EFFECT OF PEARLITE GLOBULIZATION ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF MICROALLOYED STEELS FOR FLAT PRODUCTS

Jorge Tormo1 Silvana Schwartz.1

ABSTRACT Yield strength, ultimate tensile strength and elongation of microalloyed hot rolled strip, coiled at different temperatures were analyzed. High coiling temperatures promoted pearlite globulization, depending of the microalloying element involved (V, Nb, Ti). The determination of the loss in mechanical properties of the strip due to the globulization phenomena, let establish the aptitude for further use of the coil, once it is at ambient temperature. Having a knowledge on the evolution of mechanical properties is very importante, as a steel submitted to temperature and time typical of the hot rolling process, can have a loss of 2 to 6 Kg/mm2 in ultimate tensile strength, at longer exposures, due to the globulization of pearlite, depending on steel grade. Key words : mechanical properties, microalloyed steel, pearlite globulization, hot rolling.

(1) Instituto Argentino de Siderurgia, Av. Central y 19 Oeste, San Nicolás, Prov. de Buenos Aires, Argentina [email protected]

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EFECTO DE LA GLOBULIZACION DE LA PERLITA EN LAS PROPIEDADES FISICAS DE ACEROS MICROALEADOS EN PRODUCTOS PLANOS Jorge Tormo1 Silvana Schwartz.1

RESUMEN Se analizaron las propiedades mecánicas de tensiones de fluencia, tensión de rotura y alargamiento en aceros microaleados producidos en chapas laminadas en caliente bobinadas a distintas temperaturas. Las altas temperaturas de bobinado generan la globulización de la perlita, que varía con el elemento microaleante utilizado (V, Nb, Ti). La determinación de las caídas de propiedades mecánicas de los aceros por éste fenómeno de globulización, permite establecer la aptitud frente a la utilización posterior de la bobina, una vez que ésta se encuentre a temperatura ambiente. La determinación de la evolución de las propiedades mecánicas es muy importante, dado que un acero sometido a temperatura y tiempo de un proceso de laminación en caliente normal, puede llega a tener una diferencia en la tensión de rotura entre 2 y 6 Kg/mm2 menos, a la exposición más prolongada, por efecto de la globulización de la perlita, dependiendo del tipo de acero. Palabras clave: propiedades físicas, microaleados, globulización de la perlita, laminación en caliente.

1. INTRODUCCIÓN La perlita por definición [1] es un constituyente eutectoide formado por capas alternadas de ferrita y cementita. Puede ser gruesa, normal o fina, las características que las diferencian así son su distancia interlaminar promedio y sus durezas. Las características generales de resistencias y alargamiento son de 80 Kg/mm2 y de 15 % aproximadamente, respectivamente. Tanto los espesores de las láminas constitutivas de la perlita, la dureza, la resistencia y el alargamiento en un acero de bajo carbono, son valores que están en función de la temperatura de transformación, el tiempo de exposición a la misma y la velocidad de enfriamiento a la que es sometido el material. Con relación al espesor de las láminas constitutivas de la perlita, este varía según la temperatura de transformación, siendo este mayor cuanto más elevada es la temperatura de transformación; disminuyendo su distancia interlaminar, aumentando la dureza y haciéndose la estructura cada vez más fina al descender la temperatura de formación. Si la transformación se verifica a temperaturas inferiores, pero muy próximas a Ae1, como la duración de la transformación es muy larga, la cementita no adopta la clásica disposición laminar, sino que se presenta en forma globular, sobre todo si se han empleado temperaturas de austenitización muy próximas al punto Ac3 (eutectoide). [2] El objetivo de la determinación de las caídas de propiedades de los aceros por éste fenómeno de globulización, es poder establecer la aptitud de chapa laminada en caliente almacenada en forma de bobina. Esta forma de almacenamiento por su disposición está sometida a distintos gradientes de temperatura en el enfriamiento.

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2. METODO EXPERIMENTAL En la tabla 1 se detallan las composiciones químicas de los aceros utilizados en el presente estudio.

Al

Si

P

S

1.150

N2 ppm 69

0.034

0.146

0.009

0.002

0.137

1.165

50

0.032

0.155

0.016

0.003

0.150

1.126

59

0.032

0.14

0.013

0.005

Acero

C

Mn

V

0.147

Ti-Nb-C-Mn C

Ti

V

Nb

0.04 0.023

0.033

Tabla 1. Composición química de los aceros estudiados. Table 1. Chemistry of the studied steels.

Una vez seleccionados los materiales, muestreados, y construidas las probetas, se realizaron los tratamientos térmicos a 5 temperaturas (600ºC, 625ºC, 650ºC, 675ºC y 700 ºC), y tres diferentes tiempos (15´, 30´, y 60´) de permanencia en horno para cada una de las temperaturas. El horno utilizado para los tratamientos es calibrado para esta experiencia a partir de los 600ºC. Posee control automático de temperatura y se utiliza atmósfera de argón. Posteriormente se realizaron ensayos de tracción (E, R y alargamiento) y observaciones metalográficas. Las probetas de tracción se extrajeron de chapas laminadas en caliente, en el sentido longitudinal a la laminación. Las probetas se fabricaron según norma IRAM-IAS U500-102 con la única diferencia que en uno de sus extremos se hizo una prolongación de 5mm, para las posteriores observaciones metalográficas. Las probetas se redimensionaron, en su longitud, para la utilización en los ensayos físicos. Esta metodología, de prolongar las probetas para los T.T., se tomó para asegurar que los resultados de los ensayos físico correspondieran a las metalografías del mismo tratamiento térmico. El porcentaje de perlita y ferrita de la estructura y el porcentaje de perlita globulizada, se midió con un analizador de imágenes en microscopía óptica por relación de área. Los tamaños de grano perlíticos se determinaron con el mismo equipo calculando el área promedio de los granos y luego utilizando la norma ASTM E 112. 2.1 Procedimiento: Para cada temperatura, tiempo de exposición y material se procedió de la siguiente manera: 1Ingreso de la temperatura deseada en el controlador del horno. 2Una vez que el horno llegó a temperatura, se mantuvo 5´ el horno vacío para homogenizar temperaturas. 3Se colocó la muestra en el horno con atmósfera controlada durante el tiempo estipulado para cada ensayo (15, 30 ó 60 min). 4Se dejó enfriar en el horno hasta los 400ºC, siendo finalmente extraídas.

3. RESULTADOS En la tabla se detallan los resultados de los ensayos de tracción para el caso del acero microaleado con Nb - Ti. Se observan los resultados de fluencia (E), rotura (R) y alargamiento (A%). Se presenta en la primer columna (AR) los valores característicos de referencia para el material sin tratamientos térmicos y en condiciones de temperaturas de bobinado y de enfriamiento óptimas, con un grano perlítico totalmente laminar. En la figura 1 se presenta a modo de ejemplo la evolución de la tensión de rotura para los tres aceros analizados, en función de la temperatura de bobinado (en laboratorio, temperatura de horno). El tiempo de permanencia es de 60 minutos.

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C, Mn AR 15 min 30 min 60 min Ti, Nb E R A% E R A% E R A% E R A% 700ºC 52 63 31 49 58 31 50 61 31 49 60 31 675ºC 51 62 32 51 60 31 51 59 29 52 58 31 650ºC 52 63 33 51 60 32 51 60 31 51 60 33 625ºC 51 63 27 52 62 33 52 61 31 54 61 30 600ºC 51 62 34 52 62 32 52 62 31 54 63 30 2 Tabla 2. Resultados de acero al Niobio - Titanio - Manganeso. E y R en kg/mm . Table 2. Results of Nb-Ti-Mn steel. UTS and YS in kg/mm2 .

Tensión de rotura [Kg/mm2]

Evolución de R. Acero al Nb-Ti-C-Mn 63 62 61 60 59 58

575

600

625

650

675

700

725

700

725

Temperatura [ºC]

Tensión de rotura [Kg/mm2]

Evolución de R. Acero al V 56 55 54 53 52 51 50 49 575

600

625

650

675

Temperatura [ºC]

Tensión de rotura [Kg/mm2]

Evolución de R. Acero al C 52,0 51,0 50,0 49,0 48,0 47,0

575

600

625

650

675

700

725

Temperatura[ºC]

Figura 1. Evolución de tensión de rotura en función de la temperatura de bobinado para distintos aceros ensayados Figure 1. Evolution of Ultimate Tensile Strength depending on coiling temperature for Nb-Ti-C-Mn, V and C steels. En la figura 2 se muestra el aumento de la caída de resistencia del acero al vanadio. A medida que aumenta la temperatura de ensayo y el tiempo de permanencia en horno disminuye la tensión de rotura. 14th IAS Rolling Conference, 2002, San Nicolas, Argentina

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8,0 7,0

15 min

Resistencia [Kg/mm2]

6,0

30 min

5,0

60 min

4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 -1,0 575

600

625

650

675

700

725

Temperatura [ºC]

Figura 2. Evolución de la caída de la resistencia del acero al V, en función de la temperatura y el tiempo. Figure 2. Evolution of UTS loss for V-microalloyed steel, depending on temperature and time.

Los valores del gráfico salieron de la diferencia entre la tensión de rotura del material en condiciones de laminación en caliente standard, con un grano perlítico totalmente laminar y los valores de tensión para cada caso de tiempo y temperatura en horno. Estos valores fueron analizados para todos los aceros en estudio en productos planos laminados en caliente y terminados en bobinas. Estudios similares se realizaron en barras[3], en donde el objeto es encontrar las ecuaciones constitutivas que nos permitan predecir las propiedades mecánicas. En ese estudio la perlita estaba generalmente laminar. En la tabla 5 se muestran los valores de tamaño de grano y los porcentajes de perlita laminar sobre la perlita total para el caso del acero microaleado con V. Se continuará el estudio en los productos largos y planos para la obtención de ecuaciones constitutivas que contemplen la perlita en proceso de globulización. [4] . Acero Vanadio As Rolled 15 min 30 min 60 min

al 700ºC % 14.2 15.7 4.8 1.7

Tg 9.2 10.9 8.9 10.9

675ºC % Tg

650ºC %

Tg

17.1 18.3 16.2

20.4 17.3 15.8

9.2 8.7 10.1

8.1 8.6 9.4

625ºC % 18.2 18.2 18.6

Tg 8.1 8.6 7.9

600ºC % 17.7 17.9 17.6

Tg 8.3 7.8 8.1

Tabla 5. Evolución del tamaño de grano y porcentaje de perlita laminar del acero al Vanadio Table 5. Evolution of grain size and percentage of laminar pearlite of V microalloyed steel.

En la figura 2 se presentan las estructuras resultantes de las muestras, de un mismo material, expuestas a las 5 temperaturas durante 15 minutos en horno.

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.600 ºC 15 min

625 ºC 15 min

675 ºC 15 min

650 ºC 15 min

700 ºC 15 min

Figura 2. Estructura metalográfica de muestras de un mismo acero sometidas a cinco temperaturas diferents, durante 15 minutos. Figure 2. Metallographic structure of the same steel submitted to five different temperatures during 15 minutes.

4. DISCUSION Y CONCLUSIONES En los aceros estudiados se puede observar que a medida que las temperaturas y los tiempos de los tratamientos térmicos fueron aumentando se produjo, como era de esperar, una disminución en los valores de las resistencias y un aumento moderado en la ductilidad. Este fenómeno se puede relacionar con la disminución del porcentaje de perlita laminar, conjuntamente al aumento del tamaño de grano. El fenómeno de globulización, además de estar directamente relacionado con la temperatura de inicio de transformación y el tiempo en el cual el acero estuvo expuesto a la misma, se encuentra ligado a la composición química del material (microaleantes, porcentajes de C, Mn, etc.). Es importante determinar la evolución de E y R, debido a que en un mismo acero expuesto a una misma temperatura por más tiempo se puede encontrar una diferencia en la tensión de rotura de alrededor de 2 a 6 Kg/mm2 en los aceron analizados. A mayor tiempo de exposición e igual temperatura bajan los valores de tensión por la globulización de la perlita. En el caso de igual tiempo de exposición, y temperatura de 700 ºC, se observan caídas de hasta 7 Kg/mm2 para el acero que contiene V y de 4/5 Kg/mm2 para el acero al Nb-Ti-C-Mn. En ambos casos los tiempos en horno son de 60 minutos. En todos los casos a la temperatura de 700ºC se hallaron valores que se deberían analizar a la luz de fenómenos físicos como precipitación y engrosamiento de la estructura. Este estudio junto con el análisis de perlita globulizada forma parte de la continuación de este trabajo con el fin de establecer los parámetros de las ecuaciones constitutivas en condiciones de material globulizado.

REFERENCIAS [1] José Apraiz. Tratamientos Térmicos de los Aceros. Ed Dossat. Madrid 1958. [2] Albert Guy. Physical Metallurgy. Ed Addison-Wesley. Massachusetts. 1965. [3] Tormo/Schwartz/Raposo. Determinación de las Propiedades de Barras de Aceros para Hormigón Mediante Simulación por Torsión en Caliente. 2000 [4] Juan L. Zuliani, Metalurgia de los procesos de laminación (aceros al carbono y microaleados), Bs. As. 1988.

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