ES2291728T3 - Pieza de acero de construccion soldable y procedimiento de fabricacion. - Google Patents

Pieza de acero de construccion soldable y procedimiento de fabricacion. Download PDF

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ES2291728T3 ES03789465T ES03789465T ES2291728T3 ES 2291728 T3 ES2291728 T3 ES 2291728T3 ES 03789465 T ES03789465 T ES 03789465T ES 03789465 T ES03789465 T ES 03789465T ES 2291728 T3 ES2291728 T3 ES 2291728T3
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Abstract

Pieza de acero de construcción soldable, caracterizada porque su composición química comprende, en peso: 0, l0% <= C <= 0, 22% 0, 50% <= Si <= 1, 50% Al <= 0, 9% 0% <= Mn <= 3% 0% <= Ni <= 5% 0% <= Cr <= 4% 0% <= Cu <= 1% 0% <= Mo + W/2 <= 1, 5% 0, 0005% <= B <= 0, 010% N <= 0, 025% eventualmente al menos un elemento escogido entre V, Nb, Ta, S y Ca, en contenidos inferiores a 0, 3%, y/o entre Ti y Zr en contenidos inferiores o iguales a 0, 5%, el resto siendo hierro e impurezas resultantes de la elaboración, los contenidos en aluminio, en boro, en titanio y en nitrógeno, expresados en milésimas de %, de dicha composición satisfacen además la relación siguiente: con K = Min (I*; J*) I* = Max (0; I) y J* = Max (0; J) I = Min (N ; N-0, 29(Ti-5)) los contenidos en silicio y en aluminio de la composición verificando además las condiciones siguientes: si C > 0, 145, entonces Si + Al < 0, 95 y donde la estructura es bainítica, martensítica o martensito-bainítica y comprende además de 3 a 20% de austenita residual.

Description

Pieza de acero de construcción soldable y procedimiento de fabricación.
La presente invención concierne a piezas de acero de construcción soldables y su procedimiento de fabricación.
Los aceros de construcción deben presentar un cierto nivel de características mecánicas para estar adaptados al uso que se desea hacer, y los mismos deben en particular presentar una dureza elevada. Para esto, se utilizan aceros susceptibles de ser templados, es decir para los cuales se puede obtener una estructura martensítica o bainítica cuando se les enfría de manera suficientemente rápida y eficaz. Se define así una velocidad crítica bainítica, más allá de la cual se ob-
tiene una estructura bainítica, martensítica o martensito-bainítica en función de la velocidad de enfriamiento alcanzada.
La aptitud al temple de esos aceros depende de su contenido en elementos templables. Como regla general, mientras mayor sea la cantidad presente de esos elementos más baja es la velocidad crítica bainítica.
Más allá de sus características mecánicas, los aceros de construcción deben igualmente presentar una buena capacidad de soldadura. Ahora bien, cuando se suelda una pieza de acero, la zona de soldadura, también llamada Zona Afectada Térmicamente o ZAT, es sometida a una temperatura muy alta durante un tiempo breve, y luego a un enfriamiento brutal que le confiere a esta zona una dureza elevada que puede conducir a fisuras y limitar así la capacidad de soldadura del acero.
De forma clásica, la capacidad de soldadura de un acero puede ser estimada con la ayuda del cálculo de su "carbono equivalente" dado por la formula siguiente:
C_{eq} = (%C + %Mn/6 + (%Cr + (%Mo + %W/2) + %V)/5 + %Ni/15)
En una primera aproximación, mientras más bajo es su carbono equivalente mayor es la capacidad de soldadura del acero. Se comprende entonces que la mejora de la capacidad de temple, que pasa por un contenido más grande de elementos templables, se hace en detrimento de la capacidad de soldadura.
Para mejorar la capacidad de temple de esos aceros sin degradar su capacidad de soldadura, se han desarrollado entonces tipos micro-aleados con boro, aprovechando que, específicamente la eficacia de temple de este elemento disminuye cuando la temperatura de austenización aumenta. De esta forma la ZAT es menos templable de lo que sería en un tipo de igual capacidad de temple sin boro, y se puede de esta forma disminuir la capacidad de temple y la dureza de esta ZAT.
Sin embargo, como el efecto templable del boro en la parte no soldada del acero tiende a saturar para contenidos eficaces de 30 a 50 ppm, una mejora suplementaria de la capacidad de temple del acero puede hacerse solamente adicionando elementos templables cuya eficacia no dependa de la temperatura de austenización lo que penaliza automáticamente la capacidad de soldadura de esos aceros. Igualmente, la mejora de la capacidad de soldadura pasa por la disminución de los contenidos en elementos templables, que reducen automáticamente la capacidad de temple.
El objeto de la presente invención es remediar este inconveniente proponiendo un acero de construcción que tiene una capacidad de temple mejorada sin disminución de su capacidad de soldadura.
A este efecto, la invención tiene como primer objeto una pieza de acero de construcción soldable cuya composición química comprende, en peso:
0,l0% \leq C \leq 0,22%
0,50% \leq Si \leq 1,50%
Al \leq 0,9%
0% \leq Mn \leq 3%
0% \leq Ni \leq 5%
0% \leq Cr \leq 4%
0% \leq Cu \leq 1%
0% \leq Mo + W/2 \leq 1,5%
0,0005% \leq B \leq 0,010%
N \leq 0,025%
eventualmente al menos un elemento escogido entre V, Nb, Ta, S y Ca, en contenidos inferiores a 0,3%, y/o entre Ti y Zr en contenidos inferiores o iguales a 0,5%, el resto siendo hierro e impurezas resultantes de la elaboración, los contenidos en aluminio, en boro, en titanio y en nitrógeno, expresados en milésimas de %, de dicha composición satisfacen además la relación siguiente:
100
con
K = Min (I*; J*)
I* = Max (0; I) y 
\hskip0.5cm
J* = Max (0; J)
I = Min (N; N-0,29(Ti-5))
101
los contenidos en silicio y en aluminio de la composición verificando además las condiciones siguientes:
si C > 0,145,
\hskip0.5cm
entonces
\hskip0.5cm
Si + Al < 0,95
y donde la estructura es bainítica, martensítica o martensito-bainítica y comprende además de 3 a 20% de austenita residual, de preferencia de 5 a 20% de austenita residual.
En un modo de realización preferida, la composición química del acero de la pieza según la invención satisface además la relación:
(2)1,1 %Mn + 0,7%Ni + 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) \geq 1, de preferencia \geq 2
En otro modo de realización preferida, la composición química del acero de la pieza según la invención satisface además la relación:
%Cr + 3(%Mo + %W/2) \geq 1,8, de preferencia \geq 2,0.
La invención tiene igualmente como segundo objeto un procedimiento de fabricación de una pieza en acero soldable según la invención, caracterizado porque:
- se somete a austenización la pieza por calentamiento a una temperatura comprendida entre Ac_{3} y 1000ºC, de preferencia comprendida entre Ac_{3} y 950ºC, y luego se enfría hasta una temperatura inferior o igual a 200ºC de tal manera que, en el corazón de la pieza, la velocidad de enfriamiento entre 800ºC y 500ºC sea superior o igual a la velocidad crítica bainítica,
- eventualmente, se efectúa un revenido a una temperatura inferior o igual a Ac_{1},
Entre 500ºC aproximadamente y la temperatura ambiente y específicamente entre 500ºC y una temperatura inferior o igual a 200ºC, la velocidad de enfriamiento puede ser eventualmente disminuida, específicamente para favorecer un fenómeno de auto-revenido y la retención de 3% a 20% de austenita residual. De preferencia la velocidad de enfriamiento entre 500ºC y una temperatura inferior o igual a 200ºC estará entonces comprendida entre 0,07ºC/s y 5ºC/s; más preferentemente entre 0,15ºC/s y 2,5ºC/s.
En un modo de realización preferido, se efectúa un revenido a una temperatura inferior a 300ºC durante un tiempo inferior a 10 horas, a la salida del enfriamiento hasta una temperatura inferior o igual a 200ºC.
En otro modo de realización preferido, el procedimiento según la invención no comprende revenido a la salida del enfriamiento de la pieza hasta una temperatura inferior o igual a 200ºC.
En otro modo de realización preferido, la pieza sometida al procedimiento según la invención es una chapa de espesor comprendido entre 3 y 150 mm.
\newpage
La invención tiene como tercer objeto un procedimiento de fabricación de una chapa en acero soldable según la invención, cuyo espesor está comprendido entre 3 mm y 150 mm, y que está caracterizado porque se realiza un temple de dicha chapa, la velocidad de enfriamiento V_{R} en el corazón de la chapa entre 800ºC y 500ºC, expresada en ºC/hora, y la composición del acero siendo tal que:
1,1%Mn + 0,7%Ni + 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) + log V_{R} \geq 5,5,
y de preferencia \geq 6, log siendo el logaritmo decimal.
La presente invención está basada sobre el nuevo testimonio de que la adición de silicio en los contenidos indicados aquí permite aumentar el efecto templable del boro de 30 a 50%. Esta sinergia interviene sin aumento de la cantidad de boro adicionado, mientras que el silicio no presenta efecto templable específicamente en ausencia de boro.
Por otra parte, la adición de silicio no afecta la propiedad del boro de ver su capacidad de temple reducirse y luego anularse con temperaturas de austenización crecientes, como es el caso en la ZAT.
Se observa entonces que la utilización de silicio en presencia de boro permite aumentar también la capacidad de temple de la pieza sin alterar su capacidad de soldadura.
Por otra parte, se ha descubierto igualmente que, gracias a la mejora de la capacidad de temple de esos tipos de aceros, y garantizando un contenido mínimo en elementos carburígenos que son, específicamente, el cromo, el molibdeno y el tungsteno, se podrían fabricar esos aceros efectuando solamente un revenido a baja temperatura, incluso suprimiéndolo.
En efecto, la mejora de la capacidad de temple permite enfriar las piezas más lentamente, garantizando completamente una estructura esencialmente bainítica, martensítica o martensito-bainítica. Ese enfriamiento más lento combinado con un contenido suficiente en elementos carburígenos permite entonces la precipitación de finos carburos de cromo, de molibdeno y/o de tungsteno por un fenómeno llamado de auto-revenido. Ese fenómeno de auto-revenido es, además, grandemente favorecido por la disminución de la velocidad de enfriamiento por debajo de 500ºC. Igualmente esa disminución favorece también la retención de austenita, preferentemente en una proporción comprendida entre 3% y 20%. Se simplifica por lo tanto el procedimiento de fabricación, mejorando completamente las características mecánicas del acero, que no sufre un apaciguamiento importante debido a un revenido a alta temperatura, como se practica habitualmente. Sin embargo es posible efectuar tal revenido a temperaturas usuales, es decir inferiores o iguales a Ac_{1}.
La invención ahora va a ser descrita más en detalle pero de forma no limitativa.
El acero de la pieza de la invención contiene, en peso:
- más de 0,10% de carbono, para permitir obtener una dureza suficiente, pero menos de 0,22% para obtener una excelente capacidad de soldadura, una buena capacidad de corte, una buena aptitud al plegado y una tenacidad satisfactoria;
- más de 0,50%, de preferencia más de 0,75%, y de forma particularmente preferida más de 0,85% en peso, de silicio para obtener la sinergia con el boro, pero menos de 1,5% en peso para no fragilizar el acero;
- más de 0,0005%, de preferencia más de 0,001% de boro para ajustar la capacidad de temple, pero menos de 0,010% en peso para evitar un contenido más grande en nitruros de boro nefastos para las características mecánicas del acero;
- menos de 0,025%, y de preferencia menos de 0,015% de nitrógeno, el contenido obtenido estando en función del procedimiento de elaboración del acero,
- de 0% a 3% y, de preferencia de 0,3% a 1,8% de manganeso, de 0% a 5% y, de preferencia de 0% a 2% de níquel, de 0% a 4% de cromo, de 0 a 1% de cobre, la suma del contenido en molibdeno y la mitad del contenido en tungsteno siendo inferior a 1,50% de forma de obtener una estructura principalmente bainítica, martensítica o martensito- bainítica, el cromo, el molibdeno y el tungsteno teniendo, además, la ventaja de permitir la formación de carburos favorables a la resistencia mecánica y al desgaste como se indicó precedentemente; además, la suma %Cr + 3(%Mo + %W/2) es de preferencia superior a 1,8%, y de forma particularmente preferida superior a 2,0%, a fin de poder eventualmente limitar el revenido a 300ºC, incluso de suprimirlo;
- eventualmente al menos un elemento escogido entre V, Nb, Ta, S y Ca, en contenidos inferiores a 0,3%, y/o entre Ti y Zr en contenidos inferiores o iguales a 0,5% y/o el aluminio a un contenido inferior a 0,9%. La adición de V, Nb, Ta, Ti, Zr permite obtener un endurecimiento por precipitación sin deteriorar excesivamente la capacidad de soldadura. El titanio, el zirconio y el aluminio pueden ser utilizados para fijar el nitrógeno presente en el acero lo que protege el boro, el titanio pudiendo ser remplazado todo o en parte por un peso doble de Zr. El azufre y el calcio permiten mejorar la fabricación del tipo de acero. El aluminio está limitado a 0,9% para evitar cualquier problema de obstrucción de los conductos durante la colada.
- los contenidos en aluminio, en boro, en titanio y en nitrógeno, expresados en milésimas de %, de dicha composición satisfacen además la relación siguiente
102
con
K = Min (I*; J*)
I* = Max (0; I) y
\hskip0.5cm
J* = Max (0; J)
I = Min (N; N-0,29(Ti-5))
103
con la condición suplementaria que:
- si C > 0,145 (y de preferencia > 0,140), entonces Si + Al < 0,95, y de preferencia < 0,90, a fin de delimitar claramente la invención con relación a la solicitud anterior EP 0 725 156,
- el resto siendo hierro e impurezas resultantes de la elaboración.
Para fabricar una pieza soldable, se elabora un acero conforme a la invención se cuela bajo la forma de un semi producto que es entonces conformado por deformación plástica al calor, por ejemplo por laminado o por forja. La pieza así obtenida es entonces sometida a una austenización por calentamiento a una temperatura por encima de Ac_{3} pero inferior a 1000ºC, y de preferencia inferior a 950ºC, y luego enfriada hasta la temperatura ambiente de manera que, en el corazón de la pieza, la velocidad de enfriamiento entre 800ºC y 500ºC sea superior a la velocidad crítica bainítica. Se limita la temperatura de austenización a 1000ºC, ya que más allá el efecto de templable del boro deviene demasiado bajo.
Sin embargo, es igualmente posible obtener la pieza por enfriamiento directo en el calor de la conformación (sin re-austenización) y en ese caso, incluso si el calentamiento antes de la conformación sobrepasa 1000ºC permaneciendo inferior a 1300ºC, el boro conservando su efecto en ese caso.
Para enfriar la pieza hasta la temperatura ambiente, desde la temperatura de austenización, se puede templar utilizando todos los procedimientos de temples conocidos (aire, aceite, agua) desde el momento que la velocidad de enfriamiento se mantiene superior a la velocidad crítica bainítica.
Eventualmente a continuación se somete la pieza a un revenido clásico a una temperatura inferior o igual a Ac_{1} pero se prefiere limitar la temperatura a 300ºC, incluso suprimir esta etapa. En efecto, la ausencia de revenido puede ser, eventualmente compensada por un fenómeno de auto revenido. Este es específicamente favorito permitiendo una velocidad de enfriamiento a baja temperatura (es decir por debajo de 500ºC aproximadamente) preferentemente comprendida entre 0,07ºC/s y 5ºC/s; más preferentemente entre 0,15ºC/s y 2,5ºC/s.
A este efecto se podrán emplear todos los medios de temple conocidos, a condición de controlarlos si fuera necesario. De esta forma se podrá por ejemplo utilizar un temple al agua si se disminuye la velocidad de enfriamiento cuando la temperatura de la pieza desciende por debajo de 500ºC, lo que podrá hacerse específicamente sacando la pieza del agua para terminar el temple al aire.
Se obtiene así una pieza, y específicamente una chapa, soldable constituida de acero teniendo una estructura bainítica, martensítica o martensito-bainítica en el corazón, que comprende de 3 a 20% de austenita residual.
La presencia de austenita residual ofrece un interés particular en vistas al comportamiento del acero a la soldadura. En efecto con vistas a limitar el riesgo de fisura a la soldadura, y complementariamente a la reducción antes mencionada de la capacidad de temple de la ZAT, la presencia de austenita residual en el metal de base, en las cercanías de la ZAT, permite fijar una parte del hidrógeno disuelto, eventualmente introducido por la operación de soldadura, hidrógeno que, si no fuera así fijado, vendría a aumentar el riesgo de fisura.
A título de ejemplo, se han fabricado lingotes con los aceros 1 y 2 conformes a la invención, y con los aceros A y B del arte anterior, cuyas composiciones están, en milésimas de % en peso y con la excepción del hierro:
1
Después de la forja de los lingotes, la capacidad de temple de los cuatro aceros fue evaluada por dilatometría. Es de interés aquí a título de ejemplo la capacidad de temple martensítica y por lo tanto la velocidad crítica martensítica V1 después de una austenización a 900ºC durante 15 minutos.
Se deduce de esta de velocidad V1 los espesores máximos de las chapas que se pueden obtener conservando una estructura esencialmente martensítica en el corazón que comprende igualmente al menos 3% de austenita residual. Esos espesores han sido determinados en el caso de un temple al aire (A), al aceite (H) y al agua (E).
En fin, se ha estimado la capacidad de soldadura de los cuatro aceros calculando su porcentaje de carbono equivalente según la fórmula:
C_{eq} = (%C + %Mn/6 + (%Cr + (%Mo + %W/2) + %V)/5 + %Ni/15)
Las características de los lingotes L1 y L2, conformes a la invención, y de los lingotes LA y LB dados a título de comparación, son:
2
Se constata que las velocidades críticas martensíticas de las piezas según la invención son específicamente inferiores a las velocidades correspondientes de los lingotes en acero del arte anterior, lo que significa que su capacidad de temple ha sido sensiblemente mejorada, mientras que al mismo tiempo su capacidad de soldadura no es cambiada.
La mejora de la capacidad de temple permite así fabricar piezas de estructura templada en el corazón en condiciones de enfriamiento menos drásticas que aquellas del arte anterior y/o con espesores máximos más fuertes.

Claims (11)

1. Pieza de acero de construcción soldable, caracterizada porque su composición química comprende, en peso:
0,l0% \leq C \leq 0,22%
0,50% \leq Si \leq 1,50%
Al \leq 0,9%
0% \leq Mn \leq 3%
0% \leq Ni \leq 5%
0% \leq Cr \leq 4%
0% \leq Cu \leq 1%
0% \leq Mo + W/2 \leq 1,5%
0,0005% \leq B \leq 0,010%
N \leq 0,025%
eventualmente al menos un elemento escogido entre V, Nb, Ta, S y Ca, en contenidos inferiores a 0,3%, y/o entre Ti y Zr en contenidos inferiores o iguales a 0,5%, el resto siendo hierro e impurezas resultantes de la elaboración, los contenidos en aluminio, en boro, en titanio y en nitrógeno, expresados en milésimas de %, de dicha composición satisfacen además la relación siguiente:
104
con
K = Min (I*; J*)
I* = Max (0; I) y 
\hskip0.5cm
J* = Max (0; J)
I = Min (N; N-0,29(Ti-5))
105
los contenidos en silicio y en aluminio de la composición verificando además las condiciones siguientes:
si C > 0,145, entonces 
\hskip0.5cm
Si + Al < 0,95
y donde la estructura es bainítica, martensítica o martensito-bainítica y comprende además de 3 a 20% de austenita residual.
2. Pieza de acero según la reivindicación 1 caracterizada porque su composición química satisface además la relación siguiente:
(2)1,1%Mn + 0,7%Ni + 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) \geq 1
3. Pieza de acero según la reivindicación 2, caracterizada además porque su composición química satisface además la relación siguiente:
(2)1,1%Mn + 0,7%Ni + 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) \geq 2
\newpage
4. Pieza de acero según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque su composición química satisface además la relación siguiente:
%Cr + 3(%Mo + %W/2) \geq 1,8
5. Pieza de acero según la reivindicación 4, caracterizada además porque su composición química satisface además la relación siguiente:
%Cr + 3(%Mo + %W/2) \geq 2,0.
6. Procedimiento de fabricación de una pieza en acero soldable según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque,
- se someta a austenización la pieza por calentamiento a una temperatura comprendida entre Ac_{3} y 1000ºC, y luego se enfría hasta una temperatura inferior o igual a 200ºC de tal manera que, en el corazón de la pieza, la velocidad de enfriamiento entre 800ºC y 500ºC sea superior o igual a la velocidad crítica bainítica,
- eventualmente, se efectúa un revenido a una temperatura inferior o igual a Ac_{1}.
7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque, en el corazón de dicha pieza, la velocidad de enfriamiento entre 500ºC y una temperatura inferior o igual a 200ºC está comprendida entre 0,07ºC/s y 5ºC/s.
8. Procedimiento según la reivindicación 6 o 7, caracterizado porque se efectúa un revenido a una temperatura inferior a 300ºC durante un tiempo inferior a 10 horas, a la salida del enfriamiento hasta una temperatura inferior o igual a 200ºC.
9. Procedimiento según la reivindicación 6 o 7, caracterizado porque no se efectúa un revenido a la salida del enfriamiento hasta una temperatura inferior o igual a 200ºC.
10. Procedimiento de fabricación de una chapa en acero soldable según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde el espesor está comprendido entre 3 mm y 150 mm, caracterizado porque se realiza un temple de dicha chapa, la velocidad de enfriamiento de V_{R}, expresada en ºC/h, en el corazón de la pieza entre 800ºC y 500ºC y la composición del acero siendo tal que:
1,1%Mn + 0,7%Ni + 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) + log V_{R} \geq 5,5.
11. Procedimiento de fabricación de una chapa en acero soldable según la reivindicación 10, caracterizado porque la velocidad de enfriamiento V_{R}, expresada en ºC/h, en el corazón de la pieza entre 800ºC y 500ºC y la composición del acero son tales que:
1,1%Mn + 0,7%Ni + 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) + log V_{R} \geq 6.
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