8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

Transcripción

1 8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, al 5 de Octubre de 007 LA PRECIPITACIÓN DE CARBUROS INTERGRANÍTICOS Y SU EFECTO EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE UN ACERO INOXIDABLE AUSTENÍTICO TIPO 0 Jesús García L.*, Villa y Rabasa G, Hernández Gómez L. H., Castillo Sánchez M. *ESIME U. Azcapotzalco, IPN. **Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, ESIME U. Zacatenco. IPN. Avenida IPN s/n, Unidad Profesional Adolfo López Mateos, edificio 5, tercer piso, Departamento de Mecánica, Colonia Lindavista, CP 0778, México, D. F. Teléfono (55) , Extensión: 54745, RESUMEN El objetivo del presente trabajo es analizar el cambio en las propiedades mecánicas de un acero inoxidable resistente al calor. La investigación se llevo acabo sometiendo al acero a un tiempo de permanencia dentro de un horno durante periodos de 00, 600, 900 y 00 horas a una temperatura de 780ºC. A partir de los resultados experimentales obtenidos, podemos afirmar que el comportamiento del acero inoxidable austenítico se comportará como un material frágil. Se observaron carburos precipitados en los límites de grano del tipo y M 7 C. Se observo que el límite de fluencia tiende a aumentar, lo que indica que el material es frágil en los bordes de grano, la caracterización se realizo mediante microscopia óptica, pruebas mecánicas y difractogramas. PALABRAS CLAVES Austeníta, carburos, difractogramas, fluencia, fragilidad

2 INTRODUCCIÓN Los aceros inoxidables resistentes al calor tienen una amplia aplicación por sus propiedades en la industria alimenticia, química, farmacéutica, petroquímica y otros usos. Las características del acero inoxidable son impartidas por el cromo y algún otro elemento como el níquel. En algunos aceros inoxidables, la inoxidabilidad o pasividad es impartida solamente por la adición del cromo. A través de los tratamientos térmicos del acero inoxidable resistente al calor tipo 0, se pueden obtener estructuras duras mediante el efecto del calor y enfriamiento al agua, esperándose una precipitación masiva de carburos y una variación de dureza, ya que la temperatura establecida y los intervalos de tiempo a los cuales se somete el material son elevados, obteniéndose así estructuras duras, impartiéndose así a este acero una resistencia a la fluencia [,,, 4]. Debido a la importancia de este fenómeno de cómo afecta la temperatura al acero, que ocasiona fuertes pérdidas económicas a la industria petroquímica en la falla de sus tuberías y equipos, se realizó la investigación de este acero, para proponer las mejores condiciones de uso. Como el acero sufrirá cambios estructurales por las condiciones establecidas en esta investigación, se alterará de alguna manera el comportamiento mecánico, lo que se determinará mediante las pruebas realizadas, las cuales fundamentarán los resultados obtenidos. La muestra de este acero inoxidable, se obtuvo de una tubería de conducción de hidrocarburos, el cual se clasifica como un acero inoxidable de alta temperatura austenítico por su contenido de cromo y níquel como elementos principales de aleación y cuya composición química por norma es la siguiente (tabla ): Tabla, análisis químico del acero, obtenido por vía húmeda C Mn Si P M O Cr Ni RESTO ACERO AUSTENITICO Precipitación de carburos Esto sucede debido al contenido de carbono, en el rango que establece la norma AISI, para los aceros inoxidables austeníticos resistentes al calor. El carburo predominante es el, y con una alta concentración de carbono, y se tiene un segundo carburo que es el M 7 C. La precipitación de carburos ocurre en un rango de temperatura de C. En general, los carburos con alta energía se forman a altas temperaturas. La tabla, muestra los diferentes tipos de carburos. El uso de diversos tipos de carburos obedece a la necesidad de incrementar la resistencia a la abrasión y fricción, su resistencia al disolverse a altas temperaturas dan estabilidad estructural y control al crecimiento de grano austenítico [5, 6]. Limites de grano en la precipitación Cuando el acero es enfriado y se precipita en los límites de grano las partículas de, los defectos lineales desaparecen. Sin embargo, algunos autores [7, 8, 9] afirman que en los límites de grano la precipitación del se realiza por un proceso de difusión en los límites de grano de la austeníta. Una baja temperatura en la precipitación del, produce que en los límites de grano, el carburo tenga una apariencia delgada. Con el incremento de la temperatura cerca de C, estas partículas delgadas se transforman en dendritas. Conforme pasa el tiempo la estructura de las dendritas se va complicando. Es decir a altas temperaturas los límites de grano del carburo se transforman en partículas geométricas discretas, donde su forma depende de la orientación de sus límites [0]. Precipitación intergranular Ocurre sobre las dislocaciones de los granos en la matriz. En algunos casos se forman una especie de fibras sobre las dislocaciones. Estos precipitados crecen y en la unión de ellos se producen rupturas en los cordones principales. Durante el transcurso del tiempo de calentamiento, hay precipitación de ocurre sobre la mayoría de las dislocaciones. El crecimiento preferencial de la precipitación a lo largo del plano se ve favorecido por la disponibilidad de las vacancias a lo largo de las interfaces. Durante la última fase las partículas crecen como láminas

3 triangulares a lo largo de las orillas del límite de grano y finalmente se precipita el carburo. La nucleación del carburo ocurre sobre los límites de grano en las aleaciones saturadas de austeníta. Casualmente se forman laminillas muy delgadas de en direcciones paralelas al plano gemelo (tabla ). Primero sobre las dislocaciones de la matriz y sobre el límite gemelo incoherente [8, 9, 0]. Tabla. Tipos y estructura de los carburos TIPO DE CARBURO M 7 C M C MC ESTRUCTURA FCC HEXAGONAL ORTORROMBICO FCC OBSERVACIONES Tipo Cr C 6 presente en los aceros al cromo, provee carburos junto con el fierro. Incluye carburos a base de tungsteno y molibdeno. Es un producto de revenido y se usa para eliminar la austeníta retenida en aceros rápidos que se halla en aceros al cromo, resultante de la disolución a alta temperaturas. Tipo C. Puede ser formado con manganeso, cromo, tungsteno, molibdeno y vanadio en pequeñas cantidades. Tipo VC ó V 4 C, se forman carburos con vanadio, resistentes a la disolución a altas temperaturas; precipitan en revenidos dobles y son usados para alta resistencia a temperaturas elevadas al desgaste, y evitan el crecimiento del grano. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL El experimento considero 5 muestras, las cuales se mantuvieron en el horno a temperatura constante y diferente tiempo de permanencia, las condiciones de trabajo y las pruebas realizadas se resumen en la tabla numero. Tabla, condiciones experimentales y pruebas realizadas. NUMERO DE TEMPERATURA ( C) TIEMPO EN EL HORNO (HRS) Original PRUEBAS REALIZADAS Tensión, Dureza, Microscopia óptica, Difracción de rayos X y Análisis químico. RESULTADOS EXPERIMENTALES a). Ensayo de tensión. La tabla 4, muestra los resultados obtenidos de las curvas Esfuerzo - Deformación de las muestras, obtenidos del ensayo de tensión: Tabla 4. Resultados obtenidos del ensayo de tensión (HORAS) CARGA MÁXIMA (N) LIMITE DE CEDENCIA (Mpa) Original 88, , , , ,

4 El material presenta una disminución, en la carga máxima y el limite de cedencia, con respecto a la muestra original, esto es debido a que el material presenta una fragilidad por su alto contenido de Cromo y Níquel, además que está expuesto a tiempos largos de permanencia dentro del horno, este material puede presentar un precipitado rico en cromo en su estructura, la cual es cúbica centrada en el cuerpo, lo cual demuestra que hay cambios en la estructura y así mismo de sus propiedades, las cuales están asociadas a la fragilidad. La fragilidad que presenta el acero ocurre por el calentamiento a una alta temperatura (780ºC), esto es posible debido a la precipitación de la fase sigma. b). Ensayo de dureza La tabla 5, muestra la dureza tomadas en las muestras originales y tratadas térmicamente. Tabla 5. Dureza obtenida después del tratamiento TIEMPO (HORAS) (BRINELL) DUREZA ROCKWELL-C ORIGINAL Graficando los resultados, podemos observar que la dureza del material original, varía cuando las muestras son calentadas a diferentes tiempos, dicha dureza tiende a disminuir en las muestra calentadas, esto quiere decir que el material se fragiliza, por el efecto del calor, el tiempo de permanencia y las condiciones de enfriamiento realizado (figura ). Tiempo (horas) Dureza Vickers Figura. Gráfica de dureza contra tiempo obtenida. En la grafica se observa que la dureza es casi semejante una de otra con respecto a la muestra original, y la diferencia es de 5 a 6 puntos, los cuales aparentemente no afectan la microestructura del material. c). Análisis Microscópico Las micrografías presentadas, muestran los cambios estructurales del acero inoxidable. En la figura, tomada con microscopio óptico, se muestra la estructura original del acero previo a los tratamientos, se observa una estructura equiaxial de matriz austenítica con carburos de cromo intercristalinos en los límites de grano. 4

5 Figura. Muestra original del acero. Óptico 400x. En la figura, se observa el crecimiento de la austeníta retenida y la precipitación de carburos, emigrando al borde del grano, comenzando a diluirse estos en forma laminar. En la figura 4, se observan los carburos tipo M 6 C y. Figura. Austeníta retenida. SEM. 400X Figura 4. Tipos de carburos. SEM. 000X En la figura 5, observar que los carburos obtenidos se diluyen demasiado en forma de láminas de perlita, en los límites de grano. En la figura 6, La micrografía muestra la austeníta sufre un cambio, observándose el carburo del tipo. Figura 5. Carburos diluidos. SEM. 400X Figura 6. Carburos. SEM. 000X 5

6 d). Difractometría Los difractogramas obtenidos, permiten determinar los tipos de cristales que corresponden a cada uno de los picos que lo componen, considerando que el acero inoxidable austenítico tipo 0, esta compuesto principalmente de estructura del tipo: Austeníta, rrita y carburos del tipo: M 6 C, M 7 C y [, ]. Para realizar el cálculo de las distancias interplanares, se utilizo la ley de Bragg, Los resultados obtenidos de las fases presentes en los difractogramas del acero inoxidable austenítico, se muestran en la tabla 6. Tabla 6. Resultados obtenidos de las distancias interplanares. ORIGINAL 00 HRS 600 HRS 900 HRS 00 HRS. No. PICO d θ hkl L/l O FASES , M C M C M C γ Difractogramas En las figuras 7, 8, 9, se observan los difractogramas obtenidos o para el acero a diferentes tiempos de permanencia en el horno, se observan los picos que definen las estructuras cristalinas y las distancias interplanares. d =. 6 5 A ( ) 800 d = A ( ) I N T E N S I D A D R E L A T I V A I N T E N S I D A D R E L A T I V A d =. 0 5 A ( ) d =. 6 A ( ) d =. 0 6 A ( ) d = A ( ) 00 Figura 7. Difractograma de la muestra original Θ D I F R A C T O G R A M A M U E S T R A H O R A S A C E R O H K Figura 8. Difractograma del acero a 600hr de permanencia en el horno Θ D I F R A C T O G R A M A M U E S T R A 0 0 H O R A S A C E R O H K Figura 9. Difractograma del acero a 00hr de permanencia en el horno CONCLUSIONES. Cuando este acero se exponga a altas temperaturas, como se realizo en este trabajo ocurre una precipitación de carburos secundarios en la matriz, provocando esto una fragilidad del material, según las fotografías.. La intensidad de la precipitación de carburos depende de la temperatura y del tiempo de permanencia del material dentro del horno, la cual nos da como resultado una reducción de la ductilidad del material. Esta ductilidad es importante para aleaciones que operan en equipos que están sujetos a súbitas variaciones de tensiones mecánicas y fatiga térmica. 6

7 . La resistencia a la fluencia que se obtienen en este acero, tienen variaciones debido a la dilución de los carburos obtenidos y a los tiempos que se tiene el material calentándose. 4. La dureza varía conforme el tiempo de permanencia del material es alto a temperatura de 780ºC, la cual provoca una precipitación de carburos de cromo, y la austeníta tiende a disminuir, por tal razón se tiene un aumento de carburos de cromo. Cuando la precipitación de carburos de cromo es mayor cuando la temperatura de trabajo es alta por tanto se puede presentar una mayor fragilidad. 5. En el proceso de transformación de M C, la transformación austeníta martensíta se interpreta como una difusión de carburo debido a la alta energía térmica que tiene el material, es posible que se produzca una disolución de carburos primarios de tipo M C 7, M 7 C y quizás hasta para formar carburos de tipo MC y M C. REFERENCIAS.. Webert H. W., Fabrication of HK-40 in the field, 975, Metchem Meeting of American Society for Metals in Houston, Texas, pp Morley J. I. and Kirkby. J H. W.., Iron Steel Inst. 95, pp Pecker and Bernstein. Handbook of Stainless Steels, 977, Editorial Mc GRAW-HILL., pag Voelker, C. H. And Zeis, L. A., How to Repair HK -40, Furnace Tube, Hydrocarbon Processing, 97, pp Roach, D. B. and VanEcho, J. A., Comparison of the Properties of the HK-40 and HK-45 Cast Heat Resistant Alloys Stainless Steel Castings, ASTM STP 756, V. G. Beahal and A. S. Melilli, Eds., ASTM., 98, pp Cox, G. J. and Jordan. D. E. The proprieties of cast 5 Cr-0 Ni austenitic Steels in relation to their use at elevated temperatures. In Materials Technology in Steam. Pergamon Pree., 966, S. J. Zhu, J. Zhao, and F. G. Wang., Creep Crack of HK-40 Steel. Microstructural Effects. 990, pp M. Vite, M. Castillo. Wear. 58 (005) UK. 9. X. W. Su, S. J. Zhu, X. H. Li, L. Wang and F. G. Wang., Life Assessment of HK-40 Reformer tube by Fracture Mechanics. 0. A.V. Kington and F.W. Noble. Formation of σ Phase in Wrouth 0 Stainless Steel, 995, pp Alexandre Sokolowski, Celso A. Barbosa., Aspectos Microestruturais das ligas resistenes ao calor para fornos de pirolise e reforma, 99, Metalurgia ABM, pp HOU, W. T., Structure of Austenitic, Stainless Steel Tubes Cast centrifugally. Iron Steel, 987, pg Aballe, M. Et al., Microscopia Electrónica de Barrido y Microanálisis de Rayos X, 996, Madrid. Consejo Superior de Investigaciones Científicas, pp. 5,0.. Gerardo, Cabañas Moreno., Texturas Cristalográficas por difracción de Rayos X y Neutrones. 998, México, D. F., Sociedad Mexicana de Cristalografía, pp