistencia a la tracción Aproximadamente 1000 MPa (145 ksi) mínimo Elongación Aproximadamente 9% mínimo El límite de elasticidad, la resistencia a la tracción y la elongación deben evaluarse de acuerdo con los procedimientos descritos en la Norma ASTM E8. Para el ensayo de tracción se prefiere una pieza completa de tamaño normal, con el fin de evaluar toda la sección tubular. El ensayo de aplastamiento debe conformar los requisitos de la Norma DOT 39 del CFR 49, párrafo 178.65. Por lo tanto, una sección de tubo no debe agrietarse cuando es aplastada con una herramienta de forma en V con un ángulo de 60 grados hasta que los lados opuestos están separados por 6 veces el espesor de pared del tubo. Este ensayo se cumple en forma totalmente satisfactoria con el acero aquí desarrollado. Para obtener un buen equilibrio entre resistencia y tenacidad, el tamaño de grano austenítico precedente (algunas veces denominado matriz) debe ser preferentemente de denominación 7 o más fino, y más preferentemente, de denominación 9 o más fino, de acuerdo con la Norma ASTM E-112. Esto se logra gracias al ciclo de calentamiento extremadamente corto durante el austenizado. El tubo de acero obtenido con el método descrito deberá tener las propiedades establecidas para cumplir con los requerimientos establecidos para la presente invención. La demanda de la industria continuamente está reduciendo los valores requeridos para la rugosidad. La presente invención tiene una buena apariencia visual, por ejemplo, con un acabado superficial para el tubo terminado de 3.2 mieras como máximo en ambas superficies, interna y externa. Este requerimiento se obtiene a través del laminado en frío, con tiempos de austenizado cortos, con un templado en una atmósfera reductora o neutra, y con un acondicionamiento químico adecuado de la superficie en los diferentes pasos del proceso. Es necesario realizar un ensayo de estallido por presión hidráulica sellando los extremos de la sección de tubo, por ejemplo soldando placas planas de acero a los extremos del tubo. Es importante que una sección de tubo de 300 mm permanezca libre de restricciones, de forma tal que pueda desarrollarse la tensión anular total. La presurización del tubo debe ejercerse bombeando aceite, agua, alcohol, o una mezcla de ellos. La presión requerida para el ensayo de estallido depende del tamaño del tubo. Cuando se somete a un ensayo de estallido, el tubo sin costura de acero de resistencia extremadamente alta tiene un comportamiento dúctil garantizado a -60°C. Los ensayos realizados con las muestras producidas indican que este grado tiene un comportamiento dúctil garantizado a -60°C, con una temperatura de transición entre dúctil y frágil inferior a -60°C. Los inventores han encontado que un ensayo de validación más representativo es el ensayo de estallido realizado a temperatura ambiente y a baja temperatura, en lugar del ensayo de impacto Charpy (de acuerdo a la Norma ASTM E23). Esto se debe al hecho de que en estos productos se usa un espesor de pared relativamente delgado y un diámetro externo pequeño, por lo que no es posible maquinar una muestra estándar ASTM para el ensayo de impacto Charpy a partir del tubo en la dirección transversal. Además, con el fin de obtener esta sonda de tamaño pequeño para el ensayo de impacto Charpy, es necesario aplicar una deformación para aplanar la sonda curva del tubo. Esto tiene un efecto sensible sobre las propiedades mecánicas del acero, en particular sobre la resistencia al impacto. Por lo tanto, con este procedimiento no puede obtenerse un ensayo de impacto representativo. Ejemplos de uso de aceros alternativos de baja aleación, con bajo contenido de carbono Los solicitantes han descubierto que un enfriamiento de alta velocidad sin templado es un aspecto crítico de la presente invención. Los aceros con baja aleación, que son menos costosos que las químicas halladas en los antecedentes técnicos, cuando se los trata con un calentamiento y un enfriamiento de alta velocidad particular, pueden satisfacer o exceder los estándares descritos previamente en la presente documentación. Los novedosos aceros A, B, C, D y E definidos con anterioridad son aceros alternativos que fueron analizados usando el método preferido, donde se usó un horno de austenización por inducción con un enfriamiento de alta velocidad, en lugar de agregar un paso de templado. Sorprendentemente, cuando se realizó un ensayo de control con algunos de estos novedosos aceros, en los cuales se empleó un procedimiento de enfriamiento a menor velocidad, es decir, un proceso de enfriamiento normal o un paso de templado, como se describió previamente en la presente documentación, las pruebas demostraron características significativamente más pobres. Enfriamiento de alta velocidad sin un proceso de templado, con la inclusión de aceros alternativos de menor costo, de acuerdo con el método preferido Los parámetros usados para las pruebas de enfriamiento de alta velocidad con muestras del Acero E fueron los siguientes: Caudal de agua: 40 m3/h; Velocidad de avance del tubo: 20 m/min; Potencia de inducción: 80% Temperatura de austenitización: 880-940°C, objetivo: 920°C; Se observó una transformación martensítica en la superficie del diámetro exterior y en el material del núcleo. En la Figura 1 se ilustra un material del núcleo con 100% de transformación martensítica para el Acero E. El acero E, que tiene una química similar a la de un acero de clasificación SAE 1010, no alcanzó los valores mínimos esperados cuando fue sometido a un enfriamiento de alta velocidad. Los resultados de la prueba fueron los siguientes: Del mismo modo, se realizaron pruebas de estallido a baja temperatura (-60°C) para observar el comportamiento y el tipo de fractura. En la Figura II se presentan muestras de estallido evaluadas para el Acero E. Ambas presentaron un comportamiento dúctil. Se realizó un ensayo de control con el Acero E que comprendió un proceso de enfriamiento normal, cuyos resultados se indican a continuación: En la Figura III se presentan las estructuras nucleares del Acero E, usando un proceso de enfriamiento normal. Se observa algo de estructura de ferrita a lo largo del espesor de la pared.

Se descubrió que el Acero D era muy prometedor, debido a la elevada relación entre desempeño y costo que presentó. El Acero D se seleccionó para fabricar tubos de acuerdo con el método preferido. La composición química medida en las muestras de Acero D usadas para las pruebas de enfriamiento de alta velocidad se indica a continuación: Elemento Valor % C 0.11 Mn 1.07 S 0.002 P 0.008 Si 0.08 V 0.08 Al 0.03 Nb 0.008 Los parámetros usados para las pruebas de enfriamiento de alta velocidad con muestras de Acero D fueron los siguientes: El proceso de enfriamiento se realizó controlando la temperatura de austenización entre 920 y 940°C. El caudal de agua fue de 40 m3/h. La velocidad de avance del tubo fue de 10 m/min. La potencia de inducción fue de 62% de la capacidad total (500 Kw) Se imprimió una rotación al tubo con un ángulo de rodillos de arrastre de 17o. Los resultados de las pruebas de enfriamiento de alta velocidad con muestras de Acero D fueron los siguientes: UTS UTS Muestra YS (Mpa) YS (Psi) % Elo (Mpa) (Psi) 19605 860 124810 20 1209 175388 19606 781 113360 19 1184 171860 En la Figura IV se ilustra una microestructura de Acero D sometido a enfriamiento de alta velocidad, que presenta un 100% de martensita y una transformación de enfriamiento completa. Del mismo modo, se realizaron pruebas de estallido a baja temperatura (-60°C) para observar el comportamiento y el tipo de fractura. En la Figura V se ilustran muestras de estallido evaluadas para el Acero D. Ambas presentaron un comportamiento dúctil. Se realizó un ensayo de control con el Acero D que comprendió un proceso de enfriamiento normal, cuyos resultados se indican a continuación: En la Figura VI se presentan las estructuras nucleares del Acero D, usando un proceso de enfriamiento normal. Se seleccionó el Acero B para fabricar tubos de acuerdo con el método preferido. La composición química medida en las muestras de Acero B usadas para las pruebas de enfriamiento de alta velocidad se indica a continuación: Los parámetros usados para las pruebas de enfriamiento de alta velocidad con muestras de Acero B fueron los siguientes: El proceso de enfriamiento se realizó controlando la temperatura de austenización entre 920 y 940°C. El caudal de agua fue de 40 m3/h. La velocidad de avance del tubo fue de 10 m/min. La potencia de inducción fue de 70% de la capacidad total (500 Kw) Se imprimió una rotación al tubo con un ángulo de rodillos de arrastre de 17o. Los resultados de las pruebas de enfriamiento de alta velocidad con muestras de Acero B fueron los siguientes: Del mismo modo, se realizaron pruebas de estallido a baja temperatura (-60°C) en el acero B para observar el comportamiento y el tipo de fractura. Ambas presentaron un comportamiento dúctil. Se seleccionó el Acero A para fabricar tubos de acuerdo con el método preferido. La composición química medida en las muestras de Acero A usadas para las pruebas de enfriamiento de alta velocidad se indica a continuación: Elemento Valor % C 0.10 Mn 1.23 S 0.002 P 0.008 Si 0.27 V 0.002 Al 0.035 Cr 0. 1 Mo 0.05 Los parámetros usados para las pruebas de enfriamiento de alta velocidad con muestras de Acero A fueron los siguientes: El proceso de enfriamiento se realizó controlando la temperatura de austenización entre 920 y 940°C. El caudal de agua fue de 50 m3/h. La velocidad de avance del tubo fue de 20 m/min. La potencia de inducción fue de 90% de la capacidad total (500 Kw) Se imprimió una rotación al tubo con un ángulo de rodillos de arrastre de 17o. Los resultados de las pruebas de enfriamiento velocidad con muestras de Acero A fueron los siguientes Del mismo modo, se realizaron pruebas de estallido a baja temperatura (-60°C y -100°C) con el Acero A para observar el comportamiento y el tipo de fractura. Ambas presentaron un comportamiento dúctil. Ensayos de control con enfriamiento de alta velocidad, seguido por un proceso de templado, con aceros alternativos de menor costo Una vez que se hubo descubierto que las muestras del Acero D preferido presentaban valores mecánicos sorprendentes al usar un enfriamiento de alta velocidad de acuerdo con el método preferido, se realizó un templado para determinar el efecto de la adición de un templado sobre las propiedades mecánicas. Se realizó un tratamiento térmico de templado a 580°C, durante un tiempo total de 15 minutos. El valor de UTS promedio fue de 805 MPa (116 Ksi), que no satisfizo los valores esperados. Si bien se han presentado y descrito modalidades preferidas de esta invención para satisfacer los requerimientos de descripción y homologación del USC 35, sección 112, ha de interpretarse que el alcance de la invención no se limita a ninguna modalidad descrita, sino que el mismo solamente está definido por el alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para fabricar un tramo de tubería de acero, en particular un recipiente presurizado para inflador con gas almacenado, que comprende los siguientes pasos: producir un tramo de tubería a partir de un material de acero consistente de, en porcentajes en peso: 0.07% a 0.12% de carbono, 0.60% a 1.40% de manganeso, 0.05% a 0.40% de silicio, hasta 0.01.0% de azufre, hasta 0.02% de fósforo, y por lo menos uno de los siguientes elementos: hasta 0.20% de vanadio, hasta 0.07% de aluminio, hasta 0.04% de niobio, hasta 0.8% de cromo, hasta 0.50 % de níquel, hasta 0.50 % de molibdeno, hasta 0.35 % de cobre, hasta 0.15% de elementos residuales, comprendiendo dichos elementos residuales Sn, Sb, Pb o As, hasta 0.05% de cada uno, y el resto es hierro e impurezas incidentales; someter a la tubería de acero a un proceso de laminado en frío para obtener las dimensiones deseadas; austenitizar la tubería laminada en frío por calentamiento en un horno de austenitización de tipo a inducción a una temperatura de por lo menos Ac3, a una velocidad de calentamiento de por lo menos 100°C por segundo; luego del paso de austenitización, templar la tubería de acero en un fluido de templado hasta que la tubería alcance aproximadamente la temperatura ambiente, a una velocidad de enfriamiento de por lo menos 100°C por segundo, completándose el método por el paso de templado sin proveerse un paso subsiguiente de templado, donde el tubo de acero tiene una resistencia a la tracción de por lo menos 1103 MPa (160 ksi) y una temperatura de transición de dúctil - frágil por debajo de -60 °C, preferentemente por debajo de -100°C.

2. El método de la reivindicación 1, donde el tubo de acero tiene un equivalente de carbono menor que 0.52%, estando determinado dicho equivalente de carbono de acuerdo con la fórmula: Ceq = % C + % Mn/6 + (% Cr + %Mo + %V)/5 + (%Ni + %Cu)/15.

3. El método de la reivindicación 2, donde el tubo de acero tiene un equivalente de carbono menor que 0.48%, estando determinado dicho equivalente de carbono de acuerdo con la fórmula: Ceq = % C + % Mn/6 + (% Cr + %Mo + %V)/5 + (%Ni + %Cu)/15.

4. El método de la reivindicación 1, donde la tubería de acero terminada tiene una elongación a la rotura de por lo menos 9%.

5. El método de la reivindicación 1, donde, en el paso de calentamiento de austenitización, la tubería de acero se calienta a una temperatura de entre 860°C y 1050°C.

6. El método de la reivindicación 1, donde en el paso de calentamiento de austenitización, la tubería de acero se calienta a una velocidad de por lo menos 200°C por segundo.

7. El método de la reivindicación 1, donde, en el paso de templado, la tubería de acero se enfría a una velocidad de por lo menos 200 °C por segundo.

8. Un tubo de acero sin costura fabricado mediante el método según la reivindicación 1, donde el tubo de acero tiene una resistencia a la tracción de por lo menos 1103 MPa (160 ksi), y tiene una temperatura de transición dúctil - frágil por debajo de -60 °C, preferentemente por debajo de -100°C.

9. Un tubo de acero sin costura según la reivindicación 8, donde el equivalente de carbono es menor que 0.52%, estando determinado dicho equivalente de carbono de acuerdo con la fórmula: Ceq = % C + % Mn/6 + (% Cr + %Mo + %V)/5 + (%Ni + %Cu)/15.

10. Un tubo de acero sin costura según la reivindicación 8 o 9, donde el tubo de acero es un recipiente presurizado para inflador con gas almacenado.

11. Un tubo de acero sin costura según la reivindicación 8 o 9, donde el tubo de acero es un inflador para bolsa de aire para automóviles.

12. El uso de un tubo de acero sin costura según la reivindicación 8 en un recipiente presurizado para inflador con gas almacenado.

13. El uso de un tubo de acero sin costura según la reivindicación 8 en un inflador para bolsa de aire para automóviles. RESUMEN Un tubo de acero de aleación con bajo contenido de carbono y un método para fabricarlo, especialmente para un recipiente inflador de gas almacenado a presión, donde el tubo de acero, en peso, consiste esencialmente en: entre aproximadamente 0.06% y aproximadamente 0.18% de carbono, entre aproximadamente 0.3% y aproximadamente 1.5% de manganeso, entre aproximadamente 0.05% y aproximadamente 0.5% de silicio, hasta aproximadamente 0.015% de azufre, hasta aproximadamente 0.025% de fósforo, y al menos uno de los siguientes elementos: hasta aproximadamente 0.30% de vanadio, hasta aproximadamente 0.10% de aluminio, hasta aproximadamente 0.06% de niobio, hasta aproximadamente 1% de cromo, hasta aproximadamente 0.70% de níquel, hasta aproximadamente 0.70% de molibdeno, hasta aproximadamente 0.35% de cobre, hasta aproximadamente 0.15% de elementos residuales, y el resto está compuesto por hierro e impurezas incidentales. Después se realiza un calentamiento a una velocidad elevada, de aproximadamente 100°C por segundo; y se enfría rápida y completamente el tubo de acero en una solución de enfriamiento basada en agua, a una velocidad de enfriamiento de entre aproximadamente 100°C por segundo. El acero tiene una resistencia a la tracción de al menos aproximadamente 1000 MPa (145 ksi), y tan elevada como 1517 MPa (220 ksi), y presenta un comportamiento dúctil temperaturas tan bajas como -100°C.