MX2012002120A - Acero de alta resistencia que tiene buena dureza. - Google Patents

Abstract

Las formas de realización de la presente invención comprenden aceros al carbono y métodos de fabricación. En una forma de realización, se realiza un procedimiento de temple y revenido en el cual una composición de acero seleccionada se forma y se trata por calor para brindar una microestructura ligeramente revenida que tiene una distribución de carburo en partículas finas. En otra forma de realización, se revela un procedimiento de austenización doble en el cual una composición de acero seleccionada se forma y se somete a tratamiento térmico para refinar la microestructura de acero. En una forma de realización, el tratamiento térmico puede comprender austenizar y templar la composición de acero formada un número seleccionado de veces (por ej., 2) antes del revenido. En otra forma de realización, el tratamiento térmico puede comprender someter la composición de acero formada a austenización, temple y revenido un número seleccionado de veces (por ej., 2). Los productos de acero formados a partir de las formas de realización de la composición de acero de esta manera (por ej., barras tubulares y tubos sin costura) poseerán alto límite elástico, por ej., al menos aproximadamente 165 ksi, y al mismo tiempo mantendrán buena dureza.

Description

ACERO DE ALTA RESISTENCIA QUE TIENE BUENA DUREZA Solicitud Relacionada Esta solicitud se relaciona con la solicitud co-pendiente del solicitante intitulada ACERO DE ULTRA ALTA RESISTENCIA QUE TIENE BUENA DUREZA, presentada bajo el No. 13/031.133 el 18 de febrero de 2011, cuyo contenido se incorpora en la presente por referencia.

Campo de ta Invención La presente invención se refiere, en líneas generales, a la producción de metales y, en ciertas formas de realización, se refiere a métodos para producir barras tubulares metálicas que tienen alta resistencia y al mismo tiempo poseen buena dureza.

Descripción del Arte Relacionado Los tubos de acero sin costura son ampliamente utilizados en una variedad de aplicaciones industriales. Debido a los requisitos de mayor capacidad para soportar carga, las situaciones de tensiones dinámicas, y la necesidad de componentes más livianos, existe una creciente demanda del desarrollo de tubos de acero que posean mayor resistencia y dureza.

En la industria petrolera, los cañones perforadores que comprenden tubos de acero que contienen cargas explosivas se usan para suministrar cargas explosivas a ubicaciones seleccionadas de pozos. Los tubos de acero usados como portadores de cañones perforadores se someten a cargas de colapso externas muy altas que son ejercidas por la presión hidrostática del pozo. Por otro lado, durante la detonación, los tubos de acero también se someten a cargas dinámicas muy altas. Para tratar este asunto, los esfuerzos se han dirigido al desarrollo de tubos de acero con alta resistencia, que al mismo tiempo mantengan muy buena dureza al impacto.

En la actualidad, él grado de acero más alto disponible en el mercado tiene un límite elástico mínimo de aproximadamente 155 ksi. Como resultado, con frecuencia se emplean tubos de paredes gruesas en ciertas formaciones con el objeto de soportar las altas presiones de colapso presentes. No obstante, el uso de tubos de paredes gruesas reduce de manera significativa el espacio de trabajo disponible para las cargas explosivas, lo que puede limitar el rango de aplicaciones en las cuales los tubos pueden ser empleados.

A la luz de lo anterior, entonces, existe la necesidad de obtener composiciones mejoradas para las barras tubulares metálicas y, en particular, sistemas y métodos para producir barras tubulares metálicas con una combinación de propiedades de tracción y dureza altas.

Breve Descripción de la Invención Las formas de realización de la invención están dirigidas a tubos de acero y métodos para fabricar los mismos. En una forma de realización, se realiza un procedimiento de temple y revenido en el cual una composición de acero seleccionada se forma y se trata por calor para formar una microestructura ligeramente revenida que tiene una distribución de carburo en partículas finas. En otra forma de realización, se revela un procedimiento de austenización doble en el cual se forma una composición de acero seleccionada y se somete a tratamiento térmico para refinar la microestructura de acero. En una forma de realización, el tratamiento térmico puede comprender austenizar y templar la composición de acero formada un número seleccionado de veces (por ej., 2) antes del revenido. En otra forma de realización, el tratamiento térmico puede comprender someter la composición de acero formada a austenización, temple, y revenido un número seleccionado de veces (por ej., 2). Los productos de acero formados a partir de las formas de realización de la composición de acero de esta manera (por ej., barras tubulares y tubos sin costura) poseen alto límite elástico, por ej., al menos aproximadamente 165 ksi, y al mismo tiempo mantienen buena dureza.

En una forma de realización, se provee un tubo de acero. El tubo de acero comprende: de aproximadamente 0,20% en peso a aproximadamente 0,30% en peso de carbono; de aproximadamente 0,30% en peso a aproximadamente 0,70% en peso de manganeso; de aproximadamente 0,10% en peso a aproximadamente 0,30% en peso de silicio; de aproximadamente 0,90% en peso a aproximadamente 1,50% en peso de cromo; de aproximadamente 0,60% en peso a aproximadamente 1,00% en peso de molibdeno; de aproximadamente 0,020% en peso a aproximadamente 0,040% en peso de niobio; y de aproximadamente 0,01% en peso a aproximadamente 0,04% en peso de aluminio; en donde el tubo de acero se procesa de tal manera que tenga un límite elástico mayor a aproximadamente 165 ksi y en donde la energía de Charpy con entalla en V es mayor o igual a aproximadamente 80 J/cm2 en la dirección longitudinal y mayor o igual a aproximadamente 60 J/cm2 en la dirección transversal a una temperatura aproximada a la temperatura ambiente.

En otra forma de realización, se provee un método para fabricar un tubo de acero. El método comprende proveer una composición de acero al carbono. El método también comprende formar la composición de acero en un tubo. El método además comprende calentar el tubo de acero formado en una operación de calentamiento a una primera temperatura. El método adicionalmente comprende templar el tubo de acero formado en una operación de temple a partir de la primera temperatura a una primera velocidad tal que la microestructura del acero templado sea mayor o igual a aproximadamente 95% de martensita en volumen. El método además comprende revenir el tubo de acero formado después de la operación de temple al calentar el tubo de acero formado a una segunda temperatura menor a aproximadamente 550 °C. El tubo de acero después del revenido tiene un límite elástico mayor a aproximadamente 165 ksi y la energía de Charpy con entalla en V es mayor o igual a aproximadamente 80 J/cm2 en la dirección longitudinal y 60 J/cm2 en la dirección transversal a una temperatura aproximada a la temperatura ambiente.

En una forma de realización adicional, se provee un método para formar un tubo de acero. El método comprende proveer una vara de acero. La vara de acero comprende: de aproximadamente 0,20% en peso a aproximadamente 0,30% en peso de carbono; de aproximadamente 0,30% en peso a aproximadamente 0,70% en peso de manganeso; de aproximadamente 0,10% en peso a aproximadamente 0,30% en peso de silicio; de aproximadamente 0,90% en peso a aproximadamente 1,50% en peso de cromo; de aproximadamente 0,60% en peso a aproximadamente 1,00% en peso de molibdeno; de aproximadamente 0,020% en peso a aproximadamente 0,40% en peso de niobio; y de aproximadamente 0,01% en peso a aproximadamente 0,04% en peso de aluminio.

El método además comprende formar la vara de acero en un tubo en una operación de formación térmica a una temperatura de aproximadamente 1200 °C a 1300 °C. El método además comprende calentar el tubo de acero formado en una primera operación de calentamiento a una temperatura de aproximadamente 880 °C a 950 °C durante aproximadamente 10 a 30 minutos. El método adicionalmente comprende templar el tubo de acero formado en una operación de temple después de la primera operación de calentamiento a una velocidad tal que la microestructura del acero templado sea mayor o igual a aproximadamente 95% de martensita. El método además comprende revenir el tubo de acero formado después de la segunda operación de temple al calentar el tubo de acero formado a una temperatura comprendida entre aproximadamente 450 °C y aproximadamente 550 °C durante un período comprendido entre aproximadamente 5 minutos y aproximadamente 30 minutos de tal manera que la microestructura final posea aproximadamente 95% de martensita donde el resto consiste esencialmente de bainita. La microestructura, después del revenido puede además incluir carburos esféricos que tienen una dimensión máxima, menor o igual a aproximadamente 150 µ??, y/o carburos alargados que tienen una longitud menor o igual a aproximadamente 1 µ?? y un espesor menor o igual a aproximadamente 200 nm. La microestructura, después del temple, puede además comprender un tamaño de grano promedio dentro del rango que oscila entre aproximadamente 5 µ?t? y aproximadamente 15 µ? . El tubo de acero después del revenido tiene un límite elástico mayor a aproximadamente 165 ksi, y en donde la energía de Charpy con entalla en V es mayor o igual a aproximadamente 80 J/cm2 en la dirección longitudinal y aproximadamente 60 J/cm2 en la dirección transversal a una temperatura aproximada a la temperatura ambiente.

Breve Descripción de las Figuras Las Figuras 1A-1C son formas de realización de los métodos para formar aceros de alta resistencia; Las Figuras 2A-2B son micrografías de una forma de realización de la composición de acero después de tratamiento térmico de austenización, temple, y revenido; y La Figura 3 es un esquema de la energía de impacto Charpy con entalla en V (CVN, del inglés Charpy V-Notch) versus el límite elástico para los aceros formados a partir de las formas de realización de la presente invención.

Descripción Detallada Las formas de realización de la presente invención proveen composiciones de acero, barras tubulares (por ej., tubos) formadas usando las composiciones de acero, y los respectivos métodos de fabricación. Las barras tubulares se pueden emplear, por ejemplo, como portadores de cañones perforadores para la industria del gas y del petróleo. Puede entenderse, no obstante, que las barras tubulares comprenden un ejemplo de artículos de fabricación que se pueden formar a partir de las formas de realización de los aceros de la presente invención y no deberían considerarse limitativas de la aplicación de las formas de realización reveladas.

El término "barra", tal como se usa en la presente, es un término amplio e incluye su significado común de acuerdo con el diccionario, y también se refiere a un miembro alargado, generalmente hueco, que puede ser recto o tener codos o curvas y estar formado en una forma predeterminada, y cualquier accesorio adicional necesario para asegurar la barra tubular formada a su ubicación destinada. La barra puede ser tubular, con una superficie interior y una superficie exterior sustancialmente circulares, si bien también se contemplan otras formas y secciones transversales. Tal como se usa en la presente, el término "tubular" se refiere a cualquier forma hueca y alargada, que no necesita ser circular o cilindrica.

Los términos "aproximadamente", "alrededor de" y "sustancialmente", tal como se usan en la presente, representan una cantidad cercana a la cantidad establecida que todavía realiza una función deseada o alcanza un resultado deseado. Por ejemplo, los términos "aproximadamente", "alrededor de" y "sustancialmente" pueden hacer referencia a una cantidad que está dentro de menos del 10%, menos del 5%, menos del 1%, menos del 0,1%, y menos del 0,01% de la cantidad establecida.

La expresión "temperatura ambiente", tal como se usa en la presente, tiene su significado común tal como lo conocen las personas versadas en el arte y puede incluir temperaturas dentro del rango de aproximadamente 16°C (60 °F) a aproximadamente 32°C (90 °F).

En general, las formas de realización de la presente invención comprenden aceros al carbono y los métodos de fabricación. En una forma de realización, se forma una composición de acero seleccionada y se somete a tratamiento térmico para refinar la microestructura de acero. En una forma de realización, la composición de acero se puede formar y someter a tratamiento térmico que incluye austenización, temple y revenido. La microestructura al final del temple incluye al menos aproximadamente 95% de martensita, en volumen. El posterior revenido se puede realizar dentro del rango que oscila entre aproximadamente 450°C y aproximadamente 550°C. La microestructura resultante después del revenido incluye una distribución de carburo en partículas finas, donde las partículas de carburo son relativamente pequeñas en tamaño debido a las temperaturas de revenido relativamente bajas. Esta microestructura provee resistencia y dureza relativamente altas. Por ejemplo, los límites elásticos son mayores a aproximadamente 165 ksi y las energías de Charpy con entalla en V son de al menos 80 J/cm2 en la dirección LC y al menos aproximadamente 60 J/cm2 en la dirección CL.

En otras formas de realización, el tratamiento térmico puede comprender austenizar y templar la composición de acero formada un número seleccionado de veces (por ej., 2) para refinar el tamaño de grano de la microestructura final. Este refinamiento puede mejorar la resistencia y dureza de la composición de acero formada. La repetición de las operaciones de austenización y temple dos veces se puede denominar en la presente "austenización doble". Puede entenderse, no obstante, que las operaciones de austenización y temple se pueden realizar cualquier número de veces, sin limitación, para alcanzar la microestructura y propiedades mecánicas deseadas. En otra forma de realización, el tratamiento térmico puede comprender someter la composición de acero formada a operaciones de austenización, temple y revenido un número seleccionado de veces (por ej., 2), donde el revenido se realiza después de cada operación de temple.

Se anticipa que las formas de realización de los artículos formados a partir de las composiciones de acero seleccionadas de esta manera (por ej., barras tubulares y tubos) poseerán alto límite elástico, al menos de aproximadamente 165 ksi (aproximadamente 1138 MPa), según la medición realizada de acuerdo con ASTM E8, y al mismo tiempo mantendrán buena dureza. Por ejemplo, los experimentos analizados en la presente ilustran que los aceros formados a partir de las formas de realización de la composición revelada pueden además exhibir energía de impacto de Charpy con entalla en V mayores a aproximadamente 80 J/cm2 en la dirección LC y aproximadamente 60 J/cm2 en la dirección CL, según la medición realizada de acuerdo con la norma ASTM E23. Tal como se analiza en mayor detalle más abajo, estas mejoras en la propiedades se alcanzan, al menos en parte, debido a la refinación de la microestructura de las composiciones de acero formadas (por ej., tamaño de grano, tamaño de paquete, y tamaño de carburo promedio) como resultado de variar las temperaturas de las respectivas operaciones de austenización.

Por ejemplo, en una forma de realización, las repetidas operaciones de austenización y temple a diferentes temperaturas se pueden emplear para refinar el tamaño de grano y el tamaño de paquete del tubo de acero formado con el objetivo de mejorar la dureza del tubo de acero. El tamaño de grano del tubo también se puede reducir al disminuir la temperatura de austenización, ya que el crecimiento del grano es un proceso controlado por difusión que se puede retrasar el reducir la temperatura de austenización. No obstante, la temperatura de austenización también debería ser lo suficientemente alta para descomponer sustancialmente todos los carburos de hierro (cementita) en la composición de acero. Si la temperatura de austenización no es lo suficientemente alta, pueden permanecer partículas grandes de cementita en la microestructura final del acero que perjudican la dureza del acero. Por ende, a fin de mejorar la dureza del acero, se selecciona preferentemente una temperatura de austenización ligeramente superior al valor mínimo que es necesario para disolver la cementita. Si bien las temperaturas superiores a este valor mínimo pueden garantizar la descomposición de la cementita, pueden producir crecimiento de grano excesivo.

Por esta razón, un rango de temperatura preferido para la austenización es provisto en cada condición. El rango preferido depende del tamaño de carburo de hierro de la microestructura inicial. En una forma de realización, si el acero está en la condición de laminación en tosco (por ej., el caso del primer tratamiento de austenización), la temperatura mínima es con preferencia lo suficientemente alta para disolver los carburos en partículas grandes que aparecen en la microestructura de inicio (por ej., de aproximadamente 900 °C a aproximadamente 950 °C). Si el material está en la condición de temple en tosco (por ej., el caso de una segunda austenización realizada sin revenido intermedio) sustancialmente no existen carburos de cementita presentes en la microestructura inicial, por lo que la temperatura de austenización mínima es preferentemente inferior (por ej., de aproximadamente 880 °C a aproximadamente 930 °C).

Estas observaciones se pueden emplear para reducir la temperatura de austenización para refinar la microestructura de acero. Si se realiza un revenido intermedio, los carburos de cementita se pueden precipitar durante el revenido, lo que genera un incremento en la temperatura de austenización mínima en comparación con el caso ideal de la condición de temple en tosco sustancialmente sin carburos de cementita.

No obstante, durante el procesamiento industrial, puede no ser posible o factible realizar un procedimiento de austenización y temple doble sin revenido intermedio. Por consiguiente, en su lugar, las operaciones de austenización, temple, y revenido pueden ser repetidas. Al realizar un revenido, es deseable reducir la temperatura de revenido a fin de evitar la precipitación de carburos en partículas grandes, que necesitan mayor temperatura de austenización para ser disueltos. Por esta razón, la temperatura de revenido se limita a menos de aproximadamente 550°C.

La composición de metal de la presente invención preferentemente comprende una aleación de acero que comprende no solamente carbono (C) sino también manganeso (Mn), silicio (Si), cromo (Cr), molibdeno (Mo), niobio (Nb), y aluminio (Al). Además, uno o más de los siguientes elementos pueden estar opcionalmente presentes y/o ser agregados: níquel (Ni), vanadio (V), titanio (Ti), y calcio (Ca). El resto de la composición puede comprender hierro (Fe) e impurezas. En ciertas formas de realización, la concentración de impurezas se puede reducir a la menor cantidad posible. Las formas de realización de impurezas pueden incluir, pero no se limitan a, azufre (S), fósforo (P), cobre (Cu), nitrógeno (N), plomo (Pb), estaño (Sn), arsénico (As), antimonio (Sb), y bismuto (Bi). Los elementos dentro de las formas de realización de la composición de acero se pueden proveer como se muestra en la Tabla 1 que sigue, donde las concentraciones están en % en peso, a menos que se indique lo contrario.

TABLA 1 - COMPOSICIÓN DE ACERO El C es un elemento cuya adición a la composición de acero eleva en forma económica la resistencia del acero. En algunas formas de realización, si el contenido de C de la composición de acero es menor a aproximadamente 0,20% puede ser difícil obtener la resistencia deseada en el acero. Por otro lado, en algunas formas de realización, si la composición de acero tiene un contenido de C mayor a aproximadamente 0,30%, la dureza puede resultar perjudicada. Por lo tanto, en una forma de realización, el contenido de C de la composición de acero puede variar dentro del rango que oscila entre aproximadamente 0,20% y aproximadamente 0,30%, preferentemente dentro del rango que oscila entre aproximadamente 0,24% y aproximadamente 0,27%.

El Mn es un elemento cuya adición a la composición de acero es efectiva para incrementar la templabilidad, resistencia y dureza. En algunas formas de realización, si el contenido de Mn de la composición de acero es menor a aproximadamente 0,30%, puede ser difícil obtener la resistencia deseada en el acero. No obstante, en algunas formas de realización, si el contenido de Mn de la composición de acero excede aproximadamente 0,7%, se pueden marcar estructuras en banda dentro del acero, y la dureza del acero puede disminuir. Por consiguiente, en una forma de realización, el contenido de Mn de la composición de acero puede variar dentro del rango que oscila entre aproximadamente 0,30% y aproximadamente 0,7%, preferentemente dentro del rango que oscila entre aproximadamente 0,45% y aproximadamente 0,55%.

El Si es un elemento cuya adición a la composición de acero tiene un efecto desoxidante durante el proceso de fabricación de acero y también aumenta la resistencia del acero. En algunas formas de realización, si el contenido de Si de la composición de acero excede aproximadamente 0,30%, la dureza y la capacidad de formación del acero pueden disminuir. Por lo tanto, en una forma de realización, el contenido de Si de la composición de acero puede variar dentro del rango que oscila entre aproximadamente 0,10% y aproximadamente 0,30%, preferentemente dentro del rango que oscila entre aproximadamente 0,20% y aproximadamente 0,30%.

El S es un elemento de impureza cuya presencia dentro de la composición de acero hace que disminuyan la dureza y la maniobrabilidad del acero. Por consiguiente, en algunas formas de realización, el contenido de S'de la composición de acero se limita a un valor menor o igual a aproximadamente 0,010%, preferentemente menor o igual a aproximadamente 0,003%.

El P es un elemento de impureza cuya presencia dentro de la composición de acero hace que la dureza del acero disminuya. Por consiguiente, en algunas formas de realización, el contenido de P de la composición de acero se limita a un valor menor o igual a aproximadamente 0,015%, preferentemente menor o igual a aproximadamente 0,010%.

El Cr es un elemento cuya adición a la composición de acero incrementa la resistencia a templabilidad y revenido del acero. Por lo tanto, el Cr es deseable para alcanzar altos niveles de resistencia. En una forma de realización, si el contenido de Cr de la composición de acero es menor a aproximadamente 0,90%, puede ser difícil obtener la resistencia deseada. En otras formas de realización, si el contenido de Cr de la composición de acero excede aproximadamente 1,50%, la dureza del acero puede disminuir. Por lo tanto, en ciertas formas de realización, el contenido de Cr de la composición de acero puede variar dentro del rango que oscila entre aproximadamente 0,90% y aproximadamente 1,50%, preferentemente dentro del rango que oscila entre aproximadamente 0,90% y aproximadamente 1,0%.

El Mo es un elemento cuya adición a la composición de acero es efectiva para incrementar la resistencia del acero y además ayuda a retardar el ablandamiento durante el revenido. Las adiciones de Mo a la composición de acero también pueden reducir la segregación de fósforo a los límites de grano, mejorando la resistencia a la fractura inter-granular. En una forma de realización, si el contenido de Mo de la composición de acero es menor a aproximadamente 0,60%, puede ser difícil obtener la resistencia deseada en el acero. No obstante, esta ferroaleación es costosa, lo que hace deseable reducir el contenido máximo de Mo dentro de la composición de acero. Por lo tanto, en ciertas formas de realización, el contenido de Mo dentro de la composición de acero puede variar dentro del rango que oscila entre aproximadamente 0,60% y aproximadamente 1,00%, preferentemente dentro del rango que oscila entre aproximadamente 0,65% y aproximadamente 0,70%.

El Ni es un elemento cuya adición a la composición de acero es opcional y puede incrementar la resistencia y la dureza del acero. No obstante, el Ni es muy costoso y, en ciertas formas de realización, el contenido de Ni de la composición de acero se limita a un valor menor o igual a aproximadamente 0,50%, preferentemente menor o igual a aproximadamente 0,15%.

El Nb es un elemento cuya adición a la composición de acero puede refinar el tamaño de grano austenítico del acero durante el laminado en caliente, con el posterior incremento tanto en la resistencia como en la dureza. El Nb también puede precipitarse durante el revenido, lo que incrementa la resistencia del acero mediante endurecimiento por dispersión de partículas. En una forma de realización, si el contenido de Nb de la composición de acero es menor a aproximadamente 0,020%, puede ser difícil obtener la combinación deseada de resistencia y dureza. No obstante, en otras formas de realización, si el contenido de Nb es mayor a aproximadamente 0,040%, se puede formar una densa distribución de precipitados que pueden perjudicar la dureza de la composición de acero. Por lo tanto, en una forma de realización, el contenido de Nb de la composición de acero puede variar dentro del rango que oscila entre aproximadamente 0,020% y aproximadamente 0,040%, preferentemente dentro del rango que oscila entre aproximadamente 0,025% y aproximadamente 0,030%.

El V es un elemento cuya adición a la composición de acero se puede usar para incrementar la resistencia del acero mediante precipitaciones de carburo durante el revenido. No obstante, en ciertas formas de realización, el V puede ser omitido de la composición de acero. En una forma de realización, cuando está presente, si el contenido de V de la composición de acero es mayor a aproximadamente 0,005%, se puede formar una fracción de gran volumen de partículas de carburo de vanadio, con una reducción concomitante en la dureza del acero. Por lo tanto, en ciertas formas de realización, el contenido de máximo V de la composición de acero puede ser menor o igual a aproximadamente 0,005%.

El Ti es un elemento cuya adición a la composición de acero se puede usar para refinar el tamaño de grano austenítico. No obstante, en ciertas formas de realización, el Ti se puede omitir de la composición de acero. Adicionalmente, en las formas de realización de la composición de acero cuando el Ti está presente, y en concentraciones superiores a aproximadamente 0,010%, se pueden formar partículas gruesas de estaño que perjudican la dureza del acero. Por lo tanto, en ciertas formas de realización, el contenido máximo de Ti de la composición de acero puede ser menor o igual a aproximadamente 0,010%.

El Cu es un elemento de impureza que no es necesario en ciertas formas de realización de la composición de acero. No obstante, según el proceso de fabricación de acero, la presencia de Cu puede ser inevitable. Por ende, en ciertas formas de realización, el contenido de Cu de la composición de acero se puede limitar a un valor menor o igual a aproximadamente 0,30%, preferentemente menor o igual a aproximadamente 0,15%.

El Al es un elemento cuya adición a la composición de acero tiene un efecto desoxidante durante el proceso de fabricación de acero y además refina el tamaño de grano del acero. En una forma de realización, si el contenido de Al de la composición de acero es menor a aproximadamente 0,010%, el acero puede ser susceptible a oxidación, exhibiendo altos niveles de inclusiones. En otras formas de realización, si el contenido de Al de la composición de acero es mayor a aproximadamente 0,040%, se pueden formar precipitados gruesos que perjudican la dureza del acero. Por lo tanto, el contenido de Al de la composición de acero puede variar dentro del rango que oscila entre aproximadamente 0,010% y aproximadamente 0,040% El Ca es un elemento cuya adición a la composición de acero es opcional y puede mejorar la dureza al modificar la forma de las inclusiones de sulfuro. Con posterioridad, en ciertas formas de realización, el contenido mínimo de calcio del acero puede satisfacer la relación Ca/S > 1,5. En otras formas de realización de la composición de acero, el Ca excesivo es innecesario y la composición de acero puede comprender un contenido de Ca menor o igual a aproximadamente 0,05 %.

Los contenidos de impurezas inevitables -que incluyen, mas no se limitan a S, P, N, Pb, Sn, As, Sb, Bi y similares- se mantienen preferentemente lo más bajo posible. No obstante, las propiedades mecánicas (por ej., resistencia, dureza) de los aceros formados a partir de las formas de realización de las composiciones de acero de la presente invención pueden no ser sustancialmente perjudicadas siempre que estas impurezas se mantengan por debajo de los niveles seleccionados. En una forma de realización, el contenido de N de la composición de acero puede ser menor o igual a aproximadamente 0,008%, preferentemente menor o igual a aproximadamente 0,006%. En otra forma de realización, el contenido de Pb de la composición de acero puede ser menor o igual a aproximadamente 0,005%. En otra forma de realización, el contenido de Sn de la composición de acero puede ser menor o igual a aproximadamente 0,02%. En una forma de realización adicional, el contenido de As de la composición de acero puede ser menor o igual a aproximadamente 0,012%. En otra forma de realización, el contenido de Sb de la composición de acero puede ser menor o igual a aproximadamente 0,008%. En otra forma de realización, el contenido de Bi de la composición de acero puede ser menor o igual a aproximadamente 0,003%.

En una forma de realización, se pueden formar barras tubulares usando la composición de acero revelada con anterioridad en la Tabla 1. Las barras tubulares pueden tener preferentemente un espesor de pared seleccionado dentro del rango que oscila entre aproximadamente 4 mm y aproximadamente 25 mm. En una forma de realización, las barras tubulares metálicas pueden ser barras sin costura. En una implementación alternativa, las barras tubulares metálicas pueden contener una o más costuras.

Las formas de realización de los métodos 100, 120, 140 para producir barras tubulares metálicas de alta resistencia se ilustran en las Figuras 1A-1C. Puede entenderse que es posible modificar los métodos 100, 120, 140 para incluir un número mayor o menor de pasos que los ilustrados en las Figuras 1A-1C sin limitación.

Con referencia a la Figura 1A, en la operación 102, la composición de acero se forma y se funde en un tocho metálico. En la operación 104, el tocho metálico se puede formar en caliente en una barra tubular. En las operaciones 106 (por ej., 106A, 106B, 106C), la barra tubular formada puede someterse a un tratamiento térmico. En la operación 110, se pueden realizar operaciones de acabado sobre la barra.

La operación 102 del método 100 preferentemente comprende la fabricación del metal y la producción de un tocho de metal sólido capaz de ser perforado y laminado para formar una barra tubular metálica. En una forma de realización, el metal puede comprender acero. En otras formas de realización, se pueden emplear rebaba de acero seleccionada y hierro esponja para preparar la materia prima para la composición de acero. No obstante, puede entenderse que es posible usar otras fuentes de hierro y/o acero para la preparación de la composición de acero.

La fabricación de acero primaria se puede realizar usando un horno de arco eléctrico para fundir el acero, reducir fósforo y otras impurezas, y alcanzar una temperatura seleccionada. El aterrajado y la desoxidación, y la adición de elementos de aleación también pueden ser realizados.

Uno de los objetivos principales del proceso de fabricación de acero es refinar el hierro mediante la extracción de impurezas. En particular, el azufre y el fósforo son perjudiciales para el acero porque degradan las propiedades mecánicas del acero. En una forma de realización, la fabricación de acero secundaria se puede realizar en un horno cuchara y estación de corte después de la fabricación de acero primaria para realizar pasos de purificación específicos.

Durante estas operaciones, se pueden alcanzar contenidos de azufre muy bajos dentro del acero; se realiza el tratamiento de inclusiones de calcio tal como se entiende en el arte de la fabricación de acero, y se puede realizar la flotación de las inclusiones. En una forma de realización, la flotación de las inclusiones se puede realizar al burbujear gases inertes en el horno cuchara para hacer que las inclusiones e impurezas floten. Esta técnica produce una escoria fluida capaz de absorber impurezas e inclusiones. De esta manera, se puede proveer un acero de alta calidad que tiene la composición deseada con un contenido bajo de inclusiones. Después de la producción de la escoria fluida, el acero se puede moldear en un tocho sólido redondo que tiene un diámetro sustancialmente uniforme a lo largo del eje del acero.

El tocho fabricado de esta manera se puede formar en una barra tubular a través de procesos de formación en caliente 104. En una forma de realización, un tocho sólido y cilindrico de acero limpio se puede calentar a una temperatura de aproximadamente 1200°C a 1300°C, preferentemente de aproximadamente 1250°C. El tocho se puede someter adicionalmente a un laminador. Dentro del laminador, el tocho se puede perforar, en ciertas formas de realización preferidas, utilizando el proceso de Manessmann, y se usa laminado en caliente para reducir sustancialmente el diámetro exterior y el espesor de pared del tubo, al tiempo que la longitud se incrementa sustancialmente. En ciertas formas de realización, el proceso de Manessmann se puede realizar a temperaturas de aproximadamente 1200 °C. Las barras huecas obtenidas se pueden laminar en caliente de manera adicional a temperaturas dentro del rango comprendido entre aproximadamente 1000 °C y aproximadamente 1200 °C en un laminador continuo a mandril retenido. El dimensionamiento preciso se puede llevar a cabo mediante un laminador calibrador y los tubos sin costura son enfriados al aire a una temperatura aproximada a la temperatura ambiente en un lecho de enfriamiento.

En un ejemplo no limitativo, una barra sólida que posee un diámetro exterior dentro del rango que oscila entre aproximadamente 145 mm y aproximadamente 390 mm se puede formar en caliente tal como se analizó con anterioridad en un tubo que posee un diámetro exterior dentro del rango comprendido entre 39 mm y aproximadamente 275 mm y espesor de pared dentro del rango que oscila entre aproximadamente 4 mm y aproximadamente 25 mm. La longitud de los tubos se puede alterar, según sea necesario. Por ejemplo, en una forma de realización, la longitud de los tubos se puede alterar dentro del rango que oscila entre aproximadamente 8 m y aproximadamente 15 m.

De esta manera, se puede proveer una barra tubular metálica derecha que tiene una composición dentro de los rangos ilustrados en la Tabla 1.

En las operaciones 106A-106C, la barra tubular metálica formada se puede someter a tratamiento térmico. En la operación 106A, una barra tubular formada tal como se analiza anteriormente se puede calentar para austenizar sustancialmente de manera completa la microestructura de la barra tubular. Una barra tubular que está austenizada sustancialmente de manera completa puede comprender más de aproximadamente 99,9% en peso de austenita sobre la base del peso total de la barra tubular. La barra tubular se puede calentar a una temperatura máxima seleccionada dentro del rango que oscila entre aproximadamente 880°C y aproximadamente 950°C. La velocidad de calentamiento durante la primera operación de austenización 106A puede variar dentro del rango que oscila entre aproximadamente 15 °C/min y aproximadamente 60 °C/min. La barra tubular se puede calentar, además, a la temperatura máxima en un tiempo dentro del rango que oscila entre aproximadamente 10 minutos y aproximadamente 30 minutos.

Después del período de retención, la barra tubular se puede someter a la operación de temple 106B. En una forma de realización, el temple se puede realizar usando un sistema de pulverizadores de agua (por ej., cabezales de temple). En otra forma de realización, el temple se puede realizar usando una pileta de agua agitada (por ej., tanque) en el cual se obtiene extracción adicional de calor mediante un chorro de agua dirigido al lado interno del tubo. En cualquier caso, la barra tubular se puede enfriar a una velocidad comprendida entre aproximadamente 15 °C/seg y 50°C/seg a una temperatura preferentemente no mayor a aproximadamente 150 °C. La microestructura de la composición de acero, después de la operación de temple 104, comprende al menos aproximadamente 95% de martensita, donde la microestructura restante comprende sustancialmente bainita.

Después de las operaciones de austenización y temple 106A, 106B, la barra tubular se puede someter además a una operación de revenido 106C. Durante la operación de revenido 106C, la barra tubular se puede calentar a una temperatura dentro del rango que oscila entre aproximadamente 450°C y aproximadamente 550°C. La velocidad de calentamiento durante la operación de revenido 106C puede variar dentro del rango que oscila entre aproximadamente 15 °C/min y aproximadamente 60 °C/min. La barra tubular además se puede calentar a una temperatura máxima en un tiempo dentro del rango que oscila entre aproximadamente 10 minutos y aproximadamente 40 minutos. Al alcanzar la temperatura máxima seleccionada, la barra tubular se puede mantener a esta temperatura aproximada durante un tiempo dentro del rango que oscila entre aproximadamente 5 minutos y aproximadamente 30 minutos.

Debido a las bajas temperaturas de revenido, la microestructura final de la composición de acero después de la operación de revenido 106C comprende martensita ligeramente revenida que tiene una distribución de carburo en partículas finas. Esta microestructura se ilustra en las Figuras 2A-2B. Tal como se ilustra en la Figura 2, la martensita revenida está compuesta por una matriz de ferrita (por ej., fases en gris oscuro) y varios tipos de carburos (partículas en gris claro).

Con respecto a la morfología, se observaron dos tipos de carburos presentes en la microestructura, aproximadamente esféricos y alargados. Con respecto a los carburos esféricos, se observó que el tamaño máximo (por ej., dimensión máxima tal como diámetro) era de aproximadamente 150 nm. Con respecto a los carburos alargados, se observó que el tamaño máximo era aproximadamente de 1 µ?t? de longitud y aproximadamente 200 nm de espesor.

El tubo laminado en caliente puede someterse además a diferentes operaciones de acabado 110. Los ejemplos no limitativos de estas operaciones pueden incluir corte del tubo en longitud, y recorte de los extremos del tubo, enderezamiento del tubo usando equipo de enderezamiento giratorio, de ser necesario, y evaluación no destructiva mediante una pluralidad de diferentes técnicas, tales como evaluación electromagnética o evaluación por ultrasonido. En una forma de realización, las barras tubulares se pueden enderezar a una temperatura no inferior a la temperatura de revenido reducida a 50°C, y luego enfriar al aire a una temperatura ambiente en un lecho de enfriamiento.

En forma ventajosa, los tubos de acero sin costura obtenidos de acuerdo con las formas de realización del método 100 analizadas con anterioridad se pueden emplear en aplicaciones que incluyen, mas no se limitan a, portadores de cañones perforadores en la industria del gas y del petróleo. Tal como se analiza en mayor detalle a continuación, la evaluación mecánica ha establecido que las formas de realización de los tubos de acero exhiben un límite elástico de al menos aproximadamente 165 ksi (medido de acuerdo con ASTM E8, "Standard Test Methods for Tensión Testing of Metallic Materials," cuyo contenido completo se incorpora por referencia) y una energía de impacto de Charpy con entalla en V a temperatura ambiente, medida de acuerdo con ASTM E23 ("Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials," cuyo contenido completo se incorpora por referencia) de al menos aproximadamente 80 Joules/cm2 para las muestras tomadas en la dirección LC y al menos aproximadamente 60 Joules/cm2 para las muestras tomadas en la dirección CL.

La buena combinación de resistencia y dureza obtenida en las formas de realización de la composición de acero se atribuyen, al menos en parte, a la combinación de la composición de acero y la microestructura. En un aspecto, el tamaño relativamente pequeño de los carburos (por ej., carburos esféricos menores o iguales a aproximadamente 150 nm y/o carburos alargados de aproximadamente 1 µ?t? o menos de longitud y aproximadamente 200 nm o menos de espesor) incrementan la resistencia de la composición de acero mediante el endurecimiento por dispersión de partículas sin perjudicar en gran medida la dureza. Por el contrario, los carburos grandes pueden nuclear grietas con facilidad.

En formas de realización alternativas, uno de los métodos 120 o 140 tal como se ilustran en las Figuras 1B y 1C se pueden emplear para fabricar tubos de acero sin costura cuando se desea un incremento en la resistencia. Los métodos 120 y 140 difieren entre sí y con respecto al método 100 por las operaciones de tratamiento térmico realizadas sobre el tubo de acero sin costura. Tal como se analiza en mayor detalle a continuación, las formas de realización de las operaciones de tratamiento térmico 126 (del método 120) comprenden operaciones repetidas de austenización y temple, seguido de revenido. Las formas de realización de las operaciones de tratamiento térmico 146 (del método 140) comprenden secuencias repetidas de austenización, temple y revenido. En otros aspectos, las operaciones de fabricación y colada, laminado en caliente, y acabado del metal de los métodos 100, 120, y 140 son sustancialmente iguales.

Con referencia al método 120, el tratamiento térmico 126 puede comprender una primera operación de austenización/temple 126A que puede incluir calentar y templar una barra tubular formada tal como se analizó con anterioridad en el rango austenítico. Las condiciones bajo las cuales se realiza la austenización durante la primera operación de austenización/temple 126A se puede designar como A1. Las condiciones bajo las cuales se realiza el temple durante la primera operación de austenización/ temple 126A se puede designar como Q1.

En una forma de realización, los primeros parámetros de austenización y temple A1 y Q1 se seleccionan de manera tal que la microestructura de la barra tubular después de someterse a la primera operación de austenización/temple 126A comprende al menos aproximadamente 95% de martensita, donde el resto incluye sustancialmente sólo bainita. En las otras formas de realización, los primeros parámetros de austenización y temple A1 y Q1 también pueden producir una microestructura que está sustancialmente libre de carburos. En ciertas formas de realización, una microestructura que está sustancialmente libre de carburos puede comprender una concentración total de carburo menor a aproximadamente 0,01% en peso sobre la base del peso total de la barra tubular. En otras formas de realización, el tamaño de grano promedio de la barra tubular después de la primera operación de austenización y temple 126A puede caer dentro del rango que oscila entre aproximadamente 10 µ?? y aproximadamente 30 µ??.

En una forma de realización, los primeros parámetros de austenización A1 se pueden seleccionar a fin de austenizar sustancialmente en forma completa la microestructura de la barra tubular. Una barra tubular que es austenizada sustancialmente en forma completa puede comprender más de aproximadamente 99,9% en peso de austenita sobre la base del peso total de la barra tubular. La barra tubular se puede calentar a una temperatura máxima seleccionada dentro del rango que oscila entre aproximadamente 900°C y aproximadamente 950°C. La velocidad de calentamiento durante la primera operación de austenización 126A puede variar dentro del rango que oscila entre aproximadamente 30 °C/min y aproximadamente 90 °C/min. La barra tubular se puede calentar además a la temperatura máxima en un tiempo dentro del rango que oscila entre aproximadamente 10 minutos y aproximadamente 30 minutos.

La barra tubular se puede mantener posteriormente a la temperatura máxima seleccionada para un tiempo de retención seleccionado dentro del rango que oscila entre aproximadamente 10 minutos y aproximadamente 30 minutos. Las temperaturas de austenización relativamente bajas empleadas en las formas de realización de los tratamientos térmicos divulgados, dentro del rango que oscila entre aproximadamente 900°C y aproximadamente 950°C, se emplean para frenar el crecimiento de grano cuanto sea posible, promoviendo el refinamiento microestructural que puede dar lugar a mejoras en la dureza. Para estas temperaturas de austenización, el rango de temperatura de austenización de aproximadamente 900°C a aproximadamente 950°C también es suficiente para brindar una disolución sustancialmente completa de carburos de cementita. Dentro de este rango de temperatura, la disolución completa de carburos ricos en Nb y Ti, incluso cuando se usan tiempos de retención extremadamente largos, por lo general no se logra. Los carburos de cementita, que son más grandes que los carburos de Nb y Ti, pueden perjudicar la dureza y reducir la resistencia al retener carbono.

Después del período de retención, la barra tubular se puede someter a temple. En una forma de realización, el temple durante la operación de austenización/temple 126A se puede realizar por un sistema de pulverizadores de agua (por ej., cabezales de temple). En otra forma de realización, el temple se puede realizar usando una pileta de agua agitada (por ej., tanque) en el cual se obtiene extracción de calor adicional mediante un chorro de agua dirigido al lado interno del tubo.

Las formas de realización de los parámetros de temple Q1 son los siguientes. La barra tubular se puede enfriar a una velocidad comprendida entre aproximadamente 15 °C/seg y 50°C/seg a una temperatura preferentemente no mayor a aproximadamente 150 °C.

La segunda operación de austenización/temple 126B puede comprender calentar y templar la barra tubular formada tal como se analizó anteriormente en el rango austenítico. Las condiciones bajo las cuales se realiza la austenización durante la segunda operación de austenización/temple 126B se pueden designar como A2. Las condiciones bajo las cuales se realiza el temple durante la segunda operación de austenización/temple 126B se pueden designar como Q2.

En una forma de realización, los segundos parámetros de austenización y temple A2 y Q2 se pueden seleccionar de manera tal que la microestructura de la barra tubular después de someterse a la segunda operación de austenización/temple 126B comprenda al menos aproximadamente 95% de martensita. En otras formas de realización, los parámetros de austenización y temple A2 y Q2 también pueden producir una microestructura que está sustancialmente libre de carburos.

En las formas de realización adicionales, el tamaño de grano promedio de la barra tubular después de la segunda operación de austenización/temple 126B puede ser menor al obtenido después de la primera operación de austenización y temple 126A. Por ejemplo, el tamaño de grano del tubo tubular después de la segunda operación de austenización/temple 126B puede caer dentro del rango que oscila entre aproximadamente 5 µ?t? y aproximadamente 15 µ??. Este refinamiento microestructural puede mejorar la resistencia y/o la dureza de la barra tubular.

En una forma de realización, los segundos parámetros de austenización A2 son los siguientes. La barra tubular se puede calentar a una temperatura de austenización máxima menor a la empleada en la primera operación de austenización/temple 126A a fin de refinar además el tamaño de grano de la microestructura. La segunda operación de austenización A2 aprovecha la disolución de carburo alcanzada durante la primera operación de austenización/temple 106A (A1/Q1). Como sustancialmente todos los carburos de hierro (por ej., partículas de cementita) se disuelven dentro de la microestructura después de la primera operación de austenización y temple 126, es posible usar temperaturas de austenización inferiores durante la segunda operación de austenización y temple 126B con reducción concomitante en el tamaño de grano (refinamiento del grano). En una forma de realización, la segunda operación de austenización A2 puede tener lugar a una temperatura seleccionada dentro del rango que oscila entre aproximadamente 880°C y aproximadamente 930°C. La velocidad de calentamiento durante la segunda operación de austenización A2 puede variar dentro del rango que oscila entre aproximadamente 15 °C/min y aproximadamente 60 °C/min. La barra tubular se puede mantener posteriormente a la temperatura máxima seleccionada durante un tiempo de retención seleccionado dentro del rango que oscila entre aproximadamente 10 y aproximadamente 30 minutos.

Después del período de retención, la barra tubular se puede someter a temple Q2. En una forma de realización, el temple durante la operación de austenización/temple 126B se puede realizar mediante un sistema de pulverizadores de agua (por ej., cabezales de temple). En otra forma de realización, el temple se puede realizar usando una pileta de agua agitada (por ej., tanque) en la cual la extracción de calor adicional se obtiene mediante un chorro de agua dirigido al lado interno del tubo.

Las formas de realización de los parámetros de temple Q2 son los siguientes. La barra tubular se puede enfriar a una velocidad entre aproximadamente 15 °C/seg y aproximadamente 50°C/seg a una temperatura preferentemente no mayor a aproximadamente 150 °C.

Después de la primera y la segunda operaciones -de austenización/temple 126A, 126B, la barra tubular puede someterse además a una operación de revenido 126C, también denominado en la presente como (T, del inglés Tempering). Durante la operación de revenido 126C, la barra tubular se puede calentar a una temperatura dentro del rango que oscila entre aproximadamente 450°C y aproximadamente 550°C. La velocidad de calentamiento durante la operación de revenido 106C puede variar dentro del rango que oscila entre aproximadamente 15 °C/min y aproximadamente 60 °C/min. La barra tubular se puede calentar además a la temperatura máxima en un tiempo dentro del rango que oscila entre aproximadamente 10 minutos y aproximadamente 40 minutos. Al alcanzar la temperatura máxima seleccionada, la barra tubular se puede mantener a aproximadamente esta temperatura durante un tiempo dentro del rango que oscila entre aproximadamente 5 minutos y aproximadamente 30 minutos.

Las barras tubulares también se pueden someter a operaciones de acabado 130. Los ejemplos de operaciones de acabado 130 pueden incluir, pero no se limitan a, enderezamiento. El enderezamiento se puede realizar a una temperatura no menor a la temperatura de revenido reducida en 50°C. Posteriormente, el tubo enderezado se puede enfriar al aire a una temperatura aproximada a la temperatura ambiente en un lecho de enfriamiento.

En una forma de realización alternativa, la barra tubular formada se puede someter al método 140 que emplea operaciones de tratamiento térmico 146C. En las operaciones de tratamiento térmico 146C, la primera operación de austenización y temple 146A (A1) y (Q1) son seguidas por una primera operación de revenido 146B (T1), segunda operación de austenización y temple 146C (A2) y (Q2), y segunda operación de revenido 146D (T2). La primera y la segunda operaciones de austenización y temple 146A y 146C se pueden realizar tal como se analizó con anterioridad con respecto a la primera y la segunda operaciones de austenización y temple 126A y 126B. La primera (T1) y la segunda (T2) operaciones de revenido 146B y 146D también se pueden realizar tal como se analizó con anterioridad con respecto a la primera operación de revenido 106C.

La microestructura resultante de estos métodos 120 y 140 puede ser similar a la resultante del método 100. Por ejemplo, en una forma de realización, después de las primeras operaciones de austenización/temple 126A y 146A, el tamaño de grano promedio puede variar dentro del rango que oscila entre aproximadamente 10 µ?p y aproximadamente 30 µ?t?. En otra forma de realización, después de las segundas operaciones de austenización y temple 126C y 146C, el tamaño de grano promedio puede variar dentro del rango que oscila entre aproximadamente 5 µ?t? y aproximadamente 15 µ?p. En otras formas de realización, una distribución fina de carburos puede estar presente dentro de la microestructura después de las operaciones de revenido 126C, 146D. Por ejemplo, es posible que existan carburos esféricos y alargados dentro de la microestructura, donde el tamaño máximo de las partículas esféricas es menor o igual a aproximadamente 150 nm y el tamaño máximo de los carburos alargados es menor o igual a aproximadamente 1 µ?? de longitud y menor o igual a aproximadamente 200 nm de espesor.

De manera ventajosa, los tubos de acero sin costura y los tubos formados de acuerdo con las formas de realización de los métodos 120 y 140 pueden ser adecuados para aplicaciones que incluyen, mas no se limitan a, portadores de cañones perforadores en la industria del gas y del petróleo. Por ejemplo, en una forma de realización, las barras tubulares y los tubos formados a partir de las formas de realización de la composición de acero pueden exhibir un límite elástico de al menos aproximadamente 170 ksi (aproximadamente 1172 MPa) según la medición realizada de acuerdo con la norma ASTM E8. En otra forma de realización, las barras tubulares y los tubos formados a partir de las formas de realización de la composición de acero pueden exhibir energía de impacto de Charpy con entalla en V a temperatura ambiente mayor a aproximadamente 80 J/cm2 en la dirección LC y aproximadamente 60 J/cm2 en la dirección CL según la medición realizada de acuerdo con la norma ASTM E23. Esta buena combinación de propiedades se atribuye, al menos en parte, al tamaño de grano refinado y el tamaño relativamente pequeño de los carburos dentro de la microestructura.

En forma beneficiosa, en ciertas formas de realización, estos resultados se pueden alcanzar sin adición de vanadio. Se conoce que el vanadio incrementa la resistencia mediante precipitación de carburo durante el revenido pero puede perjudicar la dureza.

Ejemplos En los siguientes ejemplos, se ilustran las propiedades de tracción e impacto de los tubos de acero formados usando las formas de realización del método de fabricación de acero analizadas con anterioridad. Los tubos de acero formados se evaluaron después de los tratamientos térmicos de austenización, temple y revenido (A + Q + T, del inglés Austenizing, Quenching, Tempering) (Condiciones 1 y 2), austenización doble y revenido (A1+ Q1 + A2 + Q2 + T) seguido de revenido (Condición 3). Los tubos de acero evaluados poseían un diámetro exterior de aproximadamente 114,3 mm y un espesor de pared de aproximadamente 8,31 mm, a menos que se advirtiera lo contrario. Los experimentos se realizaron sobre muestras que tenían aproximadamente la composición y los tratamientos térmicos de las Tablas 2 y 3, respectivamente.

TABLA 2 - COMPOSICIÓN DE ESPECIMENES DE MUESTRA TABLA 3 - TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE ESPECIMENES DE MUESTRA Las mediciones de las propiedades de resistencia e impacto se realizaron sobre un número de entre 3 y 5 tubos para cada condición. Para cada tubo, se realizaron evaluaciones de la tracción por duplicado y las evaluaciones del impacto se realizaron por triplicado a una temperatura aproximada a la temperatura ambiente. Se puede entender que los ejemplos presentados a continuación son a los efectos ilustrativos y no están destinados a limitar el alcance de la presente invención.

Ejemplo 1 - Propiedades de tracción v energías de impacto a temperatura ambiente La resistencia y el alargamiento de los aceros que tienen composiciones tal como se indicó con anterioridad en las Tablas 2 y 3 se midieron de acuerdo con la norma ASTM E8 a temperatura ambiente. Las energías de Charpy de los aceros de las Tablas 2 y 3 se midieron de acuerdo con la norma ASTM E23 a una temperatura aproximada a la temperatura ambiente y representan una medida de la dureza de los materiales. Las evaluaciones de Charpy se realizaron sobre muestras que tenían dimensiones de aproximadamente 10 x 7,5 x 55 mm tomadas longitudinalmente (LC) de los tubos. La resistencia a la tracción, el límite elástico, el alargamiento, y las energías de Charpy con entalla en V (CVN) promedio medidos para cada condición se informan en la Tabla 4 y los valores promedio por tubo se informan en la Figura 3.

TABLA 4 - PROPIEDADES DE TRACCIÓN E IMPACTO PROMEDIO Para cada una de las condiciones evaluadas, se observó que el límite elástico era mayor o igual a aproximadamente 165 ksi y la resistencia última a la tracción era mayor o igual a aproximadamente 170 ksi. Además se encontró que el alargamiento de rotura para cada una de las condiciones evaluadas era mayor o igual a aproximadamente 10 %. En otras formas de realización, se observó que el límite elástico era mayor a aproximadamente 170 ksi, la resistencia última a la tracción era mayor o igual a aproximadamente 180 ksi, y el alargamiento de rotura era mayor o igual a aproximadamente 13%. En ciertas formas de realización, la energía de impacto de Charpy con entalla en V medida a una temperatura aproximada a la temperatura ambiente era mayor a aproximadamente 65 J/cm2 para cada una de las condiciones evaluadas. En otras formas de realización, las energías de Charpy a temperatura ambiente fueron mayores o iguales a aproximadamente 90 J/cm2.

La mejor combinación de propiedades de tracción y dureza se observaron para la condición de tratamiento térmico 3, que correspondió a austenización doble. Esta condición exhibió el mayor límite elástico (aproximadamente 189 ksi) y CVN a temperatura ambiente (aproximadamente 97 J/cm2). La mejora en el límite elástico y la dureza se atribuye al refinamiento microestructural alcanzado por las operaciones de austenización doble/temple.

Ejemplo 2 - Otros estudios de la energía de impacto Se realizaron otras investigaciones de la energía de impacto sobre muestras de tubos de acero formados de acuerdo con la Condición 1 de aproximadamente -60 °C a una temperatura aproximada a la temperatura ambiente a fin de identificar la temperatura de transición de dúctil a frágil de las composiciones de acero formadas. Para estas mediciones, se tomaron muestras tanto en dirección longitudinal (LC) como transversal (CL). Las evaluaciones de Charpy se realizaron sobre muestras con dimensiones de aproximadamente 10 x 7,5 x 55 mm en la orientación LC y aproximadamente 10 x 5 x 55 mm en la orientación CL. Las energías de Charpy con entalla en V promedio para cada condición se informan en la Tabla 5.

TABLA 5 -DUREZA PROMEDIO DE MUESTRAS DE CONDICIÓN 2 Tal como se ilustra en la Tabla 5, las muestras de Charpy LC a una temperatura aproximada a la temperatura ambiente (RT, del inglés Room Temperature) exhibieron energías mayores a aproximadamente 80 J/cm2 y aproximadamente 100% de fractura dúctil, tal como se observó a partir de la superficie de fractura. Las muestras de Charpy CL exhibieron energías mayores a aproximadamente 60 J/cm2 y aproximadamente 100% de fractura dúctil. A medida que la temperatura de evaluación se redujo desde una temperatura aproximada a la temperatura ambiente hasta aproximadamente -60 °C, las energías de Charpy LC y CL cayeron casi de la mitad a aproximadamente 30 - 36 J/cm2. En forma concurrente, la porción de la superficie de fractura que se sometió a fractura dúctil se redujo en aproximadamente dos tercios en cada geometría.

A partir de los resultados, se puede observar que la temperatura de transformación de dúctil a frágil (DBTT, del inglés Ductile To Brittle Transformation Temperature) oscila entre -20 °C y -40 °C para las muestras orientadas en sentido longitudinal (LC) debido a la gran reducción en el área dúctil observada entre aproximadamente -20 °C y aproximadamente -40 °C en la orientación LC (desde aproximadamente 71% hasta aproximadamente 44%). También, se puede observar que la DBTT oscila entre aproximadamente -40 °C y -60 °C para las muestras orientadas en sentido transversal (CL) debido a la gran reducción en el área dúctil observada entre aproximadamente -40 °C y aproximadamente -60 °C (desde aproximadamente 75% hasta aproximadamente 31%) .

Si bien la descripción anterior ha sido ilustra, descrita y destacada sobre las características novedosas fundamentales de las presentes enseñazas, se entenderá que se pueden realizar varias omisiones, sustituciones y cambios en la forma del detalle del aparato según lo ilustrado, así como también los usos del mismo, por parte de la persona versada en el arte, sin alejarse del alcance de las presentes enseñanzas. En consecuencia, el alcance de las presentes enseñanzas no debería ser limitado por el análisis anterior, sino que debería ser definido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (30)

REIVINDICACIONES

1. Un tubo de acero, caracterizado porque comprende: de aproximadamente 0,20% en peso a aproximadamente 0,30% en peso de carbono; de aproximadamente 0,30% en peso a aproximadamente 0,70% en peso de manganeso; de aproximadamente 0,10% en peso a aproximadamente 0,30% en peso de silicio; de aproximadamente 0,90% en peso a aproximadamente 1,50% en peso de cromo; de aproximadamente 0,60% en peso a aproximadamente 1,00% en peso de molibdeno; de aproximadamente 0,020% en peso a aproximadamente 0,040% en peso de niobio; y de aproximadamente 0,01% en peso a aproximadamente 0,04% en peso de aluminio; en donde el tubo de acero se procesa de tal manera que tenga un límite elástico mayor a aproximadamente 165 ksi y en donde la energía de Charpy con entalla en V es mayor o igual a aproximadamente 80 J/cm2 en la dirección longitudinal y mayor o igual a aproximadamente 60 J/cm2 en la dirección transversal a una temperatura aproximada a la temperatura ambiente.

2. El tubo de acero de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende: de aproximadamente 0,24% en peso a aproximadamente 0,27% en peso de carbono; de aproximadamente 0,45% en peso a aproximadamente 0,55% en peso de manganeso; de aproximadamente 0,20% en peso a aproximadamente 0,30% en peso de silicio; de aproximadamente 0,90% en peso a aproximadamente 1,0% en peso de cromo; de aproximadamente 0,65% en peso a aproximadamente 0,70% en peso de molibdeno; y de aproximadamente 0,025% en peso a aproximadamente 0,030% en peso de niobio.

3. El tubo de acero de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la resistencia a la tracción del tubo de acero es mayor a aproximadamente 170 ksi.

4. El tubo de acero de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el tubo de acero exhibe 100% de fractura dúctil a una temperatura aproximada a la temperatura ambiente.

5. El tubo de acero de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la microestructura del tubo de acero comprende un valor mayor o igual a aproximadamente 95% de martensita en volumen.

6. El tubo de acero de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque el resto de la microestructura consiste esencialmente de bainita.

7. El tubo de acero de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el tubo de acero comprende una cantidad sustancialmente nula de vanadio.

8. El tubo de acero de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el tubo de acero se procesa de tal manera que tenga una pluralidad de carburos aproximadamente esféricos que tienen una dimensión menor o igual a aproximadamente 150 ? m.

9. El tubo de acero de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el tubo de acero se procesa de tal manera que tenga una pluralidad de carburos alargados con una longitud menor o igual a aproximadamente 1 Dm y un espesor menor o igual a aproximadamente 200 nm.

10. El tubo de acero de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende una cantidad de al menos una entre: menor o igual a aproximadamente 0,50% en peso de níquel; menor o igual a aproximadamente 0,005% en peso de vanadio; menor o igual a aproximadamente 0,010% en peso de titanio; y menor o igual a aproximadamente 0,05% en peso de calcio.

11. El tubo de acero de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el tubo de acero se procesa de tal manera que tenga un tamaño de grano promedio que oscila entre aproximadamente 5 rjm y aproximadamente 15 Dm.

12. Un método para fabricar un tubo de acero, caracterizado porque comprende: proveer una composición de acero al carbono; formar la composición de acero en un tubo; calentar el tubo de acero formado en una operación de calentamiento a una primera temperatura; templar el tubo de acero formado en una operación de temple desde la primera temperatura a una primera velocidad tal que la microestructura del acero templado sea mayor o igual a aproximadamente 95% de martensita en volumen; revenir el tubo de acero formado después de la operación de temple al calentar el tubo de acero formado a una segunda temperatura menor a aproximadamente 550 °C; en donde el tubo de acero después del revenido tiene un límite elástico mayor a aproximadamente 165 ksi y en donde la energía de Charpy con entalla en V es mayor o igual a aproximadamente 80 J/cm2 en la dirección longitudinal y 60 J/cm2 en la dirección transversal a una temperatura aproximada a la temperatura ambiente.

13. El método de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque la primera temperatura oscila entre aproximadamente 880 °C y aproximadamente 950 °C durante aproximadamente 10 a 30 minutos.

14. El método de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque la segunda temperatura oscila entre aproximadamente 450 °C y aproximadamente 550 °C durante aproximadamente 5 a 30 minutos.

15. El método de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque el tamaño de grano de la composición de acero formada después del temple oscila entre aproximadamente 5 y aproximadamente 15 Dm.

16. El método de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque la microestructura del tubo de acero comprende una pluralidad de carburos aproximadamente esféricos con una dimensión máxima, que es menor o igual a aproximadamente 150 Dm después del revenido.

17. El método de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque la microestructura del tubo de acero comprende una pluralidad de carburos alargados que tienen una longitud menor o igual a aproximadamente 1 Dm y un espesor menor o igual a aproximadamente 200 nm después del revenido.

18. El método de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque la primera velocidad de temple oscila entre aproximadamente 15 °C/seg y 50 °C/seg.

19. El método de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque la composición de acero comprende: de aproximadamente 0,20% en peso a aproximadamente 0,30% en peso de carbono; de aproximadamente 0,30% en peso a aproximadamente 0,70% en peso de manganeso; de aproximadamente 0,10% en peso a aproximadamente 0,30% en peso de silicio; de aproximadamente 0,90% en peso a aproximadamente 1,50% en peso de cromo; de aproximadamente 0,60% en peso a aproximadamente 1,00% en peso de molibdeno; de aproximadamente 0,020% en peso a aproximadamente 0,40% en peso de niobio; y de aproximadamente 0,01% en peso a aproximadamente 0,04% en peso de aluminio.

20. El método de acuerdo con la reivindicación 19, caracterizado porque la composición de acero además comprende: de aproximadamente 0,24% en peso a aproximadamente 0,27% en peso de carbono; de aproximadamente 0,45% en peso a aproximadamente 0,55% en peso de manganeso; de aproximadamente 0,20% en peso a aproximadamente 0,30% en peso de silicio; de aproximadamente 0,90% en peso a aproximadamente 1,00% en peso de cromo; de aproximadamente 0,65% en peso a aproximadamente 0,70% en peso de molibdeno; y de aproximadamente 0,025% en peso a aproximadamente 0,30% en peso de niobio

21. El método de acuerdo con la reivindicación 19, caracterizado porque la composición además comprende una cantidad de al menos una entre: menor o igual a aproximadamente 0,50% en peso de níquel; menor o igual a aproximadamente 0,005% en peso de vanadio; menor o igual a aproximadamente 0,010% en peso de titanio y menor o igual a aproximadamente 0,05% en peso de calcio.

22. El método de acuerdo con la reivindicación 19, caracterizado porque la composición comprende una cantidad sustancialmente nula de vanadio.

23. El método de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque el resto de la microestructura consiste esencialmente de bainita después de la operación de temple.

24. El método de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque después de la operación de temple y antes de la operación de revenido, el tubo de acero formado se somete a una segunda operación de calentamiento y una segunda operación de temple.

25. El método de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque después del revenido, el tubo de acero formado se somete a una segunda operación de calentamiento, una segunda operación de temple, y una segunda operación de revenido.

26. Un método para formar a tubo de acero, caracterizado porque comprende: proveer una vara de acero que comprende: de aproximadamente 0,20% en peso a aproximadamente 0,30% en peso de carbono; de aproximadamente 0,30% en peso a aproximadamente 0,70% en peso de manganeso; de aproximadamente 0,10% en peso a aproximadamente 0,30% en peso de silicio; de aproximadamente 0,90% en peso a aproximadamente 1,50% en peso de cromo; de aproximadamente 0,60% en peso a aproximadamente 1,00% en peso de molibdeno; de aproximadamente 0,020% en peso a aproximadamente 0,40% en peso de niobio; y de aproximadamente 0,01% en peso a aproximadamente 0,04% en peso de aluminio; formar la vara de acero en un tubo en una operación de formación en caliente a una temperatura de aproximadamente 1200 °C a 1300 °C; calentar el tubo de acero formado en una primera operación de calentamiento a una temperatura de aproximadamente 880 °C a 950 °C durante aproximadamente 10 a 30 minutos; templar el tubo de acero formado en una primera operación de temple después de la primera operación de calentamiento a una velocidad tal que la microestructura del acero templado sea mayor o igual a aproximadamente 95% de martensita en volumen; y revenir el tubo de acero formado después de la primera operación de temple al calentar el tubo de acero formado a una temperatura comprendida entre aproximadamente 450 °C y aproximadamente 550 °C durante un período comprendido entre aproximadamente 5 minutos y aproximadamente 30 minutos; en donde el tubo de acero después del revenido tiene un límite elástico mayor a aproximadamente 165 ksi y en donde la energía de Charpy con entalla en V es mayor o igual a aproximadamente 80 J/cm2 en la dirección longitudinal y aproximadamente 60 J/cm2 en la dirección transversal a una temperatura aproximada a la temperatura ambiente.

27. El método de acuerdo con la reivindicación 26, caracterizado porque la primera operación de calentamiento se realiza a una temperatura de aproximadamente 900°C a 950°C, y además comprende, antes de dicho revenido: calentar el tubo de acero formado en una segunda operación de calentamiento a una temperatura inferior a la de la primera operación de calentamiento de aproximadamente 880 °C a 930 °C durante aproximadamente 10 a 30 minutos; y templar el tubo de acero formado en una segunda operación de temple después de la segunda operación de calentamiento de manera tal que la microestructura del acero templado sea mayor o igual a aproximadamente 95% de martensita en volumen; en donde el tubo de acero después del revenido tiene un límite elástico mayor a aproximadamente 170 ksi y en donde la energía de Charpy con entalla en V es mayor o igual a aproximadamente 80 J/cm2 en la dirección longitudinal y aproximadamente 60 J/cm2 en la dirección transversal a una temperatura aproximada a la temperatura ambiente.

28. El método de acuerdo con la reivindicación 27, caracterizado porque además comprende, después de dicha primera operación de temple y antes de dicha segunda operación de temple, revenir el tubo de acero formado a una temperatura inferior a aproximadamente 550 °C.

29. El método de acuerdo con la reivindicación 26, caracterizado porque la microestructura del tubo de acero comprende una pluralidad de carburos aproximadamente esféricos que tienen una dimensión máxima, menor o igual a aproximadamente 150 Dm después del revenido.

30. El método de acuerdo con la reivindicación 26, caracterizado porque la microestructura del tubo de acero comprende una pluralidad de carburos alargados que tienen una longitud menor o igual a aproximadamente 1 Dm y un espesor menor o igual a aproximadamente 200 nm después del revenido.