Estudio de la evolución mecánica y microstructural en

CONAMET/SAM 2006
ESTUDIO DE LA EVOLUCIÓN MECÁNICA Y MICROSTRUCTURAL EN
ACEROS RECOCIDOS EN CONTINUO
A. Monsalve, A. Artigas, C. Zamorano, D. Celentano y R. Colás*
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Universidad de Santiago de Chile
*Universidad Autónoma de Nuevo León, Monterrey, México.
[email protected]
RESUMEN
El recocido continuo ha sido desarrollado industrialmente desde la década de los 70. Sin embargo, hasta
el día de hoy mucha de la investigación está orientada a completar la información que se tiene en torno al
tema, particularmente la influencia ejercida por las diferentes variables de recocido sobre las propiedades
mecánicas y aspectos microestructurales de los aceros tratados por esta vía.
El interés industrial que reviste este tipo de investigaciones, está basado en la economía de tiempo y de
energía que presenta el recocido continuo frente a la alternativa, el recocido convencional o batch. En este
último proceso las bobinas de acero son calentadas y luego enfriadas tomando entre dos y tres días el
ciclo completo. Frente a esto, el ciclo de recocido continuo, en el cual la bobina es desenrollada antes de
ser introducida en el horno, toma sólo algunos minutos en completarse. Por otro lado, la relativa
homogeneidad del proceso de calentamiento y enfriamiento, genera un material con propiedades
mecánicas y microestructurales más homogéneas si se compara con aquellas obtenidas por recocido
batch.
Un ciclo de recocido continuo típico contiene varias etapas: calentamiento, mantenimiento, enfriamiento
intermedio y sobre envejecimiento. Cada una de estas etapas ejerce cierta influencia en las propiedades
finales de la chapa recocida. Por esta razón, es preciso estudiar en detalle cada una de estas etapas con el
fin de optimizar el proceso de recocido continuo y así mejorar la calidad de los productos finales o bien
de producir nuevas calidades de aceros.
Este estudio tiene por objetivo analizar el efecto ocasionado por las diferentes variables del proceso de
recocido continuo (temperatura de recocido, velocidad de calentamiento, tiempo de mantenimiento y
sobreenvejecimiento) sobre las propiedades mecánicas y parámetros microestructurales de aceros. Se
estudiaron dos tipos de aceros: uno de bajo contenido de carbono y un acero libre de intersticiales (acero
IF). Se midió el límite elástico, el tamaño de grano, el índice de anisotropía normal (índice r) y la
evolución de los distintos planos cristalográficos utilizando técnicas de difracción de rayos X. La
simulación de los diferentes ciclos de recocido continuo se realizó con ayuda de un horno de recocido
especialmente diseñado, basado en el calentamiento de las probetas por efecto Joule.
Los resultados obtenidos muestran que el acero de bajo carbono es relativamente insensible a los
diferentes tratamientos de recocido estudiados, en tanto que el acero IF es más sensible a las variables de
recocido continuo. Específicamente en este último caso se observa que al aumentar la temperatura de
recocido, el índice de anisotropía y el tamaño de grano aumentan, en tanto que el límite elástico
disminuye. Al aumentar el tiempo de mantenimiento, el acero IF mostró crecimiento de grano y aumento
en el índice de anisotropía normal. Asimismo, se demostró que para ambos aceros, la etapa de sobre
envejecimiento no afecta mayormente el límite elástico, el tamaño de grano ni el índice de anisotropía
normal. Finalmente se encontró que los cambios en este índice están relacionados con los cambios
producidos a nivel cristalográfico, específicamente la presencia de una fibra γ y de una fibra α más o
menos intensa.
Keywords: Recocido continuo, índice de anisotropía normal, acero IF, crecimiento de grano.
1. INTRODUCCION
El recocido continuo se utiliza de forma industrial desde
finales de los años 60 y principios de los 70. Se aplica en
la producción de chapas de aceros con bajo contenido de
carbono, destinadas principalmente a envases y
productos recubiertos. Debido a lo relativamente
reciente de su introducción en el mundo industrial,
existen aún algunos aspectos que deben ser estudiados
con el objeto de optimizar técnicamente el proceso. Uno
de estos aspectos dice relación con la necesidad de
obtener aceros con buena respuesta a embutición, a
partir de recocido continuo. En efecto, tradicionalmente
la obtención de chapa de calidad DD (deep drawing) o
EDP (extra deep drawing), está asociada a recocido
batch(1) (también denominado convencional), en el cual
tres o cuatro bobinas son almacenadas en hornos
verticales a gas y sometidas a ciclos de recocido que
duran normalmente dos o tres días. En cambio durante el
recocido continuo, el tiempo involucrado en el ciclo
completo es de sólo algunos minutos, motivo por el cual
es desde todo punto de vista relevante el realizar
esfuerzos de investigación encaminados a ampliar el
rango de aplicabilidad del recocido continuo, hacia por
ejemplo, la obtención de aceros de calidad de
embutición. Actualmente, sólo algunos productos tales
como la hojalata (acero recubierto con estaño) son
producidos a través de recocido continuo.
Tras la etapa de fabricación de planchones por colada
continua, los planchones son homogeneizados,
calentándolos hasta 1250ºC por 2 horas(2), luego de lo
cual, son laminados en caliente en dos etapas: la primera
en un laminador trío reversible (desde un espesor de
aproximadamente 150 mm hasta un espesor de 25 mm)
y la segunda etapa, en un tren laminador de 6 marcos,
donde el espesor se reduce hasta aproximadamente 2
mm. Al final de esta etapa la banda es enrollada en
bobinas, las que son posteriormente laminadas en frío en
un tren laminador de seis marcos, hasta espesores finales
de hasta 0.18 mm, ver figura 1.
debido a que de esta forma se obtienen las mejores
características de embutibilidad. Finalmente, los aceros
son sometidos a una última laminación en frío, llamada
temper rollling, cuyo objetivo es mejorar la calidad
superficial y eliminar el fenómeno del punto de fluencia
(aparición de bandas de Luders(3) y de los límites de
fluencia superior e inferior).
El ciclo de recocido continuo típico es el que se muestra
en la figura 2, donde es posible identificar las
principales variables del proceso: velocidad de
calentamiento, temperatura y tiempo de mantenimiento,
velocidad de enfriamiento intermedia y finalmente
temperatura y tiempo de sobre envejecimiento.
T
2
1
3
4
5
6
Figura 2. Esquema de un ciclo de recocido continuo
típico. (1) Calentamiento; (2) Mantenimiento; (3-4)
Enfriamiento intermedio; (5) Sobrenvejecimiento; (6)
Enfriamiento final
El objetivo del presente trabajo es investigar la forma de
generar aceros de buenas características de
embutibilidad a partir de recocido continuo. Para esto, se
ensayaron distintos ciclos de recocido continuo,
estudiando diversas condiciones relativas a cada una de
las variables del ciclo de recocido, analizando dos tipos
de acero. Se investigó el efecto sobre los índices de
anisotropía normal y planar, estudiándose en algunos
casos la variación en las texturas cristalográficas con el
fin de relacionar dichas componentes de texturas con las
propiedades mecánicas observadas.
2.- DESARROLLO EXPERIMENTAL
Los dos tipos de aceros estudiados fueron: uno de bajo
contenido en carbono denominado C y el otro un acero
libre de intersticiales denominado IF. En la tabla 1 se
detalla la composición química de los aceros estudiados.
Tabla 1. Composición química de los aceros estudiados.
%C
%M
%P
%S
%Si
n
Figura 1. Esquema de la etapa de laminación en frío y
recocido de productos planos de acero.
Como es de esperar, el material aumenta su dureza
debido a la laminación en frío, razón por la cual debe ser
recocido, ya sea en continuo (hojalata) o bien
convencionalmente. En particular, los aceros destinados
a embutición deben ser recocidos convencionalmente
C
%A
l
0.06
0.48
0.00
0.00
0.01
0.05
%N:0.0
7
0
7
5
1
I
0.00
0.13
0.00
<0.0
0.01
0.04
%Ti:0.0
F
3
0
7
05
0
6
30
07
t
El acero C utilizado estaba en condición de laminado en
frío, con un espesor de 0.18 mm de espesor. El acero IF
utilizado se recibió laminado en caliente de espesor 3,3
mm y fue laminado en frío hasta un espesor de 0.27 mm.
2.1. Variación de la temperatura de recocido. Se
realizaron ciclos de recocido continuo a distintas
temperaturas de recocido, manteniendo constantes los
tiempos
de
calentamiento,
mantenimiento
y
enfriamiento, tal como se detalla en la tabla 2.
Tabla 2. Resumen de los distintos ciclos realizados
variando la temperatura de recocido.
2.4. Variación del tiempo de sobre envejecimiento.
En la tabla 5 se muestran las condiciones de recocido
empleadas para estudiar la influencia del sobre
envejecimiento en las propiedades mecánicas y
microestructurales finales en los ceros estudiados. En
todos los ciclos, los tiempos de mantenimiento y de
enfriamiento empleado fue de 40 (s). Sólo en la mitad de
los casos se efectuó el tratamiento de sobre
envejecimiento.
Ciclo Trec (ºC)
tcal (s)
tm (s)
tenf (s)
1
650
40
40
20
2
680
40
40
20
3
720
40
40
20
C
4
750
40
40
20
5
860
40
40
20
6
890
40
40
20
1
680
40
40
20
2
720
40
40
20
IF
3
750
40
40
20
4
800
40
40
20
5
880
40
40
20
Trec: temperatura de recocido; tcal: tiempo de
calentamiento; tm: tiempo de mantenimiento; tenf: tiempo
de enfriamiento.
Tabla 5. Resumen de los distintos ciclos realizados
variando la temperatura de recocido y el tiempo de sobre
envejecimiento.
Acero Ciclo Trec (ºC) tenf (s) Tsob (ºC) tsob (s)
1
680
20
Sin
Sin
2
680
10
400
100
3
750
20
Sin
Sin
C
4
750
10
400
100
5
860
20
Sin
Sin
6
860
10
400
100
1
750
20
Sin
Sin
IF
2
750
10
400
300
3
800
20
Sin
Sin
4
800
10
400
100
Tsob: temperatura de sobrenvejecimiento; tsob: tiempo de
sobreenvejecimiento. Los tiempos de calentamiento y de
mantenimiento fue de 40 (s) en todos los casos.
2.2. Variación de la velocidad de calentamiento.
3.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En la tabla 3 se resumen los ciclos empleados para
estudiar la influencia de la velocidad de calentamiento
en las propiedades finales de los aceros recocidos.
A continuación se muestran los resultados de las
diversas variables de recocido continuo sobre el límite
elástico, el tamaño de grano y el índice de anisotropía
normal.
Acero
Tabla 3. Resumen de los distintos ciclos realizados
variando la velocidad de calentamiento.
Acero
Ciclo Trec (ºC)
tcal (s) tm (s) tenf (s)
1
750
20
40
20
C
2
750
40
40
20
3
750
60
40
20
1
800
20
40
20
IF
2
800
40
40
20
3
800
60
40
20
2.3. Variación del tiempo de mantenimiento.
3.1. Influencia de la temperatura de recocido. En la
figura 3 se muestra la microestructura obtenida en el
acero C al ser recocido a dos temperaturas: 650 y 890ºC.
En el primer caso, por tratarse de un recocido subcrítico,
se aprecian las colonias de carburos orientadas a lo largo
de la dirección de laminación, con la ferrita totalmente
recristalizada. En el segundo caso, se aprecia los
carburos precipitados entre los bordes de grano de la
ferrita que se encuentra recristalizada y que ha
experimentado crecimiento de grano.
Las condiciones empleadas para estudiar la influencia
del tiempo de mantenimiento en ambos aceros
estudiados se muestran en la tabla 4.
Tabla 4. Resumen de los distintos ciclos realizados
variando el tiempo de mantenimiento.
Acero
Ciclo Trec (ºC)
tcal (s) tm (s) tenf (s)
1
750
40
20
20
C
2
750
40
40
20
3
750
40
60
20
1
800
40
20
20
IF
2
800
40
40
20
3
800
40
60
20
(a)
14 µm (b)
14 µm
Figura 3. Microestructuras otenidas durante el recocido
del acero C. (a) 650ºC; (B) 890ºC.
La microestructura del acero IF recocido a 680 y 880 ºC
se muestra en la figura 4, pudiéndose observar una
estructura ferrítica con pocos carburos, con un grano
equiáxico.
40 µm
40 µm
Figura 4. Microestructura del acero IF recocido a (a)
680ºC y (b) 880ºC.
Esfuerzo de fluencia
(kg/mm 2 )
El límite elástico disminuye a medida que aumenta la
temperatura de recocido, siendo esta disminución mayor
en el caso del acero IF que en el acero C, lo cual está de
acuerdo con el aumento en el tamaño de grano, que es
mayor para el acero IF. Este aumento en el tamaño de
grano es esperable, debido a que al aumentar la
temperatura de recocido, el grano debe crecer una vez
terminada la recristalización, lo que explica la
disminución en el límite elástico (ecuación de HallPetch).
60
50
40
Acero C
30
Para el caso del acero C, se midieron por difracción de
rayos X, las intensidades relativas de los planos
cristalográficos, mostrándose en la figura 6 de manera
resumida la intensidad de los planos (111), (110) (211) y
(100).
0,9
Planos (111)
0,7
Planos (110)
0,5
0,3
0,1
-0,1
Planos (100)
Planos (211)
-0,3
-0,5
600
650
700
750
800
850
900
950
Temperatura de recocido (ºC)
Acero IF
10
0
600
700
800
900
1000
(a)
25
20
Acero IF
15
10
Acero C
5
0
600
700
800
900
1000
Temperatura de recocido (ºC)
(b)
2,5
2
Índice r
El crecimiento en el índice de anisotropía al aumentar la
temperatura de recocido abre la posibilidad de obtener
aceros con mejor comportamiento a embutición a través
del aumento de la temperatura de recocido. Sin
embargo, este aumento es sólo apreciable para el acero
IF. De hecho, el mayor valor medido del índice r para el
acero C es de sólo 0,75, un valor considerado bajo para
lo que debería ser un acero de buena embutibilidad.
20
Temperatura de recocido (ºC)
T.G.
(micras)
En el caso del acero C, el índice r aumenta para
recocidos por debajo de 750ºC, disminuyendo al recocer
por encima de esta temperatura. En el acero IF, el
aumento en el índice r se observa al recocer hasta 820ºC
aproximadamente, después de lo cual se produce una
disminución.
Intensidades de los planos
En la figura 5 se resume la variación del límite elástico,
el tamaño de grano y el índice de anisotropía normal con
la temperatura de recocido.
Acero IF
1,5
1
0,5
Acero C
0
600
650
700
750
800
850
900
950
Temperatura de recocido (ºC)
(c)
Figura 5. Variación de (a) el límite elástico (b) el
tamaño de grano y (c) el índice de anisotropía normal
con la temperatura de recocido.
Figura 6. Variación de la intensidad relativa de planos
con la temperatura de recocido para el acero C.
La intensidad de los planos (100) se mantiene constante
al aumentar la temperatura de recocido. En cambio la
intensidad de los planos (110) disminuye al aumentar la
temperatura de recocido hasta A1, tras lo cual, dicha
intensidad comienza a aumentar hasta temperaturas de
recocido de alrededor de 860ºC. Por sobre esta
temperatura, la intensidad de este plano vuelve a
disminuir. A su vez, la intensidad relativa de los planos
(111) aumenta para recocidos por debajo de A1,
disminuyendo para recocidos hasta aproximadamente
860ºC, temperatura por sobre la cual, se produce un
aumento en la intensidad de este plano. La intensidad de
los planos (211) crece para recocidos por debajo de A1,
disminuyendo levemente para recocidos por sobre esta
temperatura. De estas observaciones se deduce que el
aumento en la intensidad de los planos (111), planos
favorables a la embutición y que definen la fibra γ, se
debe a la disminución de los planos (110) desfavorables
para la embutición(4,5). Los cambios que se van
produciendo en las intensidades de los planos
cristalográficos permiten explicar las variaciones del
índice de anisotropía normal observadas en la figura
4(c). En efecto, para el acero C se observa un
crecimiento en el valor del índice r a medida que
aumenta
la
temperatura
de
recocido
hasta
aproximadamente A1, disminuyendo levemente dicho
índice al recocer el acero a temperaturas por sobre A1.
Tal como se ha mencionado, este comportamiento en el
índice r al aumentar la temperatura de recocido impone
una limitación al desempeño de este acero al ser
embutido, pudiéndose concluir que no es posible obtener
un buen comportamiento a embutición en el acero C
mediante simplemente el incremento en la temperatura
de recocido.
3.3. Influencia del tiempo de mantenimiento.
La figura 8 muestra la variación del límite elástico, el
tamaño de grano y el índice de anisotropía con el tiempo
de mantenimiento para ambos aceros.
3.2. Influencia de la velocidad de calentamiento.
)
45
2
40
Límite elástico (kg/mm
La figura 7 muestra la variación en el límite elástico, el
tamaño de grano y el índice de anisotropía normal, para
ambos aceros, recocidos a 750ºC (acero C) y a 800ºC
(acero IF), con el tiempo de calentamiento.
30
25
)
Acero IF
20
15
10
5
0
40
0
10
Límite elástico (kg/mm
2
35
30
30
40
50
60
70
(a)
Acero C
25
16
Tamaño de grano (micras)
20
15
10
Acero IF
5
0
10
20
30
40
50
60
70
Tiempo de calentamiento (s)
(a)
14
Acero IF
12
10
8
6
Acero C
4
2
0
16
Tamaño de grano (micras)
20
Tiempo de mantenimiento (s)
0
0
10
20
14
30
40
50
60
70
Tiempo de mantenimiento (s)
12
(b)
Acero IF
10
2,5
6
Acero C
4
2
0
10
20
30
40
50
60
70
Tiempo de calentamiento (s)
(b)
Indice de anisotropía
8
0
2
Acero IF
1,5
Acero C
1
0,5
0
2
0
1,8
1,6
1
0,8
Acero C
0,4
20
30
40
50
60
70
(c)
Figura 8. Variación del (a) límite elástico; (b) tamaño
de grano y (c) índice de anisotropía con el tiempo de
mantenimiento para ambos aceros. El acero C fue
recocido a 750ºC y el acero IF a 800ºC.
1,2
0,6
10
Tiempo de mantenimiento (s)
Acero IF
1,4
Indice r
Acero C
35
0,2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Tiempo de calentamiento (s)
(c)
Figura 7. Variación de (a) el límite elástico; (b) el
tamaño de grano y (c) el índice de anisotropía normal
con el tiempo de calentamiento. El Acero C se recoció a
750ºC y el acero IF a 800ºC.
Puede observarse que el acero C es relativamente
insensible al tiempo de calentamiento, en tanto que el
acero IF presenta un aumento significativo del índice r a
medida que aumenta el tiempo de mantenimiento. El
tamaño de grano del acero IF se mantiene alto, sin
embargo no se observa crecimiento al aumentar el
tiempo de calentamiento, lo que permite concluir que la
mejora en el índice r observada para este acero no está
relacionado con el crecimiento de grano.
A partir de estas figuras es posible deducir que al
aumentar el tiempo de mantenimiento, se produce un
leve aumento en el tamaño de grano de ambos aceros, lo
que a su vez produce una leve caída en el límite elástico.
El índice de anisotropía normal aumenta para el acero IF
al aumentar el tiempo de mantenimiento, en tanto que
para el acero C el aumento es prácticamente
despreciable. Estas observaciones muestran una vez más
la dificultad de mejorar el desempeño a embutición del
acero C partir de solamente el manejo de las variables de
recocido continuo.
3.4 Influencia de la etapa de sobre envejecimiento.
Para estudiar la influencia del sobre envejecimiento en
las características finales de los aceros analizados, se
realizaron ciclos de recocido con y sin etapa de sobre
envejecimiento. Los resultados de estas observaciones se
resumen en la tabla 6 para el acero C y 7 para el acero
IF.
Tabla 6. Variación de las propiedades con el sobre
envejecimiento, para el acero C, recocido a las
condiciones especificadas en la tabla 5.
Tamaño
Límite
Sobre
de grano
T rec (ºC)
Índice r
elástico
envejec.
(kg/mm2)
(µm)
680
No
0,63
37,1
7,3
680
Sí
0,64
36,8
8,2
750
No
0,75
33,1
8,7
750
Sí
0,72
34,4
8,9
860
No
0,68
32,5
9,
860
Sí
0,67
31,9
9,3
Tabla 7. Variación de las propiedades con el sobre
envejecimiento, para el acero IF, recocido a las
condiciones especificadas en la tabla 5.
Tamaño
Límite
Sobre
de grano
T rec (ºC)
Índice r
elástico
envejec.
(kg/mm2)
(µm)
750
No
1,44
21,0
10,2
750
Sí
1,58
22,1
10,5
800
No
1,66
10,6
14,4
800
Sí
1,68
11,1
13,9
La etapa de sobre envejecimiento se realiza para
producir la precipitación del carbono(6), debido a que los
rápidos enfriamientos desde la temperatura de
mantenimiento producen la sobresaturación en carbono
del acero, lo cual puede generar problemas de
endurecimiento por envejecimiento durante el servicio.
En general se observa que el incluir una etapa de sobre
envejecimiento no afecta de manera significativa al
tamaño de grano, razón por la que el límite elástico se
mantiene prácticamente sin cambio al incorporar esta
etapa. En el acero C, el índice de anisotropía se
mantiene aproximadamente constante al incluir la etapa
de sobre envejecimiento, en tanto que el acero IF
muestra un leve aumento en este índice al incluir el
sobre envejecimiento. Finalmente, los cambios
microestructurales visibles al microscopio óptico
producidos al incluir la etapa de envejecimiento son
también poco significativos, tal como puede deducirse
de la figura 9, donde puede observarse la
microestructura del acero C recocido sin sobre
envejecimiento y recocido con sobre envejecimiento.
4.- CONCLUSIONES
A partir de las observaciones realizadas en los dos
aceros estudiados es posible concluir que el acero
denominado C es insensible a las condiciones de
recocido continuo, en cuanto a límite elástico, tamaño de
grano e índice de anisotropía normal. Sin embargo, el
acero denominado IF sí es sensible a los cambios en las
condiciones de recocido continuo, experimentando
aumentos apreciables en el valor del índice de
anisotropía normal al aumentar por ejemplo la
temperatura de recocido y/o el tiempo de recocido.
Para ambos aceros el aumento de la temperatura de
recocido disminuye la dureza. Para el acero IF además
aumenta el tamaño de grano y aumenta el índice r al
aumentar la temperatura de recocido por debajo de A1.
El aumento del tiempo de calentamiento produce un leve
aumento del tamaño de grano para ambos aceros. En el
caso del acero IF además se produce un incremento en el
índice r.
El incluir una etapa de sobre envejecimiento no afecta
significativamente las propiedades estudiadas.
Las leves mejoras en el índice de anisotropía observadas
en el acero C están relacionadas con el fortalecimiento
de los planos (111) paralelos al plano de laminación, en
desmedro de los planos (110).
5.- AGRADECIMENTOS
Los autores desean agradecer al proyecto FONDECYT
Nº 1030002 por el financiamiento de la presente
investigación.
6.- REFERENCIAS
1.- Hutchinson W. B., “Development and Control of
Annealing
Textures
in
Low-Carbon
Steels”,
International Metals Reviews, vol. 29, N° 1, 1984.
2.- Wilson F., Gladman T., “Aluminium Nitride in
Steel”, International Material Reviews, 1999.
3.- Obara T., Sakata K., Nishida M., lrie T., “Effects of
Heat Cycle and Carbon Content on the Mechanical
Properties of Continuous-annealed Low Carbon Steel
Sheets”, Kawasaki Steel Technical Report, N° 12 Jul.
1985.
4.- Ray R. K., Jonas J. J. y Hook R.E., “Cold Rolling
and Annealing Textures in Low Carbon and Extra Low
Carbon Steels”, International Material Reviews, 1994.
14 µm
14 µm
Figura
9.
Microestructura
ferrito
perlítica
correspondiente al acero C recocido a 680ºC por 40 (s)
sin sobre envejecimiento (a) y con sobre envejecimiento
(b).
5.- Monsalve A., Artigas A., Celentano D. y Meléndez
F., “Evaluación Numérica y Experimental de las
Transformaciones Mecánicas y Microestructurales en
aceros Recocidos Batch”, Rev. Metal. Madrid, 2004.
6.- Artigas A., “Simulación Experimental y Numérica de
Aceros Laminados en Caliente y Recocidos
Convencionalmente”, Tesis Doctoral, Universidad de
Santiago, 2004.