Un proceso para fabricar acero al carbono de alta resistencia,

dúctil y resistente a corrosión, comprendiendo dicho proceso: (a) calentar una composición de aleación a una temperatura suficientemente alta para formar una microestructura inicial que comprende una fase de austenita sustancialmente libre de martensita, teniendo dicha composición de aleación una temperatura de inicio de martensita de al menos aproximadamente 330 ºC, y que comprende del 0,03% al 0,35% de carbono, del 1,0% al 11,0% de cromo, al menos el 2,5% de manganeso, opcionalmente hasta el 2% en total de uno o más de níquel, cobalto, aluminio, nitrógeno, molibdeno, niobio, titanio y vanadio, opcionalmente del 0,1% al 3% de silicio y el resto hierro, junto con impurezas inevitables; (b) enfriar dicha microestructura inicial en condiciones que provocan la conversión de la misma en una microestructura intermedia de austenita, ferrita y carburos, comprendiendo dicha microestructura intermedia fases contiguas de austenita y ferrita con precipitados de carburo dispersados en dichas fases de ferrita, y sustancialmente sin precipitados de carburo en los límites de fase; y (c) enfriar dicha microestructura intermedia en condiciones que provocan la conversión de la misma a una microestructura final de martensita, austenita, ferrita y carburos, comprendiendo dicha estructura final regiones de martensita-austenita que consisten en redes de martensita alternadas con películas finas de austenita, regiones de ferrita contiguas con dichas regiones de martensita-austenita y precipitados de carburo dispersados en dichas regiones de ferrita, sin precipitados de carburo en las interfaces entre dichas redes de martensita y dichas películas finas de austenita, o en las interfaces entre dichas regiones de ferrita y dichas regiones de martensita-austenita.

Aleaciones de acero de cuatro fases de alta resistencia

Antecedentes de la invención

1. Campo de la invención Esta invención se refiere al campo de las aleaciones de acero, particularmente aquellas de alta resistencia, tenacidad, resistencia a la corrosión y ductilidad, y también a la tecnología del procesamiento de aleaciones de acero para formar microestructuras que proporcionan al acero sus propiedades físicas y químicas particulares.

2. Descripción de la técnica anterior

Las aleaciones de acero de alta resistencia y tenacidad, cuyas microestructuras son combinaciones de fases martensita y austenita, se describen en las siguientes patentes de Estados Unidos, y solicitudes de patente internacional publicadas, cada una de las cuales se incorpora a este documento por referencia en su totalidad:

4.170.497 (Gareth Thomas y Bangar y V.N. Rao) , expedida el 9 de octubre de 1979 sobre una solicitud presentada el 24 de agosto de 1977.

4.170.499 (Gareth Thomas y Bangar y V.N. Rao) , expedida el 9 de octubre de 1979 sobre una solicitud presentada el 14 de septiembre de 1978, como una continuación parcial de la solicitud anterior presentada el 24 de agosto de 1977.

4.619.714 (Gareth Thomas, Jae-Hwan Ahn y Nack-Joon Kim) , expedida el 28 de octubre de 1986 sobre una solicitud presentada el 29 de noviembre de 1984, como una continuación parcial de una solicitud presentada el 6 de agosto de 1984.

4.671.827 (Gareth Thomas, Nack J. Kim y Ramamoorthy Ramesh) , expedida el 9 de junio de 1987 sobre una solicitud presentada el 11 de octubre de 1985.

6.273.968 B1 (Gareth Thomas) , expedida el 14 de agosto de 2001 sobre una solicitud presentada el 28 de marzo de 2000.

6.709.534 B1 (Grzegorz J. Kusinski, David Pollack y Gareth Thomas) , expedida el 23 de marzo de 2004 sobre una solicitud presentada el 14 de diciembre de 2001.

6.746.548 (Grzegorz J. Kusinski, David Pollack y Gareth Thomas) , expedida el 8 de junio de 2004 sobre una solicitud presentada el 14 de diciembre de 2001. Documento WO 2004/046400 A1 (MMFX Technologies Corporation; inventores Grzegorz J. Kusinski y Gareth Thomas) , publicada el 3 de junio de 2004.

La microestructura desempeña un papel fundamental en el establecimiento de las propiedades de una aleación de acero particular, dependiendo la resistencia y tenacidad del acero no sólo de la selección y las cantidades de los elementos de aleación, sino también de las fases cristalinas presentes y su disposición en la microestructura. Las aleaciones destinadas para su uso en ciertos entornos requieren mayor resistencia y tenacidad, mientras que otras requieren también ductilidad. A menudo, la combinación óptima de propiedades incluye propiedades en conflicto entre sí, puesto que ciertos elementos de aleación, características microestructurales, o ambos, que contribuyen a una propiedad pueden quitarse mérito entre sí.

Las aleaciones descritas en los documentos enumerados anteriormente son aleaciones de acero al carbono que tienen microestructuras que consisten en redes de martensita alternadas con películas finas de austenita. En algunos casos, la martensita está dispersada con carburo precipitado producido por autotemplado. La disposición en la que las redes de martensita están separadas por películas finas de austenita se denomina “red dislocada” o simplemente estructura de “red”, y se forma calentando en primer lugar la aleación en el intervalo de austenita, enfriando después la aleación por debajo la temperatura de inicio de martensita Ms, que es la temperatura a la que la fase martensita empieza a formarse por primera vez. Este enfriamiento final lleva a la aleación a un intervalo de temperatura en el que la austenita se transforma en una estructura de red martensita-austenita, y va acompañado de un procesamiento metalúrgico convencional, tal como colada, tratamiento térmico, laminado y forjado, para conseguir la forma deseada de los productos y refinar la estructura de red como una disposición alterna de red y película fina. Esta estructura de red, preferentemente, es una estructura de martensita duplicada, puesto que la estructura alterna de red y película fina tiene mayor tenacidad. Las patentes describen también que el exceso de carbono en las regiones de martensita de la estructura precipita durante el proceso de enfriamiento para formar cementita (carburo de hierro, Fe3C) . Esta precipitación se conoce, como “autotemplado”. La patente '968 describe que el autotemplado puede evitarse limitando la elección de los elementos de aleación, de manera que la temperatura de inicio de martensita Ms sea de 350 ºC o mayor. En ciertas aleaciones, los carburos producidos por autotemplado se añaden a la tenacidad del acero, mientras que en otras, los carburos limitan la tenacidad.

La estructura de red produce un acero de alta resistencia que es tanto tenaz como dúctil, cualidades que son necesarias para resistencia a la propagación de grietas y para una capacidad de formación suficiente para permitir la fabricación exitosa de componentes mecanizados a partir del acero. Controlar la fase martensita para conseguir una estructura de red en lugar de una estructura duplicada es uno de los medios más eficaces para conseguir los niveles necesarios de resistencia y tenacidad, aunque las películas finas de austenita retenidas contribuyen a la ductilidad y la capacidad de formación del acero. Obtener la microestructura de red sin la estructura duplicada se consigue mediante una selección cuidadosa de la composición de la aleación, que a su vez afecta al valor de Ms, y mediante protocolos de enfriamiento controlados.

Otro factor que afecta a la resistencia y tenacidad del acero es la presencia de gases disueltos. Se sabe que el hidrógeno gaseoso, en particular, provoca fragilidad, así como una reducción en la ductilidad y la capacidad de soporte de carga. Se sabe que el agrietamiento y los fallos frágiles catastróficos ocurren a tensiones por debajo del límite elástico del acero, particularmente en aceros para tubería y aceros estructurales. El hidrógeno tiende a difundirse a lo largo de los límites de grano del acero, y a combinarse con el carbono en el acero para formar gas metano. El gas se retiene en pequeños huecos en los límites de grano, donde acumula la presión que inicia las grietas. Uno de los métodos mediante los cuales se retira el hidrógeno del acero durante el procesamiento es desgasificación al vacío, que típicamente se realiza sobre el acero en forma fundida a presiones que varían de aproximadamente 0, 13 kPa a aproximadamente 20 kPa. En ciertas aplicaciones, tales como aceros producidos en mini-trenes de laminado, las operaciones que implican hornos de arco eléctrico y operaciones que implican estaciones metalúrgicas con cucharón, la desgasificación al vacío del acero fundido no es económica, y se usa un vacío limitado o sin vacío. En estas aplicaciones, el hidrógeno se retira mediante un tratamiento de horneado con calor. Las condiciones típicas para el tratamiento son una temperatura de 300-700 ºC y un tiempo de calentamiento de varias horas, tal como doce horas. Esto retira el hidrógeno disuelto pero, desafortunadamente, provoca también la precipitación de carburo. Puesto que la precipitación de carburo es el resultado de la expulsión del carbono de las fases que están súper-saturadas con carbono, la precipitación ocurre en las interfaces entre las diferentes fases o entre los granos. Los precipitados en estas localizaciones reducen la ductilidad del acero y proporcionan sitios donde la corrosión se inicia fácilmente.

En muchos casos, la precipitación de carburos es muy difícil de evitar, particularmente puesto que la formación de acero multifásico necesariamente implica transformaciones de fase por calentamiento o enfriamiento, y el nivel de saturación de carbono en una fase particular varía de una fase a la siguiente. De esta manera, la baja ductilidad y la susceptibilidad a corrosión son a menudo problemas que no pueden controlarse fácilmente.

Sumario de la invención

Se ha descubierto ahora que los aceros al carbono fuertes, dúctiles, resistentes a corrosión, y los aceros de aleación con un riesgo reducido de fallo debido a precipitados de carburo, se fabrican mediante un proceso que incluye la formación de una combinación de regiones de ferrita y regiones de red de martensita-austenita (regiones que contienen redes de martensita alternadas con láminas finas de austenita) , con sitios de nucleación dentro de las regiones de ferrita para precipitación... [Seguir leyendo]

1. Un proceso para fabricar acero al carbono de alta resistencia, dúctil y resistente a corrosión, comprendiendo dicho proceso:

(a) calentar una composición de aleación a una temperatura suficientemente alta para formar una microestructura inicial que comprende una fase de austenita sustancialmente libre de martensita, teniendo dicha composición de aleación una temperatura de inicio de martensita de al menos aproximadamente 330 ºC, y que comprende del 0, 03% al 0, 35% de carbono, del 1, 0% al 11, 0% de cromo, al menos el 2, 5% de manganeso, opcionalmente hasta el 2% en total de uno o más de níquel, cobalto, aluminio, nitrógeno, molibdeno, niobio, titanio y vanadio, opcionalmente del 0, 1% al 3% de silicio y el resto hierro, junto con impurezas inevitables;

(b) enfriar dicha microestructura inicial en condiciones que provocan la conversión de la misma en una microestructura intermedia de austenita, ferrita y carburos, comprendiendo dicha microestructura intermedia fases contiguas de austenita y ferrita con precipitados de carburo dispersados en dichas fases de ferrita, y sustancialmente sin precipitados de carburo en los límites de fase; y

(c) enfriar dicha microestructura intermedia en condiciones que provocan la conversión de la misma a una microestructura final de martensita, austenita, ferrita y carburos, comprendiendo dicha estructura final regiones de martensita-austenita que consisten en redes de martensita alternadas con películas finas de austenita, regiones de ferrita contiguas con dichas regiones de martensita-austenita y precipitados de carburo dispersados en dichas regiones de ferrita, sin precipitados de carburo en las interfaces entre dichas redes de martensita y dichas películas finas de austenita, o en las interfaces entre dichas regiones de ferrita y dichas regiones de martensita-austenita.

2. El proceso de la reivindicación 1, en el que dichos precipitados de carburo tienen dimensiones más largas de aproximadamente 150 nm o menores.

3. El proceso de la reivindicación 1, en el que dichos precipitados de carburo tienen dimensiones más largas de aproximadamente 50 nm a aproximadamente 150 nm.

4. El proceso de la reivindicación 1, en el que dicha microestructura inicial comprende adicionalmente una fase de ferrita sustancialmente desprovista de precipitados de carburo, y cada una de dichas microestructuras intermedia y final comprende, adicionalmente, regiones de ferrita sustancialmente sin carburo.

5. El proceso de la reivindicación 1, en el que dicha microestructura inicial consiste en austenita.

6. El proceso de la reivindicación 1, en el que dicha composición de aleación tiene una temperatura de inicio de martensita de al menos aproximadamente 350 ºC.

7. El proceso de la reivindicación 1, en el que dicha microestructura inicial está desprovista de carburos.

8. El proceso de la reivindicación 1, en el que dichos elementos de aleación comprenden adicionalmente del 0, 1% al 3% de silicio.

9. Una aleación de acero al carbono que comprende de aproximadamente el 0, 03% al 0, 35% de carbono, del 1, 0% al 11, 0% de cromo, como máximo el 2, 5% de manganeso, opcionalmente hasta el 2% en total de uno o más de níquel, cobalto, aluminio, nitrógeno, molibdeno, niobio, titanio y vanadio, opcionalmente del 0, 1% al 3% de silicio y el resto hierro, junto con impurezas inevitables, teniendo dicha aleación de acero al carbono una microestructura que comprende regiones de martensita-austenita que consisten en redes de martensita alternadas con películas finas de austenita, regiones de ferrita contiguas con dichas regiones de martensita-austenita y precipitados de carburo dispersados en dichas regiones de ferrita, sin precipitados de carburo en las interfaces entre dichas redes de martensita y dichas películas finas de austenita, o en las interfaces entre dichas regiones de ferrita y dichas regiones de martensita-austenita.

10. El acero al carbono de aleación de la reivindicación 9, en el que dicha microestructura comprende, adicionalmente, regiones de ferrita sustancialmente desprovistas de precipitados de carburo.

11. El acero al carbono de aleación de la reivindicación 9, en el que dichas regiones de martensita-austenita están sustancialmente desprovistas de precipitados de carburo.

12. El acero al carbono de aleación de la reivindicación 9, en el que dichos elementos de aleación comprenden adicionalmente del 0, 1% al 3% de silicio.

13. El acero al carbono de aleación de la reivindicación 9, en el que dicha microestructura comprende granos de 10 micrómetros o menos de diámetro, comprendiendo cada grano una región de martensita-austenita y una región de ferrita contigua con dicha región de martensita-austenita.

14. El acero al carbono de aleación de la reivindicación 9, en el que dichos precipitados de carburo tienen dimensiones más largas de aproximadamente 150 nm o menores.

15. El acero al carbono de aleación de la reivindicación 9, en el que dichos precipitados de carburo tienen dimensiones más largas de aproximadamente 50 nm a aproximadamente 150 nm.