MX2010006761A

MX2010006761A - Aceros bainiticos con boro.

Info

Publication number: MX2010006761A
Application number: MX2010006761A
Authority: MX
Inventors: Gonzalo Roberto Gomez; Teresa Estela Perez
Original assignee: Tenaris Connections Ltd
Priority date: 2009-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2010-12-22
Also published as: US20100319814A1; EP2287346A1; AR077129A1; JP5787492B2; EP2287346B1; JP2011006790A; BRPI1004267B1; BRPI1004267A2

Abstract

Las composiciones de acero contienen adiciones de micro-aleación de boro y titanio, con un límite de elasticidad de cuando menos 100 ksi (690 MPa) excelente tenacidad y buena capacidad de soldado. La adición de boro se usa para aumentar el endurecimiento. Los formadores de nitruros fuertes, tales como titanio pueden agregarse a la composición de acero con el fin de prevenir que se formen nitruros de boro. Estas composiciones pueden enfriarse mediante rolado caliente al aire o usando enfriamiento acelerado. Después del enffiamiento al aire, la composición puede sofocarse o sofocarse y templarse. Las composiciones son adecuadas para tuberías de alta resistencia (por ejemplo X100 en el estándar API 5L) y otras aplicaciones.

Description

nitrógeno (N); donde la concentración de cada elemento se basa en el peso total de la composición de acero. En una realización, aproximadamente entre 0.0005 y 0.002 % en peso de borjo pueden mantenerse en solución sólida para mejorar la dureza.! En una realización adicional, sustancialmente todo el nitrógeno puede estar presente en forma de partículas de TiN como para impedir la formación de nitruros de boro y lograr el contenido de b,oro antes mencionajdo en solución sólida. El método además comprende enfriar ulna barra colada de la composición de acero, donde la velocidad de enfriamiento en aproximadamente el cerjitro de la barra es seleccionada de modo que los particulados de TiN formados en la barra exhiban un tamaño promedio inferior ¡a aproximadamente 50 nm. El método puede además comprendjer fabricar un caño a partir de la bárra. En una realización adicional, la resistencia a la tracción del 'acero fabricado, medida de lacuerdo a ASTM puede ser superior a aproximadamente 100 ksi (aproximadamente 690 MPa). En ciertas realizaciones, la | 'composición de acero puede transformarse en un caño sin costura En una realización adicional, se provee un método de fabricación de una composición de acero El método comprende proveer una composición de acero que comjprende: aproximadamente entre 0.04 y, 0.12 % en peso¡ de carbono (C); ma do total d aproxim mantien además sustanc hasta aproximadamente 0.3 % en peso de molibd no (Mo); aproximadamente entre 0.01 y¡ 0.03 % en pesoiide titanio (Ti); aproximadamente entre 0.0005-0.003 % en peso||de boro (B'); y menos o hasta aproximadamente 0.008 %t|en peso de de aproximadamente 20% de martensíta.

En una realización adicional , se provee un método de fabricación de una composición de acero. método comprende proveer una composición de acero que comprende: aproximadamente entre 0.04-0: ¡ 12 % en peso ¡ !de I carbono (C); ; aproximadamente entre 0.8 y 1 .6,j% en peso de manganeso (M n); aproximadamente entre 0.05-0.3| % en peso de silicio (Si); menos o hasta 0.5 % en peso de lníquel (Ni); total de la composición de acero y donde aproximadamente entre 0.0005 y 0.002 % en peso de boro se mantie !ne en solución sól 'iIda para mejorar la dureza. El método además comprende colar la composición de acero, donde sustancialmente todo el nitrógeno |en la composición de acero colada está presente en forma de partículas de TiN con un tamaño inferior a aproximadamente 50 nm para impedir la formación de nitruros de boro y lograr dicho contenido óe boro en solución sólida. E método además comprende laminar en caliente; la composición de acero colacla y enfriar con airé composición de acero obtenida directamente luego del laminado en caliente a una velocidad inferior! a aproximadamente 1°C/segundo. El método además comprende austenizar y apagar la composición. El método puede opcionalmente además comprender el templado de la composición a una temperatura entre aproximadamente 400 y 700°C.

En una: realización templada, la mic oestructura final dé la composición enfriada con aire, luego i ¡del ' templado, pu ¡e¡de comprender una mezcla de bainita y martensita templada con no menos de aproximadamente 30% de rrVartensita. En ciertas Í ¡I realizaciones, la composición enfriada conjaire puede comprender ! I no menos de aproximadamente 50% de martensita.

Breve Descripción de las Figuras La Figura 1 es un diagrama de flujo esquemático de una rango de aproximadamente 143-173 J a aproximadamente -60°C;j En otro ejemplo, las muestras sometidas a enfriamiento acelerado pueden exhibir buenas energías de impacto, en especial para velocidades de enfriamiento de aproximadamente d 0-20°C/segundo. Por ejemplo, se observanj energías de impacto superiores a aproximadamente 220 J para ¦ tiemperaturas de -20 ¡I°C y superiores. Estos y otros beneficios ! de las realizaciones reveladas se exponen en detalle seguidamente. : La Figura 1 ilustra una realización de un método 100ijde producción de aceros al boro-titanio (B/Ti). En ciertas realizaciones! las composiciones pueden sér producidas en forma de caños. El método 100 de la Figura 1 incluye operaciones de colada de acero en los bloques 110, 112, ¡ y 114, colectivamente denominadas! operaciones de colada de acero 102, operaciones; de conformación de acero en bloques 116, 120, 122 y 124, colectivamente denominadas operaciones de conformación de acero 104, y operaciones de tratamiento por calor del aceró en bloques 126 y 128, colectivamente denominadas operaciones! de tratamiento con calor 106. Puede advertirse que, en algunas realizaciones una o más de las operaciones de tratamiento ¡ ¡con ! i calor pueden ser omitidas parcial o totalmente, en la medida dje lo necesario.

El acero B/Ti es colado del estado! en fusión durante las operaciones de colada de acero 102. En ciertas realizaciones las operaciones de colada de acero 102 pueden comprender operaciones de colada continua. Por ejempjlo, las operaciones de colada de acero 102 pueden incluir fusión/ipurificación de hierro 110, tratamientos con cuchara 112, y colada continua 114, seg un | ¡ se sabe en la técnica. ¡ En una realización, el acero puede corrjiprender elementos¡ en los rangos de concentración listados a continuación en la Tabláj 1, donde la concentraciones se proveen en porcentaje en peso (°/o en peso) en base al peso total de la composición de acero, salvo indicación en contrario.

Tabla 1 — Composición del Acero La concentración de los elementos puede además ? i i seleccionarse de modo que la equivalencia de carbono, CEPcm, de la composición sea inferior a aproximadamente 0.22, donde CEPcm se calcula de acuerdo a: ! i i combinación con ?, ??, y Ni para incrementar la dureza. Por ejemplo, estas adiciones aleantes pueden) ayudar a inhibir lila formación de ferrita y perlita a partir de austenita durante el enfriamiento. ' Además pueden permitir la reducción de la temperatura de inicio bainítico, mejorando el refinamiento microestructural. Mn puede además proveer ! ! I ¡ 11 un endurecimiento de la solución sólida. En ciertas realizaciones, • '! > I la concentración de Mn puede oscilar entre aproximadamente entre 0.6 y 1.6 % en peso. En realizaciones) ! adicionales, Cr pue Ij1de omitirse de la composición. En otras realizaciones, la t concentración de Cr puede ascender hasta' aproximadamente 0.5 i % en peso.

Mo es un elemento usado para incrementar la dureza dé| la composición de acero. Las adiciones aleantes de Mo pueden además reducir la segregación de fósforo a límites de grano, mejorando la! resistencia a la fractura int 'r-granular. Mo puede además mejorar los efectos sobre la dureza de B. En ciertas í ! realizaciones, Mo puede omitirse de la composición. En otras realizaciones, la concentración de Mo puede ascender há|sta aproximadamente 0.5 % en peso Ni es una adición aleante que puede incrementar la dureza y mejorar la rigidez. En ciertas realizaciones, Ni puede omitirse de la composición. En otras realizaciones, jja concentración dé Ni puede ascender hasta aproximadamente 0.5 % en peso Ti es un elemento cuya adición es efectiva en el aumentq de Tabla 2 - Composición de las composiciones de acero 1, 2, y CE(Pcm) = [CE(Pcm)=C + Si/30 + (Mn + Cu + Cr)/20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5B] La composición 1 fue diseñada para producir una estructura ¡ i 1 bainítica fina luego del enfriamiento acelerado desde el rango calentada a temperaturas que oscilan entre¡ aproximadamente 400 y 700°C, con un tiempo de permanencia a temperatura máxima de i i aproximadamente 30 minutos. j ; :i Para ¡cada composición, se ' ejecutaron ensayos : !i dilatométricos usando un simulador termomecánico Gleeble 3500 i ! para evaluar el comportamiento ante lia transformación Jlpor enfriamiento continuo (CCT). Las composiciones 1, 2, y 3 fueron ' i ¦ I recalentadas, a aproximadamente 5°C/segundo hasta '; i aproximadamente 920°C, 925°C, y 930°C, respectivamente, con un tiempo de permanencia de aproximadamente 10 minutos a temperatura máxima. Las temperaturas de austenización fuejron seleccionadas en aproximadamente 20-30°C por sobre ¡! la ? i ! temperatura Ac3 que corresponde ¡a las respectivas ; i [ ! composiciones. Velocidades de enfriamiento que oscilan entre aproximadamente 0.5 y 50°C/segundo fueron verificadas en la composición 1 y velocidades de enfriamiento que oscilan entre aproximadamente 0.2 y 50°C/segundo fueron verificadas en las composiciones 2 y 3. Las microestructuras resultantes fueron adicionalmente caracterizadas usando microscopía óptica y ¡por barrido electrónico.

Las propiedades mecánicas de \as composiciones ||asl obtenidas fueron adicionalmente evaluadas por ensayos mecánicos incluyendo uno o más de los siguientes: ensayoiide resistencia a la tensión, ensayo de dureza, y ensayo Charpy. En cada caso, se tomaron las muestras de tensión y muestras Chá|rpy de tamaño completo en la dirección transversal. El ensayo de tensión fue ejecutado de acuerdo a ASTM E8, "Métodos de Prujeba Estándar para el Ensayo de Resistencia a la Tensión de Materiales Mecánicos", que se incorpora por complejo a la presente elimo referencia. Los resultados informados so 1n prom 'edios de I ¡d1os muestras.

Los ensayos Charpy fueron ejecutados de acuerdo a ASjTM E23, "Métodos de Prueba Estándar para |el Ensayo de Impacto sobre Barras Ranuradas de Materiales Metálicos", que se incorpora por completo a la presente : como referencia. LOS resultados informados son promedios de dos o tres muestras. os condición de apagado se il ustran en las Tab'las 4 y 5. ¡ Tabla 4 - Propiedades de tensión de la composición 1 l uego del apagado i Tabla 5 - Energía de Impacto y Dureza de la composición 1 luego del apagado En general, la composición apagada exhibió mejoras!! en cuanto a la resistencia y energía de impactó sobre aquellas de! las muestras laminadas (YS ~ 69 ksi, UTS ~ '99 ksi, CVN~ 6-8 !J a ¦ !¡ 25°C a -20°G). Esta mejora puede atribuirse a un refinamié|nto eneral de la microestructura y la desa 'i ;i g parición sustancial I de ¡ :¡ regiones austeníticas "blocky" grandes. ' ¡¡ Ejemplo 4 - Evaluación Mecánica de la Composición 1 - Apagada y Templada a) Dureza En orden a estudiar el comportamiento en templado d'é la composición 1 en la condición de apagado y templado, las muestras fueron apagadas según se ha e'xpuesto y templadas a I martensita en, la composición 2 es similar o superior a aquella!de I bainita. !' Tabla 9 - Energía de Impacto y Dureza de apagado I composiciones 2 y 3 ' I La microestructura de la composición de apagado 2 fue fundamentalmente de martensita, con algunas regiones de bairiíta (Figura 12A).; Además, la dureza de lá composición 2 fue relativamente alta, de aproximadamente 350 Hv. En base a la experiencia con otros sistemas, se esperajba una rigidez pobre para este sistema, y no se realizaron ensayos de tensión¡|ni impacto. I Recíprocamente, la microestructura 'de la composiciórjj 3 ! í apagada fue fundamentalmente bainítica, con regiones pequeñas de martensita (Figura 12B). En este caso, i se ejecutaron ensay ílos de tensión e impacto obteniéndose una co'mbinación beneficiosa' de propiedades.

La resistencia a la tracción fue medida en aproximadamente 121 ksi, con una baja relación de resistencia a la tracción a resistencia a la tensión, de aproximadamente entre 0.82. Aderrjiás, la temperatura de transición de dúctil a i frágil, medida a ! la correspondiente a aproximadamente 50% de área de corte, fue de aproximadamente -40°C. Además, la energía de impacto ¡fue sustancialmente constante a aproximadamente 160J ejrjítre aproximadamente -20°C y 20°C. \ í Ejemplo 7 - Evaluación Mecánica de las Composiciones! |2-3 - Apagadas y templadas [ A partir del ejemplo 6, se descubrió que la condición de apagado produjo beneficios en el caso de ja composición 3. Rara confirmar el efecto del templado sobre las composiciones 2 y 3 , se En vista de estas observaciones, los 'ensayos de tensión y energía de impacto también fueron ejecutadlos sobre las muestjras de las composiciones 2 y 3, que fueron tratadas por calor a una temperatura de aproximadamente 500°C. Los resultados ¡del ensayo de tensión se listan en la Tabla 10, i!mientras las energ ií'as de impacto se listan en la Tabla 11.

Tabla 10 - Propiedades de tensión de las composiciones 2 y apagadas y templadas (500°C) I Tabla 11 - Energía de Impacto y Dureza las composiciones 2 y apagadas y templadas (500°C @ 30 min) Charpy (10 x 10 mm) Dureza Area de Composición Condición (Hv 1Kg) T(°Q CVN (J) Corte (% Apagada y Templada (500°C @ 20 177 100 30 min) 185 100 -20 181 100 -40 179 100 270 -60 173 97 Apagada y Templada (500°C @ 20 189 00 30 min) 189 100 -20 189 100 -40 175 92 260 -60 143 77 Las " propiedades mecánicas luego del templado aproximadamente 500°C durante aproximadamente 30 minutos exhiben una .buena combinación de resistencia y rigidez en anjibas composiciones 2 y 3. Las resistencias a la tracción de las composiciones 2 y 3 son aproximadamente de 118 ksi y as resistencias a la tensión finales son de aproximadamente 126-1127 ksi. 1 Las composiciones 2 y 3 además ejxhiben temperaturas de transición de dúctil a frágil inferiores a aproximadamente -60°C, con prácticamente 100% de áre|a de corte sobrej el rango de temperatura examinado. Las ¡energías absorbidas en el campo de fractura dúctil, que representan el 100% del área de corte, fueron de aproximadamente 180 J en amtJas M aleaciones, lo cual es un buen valor, dado el nivel de rigidez que estas composiciones exhiben. Además, a s composiciones exhibieron solamente diferencias menores en sus energías de impacto, aproximadamente 177 a 185 J erh la i ! composición 2, versus aproximadamente 175 a 189 J eri la composición 3, sobre el rango de temperatura de aproximadamente -40°C a 20°C. | Es de destacar, a pesar de sus diferencias en contenido de la aleación, que las composiciones 2 y¡ 3 I exhibieron prácticamente propiedades de tensión y ener ' Igía de impacto idénticas. Sin limitarse a teoría alguna, de comparación de la química de las dos composiciones, surge que la reducción en el contenido de carbono en la composición 3 es modificada por las adiciones aleantes de Cr y Nb. ¡ | Resumen Composiciones 2 y 3 jj El examen de las composiciones 2 y 3 enfriadas ¡con presente revelación no está limitado a la exposición preceden sino que está definido por las reivindicaciones anexas

Claims

100 ksi (690 MPa). 2. El método de la reivindicación 0, 'en el cual la barra ¡de acero es enfriada de la colada a una ¡velocidad superior a aproximadamente 10°C/min en aproximadamente el centro de la barra. 3. El método de la reivindicación Ojén el cual la barra de acero es enfriada de la colada a una ^velocidad superior a aproximadamente 30°C/min en aproximadamente el centro de la barra. 4. El método de la reivindicación 1 , en el cual la composición de acero comprende además aproximadamente entre 0.6 y 1.6 % en peso de manganéso (Mn); aproximadamente entre 0.05 y 0.3 % h peso de silicio (Si menos o hasta aproximadamente 0.5j % en peso de níquel (Ni); ,j menos o hasta aproximadamente 0.5;| % en peso de cró(mo (Crómenos o hasta aproximadamente .10.5 % en peso de i molibdeno (Mo); menos o hasta aproximadamente 0.15¡ % en peso de vanadio (V); y menos o hasta aproximadamente 0.0,5 % en peso de niobio (Nb). método de la reivindicación 0, en el cual los I aproximadamente entre 0.04 y 0.12 % en peso de carbono (C); i aproximadamente entre 0.8 y 1.6 % en peso de manganeso (Mn);j aproximadamente entre 0.05 y 0.3 % en pesojde silicio (Si); menos o hasta aproximadamente 0.5 % en peso de níquel (Ni); menos o hasta aproximadamente 0.5 % en pe!so de cromo (Cr); menos o hasta aproximadamente 0.5 % en peso de molibde'ipo (Mo); ! | ! menos o hasta; aproximadamente entre 0.15 % en peso de vanadio I (V); menos o hasta aproximadamente entre 0.05 % en peso de niobio (Nb); aproximadamente entre 0.01 y 0.03 % en peso de titanio (Ti); aproximadamente entre 0.0005 y 0.0030 % en peso de boro (B) I ¡ menos o hasta 0.008 % en peso de nitrógeno (N); I i en tanto la concentración de cada elemento se basa en el peso i ! ! l l total de la composición de acero y se mantienen aproximadamente entre 0.0005 y 0.002 % en peso de boro en solución sólida Rara ; ? mejorar la dureza; | colar la composición de acero, en tanto sústancialmente todo! el nitrógeno en la composición de acero colada está presente en forma de partículas de TiN con uh1 tamaño inferior a aproximadamente 50 nm para impedir la formación de nitruros boro y lograr dicho contenido de boro en so ución sólida; laminar en caliente la composición de acero colada; y enfriar la composición de acero colada directamente luegoijdel laminado en caliente a una velocidad que aproximadamente entre 5 y 50°C/segundo. 10. El método de la reivindicación 9, que compren'de además: recalentar la composición de acero colada a aproximadamente entre 1200 y 1300°C; perforar la composición de acero colada a temperaturas que oscilan entre aproximadamente 1100 y 1200¾C; y laminar en caliente la composición de acero colada a temperaturas que oscilan entre aproximadamente 900 y 1Í00°C. 11. El método de la reivindicación 9, en el cual el tamaño de grano austenítico de la composición de acero, antes del enfriamiento del laminado en caliente, oscila e rjijt re ¦ ? aproximadamente 20 y 50 µ??. | 12. El método de la reivindicación 11, en el cual la composición és enfriada directamente del laminado en calien e a i una velocidad que oscila aproximadamente entre 10 50°C/segundo. ', 13. El método de la reivindicación 11, en el cua la composición es enfriada directamente del ¡laminado en calien e a una velocidad que oscila aproximadamente entre 10¡ y 20°C/segundo. j I 14. El método de la reivindicación 12, en el cua la resistencia a la tracción de la composición de acero colada luego del laminado en caliente y enfriamiento, í medida de acuerdo a menos o hasta aproximadamente 0.05 % en peso de niobio (Nb); aproximadamente entre 0.01 y 0.03 % en peso de titanio (Ti); ¦! ¡¡ aproximadamente entre 0.0005-0.003Ó % en peso de boro ! ¡ I (B); y menos o hasta 0.008 % en peso de nitrógeno (N); en tanto la concentración de cada elemento se basa en el peso total de la composición de acero; j en tanto aproximadamente entre 0.0Q05 y 0.002 % en p-éso de boro se mantiene en solución sólida para mejorar la dureza; colar la composición de acero, en tanto sustancialmente todo I el nitrógeno en la composición de acero col¡ada está presente én forma de partículas de TiN con un tamaño inferior a i aproximadamente 50 nm para impedir la formación de nitruros de i boro y lograr dicho contenido de boro en solución sólida; \ :¡ laminar en caliente la composición de a|cero colada; ;| ? ii enfriar con aire la composición , de acero obtenida directamente luego del laminado en caliente a una velocidad inferior a aproximadamente 1°C/segundo; y ' ? austenizar y apagar la composición. :j 19. El método de la reivindicación] 18, que comprerijde además: | recalentar la composición de acero colada hasta I ! I aproximadamente entre 1200 y 1300°C; perforar, la composición de acero colacla a temperaturas que oscilan entre aproximadamente 1100 y 1200TC; y i laminar en caliente la composición! de acero colada' temperaturas que oscilan entre aproximadamente 900-1100°C. 20. El método de la reivindicació in 0, en el cual i 1l 1 la composición de acero comprende: aproximadamente entre 0.07 y 0.10 °¡(o en peso de carbono I (c); aproximadamente entre 1.0 y 1.4 % én peso de manganeso (Mn); hasta aproximadamente 0.35 % en peso' de cromo; aproximadamente entre 0.2 y 0.3 % en ¡peso de molibdeno; :i aproximadamente entre 0.03 y 0.04 % en peso de niobio; aproximadamente entre 0.02 y 0.03 % en peso de titanio; y aproximadamente entre 0.001 y 0.0020}o en peso de boro. 24. El método de la reivindicación 0, en el cual el acero es recalentado en la región austenítica y apagado sin templado subsecuente. 25. El método de la reivindicación 0| en el cual luego del laminado en caliente, enfriado, austenizado y apagado, la resistencia a la tracción de la composición; medida de acuerdo a ASTM E8, es superior a aproximadamente 1 00 ksi y la energía de impacto de la composición Charpy V-notch medida de acuerdo a ASTM E23 én muestras de tamaño completo, es superiojr a aproximadamente 90 J a temperaturas iguales o superiores a aproximadamente -40°C. 26. Un caño producido de acuerdo al método de] la reivindicación 18.