Acero bainítico 38MnV6, procedimiento de obtención y uso.

La presente invención se refiere a un acero bainítico caracterizado porque comprende:

-carbono: 0,38 +- 0,03

- manganeso: 1,50+-0,05

-vanadio: 0,11 +-0,02

siendo las cantidades expresadas como % en peso respecto al peso total,

al procedimiento de obtención de piezas con dicho acero y al uso del mismo en la fabricación de componentes, especialmente para la industria de la automoción.

Acero bainítico 38MnV6, procedimiento de obtención y uso.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al campo de los materiales de construcción y fabricación de componentes en industrias como la del automóvil, en concreto a la obtención de nuevos aceros.

ESTADO DE LA TÉCNICA

La bainita es una microestructura compuesta por placas finas y alargadas de ferrita y partículas de cementita. Hay varias clase de bainita, pero las más importantes serían la “bainita superior”, la “bainita inferior” y la “ferrita acicular” o “bainita intragranular” (H.K.D.H. Bhadeshia, Bainite in Steels, Inst. of Materials, London, (1992) , 245-292.) . Los tres tipos de bainita ofrecen similares valores de la resistencia, pero diferentes valores de la tenacidad. La ferrita acicular requiere especiales condiciones para su obtención, por lo que el problema en aceros de gran resistencia se limita a la formación de la bainita superior e inferior, respectivamente. La bainita inferior muestra mejor tenacidad que la bainita superior debido a que el paquete bainítico tiene un tamaño menor que en la bainita superior y sobre todo porque las partículas de cementita precipitan también dentro de las placas ferríticas y por tanto son más finas y dispersas que en la bainita superior.

La bainita inferior se obtiene sometiendo a la muestra (pieza) a un tratamiento de austenización seguido de un tratamiento isotérmico a temperaturas inferiores a Bs -temperatura de comienzo de la transformación bainítica y superiores a Ms -temperatura de comienzo de la transformación martensítica.

El menor tamaño de los carburos en la bainita inferior se debe a que la austenita residual es más pobre en carbono y por tanto menos estable. En consecuencia, la austenita retenida (sin transformar) será menor en la bainita inferior que en la superior.

La bainita superior se obtiene normalmente por transformación en enfriamiento continuo desde la temperatura de austenización a velocidades que eviten la transformación martensítica y la perlítica, respectivamente, y la bainita inferior, como se ha dicho anteriormente, por transformación isotérmica. Sin embargo, el porcentaje de carbono es crucial para obtener una u otra microestructura. En aceros con contenidos de carbono comprendidos entre 0.32% y 0.40%, se pueden obtener los dos tipos de bainita. Por debajo de 0.32% no es posible obtener bainita inferior y por encima de 0.40% no es posible obtener bainita superior. Por otra parte, como la cantidad de carburos aumenta proporcionalmente con el %C, es conocido que por encima de un 0.40%C la tenacidad disminuye mucho, aunque la resistencia sea buena. En definitiva, es conocido que para fabricar un acero bainítico de alta resistencia y tenacidad aceptable el acero no debe tener más de un 0.40% de carbono.

Se conocen expresiones empíricas que predicen con buena aproximación las temperaturas Bs y Ms en función de la composición química y esto ayuda a diseñar los tratamientos isotérmicos (W. Steven A. J. Haynes, The Temperature of Formation of Martensite and Bainite in Low Alloy Steelss, Journal of Iron and Steel Institute, 183 (1956) 349-359.) .

Actualmente hay pocos aceros bainíticos de alta resistencia en el mercado. Los aceros TRIP (Transformation Induced Plasticity) son en realidad aceros de microestructura mixta-ferrita, bainita y martensita- de bajo o medio carbono y de resistencia media-alta. Los aceros completamente bainíticos de alta resistencia son los de tipo 35MnV7 y 42MnV7, el primero de una resistencia de aproximadamente 1000MPa y el segundo de 1200MPa, con tenacidad es relativamente bajas comprendidas entre 20 y 25 J. Estos aceros llevan un contenido de V de 0.12%, C comprendido entre 0.34 y 0.38% y Mn alrededor de 1.8%. El papel del V en los aceros es formar precipitados tipo V (C, N) , que endurecen la microestructura aumentando la resistencia y el límite elástico a través de un doble efecto, por una parte afinando la microestructura y por otra dificultando el movimiento de las dislocaciones

(S. Zajac, T. Siwecki, W. B. Hutchinson, R. Lagnebord, Strengthening Mechanisms in V-Microalloyed Steels Entended for long Products, ISIJ Internacional 38 (1998) 1130-1139; R. Lagnebord, T. Siwecki, S. Zajack, B. Hutchinson, The Role of Vin Microalloyed Steels, The Scandinavian Journal of Metallurgy, 28 (1999) 186-241) .

Tanto en la bainita superior como en la inferior, los límites entre las láminas de ferrita de un mismo paquete son límites de bajo ángulo, que son obstáculos para el movimiento de dislocaciones pero no para la propagación de la grieta. Sin embargo, los límites entre paquetes bainíticos son de alto ángulo, que impiden la propagación de la grieta. Los mecanismos de endurecimiento que son operativos en la bainita son bien conocidos: Pequeño tamaño del paquete bainítico, pequeño espesor de las láminas ferríticas, alta densidad de dislocaciones y número de partículas de carburo (Fe3C) . (F.B. Pickering, Physical Metallurgy and the Design of Steels, Science Publishers Ltd, London (1978) 66-78) .

Se ha comprobado que los elementos microaleantes como Nb, Ti, V aumentan el límite elástico y la resistencia debido a las partículas nanométricas que precipitan, tanto inducidas por la deformación (laminación, forja) o bien durante el tratamiento térmico (L. Rancel, M. Gómez, S.F. Medina, Influence of microalloying elements (Nb, V, Ti) on Yield Strength in Bainitic Steels, Steel Research Int., 79 (2008) 947-953; R.W.K. Honeycombe,

H.K.D.H. Bhadeshia, Steels Microstructure and Properties, Metallurgy and Materials Science Series, Ed. Edgard Arnold 1995; T, Gladman, The Physical Metallurgy of Microalloyed Steels, Ed. T.N. Baker, The Institute of Materials, London 1997) .

Las partículas de cementita son frágiles y tienden a romper como consecuencia del apilamiento de dislocaciones cuando la pieza es sometida a tensión. Si las partículas son finas, como ocurre en la bainita inferior, la grieta es más pequeña y no se transmite fácilmente a las láminas ferríticas (H.K.D.H. Bhadeshia, Worked Examples in the Geometr y of Cr y stals, 2ª Edition, Institute of Materials, London, 2001) .

Así como en los aceros ferríticos, la tenacidad está relacionada especialmente con el tamaño del grano, la composición del acero y las partículas de segunda fase, en los aceros bainíticos la tenacidad está controlada por el tamaño del paquete bainítico o mejor aún con la unidad de trayectoria de grieta (UPC) medida con la técnica EBSD. El tamaño de UPC es menor que el del paquete bainítico ya que es medido con un ángulo de desorientación menor de 15º (P. Brozzo et al, Microestructure and Cleavage Resistance of Low Carbon Bainitic Steels, Metal Science, 11 (1977) 123-129) . Otros estudios determinan también que la fractura por clivaje, relacionada con la tenacidad, es controlada como se ha dicho anteriormente, por los carburos y que su tamaño y distribución son muy importantes (K. Wallin, T. Saario, K. Torronen, Statistical Model for Carbides Induced Brittle Fracture in Steel, Metals Science, 16 (1984) : 13-16) .

Comparaciones realizadas entre aceros de microestructura perlítica y bainíticos con aplicación a la fabricación de raíles, mostraron la superioridad de estos últimos, no sólo en dureza, límite elástico y resistencia, sino también en tenacidad a la fractura (KIC) alcanzándose un valor de 1, 5 veces superior (H.A. Aglan et al. Mechanical and Fracture Behaviour of Bainite Rail Steel, Journal of Materials Processing Technology, 151 (2004) 268-274) . Finalmente, se ha comprobado que en los aceros con microaleantes (V, Ti, Nb) el porcentaje de Al convendría que fuese menor de 0.010% (S. F. Medina and M. Chapa: Ti/Al interaction and austenite grain control in crankshaft manufacturing with steel 38MnSiVS5, Steel Research International, 77 (2006) 712-719) .

Un acero que está en el mercado con la misma denominación es un acero de la empresa Saarstahl – también llamado acero 38MnV6 con la siguiente composición:

No obstante, el acero de la empresa Saarstahl tiene algo más de carbono (0.38-0.42) y en realidad se debería llamar 40CMnV6, ya que el primer número debe indicar...

1. Acero bainítico caracterizado porque comprende:

- carbono: 0, 38 ± 0, 03

- manganeso: 1, 50± 0, 05

- vanadio: 0, 11 ±0, 02 siendo las cantidades expresadas como % en peso respecto al peso total.

2. Acero bainítico según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende:

- carbono: 0, 38

manganeso: 1, 50 vanadio: 0, 11

3. Acero bainítico según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque comprende además:

aluminio < 0, 010 siendo las cantidades expresadas como % en peso respecto al peso total.

4. Acero bainítico según una de las reivindicaciones 1, 2 ó 3, caracterizado porque comprende además: silicio: 0, 25±0.05 nitrógeno: 0, 0150-0, 0200

siendo las cantidades expresadas como % en peso respecto al peso total.

5. Acero bainítico según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende:

- carbono: 0, 38=± 0.03

manganeso: 1, 50± 0.05 vanadio: 0, 11 ±0.02

silicio: 0, 25±0.05

fósforo: menos de 0, 010 azufre <0, 025 aluminio< 0, 005 nitrógeno: 0, 0150-0, 0200

siendo las cantidades expresadas como % en peso respecto al peso total.

6. Procedimiento para obtener una pieza con el acero definido en la reivindicación 1, caracterizado porque comprende:

- a) fabricación de un semiproducto, preferentemente en forma de barras,

- b) fabricación de la pieza a partir del semiproducto de la etapa a) , y que comprende llevar a cabo al menos un tratamiento isotérmico.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque la etapa b) comprende: enfriar a temperatura ambiente e iniciar los siguientes tratamientos isotérmicos: calentamiento a una temperatura de entre 800ºC y 850ºC, enfriamiento rápido hasta una temperatura comprendida entre 350ºC y 370ºC, y mantenimiento a esta temperatura para obtener la transformación bainítica, seguido de enfriamiento al aire.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque el calentamiento es a 820ºC y dura 30 minutos por cada 2, 5 cm de espesor de la pieza.

9. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque la etapa b) comprende: enfriar rápidamente la pieza hasta una temperatura comprendida entre 350ºC y 370ºC y mantenimiento a esta temperatura para obtener la transformación bainítica, seguido de enfriamiento al aire.

Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque comprende además una etapa de revenido a una temperatura de entre 500ºC y 600ºC.

11. Uso del acero definido en la reivindicación 1 en la fabricación de componentes para la industria.

12. Uso del acero definido en la reivindicación 1 en la fabricación de componentes, preferentemente, para la industria de automoción.

13. Componente para la industria de automoción, caracterizado porque comprende acero como el definido en una de las reivindicaciones 1 a 5.