WO2017021565A1

WO2017021565A1 - Acero débilmente aleado de alta resistencia y alta resistencia a la oxidación en caliente

Info

Publication number: WO2017021565A1
Application number: PCT/ES2015/070612
Authority: WO
Inventors: Roberto Elvira Eguizabal; Jacinto ALBARRÁN SANZ; Juan José LARAUDOGOITIA ELORTEGUI
Original assignee: Gerdau Investigacion y Desarrollo Europa SA
Current assignee: Gerdau Investigacion y Desarrollo Europa SA
Priority date: 2015-08-05
Filing date: 2015-08-05
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2018-02-05
Also published as: EP3333277B1; EP3333277A1

Abstract

Acero débilmente aleado de alta resistencia mecánica y alta resistencia a la oxidación en caliente,con una composición: 0,37% ≤C ≤ 0,43%, 2,25 % ≤ Si ≤ 2,50 %, 0,75% ≤ Mn ≤ 1,50 %, 0,15% ≤ Cr ≤ 1,25%, 0,01% ≤ Mo < 0,30%,0,01 % ≤ V < 0,30 %y 0,001% ≤ Nb < 0,060 %, que con un procedimiento para obtener dicho acero consigue a temperatura ambiente resistencia a tracción superior o igual a 850 MPa y una ductilidad elevada, con estricción superior o igual a 50%, y una resistencia elevada a la oxidación a temperaturas entre 500ºC y 650ºC,cuando se somete a un tratamiento específico de temple y revenido a una pieza para cuya fabricación se ha seleccionado dicho acero.

Description

ACERO DÉBILMENTE ALEADO DE ALTA RESISTENCIA Y ALTA

RESISTENCIA A LA OXIDACIÓN EN CALIENTE

DESCRIPCIÓN

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un acero aleado de alta resistencia y elevada resistencia a la oxidación a alta temperatura, con una alta vida a fatiga a elevadas temperaturas, y a un procedimiento para obtener piezas de dicho acero, que tiene aplicación en el ámbito de la industria siderúrgica, permitiendo su utilización para componentes que trabajan a alta temperatura en atmósferas oxidantes, siendo dichas piezas especialmente adecuadas, en automoción, por ejemplo para la fabricación de pistones de motores de combustión interna de vehículos de turismo e industriales.

La invención permite obtener un acero aleado, a partir de una composición química y mediante un proceso metalúrgico, con una alta resistencia a la oxidación a alta temperatura, que tiene una alta resistencia mecánica a la vez que una elevada vida y resistencia a fatiga en caliente, además de tener una óptima templabilidad.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Típicamente los aceros resistentes a la oxidación son los aceros inoxidables, con un contenido de cromo superior al 12% en peso y cantidades variables de otros elementos de aleación. Su principio de operación se basa en la formación de una capa autoregenerante de óxidos de cromo en superficie que impide la progresión de la oxidación hacia el interior.

A alta temperatura, la adición de cromo no es suficiente para impedir la progresión de la oxidación y se combina con la adición de silicio, siendo típica la aplicación en válvulas para motores de combustión interna. Si las condiciones son más exigentes, se recurre a aleaciones de base níquel, titanio o recubrimientos o materiales cerámicos. Dicha aplicación de aceros inoxidables en válvulas resulta posible dado que las piezas son de mucho menor peso que los pistones y el incremento de precio de material resulta asumible. Aparte de lo anterior, las válvulas tienen menores solicitaciones mecánicas que los pistones en los cuales la utilización de aceros inoxidables resulta más problemática.

En componentes mecánicos sometidos a solicitaciones cíclicas a alta temperatura se les exige también que tengan una buena resistencia mecánica en el rango de temperaturas de trabajo y una buena resistencia a fatiga. Además, las piezas deben mostrar una moderada resistencia a impacto, adecuada maquinabilidad, soldabilidad y forjabilidad para que puedan ser procesadas por los medios de fabricación habituales a un coste comparable a los materiales actuales. Estas características se encuentran determinadas en gran medida por el contenido de carbono del acero, que oscila entre 0,30% y 0,50% en peso, así como el contenido de otros elementos de aleación como, por ejemplo, Si, Mn, Cr, Ni, Mo y V, cuyo objeto es incrementar la templabilidad del acero y asegurar que la microestructura de la pieza templada sea martensita en toda su sección y/o que alcance la resistencia deseada por otros medios alternativos de endurecimiento. Existen numerosos aceros tipificados como tales en normas internacionales, con resistencia a la tracción a temperatura ambiente que oscila entre 800 MPa y 1200 MPa. Estos valores, sin embargo, dependen notablemente del espesor de la pieza y los valores más altos se obtienen en los componentes de pequeño espesor. La resistencia mecánica es menor cuanto mayor sea la temperatura a la que trabaja la pieza e idénticamente la resistencia a fatiga del acero.

Para piezas en contacto con fluidos a alta temperatura, una buena resistencia mecánica en caliente y una buena resistencia a la oxidación a alta temperatura son fundamentales para evitar el deterioro de la pieza y garantizar una adecuada vida en servicio. En aplicaciones con requerimientos de resistencia mecánica y moderada exigencia de resistencia a la oxidación, las calidades más comunes son los aceros de tratamiento térmico de temple y revenido, como el 42CrMo4, o aceros de uso directo, de estructura ferrito-perlítica, como el 38MnSiV5, o baínítica. No obstante, la resistencia en caliente de estos aceros depende notablemente de su temperatura de revenido, en un caso, o de la temperatura de formación de la correspondiente microstructura, en el otro, lo que limita la temperatura máxima a la que dichos aceros pueden trabajar. Además de los citados, en la actualidad existen aceros y procedimientos de obtención de los mismos orientados a mejorar la resistencia a la oxidación en caliente y la resistencia en caliente, principalmente aceros inoxidables ferríticos y austeníticos, habitualmente con elevados contenidos de Cr, en los que habitualmente se añaden cantidades variables de otros elementos aleantes como por ejemplo Si, Mn, Ni, Mo, Cu, V, Ti, Al, Nb, W, Sn, N, Zr, Ce, Co o B, de los cuales a continuación se mencionan algunos ejemplos.

La solicitud de patente europea n.° EP-2617855-A describe un acero de medio carbono y baja aleación con elevada resistencia a la oxidación en caliente, que mediante la aleación de Silicio, Titanio y Boro obtiene una resistencia mecánica superior a 950 MPa y evita la formación de cascarilla por encima de 600°C.

Por otro lado, la solicitud internacional n.° WO-01/86009-A describe un acero para válvulas de bajo-medio carbono, con elevados contenidos de Cr, Ni y Mn con elevada resistencia mecánica y resistencia a la oxidación a temperaturas entre

800°C y 900°C.

De forma similar, la solicitud de patente europea n.° EP-2749663-A describe un acero de válvulas de medio carbono, con elevados contenidos de Cr, Ni, Mn, Mo y Nb y que consigue elevada resistencia mecánica, fatiga y resistencia a la oxidación a 800°C.

La patente US 5753179 de acero de válvulas de escape aplica también la adición de altos contenidos de Cr, Ni, Mn, Mo, W, Nb y Ti para conseguir alta resistencia a elevada temperatura y resistencia a la oxidación en caliente.

Otras invenciones de aceros con alta resistencia y resistencia a la oxidación en caliente se orientan hacia aceros inoxidables ferríticos y austeníticos con muy bajo contenido de carbono como las que se refieren a continuación como ejemplo

La solicitud internacional n.° WO-2014/008881 -A 1 describe un acero inoxidable austenítico, con adición de más del 20% de Cr y Ni y contenidos importantes de Mo, Nb y N, con resistencia a la oxidación y a la deformación por fluencia lenta, lo que se denomina comúnmente por su designación en inglés como creep, hasta 750°C.

La solicitud internacional n.° WO-2014/036091 -A 1 se refiere a la invención de un acero inoxidable ferrítico, con adición de más del 15% de Cr y contenidos importantes de Cu, Nb, Si y Ti, con buena resistencia a la oxidación, resistencia a alta temperatura y buena conformabilidad.

La solicitud internacional n.° WO-2010/009700-A1 resuelve el problema de la resistencia al creep y a la corrosión a alta temperatura mediante la precipitación de un intermetálico (Ni, Co)AI-B2 coherente con la matriz ferrítica.

La patente EP 0593776-B1 mejora la resistencia a la corrosión salina a alta temperatura mediante un acero ferrítico aleado con más del 13% de Cr y contenidos importantes de Nb, Ti, Mo y W.

De modo similar, la solicitud de patente EP 2677055-A1 describe la invención de un acero inoxidable ferrítico con excelente resistencia a la oxidación y resistencia mecánica a alta temperatura.

La mejora de la resistencia a la oxidación a alta temperatura se consigue en otras invenciones a través de la adición de contenidos de cromo superiores al 8% en combinación con otros elementos de aleación en cantidades elevadas, en general, con contenidos de carbono bajos y, con resistencias mecánicas también bajas.

En las aplicaciones en que se requiere cierta resistencia mecánica, como en válvulas de admisión y escape, el contenido de carbono en peso oscila entre 0,30% y 0,65%, manteniendo también contenidos de elementos de aleación elevados, principalmente Cr, Ni y Mn. La utilización de estas invenciones en la fabricación masiva de componentes mecánicos de motores de combustión interna de automóviles y vehículos industriales está limitada por el elevado coste de las aleaciones, sus dificultades de fabricación de forma económica y/o las bajas propiedades mecánicas.

Este reto todavía no ha sido resuelto en su totalidad por el estado de la técnica.

Por lo tanto, las propiedades y coste de las piezas sometidas a cargas mecánicas y a oxidación a alta temperatura fabricadas con aceros destinados a dichas aplicaciones resultan susceptibles de ser optimizadas.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un acero débilmente aleado y a un procedimiento para obtener piezas de dicho acero, en los que como resultado de diversas investigaciones se ha conseguido una elevada resistencia a la oxidación y resistencia mecánica a alta temperatura y unas buenas propiedades mecánicas a temperatura ambiente, con valores de resistencia a tracción entre 800 MPa y 1100 MPa, y una tenacidad moderada, con valores superiores a 25 J. Se entiende por acero débilmente aleado, aquel en el que ningún elemento aleante está presente en una cantidad superior al 5 % en peso respecto del total de componentes presentes en la aleación. La invención permite obtener un acero que, mediante tratamiento térmico o directamente desde el calor de laminación o forja, a partir de una composición química novedosa y un determinado proceso metalúrgico, presenta una alta resistencia a la oxidación a temperaturas entre 500°C y 650°C, a la vez que una buena resistencia mecánica en ese mismo rango de temperaturas, teniendo al mismo tiempo una buena resistencia y tenacidad a temperatura ambiente y una alta templabilidad, lo cual resulta importante, por ejemplo, para la completa transformación de austenita a martensita en piezas de gran espesor.

Por otro lado, además de la composición química, los procesos de conformado en caliente y el tratamiento térmico realizado al acero influyen de manera importante en las características mecánicas del componente final. Un taco de acero se calienta a una temperatura inferior a 1250°C y se deforma por procedimientos de forja a la forma deseada. Luego se enfría de manera controlada, bien para facilitar su mecanizado o bien para conseguir las propiedades mecánicas finales. Para obtener una resistencia a la oxidación y unas propiedades mecánicas óptimas la pieza con la composición química inicial se somete a un procedimiento de temple y revenido determinado, que es necesario que se realice en unas condiciones de tiempo y temperatura específicas.

Para garantizar una elevada vida a fatiga a alta temperatura es necesario aplicar en el proceso de fabricación de este acero un procedimiento específico de desoxidación y de decantación de inclusiones en determinadas condiciones especiales. Asimismo, las condiciones del tratamiento térmico de temple y revenido son fundamentales para asegurar una elevada estabilidad de la estructura martensítica a alta temperatura y una buena resistencia a fatiga entre 400°C y 600°C.

Se ha comprobado un efecto sinérgico entre una combinación novedosa de elementos químicos y un procedimiento para obtener dicho acero, que contempla un tratamiento térmico específico, consiguiendo un acero débilmente aleado con elevada resistencia a la oxidación en caliente, alta resistencia y alta resistencia a fatiga a alta temperatura, además de una buena aptitud al conformado en caliente y una buena templabilidad, elevada resistencia y tenacidad a temperatura ambiente. Las investigaciones realizadas han dado como resultado una nueva calidad de acero aleado al Silicio, que comprende la siguiente composición química en porcentaje en peso:

0,33%≤ C≤ 0,47%

1 ,75%≤ Si≤ 3,00%

0,65%≤ Mn≤ 1 ,65%

0, 15%≤Cr≤ 1 ,50%

0,01 %≤Mo≤ 0,35%

0,01 %≤ V≤0,30% 0,001 %≤ Nb≤ 0, 100%

siendo el resto de los elementos hierro así como impurezas que resultan de la obtención del acero.

Estos elementos de aleación se utilizan en aceros aleados para mejorar la resistencia a la tracción, la resistencia al revenido, la tenacidad u otras características, pero no con las concentraciones en peso indicadas, con la combinación de elementos que se propone, ni para obtener las propiedades anteriormente descritas que permiten su utilización en las aplicaciones comentadas.

Cada uno de los elementos de aleación, en las proporciones anteriormente indicadas influye en determinados parámetros y propiedades del acero finalmente obtenido.

El carbono es un elemento indispensable para obtener una elevada resistencia y dureza tras el tratamiento de temple y revenido. Por debajo de 0,33% de carbono, la resistencia que se obtiene es insuficiente. Por otra parte, por encima de 0,47% la tenacidad del acero decrece notoriamente, especialmente en presencia de altos contenidos de silicio.

El silicio forma un óxido en combinación con el hierro que se adhiere a la superficie del acero y retarda el proceso de oxidación a alta temperatura. Para que dicha capa retarde significativamente la oxidación en caliente, el contenido mínimo debe fijarse en 1 ,75%, siendo más efectiva a medida que se aumenta el contenido en silicio del acero. Sin embargo, un contenido excesivo de silicio favorece mecanismos de fragilización del acero y hace disminuir fuertemente la tenacidad, especialmente en los procesos intermedios de fabricación, de modo que el límite superior se fija en 3,00%, mejorando la tenacidad a medida que disminuye el contenido de silicio del acero. Se ha encontrado una dependencia de la tenacidad con el contenido de silicio que sigue la expresión: Tenacidad (Julios) = 60 - 14,5 * %Si, la cual se cumple con porcentajes de Silicio superiores al 2%. Por otra parte, el silicio modifica notablemente las temperaturas críticas del acero, aumenta las temperaturas de transformación de austenita a ferrita y viceversa, así como disminuye las temperaturas de fusión y solidificación del acero, lo que afecta a los rangos en que dicho acero puede transformarse en caliente. Además, el silicio es un potente desoxidante e incrementa la templabilidad.

Como se ha indicado, tanto el porcentaje de Silicio como, en menor medida, el de Cromo modifican la temperatura a la que la austenita se convierte en ferrita. Esto implica que se puede elevar la temperatura a la que se realiza el revenido, lo que deriva en que la caída de propiedades mecánicas a elevadas temperaturas se da a una mayor temperatura. En el punto de desarrollo actual de los motores alternativo de combustión interna este tipo de características resulta fundamental puesto que, de cara a mejorar la eficiencia, se tiende a elevar tanto la presión y la temperatura en el motor, con lo que los pistones han de poder mantener sus propiedades mecánicas a más altas temperaturas.

El manganeso es un elemento indispensable para asegurar la templabilidad requerida en un acero débilmente aleado. Puede utilizarse en combinación o como alternativa al cromo para aumentar la templabilidad del acero y favorecer la obtención de estructuras martensíticas mediante temple. Asimismo, evita el efecto pernicioso del azufre, combinándose con él para formar MnS, que favorecen la maquinabilidad y la puesta en forma del acero por procesos de arranque de viruta. Por otro lado, un contenido excesivo puede favorecer la aparición de grietas de temple, de forma que el contenido óptimo se sitúa entre 0,65% y 1 ,65%.

El cromo es un elemento indispensable para asegurar la templabilidad requerida en aceros de temple y revenido. Por debajo de 0,75% la templabilidad puede no ser suficiente y pueden aparecer estructuras no deseadas en el núcleo de la pieza, de modo que debe complementarse con la adición de manganeso. Un contenido elevado de cromo aumenta el riesgo de grietas de temple. Por ello el límite superior se fija en 1 ,50%. Asimismo, el cromo es el elemento esencial en la mejora de la resistencia a la corrosión de los aceros. El cromo tiene un efecto sinérgico con el silicio para mejorar la resistencia a la oxidación a alta temperatura y dicha mejora aumenta progresivamente a mayores contenidos de cromo. El molibdeno tiene un fuerte efecto favorecedor de la templabilidad, siendo a su vez un fuerte formador de carburos, que proporcionan un notable efecto de endurecimiento secundario durante el revenido. Por otra parte, el molibdeno mejora la resistencia a la corrosión por picadura y evita la fragilidad del revenido evitando la precipitación de fósforo en límite de grano. No obstante, en contenidos elevados el coste de aleación es excesivo y económicamente inasumible, de modo que el rango preferible es entre 0,01 % y 0,35%.

El vanadio es un elemento microaleante que contribuye a afinar el tamaño de grano y provoca un intenso endurecimiento por precipitación y que cuando permanece en solución sólida incrementa mucho la templabilidad. En presencia de contenidos altos de silicio, como los puntos críticos aparecen a temperaturas más altas, la precipitación de carburos y nitruros de vanadio se produce en la zona intercrítica, multiplicando el endurecimiento por precipitación del acero. Los precipitados de vanadio son nucleadores de hidrógeno, de modo que en ambientes corrosivos lo fijan y mejora la resistencia a la fractura retardada inducida por hidrógeno. Sin embargo, con contenidos de vanadio muy elevados los precipitados coalescen y su efecto puede volverse pernicioso. Por tanto, el contenido óptimo de vanadio se sitúa entre 0,01 % y 0,30%.

El niobio es un elemento microaleante de efectos similares al aluminio en el control del tamaño de grano y al vanadio en el endurecimiento del acero por precipitación, de modo que, al mantener un tamaño de grano austenítico fino, contribuye a incrementar la resistencia mecánica y a mejorar la tenacidad. En aceros con alto silicio es preferible al titanio para controlar el tamaño de grano a alta temperatura, dada la tendencia de los nitruros de titanio a coalescer en el líquido residual. Además, los precipitados de niobio fijan el hidrógeno que ataca al acero en ambientes corrosivos, mejorando la resistencia a la fractura retardada. El niobio contribuye a mejorar la resistencia a la oxidación, junto a cromo, silicio, molibdeno y titanio, según expresión del cromo equivalente:

% Cr equivalente = % Cr + Mo + 1 ,5 * Si + 0,5 * (Ti + Nb) Si la suma de Cr+Si es superior al 12% se considera que es un acero inoxidable, en el caso de la invención dicha suma nunca pasa del 4,5%. Por encima de 0, 100%, no obstante, se produce un engrasamiento de los precipitados que resulta perjudicial para las propiedades mecánicas. El contenido óptimo de niobio se fija entre 0,001 % y 0, 100%.

Además, el acero que la invención propone puede comprender, adicionalmente, al menos uno de los elementos siguientes o una combinación de ellos, con un porcentaje en peso:

P≤ 0,030%

S≤ 0,040%

Cu≤ 0,50%

0,001 %≤ Al≤ 0,050%

Ti≤ 0,015%

0,003%≤ N≤ 0,020% siendo el resto elementos residuales que resultan de la obtención del acero.

El fósforo endurece el acero y segrega en los límites de grano de la austenita reduciendo drásticamente la tenacidad del acero. Además, favorece la fragilización por hidrógeno y la fractura retardada. Para limitar su efecto adverso el contenido de fósforo se limita a menos de 0,030%.

El azufre, en combinación con el manganeso, forma inclusiones de sulfuro de manganeso que facilitan el mecanizado de las piezas y que fragilizan la viruta, rompiéndola y evitando que se enrolle en la pieza y la marque. Asimismo reduce los esfuerzos de corte y disminuye las tensiones residuales en la pieza. A mayor contenido de azufre, mejor comportamiento en el mecanizado. Por otra parte, los sulfuras de manganeso se deforman longitudinalmente en la dirección de forja o laminación y deterioran considerablemente las propiedades mecánicas transversales y el comportamiento a fatiga, que es peor cuando mayor es el contenido de azufre. Por todo ello, el contenido de azufre se restringe a menos de 0,040%.

La adición de cobre previene la descarburación del acero y mejora la resistencia a la corrosión de manera similar al níquel inhibiendo el crecimiento de las picaduras de corrosión. Sin embargo, un contenido elevado de cobre empeora la ductilidad en caliente del acero, de modo que el límite superior de cobre se fija en 0,50%.

El aluminio es un elemento que actúa como potente desoxidante durante el proceso de fabricación del acero. El aluminio forma nitruros de aluminio que contribuyen a controlar el tamaño de grano austenítico durante los tratamientos térmicos y los calentamientos previos a los procesos de conformado en caliente. Alternativamente, puede utilizarse en combinación o sustituyendo al niobio como controlador del tamaño de grano. No obstante, forma óxidos de elevada dureza que son muy perjudiciales para la vida a fatiga, de modo que su límite superior se establece en menos de 0,050%. El titanio habitualmente es un eficaz controlador del tamaño de grano austenítico a alta temperatura, típicamente a temperaturas de forja en caliente (1250°C), ya que, dada su afinidad por el nitrógeno, forma nitruros de titanio a temperaturas inferiores y/o próximas a las del acero líquido, que impiden el crecimiento del grano austenítico. Sin embargo, en aceros con silicio elevado, las temperaturas de fusión y solidificación disminuyen, de forma que los nitruros de titanio se forman totalmente en un medio líquido, engrosando y volviéndose ineficaces para controlar el tamaño de grano y muy perjudiciales en fatiga como nucleadores de tensiones. Para evitar la formación y el engrosamiento excesivo de los nitruros de titanio, el contenido de titanio en el acero se limita a un máximo de 0,015%, siendo preferibles valores inferiores.

El nitrógeno se combina con Ti, B, Nb, Al y V para formar nitruros, cuyas temperaturas de precipitación dependen del contenido respectivo de los diferentes elementos y de constantes características. Con un tamaño adecuado, esos nitruros ejercen un efecto de pinning sobre el grano austenítico controlando su tamaño a alta temperatura e impidiendo su coalescencia y crecimiento. Sin embargo, si el contenido de nitrógeno o de los elementos microaleantes es muy elevado, la precipitación se produce a alta temperatura y los precipitados engrasan volviéndose ineficaces para controlar el grano y perjudiciales para la vida a fatiga. Por ello, el contenido de nitrógeno en el acero se limita de 0,004% a 0,020%.

En otras invenciones se adiciona también boro para mejorar la templabilidad. La práctica metalúrgica habitual es adicionar boro en presencia de titanio para impedir la formación de nitruros de boro, que precipitan a alta temperatura. En aceros con silicio moderado o alto, como en la presente invención, la adición de titanio es completamente improcedente dado que precipitan y coalescen en líquido y, por tanto, tampoco es conveniente la adición de boro, que puede formar nitruros de boro a temperaturas próximas a las de solidificación que reducen la templabilidad del acero.

Para alcanzar las prestaciones de resistencia a la oxidación a alta temperatura, resistencia y fatiga en caliente elevadas y buena tenacidad a temperatura ambiente, otras invenciones precisan de un contenido muy elevado de elementos de aleación, o, en otro caso, no cumplen completamente las propiedades mecánicas exigidas y anteriormente comentadas, debido a que el grado de limpieza inclusionaria era menor y/o inadecuado el balance de elementos aleantes y microaleantes, respecto al proceso optimizado que el acero de la invención presenta.

Una composición preferente del acero que la invención propone comprende, un porcentaje en peso:

0,37%≤ C≤ 0,43%

2,00%≤ Si≤ 2,75%

0,75%≤ Mn≤ 1 ,50%

0, 15%≤Cr≤ 1 ,25%

0,01 %≤Mo≤ 0,30%

0,01 %≤V≤ 0,30%

0,001 %≤ Nb≤ 0,060%

Para esta composición preferente, adicionalmente, el acero puede comprender al menos uno de los elementos siguientes, o una combinación de ellos, en peso: P≤ 0,030%

S≤ 0,040%

Cu≤ 0,50%

0,001 %≤AI≤ 0,050%

Ti≤ 0,010%

0,003%≤ N≤ 0,020%

0,37%≤ C≤ 0,43%

2,25%≤ Si≤ 2,50%

0,75%≤ Mn≤ 1 ,50%

0, 15%≤Cr≤ 1 ,25%

0,01 %≤Mo≤ 0,30%

0,01 %≤V≤ 0,30%

0,001 %≤ Nb≤ 0,060%

Para esta composición preferente, adicionalmente, el acero puede comprender al menos uno de los elementos siguientes, o una combinación de ellos, en peso:

P≤ 0,030%

S≤ 0,040%

Cu≤ 0,50%

0,001 %≤ Al≤ 0,050%

Ti≤ 0,010%

0,003%≤ N≤ 0,020%

Así, tras diversos experimentos se ha desarrollado un riguroso procedimiento para obtener el acero siguiendo los siguientes pasos:

- Controlar rigurosamente las materias primas del horno, es decir, coke y cal y, especialmente, chatarra. - Usar entre un 30% y un 70% de chatarra de máxima calidad, con muy bajo contenido de elementos residuales.

- Realizar un periodo oxidante en horno eléctrico, lo cual es importante para la defosforación del acero, previo a la escoria espumosa.

- Una vez ha finalizado la escoria espumosa, se procede a desescoriar hasta dejar prácticamente sin escoria el horno, siendo el objetivo una presencia de fósforo, en este paso o etapa, inferior a 0,010% en peso.

- Bascular al vuelco con temperatura estándar y partes por millón (ppm) de oxígeno, según estándar de aceros limpios, asegurándose que no pase escoria del horno a la cuchara.

- Desoxidar con Si, para obtener una escoria blanca muy fluida con base cal- espato.

- Controlar rigurosamente las materias primas de afino, es decir, ferroaleaciones y otras adiciones metálicas y escorificantes, para asegurar un contenido residual de titanio lo más bajo posible (<0,005%Ti).

- Realizar un vacío prolongado, considerando como tiempo de vacío aquel que se encuentra por debajo de 1 mbar.

- Finalizar el tratamiento de vacío con una temperatura suficiente como para hacer un proceso de decantación de inclusiones después del mismo de al menos quince minutos, sin realizar adiciones ni calentamientos de ningún tipo.

- Finalmente, debe seguirse un meticuloso proceso de colada con protección especial del chorro de acero líquido.

- Si el proceso de solidificación es en colada continua, se ajustarán las condiciones de velocidad de colada, refrigeración y agitación para minimizar el tiempo transcurrido en el intervalo de solidificación (rango de temperaturas entre las temperaturas de fusión y solidificación) y obtener una microestructura de solidificación homogénea.

- Si el proceso de solidificación es en lingote, se ajustará el formato de partida a la dimensión que asegure un grado de reducción suficiente por forja o laminación que cierre completamente el rechupe central generado por la contracción del acero al solidificarse.

Todo este procedimiento de fabricación del acero permite conseguir bajos niveles de residuales (Cu, Sn, As y Sb) y fósforo, por debajo del 0,030% en peso, además de un bajo nivel inclusionario.

Los diagramas CCT (Enfriamiento-Continuo-Transformación) permiten representar los tratamientos térmicos para una composición química determinada cuando las transformaciones de fase se producen en condiciones de no equilibrio.

Después de diversos ensayos experimentales se ha constatado que, tras el proceso de fabricación del acero que la invención propone, con la composición química arriba indicada, ajustando las velocidades de enfriamiento desde el calor de laminación o forja o bien las temperaturas y los tiempos de mantenimiento del temple y el revenido, se consigue un acero con resistencia a tracción por encima de 850 MPa y una ductilidad elevada, con estricción >50%, y una resistencia elevada a la oxidación a temperaturas entre 500°C y 650°C. Además dicho acero presenta una alta templabilidad, adecuada para la obtención de un 100% de martensita en secciones gruesas, como las que presentan los pistones de motor de vehículos industriales.

Para obtener una pieza del acero anteriormente obtenido de las características citadas, la invención contempla la realización de un procedimiento por el cual es obtenible dicha pieza de acero.

El procedimiento para obtener piezas de dicho acero comprende un proceso conformado en caliente, con un calentamiento previo a una temperatura superior a 1100°C e inferior a 1250°C que permita dotar al acero de una ductilidad en caliente suficiente, para conferir a la pieza de acero una forma similar a la del componente final. Tras su puesta en forma, la pieza se deja enfriar al aire o en horno, para obtener la dureza deseada.

A continuación se mecaniza la pieza a su forma final, pudiendo ser sometida a un proceso de soldadura para la adopción de formas complejas. Si se precisa, se puede realizar un tratamiento térmico de homogeneización con enfriamiento controlado para obtener las características mecánicas deseadas. Posteriormente, el procedimiento contempla eventualmente un proceso de temple -se puede optar por no templar y enfriar de manera controlada desde el forjado/laminado, de este modo las propiedades mecánicas son inferiores pero también hay un ahorro en proceso- que se realiza con una austenización a temperatura entre 920°C y 1000°C -en función del tamaño de pieza a templar- y un enfriamiento posterior en un líquido a temperatura entre 40°C y 80°C como puede ser, por ejemplo, el aceite.

Seguidamente, el procedimiento comprende un proceso de revenido, que se lleva a cabo a una temperatura superior a 600°C e inferior a 750°C durante al menos una hora -en función del tamaño de pieza a tratar-, dependiendo de las dimensiones de la pieza, consiguiendo de esta manera, ajustar la dureza y tenacidad del material, además de establecer el rango máximo de temperatura de operación, que debe ser siempre 50°C-100°C inferior a la temperatura de revenido.

Adicionalmente se puede aplicar un recubrimiento superficial que mejore el comportamiento a corrosión del componente.

Por lo tanto, el procedimiento para obtener piezas de acero comprende los siguientes pasos:

- Obtener el acero de la invención, anteriormente descrito, en el que el acero seleccionado comprende la composición general o una de las composiciones preferentes anteriormente definidas.

- Fabricar una pieza de dicho acero, por ejemplo mediante forja u otro proceso de conformado.

- Enfriar de manera controlada la pieza para obtener las características mecánicas deseadas finales o intermedias.

- Mecanizar la pieza a las dimensiones finales.

- Soldar la pieza, si procede, para obtener formas complejas.

- Realizar, si procede, en la pieza el tratamiento de temple anteriormente definido.

- Realizar, si procede, en la pieza el tratamiento de revenido anteriormente definido. - Recubrir, si procede, la pieza con un tratamiento anticorrosión.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1.- Muestra un diagrama de curvas de revenido obtenido para cada uno de los aceros A-D.

La figura 2.- Muestra una microscopía en la que se aprecian los constituyentes de la capa de cascarilla y de la capa superficial del acero D.

EJEMPLOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

Ejemplo 1

A modo de ejemplo, se describen a continuación los ensayos realizados con muestras de aceros con composiciones próximas a la composición química del acero de la invención. La tabla 1 muestra las composiciones químicas en porcentaje en peso, siendo el resto Fe e impurezas:

Tabla 1 La figura 1 muestra el diagrama de curvas de revenido obtenido para cada uno de los aceros A-D. Para contenidos crecientes de silicio en la composición del acero, aunque hay un aumento progresivo de la resistencia, se observa una caída notable de la tenacidad, que es prácticamente independiente del tratamiento de revenido aplicado. Para cada variante, el rango de temperaturas de revenido es distinto, siendo mayor cuanto más elevado es el contenido de silicio.

Las temperaturas indicadas por Ac son las del cambio austenita-ferrita. La temperatura máxima a la que se puede hacer el revenido ha de estar como mínimo

30°C por debajo de la temperatura correspondiente a Ac. A medida que se incrementa el Silicio se incrementa dicha temperatura posible para revenir pero se disminuye la tenacidad, representada en el eje vertical. El porcentaje de Silicio se va incrementando desde la línea A a la línea D.

Todos estos aceros han sido sometidos a tratamientos de temple y revenido a distintas temperaturas, con el objetivo de conseguir la tenacidad óptima para cada uno de ellos. En condiciones de enfriamiento controlado, la microestructura obtenida no es martensita revenida, como en estos casos, si no una combinación de ferrita, perlita y/o bainita de tenacidad inferior. Para asegurar una tenacidad mínima del acero en aplicaciones sin requerimientos de tenacidad en servicio o en proceso el contenido de silicio debe ser siempre inferior a 3%. Para garantizar una tenacidad mínima de 20 julios en estado templado y revenido, el contenido de silicio debe limitarse a 2,75% máximo. Para conseguir una tenacidad suficiente durante los procesos intermedios de transformación o en enfriamiento controlado desde el calor de laminación o forja, el acero debe tener un contenido de silicio de 2,50% como máximo.

Por otra parte, tras mantener muestras de las distintas variantes en atmósferas oxidantes a alta temperatura durante un periodo de tiempo prolongado, la morfología y composición química de la capa de óxido generada en superficie variaba dependiendo del contenido en silicio de la muestra y de su microestructura.

La resistencia a la oxidación a alta temperatura de todos los aceros analizados A-D es mayor cuando presentan una microestructura homogénea de martensita revenida respecto a una microestructura heterogénea de ferrita, perlita y/o bainita. Asimismo, la resistencia a la oxidación es mayor cuando la martensita ha sido revenida a mayor temperatura.

Por encima de 2%Si se forma una capa de unas decenas de mieras enriquecida en silicio y cromo en la superficie del acero. A mayor contenido de silicio en el acero, el enriquecimiento en la capa superficial es mayor y mayor la protección ante la oxidación en caliente.

En la figura 2 se observan los constituyentes de la capa de cascarilla y de la capa superficial del acero D del ejemplo. La capa adyacente a la superficie del acero se enriquece en silicio y cromo hasta tres o cuatro veces el contenido de estos elementos en el acero y ejerce de barrera a la oxidación en caliente, al menos hasta el rango inmediatamente inferior a las temperaturas de revenido del acero o de formación de sus constituyentes microscópicos durante el proceso de enfriamiento desde forja o laminación.

La microscopía de la figura 2 representa un corte del material, de la zona más cercana al exterior (s1) a la zona más cercana al interior (s9). Ahí se ven los distintos porcentajes de los elementos debidos a la oxidación. En s6 y s7 es donde mayor porcentaje de Si hay, que actúa como barrera protectora para que la oxidación no avance hacia el interior de la pieza. Si en esa zona el porcentaje de Si es más bajo, la barrera no es tan eficaz para frenar el avance de la oxidación.

La invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero para el experto en la materia resultará evidente que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes sin exceder el objeto de la invención reivindicada.

Claims

REIVINDICACIONES

1.- Acero débilmente aleado de alta resistencia y alta resistencia a la oxidación en caliente caracterizado porque comprende los siguientes elementos con un porcentaje en peso:

0,33%≤ C≤ 0,47%

1 ,75%≤ Si≤ 3,00%

0,65%≤ Mn≤ 1 ,65%

0, 15%≤Cr≤ 1 ,50%

0,01 %≤Mo≤ 0,35%

0,01 %≤V≤ 0,30%

0,001 %≤ Nb≤ 0, 100%,

siendo el resto hierro e impurezas.

2.- Acero débilmente aleado, según la reivindicación 1 , que comprende al menos uno de los siguientes elementos con un porcentaje en peso:

P≤ 0,030%

S≤ 0,040%

Cu≤ 0,50%

0,001 %≤ Al≤ 0,050%

Ti≤ 0,015%

0,003%≤ N≤ 0,020%.

3.- Acero débilmente aleado, según la reivindicación 1 , que comprende los siguientes elementos con un porcentaje en peso:

0,37%≤ C≤ 0,43%

2,00%≤ Si≤ 2,75%

0,75%≤ Mn≤ 1 ,50%

0, 15%≤Cr≤ 1 ,25%

0,01 %≤Mo≤ 0,30%

0,01 %≤V≤ 0,30%

0,001 %≤ Nb≤ 0,060%.

4.- Acero débilmente aleado, según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 3, que comprende al menos uno de los siguientes elementos con porcentaje en peso:

P≤ 0,030%

S≤ 0,040%

Cu≤ 0,50%

0,001 %≤ Al≤ 0,050%

Ti≤ 0,010%

0,003%≤ N≤ 0,020%.

5.- Acero débilmente aleado, según cualquiera de las reivindicaciones 3 y 4, que comprende al menos uno de los siguientes elementos con porcentaje en peso:

0,37%≤ C≤ 0,43%

2,25%≤ Si≤ 2,50%

0,75%≤ Mn≤ 1 ,50%

0, 15%≤Cr≤ 1 ,25%

0,01 %≤Mo≤ 0,30%

0,01 %≤V≤ 0,30%

0,001 %≤ Nb≤ 0,060%.

6.- Acero débilmente aleado, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que tiene a temperatura ambiente resistencia a tracción superior o igual a 850 MPa y una ductilidad elevada, con estricción superior o igual a 50%, y una resistencia elevada a la oxidación a temperaturas entre 500°C y 650°C.