ESTUDIO COMPARATIVO MICROGRÁFICO DE PRECIPITADOS EN ACEROS MICROALEADOS AL Nb

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1 Jornadas SAM CONAMET AAS 2001, Septiembre de ESTUDIO COMPARATIVO MICROGRÁFICO DE PRECIPITADOS EN ACEROS MICROALEADOS AL Nb L. Béjar a, C. A. Hernández b, J. E. Mancilla b y B. Hernández a a Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Morelia, Mich., México. b Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C., Chihuahua, Chih., México. RESUMEN La fabricación de aceros con composiciones químicas controladas es un paso fundamental para el estudio y análisis de fenómenos y procesos metalúrgicos. En este trabajo se discute la metodología empleada para la fabricación en horno de inducción de aceros con contenidos muy bajos de carbono (0.02 % en peso) con microaleantes (0.01 % a 0.05 % Nb). Se han realizado análisis metalográficos y por microscopía electrónica de transmisión (MET) a probetas obtenidas después de tratamientos termomecánicos en un laminador escala laboratorio de 50 toneladas. Los precipitados se han caracterizado con respecto a su tamaño, forma, número y composición química empleando el MET. Se presenta una tabla comparativa entre los precipitados obtenidos a nivel laboratorio de un acero microaleado y el de una muestra de acero proveniente de una planta industrial fabricado por laminación directa. Palabras clave Aceración, aceros microaleados, microscopía de transmisión, precipitados, laminación directa. INTRODUCCIÓN Los aceros microaleados son aquellos que tienen en su composición química pequeñas cantidades de elementos como el Nb, V y Ti, que se llaman elementos microaleantes (EMA). Estos elementos normalmente se tienen en el acero en porcentajes de a 0.10 y en combinación con otros elementos (Mn, Si, Mo), y un tratamiento termomecánico adecuado son, determinantes para obtener aceros con una excelente combinación de resistencia, tenacidad, ductilidad y soldabilidad. El uso industrial de los EMA para la fabricación de acero de alta resistencia comenzó en la década de 1960, dando lugar a una gran cantidad de investigaciones sobre ésta clase de aceros [1-3]. En la década de 1950 se iniciaron estudios sobre el efecto que del tamaño de grano en la resistencia a la cedencia y la temperatura de transición al impacto (TTI). Se encontró que al disminuir el tamaño de grano ferrítico aumentaba el límite elástico y disminuía la TTI. Inicialmente el afino de grano se realizó agregando al acero Mn o Al y posteriormente se usaron Nb, V y Ti en pequeñas cantidades. Estos últimos elementos controlan el tamaño de grano austenítico y por tanto el del grano ferrítico después de la temperatura Ar 3. En general, las adiciones de EMA mejoran el límite elástico por el mecanismo de endurecimiento por precipitación [2]. Los aceros microaleados al Nb y V con contenidos altos de carbono se comenzaron a estudiar en la década de La investigación básica y el estudio de la laminación controlada de estos aceros se hizo en la década de 1960, que continuó con mayor ímpetu en la década

2 Béjar, Hernández C., Mancilla y Hernández R. y hasta el día de hoy. La opinión generalizada para finales de la década de 1960 era que estos aceros deberían contener cantidades de Nb de 0.03% a 0.06% y de V de 0.15 a 0.25%, pero tenían baja soldabilidad. Por esta razón, a mediados de la década de 1960 se inició el estudio de los aceros microaleados bainíticos de ferrita acicular con bajos contenidos de carbono [2, 4, 5]. Los aceros microaleados se desarrollaron para mejorar la resistencia a la cedencia, la tenacidad, la ductilidad, la formabilidad y la soldabilidad. Su desarrollo ha combinado conocimientos metalúrgicos que permiten el control de las microestructuras y propiedades mecánicas, ya que los elementos se adicionan en pequeñas cantidades y se usan para formar carburos y modificar las propiedades. La excelente combinación de propiedades mecánicas hace de estos aceros una elección atractiva para muchas aplicaciones [2, 4, 5]. Los aceros microaleados se fabrican en forma de placa, lámina, barras y otros productos, encontrando aplicación en la fabricación de puentes, edificios, barcos, tanques de almacenamiento, tuberías, estructuras marítimas y en la industria automotriz. Recientemente se han desarrollado grados de aceros para aplicaciones tales como lámina para embutido profundo y extra profundo fabricados por el proceso integrado de laminación directa, con espesores de hasta de 0.7 mm [6]. En el presente trabajo se discutirá la metodología empleada en la fabricación a nivel laboratorio de aceros con muy bajos contenidos de carbono y con distintas adiciones de niobio. Las composiciones seleccionadas abarcan las composiciones que la industria emplea en la fabricación de lámina ultra delgada para embutido profundo. También se discuten los resultados de la comparación entre las microestructuras y los precipitados obtenidos en las láminas fabricadas a nivel laboratorio y una muestra de la industria [6]. PARTE EXPERIMENTAL Aceración Los aceros fueron fabricados en un horno de inducción que tiene una capacidad de carga máxima de 250 kg. El horno trabaja con una fuente de poder de frecuencia variable que está alimentada de una red de 460 voltios y 60 Hz, con una capacidad de potencia nominal de 150 KW y un voltaje máximo de 2400 voltios. Su variación de frecuencia es de 1200 Hz como máximo. Como materia prima se empleó una carga de acero de muy bajo contenido de carbono y hierro electrolítico; las adiciones de elementos aleantes y desoxidantes fueron hechas con metales grado reactivo y algunos como ferro aleaciones. Los aceros se vaciaron en doce lingoteras metálicas de mm de ancho y 150 mm de longitud, en las cuales se adicionaron pequeñas cantidades de aluminio, que se empleó como elemento desoxidante en la etapa final del proceso de vaciado del acero, para evitar la formación de porosidades en el lingote durante el vaciado debido al muy bajo contenido de carbono de los aceros (0.02% en peso). Los lingotes resultantes fueron seccionados en partes de mm. Se recalentaron a 1250 C, para laminarlos en caliente a partir de 1150 o C y terminando entre 950 o y 900 o C. Las placas así obtenidas tuvieron 13 mm de espesor y longitudes de 250 a 300 mm, sacadas del horno y enfriadas al aire. Por otra parte, se tomó una muestra de lámina de acero microaleado fabricada industrialmente por colada continua y laminación directa [6]. El intervalo de temperaturas en el tren de bandas de seis rodillos de laminación fue de 1010 a 908 C y el enrollado se realizó entre 580 y 50 C. 126

3 Jornadas SAM - CONAMET - AAS 2001 Laminación en caliente Los aceros fabricados para el presente trabajo fueron sometidos a un tratamiento termomecánico, tal y como se ilustra en la figura 1. Antes de laminar los lingotes de acero se mecanizaron para eliminar rechupes y las imperfecciones superficiales que pueden ocasionar defectos como pliegues o fracturas. Los lingotes se cortaron en dos partes cuyas dimensiones de cada una fueron de mm. En un horno tubular, los lingotes de acero se recalentaron hasta la temperatura de 1250 o C por un tiempo equivalente a una hora por pulgada de espesor. Posteriormente se deformó en caliente en un laminador dúo reversible escala laboratorio de 50 toneladas de capacidad, a una reducción de área de 5:1, para producir placas de 13 mm de espesor aproximado. Las temperaturas de acabado estuvieron entre 950 o C y 900 o C. Las mediciones de temperatura se realizaron con un pirómetro óptico de radiación. Las placas de acero obtenidas mediante este procesamiento termomecánico fueron seccionadas y sometidas a un tratamiento térmico de homogenizado, para romper la estructura de colada y obtener una estructura de grano equiaxial inicial. El tratamiento térmico se ilustra en la figura 2. Laminación. Reducción 5:1 Figura 1.- Ciclo de tratamiento termomecánico. Figura 2.- Ciclo de tratamiento térmico. Análisis metalográfico de aceros En la tabla 1 se presentan los análisis químicos (por ciento en peso) y el tamaño medio de grano ( D 0 ) de los aceros microaleados fabricados en laboratorio y de la muestra industrial. Tabla 1.- Composición química y temperatura de transformación de los aceros. Acero %C %Mn %Si %Al %P %S %Nb D 0, µm N N N Industrial Posteriormente se determinó el tamaño medio de grano inicial en todos los aceros con ayuda de un microscopio óptico Olimpus AX70 y un analizador de imágenes Image Pro PLUS de Media Cybernetics. El estudio de los aceros de laboratorio se realizó en muestras provenientes de las placas laminadas en el sentido longitudinal de la laminación. Las micrografías obtenidas para los aceros de fabricación propia (N1, N2 y N3) y el industrial se presentan en la figura

4 Béjar, Hernández C., Mancilla y Hernández R. Figura 3. Micrografías de los aceros microaleados de fabricación propia y el industrial. 128

5 Jornadas SAM - CONAMET - AAS 2001 Análisis micrográfico de precipitados de aceros Se han preparado metalográficamente y desbastado por la técnica de electropulido varias muestras de los aceros microaleados al niobio para su estudio en microscopía electrónica de transmisión (MET), con el objetivo de poder detectar y analizar el tamaño y forma de los precipitados de carburo de niobio presentes en los aceros. El método empleado requirió afinar los tiempos y concentraciones adecuadas para obtener laminillas de espesores nanométricos. La solución que se ha empleado en el ataque electrolítico es una mezcla de 5% en volumen de ácido perclórico y 95% de metanol. El mismo método se empleó para el acero proveniente de la industria. En ambos tipos se determinó la densidad de precipitados por unidad de área, empleando las imágenes de campo claro del MET y el analizador de imágenes para la cuantificación de tamaños. Para ello más de 300 partículas fueron localizadas, fotografiadas, medidas y registradas en un área representativa de 10 mm 2. En el acero de la industria se observó la presencia de una cantidad muy grande de partículas menores a 1 nm cuya cuantificación no se realizó porque son menores al límite de resolución de las escalas calibradas para el analizador (1 nm). Las densidades de partícula así determinadas se anotan en la Tabla 2. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Para los estudios micrográficos se prepararon diferentes probetas del acero microaleado de muy bajo contenido de carbono designado N3 y del acero proveniente de la industria. En la Tabla 2 se presentan los resultados obtenidos en el análisis micrográfico de los precipitados, en ambos tipos de aceros, tales como el intervalo de tamaños, la densidad de partículas, la forma, la cantidad y su localización. En general, la forma de los precipitados es similar en ambos tipos de acero. Sin embargo, el tamaño de los precipitados en los aceros N3 es mayor en comparación a los del acero de la industria, aunque la densidad de precipitados es mucho mayor en este último acero. Acero Laboratorio ( N3 ) Densidad, part./µm 2 25 Industria 42 Tabla 2. - Análisis micrográfico de los precipitados. Tamaño, nm Forma Cantidad Localización Poliédricos Redonda Cúbica Redonda Cúbica Ovalada Grande Media Pequeña Grande Grande Pequeña Matriz y límites de grano Matriz Matriz Matriz y límites de grano Matriz y límites de grano Matriz Acero N3 de laboratorio Los precipitados observados en el acero N3 son en general de formas poliédricas y redondas, localizados en la matriz y a lo largo de los límites de grano. Estos precipitados van desde los 20 a 180 nm y la densidad de partículas por µm 2 es de 25. En la figura 5 se muestran algunos precipitados típicos de las partículas de gran tamaño y algunas de las de dimensiones pequeñas. Los magnitudes más grandes corresponden a los de forma cúbica con vértices 129

6 Béjar, Hernández C., Mancilla y Hernández R. redondeados (100 a 180 nm). En cambio, las partículas más numerosas son las de forma poliédrica y redonda (20 a 100 nm), siendo 40 nm un tamaño promedio. Desde un punto de vista químico se trata de carburos de niobio puros. Sin embargo, las partículas más grandes mostraron la presencia de azufre y manganeso en la región central, por lo cual se puede pensar que el carburo precipitó por nucleación heterogénea sobre un sulfuro de manganeso. Esto también explica el gran tamaño de estos precipitados. Figura 5. Precipitados obtenidos en el aceros al niobio de laboratorio N3. Acero microaleado al niobio de la industria La morfología de estos precipitados varía de partículas redondas a cúbicas y ovaladas, de tamaños entre 10 y 150 nm. Sin embargo se pueden reconocer patrones para tales dimensiones: 10 y 30 nm (las más numerosas) y otras que varían entre 60 y 150 nm (en mucho menor cantidad). El aspecto de estas últimas es ovalado o semiredondas. La figura 6 muestra algunas partículas representativas tanto de dimensiones grandes como las pequeñas. Figura 6. Precipitados obtenidos en los aceros industriales. En algunas partículas grandes se realizaron análisis por EDX detectándose la presencia en sus centros de dos tipos de composiciones (Figura 7). Una primera clase de partículas reveló la existencia de silicio, calcio, aluminio y oxígeno al centro de las partículas y en la 130

7 Jornadas SAM - CONAMET - AAS 2001 periferia se detectó la presencia de niobio y carbono. Por la relación molar del análisis semicuantitativo por EDX se puede decir que son inclusiones del tipo calcio sílico aluminatos, lo cual está de acuerdo con el método de desoxidación empleado por la industria (inyección de alambre de calcio y adiciones de aluminio-silicio). El control de la forma y las dimensiones de las inclusiones no metálicas tan pequeñas sirvieron entonces para la nucleación heterogénea de los carburos de niobio durante la laminación en caliente. El segundo tipo de composiciones al centro de los precipitados es la presencia de titanio y carbono y en algunas partículas nitrógeno. Ello sugiere la existencia de centros de nucleación heterogénea de carburo de titanio, y aún más complejas como carbonitruro de titanio, aunque en las probetas examinadas no se encontró la presencia de nitruros de titanio «puros». a) b) Figura 7. Análisis por EDX de la región central de precipitados con presencia de centros de nucleación heterogénea. a) Ca, Si y Al. b) Ti y C. Acero industrial. La distribución de precipitados finos en el acero industrial se puede observar en la figura 6.a), donde muchas de esas partículas aparecen a lo largo de los límites de grano, indicando que su proceso de formación ocurrió en los últimos pasos de la laminación cuando la austenita se encontraba severamente deformada por el retraso en la recristalización estática que el niobio ocasiona en el acero [7]. Se sabe que la precipitación inducida por la deformación retrasa al fenómeno de la recristalización estática [8], por lo cual la precipitación inducida por la deformación es el mecanismo generador de tal tipo de partículas pequeñas. Además hay que señalar que el proceso de laminación directa se realiza a grandes velocidades. Por tanto es posible que las partículas menores a 1 nm hayan sido formadas durante la operación de enrollado de la lámina delgada, ya que se tienen las condiciones de temperatura (de enrollado) y de velocidad de enfriamiento (relativamente alta), bajo las cuales una cierta cantidad de niobio que ha podido permanecer en solución sólida a la salida del tren de acabado podrá precipitar de manera coherente con la matriz de ferrita. En estas condiciones, la temperatura de enrollado influye sobre el tipo de precipitados formados y, por tanto, sobre el endurecimiento por precipitación. Por la información del proceso, el enrollado se hizo a temperaturas menores a 600 C, por lo cual se tienen las condiciones para que el niobio en solución sólida haya precipitado de manera coherente formando partículas de dimensiones muy pequeñas. 131

8 Béjar, Hernández C., Mancilla y Hernández R. CONCLUSIONES La fabricación a nivel laboratorio de aceros con muy bajos contenidos de carbono sin y con microaleantes como el niobio, demuestra el estado de arte alcanzado en la manufactura bajo condiciones controladas de laboratorio de aleaciones con las cuales se pueden estudiar los distintos fenómenos que ocurren durante la laminación en caliente de los aceros. Los resultados obtenidos en este estudio nos permiten esbozar las siguientes conclusiones: 1. En ambos tipos de aceros se encontraron precipitados de carburo de niobio. 2. La forma de los precipitados en los aceros microaleados fabricados a nivel laboratorio son similares a los encontrados en la muestra de acero microaleado industrial. 3. Son aproximadamente 20 % mayores los precipitados fabricados en laboratorio que los de la industria. 4. La diferencia en tamaño de los precipitados encontrados en cada tipo de acero está relacionada con las temperaturas de acabado (en laminación) y las velocidades de enfriamiento de cada proceso. 5. Se observó que en ambos tipos de acero, la existencia de partículas como inclusiones no metálicas o precipitados de alto punto de fusión sirvieron como centros de nucleación heterogénea de los carburos de niobio, aunque la cantidad de estas partículas grandes es una fracción pequeña de las encontradas. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. L. Meyer, C. Strasburger, C. Schneider: "Effect and Present Application of the Microalloying Elements Nb, V, Ti, Zr and B in HSLA Steels". Proceedings of HSLA'85. Beijing, China. ASM-International , F. B. Pickering: "High-Strength, Low Alloy Steels-A Decade of Progress". Proceedings of Microalloying '75. Union Carbide. EUA. 9-31, J. H. WoodHead, S. R. Keown: " The History of Microalloyed Steels". Proceedings of HSLA '85, Beijing,China. ASM-International T. Gladman, D. Dulieu, I. D. McIvor: "Structure-Property Relationships in High-Strength Microalloyed Steels". Proceedings of Microalloying '75. Union Carbide. EUA , Z. Xiu-Mu, K. Guo-Qing, X. Dien-Pei: Microstructure and Mechanical Properties of HSLA Mn, Mo, V, N, Steel. Proceedings of HSLA '85. Beijing, China. ASM-International , L. A. Leduc L., J. M. Muñoz B.: Operational Experience Rolling Ultra Light Hot Strip. Iron Steelmaker. 25, 2, 25-32, S. F. Medina, J. E. Mancilla: Influence of alloying elements in solution on static recrystallization kinetics of hot deformed steels. ISIJ, International, 36, (8) , S. F. Medina, J. E. Mancilla: Static Recrystallization Modelling of Hot Deformed Microalloyed Steels at Temperatures below the Critical Temperature. ISIJ, International, 36, (8) ,