Aceros colados de baja aleación: Estudio del contenido de Titanio sobre la microestructura y propiedades mecánicas

Abstract

El presente proyecto final surge a partir de una problemática que posee una empresa dedicada al colado y maquinado de grandes piezas de acero, principalmente para la industria del petróleo. El problema en cuestión se origina en la producción de una pieza de gran tamaño, denominada “carretel”, la cual es colada con un acero de baja aleación y que presenta propiedades mecánicas por debajo de las requeridas por la norma API 6A. Esta problemática ha sido estudiada anteriormente en el marco de un proyecto final y, en base a conclusiones y propuestas de dicho trabajo, la empresa decidió realizar distintas coladas, que serán utilizadas en este proyecto final. Las piezas coladas por la empresa son Keel Block y Bloques de Estudio. El Keel Block es una pieza de geometría normalizada (norma ASTM A781) utilizada para evaluar propiedades mecánicas de aceros colados, mientras que el Bloque de Estudio fue diseñado específicamente de manera tal de recrear las mismas condiciones de solidificación que el carretel y así poder evaluar su macro y microestructura, así como sus propiedades mecánicas sin destruir una pieza para extraer muestras. Asimismo, tanto los Keel Block como los Bloques de Estudio fueron colados con distintas concentraciones de titanio (0%, 0.13% y 0.2%) y fueron entregados en dos estados metalúrgicos (estado as cast y normalizado). La primera tarea de este trabajo fue analizar la macroestructura de solidificación de los distintos Bloques de Estudio y Keel Block en función del porcentaje de elemento refinador, para lo cual se extrajeron muestras representativas de cada una de las piezas. De este análisis se verificó el poder refinador del titanio en la macroestructura de solidificación y que el refinamiento varía en función del porcentaje del mismo. A su vez, el Bloque de Estudio presentó una estructura de solidificación con un grado de refinamiento menor que los Keel Block producto de su menor velocidad de enfriamiento, asociado al mayor tamaño de los Bloques de Estudio. Posteriormente se realizó un análisis microestructural sobre muestras extraídas de los Bloques de Estudio y los Keel Block. Este estudio permitió observar que las probetas mostraron una gran cantidad de inclusiones y microrechupes, estos últimos de gran tamaño, principalmente en el caso de los Bloques de Estudio, causados por una menor velocidad de enfriamiento. Sin embargo se observó que la microestructura es refinada en gran medida mediante los tratamientos térmicos y la adición de titanio, el primero producto del ciclo de austenizado y el segundo debido al refinamiento de grano causado por los precipitados de titanio que actúan como sitios de nucleación heterogénea durante la solidificación. Las microestructuras observadas en ambos estados metalúrgicos, tanto as cast como normalizado, fueron siempre ferrítico-perliticas con un aumento del porcentaje de ferrita a medida que aumenta el porcentaje de Ti. A su vez las muestras extraídas de los Keel Block, a igual contenido de Ti y mismo estado metalúrgico, presentan a nivel microestructural un mayor grado de refinamiento que las muestras de Bloques de Estudio, lo cual se condice con la mayor velocidad de enfriamiento de los Keel Block. La última parte del trabajo fue la evaluación de propiedades mecánicas (mediante ensayos de dureza y de tracción), a partir de probetas extraídas de Keel Block en ambos estados metalúrgicos, y para los distintos porcentajes de Ti, y de Bloques de Estudio solo en as cast para distintos porcentajes de Ti. Las mediciones de dureza permitieron concluir que las piezas en estado as cast, para una misma composición de Ti, poseen mayor dureza que en estado normalizado debido a que las muestras en estado as cast poseen un menor porcentaje de ferrita en su microestructura. Por otro lado, la dureza de las muestras de los Keel Block en estado as cast para distintos porcentajes de Ti es muy similar. Por último, las muestras normalizadas poseen menor dureza al ser comparadas con las muestras as cast extraídas del Keel Block, para el mismo porcentaje de Ti. Esto se debe a que las muestras en estado normalizado poseen una cantidad de ferrita mucho mayor que en estado as cast en su microestructura. Para el caso de ensayos de tracción, los Bloques de Estudio presentaron propiedades mecánicas muy bajas en comparación a los Keel Block. Debido a esto, se realizó un análisis microestructural y se observó la presencia de una gran cantidad de microrechupes de gran tamaño, y grandes precipitados de Ti(C, N), que actuarían como concentradores de tensiones y como camino preferencial para la propagación de fisuras. Esto justifica las bajas propiedades mecánicas, siendo de particular atención la baja elongación a la rotura. En el caso de los Keel Block, para iguales contenidos de Ti, las probetas normalizadas presentaron una mayor elongación pero menor tensión de rotura en comparación con las probetas as cast. De manera general para los Keel Block al aumentar el contenido de Ti se observó mayor tensión a la rotura, menor elongación y mayor tensión de fluencia. Se concluye entonces que la utilización de Ti como agente refinador mejora las propiedades mecánicas de tensión de fluencia y tensión máxima gracias a la disminución del tamaño de grano. La principal desventaja es que un enfriamiento lento de la pieza produce grandes precipitados de Ti(C, N) que fragilizan la microestructura, actuando como concentradores de tensiones. Para poder lograr que los Bloques de Estudio y por ende los carreteles incrementen sus propiedades mecánicas a partir del refinamiento de su microestructura sin la necesidad de agregar grandes cantidad de Ti que generen un efecto fragilizador en el material, se sugirieron dos vías de resolución: la primera es el agregado de Nb para disminuir el tamaño y la cantidad de carbonitruros de manera tal que se pierda la fragilización. La otra vía es el cambio de tratamiento térmico para lograr una disminución de tamaño de grano sin necesidad de agregar refinadores. Se espera que ambas alternativas conduzcan a una mejora en la calidad de las piezas coladas bajo estudio.