ES2212483T3 - Acero inoxidable austenitico para la obtencion principalmente de hilo. - Google Patents
Acero inoxidable austenitico para la obtencion principalmente de hilo.Info
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Abstract
ACERO INOXIDABLE AUSTENITICO PARA LA OBTENCION DE HILOS QUE PUEDE UTILIZARSE EN EL CAMPO DEL TREFILADO CON DIAMETRO INFERIOR A 0,3 MM Y EN EL CAMPO DE LA REALIZACION DE PIEZAS SOMETIDAS A LA FATIGA, CARACTERIZADO POR LA SIGUIENTE COMPOSICION PONDERAL: - 5.10-3% INFERIOR O IGUAL A CARBONO INFERIOR O IGUAL A 200 . 10 -3% - 5.10-3% INFERIOR O IGUAL A NITROGENO INFERIOR O IGUAL A 400 . 10 -3% - 0,2% INFERIOR O IGUAL A MA NGANESO INFERIOR O IGUAL A 10% - 12% INFERIOR O IGUAL A CROMO INFERIOR O IGUAL A 23% - O,1% INFERIOR O IGUAL A NIQUEL INFERIOR O IGUAL A 17% - 0,1% INFERIOR O IGUAL A SILICIO INFERIOR O IGUAL A 2% - 40% INFERIOR O IGUAL A SIO 2 INFERIOR O IGUAL A 60% - 5% INFERIOR O IGUAL A MNO INFERIOR O IGUAL A 50% - 1% INFERIOR O IGUAL A CAO INFERIOR O IGUAL A 30% - 0% INFERIOR O IGUAL A MGO INFERIOR O IGUAL A 4% - 5% INFERIOR O IGUAL A AL SUB,2 O 3 INFERIOR O IGUAL A 25% - 0% INFERIOR O IGUAL A C R 2 O 3 INFERIOR O IGUAL A 4% - 0% INFERIOR O IGUAL ATIO 2 INFERIOR O IGUAL A 4%.
Description
Acero inoxidable austenítico para la obtención
principalmente de hilo.
La presente invención se refiere a un acero
inoxidable austenítico para la fabricación principalmente de un
hilo, que tiene una propiedad inclusionaria adaptada para su
utilización en el campo del trefilado de hilo de diámetro inferior a
0,3 mm y en el dominio de la realización de piezas sometidas a
fatiga.
Se denominan aceros inoxidables las aleaciones de
hierro que contienen al menos 10,5% de cromo. También entran en la
composición de los aceros otros elementos para modificar su
estructura y sus propiedades.
Los aceros inoxidables austeníticos tienen una
composición determinada. La estructura austenítica esta asegurada
después de la transformación por un tratamiento térmico de tipo
hipertemple.
Desde el punto de vista metalúrgico se sabe que
ciertos elementos de aleación que entran en la composición de los
aceros favorecen la aparición de la fase ferrita de estructura
metalográfica de tipo cúbico centrado. Estos elementos se denominan
alfágenos. Entre ellos figuran cromo, molibdeno y silicio.
Otros elementos denominados gammágenos favorecen
la aparición de la fase austenita de estructura metalográfica de
tipo cúbico de caras centradas. Entre estos elementos figuran
carbono, nitrógeno, manganeso, cobre y níquel.
En el campo por ejemplo del trefilado se sabe que
para obtener un hilo de diámetro inferior a 0,3 mm, denominado fino,
el acero inoxidable no debe comprender inclusiones cuyo tamaño
genere la rotura del hilo en el momento del trefilado.
En la fabricación de estos aceros inoxidables
austeníticos, como en todos los otros aceros elaborados con medios
convencionales y económicamente adaptados a la producción en masa,
la presencia de inclusiones de tipo sulfuros u óxidos es
sistemática irremediable. En efecto, los aceros inoxidables pueden,
en estado líquido, contener en solución, debido a los procesos de
fabricación, contenidos en oxígeno y azufre inferiores a 1000 ppm.
En el curso del enfriamiento del acero en estado líquido o sólido,
disminuye la solubilidad de los elementos oxígeno y azufre y se
alcanza la energía de formación de los óxidos o de los sulfuros. Se
asiste entonces a la aparición de inclusiones formadas, por una
parte, por compuestos de tipo óxidos, que contienen átomos de
oxígeno y elementos de aleación ávidos de reaccionar con el oxígeno,
tales como calcio, magnesio, aluminio, silicio, manganeso, cromo y,
por otra parte, de compuestos de tipo sulfuros, que contienen átomos
de azufre, y elementos de aleación ávidos de reaccionar con el
azufre, tales como manganeso, cromo, calcio, magnesio. Igualmente
pueden aparecer inclusiones que son compuestos mixtos de tipo
oxisulfuro.
Es posible reducir la cantidad de oxígeno
contenido en el acero inoxidable utilizando reductores potentes,
tales como magnesio, aluminio, calcio, titanio o una combinación de
uno o varios de entre ellos, pero todos estos reductores conducen a
la creación de inclusiones ricas en MgO, Al_{2}O_{3}, CaO ó
TiO_{2} que están en la forma de productos refractarios
cristalizados, duros e indeformables en las condiciones de
laminación del acero inoxidable. La presencia de estas inclusiones
genera incidentes, por ejemplo en el trefilado y roturas por fatiga
en los productos elaborados con el acero inoxidable.
Se conoce la solicitud de patente francesa FR
9504782 (EP-A-738783) que se refiere
a un acero inoxidable austenítico para la obtención de hilo que
puede ser utilizado en el campo del trefilado y en el campo de la
obtención de piezas sometidas a fatiga.
Se ha comprobado que el acero inoxidable descrito
no presentaba, de una manera general, en función de diferentes
composiciones, prestaciones fiables tanto desde el punto de vista
del número de roturas en el trefilado como desde el punto de vista
de resistencia a la fatiga. En otras palabras, las composiciones de
acero descritas en la solicitud de patente de la técnica anterior no
dan todas una completa satisfacción, debido principalmente a la
definición mucho más amplia del dominio inclusionario.
Se ha puesto de manifiesto, una zona cerrada en
el dominio inclusionario, definida por intervalos de contenidos de
elementos residuales específicos que aseguran prestaciones óptimas y
fiables principalmente, en el trefilado y la fatiga.
La invención, definida en la reivindicación 1,
tiene por objeto la obtención de un acero inoxidable austenítico que
tiene una propiedad inclusionaria seleccionada, pudiendo emplearse
dicho acero en el dominio del trefilado para diámetro inferior a 0,3
mm y en dominio de la obtención de piezas sometidas a fatiga.
La invención tiene por objeto un acero inoxidable
austenítico de la composición ponderal siguiente:
- 5.10^{-3}% \leq carbono \leq 200.
10^{-3}%
- 5.10^{-3}% \leq nitrógeno \leq 400.
10^{-3}%
- 0,2 % \leq manganeso \leq 10%
- 12% \leq cromo \leq 23%
- 0,1% \leq níquel \leq 17%
- 0,1% \leq silicio \leq 2%
en el cual los elementos residuales están
controlados de manera
que:
- 0% \leq azufre \leq 100.10^{-4}%
- 40.10^{-4}% \leq oxígeno total \leq
120.10^{-4}%
- 0% < aluminio < 5. 10^{-4}%
- 0% \leq magnesio \leq 0,5. 10^{-4}%
- 0% < calcio \leq 5.10^{-4}%
- 0% \leq titanio \leq 4.10^{-4}%
- impurezas inherentes a la fabricación,
y en el cual las inclusiones de óxidos tienen, en
forma de de mezcla vítrea, las proporciones ponderales
siguientes:
- 40% \leq SiO_{2} \leq 60%
- 5% \leq Mn \leq 50%
- 1% \leq CaO \leq 30%
- 0% \leq MgO \leq 4%
- 5% \leq Al_{2}O_{3} \leq 25%
- 0% \leq Cr_{2}O_{3} \leq 4%
- 0% \leq TiO_{2} \leq 4%
satisfaciendo los óxidos de los cuales están
formadas las inclusiones la relación
siguiente:
%Cr_{2}O_{3} + % TiO_{2} +
%MgO <
10%
Las otras características preferidas de la
invención son:
- la composición de acero comprende menos de
50.10^{-4} de azufre.
- la composición de acero comprende además menos
de 3% de molibdeno.
- la composición de acero comprende además menos
de 4% de cobre.
La descripción que sigue y las figuras anexas,
dado todo a modo de ejemplo no limitativo permitirá comprender bien
la invención.
Las Figuras 1 y 2 presentan respectivamente una
imagen de un ejemplo de inclusión poco deformada, espesa y una
imagen de un ejemplo de inclusiones contenidas en un acero según la
invención.
El acero según la invención contiene en su
composición ponderal de 5.10^{-3}% a 200.10^{-3}% de carbono, de
5.10^{-3}% a 400.10^{-3}%de nitrógeno, de 0,2% a 10% de
manganeso, de 12% a 23% de cromo, de 0,1% a 17% de níquel, de 0,1% a
2% de silicio, y en particular elementos residuales controlados de
tal manera que su composición ponderal sea la siguiente: más de 0% a
100.10^{-4}% de azufre, de 40.10^{-4}% a 120.10^{-4}% de
oxígeno total, más de 0% a 5.10^{-4}% de aluminio, de 0% a
0,5.10^{-4}% de magnesio, más de 0% a 5.10^{-4}% de magnesio,
más de 0% a 5.10^{-4}% de calcio, de 0% a 4.10^{-4}% de
titanio.
- impurezas inherentes a la fabricación,
y en la cual las inclusiones de óxidos tienen, en
forma de mezcla vítrea, las proporciones ponderales siguientes:
- 40% \leq SiO_{2} \leq 60%
- 5% \leq Mn \leq 50%
- 1% \leq CaO \leq 30%
- 0% \leq MgO \leq 4%
- 5% \leq Al_{2}O_{3} \leq 25%
- 0% \leq Cr_{2}O_{3} \leq 4%
- 0% \leq TiO_{2} \leq 4%
satisfaciendo los óxidos de los cuales están
formadas las inclusiones la relación
siguiente:
%Cr_{2}O_{3} + % TiO_{2} +
%MgO <
10%
El carbono, nitrógeno, cromo, níquel, manganeso,
y silicio son los elementos habituales que permiten obtener un acero
inoxidable austenítico.
Los contenidos de manganeso, cromo, azufre, en
proporción se eligen para generar sulfuros deformables de
composición bien determinada.
Los intervalos de composición de los elementos
silicio y manganeso, en proporción, aseguran según la invención, la
presencia de inclusiones de tipo silicato, ricas en SiO_{2} una
cantidad no despreciable de MnO.
El molibdeno puede añadirse a la composición del
acero inoxidable austenítico para mejorar la resistencia a la
corrosión, con un contenido máximo de 3%.
El cobre puede añadirse igualmente a la
composición del acero según la invención porque mejora las
propiedades de deformación en frío y por ello, estabiliza la
austenita. Sin embargo, el contenido de cobre está limitado a 4%
para evitar dificultades de transformación en caliente porque el
cobre disminuye sensiblemente el límite superior de temperatura de
calentamiento del acero antes de laminación.
Los intervalos de oxígeno total, aluminio y
calcio, permiten, según la invención, obtener inclusiones de tipo
silicato de manganeso que contienen una fracción no nula de
Al_{2}O_{3} y de CaO. El aluminio y el calcio contenidos en la
composición del acero aseguran, en las inclusiones investigadas, la
presencia de más 1% de CaO y más de 5% de Al_{2}O_{3}.
Los valores de contenidos de oxígeno total según
la invención están comprendidos entre 40 ppm y 120 ppm.
Para un contenido de oxígeno total inferior a 40
ppm, el oxígeno fija los elementos magnesio, calcio, aluminio, y no
forma inclusiones de óxidos ricos en SiO_{2} y MnO.
Para un contenido en oxígeno total superior a 120
ppm, habrá en la composición de los óxidos más de 4% de
Cr_{2}O_{3}, lo que favorece la cristalización que se desea
evitar.
El contenido de calcio es inferior a 5.10^{-4}%
de modo que las inclusiones buscadas no contienen más de 30% de
CaO.
El contenido de aluminio es inferior a
5.10^{-4}% para evitar que las inclusiones deseadas contengan más
de 25% de Al_{2}O_{3}, lo cual favorece igualmente una
cristalización no deseada.
Después de haber obtenido, según un procedimiento
convencional y económico, un acero que contiene inclusiones de tipo
óxido y sulfuro, es concebible refinarlo para hacer desaparecer
estas inclusiones utilizando procedimientos de refusión lentos y
poco rentables económicamente, tales como los procedimientos de
refusión bajo vacío (denominados en inglés Vacuum Argon
Remelting) o de refusión bajo escoria (Electro Slag
Remelting)
Estos procedimientos de refusión no permiten
eliminar más que parcialmente, por decantación en el charco de
líquido, las inclusiones ya presentes sin modificar ni su naturaleza
ni su composición.
La invención se refiere pues a un acero
inoxidable austenítico que contiene inclusiones de composición
elegida obtenida voluntariamente, estando relacionada la composición
de dichas inclusiones con la composición global del acero, de tal
modo que las propiedades físicas de estas inclusiones favorecen su
deformación durante la transformación en caliente del acero.
Según la invención el acero inoxidable
austenítico contiene inclusiones de composición determinada que
tienen su punto de reblandecimiento próximo a la temperatura de
laminación del acero y son tales que está inhibida la aparición de
cristales más duros que el acero a la temperatura de laminación,
como es el caso de los compuestos definidos a continuación:
SiO_{2}, en forma de tridimita, cristobalita, cuarzo;
3CaO-SiO_{2}; CaO; MgO; Cr_{2}O_{3}; anortita,
mulita, gehlenita, corindon, espinela del tipo
Al_{2}O_{3}-MgO ó
Al_{2}O_{3}-Cr_{2}O_{3}-MnO-MgO;
CaO-Al_{2}O_{3};
CaO-6Al_{2}O_{3};
CaO-2Al_{2}O_{3}; TiO_{2}.
Según la invención el acero contiene
principalmente inclusiones de óxido de composición tal que forman
una mezcla vítrea o amorfa durante todas las operaciones sucesivas
de conformación del acero. La viscosidad de las inclusiones elegidas
es suficiente para que esté totalmente inhibido el crecimiento de
las partículas cristalizadas de óxidos en las inclusiones
resultantes de la invención debido al hecho de que, en una inclusión
de óxidos, la difusión a corta distancia es pequeña y los
desplazamientos por convección son muy limitados. Estas inclusiones
que permanecen vítreas en el dominio de temperaturas de tratamiento
en caliente del acero presentan igualmente una dureza y un módulo de
elasticidad más débiles que las inclusiones cristalizadas de
composición correspondiente. Así las inclusiones todavía pueden ser
deformadas, aplastadas y alargadas, durante la operación por ejemplo
de trefilado, y está fuertemente disminuida la concentración de las
tensiones en las proximidades de las inclusiones, lo que atenúa de
modo importante el riesgo de aparición, por ejemplo de fisuras de
fatiga o roturas durante el trefilado.
Según la invención el acero inoxidable
austenítico contiene inclusiones de óxidos de composición definida,
tal que su viscosidad en el campo de temperaturas de laminación en
caliente del acero no sea demasiado elevada. Por esto la tensión de
vertido de la inclusión es netamente más débil que la del acero en
las condiciones de laminación en caliente cuyas temperaturas están
generalmente comprendidas entre 800ºC y 1350ºC. Así las inclusiones
de óxidos se deforman al mismo tiempo que el acero durante la
laminación en caliente y por tanto después de la laminación, estas
inclusiones son perfectamente alargadas, y de muy pequeño espesor,
es decir inferior a 5 ó 10 micrómetros, lo que permite evitar
cualquier problema de rotura, por ejemplo, en una operación de
trefilado.
Las inclusiones descritas anteriormente se
obtienen, según la invención con los medios de elaboración clásicos
y muy productivos de una acería eléctrica para aceros inoxidables,
tales como horno eléctrico, convertidor AOD o VOD, metalurgia en
cuchara y colada continua.
Con los procedimientos clásicos de obtención y de
colada, descritos anteriormente, la distribución por tamaños de las
inclusiones sobre el producto bruto es relativamente independiente
de su composición. Por tanto, después de la laminación en caliente,
se encuentran en los aceros los mismos tamaños y la misma
distribución de inclusiones.
Las inclusiones de óxidos anteriores que
presentan las propiedades favorables descritas están compuestas,
según la invención, por una mezcla vítrea de SiO_{2}, MnO, CaO,
Al_{2}O_{3}, MgO, Cr_{2}O_{3}, TiO_{2} y eventualmente,
trazas de FeO, en las proporciones ponderales siguientes:
40% \leq SiO_{2} \leq 60%
5% \leq Mn \leq 50%
1% \leq CaO \leq 30%
0% \leq MgO \leq 4%
5% \leq Al_{2}O_{3} \leq 25%
0% \leq Cr_{2}O_{3} \leq 4%
0% \leq TiO_{2} \leq 4%.
Si el contenido de SiO_{2} es inferior a 40%,
la viscosidad de las inclusiones de óxidos es muy débil y el
mecanismo de crecimiento de los cristales de óxido no está inhibido.
Si SiO_{2} es superior a 60% se forman partículas nocivas muy
duras de sílice en forma de tridimita o de cristobalita o de
cuarzo.
El contenido de MnO, comprendido entre 5% y 50%
permite disminuir fuertemente el punto de reblandecimiento de la
mezcla de óxidos que contienen principalmente SiO_{2}, CaO,
Al_{2}O_{3} y favorece la creación de inclusiones que permanecen
en un estado vítreo en las condiciones de laminación del acero según
la invención.
Cuando el contenido de CaO es superior a 30% se
forman cristales de CaO-SiO_{2}
(Ca,Mn)O-SiO_{2}.
Para un contenido de MgO superior a 4% se forman
cristales de MgO, 2MgO-SiO_{2};
MgO-SiO_{2}; Al_{2}O_{3}-MgO
que son fases extremadamente duras.
Si Al_{2}O_{3} es inferior a 5%, se forman
cristales de wollastonita y cuando Al_{2}O_{3} es superior a
25%, aparecen cristales de mullita, de anortita, de corindón, de
espinelas principalmente del tipo
Al_{2}O_{3}-Cr_{2}O_{3}-MgO-MnO
o incluso aluminatos del tipo 6CaO-6Al_{2}O_{3}
o CaO-2Al_{2}O_{3}, o ghelenita.
Con más de 4% de Cr_{2}O_{3} aparecen
igualmente cristales duros de Cr_{2}O_{3} o
Al_{2}O_{3}-Cr_{2}O_{3}-MgO-MnO,
CaO-Cr_{2}O_{3},
MgO-Cr_{2}O_{3}. Según una forma de la invención
el contenido en azufre debe ser inferior o igual a 50.10^{-4}%
para obtener inclusiones de sulfuro cuyo espesor no sobrepase 5
\mum en el producto laminado. En efecto, las inclusiones de tipo
sulfuro de manganeso y de cromo son perfectamente deformables en las
condiciones de la invención.
Las inclusiones de tipo óxido y sulfuro se
consideran generalmente nefastas para las propiedades de empleo en
trefilado de hilo final y para la resistencia a la fatiga,
principalmente en flexión y/o torsión. Es usual caracterizar, la
concentración de las inclusiones de tipo óxido y sulfuro, por la
observación de una corte pulido en sentido longitudinal de
laminación en un hilo mecanizado laminado en caliente de diámetro
comprendido entre 5 y 10 mm. Se denomina propiedad inclusionaria el
resultado de esta caracterización realizada según diferentes normas
en función de la utilización final.
Para una inclusión observada en corte pulido de
hilo laminado, se mide su longitud y su espesor, y después se define
un factor de forma que es el cociente entre la longitud y el
espesor. Para una inclusión que está muy bien deformada en el curso
de las operaciones de laminación, el factor de forma es en general
muy elevado, es decir que puede llegar a 100 y más. En consecuencia,
el espesor de la inclusión es extremadamente pequeño. Por el
contrario, una inclusión que no se deforme o experimente una débil
deformación está caracterizada por un factor de forma poco elevado,
es decir del orden de 1, pues el espesor de la inclusión permanece
elevado y del mismo orden de magnitud que el tamaño de la inclusión
original en el producto bruto de colada. En consecuencia, en la
descripción que sigue, se mantiene como criterio de caracterización
sencillo y eficaz para las propiedades de empleo del hilo laminado,
el espesor de cada inclusión observada sobre el hilo laminado.
Las figuras 1 y 2 presentan respectivamente en un
corte pulido, sentido longitudinal del hilo laminado de diámetro 5,5
mm un ejemplo de inclusiones muy gruesas y poco deformadas y un
ejemplo de inclusiones finas y muy bien deformadas contenidas en el
acero según la invención.
La Figura 1 presenta un ejemplo de inclusiones
muy gruesas y poco deformadas puesto de manifiesto en un hilo
laminado de 5,5 mm de diámetro.
La Figura 2 presenta un ejemplo de inclusiones
muy bien deformadas puesto de manifiesto en un hilo laminado de 5,5
mm de diámetro.
Estas últimas inclusiones no presentan nocividad
frente a aplicaciones de trefilado fino para obtener hilos de
diámetro inferior a 0,3 mm o de piezas sometidas a fatiga, tales
como muelles o refuerzos de neumáticos.
Se ha puesto de manifiesto que el conjunto de las
composiciones, no satisfacen de manera fiable las características
aceptables para la obtención de hilo y para piezas sometidas a
fatiga. Según la selección de las composiciones, tanto en lo que
respecta a los elementos residuales como a las composiciones de las
inclusiones después de la elaboración del acero se definen los
criterios de calidad inclusionaria.
El titanio, magnesio y azufre están presentes en
cantidades residuales y podrían no estar contenidos en la
composición del acero y en consecuencia, en la composición de las
inclusiones.
Las Tablas 1 y 2 siguientes presentan aceros que
muestran la influencia de la composición del acero y de la
composición de las inclusiones de óxidos sobre la aptitud para el
trefilado y la resistencia a la fatiga. Se eligió la composición de
base siguiente denominada composición de trabajo.
| %C | 0,072 |
| %N | 0,052 |
| %Si | 0,771 |
| %Mn | 0,736 |
| %Cr | 18,522 |
| %Ni | 8,773 |
| %Mo | 0,210 |
| %Cu | 0,310 |
La Tabla 1 presenta composiciones de acero
consideradas de calidad mediocre en el dominio de la aptitud para el
trefilado y resistencia a la fatiga. La Tabla 2 presenta
composiciones de acero según la invención que tienen una propiedad
inclusionaria que genera una notable calidad en los dos dominios en
cuestión.
Claims (4)
1. Acero inoxidable austenítico para la obtención
de hilo que puede utilizarse en el campo del trefilado con diámetro
inferior a 0,3 mm y en el campo de la obtención de piezas sometidas
a fatiga, caracterizado por la composición ponderal
siguiente:
- 5.10^{-3}% \leq carbono \leq 200.
10^{-3}%
- 5.10^{-3}% \leq nitrógeno \leq 400.
10^{-3}%
- 0,2 % \leq manganeso \leq 10%
- 12% \leq cromo \leq 23%
- 0,1% \leq níquel \leq 17%
- 0,1% \leq silicio \leq 2%
siendo el resto hierro e impurezas inherentes a
la fabricación, en el cual los elementos residuales están
controlados de manera
que:
- 0% \leq azufre \leq 100.10^{-4}%
- 40.10^{-4}% \leq oxígeno total \leq
120.10^{-4}%
- 0% < aluminio < 5. 10^{-4}%
- 0% \leq magnesio \leq 0,5. 10^{-4}%
- 0% < calcio \leq 5.10^{-4}%
- 0% \leq titanio \leq 4.10^{-4}%
y en el cual las inclusiones de óxidos tienen, en
forma de de mezcla vítrea, las proporciones ponderales
siguientes:
- 40% \leq SiO_{2} \leq 60%
- 5% \leq Mn \leq 50%
- 1% \leq CaO \leq 30%
- 0% \leq MgO \leq 4%
- 5% \leq Al_{2}O_{3} \leq 25%
- 0% \leq Cr_{2}O_{3} \leq 4%
- 0% \leq TiO_{2} \leq 4%
satisfaciendo los óxidos de los cuales están
formadas las inclusiones la relación
siguiente:
%Cr_{2}O_{3} + % TiO_{2} +
%MgO <
10%
2. Acero según la reivindicación 1,
caracterizado porque su composición menos de 50.10^{-4}% de
azufre.
3. Acero según la reivindicación 1,
caracterizado porque su composición comprende además menos de
3% de molibdeno a expensas del hierro.
\newpage
4. Acero según la reivindicación 1,
caracterizado porque su composición comprende además menos de
3% de cobre a expensas del hierro.
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