Tratamiento Termico Aceros Inoxidables Austeniticos

8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

LA PRECIPITACIÓN DE CARBUROS INTERGRANÍTICOS Y SU EFECTO EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE UN ACERO INOXIDABLE AUSTENÍTICO TIPO 310 Jesús García L.*, Villa y Rabasa G, Hernández Gómez L. H., Castillo Sánchez M. *ESIME U. Azcapotzalco, IPN. **Sección de Estudios E studios de Posgrado e Investigación, ESIME U. Zacatenco. IPN. Avenida IPN s/n, Unidad Profesional Adolfo López Mateos, edificio 5, tercer piso, Departamento de Mecánica, Colonia Lindavista, CP 07738, México, D. F. Teléfono (55) 57 29 60 00, Extensión: 54745, E-mail: avinfer @hotmail.com

RESUMEN El objetivo del presente trabajo es analizar el cambio en las propiedades mecánicas de un acero inoxidable resistente al calor. La investigación se llevo acabo sometiendo al acero a un tiempo de permanencia dentro de un horno durante periodos de 300, 600, 900 y 1200 horas a una temperatura de 780ºC. A partir de los resultados experimentales obtenidos, podemos afirmar que el comportamiento del acero inoxidable austenítico se comportará como un material frágil. frágil. Se observaron carburos precipitados en los límites límites de grano del tipo M 23C6 y M7C3. Se observo que el límite de fluencia tiende a aumentar, lo que indica que el material es frágil en los bordes de grano, la caracterización se realizo mediante microscopia óptica, pruebas mecánicas y difractogramas.

PALABRAS CLAVES Austeníta, carburos, difractogramas, fluencia, fragilidad

INTRODUCCIÓN Los aceros inoxidables resistentes al calor tienen una amplia aplicación por sus propiedades en la industria alimenticia, química, farmacéutica, petroquímica y otros usos. Las características del acero inoxidable son impartidas  por el cromo y algún otro elemento como el níquel. En algunos aceros inoxidables, la inoxidabilidad o pasividad es impartida solamente por la adición del cromo. A través de los tratamientos térmicos del acero inoxidable resistente al calor tipo 310, se pueden obtener estructuras duras mediante el efecto del calor y enfriamiento al agua, esperándose una precipitación masiva de carburos y una variación de dureza, ya que la temperatura establecida y los intervalos de tiempo a los cuales se somete el material son elevados, obteniéndose así estructuras duras, impartiéndose así a este acero una resistencia a la fluencia [1, 2, 3, 4]. Debido a la importancia de este fenómeno de cómo afecta la temperatura al acero, que ocasiona fuertes pérdidas económicas a la industria petroquímica en la falla de sus tuberías y equipos, se realizó la investigación de este acero,  para proponer las mejores condiciones de uso. Como el acero sufrirá cambios estructurales por las condiciones establecidas en esta investigación, se alterará de alguna manera el comportamiento mecánico, lo que se determinará mediante las pruebas realizadas, las cuales fundamentarán los resultados obtenidos. La muestra de este acero inoxidable, se obtuvo de una tubería de conducción de hidrocarburos, el cual se clasifica como un acero inoxidable de alta temperatura austenítico por su contenido de cromo y níquel como elementos  principales de aleación y cuya composición química por norma es la siguiente (tabla 1): Tabla 1, análisis químico del acero, obtenido por vía húmeda

MUESTRA

C Mn % %

Si %

P %

MO Cr Ni RESTO % % % %

ACERO 1.6 1.22 1.46 0.015 0.048 24 18 AUSTENITICO

Fe

Precipitación de carburos Esto sucede debido al contenido de carbono, en el rango que establece la norma AISI, para los aceros inoxidables austeníticos resistentes al calor. El carburo predominante es el M 23C6, y con una alta concentración de carbono, y se tiene un segundo carburo que es el M 7C3. La precipitación de carburos ocurre en un rango de temperatura de 550950°C. En general, los carburos con alta energía se forman a altas temperaturas. La tabla 2, muestra los diferentes tipos de carburos. El uso de diversos tipos de carburos obedece a la necesidad de incrementar la resistencia a la abrasión y fricción, su resistencia al disolverse a altas temperaturas dan estabilidad estructural y control al crecimiento de grano austenítico [5, 6].

Limites de grano en la precipitación Cuando el acero es enfriado y se precipita en los límites de grano las partículas de M 23C6, los defectos lineales desaparecen. Sin embargo, algunos autores [7, 8, 9] afirman que en los límites de grano la precipitación del M 23C6 se realiza por un proceso de difusión en los límites de grano de la austeníta. Una baja temperatura en la precipitación del M23C6, produce que en los límites de grano, el carburo tenga una apariencia delgada. Con el incremento de la temperatura cerca de 600 - 700°C, estas partículas delgadas se transforman en dendritas. Conforme pasa el tiempo la estructura de las dendritas se va complicando. Es decir a altas temperaturas los límites de grano del carburo se transforman en partículas geométricas discretas, donde su forma depende de la orientación de sus límites [10].

Precipitación intergranular Ocurre sobre las dislocaciones de los granos en la matriz. En algunos casos se forman una especie de fibras sobre las dislocaciones. Estos precipitados crecen y en la unión de ellos se producen rupturas en los cordones principales. Durante el transcurso del tiempo de calentamiento, hay precipitación de M 23C6 ocurre sobre la mayoría de las dislocaciones. El crecimiento preferencial de la precipitación a lo largo del plano se ve favorecido por la disponibilidad de las vacancias a lo largo de las interfaces. Durante la última fase las partículas crecen como láminas

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triangulares a lo largo de las orillas del límite de grano y finalmente se precipita el carburo M 23C6 . La nucleación del carburo M23C6 ocurre sobre los límites de grano en las aleaciones saturadas de austeníta. Casualmente se forman laminillas muy delgadas de M 23C6 en direcciones paralelas al plano gemelo (tabla 2). Primero sobre las dislocaciones de la matriz y sobre el límite gemelo incoherente [8, 9, 10]. Tabla 2. Tipos y estructura de los carburos

TIPO DE

ESTRUCTURA

OBSERVACIONES

CARBURO M23C6 M7C3 M3C

FCC

Tipo Cr 3C6 presente en los aceros al cromo, provee carburos junto con el fierro. Incluye carburos a base de tungsteno y molibdeno.

Es un producto de revenido y se usa para eliminar la austeníta retenida en HEXAGONAL aceros rápidos que se halla en aceros al cromo, resultante de la disolución a alta temperaturas. Tipo Fe3C. Puede ser formado con manganeso, cromo, tungsteno, molibdeno ORTORROMBICO y vanadio en pequeñas cantidades.

MC

FCC

Tipo VC ó V 4C3, se forman carburos con vanadio , resistentes a la disolución a altas temperaturas; precipitan en revenidos dobles y son usados para alta resistencia a temperaturas elevadas al desgaste, y evitan el crecimiento del grano.

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL El experimento considero 5 muestras, las cuales se mantuvieron en el horno a temperatura constante y diferente tiempo de permanencia, las condiciones de trabajo y las pruebas realizadas se resumen en la tabla numero 3. Tabla 3, condiciones experimentales y pruebas realizadas.

NUMERO DE MUESTRA Original 1 2 3 4

TEMPERATURA TIEMPO EN EL HORNO (°C) (HRS) 20 0 780 300 780 600 780 900 780 1200

PRUEBAS REALIZADAS Tensión, Dureza, Microscopia óptica, Difracción de rayos X y Análisis químico.

RESULTADOS EXPERIMENTALES a). Ensayo de tensión. La tabla 4, muestra los resultados obtenidos de las curvas Esfuerzo - Deformación de las muestras, obtenidos del ensayo de tensión: Tabla 4. Resultados obtenidos del ensayo de tensión

MUESTRA (HORAS) Original 300 600 900 1200

CARGA MÁXIMA (N) 88,598.112 46,585.98 56,432.068 44,273.61 56,097.44

LIMITE DE CEDENCIA (Mpa) 365.503 251.479 261.825 269.771 341.559

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El material presenta una disminución, en la carga máxima y el limite de cedencia, con respecto a la muestra original, esto es debido a que el material presenta una fragilidad por su alto contenido de Cromo y Níquel, además que está expuesto a tiempos largos de permanencia dentro del horno, este material puede presentar un precipitado rico en cromo en su estructura, la cual es cúbica centrada en el cuerpo, lo cual demuestra que hay cambios en la estructura y así mismo de sus propiedades, las cuales están asociadas a la fragilidad. La fragilidad que presenta el acero ocurre por el calentamiento a una alta temperatura (780ºC), esto es posible debido a la precipitación de la fase sigma.

b). Ensayo de dureza La tabla 5, muestra la dureza tomadas en las muestras originales y tratadas térmicamente. Tabla 5. Dureza obtenida después del tratamiento

TIEMPO (HORAS) ORIGINAL 300 600 900 1200

DUREZA (BRINELL) 289.5 260.0 255.8 262.8 261.7

ROCKWELL-C 28.5 24.0 23.0 24.4 24.0

Graficando los resultados, podemos observar que la dureza del material original, varía cuando las muestras son calentadas a diferentes tiempos, dicha dureza tiende a disminuir en las muestra calentadas, esto quiere decir que el material se fragiliza, por el efecto del calor, el tiempo de permanencia y las condiciones de enfriamiento realizado (figura 1). 295 290    ) 285   s   a 280   r   o    h 275    (   o 270   p   m   e 265    i    T 260

255 250 0

300

600

900

1200

Dureza Vickers

Figura 1. Gráfica de dureza contra tiempo obtenida. En la grafica se observa que la dureza es casi semejante una de otra con respecto a la muestra original, y la diferencia es de 5 a 6 puntos, los cuales aparentemente no afectan la microestructura del material. c). Análisis Microscópico Las micrografías presentadas, muestran los cambios estructurales del acero inoxidable. En la figura 2, tomada con microscopio óptico, se muestra la estructura original del acero previo a los tratamientos, se observa una estructura equiaxial de matriz austenítica con carburos de cromo intercristalinos en los límites de grano.

4

Figura 2. Muestra original del acero. Óptico 400x. En la figura 3, se observa el crecimiento de la austeníta retenida y la precipitación de carburos, emigrando al  borde del grano, comenzando a diluirse estos en forma laminar. En la figura 4, se observan los carburos tipo M 6C y M23C6.

Figura 3. Austeníta retenida. SEM. 400X

Figura 4. Tipos de carburos. SEM. 2000X

En la figura 5, observar que los carburos obtenidos se diluyen demasiado en forma de láminas de perlita, en los límites de grano. En la figura 6, La micrografía muestra la austeníta sufre un cambio, observándose el carburo del tipo M23C6.

Figura 5. Carburos diluidos. SEM. 400X

Figura 6. Carburos M 23C6. SEM. 2000X

5

d). Difractometría Los difractogramas obtenidos, permiten determinar los tipos de cristales que corresponden a cada uno de los picos que lo componen, considerando que el acero inoxidable austenítico tipo 310, esta compuesto principalmente de estructura del tipo: Austeníta, Ferrita y carburos del tipo: M 6C, M7C3 y M23C6 [11, 12]. Para realizar el cálculo de las distancias interplanares, se utilizo la ley de Bragg, Los resultados obtenidos de las fases presentes en los difractogramas del acero inoxidable austenítico, se muestran en la tabla 6. Tabla 6. Resultados obtenidos de las distancias interplanares. MUESTRA

No. PICO 1 ORIGINAL 2 3 1 300 HRS 2 3 1 600 HRS 2 3 1 900 HRS 2 3 1 1200 HRS. 2 3

d

2θ

2.056 43.28 1.784 51.81 1.268 75.41 2.082 43.28 1.795 51.007 1.271 74.07 2.061 43.28 1.784 51.007 1,265 75.41 2.076 43.28 1.795 51.007 1.270 74.07 2.051 44.43 1.787 51.07 1.261 74.07

hkl

L/lO

FASES

111 122 322 111 531 220 111 531 322 111 531 220 511 531 220

100 19 5 100 20 50 100 20 5 100 20 50 100 20 50

Fe M3C M3C Fe M23C6 Fe Fe M23C6 M3C Fe M23C6 Fe M23 C6 M23 C6 Feγ

Difractogramas En las figuras 7, 8, 9, se observan los difractogramas obtenidos o para el acero a diferentes tiempos de  permanencia en el horno, se observan los picos que definen las estructuras cristalinas y las distancias interplanares. d=1.265A (3 )

d =1.787A (2 )

800

1500

700

1400 1300    A    V    I    T    A    L    E    R

1200    A    V    I    T    A    L    E    R    D    A    D    I    S    N    E    T    N    I

1100 1000

   D    A    D    I    S    N    E    T    N    I

900 800 700 600

600

500

400 d=1.261A (3 ) d=2.051A (1 )

300

500

200 400

d = 1 . 7 8 4 A (2 )

d=2. 061A (1 )

300

100 200 100

0 0

0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

2Θ D I F R A C T O G R AM A M U E S T R A 6 0 0 A C E R O H K -4 0

H O R A S

10

20

30

40

50

60

70

80

2Θ D I F R A C T O G R A M A M U E S T R A 12 00 A C E R O H K - 40

H O R A S

Figura 7. Difractograma de la

Figura 8. Difractograma del acero a

Figura 9. Difractograma del acero a

muestra original

600hr de permanencia en el horno

1200hr de permanencia en el horno

CONCLUSIONES 1. Cuando este acero se exponga a altas temperaturas, como se realizo en este trabajo ocurre una precipitación de carburos secundarios en la matriz, provocando esto una fragilidad del material, según las fotografías. 2. La intensidad de la precipitación de carburos depende de la temperatura y del tiempo de permanencia del material dentro del horno, la cual nos da como resultado una reducción de la ductilidad del material. Esta ductilidad es importante para aleaciones que operan en equipos que están sujetos a súbitas variaciones de tensiones mecánicas y fatiga térmica.

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3. La resistencia a la fluencia que se obtienen en este acero, tienen variaciones debido a la dilución de los carburos obtenidos y a los tiempos que se tiene el material calentándose. 4. La dureza varía conforme el tiempo de permanencia del material es alto a temperatura de 780ºC, la cual  provoca una precipitación de carburos de cromo, y la austeníta tiende a disminuir, por tal razón se tiene un aumento de carburos de cromo. Cuando la precipitación de carburos de cromo es mayor cuando la temperatura de trabajo es alta por tanto se puede presentar una mayor fragilidad. 5.

En el proceso de transformación de M 3C, la transformación austeníta – martensíta se interpreta como una difusión de carburo debido a la alta energía térmica que tiene el material, es posible que se produzca una disolución de carburos primarios de tipo M 3C7, M7C3 y quizás hasta M 23C6 para formar carburos de tipo MC y M2C.

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