CONAMET/SAM 2006

FABRICACIN Y CARACTERIZACIN DE ACEROS MICROALEADOS EMPLEADOS EN LA TRANSPORTACIN DE HIDROCARBUROS

L. Bjar-Gmez1, A. Medina-Flores2, I. Alfonso2, I. Meja2, M. Prez 1, M. Saavedra2. 1Facultad de Ingeniera Mecnica, UMSNH, Edificio W, Ciudad Universitaria, Morelia, Michoacn.

58000. Mxico. 2Instituto de Investigaciones Metalrgicas, UMSNH, Edificio U, Ciudad Universitaria, Morelia,

Michoacn. 58000. Mxico. e-mail: lbgomez@zeus.umich.mx, ariosto@jupiter.umich.mx,

Tel-Fax- (52) 443-3162934 RESUMEN En este trabajo de investigacin se tienen como objetivos fabricar aceros microaleados con niobio y titanio a nivel experimental, mediante un horno de induccin elctrico y determinar sus propiedades mecnicas en base a las normas y estndares internacionales. Estos aceros se desarrollan para aplicarse en tuberas que deban de conducir hidrocarburos. La composicin qumica de los aceros tiene un contenido de carbono menor a 0.1%, microaleados con niobio y titanio en donde los contenidos de estos elementos son entre 0.03 y 0.05%. Adems se le adicionaron elementos como manganeso, silicio, nquel, cobre y cromo. Los aceros microaleados se sometieron a un tratamiento termomecnico de homogenizacin de 1250 C, con un inicio de deformacin que se realiz a una temperatura de 1180C, reduciendo el material de 65 a 13 mm de espesor y a una temperatura final de laminacin de aproximadamente 950C. En los aceros microaleados se analiza el efecto que tienen sobre las propiedades mecnicas, los elementos microaleantes. Los aceros se ensayaron mecnicamente de acuerdo a la norma E-8 de la ASTM, obteniendo valores de resistencia a la cadencia de 324 a 458 Mpa y de resistencia a la tensin de 410 a 512 Mpa. Estos valores fueron analizados y comparados con respecto a los requeridos por la serie API X60 para tubera. Muestras de acero se prepararon por pulido y atacado para la realizacin de un anlisis microestructural en donde se observaron estructuras del tipo ferrtico-perltico de grano fino.

1. INTRODUCCION Los aceros de alta resistencia son producto de una tecnologa en la que se adicionan elementos de micro aleacin y se procesa termomecnicamente el acero dando como resultado un material con mejores propiedades, dado que se controla la microestructura del acero. Los elementos de microaleacin se requieren en pequeas concentraciones y son formadores de carburos y carbonitruros. Con el tratamiento termomecnico, el acero es recalentado a temperaturas mximas de 1250C y luego laminado a alta temperatura, deformando el acero mediante una serie de pasadas hasta que la temperatura disminuye a valores mayores a 750C. Los elementos microaleantes reaccionan con elementos como el carbono, el nitrgeno y el azufre, que siempre estn presentes en el acero. Aun a relativamente bajas temperaturas su afinidad induce a la precipitacin de fases. A temperaturas elevadas, es decir, en el rango austentico, los compuestos tienden a disolverse parcial o totalmente en la matriz del acero. La disolucin y la precipitacin son fundamentales en las propiedades del acero. Aunque se presente el endurecimiento por precipitacin de finos carbonitruros, los cambios subestructura les de las mezclas de austerita-ferrita en el rolado en caliente tambin contribuyen a la resistencia de los aceros.. La microestructura final que resulta es de pequeos granos ferrticos y favorecen la mejora de las propiedades del acero como son resistencia a la tensin u al impacto, Refs. (1)(2). En la fabricacin de aceros para tuberas que transportan productos derivados del petrleo, propiedades como la resistencia y la tenacidad se deben de mejorar, por esto, el objetivo de este trabajo es fabricar mediante fundicin y tratamiento termomecnico aceros microaleados y determinar sus propiedades mecnicas de resistencia a la tensin y dureza, a fin de establecer si el acero se puede o no aplicar en tuberas, de acuerdo con las normas de la API (American Petroleum Institute).

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y RESULTADOS Los aceros microaleados fueron fabricados por fundicin en un horno elctrico de induccin de 25 Kg. de capacidad, en lingotes de 60x70x300 mm. La potencia del horno se elev hasta alcanzar una temperatura de 1600C para fundir y tener en estado lquido el acero. Cuando la temperatura se estabiliza, el acero se desoxid con aluminio. En el mismo horno, se hizo la adicin de manganeso, silicio y cobre. Los elementos microaleantes se adicionaron durante el vaciado del acero en las lingoteras. Los aceros tuvieron la composicin

qumica que se presenta en al Tabla 1. Los lingotes que se obtuvieron de la fundicin se cortaron en secciones de 60x70x200 mm para someterlos a tratamiento termomecnico en una laminadora de 50 Tons de capacidad. Los lingotes se recalentaron a una temperatura de 1180C por un tiempo de dos horas, para luego laminarlos a una temperatura inicial de 1145C, reducir el espesor de 60 a 13 mm a una temperatura final de 1018 C, obteniendo placas con una dimensin de 65x180x13 mm, posteriormente se enfriaron al aire, Fig. 1.

Los aceros microaleados en forma de placa fueron ensayados mecnicamente de acuerdo con la norma E-8 ASTM (American Society For Testing Materials), para los ensayos de tensin. Los resultados de este ensayo se presentan en la Tabla 2. Tambin se determin la dureza de los aceros y sus valores se presentan en la Tabla 3. Finalmente se hizo un estudio metalogrfico por microscopa ptica para identificar su microestructura, las que se ilustran en las Figs. 2-3.

3. DISCUSION DE RESULTADOS

Considerando la Tabla 1, se puede hacer una comparacin de las composiciones qumicas de los aceros microaleados A y B, en relacin a elementos como el carbono, manganeso, silicio, cromo, nquel, molibdeno y los microaleantes como el vanadio y titanio. El acero A es un acero microaleado con 0.055% de vanadio y titanio, 0.1% de carbono, 0.66% de manganeso, 0.06% de cromo, 0.04% de nquel, 0.03% de cobre y 0.06 de molibdeno. Sus propiedades mecnicas fueron; 324 Mpa de resistencia a la cadencia y 410 Mpa de resistencia a la tensin con una elongacin del 38%, Tabla 2. Considerando la composicin qumica del acero B, microaleado con V y Ti y comparando sta con la del e acero A, se observa que el contenido de carbono se disminuye a 0.07%, que el manganeso se increment a 1.05%, el cromo y el nquel se mantienen casi igual, el contenido de molibdeno baja a 0.018%. El cobre y el aluminio tambin aumentaron, sobre todo el cobre. Con estos incrementos en la composicin qumica del acero, tambin increment su resistencia. La resistencia a la cadencia a 381 Mpa, la resistencia a la tensin a 462 Mpa, mejorando tambin la elongacin con un 28%.

La mejora de la resistencia pone de manifiesto la importancia que tienen algunos elementos como son el manganeso, el cobre y el aluminio, adems de los microaleantes. La dureza de los aceros muestra lo descrito al incrementar de 70 HBR, a 82 HBR, para los aceros A y B, respectivamente.

El incremento de la resistencia del acero, tanto de la resistencia a la cedencia como la mxima resistencia a la tensin se presenta debido al efecto que cada elemento contribuye segn su contenido.

Elementos como el niobio en el acero B endurece el acero por precipitacin de los carburos y carbonitruros que forma en la interfase de la austerita y ferrita, pero adems refina el tamao de grano. As tambin en este mismo acero tenemos el efecto del manganeso que incrementa la resistencia por endurecimiento en solucin slida, adems de que refina el grano de la ferrita durante la laminacin, (1). Otras contribuciones las hacen el cromo, nquel y molibdeno pero en proporciones muy pequeas. En el acero B la resistencia se incremento principalmente por los efectos del titanio debido al endurecimiento por precipitacin y refinamiento de grano. Tambin por los efectos combinados de elementos como el molibdeno principalmente, fortaleciendo la ferrita por la formacin de carburos muy duros, en cantidades de 0.4% su efecto sobre la resistencia es muy notable, Refs. (3,4,5).

Las microestructuras de los aceros microaleados se pueden analizar en las figuras 2 y 3. Son estructuras de tipo ferrtico perltico.

4. CONCLUSIONES a). Los procesos de fundicin y tratamiento termomecnico se pueden aplicar para fabricar aceros microaleados con vanadio, niobio o titanio, que aplicados en contenidos adecuados en la composicin qumica del acero mejoran sus propiedades.

b). El incremento de la resistencia del acero B se debi principalmente a la influencia del manganeso, as mismo su resistencia se increment por la influencia del titanio como microaleante, pero tambin por el contenido de molibdeno y el efecto combinado del nquel, cobre.

c). Las microestructuras de los aceros microaleados son de tipo ferritico, aciculares y de grano fino. Se comprueba el efecto combinado que tuvo el tratamiento termomecnico y la aplicacin de elementos microaleantes y otros como el nquel. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo y las facilidades otorgadas por la Universidad Michoacana de San Nicols de Hidalgo y al Instituto de Investigaciones Metalrgicas, para la realizacin de este trabajo.

REFERENCIAS

1.- Lutz Meyer, Cristian StraBburger, Christoph Schneider, Effect and Present Aplication of the Microalloying Elements Nb, V, Ti, Zr and B in HSLA Steels, HSLA Steels: Metallurgy and

Applications, Proceeding of an Internacional Conference on HSLA Steels85, Nov., 1985, Beijing, China.

2.- Morris Cohen, S.S. Hansen, On the Fundamental of HSLA Steels, Proceeding of an International Conference on HSLA Steels: Metallurgy and Application, HSLA Steels85, Nov., 1985, Beijing, China.

3.- W.J. Liu, S. Yue and J.J. Jonas,Characterization of Ti Carbosulfides Precipitation in Ti Microalloyed Steel, Metallurgical Transaction, ASM, 1989.

4.- S.K. Mishra, S. Ranganathan, S.K. Das and Samar Das, Investigation on Precipitation Characteristics in a High Strength Low Alloy (HSLA) Steel, Scripta Materialia, Vol. 39, No. 2, 1998.

5.- W.B. Lee, S.G. Hong, C.G. Park, K.H. Kim and S.H. Park, Influence of Mo on Precipitation Hardening in Hot Rolled HSLA Steels Containing Nb, Scripta Materialia, Vol. 43, 2000.

Tabla 1.- Composicin qumica de los aceros microaleados.

Elemento Acero A Acero B

C 0.10 0.07 Mn 0.66 1.05 Si 0.08 0.14 Cr 0.06 0.018 Ni 0.05 0.19 Mo 0.06 0.42 V 0.02 0.01 Ti 0.035 0.022 Cu 0.035 0.27

Tabla 2.- Resultados del ensayo de dureza

Acero Dureza Rockwell B

A 70 B 82

Figura 1.- Diagrama del tratamiento termomecnico.

ACERO A, 200X

ACERO A, 500X

Fig. 2 Microestructura del acero microaleado A, (0.05% V+Ti), nital 5%

ACERO B, 200X

ACERO B, 500X

Fig. 3 Microestructura del acero microaleado B (0.032 V+Ti), nital 5%