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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 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. Se observaron carburos precipitados en los límites de grano del tipo M23C6 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 M23C6, y con una alta concentración de carbono, y se
tiene un segundo carburo que es el M7C3. 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 M23C6, los defectos lineales
desaparecen. Sin embargo, algunos autores [7, 8, 9] afirman que en los límites de grano la precipitación del M23C6 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 M23C6 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
2
triangulares a lo largo de las orillas del límite de grano y finalmente se precipita el carburo M23C6 . La nucleación del
carburo M23C6 ocurre sobre los límites de grano en las aleaciones saturadas de austeníta. Casualmente se forman
laminillas muy delgadas de M23C6 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
M7C3
M3C
Tipo Cr3C6 presente en los aceros al cromo, provee carburos junto con el
fierro. Incluye carburos a base de tungsteno y molibdeno.
FCC
M23C6
Es un producto de revenido y se usa para eliminar la austeníta retenida en
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.
HEXAGONAL
MC
FCC
Tipo VC ó V4C3, 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
(°C)
20
780
780
780
780
TIEMPO EN EL HORNO
(HRS)
0
300
600
900
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
3
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)
DUREZA
(BRINELL)
ROCKWELL-C
289.5
260.0
255.8
262.8
261.7
28.5
24.0
23.0
24.4
24.0
ORIGINAL
300
600
900
1200
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
Tiempo (horas)
290
285
280
275
270
265
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 M6C 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 M23C6. 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: M6C, 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
hkl
L/lO
FASES
2.056
1.784
1.268
2.082
1.795
1.271
2.061
1.784
1,265
2.076
1.795
1.270
2.051
1.787
1.261
43.28
51.81
75.41
43.28
51.007
74.07
43.28
51.007
75.41
43.28
51.007
74.07
44.43
51.07
74.07
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 .26 5A
(3)
d = 1.787A
(2)
800
1500
700
1400
RELATIVA
1300
1100
1000
INTENSIDAD
INTENSIDAD
RELATIVA
1200
900
800
700
600
600
500
400
d = 1.261A
(3)
d = 2.051A
(1)
300
500
200
400
d = 1.784A
(2)
d=2.061 A
(1)
300
100
200
100
0
0
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
2Θ
DIFRAC TO G R AM A M UE ST RA 600
A CE RO HK -40
HO RA S
10
20
30
40
50
60
70
80
2Θ
DIFRACTOGRAMA MUESTRA 1200 HORAS
ACERO HK-40
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.
6
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 M3C, 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 M3C7, M7C3 y quizás hasta M23C6 para formar carburos de tipo MC y
M2C.
REFERENCIAS.
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