Study of low-carbon microalloyed steels with high niobium contents. A statistical approach

Résumé

Debido al incremento en el precio de las materias primas, los fabricantes de aceros tratan de minimizar los costes de fabricación por medio de aceros de baja aleación, ya que el precio de los aceros de alta aleación se está convirtiendo en prohibitivo dentro del marco económico actual. Para ello, los fabricantes deben enfrentarse a nuevos procesos y a nuevos retos dentro de la metalurgia física. Una producción más económica de aceros HSLA de alta resistencia y baja aleación es posible si se evita la adición de elementos tan caros como el Mo, Ni, etc., con una microestructura (parcialmente) bainítica, gracias a la introducción de enfriamiento acelerado tras la laminación termomecánica. El uso del niobio, para estos aceros bainíticos de bajo carbono, tiene ventajas por su fuerte efecto retardando la recristalización de la austenita y por su habilidad para favorecer la aparición de bainita. El uso de aceros con alto contenido en niobio requiere contenidos de carbono por debajo de 0.05%. Con estos bajos contenidos en carbono se obtienen: una mejor tenacidad, una temperatura de transición más baja y una mejor soldabilidad. Debido a las limitaciones en el contenido del carbono, el manganeso es el elemento con endurecimiento por solución sólida más comúnmente usado para los aceros HSLA. Una mayor relación Mn/C da lugar a una mejor tenacidad para una misma resistencia mecánica. Sin embargo, en el caso del agrietamiento inducido por el hidrógeno (HIC), el contenido de manganeso se limita para evitar la formación de constituyentes de alta dureza. Para compensar la reducida resistencia, debido a la restricción del manganeso, se emplean otros elementos endurecedores por solución sólida. Los elementos más comunes usados, con este propósito y que no presentan ningún efecto perjudicial al HIC, son cobre, cromo y níquel. A pesar de las evidencias que muestran que existe un potencial para el uso de este tipo de aceros (alto-niobio bajo-carbono) para aplicaciones en tuberías, en gaseoductos y para chapa de uso general, las especificaciones (Euronormas) limitan el contenido del niobio por debajo del 0.06%. Se piensa que este límite fue introducido debido al efecto perjudicial del niobio en la tenacidad de la zona afectada por el calor (ZAC) para contenidos de carbono alrededor del 0.12%. Sin embargo, los aceros modernos utilizan contenidos por debajo de 0.08%, evitando de este modo la transformación peritéctica durante la solidificación, siendo esta última la responsable de la aparición de grietas superficiales en los planchones. En este tipo de aceros de bajo carbono no se observa tal efecto negativo del niobio. Por el contrario, toda la información disponible apunta hacia excelentes tenacidades en la ZAC. El presente trabajo de investigación está enmarcado dentro de un proyecto europeo; HIPERC (Referencia: RFSR-CT2005-00027). En este proyecto, diez compañías europeas y organizaciones colaboraron con el apoyo económico de la Fundación Europea de Investigación para el Carbón y el Acero. Uno de los principales propósitos de esta tesis, al igual que en el proyecto Hiperc, ha sido relacionar composición química, microestructura y propiedades mecánicas para los aceros microaleados de bajo contenido en carbono (<0.09%), con altos contenidos en niobio (hasta 0.12%). Otro principal objetivo ha sido construir modelos, basados en la composición química y en las condiciones de procesamiento, para predecir el tamaño de grano, las características de la bainita, temperaturas de recristalización y propiedades mecánicas. Para ello, se investiga la influencia de nueve elementos de aleación: C, Mn, Nb, Ti, Mo, Cr, Cu, Ni and B mediante un diseño inteligente de experimentos (DoE) y en un enfoque estadístico.