MXPA05005104A - Aceros trabajados en frio, con microestructura de martensita/austenita de tipo de listones en paquetes. - Google Patents

Abstract

Se preparan aleaciones de acero de alta deformacion, que tiene una alta resistencia de la tension, por el trabajo en frio de aleaciones, cuya microestructura incluye granos en los cuales listones de martensita alternan con peliculas delgadas de la austenita estabilizada. Debido a la alta densidad de dislocacion de esta microestructura y la tendencia de los esfuerzos a moverse entre las fases de martensita y austenita, los esfuerzos creados por el trabajo en frio proporcionan a la microestructura con propiedades mecanicas unicas que incluyen una alta resistencia a la tension. Sorprendentemente, esto se logra sin la necesidad de tratamientos intermedios de calor (tratamientos patentados, en el caso del alambre de acero) del acero, entre las reducciones del trabajo en frio.

Description

ACEROS TRABAJADOS EN FRÍO, CON MICROESTRUCTURA DE MARTENSITA/AUSTENITA DE TIPO DE LISTONES EN PAQUETES REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUD RELACIONADA La presente solicitud reclama la prioridad de la Solicitud de Patente Provisional de los Estados Unidos de América, No. de Serie 60/427,830, presentada el 19 de noviembre del 2002, para todo propósito legalmente capaz de prestar servicios. Los contenidos de esta solicitud de patente provisional, No. 60/427,830 se incorporan aqui como referencia en su totalidad, asi como toda referencia de literatura de esta especificación.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION 1. Campo de la Invención Esta invención reside en la tecnología de aleaciones de acero al carbón, bajas y medianas, particularmente aquellas de alta resistencia y dureza y la capacidad de formación en frío de estas aleaciones. 2. Descripción de la Técnica Anterior ün paso importante en el proceso de los aceros de alto desempeño, es el trabajo en frío, el cual consiste típicamente de una serie de compresiones y/o expansiones, logradas por los procesos, tal como el estirado, extrusión, conducción en frió o laminado. El trabajo en frío causa la deformación plástica del acero, la cual produce el endurecimiento de la deformación, mientras fuerza al acero en la configuración en la cual será usado finalmente. El trabajo en frío, que es el caso del alambre de acero, se realiza por el estiramiento del alambre, y se produce típicamente en una sucesión de etapas, con tratamiento de calor intermedio, lo cual, en el caso del alambre de acero, se denomina tratamiento "patentado". El alambre de acero de alta resistencia es un ejemplo de un acero de alto desempeño y es útil en una variedad de aplicaciones de ingeniería, que incluyen los cordones de llantas neumáticas, cables y cordones de alambres para los refuerzos de concretos pre-tensados . El acero más usado comúnmente en el alambre de acero de alta resistencia es el acero mediano o alto al carbón. En el procedimiento típico para formar el alambre, varillas laminadas en caliente, con microestructuras perlificas, se estiran en frío en varias etapas, con tratamientos patentados intermedios para reblandecer la perlita, por el estirado en frío continuado. Por ejemplo, las varillas laminadas en caliente de alrededor de 5.5 mm de diámetro, pueden ser estiradas en forma general en varias etapas a un diámetro de alrededor de 3 mm. El tratamiento patentado puede luego ser realizado a 850-900°C, causando la austenitización del acero, seguido por la transformación del acero a 500-550°C para láminas perliticas finas. El acero luego será decapado, por ejemplo en ácido clorhídrico, para remover las costras formadas durante dicho tratamiento patentado. Este decapado será seguido por varias etapas de estiramiento ulteriores, para reducir el diámetro debajo de alrededor de 1 mm, luego del tratamiento de patentado y decapado ulterior. El primer estiramiento luego se hace en varias etapas hasta el diámetro final deseado, el cual puede ser, por ejemplo de alrededor de 0.4 mm, para lograr las propiedades deseadas, notablemente resistentes. Esto puede ser seguido por el proceso ulterior, tal como la formación de cordones, dependiendo del uso final. El propósito del tratamiento patentado inicial es producir una varilla de alambre con una estructura perlifica laminar fina, la cual requiere una temperatura de transformación baja. Para lograr el control de temperatura deseado, el proceso se realiza típicamente en un baño de plomo fundido. En las etapas de estirado subsiguientes, el alambre se estira a esfuerzos verdaderos (definidos abajo) de 6 a 7, para obtener niveles altos de resistencia de aproximadamente 3,000 MPa. Para alambres perliticos convencionales, estas altas deformaciones y resistencias se pueden obtener solamente aplicando una serie de tratamientos patentados. Sin estos tratamientos patentados, el estiramiento en frió causará fisuras de tipo corte de las láminas perlificas. Debido a la necesidad de un baño de plomo fundido, todo el proceso es costoso y tiende a elevar los problemas ambientales. El trabajo en frió es también usado en la producción de tuberías de acero expansibles, es decir tubos que se expanden en el sitio y en algunos casos, debajo del suelo . Un desarrollo reciente en las aleaciones de acero es la formación de microestructuras, que contienen fases tanto de martensita como de austenita en una configuración alternativa, en la cual la martensita está presente como listones, que se separan por películas delgadas de austenita. Las microestructuras son granos fundidos en los cuales los granos individuales contienen varios listones de martensita, separados por películas delgadas de austenita, en algunos casos, como envolturas de austenita que rodean cada grano. Estas estructuras son denominadas estructuras de "martensita de listones dislocados" o estructuras de martensita/austenita de "listones en paquetes". Las patentes que describen estas microestructuras son como sigue, cada una de las cuales se incorporan aquí como referencia en su totalidad: 4,170,497 (Gareth Thomas y Bangaru V.N. Rao), expedida el 9 de octubre de 1979, en una solicitud presentada el 24 de agosto de 1977; 4,170,490 (Gareth Thomas y Bangaru, V.N. Rao), expedida el 9 de octubre de 1979, en una solicitud presentada el 14 de septiembre de 1978, como una continuación parcial de la solicitud anterior, presentada el 24 de agosto de 1977; 4,671,827 (Gareth Thomas, Nack J. im y Ramamoorthy Ramesh) , expedida el 9 de junio de 1987, por medio de una solicitud presentada el 11 de octubre de 1985; 6,273,968 Bl (Gareth Thomas), expedida el 14 de agosto del 2001, en una solicitud presentada el 28 de marzo del 2000. Mientas estas microestructuras ofrecen ciertos beneficios de desempeño, notablemente una alta resistencia a la corrosión, no se ha conocido hasta ahora que los pasos de proceso, típicamente usados para las aleaciones de acero, puedan ser simplificados o eliminados, cuando están presentes estas microestructuras . De relevancia potencial ulterior a esta invención, son dos patentes de los Estados Unidos de América, que describen el trabajo en frío de varillas y alambres de acero, sin el tratamiento patentado. Estas patentes son: 4,613,385 (Gareth Thomas y Alvin H. Nakagawa) , expedida el 23 de septiembre de 1980, en una solicitud presentada el 9 de diciembre de 1982; 4,619,714 (Gareth Thomas, Jae-H an Ahn, y Nack-Joon Kim) , expedida el 28 de octubre de 1986 en una solicitud presentada el 28 de noviembre de 1984, como una continuación parcial de la solicitud anterior, presentada el 6 de agosto de 1984. Estas patentes son igualmente incorporadas aquí en su totalidad. Las microestructuras de los aceros en estas patentes son considerablemente diferentes de aquéllas de las primeras cuatro patentes listadas anteriormente.

COMPENDIO DE LA INVENCIÓN Se ha encontrado ahora que la microestructura de martensita/austenita de listones en paquete, es única en sus características cristalográficas y cómo estas características causan la respuesta al trabajo en frío. Debido a la alta densidad de dislocación de esta microestructura y el caso con el cual los esfuerzos en la estructura pueden moverse entre las fases de martensita y austenita, el trabajo en frío proporciona la microestructura con propiedades mecánicas únicas, que incluyen una alta resistencia de tensión. Como resultado, estas aleaciones pueden ser trabajadas en frío sin tratamientos de calor intermedios, mientras aún logran resistencias de tensión comparables a las resistencias de tensión de aleaciones de acero convencionales, que se han procesado con el trabajo en frío, con tratamiento de calor intermedios. En el caso del alambre de acero que tiene la microestructura de martensita/austenita de listón en paquetes, esta invención radica en el descubrimiento que el estiramiento en frío puede ser realizado sin los tratamientos patentados intermedios . De acuerdo con la presente invención, por lo tanto, las aleaciones de acero al carbón, que tienen la microestructura de martensita/austenita de listones en paquetes, con películas delgadas de aüstenita retenidas, son formadas en frío, preferiblemente sin tratamientos de calor intermedios, en una suficiente reducción para lograr una resistencia de tensión de alrededor de 150 ksi ("ksi" denota kilo-libras fuerza por pulgada cuadrada") , equivalente a aproximadamente 1,085 MPa o más ("MPa" denota megapascales, es decir Newton por milímetro cuadrado) . El trabajo en frío a fuerzas de tensión de 2,000 MPa (290 ksi) es de particular interés y en realidad, fuerzas de tensión de 3, 000 MPa (435 ksi) y tan altas como de 4,000 MPa (580 ksi) se pueden encontrar en la práctica de esta invención. Estos valores son aproximados; el factor de conversión en aproximaciones de milésimos es de 6,895 MPa es igual a 1 ksi. Los beneficios de esta invención se extienden a microestructuras de martensita/austenita de listones de paquetes sencillas, que no contienen ferrita o tienen cantidades insignificantes de ferrita, y también a microestructuras que incluyen granos de listones en paquetes fundidos con granos de ferrita, y a variantes de estas estructuras, que incluyen aquellos granos de listones en paquetes que están envueltos por cubiertas de aüstenita, los cuales están libres de precipitados de carburo de interfases y aquellos en que las películas de austenita son de una orientación uniforme. El descubrimiento de la habilidad de las microestructuras de martensita/austenita de listones en paquetes, en responder al trabajo en frió de esta manera, es sorprendente en relación con las descripciones de las patentes Nos. 4,613,385 y 4,619,714, antes mencionada, puesto que la ferrita en las microestructuras de esas patentes tiene una resistencia elástica menor que la martensita. Como resultado, la ferrita absorberá de preferencia los esfuerzos introducidos por el trabajo en frió, mientras la martensita no responderá al trabajo en frió hasta que la fase de ferrita se trabaja endurecida a un nivel arriba de la resistencia elástica de la martensita. En las microestructuras dirigidas por la presente invención, el nivel relativamente bajo de la ferrita, o su ausencia, cuando no está presente la ferrita, causará que la martensita absorba el esfuerzo en una etapa anterior del proceso de trabajo en frió. La martensita y ferrita son notablemente diferentas entre si en la estructura de cristales y el comportamiento de endurecimiento.

Estos y otras características, objetos, ventajas y modalidades de la invención serán mejora entendidos de la descripción que sigue.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La Figura 1 es una proyección de la resistencia de tensión vs . el esfuerzo total verdadero para dos aleaciones de acero de la microestructura de martensita/austenita de listones en paquetes de doble fase, en el trabajo en frío, de acuerdo con la invención, en la ausencia de tratamientos de calor intermedios . La Figura 2 es una proyección de la resistencia de tensión vs . los esfuerzos totales verdaderos para tres aleaciones de acero de la microestructura de martensita/austenita/ferrita de listones en paquetes, de fase triple, de una aleación de acero de la microestructura de martensita/austenita de listones en paquetes, de doble se, en el trabajo de enfriamiento, de acuerdo con esta invención, en la ausencia de tratamiento de calor intermedios.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Y MODALIDADES PREFERIDAS El trabajo en frío, en la práctica de esta invención, se puede realizar por el uso de técnicas y equipo que se ha usado para el trabajo en frío en la técnica anterior en otras aleaciones de acero y microestructuras . Para aleaciones en la forma de lingotes, tochos, barras, losas u hojas, el trabajo en frío puede consistir en laminar el acero entre rodillos u otros elementos de compresión, para reducir el espesor de, y alargar, el acero. Cuando el trabajo en frío se realiza por laminación, reducciones múltiples son logradas por pases múltiples a través de una laminadora. Para piezas de trabajo en forma de varilla o de alambre, el trabajo en acero puede consistir de estiramiento en frío o extrusión a través de un troquel. Para reducciones múltiples, la pieza de trabajo se extruye a través de una serie de troqueles sucesivamente menores. La tubería se logra estirando el acero de través de un troquel en forma de anillo, con un mandril dentro del troquel. Para pasadas múltiples, la tubería, que y se ha estirado, se estire más a través de un troquel más pequeño en forma de anillo, con un mandril colocado dentro de la tubería. El trabajo en frío se realiza a una temperatura debajo de la temperatura más baja a la cual ocurre la recristalización. Temperaturas adecuadas ' son, por lo tanto, aquellas que no inducen cualquier cambio de asase en el acero. Para aceros al carbón, la recristalización ocurre típicamente a alrededor de 1, 000°C y, por lo tanto, el trabajo en frío, de acuerdo con esta invención, se realiza bien debajo de esta temperatura. Preferiblemente, el trabajo en frío se realiza a una temperatura de alrededor de 500 °C o menos, más preferiblemente a alrededor de 100°C o meno, y más preferiblemente a una temperatura que está dentro de uno 25 °C de temperatura ambiente. El trabajo en frío se puede realizar en una sola pasada o en una sucesión de pasadas. En cualquier caso, los tratamientos de calor intermedios (que, en el caso del alambre de acero, son denominados patentados") pueden ser realizados para mejorar más las propiedades, pero las propiedades que resultan del trabajo en frío solas son suficientemente altas que los tratamientos de calor intermedios no san requeridos y preferiblemente no se realizan. El grado de reducción por pasada no es critico en la invención y puede variar ampliamente, aunque las reducciones deben ser suficientemente grandes para evitar el endurecimiento del acero tanto que este acero llega a ser susceptible a ruptura después de una pequeña reducción tal. En muchos casos, las reducciones preferidas son al menos del 20% por pasada, más preferiblemente al menos un 25% por pasada, y más preferiblemente alrededor del 25% hasta el 50% por pasada. La reducción por pasada es gobernada, al menos parcialmente, por tales factores como el ángulo del troquel y el coeficiente de eficiencia del estiramiento. Cuanto mayor sea el ángulo del troquel, mayor será la reducción mínima que se requiere para evitar la formación de fisuras y ruptura central. Cuanto menor se el coeficiente de eficiencia de estirado, sin embargo, menor será la reducción máxima para un acero con un exponente de endurecimiento de deformación dado. Un compromiso es buscado típicamente entre estas dos consideraciones de competencia. En términos de la fuerza de tensión del producto final, el trabajo en frío será preferiblemente realizado a una fuerza de tensión dentro del intervalo de alrededor de 150 ksi (1034 MPa) a alrededor de 599 ksi (3448 MPa) . El proceso de esta invención es aplicable a aleaciones de acero al carbón, que tienen microestructuras de martensita/austenita de listones en paquetes, tal como las descritas en las patentes antes mencionadas, al igual que aquellas descritas en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos de América, también pendiente, No. 10/017,847, presentada el 15 de diciembre del 2001 (intitulada "Aceros de Nano-Compuestos de Fase Triple", inventores Kusinski G. H. Pollack, D., y Thomas, G.) y 10/017,879, presentada el 14 de diciembre del 2001 (intitulada "Aceros Martensiticos Nano-Compuestos", inventores Kusinski, G. J. Pollack, D., y Thomas, G.) ambas de las cuales se incorporan aqui como referencia en su totalidad. Para permitir la formación de la microestructura de martensita/austenita de listones en paquetes, la composición de aleación tendrá típicamente una temperatura de partida de la martensita Ms de alrededor de 300 °C o mayor, y preferiblemente de 350 °C o mayor. Mientras los elementos de aleación, en general, afectan la Ms, el elemento de aleación que tiene la mayor influencia en la Ms es el carbón, y el logro de una aleación con una Ms mayor de 300 °C puede ser realizado limitando el contenido del carbón de la aleación a un máximo del 0.35% en peso. En las modalidades preferidas de la invención, el contenido del carbón está dentro del intervalo de más del 0.03% hasta el 0.35% y, en modalidades más preferidas, el intervalo es de alrededor del 0.05% al 0.33%, todo en peso. Los elementos de aleación adicionales, tal como el molibdeno, titanio, niobio y aluminio, pueden también estar presentes en cantidades suficientes para servir como sitios de nucleación para la formación de granos finos, aún suficientemente bajos en concentración, para evitar afectar las propiedades de la aleación acabada por su presencia. La concentración debe también ser suficientemente baja para evitar la formación de inclusiones y otros precipitados grandes, que pueden hacer al acero susceptible a la fractura temprana. En ciertas modalidades de la invención, será ventajoso incluir uno o más elementos estabilizadores de austenita, ejemplos de los cuales son el nitrógeno, manganeso, níquel, cobre y zinc. Particularmente preferidos entre ellos son el manganeso y el níquel. Cuando está presente el níquel, su concentración está preferiblemente dentro del intervalo de alrededor del 0.25% hasta el 5%, y cuando está presente el manganeso, su concentración está preferiblemente dentro del intervalo de alrededor del 0.25% al 6%. El cromo está también incluido en muchas modalidades de la invención, y cuando está presente, su concentración está preferiblemente de alrededor del 0.5 al 12%. Todas las concentraciones aquí son en peso. Ciertas modalidades de la invención implican aleaciones que incluyen una fase de ferrita además de los granos de martensita/austenita de listones en paquete (aleaciones de triple fase) mientras otras consisten solamente en los granos de martensita/austenita de listes en paquete, y no incluyen la fe de ferrita (aleaciones de doble fase) . En general, la presencia o ausencia de la fase de ferrita, se determina por el tipo de tratamiento de calor en la etapa de austenitizacion inicial. Por la selección apropiada de la temperatura, el acero puede ser transformado en una fase de austenita sencilla o en una estructura de dos fases, que contienen tanto la austenita como la ferrita. Además, la composición de aleación pueda ser seleccionada o ajustada a causa la formación de ferrita, durante el enfriamiento inicial de la aleación desde la fase de austenita o evitar la formación de ferrita durante el enfriamiento, es decir, evitar la formación de los granos de ferrita antes del enfriamiento ulterior de la austenita, para formar la mxcroestructura de listones en paquetes. Como se notó antes, en ciertos casos será benéfico usar aleaciones con microestructuras de martensita/austenita en listones en paquetes, en las cuales las películas de austenita en un grano de listones en paquetes sencillo, son toadas de aproximadamente la misma orientación, aunque la orientación cristalográfica puede variar, o aquellas en que las películas de austensita en un grano de listones en paquetes sencillo, son todas de la misma orientación de plano de cristales. Las últimas pueden ser logradas limitando el tamaño del grano a diez mieras o menores. Preferiblemente, el tamaño del grano, en algunos casos, está dentro del intervalo de alrededor de 1 miera a alrededor de 10 mieras, y más preferiblemente de alrededor de 5 mieras, a alrededor de 9 mieras . La preparación de las microestructuras de martensita/austenita de listones en paquetes en fase, que no contienen ferrita (es decir, microestructuras de "fase doble") comienza con la selección de los componentes de aleación y la combinación de estos componentes en pociones apropiadas, como se indicó antes. Los componentes combinados son luego homogeneizado ("remojados") por un periodo de tiempo suficiente, y a una temperatura suficiente para lograr una estructura austenitica uniforme con todos los elementos y componentes en solución sólida. La temperatura estará arriba de la temperatura de recristalización de la austenita, pero preferiblemente a un nivel que causará la formación de granos muy finos. La temperatura de recristalización de la austenita varía típicamente con la composición de la aleación, pero en general, será fácilmente aparente a os expertos en la materia. En la mayoría de los casos, mejores resultados se lograrán por remojar a una temperatura dentro del intervalo de 800°C hasta 1150°C. El laminado, forjado o ambos son realizados opcionalmente en la aleación a esa temperatura. üna vez que se completa la homogeneización, la aleación se somete a una combinación de enfriamiento y refinamiento de granos, al tamaño de granos deseado, lo cual puede variar, como se mencionó antes. El refinamiento de granos puede ser realizado en etapas, pero el refinamiento final de granos es logrado generalmente a una temperatura intermedia, la cual está arriba, pero cercana a, la teme paturra de recristalización de la austenita. La aleación puede ser laminada primero a la temperatura de homogeneización para lograr la recristalización dinámica, luego enfriada a una temperatura intermedia y laminada de nuevo para la recristalización dinámica ulterior. La temperatura intermedia está entre la temperatura de recristalización de la austenita y la temperatura que está alrededor de 50 °C arriba de la temperatura de recristalización de la austenita. Para composiciones de aleaciones cuya temperatura de recristalización está arriba de 900 °C, y la temperatura intermedia a la cual la aleación se enfria, está preferiblemente arriba de 900°C hasta 950°C, y más preferiblemente entre alrededor de 900 y 925°C. Para composiciones de aleaciones cuya temperatura de recristalización de la austenita es de alrededor de 820°C, la temperatura intermedia preferida es de alrededor de 850 °C. La recristalización dinámica puede también ser lograda forjando o por otros medios conocidos a los expertos en la materia. La recristalización dinámica produce una reducción del tamaño de granos del 10% o mayor, y, en muchos casos, una reducción del tamaño de granos, de aproximadamente el 30 hasta el 90%. Una vez que se logra el tamaño deseado de granos, la aleación se enfria por enfriar a una temperatura arriba de la temperatura de recristalización de la austenita abajo a la temperatura de partida de la martensita, Ms, luego a través del intervalo de transición de la martensita, para convertir los cristales de austenita a la microestructura de martensita/austenita de listones en paquetes. Cuando están presentes los cristales de ferrita, entre los cristales de austenita, la conversión ocurre solamente en los cristales de austenita. El régimen de enfriamiento óptimo varia con la composición química y así también la dureza de la aleación. Los paquetes resultantes son aproximadamente del mismo tamaño pequeño como los granos de austenita producidos durante las etapas de laminación, pero la única austenita que permanece en estos granos es en las películas delgadas y en algunos casos en la envoltura que rodea cada grano de listones en paquetes. Cuando las películas de austenita delgadas que van a ser de una sola variante en la orientación de los cristales, , esto se logra por controlar el proceso para lograr un tamaño de granos menor de 50 mieras. Como una alternativa a la recristalización dinámica, la refinación de granos al tamaño deseado, puede lograrse por el tratamiento de calor solo. Para usar este método, la aleación se enfria, como se describió en el párrafo precedente, luego se recalienta a una temperatura, que es aproximadamente igual a la temperatura de recristalización de la austenita o levemente debajo, luego se enfria de nuevo para lograr o regresar a la microestructura de martensita/austenita de listones en paquetes. La temperatura del recalentamiento está preferiblemente dentro de unos 50 °C de la temperatura de recristalización de la austenita, por ejemplo de alrededor de 870°C. Los pasos del proceso, tal como el calentamiento de la composición de aleación a la fase austenitica, enfriamiento de la aleación con laminado o forja controlados para lograr la reducción deseada y el tamaño de grano, y el templado de los granos de austenita a través de la región de transición de la martensita, para lograr la estructura de listones en paquetes, son realizados por métodos conocidos en la técnica. Estos métodos incluyen la fusión, tratamiento por calor y trabajo en caliente de la aleación, tal como por forjado o laminación, seguido por el acabado a la temperatura controlada, para el refinamiento de granos óptimo. La laminación controlada sirve de varias funciones, que incluyen ayudar en la difusión de los elementos de aleación para formar una fase cristalina de austenita homogénea y en el almacenamiento de la energía de esfuerzo en los granos. En las etapas de templado del proceso, la laminación controlada guía la fase de la martensita formada recientemente en un arreglo de listones en paquetes de listones de la martensita separados por películas delgadas de la austenita retenida. El grado de la reducción de laminación puede variar y será fácilmente aparente a los expertos en la materia. El templado se hace preferiblemente en forma rápida para evitar la formación de miroestructuras perjudiciales, que incluyen la perlita, bainita y partículas o precipitados, la precipitación particularmente entre fases y la formación de partículas, que incluyen la formación de carburos y carbonitruros indeseables. En los granos de martensita y austenita, de listones en paquetes, las películas de austenita retenidas, constituirán alrededor del 0.5 al 15% en volumen de la microestructura, preferiblemente de alrededor del 3 a alrededor del 10%, y mas preferiblemente un máximo de alrededor del 5%.

Las aleaciones de triple fase tienen una microestructura que consiste de dos tipos de granos, granos de ferrata y granos de martensita/austenita de listones en paquetes, fundidos juntos como una masa continua. Como en las aleaciones de doble fase, el tamaño de granos individuales no es critico y puede variar ampliamente. Para mejores resultados, los tamaños de granos tendrán, en general, diámetros (u otra dimensión lineal característica apropiadamente) que se encuentran en el intervalo aproximado de 2 mieras hasta 100 mieras, o preferiblemente dentro del intervalo de alrededor de 5 mieras a alrededor de 0 mieras . La cantidad de la fase de ferrita relativa a la fe de martensita-austenita, puede varias. Sin embargo, en la mayoría de los casos, mejores resultados se obtendrán cuando los granos de martensita/austenita constituyen de aproximadamente el 5% hasta el 95% de la estructura de la fase triple, preferiblemente de alrededor del 15 hasta el 60%, y más preferiblemente del 20 hasta el 40%, todo en peso. Las aleaciones de fase triple se pueden preparar combinando primero los componentes apropiados necesarios para formar una aleación de la composición deseada, luego remojar para lograr una estructura austenítica uniforme, con todos los elementos o componentes en dicha solución sólida, como en la preparación de las aleaciones de fase doble, descritas anteriormente. Un intervalo de temperatura de remojo preferida es de aproximadamente 900 a 1,70°C. Una vez que se forma la fase de austenita, la composición de aleación se enfria a una temperatura en la región intercritica, que se define como la región en la cual coexisten en equilibrio las fases de austenita y de ferrita. El enfriamiento causa asi que una porción de la austenita se transforme en granos de ferrita, dejando el resto como austenita. Cantidades relativas de cada una de las dos fases en equilibrio varían con a temperatura a la cual la composición de enfría en esta etapa, y también con los niveles de los elementos de aleación. La distribución del carbón entre las dos fases (de nuevo en equilibrio), también varía con la temperatura. Las cantidades relativas de las dos fases no son criticas a la invención y pueden variar. La temperatura la cual la composición se enfría, con el fin de lograr la estructura de ferrita y austenita de fase doble, está preferiblemente dentro del intervalo de aproximadamente 800 a 1,000°C. Una vez que los cristales de ferrita y austenita se forman (es decir, se logra un equilibrio a la temperatura seleccionada en la fase intercrítica) , la aleación se enfría rápidamente por enfriamiento a través del intervalo de transición de la martensita, para convertir los cristales de austenita ala microestructura de martensita/austenita de listones en paquetes. El régimen de enfriamiento usado durante esta transición, es suficientemente grande para evitar sustancialmente cualquier cambio en la fase de ferrita y la descomposición de la austenita indeseada. Dependiendo de la composición de aleación y su capacidad de dureza, el enfriamiento con agua puede ser requerido para lograr el régimen de enfriamiento deseado, para ciertas aleaciones el enfriamiento con aire será suficiente. En algunas aleaciones, notablemente de tres fases, que contienen 6% de Cr, el régimen de enfriamiento deseado es suficientemente lento, así que el enfriamiento de aire se podrá usar. Las consideraciones antes mencionadas en relación con las aleaciones de fase doble, se aplican aquí igualmente. Las composiciones preferidas de aleaciones de fase doble, son aquellas que contienen de aproximadamente el 0.04% al 0.1% de carbón, desde cero hasta el 11.0% de cromo, de cero hasta un 2.0% de manganeso, y de cero hasta un 2.0% de silicio, todo en peso, el resto siendo el hierro. Composiciones preferidas de aleaciones de triple se son aquéllas que contienen de alrededor del 0.02% hasta alrededor del 0.14% de carbono, de cero hasta alrededor del 3.0% de silicio, de cero hasta alrededor de 1.5% de manganeso y de cero hasta un 1.% de aluminio, todo en peso, el resto siendo el hierro . La formación de precipitados u otras partículas pequeñas dentro de la microestructura en el enfriamiento, se refiere colectivamente como el "autotemplado" . En ciertas aplicaciones de esta invención, si las aleaciones de la fase doble o la fase triple, el autotemplado será evitado a propósito, usando un régimen de enfriamiento relativamente rápido. Los regímenes de enfriamiento mínimos que evitarán el autotemplado, son evidentes del diagrama de transformación -temperatura - tiempo para la aleación. En el diagrama típico, el eje vertical representa la temperatura y el eje horizontal representa el tiempo, mientras las curvas en el diagrama indican la región donde cada fase existe o por sí misma o en combinación con otras fases, ün diagrama típico se muestra en la patente de EE.UU., No. 6,273,968 Bl, de Thomas, mencionad anteriormente. En tales diagramas, el régimen de enfriamiento mínimo es una línea de temperatura que desciende con el tiempo, la cual topa con el costado izquierdo de una curva en forma de C. La región a la derecha de la curva representa la presencia de carburos y los regímenes de enfriamiento que evitan la formación de carburos, son, por lo tanto, representadas por líneas que permanecen a la izquierda de la curva. La linea que es tangencial a la curva tiene una configuración más pequeña y es, ,por lo tanto, el régimen más bajo que puede ser usado, mientras aún evita la formación de carburo . Los términos de "precipitación interfases" y "precipitados interfases", se usan aquí para denotar la formación de partículas de aleación pequeñas en ubicaciones entre la fase de martensita y austenita, es decir, entre los listones y las películas delgadas, que separan estos listones. Los "precipitados interfases" no se refieren a las propias películas de la austenita. Estos precipitados de interfases, como se distinguen de los "precipitados intratases", los cuales son los precipitados ubicados dentro de los listones de martensita, más bien que a lo largo de las interfases entre los listones de martensita y las películas de austenita. Los precipitaos intratases que son de alrededor de 500 ? en diámetro no son perjudiciales a la firmeza y pueden de hecho mejorar esta firmeza. Asír el autotemplado no es necesariamente perjudicial, siempre y cuando este autotemplado sea limitado a la precipitación intratases, y no resulte en la precipitación interfases.. El término de "sustancialmente sin carburos", se usa aquí para indicar que si hay presentes carburos, su distribución y cantidad son tales que ellos tienen un efecto inapreciable en las características del desempeño, y particularmente las corrosión característica de la aleación acabada. Dependiendo de la composición de la aleación, un régimen de enfriamiento, que es suficientemente alto para prevenir la formación de carburos o el autotemplado, en general, puede ser aquel que se puede lograr con el enriamiento de aire o uno que requiera el enfriamiento de agua. En composiciones de aleaciones, en las cuales el autotemplado se puede evitar con el enfriamiento de aire, este enfriamiento de aire puede aún ser hecho cuando los niveles de ciertos elementos de aleación se reducen, siempre y cuando los niveles de otros elementos de aleación se eleven. Por ejemplo, una reducción en la cantidad de carbón, cromo silicio, puede ser compensada por una elevación en el nivel del manganeso. Los procesos y condiciones señalados en las patentes de EE.UU., antes mencionadas, particularmente los tratamientos por calor, refinamiento de granos, forja en linea y el uso de laminadoras para con iguraciones redondas, planas y otras configuraciones, pueden ser usados en la práctica de la presente invención para el alentamiento de la composición de aleación a la fase de austenita, el enfriamiento de la aleación de la fase de austenita a la fase intercritica, en el caso de aleaciones de triple fase, y luego el enfriamiento a través de la región de transición de la martensita. El laminado se realiza en una manera controlada en una o más etapas, durante la austenitización y los procedimientos de enfriamiento de la primera etapa, por ejemplo, para ayudar en la difusión de los elementos de aleación para formar una fase cristalina de austenita homogénea, y luego deformar los granos de cristal y la energía de esfuerzo almacenada en los granos, mientras en el enfriamiento de la segunda etapa, el laminado puede servir para guiar la fe de martensita recién formada en el arreglo de listón en paquetes de los listones de martensita por películas delgadas de austenita retenida. El grado de reducciones de laminación puede variar, y será fácilmente evidente a los expertos en la materia. En los cristales de martensita-austenita de listones en paquetes, las películas de austenita retenidas, constituirán de aproximadamente el 0.5 al 15% en volumen de la microestructura, preferiblemente de alrededor del 3 al 10%, y más preferiblemente, un máximo de aproximadamente el 5%. La proporción de austenita en relación con toda la microestructura de fase triple, será un máximo de aproximadamente el 5%. El ancho real de una película de austenita sencilla retenida es preferiblemente en el intervalo de alrededor de 50Á hasta 250Á, y preferiblemente de alrededor de 100Á. La proporción de la austenita con relación a la microestructura de fase triple completa, será en general un máximo de alrededor del 5%. El laminado discutido en este párrafo será distinguido del trabajo enfrío que se hace de acuerdo con esta invención, después de las microestructuras de martensita/austenita de listones en paquetes, si la estructura de fase doble o parte de la estructura de fase triple se ha formado. Los siguientes ejemplos se ofrecen solamente en forma de ilustración.

EJEMPLO 1 Este ejemplo ilustra la deformación de la varilla de acero al carbono, con una microestructura de martensita/austenita de listones en paquetes, por un proceso de estiramiento en frío, de acuerdo con la presente invención, a una reducción de área del 99%.

El experimento reportado en este ejemplo se realizó en una varilla de acero, que mide 6 mm de diámetro y que tiene una composición de aleación del 0.1% de carbono, 2.0% de silicio, 0.5% de cromo, 0.5% de manganeso, todo en peso, y el resto de hierro, con una microestructura que consiste de granos que miden aproximadamente 50 mieras de diámetro, cada grano consiste de listones de martensita que miden aproximadamente 100 nm de espesor, alternando con películas delgadas de austenita, que miden aproximadamente 10 nm de espesor, sin fases de ferrita, y cada grano rodeado por una envoltura de austenita, que mide aproximadamente 10 nm de espesor. La varilla se preparó por el método descrito en la solicitud de patente de EE.UU., también pendiente, No. de Serie 10/017, 879, presentada el 14 de diciembre del 2001, referenciada anteriormente. La varilla de acero sin recubrir fue limpiada superficialmente y lubricada, luego se estiró en frío a través de troqueles lubricados en 15 pasadas a una temperatura de 25 °C, a un diámetro de 0.024 cm (0.0095 pulgada). En un diámetro de alambre final de 0.027 cm (0.0105 pulgada) , que representa una reducción de área total del 99%, el alambre tenía una fuerza de tensión de 2,690 MPa (390 ksi) .

EJEMPLO 2 Este ejemplo es otra ilustración del trabajo en frío de varillas de acero al carbono, con una micro estructura de martensita/austenita, de acuerdo con la presente invención. En este ejemplo, se usaron dos diferentes aleaciones, F/Cr/0.05C y Fe/2Si/0.1C, con una microestructura que consiste de granos que miden aproximadamente 50 mieras de diámetro, cada grano consistiendo de listones de martensita, que miden aproximadamente 150 nm de espesor, alternando con películas delgadas que miden aproximadamente 10 nm de espesor, sin fases significantes de ferrita, cada grano estaba rodeado por una envoltura de austenita, que mide aproximadamente 10 nm de espesor. Las varillas de acero tenían 6 mm de diámetro y se limpiaron en la superficie y se lubricaron, luego se estiraron en frío a través de troqueles lubricados en una serie de pasadas a una temperatura de 25 °C. El programa de estiramiento, mostrado en la Tabla 1, se usó para la aleación de Fe/8Cr/0.05C, y un programa de estiramiento similar se usó para la aleación de Fe/2Si/0.1C. En esta tabla, A0 representa el diámetro de varilla inicial y A es el diámetro de varilla después de la pasada particular.

TABLA 1 Programa de Estiramiento para Fe/8Cr/0.05C, con una microestructura de martensita de listones en paquetes, sustancialmente exenta de ferrita Se midieron las fuerzas de tensión en la varillas de partida y después de cada pasada, y los resultados se proyectan contra el esfuerzo total verdadero en la Figura 1, en la cual los cuadrados representan la aleación Fe/8Cr/0.05C y los diamantes representan la aleación Fe/2Si/0.1C. La Figura muestra que la fuerza de tensión de ambas aleaciones llegó a aproximadamente 2, 000 MPa por el final de toda la secuencia de estiramiento en una reducción total de área del 97%.

EJEMPLO 3 Este ejemplo ilustra el trabajo en frió, de acuerdo con la presente invención, usando varillas de acero al carbón con microestructuras de martensita/austenita de listones en paquetes, que contienen cristales de ferrita como una tercera fase (además de los listones de martensita y las películas delgadas de austenita, es decir, una microestructura de triple fase) . En este ejemplo, la aleación fue Fe/2Si/0.1C, con una microestructura que consiste de ferrita fundida con granos de listón en paquetes, similares a los descritos anteriormente en los Ejemplos 1 y 2, que contienen listones de martensita alternando con películas delgadas de austenita y encerrados en una envoltura de austenita. Las varillas se prepararon por el método descrito en la solicitud de patente de EE.UU., No. 10/017,847, presentada el 14 de diciembre del 2001, mencionad anteriormente, que usa una temperatura de recalentamiento de 950°C, para lograr un contenido de ferrita del 70% en volumen de la microestructura . El diámetro inicial de La varilla era de 5.59 mm (0.220 pulgada) y el trabajo en frío consistía del estiramiento de la varilla a través de troqueles cónicos lubricados, a una temperatura de 25 °C, en 15 pasadas, con aproximadamente una reducción del 36% por pasada a un diámetro final de 0.94 mm (0.037 pulgada). El programa de estiramiento se muestra en la Tabla II, donde A0 representa el diámetro inicial de la varilla y A es el diámetro de la varilla después de la pasada particular. TABLA II Programa de Estiramiento para Fe/2Cr/0.1 C, con Microestructura de Triple Fase Pasada No. Diámetro Esfuerzo total Reducción de Reducción (mm) verdadero área, una sola total de área (in/A/Ao)) ) pasada (%) (%) (inicial) 6.050 0.00 0.00 0.00 1 4,580 0.56 42.60 42.69 2 3,650 1.01 36.49 63.00 3 2.910 1.46 36.44 76.86 5 2.320 1.92 36.44 85.29 5 1.870 2.35 35.03 90.45 6 1.660 2.59 21.20 92.47 7 1.320 3.04 36.77 95.24 8 1.090 3.43 31.81 96.75 9 0.910 3.79 30.30 97.74 10 0.756 4.16 30.98 98.44 1 1 0.624 4.54 31.87 98.94 12 0.526 4.89 28.94 99.24 13 0.437 5.26 30.98 99.48 14 0.390 5.48 20.35 99.58 15 0.359 5.65 15.27 99.65 La fuerza de tensión del alambre final fue de 2760 MPa (400 ksi) .

EJEMPLO 4 Este ejemplo es una ilustración más del trabajo en frió de las varillas de acero al carbón, cuya microestructura consiste de martensita/austenita de listones en paquetes, y cristales de ferrita, de acuerdo con la presente invención. En este ejemplo, la aleación fue Fe/2Si/0.1, como en el Ejemplo 3, con una microestructura que consiste de ferrita fundida con granos de listones en paquetes similar a los descritos anteriormente en los Ejemplos 1 y 2, que contienen listones de martensitá que alternan con películas delgadas de austenita y encerradas en una envoltura de austenita. Una varilla de esta composición se preparó por el método general descrito en la solicitud de patente de EE.UU., No. 10/017, 847, presentada el 14 de diciembre del 2001, mencionad anteriormente. En este caso, la varilla fue laminada en caliente inicialmente, a un diámetro de 6.35 mm (0.25 pulgada), luego se alentó a 1,150°C durante unos 30 minutos para austenitizar la composición, luego se templó en salmuera helada para transformar la austenita a sustancialmente el 100% de martensita, luego se recalentó rápidamente para convertir la estructura a aproximadamente el 70% de ferrita y 30% de austenita. La varilla luego se enfrió en salmuera helada para convertir la austenita a la estructura de martensita/austenita de listones en paquetes. La varilla luego se estiró en frió en 7 pasadas a una reducción del 35% por pasada a un diámetro final de 1.40 mm (0.055 pulgada), resultando en una fuerza de tensión de 1.875 MPa (272 ksi) . En un experimento paralelo, una varilla de la misma composición se trató en una manera idéntica y se estiró en frió en 13 pasadas a una reducción del 35% por pasada a un diámetro final de 0.37 mm (0.015 pulgada), resultando en una fuerza de tensión de 2,480 MPa (360 ksi).

EJEMPLO 5 Este ejemplo es aún otra ilustración del trabajo en frío de varillas de acero al carbón, cuya microestructura consiste de martensita/austenita de listones en paquetes, y cristales de ferrita, de acuerdo con la presente invención, demostrando el efecto de variar las cantidades relativas de la martensita/austenita de listones en paquetes y la ferrita. La aleación de acero fue Fe/2Si/0.1C, como en los Ejemplo 3 y 4, y las varillas se prepararon como se describió en el Ejemplo 4, usando diferentes temperaturas de recalentamiento para lograr contenidos de ferrita del 0%, 56%, 66% y 75%, que corresponden a contenidos de martensita/austenita de listones en paquetes, del 100%, 40%, 35% y 25%, respectivamente, todo en volumen. Programas de estiramiento similares a los mostrados en la Tabla II se usaron en todas las cuatro microestructuras, y las fuerzas de tensión resultantes se proyectaron contra los esfuerzos totales en la Figura 2, en la cual los cuadrados representan la aleación de listones en paquetes del 100%, los triángulos representan la aleación de listones en paquetes del 44%, los circuios representan la aleación de listones en paquetes del 34%, y los diamantes representen la aleación de listones en paquetes del 25%. La proyección muestra que todas las cuatro estructuras lograron una fuerza de tensión muy en exceso de 2,000 MPa, y aquellas en las cuales las porciones de martensita/austenita de listones en paquetes, excedían el 25% produjeron mayores fueras de tensión que las mxcroestructuras en las cuales la porción de listones en paquetes fueron del Lo anterior se ofreció primariamente con el fin de ilustración. Modificaciones y variaciones ulteriores de los varios parámetros de la composición de aleación y los procedimientos de proceso y condiciones pueden ser hechas aún incorporando los conceptos básicos y novedosos de esta invención. Ellos serán evidentes fácilmente a los expertos en la técnica y se incluyen dentro del ámbito de la invención.

Claims (19)

1. REIVINDICACIONES 1. Un proceso para la fabricación de acero al carbón, en una aleación de alta resistencia, alta ductilidad, dicho proceso comprende: a) formar una aleación de acero al carbón, que tiene una microestructura, la cual comprende listones de martensita alternando con películas de la austenita retenida; y b) trabajar en frío dicha aleación de acero al carbón, a una reducción suficiente para lograr una resistencia de tensión de al menos aproximadamente 1,085 MPa (150 ksi) .
2. 2. Un proceso, de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la etapa (b) comprende trabajar en frío dicha aleación de acero al carbón, a una reducción suficiente para lograr una resistencia de tensión de aproximadamente 1, 085 hasta 3,450 MPa (150 a 500 ksi).
3. 3. Un proceso, de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la etapa (b) comprende trabajar en frío dicha aleación de acero al carbón a una reducción del área en sección transversal de al menos aproximadamente el 20% por pasada .
4. 4. ün proceso, de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la etapa (b) comprende trabajar en frío dicha aleación de acero hasta una reducción del área en sección transversal de cuando menos aproximadamente el 25% por pasada .
5. 5. Un proceso, de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la etapa (b) comprende trabajar en frió dicha aleación de acero a una reducción del área en sección transversal de aproximadamente el 25 hasta aproximadamente el 50% por pasada.
6. 6, Un proceso, de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la etapa (b) comprende trabajar en frió dicha aleación de acero en una serie de pasadas, sin tratamiento de calor entre pasadas .
7. 7, Un proceso, de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la etapa (b) se realiza a una temperatura de aproximadamente 100 °C o menor.
8. 8. Un proceso, de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la etapa (b) se realiza dentro de aproximadamente 25 °C de temperatura ambiente.
9. 9. Un proceso, de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dicha aleación de acero al carbón está en la forma de una varilla o alambre, y la etapa (b) comprende estira dicha aleación de acero al carbón a través de un troquel.
10. 10. Un proceso, de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dicha aleación de acero al carbón está en la forma de una hoja, y la etapa (b) comprende laminar dicha aleación de acero al carbón.
11. 11. Un proceso, de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la etapa (a) comprende: (i) . formar una composición de una aleación de acero al carbón, que tiene una temperatura de inicio de la martensita de al menos aproximadamente 300 °C; (ii) . calentar dicha composición de aleación de acero al carbón a una temperatura suficientemente alta para causar su austenitización, para producir una fase de austenita homogénea, con todos los elementos de aleación en solución; y ii) . enfriar dicha fase de austenita homogénea a través de dicho intervalo de transición de la martensita, con un régimen de enfriamiento suficientemente rápido, , para lograr dicha microestructura, evitando sustancialmente la formación de carburo en las entre caras de dichos listones de martensita y dichas películas de la austenita retenida.
12. 12. Un proceso, de acuerdo con la reivindicación 11, en el cual dicha composición de aleación de acero al carbón tiene una temperatura de inicio de la martensita de al menos aproximadamente 350 °C.
13. 13. ün proceso, de acuerdo con la reivindicación 11, en el cual dichas películas de austenita retenidas son de una orientación uniforme.
14. 14. Un proceso, de acuerdo con la reivindicación 11, en el cual dicha composición de aleación de acero al carbón consiste de hierro y elementos de aleación que comprenden aproximadamente el 0.04% hasta el 0.12% de carbón, del 0% hasta aproximadamente el 11% de cromo, del 0% hasta aproximadamente el 2.0% de manganeso, y del 0% hasta aproximadamente el 2.0% de silicio, todo en peso.
15. 15. Un proceso, de acuerdo con la reivindicación 11, en el cual dicha temperatura de la etapa (ii) es de aproximadamente 800 °C hasta aproximadamente 1150 °C.
16. 16. Un proceso, de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la etapa (a) comprende: (i) . formar una composición de aleación de acero al carbón, la cual tiene una temperatura de inicio de la martensita de cuando menos aproximadamente 300 °C; (ii) . calentar dicha composición de aleación de acero al carbón, a una temperatura suficientemente alta, para causar su austenitización, para producir una fase de austenita homogénea con todos los elementos de la aleación en solución; (iii) . enfriar dicha fase de austenita homogénea para transformar una porción de dicha fase de austenita a cristales de ferrita, formando asi una microestructura de dos fases, que comprende cristales de ferrita fundios con los cristales de austenita; y (iv) . enfriar dicha microestructura de dos fases, a través de dicho intervalo de transición de la martensita, bajo condiciones que causen la conversión de dichos cristales de austenita a una microestructura, que contiene listones de martensita que alternan con películas de la austenita retenida.
17. 17. Un proceso, de acuerdo con la reivindicación 16, en el cual dicha etapa (iii) comprende enfriar dicha fase de Austenita homogénea a una temperatura de aproximadamente 800 °C hasta aproximadamente 1,000°C.
18. 18. Un proceso, de acuerdo con la reivindicación 16, en el cual la etapa (ii) comprende calentar dicha composición de aleación de acero al carbón a una temperatura de aproximadamente 1,050°C hasta aproximadamente 1,170°C, y la etapa (iii) comprende enfriar dicha fase de austenita homogénea a un temperatura de aproximadamente 800 °C hasta ap oximadamente 1 , 000 °C .
19. 19. Un proceso, de acuerdo con la reivindicación 16, en el cual dicha composición de acero al carbón consiste de hierro y elementos de aleación, que comprenden aproximadamente el 0.02% hasta aproximadamente el 0.14% de carbón, del 0% a aproximadamente el 3.0% de silicio, del 0% hasta aproximadamente el 1.5% de manganeso, y del 0% hasta aproximadamente el 1.5% de aluminio, todo en peso.