ES2572612T3 - Lingote de acero para forja y cigüeñal integral - Google Patents

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ES2572612T3 ES08722360.8T ES08722360T ES2572612T3 ES 2572612 T3 ES2572612 T3 ES 2572612T3 ES 08722360 T ES08722360 T ES 08722360T ES 2572612 T3 ES2572612 T3 ES 2572612T3
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Abstract

Un lingote de acero para forja colado con un molde donde: la densidad numérica DBOT de inclusiones de 5 a 10 μm en el diámetro más largo observadas en un corte transversal del acero es de 10 a 80 piezas/cm2 en la parte inferior del lingote de acero que varía desde el extremo inferior del lingote de acero hasta 20 % de la parte inferior de la altura total del lingote de acero en la dirección de la gravedad; la densidad numérica DTOP de inclusiones de 5 a 10 μm en el diámetro más largo observadas en un corte transversal es de 20 a 90 piezas/cm2 en la parte superior del lingote de acero desde el extremo superior del lingote de acero hasta 20 % de la altura total del lingote de acero; la densidad numérica de inclusiones de 40 μm o más en el diámetro más largo observadas en un corte transversal es de 5 piezas/cm2 o menos tanto en la parte inferior del lingote de acero como en dicha parte superior del lingote de acero; y se satisface la siguiente expresión (1): (DTOP / DBOT ) >= [S] / 18 donde, [S] representa el contenido (en ppm en masa) de S en el acero; y el lingote de acero para forja consiste en C: de 0,2 a 0,6 % (en % en masa, se aplica el mismo a continuación), Si: de 0,05 a 0,5 % Mn: de 0,2 a 1,2 % Ni: de 0,1 a 3,5 % Cr: de 0,9 a 2,5 % Mo: de 0,1 a 0,7 % V: de 0,005 a 0,2 % Al: de 0,01 a 0,1 % S: 0,005 % o menos, Ti: 0,005 % o menos, y O: 0,0015 % o menos, y opcionalmente uno o más de B, W, Nb, Ta, Cu, Ce, Zr y Te en una cantidad de un 0,1 % o menos, estando el resto formado por hierro e impurezas inevitables, de las cuales P está limitado a un 0,03 % o menos.

Description

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Al mismo tiempo, cuando las inclusiones de tipo S fino están presentes en determinado valor de densidad numérica
o más en un acero para forja, se forman muchos campos de tensión en el acero, y de este modo, es probable que las inclusiones de tipo S finas capturen hidrógeno excesivo que supera el límite de solubilidad de sólidos en el acero y tengan un efecto de mejora de la resistencia frente al agrietamiento por hidrógeno del acero.
5 Con el fin de garantizar dichas inclusiones de tipo-S se controla el contenido de S en el acero en: un 0,0002 % o más; preferentemente un 0,0004 % o más; aún más preferentemente un 0,0006 % o más; y aún más preferentemente un 0,0008 % o más.
Se puede ajustar el contenido de S controlando la composición de escoria durante el refinado en masa fundida. Más específicamente, el contenido de S en el acero se puede reducir elevando la relación de contenido de CaO con respecto a contenido de SiO2 (CaO/SiO2, en lo sucesivo referido como "C/S" de forma ocasional) en la escoria. Además, como medio complementario, se puede reducir el contenido de S en el acero elevando la relación de contenido de CaO con respecto a contenido de Al2O3 (CaO/Al2O3, en lo sucesivo referido como "C/A" de manera
15 ocasional). Por el contrario, cuando se desea aumentar el contenido de S, se ajusta la composición de escoria para que se pueda reducir C/S y C/A.
(Ti: un 0,005 % o menos)
Ti forma nitruros bastos en el acero y deteriora la resistencia frente a la fatiga de un lingote de acero para forja o un cigüeñal en algunos casos. Por consiguiente, el contenido de Ti en el acero se controla, por ejemplo, hasta: un 0,005 % o menos; preferentemente un 0,004 % o menos; y aún más preferentemente un 0,003 % o menos. En este caso, Ti produce inclusiones finas tales como TiN, TiC y Ti4C2S2, se dispersa en el acero, ocluye y atrapa el hidrógeno excesivo superando el límite de solubilidad de sólidos en el acero, y tiene el efecto de mejorar la
25 resistencia frente al agrietamiento por hidrógeno del acero. Cuando se garantizan dichas inclusiones de tipo Ti, se controla el contenido de Ti en el acero, por ejemplo, hasta: un 0,0002 % o más; preferentemente un 0,0004 % o más; y aún más preferentemente un 0,0006 % o más.
Se puede ajustar el contenido de Ti regulando la relación entre la cantidad usada de una aleación que tiene un elevado contenido de impurezas de Ti (una aleación de baja calidad) y la cantidad usada de una aleación que tiene un bajo contenido de impurezas de Ti (un aleación de alta calidad) en los materiales auxiliares.
(O: un 0,0015 % o menos)
35 El oxígeno (O) es un elemento que forma óxidos tales como SiO2, Al2O3, MgO, CaO, y otros, se convierten en inclusiones, y deteriora la resistencia frente a la fatiga del lingote de acero. Por consiguiente, resulta deseable reducir O al máximo y se controla la cantidad de oxígeno total en: un 0,0015 % o menos, y preferentemente un 0,001 % o menos.
Las composiciones básicas de un acero para forja usadas en la presente invención son como se ha comentado anteriormente y el resto comprende Fe sustancialmente, pero puede contener impurezas inevitables en el acero. Como impurezas inevitables, por ejemplo, se confirman P y N y por ejemplo el contenido de P es: preferentemente un 0,03 % o menos; y más preferentemente un 0,02 % o menos. Además, es posible usar un acero para forja que contiene además otro elemento de manera intencionada dentro del intervalo que no afecte negativamente a las
45 funciones anteriormente mencionadas de la presente invención.
Los ejemplos de otro elemento que se puede añadir intencionadamente son B que tiene un efecto mejorador de la templabilidad y W, Nb, Ta, Cu, Ce, Zr, Te y otros que son elementos fortalecedores de la solución de sólidos o elementos fortalecedores de la precipitación. Los elementos se pueden añadir independientemente o en combinación de dos o más tipos. Una cantidad de adición deseable de los elementos es, por ejemplo, aproximadamente un 0,1 % o menos en total.
Ejemplos
55 La presente invención se explica a continuación más concretamente con ejemplos. No obstante, la presente invención no está sustancialmente limitada a los ejemplos y se puede modificar apropiadamente dentro del intervalo conforme a la esencia mencionada con anterioridad y a continuación, y se incluyen todas las modificaciones en el alcance tecnológico de la presente invención.
Es recomendable refinar el acero por medio del método explicado a continuación con el fin de: aumentar la limpieza del acero fundido colado en el molde; controlar de este modo la densidad numérica (DBOT) de inclusiones de 5 a 10 m en el diámetro más largo observado en el corte transversal del acero en un valor de aproximadamente 10 a 8 piezas/cm2 en la parte inferior del lingote de acero, la densidad numérica (DTOP) de inclusiones de 5 a 10 m en el diámetro más largo observadas en un corte transversal en un valor de aproximadamente 20 a 90 piezas/cm2 en la
65 parte superior del lingote de acero, y la densidad numérica de inclusiones de 40 m o más en el diámetro más largo en aproximadamente 5 piezas/cm2 o menos; y cumplir la expresión (1).
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[Fórmula 2]
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5 : densidad de potencia de agitación (W/tonelada) T0: temperatura del gas de soplado inferior tras la inyección (temperatura ambiente (298K) TL: temperatura de acero fundido (K) ML: cantidad de acero fundido (tonelada) L: densidad de acero fundido (kg/m3)
10 Qg: caudal de gas de soplado inferior (Nl/min) Tg: temperatura de gas de soplado inferior tras la inyección (K)
P: presión atmosférica (Torr) H0: profundidad de acero fundido (m)
15 Por ejemplo, en el primer tratamiento de refinado secundario (LF-I), incluso aunque algunas condiciones tales como el tamaño de la cuchara de colada y la cantidad de acero fundido introducido realmente ML sean diferentes, la densidad de potencia de agitación  adopta un valor de 4,7 a 67,2 W/tonelada ajustando Qg/ML a un valor de 0,30 a 3,75 Nl/min·tonelada.
20 En este caso, en LF-I, con respecto al tipo y cantidad de flujo, se controla la temperatura de calentamiento y se ajusta la cantidad de carga de un material auxiliar (flujo) de manera que la composición de escoria pueda satisfacer simultáneamente las siguientes tres condiciones tras acabar el tratamiento de desgasificación de vacío que se comenta a continuación (en otras palabras, al comienzo del segundo tratamiento de refinado secundario);
25 (1) la masa de CaO es 3,5 veces o más la masa de SiO2,
(2)
la masa de CaO es de 1,5 a 3,5 veces la masa de Al2O3, y
(3)
la suma de la masa de T.Fe y la masa de MnO en la composición de escoria es de un 1,0 % o menos de la masa de escoria total.
30 Tras concluir el primer tratamiento de refinado secundario, se transporta el acero fundido junto con la cuchara de colada a un aparato de desgasificación a vacío y se aplica el tratamiento de desgasificación de vacío (a continuación denominado como VD de forma ocasional) al acero fundido. Más específicamente, la presión atmosférica P en la cuchara de colada se reduce a un valor próximo al vacío de aproximadamente 0,5 Torr por medio de activación de un sistema de gases de escape y, de este modo, evacuando el gas que existe por encima del acero fundido en la
35 cuchara de colada a través de una tubería de salida de gases. Además, se agita el acero fundido por medio de inyección de gas de Ar a través de un medio de inyección de gas. Por medio del método anterior, se retira el componente de gas tal como hidrógeno que sale del acero fundido.
El tiempo para VD es de aproximadamente 20 minutos en total y, durante la primera mitad de tiempo (antes del
40 punto medio del tiempo de tratamiento, los primeros 10 minutos), se ajusta el caudal de gas de soplado inferior Qg para que la densidad de potencia de agitación  pueda ser de 50 a 200 W/tonelada y, durante la segunda mitad de tiempo (tras el punto medio del tiempo de tratamiento, los segundos 10 minutos), se ajusta el caudal de gas de soplado inferior Qg para que la densidad de potencia de agitación  pueda ser de 140 W/tonelada o menos (excluyendo 0 W/tonelada).
45 En VD, se retira hidrógeno del acero fundido, cuyo ajuste de composición está casi concluido y, en este caso también, resulta deseable adoptar una densidad de potencial de agitación  que pueda evitar que la escoria se incluya en el acero fundido y que pueda lograr la deshidrogenación al mismo tiempo. Para ello, por medio del control de la densidad de potencia de agitación  en un valor de 50 a 200 W/tonelada durante la primera mitad del tiempo de
50 tratamiento VD, se puede lograr la deshidrogenación de manera eficiente al tiempo que se minimiza la inclusión de escoria. Además, controlando la densidad de potencia de agitación  en un valor de 140 W/tonelada o menos durante la segunda mitad de tiempo de VD, se puede acelerar la salida a superficie y separación de la escoria incorporada.
55 Además, en el caso de la realización presente, se puede producir un acero de elevada limpieza por medio de aplicación del segundo refinado secundario (en lo sucesivo denominado LF-II de forma ocasional) al acero fundido tras someter a VD. Es decir, una vez que ha concluido el tratamiento de desgasificación de vacío, se transporta el acero fundido a un aparato tratamiento de refinado secundario con la cuchara de colada y se aplica el segundo tratamiento de refinado secundario al acero fundido. Más específicamente, aunque se caliente el acero fundido hasta
60 TL = aproximadamente 1.600 ºC mediante la generación de una descarga de arco, se agita el acero fundido por medio de inyección de gas de Ar mediante un medio de inyección de gas. Con respecto a la resistencia para agitar el acero fundido, se ajusta el caudal de gas de Ar Qg para que la densidad de potencia de agitación  computada con
la expresión (2) pueda ser de 25 W/tonelada o menos (excluyendo 0 W/tonelada).
Por medio de aplicación del tratamiento LF (LF-II) de nuevo de esta forma, es posible promover de forma adicional "la salida a superficie y la separación de la escoria incorporada y los productos de desoxidación" que tienen lugar a
5 partir del punto medio de VD. En esta ocasión, la densidad de potencia de agitación  en LF-II debe ser de 25 W/tonelada o menos con el fin de evitar la inclusión de escoria adicional. Calentando y conservando el acero fundido a la densidad de potencia de agitación , se pueden lograr la salida a superficie y la separación de la escoria y los productos de desoxidación sin fallo alguno.
En este caso, como se ha comentado anteriormente, la composición de escoria de LF-II satisface las siguientes condiciones;
(1) basicidad, concretamente CaO/SiO2  3,5,
(2) CaO/Al2O3 = 1,5-3,5, y 15 (3) T.Fe + MnO  1,0 % en masa
y además se puede evitar la reoxidación de las composiciones de acero fundido provocada por los óxidos en la escoria sin fallo alguno.
Adoptando el método de producción de un acero de elevada limpieza como se ha comentado anteriormente, es posible producir un acero de limpieza elevada que tenga una pequeña cantidad de inclusiones provocadas por la inclusión de escoria.
Se produce un lingote de acero vertiendo el acero fundido de elevada limpieza obtenido en el interior de un molde de
25 clase de 10 a 90 toneladas (de 2 a 4 m de altura total) a través de un método de preparación de lingotes de vertido inferior. Se desmolda el lingote de acero solidificado, posteriormente se calienta hasta aproximadamente 1.300 ºC, se forja en caliente, y se produce un material forjado con 150 a 700 mm de diámetro de corte transversal. Se aplica la forja en caliente por medio de estiramiento del lingote de acero con una máquina de prensado y posteriormente se conforma para dar lugar a un corte transversal redondo con una herramienta de finalidad especial.
En las Tablas 1 a 3, se muestra: las condiciones (Condiciones 1 a 20) en las cuales se modifican de diversa forma la densidad de potencia de agitación  en LF-I, la densidad de potencia de agitación  durante la primera mitad de tiempo de VD, la densidad de potencia de agitación  en LF-II; además se llevan a cabo diversas condiciones de ensayos (números de ensayo 1 a 59) por medio de modificación de la basicidad (CaO/SiO2) y los valores de
35 CaO/Al2O3 y T.Fe + MnO (% en masa; y los datos de las propiedades físicas de las piezas de ensayo a partir de las parte superiores y las partes inferiores de los lingotes de acero obtenidos).
En este caso, en las Tablas 1 a 3, en la fila "Homogeneización de temperatura y composición", cuando la variación del contenido de C se define como C y la variación de la temperatura se define como T desde el comienzo hasta el final de la colada del lingote de acero, un caso que cumple la expresión C  0,01 % y T  20 ºC se clasifica con el símbolo  y los otros casos se clasifican con el símbolo x.
En la fila de "Retirada de hidrógeno", se mide el contenido de hidrógeno [H] inmediatamente antes del final del refinado, y se clasifica un caso que cumple la expresión [H]  1,2 con el símbolo  y un caso que cumple la
45 expresión [H] > 1,2 ppm se clasifica con el símbolo x.
En la fila "Inclusión de escoria", un caso donde el número de inclusiones de 5 m o más en el diámetro más largo en observación superficial al microscopio de una muestra de acero fundido que tiene un contenido de Ca de 5 % o más es de 30 piezas/cm2 o menos se clasifica con el símbolo  y un caso donde el número excede 30 piezas/cm2 se clasifica como el símbolo x.
En las Tablas 1 y 3, el contenido de S (ppm en masa) del acero, la densidad numérica de las inclusiones finas (de 5 a 10 m en el diámetro más largo) en una parte que corresponde a la parte superior del lingote de acero (DTOP), la densidad numérica de inclusiones finas (de 5 a 10 m en el diámetro más largo) en una parte que corresponde a la
55 parte inferior del lingote de acero (DBOT), la densidad numérica de inclusiones bastas (40 m o más en el diámetro más largo) en una parte que corresponde a la parte superior de un lingote de acero, y la densidad numérica de inclusiones bastas (40 m o más en el diámetro más largo) en una parte que corresponde a la parte inferior de un lingote de acero se muestran para cada una de las piezas de ensayo. El número de inclusiones se obtiene por medio de examen del número de inclusiones por 1 cm2 en una superficie microscópica de una pieza de ensayo con EPMA (JXA-8900 l preparado por JEOL Ltd.).
En este caso, las composiciones químicas del acero de las piezas de ensayo son C: 0,3 %, Si: 0,25 %, Mn: 0,55 %, Ni: 1,6 %, Cr: 1,6 %, Mo: 0,25 %, V: 0,01 %, Al: 0,03 %, S: 0,002 %, Ti: 0,003 %, O: 0,0013 % y P: 0,01 %.
65
Además, se miden el valor de (DBOT) /(DTOP) x contenido de S en el acero (ppm en masa) (la expresión (1) se cumple cuando el valor es 18 o menos), el tamaño de la inclusión más grande (el símbolo  representa el caso del tamaño más grande (: conversión de diámetro de esfera) < 0,5 mm, el símbolo  representa el caso de 0,5 mm < el tamaño más grande  1,0 mm, y el símbolo x representa el caso del tamaño más grande > 1,0 mm) y la limpieza y
5 los resultados obtenidos también se muestran en las Tablas 1 a 3. En este caso, los resultados en un caso donde la parte superior (T) o la parte inferior (B) de un lingote de acero no se identifican de manera distintiva, hacen referencia a los resultados de ensayo de la parte inferior del lingote de acero.
Nótese que, en la fila "Limpieza" , un caso de DIN K(3)  15 se clasifica con el símbolo  y un caso de DIN K(3) > 15
10 se clasifica con el símbolo x como los patrones DIN K3, y la limpieza se clasifica con el símbolo  en un caso donde se clasifica la parte superior de un lingote de acero con el símbolo  y también se clasifica la parte inferior de un lingote de acero con el símbolo , la limpieza se clasifica con el símbolo  en el caso donde bien la parte superior del lingote de acero o bien la parte inferior del lingote de acero se clasifican con el símbolo  y su otra parte se clasifica con el símbolo x, y la limpieza se clasifica con el símbolo x en un caso donde tanto la parte inferior del
15 lingote de acero como la parte inferior de lingote de acero se clasifican con el símbolo x.
Además, en las Tablas 1 a 3, se describen las relaciones de límite de resistencia en la parte superior y la parte inferior del lingote de acero y los resultados de ensayo de agrietamiento por hidrógeno en la parte superior y la parte inferior del lingote de acero.
20 (Relación de límite de resistencia)
Se obtiene una relación de límite de resistencia = resistencia frente a la fatiga/resistencia frente a la tracción a partir de los resultados de un ensayo de resistencia frente a la tracción y un ensayo de resistencia frente a la fatiga a
25 continuación. Las relaciones de límite de resistencia de la parte superior de un lingote de acero (T) y la parte inferior de un lingote de acero (B) se muestran por separado en las Tablas 1 a 3.
A continuación, también se muestran los resultados de evaluación de la relación de límite de resistencia en las Tablas 1 a 3 que muestran con el símbolo  en el caso de una relación de límite de resistencia  0,45, el símbolo 
30 en caso de 0,40  relación de límite de resistencia  0,45, y el símbolo x en el caso de una relación de límite de resistencia < 0,40.
(Resistencia frente a la tracción)
35 Se toman muestras de las piezas de ensayo de tracción de 6 mm de diámetro y 30 mm de longitud de calibre (dos piezas de ensayo para cada una) en las proximidades del centro de un acero con forma de barra redonda tras la forja; y se someten a resultados de tracción (JIS z 2204 y 2241) a temperatura ambiente. Los resultados de la parte superior de un lingote de acero (T) y la parte inferior de un lingote de acero (B) se muestran por separado con la unidad de MPa en las Tablas 1 a 3.
40 (Resistencia frente a la fatiga)
Se llevan a cabo ensayos de fatiga por flexión rotatoria con las piezas de ensayo que se muestran a continuación. Los resultados de ensayo de la parte superior del lingote de acero (T) y la parte inferior del lingote de acero (B) se
45 muestran por separado con la unidad de MPa en las Tablas 1 a 3.
Pieza de ensayo: pieza de ensayo suave de 10 mm de diámetro,
Método de Ensayo: ensayo de fatiga por flexión rotatoria (relación de tensión = -1; revoluciones, 3.600 rpm),
50 Método de evaluación de resistencia frente a la fatiga: método de etapas, Tensión de etapas: 20 MPa, Número de piezas de ensayo: cinco piezas cada uno, y
Resistencia frente a la fatiga de cada pieza de ensayo = (Tensión de fractura) -(Tensión de etapas) 55 (Resistencia frente al agrietamiento por hidrógeno)
Se lleva a cabo el ensayo de detección por ultrasonidos (UT) a una frecuencia de 4 MHz (más específicamente, "Defects of Forged Steel Products" editado por Forged Steel Study Section, Japan Steel Castings and Forgings 60 Associations, P32-33). Un caso donde se detecta un defecto eco que muestra agrietamiento por hidrógeno en la parte intermedia (de 1/3 a 1/5R) del lingote de acero viene representado por el símbolo x que hace referencia al lingote de acero que es inferior en cuanto a resistencia frente al agrietamiento por hidrógeno y un caso donde no se detecta el defecto eco viene representado por el símbolo  que hace referencia al lingote que es superior en cuanto a resistencia frente al agrietamiento por hidrógeno. En este caso, cuando la cara lateral (capa superficial) en la 65 dirección de anchura del lingote de acero viene representada por 0R y el centro viene representado por 1/2R, se
define la parte central como una parte ubicada dentro del intervalo de 1/2 a 1/3R, se define la parte intermedia como una parte ubicada dentro del intervalo de 1/3 a 1/5R, y se define la parte de capa superficial como una parte ubicada dentro del intervalo de 0R a 1/5R.
5 En la fila “Evaluación exhaustiva”, se clasifican un caso donde todas las relaciones de límite de resistencia en la parte superior del lingote de acero y la parte inferior del lingote de acero y los resultados de agrietamiento por hidrógeno y una parte superior del lingote de acero y una parte inferior del lingote de acero se clasifican con el símbolo , se clasifica con el símbolo , y los otros casos se clasifican con el símbolo x.
10 [Tabla 1]
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Claims (1)

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