El Efecto Del Fosforo En El Acero
Enviado por • 16 de Marzo de 2014 • 2.207 Palabras (9 Páginas) • 1.150 Visitas
Efecto del contenido de azufre y del grado
de desoxidación sobre la ductilidad en caliente
de aceros inoxidables austeníticos
resulfurados en estado de solidificación
J. Botella^ ' y R. Sánchez^ ;
Resumen La fabricación de aceros inoxidables austeníticos de alta maquinabilidad presenta una problemática
específica derivada de su elevado contenido de azufre; elemento necesario para generar en la matriz
austenítica inclusiones que faciliten las diferentes operaciones de mecanizado, pero perjudicial en
cuanto al deterioro que produce en la deformabilidad en caliente. Este artículo describe el estudio
realizado para evaluar el efecto del contenido de azufre y el grado de desoxidación sobre la ductilidad
en caliente de aceros inoxidables austeníticos resulfurados, partiendo de una estructura de solidificación
{as cast condition). Se realizaron ensayos de tracción en un sistema Gleeble, a temperaturas
entre 1.150 y 1.250 °C, analizándose el parámetro de ductilidad en función del contenido de azufre,
nivel de desoxidación, y del tipo, tamaño y distribución de los sulfuros presentes. Los resultados
ponen de manifiesto el efecto perjudicial de los contenidos de azufre y oxígeno sobre la deformabilidad
en caliente de los aceros inoxidables austeníticos resulfurados, y la necesidad de controlar especialmente
el nivel de óxidos de dichos aceros.
Palabras clave: Acero inoxidable austenítico resulfurado. Alta maquinabilidad. Deformabilidad.
Desoxidación.
Effect of both sulphur contení and deoxidation degree on the
hot ductility of resulphurized austenitic stainless steels in the
solidified state
Abstract The manufacture of free machining austenitic stainless steels features a specific drawback derived
from their high sulphur content, which is needed for generating, into the austenitic matrix, inclusions
to optimize the different machining operations. However, sulphur has a harmful effect on hot
workability. This paper deals with assessing the effect of sulphur content and deoxidation level on
the hot ductility of resulphurized austenitic stainless steels in as cast condition. Hot tensile tests were
conducted on a Gleeble machine, at temperatures between 1,150 and 1,250 °C, studying a ductility
factor as a function of sulphur content, deoxidation degree, as well as type, size and distribution of
sulfides. Results point out the harmful effect of increasing sulphur and oxigen contents on the hot
workability of resulphurized austenitic stainless steels, and the need to control carefully the level of
oxides of these steels.
Keywords: Resulphurized austenitic stainless steels. Free machining. Workability. Deoxidation.
1. INTRODUCCIÓN
El procedimiento más utilizado para optimizar la
capacidad de mecanización (por torneado, fresado,
etc.) de los aceros es la adición de determinados
contenidos de azufre y manganeso, de forma que se
* Centro I+D de Acerinox, S.A. Fábrica del Campo de Gibraltar,
Aptdo. 83. 11370-Los Barrios (Cádiz, España).
asegure la formación de inclusiones tipo MnS, en
masa proporcional a la del azufre de aleación. Estos
sulfuros, distribuidos uniformemente en la matriz
del acero, constituyen una fase que actúa a modo de
lubricante para la pieza de corte, permitiendo tanto
una mayor vida útil de ésta, como una superior
velocidad de mecanizado, en relación al acero sin
resulfurar.
Rev. Metal. Madrid, 34 (mayo), 1998 195
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J. Botella et al. /Efecto del contenido de azufre y del grado de desoxidación sobre la ductilidad en caliente .
El grado de resulfuración de los aceros es variable,
en función del objetivo concreto de mejora de
la maquinabilidad, y presenta, en cualquier caso, un
determinado compromiso entre dicho objetivo y el
resto de propiedades del material. En el caso de los
aceros inoxidables, la presencia de sulfuros de manganeso
afecta a la corrosión por picaduras y el azufre
es, por sí mismo, un elemento residual que reduce
considerablemente la capacidad de conformado
del acero a alta temperatura.
De cara a la deformabilidad en caliente del acero
inoxidable austenítico resulfurado, el azufre tiene
un doble efecto. Por un lado, el azufre en solución
solida (azufre libre) se encuentra segregado en los
bordes de grano y en los bordes 8/7, y puede dar
lugar, en función de su contenido, a la descohesión
de dichos bordes (1). Este efecto se debe a que el
tamaño del átomo de azufre es relativamente grande
(2) y su solubilidad en la matriz austenítica es aproximadamente
del 0,01 % a temperatura ambiente
(3). En este sentido, la ductilidad en caliente de aceros
inoxidables con ya muy bajos contenidos de
azufre (10 a 20 ppm) se puede mejorar si se alcanzan
niveles por debajo de 3 ppm (2).
En segundo término, los sulfuros de manganeso
tienen una determinada capacidad de deformación
en relación con la matriz 7, y este hecho influye
también en la deformabilidad global de la aleación.
Habitualmente, los sulfuros de manganeso son suficientemente
plásticos para acompañar la deformación
de la austenita, pero pueden verse afectados
por la presencia de otras inclusiones no metálicas
asociadas a aquellos, que en los aceros inoxidables
son normalmente óxidos. Estos reducen la deformabilidad
de las inclusiones mixtas óxido-sulfuro, que
llegan a constituir lugares preferentes de nucleación
de grietas (4). De hecho, la utilización de tierras
raras (TR) en la fabricación de aceros resulfurados
ha estado principalmente justificada por la mejora
de ductilidad en caliente. Las TR consiguen tal
efecto más por el aumento de desoxidación que
producen que por su efecto en la composición o
morfología de los sulfuros (4).
En este estudio se han considerado las variables
contenido de azufre e índice de limpieza de inclusiones
tipo óxidos para determinar la deformabilidad
en caliente de aceros inoxidables austeníticos
resulfurados.
2. MATERIALES
Los materiales en estudio son muestras procedentes
de palanquillas de colada continua, y sus
composiciones químicas se ofrecen en la tabla I. El
estudio comparativo se realiza, por una parte, sobre
cuatro materiales tipo AISI-303 (C, D, E y F) con
niveles variables de oxígeno, entre 77 y 181 ppm.
Por otra, el clásico AISI-304 (A) es un austenítico
de referencia, y junto con el AISI-316-L con 0,035
% S'(fi) y el 303 identificado como C, permiten el
estudio del efecto del contenido gradual de azufre
para niveles de desoxidación prácticamente constantes.
En los materiales tipo 303, las variaciones composicionales
(salvo el oxígeno en estudio) son discretas
y no ejercen efectos cuantificables sobre la
ductilidad en caliente a las temperaturas estudiadas.
3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
El estudio realizado sobre las muestras de aceros
austeníticos con distinto grado de resulfuración
consta de dos partes principales. La primera, relativa
a la caracterización del material de recepción (as
cast), y la segunda, a los ensayos de ductilidad en
TABLA I.- Composición química de las aleaciones en estudio (% en peso)
TABLE /.- Chemical composition ofthe alloys under study (weight %)
c
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Mo
N
Cu
O
A (AISI-304)
0,022
0,29
1,51
0,029
0,001
18,35
8,74
0,28
0,0481
0,50
0,0070
B(AISI-316L)
0,040
0,41
1,59
0,035
0,035
16,66
11,24
2,12
0,0481
0,59
0,0068
C (AISI-303)
0,059
0,62
1,84
0,039
0,294
17,35
8,63
0,39
0,0522
0,41
0,0077
D (AISI-303)
0,054
0,39
1,90
0,030
0,308
17,12
8,75
0,43
0,0325
0,22
0,0118
E (AISI-303)
0,067
0,33
1,76
0,032
0,304
17,67
8,16
0,22
0,0482
0,66
0,0134
F (AISI-303)
0,060
0,43
1,89
0,030
0,317
17,07
8,52
0,30
0,0777
0,72
0,0181
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caliente y al posterior análisis de resultados. En la
fase de caracterización, se determinaron los contenidos
de ferrita delta (mediante ferritoscopio) y de
inclusiones no metálicas, la distribución de sulfuros
en la sección transversal de las palanquillas B a F, y
la composición (por microanálisis EDX) de inclusiones
representativas.
Previo al mecanizado de las probetas para los
ensayos de ductilidad en caliente, se procedió a
reproducir sobre barretas de sección 15x15 mm (y
eje longitudinal paralelo al eje de la palanquilla), un
tratamiento de precalentamiento equivalente al que
reciben las palanquillas de austenítico en el horno
de laminación. Se consideraron tres posibles temperaturas
máximas en dicho horno, 1.220, 1.250 y
1.280 °C, con salida del mismo a 1.190, 1.220 y
1.250 °C, respectivamente. Dos probetas (10 mm 0
x 120 mm) por cada material y temperatura de salida
fueron ensayadas a tracción en el sistema Gleeble,
evaluándose la ductilidad en función de la
reducción de área transversal tras la rotura, % R.A.
4. RESULTADOS
En relación a la distribución de sulfuros en los
materiales de medio (B) y alto (C a F) nivel de
resulfuración, las impresiones Baumann revelaron
en todos los casos distribuciones finas y regularmente
repartidas en la sección transversal.
La medición magnética de ferrita delta se realizó
igualmente en la sección transversal de cada muestra
de palanquilla. Los valores promedio de 64
medidas por muestra se indican en la tabla II. Tras
el tratamiento de homogeneización, se comprobó
que la ferrita había sido eliminada por completo en
todos los materiales, por lo que los ensayos de ductilidad
se realizaron posteriormente sobre estructuras
totalmente austeníticas.
En la tabla II aparecen también los resultados
del recuento metalográfico de inclusiones no metálicas.
Las inclusiones tipo sulfuro no han sido con-
TABLA II.- Valores de ferrita delta medidos magnéticamente
(en % vol.), y de ocupación superficial de
inclusiones no metálicas del tipo óxido (% en área,
según ASTM E 562-89) en los materiales en condición
de solidificación
TABLE II.- Delta ferrite contení measured by
magnetic device (volume %), and surface fraction
of type oxide, non metallic inclusions (in área
percent, to ASTM E 562-89 standard)
Fe-8
Inclusiones
A
8,9
0,025
B
2,4
0,046
C
1,8
0,029
D
1,4
0,054
E
1,4
0,066
F
0
0,102
sideradas en los aceros resulfurados (B a F). Se
aprecia una correspondencia significativa entre el
nivel de desoxidación y el contenido de inclusiones
tipo óxido. Las inclusiones presentes en la muestra
A son óxidos complejos. En los materiales B y C,
las inclusiones tipo óxido están presentes en cantidades
similares a las del A, pero casi siempre asociadas
a sulfuros, normalmente en su interior. En
las muestras D, E y F se han observado también
mayoritariamente inclusiones mixtas óxido-sulfuro.
En relación con su tipología y distribución, los sulfuros
de las muestras B, E y F corresponden al tipo
I, uniformemente repartido, como es habitual en los
materiales resulfurados. En la muestra C se han
observado principalmente sulfuros del tipo II, de
distribución interdendrítica. En la muestra D, si
bien la mayoría son tipo I, también se han encontrado
sulfuros tipo II. Estos resultados son coherentes
con los niveles de azufre y oxígeno de las aleaciones.
En la tabla III se indican los resultados de ductilidad
de los ensayos de tracción en caliente realizados
a 1.190,1.220 y 1.250 °C, y 5 s1, en el sistema
Gleeble. Los valores de % R.A. indican, como era
de esperar, un mejor comportamiento del austenítico
tipo 304 (A). Entre 6 y 7 puntos porcentuales por
debajo, excepto a 1.190 °C, se sitúa el AISI-316-L.
En el grupo de los 303, se puede establecer una
diferencia clara entre el resultado del material C y
los del resto. En el primer caso, y aun siendo en
general menores que en los 304 y 316-L, se consigue
un nivel de ductilidad considerablemente alto.
Por el contrario, los valores de ductilidad son, con
significativa diferencia, inferiores en las aleaciones
D, E y F, en los que no se sobrepasan resultados
superiores al 70 % de R.A. La figura 1 muestra gráficamente
los resultados de % R.A. en función de la
temperatura.
5. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS Y
CONCLUSIONES
Para relacionar convenientemente los resultados
de ductilidad y niveles de inclusiones de los materiales
en estudio, se analizan en primer lugar el
TABLA III.- Valores de ductilidad (% R.A) obtenidos
a las distintas temperaturas de ensayo
TABLE III.- Ductility valúes (reduction-in-area
percent) at the test temperatures
1190°C
1220°C
1250°C
A
88,7
94,7
92,0
B
87,9
87,3
86,1
C
77,7
78,5
86,3
D
64,3
67,2
70,5
E
62,1
66,9
59,6
F
53,6
55,4
55,0
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U-j , , , , , , , , , 1
1160 1180 1200 1220 1240 1260
Temperatura °C
FIG. 1.— Curvas de ductilidad en caliente de los
materiales ensayados en el sistema Gleeble 1500
(velocidad inicial de deformación 5 /s).
FIG. 1.— Hot ductility curves ofmaterials tested on
the Gleeble 1500 (strain rate 5 /s).
grupo A, B y C, por una parte, y el C, D, E y F por
otra. En el primer caso, se observa una disminución
del % R.A. al aumentar el contenido de azufre.
Teniendo en cuenta que la ductilidad del austenítico
316-L es similar a la del 304 cuando los contenidos
de azufre son los normales (0,002 %) (5), pudiéndose
obviar, por tanto, el contenido en molibdeno
del primero, y que el contenido de inclusiones oxidadas
es similar en los tres materiales, la caida de
ductilidad desde el nivel de A (referencia) al de C
ha de ser atribuida al progresivo aumento del número
de inclusiones tipo sulfuro. En los AISI-303, se
parte del nivel de ductilidad del material C, y se
produce un deterioro progresivo en D, E y F. En los
cuatro materiales, el contenido de azufre es de ~ 0,3
% y el grado de desoxidación disminuye también
en el sentido C, Z), E y F. En este caso, el contenido
y la composición de los sulfuros puede considerarse
constante, al ser prácticamente iguales los contenidos
de azufre y manganeso. La causa de la progresiva
menor ductilidad de los materiales D, E y F,
respecto a ellos mismos y al C, es la creciente presencia
de inclusiones oxidadas, asociadas a los sulfuros,
de forma que aquellas reducen la deformabilidad
global de la aleación, debido a su menor
ductilidad con respecto a la de la matriz y a la de
los propios sulfuros. Esta valoración está soportada
experimentalmente por el estudio de secciones longitudinales
próximas a las zonas de fractura de las
probetas ensayadas. Se ha comprobado cómo los
óxidos generan la rotura de la inclusión oxido-sul-
* ^ L -*-— Inicio de la grieta de rotura *
^^L-—'Grieta"
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Inclusión mixta ^ ^ ¡ a , . V" .
sulfuro-óxidos .
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FIG. 2.— Detalle de la generación de grietas por
deformación de inclusiones mixtas óxido-sulfuro en
la dirección de tracción (sección longitudinal próxima
a la zona de fractura, en el material F).
FIG. 2.— Detall of crack formation by the
elongation of oxide-sulflde mixed inclusions
following tensile direction (lengthwise section cióse
to fracture área, in material F).
furo, produciéndose el agrietamiento a partir de la
interfase entre inclusión y matriz (Fig. 2).
Considerados los factores que podrían intervenir
en el resultado de ductilidad del estudio, parece
claro que, dada la limitada deformabilidad global
del conjunto óxido-sulfuro con relación a los sulfuros
simples y a la propia matriz austenítica, la ductilidad
de los aceros tipo 303 está directamente relacionada
con su índice de desoxidación.
REFERENCIAS
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