Aluminio
10 de jun. 2020 escrito por Ulbrinox

Fundamentos de las condiciones de templado del acero inoxidable Acero Inoxidable

Fundamentos de las condiciones de templado del acero inoxidable
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La palabra "Templado" es usada en la industria metalúrgica con frecuencia. La connotación más común se refiere a un estado de material endurecido, o al acto de endurecimiento por temple. Si consideramos el estado recocido, el estado después del cual una aleación ha sido calentada por encima de su temperatura de recristalización y empapada hasta que se alcanza el tamaño de grano deseado, para ser la línea de base para la resistencia de esa aleación, es así como el templado actúa sobre la aleación para aumentar su fuerza más allá del estado recocido. En el caso de Ulbrich Specialty Strip Mill, la acción que ejercemos a nuestras aleaciones para templarlas o endurecerlas es endurecer el material mediante laminado en frío.

Laminación en frío

Es un proceso de metal forjado induce el material en frío o la deformación plástica sin precalentamiento, al reducir el grosor de una bobina de metal en tiras. Esta deformación plástica o permanente, inducida por el proceso de laminación, causa no solo un cambio macroscópico en las dimensiones del producto, sino también un cambio microestructural que resulta en el endurecimiento del material. A los ojos de alguien que observa el proceso de laminado, la tira de metal avanza a través de dos rodillos de trabajo, uno arriba y otro abajo, y mediante una combinación de fuerza vertical y tensión longitudinal, la tira se aplasta y se hace más delgada, más larga y fuerte. El resto de este artículo cubrirá los fenómenos microscópicos que facilitan estos cambios.

Para comprender el endurecimiento del material, primero se deben entender algunos conceptos básicos metalúrgicos. Las aleaciones metálicas fabricadas por Ulbrich consisten en una serie de cristales microscópicos llamados granos, orientados aleatoriamente en todo el grueso de la tira. Los componentes básicos de un grano individual son los átomos de los elementos que forman una aleación, como el carbono, el hierro, el níquel, el cromo, etc. Los granos de una aleación tienen una disposición de átomos repetitiva termodinámicamente preferida, llamada celda unitaria, basada en la composición química de la aleación. Una sección homogénea de metal que consiste en una célula de unidad repetitiva que forma uno o más granos puede llamarse fase (patrón). Ciertas familias de aleaciones incluso tienen nombres de fases. Las aleaciones de acero inoxidable de la serie 300 se denominan austeníticas porque consisten principalmente en la fase austenita en estado recocido. Ciertas aleaciones de la serie 400 como 430 se denominan ferríticas debido a su fase ferrita, mientras que otras como 410 y 420 se denominan martensíticas debido a su fase martensita. Las propiedades mecánicas de una aleación están en función de las fases existentes dentro de la aleación, así como del tamaño y disposición de los granos de cada fase.

(a) Celda unitaria de austenita que muestra la disposición de los átomos de hierro (Fe) y carbono (C)

(b) celda unitaria de ferrita que muestra la disposición de los átomos de hierro (Fe)

(c) Celda unitaria de martensita que muestra la disposición de los átomos de hierro (Fe) y carbono (C)

Entonces, ¿Dónde influye el factor de endurecimiento del material en todo esto?

En todos los casos, excepto en los muy especializados, los productos de metal forjado no consisten en un solo grano con una estructura cristalina perfecta que se repita en todas partes. Como todas las cosas en la vida, los metales son imperfectos. Todos conocen las fases del agua. Vapor de agua gaseosa, agua líquida y hielo sólido. Al igual que el agua, cuando se calienta a una temperatura suficientemente alta, los metales se derriten e incluso se evaporan a temperaturas extremadamente altas. Las relaciones conocidas de los elementos constitutivos de una aleación se funden en un crisol enorme, se mezclan en una solución homogénea y luego se vierten en lingotes de esa aleación. Cuando un metal líquido se solidifica, a menos que se tome extremo cuidado para facilitar la precipitación y el crecimiento de un solo grano, los granos sólidos de la fase termodinámicamente preferida precipitarán en cualquier lugar que la presión, la temperatura y la composición química lo permitan. Muchos granos precipitarán donde puedan y crecerán hasta que encuentren otro grano, en cuyo punto se forma un límite de grano.

(a) precipitación inicial del grano

(b) crecimiento de grano

(c) mayor crecimiento y formación de límites

(d) estructura de grano completa

Eventualmente, todo el volumen consistirá en estos granos orientados al azar. Este mismo proceso ocurre cuando se recoce una aleación, pero en lugar de convertirse en líquido, los granos se disuelven en una solución sólida y luego se recristalizan y crecen en función del tiempo a temperatura y velocidad de enfriamiento, restableciendo esencialmente la microestructura. Cada vez que se forma un grano, existe la posibilidad de que existan uno o más defectos de línea, o que falten piezas de una estructura cristalina como una dislocación. Estas imperfecciones, las dislocaciones en una estructura cristalina y su movimiento posterior a lo largo de un grano y a través de los límites del grano son la base de la maleabilidad del metal. Cuando todos los átomos están donde se supone que deben estar en una estructura cristalina, no hay espacio para el movimiento más allá del estiramiento de los enlaces atómicos y las vibraciones en toda la estructura. Cuando eliminas un átomo, creas una oportunidad para que otro átomo se deslice hacia ese lugar, moviendo efectivamente la dislocación. Cuando una fuerza actúa la aleación a granel, el movimiento agregado de las dislocaciones en una microestructura permite la deformación plástica sin fractura.

(a) Red con dislocación

(b) Movimiento de dislocación dentro de la red

(c) Red deformada plásticamente

Aquí es donde entra en juego el endurecimiento del material. Cuando se ejerce una fuerza sobre la aleación a granel, se trabaja en ella, lo que significa que se agrega energía al sistema. Si se agrega suficiente energía para producir deformación plástica, las redes cristalinas se tensan y se forman nuevas dislocaciones. Esto parece que debería aumentar la ductilidad, porque hay más espacios libres y, por lo tanto, más potencial para el movimiento de dislocación. Sin embargo, cuando una dislocación se encuentra con otra dislocación, pueden bloquearse o fijarse entre sí. A medida que aumenta el número y las concentraciones de dislocaciones, cada vez se dislocan más, reduciendo la ductilidad. Eventualmente, habrá tantas dislocaciones que no se podrán formar más dislocaciones como resultado del trabajo en frío. Las dislocaciones ancladas existentes no pueden moverse, por lo que los enlaces atómicos en la red se estiran y se estiran hasta que se rompen, causando una fractura. Es por eso por lo que las aleaciones se endurecen y hay un límite en la cantidad de deformación plástica que una aleación a granel puede soportar antes de que se rompa. Trabajar en frío una aleación puede incluso cambiar la fase de la microestructura. A medida que se agrega energía a una aleación austenítica y la microestructura se tensa cada vez más, parte de la austenita se transformará en martensita. A temperatura ambiente, la martensita tiene mayor resistencia y menos ductilidad que la austenita, lo que da como resultado una condición más fuerte pero más frágil. También es la razón por la cual las aleaciones de la serie 300 no son magnéticas en el estado recocido y aumentan el magnetismo con el endurecimiento del material; la austenita no es magnética, mientras que la martensita es magnética.

La velocidad a la que se fortalece una aleación en respuesta al trabajo en frío se denomina velocidad de endurecimiento del material. No es necesario observar todos los cambios microestructurales que ocurren durante el trabajo en frío para predecir el rendimiento del material. Cuando se trata de aceros inoxidables de la serie 300, o acero inoxidable austenítico, el ajuste de la composición química puede cambiar la velocidad de endurecimiento del material. Los diferentes elementos ayudan a estabilizar ciertas fases y ajustar la cantidad de estos elementos puede ayudar a controlar la tasa de endurecimiento del material. Por ejemplo, aumentar el contenido de níquel en acero inoxidable austenítico disminuirá la velocidad de endurecimiento del material. Es por eso por lo que el trabajo de acero inoxidable 301 (6-8% de níquel) se endurece más rápido que el acero inoxidable 304 (8-10% de níquel). Este aumento de la tasa de endurecimiento del material significa que puede lograr mayores fuerzas sin perder tanta ductilidad. Si el material 301 sufre la misma cantidad de tensión que el material 304, el 301 terminará endureciéndose más debido a su mayor índice de endurecimiento por trabajo. Esta es parte de la razón por la cual se prefiere 301 para operaciones de formación que involucran estirar y doblar, mientras que 304 se puede usar para operaciones de estirado donde se requiere que el material fluya sin endurecerse y desgarrarse rápidamente.

Las clasificaciones de templado como duro completo (full hard) y súper duro completo (super full hard) no son estados discretos de resistencia que pueden lograr una aleación determinada. En realidad, la resistencia de una aleación aumentará a lo largo de una curva en función de la tensión aplicada:

Curva de tensión teórica y características

La resistencia a la tracción y el límite elástico de un material a menudo se expresan como una unidad de fuerza (psi, Mpa), que se calcula dividiendo la fuerza aplicada por el área de la sección transversal de la sección a la que se aplica la fuerza. La ductilidad de un material puede cuantificarse como porcentaje de elongación, que es una expresión de tensión. La deformación se calcula dividiendo el cambio en la longitud causado por una fuerza aplicada, por la longitud total de la sección deformada. El porcentaje de elongación es una expresión de la tensión en la fractura como un porcentaje: [(longitud final - longitud inicial) / longitud inicial] x 100. Representa cuánto se puede estirar un material más allá de su dimensión original sin romperse. Los metales no siempre se deforman plásticamente en respuesta al estrés. La región empinada de la curva en las deformaciones inferiores se denomina zona elástica porque representa una deformación no permanente o elástica. Una sección de metal puede estirarse una cierta cantidad sin deformarse plásticamente, lo que significa que una vez que se elimina la fuerza aplicada, esa sección volverá a sus dimensiones originales. Comprender el tamaño de la zona elástica de una curva es importante en la formación de metal porque la elasticidad de un material se traducirá en recuperación elástica. Cuanto más esfuerzo pueda realizar un material sin deformarse plásticamente, más resorte (efecto spring back) habrá.

Deformación elástica vs plástica.

En la columna de plástico, la diferencia de posición entre el brazo del clip de papel en la imagen de "fuerza aplicada" y la imagen de "estado final" a menudo se denomina "recuperación elástica".

Las clasificaciones de templado son nomenclaturas aceptadas en toda la industria de los metales para facilitar a los fabricantes de piezas el pedido de material con propiedades mecánicas consistentes y predecibles. La Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales, o ASTM por sus siglas en inglés, escribe y publica especificaciones para definir los templados. Los clientes de Ulbrich a menudo consultan la Norma ASTM A666: Especificación estándar para láminas, tiras, placas y barras planas de acero inoxidable austenítico recocido o trabajado en frío, cuando seleccionan un material y templado para una pieza formada. La Norma ASTM A666 proporciona los requisitos de propiedades mecánicas para las aleaciones de las series 200 y 300 para las siguientes condiciones, desde las más suaves hasta las más duras respectivamente: Recocido, 1/16 duro, 1/8 duro, ¼ duro, ½ duro, ¾ duro, duro completo (full hard) y súper duro completo (super full hard). La especificación detalla los requisitos para casi todas las aleaciones de 1/16 a ½ duro, pero para ¾ duro y duro completo, solo los aceros tipo 201, 205, 301, 302 tienen propiedades específicas. En super full hard, las únicas aleaciones incluidas en la tabla son el 301 y una aleación que se especifica exclusivamente para super full hard: 301SI. UNS S30116, o 301SI, puede alcanzar cualquiera de los templados más bajos. La razón por la que no se especifica para ellos es que el 301 tiene una tasa de endurecimiento de trabajo más predecible en ese rango. El 301SI fue diseñado específicamente para aplicaciones de alta temperatura como resortes, sujetadores, arandelas, cremalleras, clips y abrazaderas. El 301 normal tiene un contenido máximo de silicio de 1%, mientras que 301SI tiene un contenido mínimo de silicio de 1% y un máximo de 1.35%. Las adiciones de carbono, manganeso y silicio aumentan la resistencia del acero inoxidable austenítico. El aumento de carbono y manganeso más allá de los límites especificados para 301 puede tener efectos secundarios perjudiciales, sin embargo, se descubrió que una adición nominal de silicio aumentaría la tasa de endurecimiento del material lo suficiente como para justificar que la nueva composición tenga su propia designación de Sistema de Números Unificados, UNS por sus siglas en inglés. A medida que el material se endurece en el trabajo de endurecimiento, la relación entre la resistencia a la tracción y el rendimiento disminuye como un subproducto de la disminución de la ductilidad. Una relación de resistencia a la tracción más baja significa que la porción elástica de la curva de deformación por tensión es más grande y el material puede soportar más tensión antes de deformarse plásticamente. El acero tipo 301SI es una buena aleación para resortes porque puede lograr mayores resistencias sin fracturarse, lo que resulta en una elasticidad en un rango más amplio de tensiones.

Cabe señalar que, a pesar de que la Norma ASTM A666 no especifica al acero tipo 304 duro completo (full hard), esa aleación todavía puede templarse por encima de su rango de propiedades de ½ duro. La razón por la cual el ¾ y 304 duro completo no son templados estándar de la Norma ASTM es porque la ductilidad del 304 cae rápidamente más allá del nivel de resistencia del ½ duro. Cuando un cliente solicita una cotización de Ulbrich para 304 duro o templado por resorte, a menudo explicamos que la Norma ASTM no define tal templado, entonces trabajamos con los clientes para comprender su necesidad. Podemos templar 304 a 185 ksi min resistencia a la tracción, la resistencia a la tracción mínima del 301 duro completo, pero no tendrá el alargamiento mínimo del 8% esperado del 301 duro completo. Puede que solo tenga un 3% o menos de alargamiento, pero a menudo será suficiente ductilidad para facilitar el proceso de formación del cliente y también se tienen otras razones por las que se prefiere el acero tipo 304 sobre el 301.

Entonces, ¿cuál es el punto de tener todos estos templados?

¿Por qué la gente está jugando con la química y dividiendo los templados en 1/16?

Hay tantos matices y habilidades necesarias para ser parte de los expertos en herramientas y matrices que no siempre quieren ser expertos en ciencia de materiales. Hay tanta responsabilidad en las industrias aeroespacial, médica o de energía nuclear que sus ingenieros desean que los veteranos de la industria desarrollen y verifiquen los estándares comprobados en los que confiar. Confiar en un templado definido por la industria permite a los fabricantes de piezas eliminar las propiedades mecánicas como una variable, porque saben qué comportamiento de formación esperar de una condición si lo han usado antes. Cada templado tiene un rango de tensión, elasticidad y alargamiento permisibles, por lo que hay alguna variación dentro de cualquier templado dado, especialmente en el caso de la gran brecha entre duro completo (full hard) y súper duro completo (super full hard), pero definir templados como 3/32 o 5/64 sería un poco ridículo. Si una aplicación requiere un mayor nivel de precisión con respecto a los rangos de propiedades mecánicas de la materia prima, se puede desarrollar una especificación personalizada, con la ayuda del equipo de Servicios Técnicos de Ulbrich si así lo desea. Si un cliente intenta formar una pieza utilizando un material ½ duro y experimenta fracturas frágiles debido a la falta de ductilidad, puede probar con un material ¼ duro. Si el material ¼ duro no alcanza la dureza deseada después de la formación, entonces podrían necesitar el equivalente de un templado 3/8 duro, que deberá especificarse más allá de una referencia de la Norma ASTM.

¿Cómo logra Ulbrich Specialty Strip Mill un temperamento dado?

En el caso de un producto recocido, la tira se somete a ciclos de laminado y recocido hasta que se alcanza el grosor ordenado. Luego, la tira se somete a un ciclo de recocido final para restablecer la microestructura y establecer la estructura de grano uniforme y equiaxial esperada de un producto recocido. En el caso de productos templados, no hay una operación final de recocido. En cambio, se induce una cantidad específica de tensión mediante laminado en frío para endurecer el producto a las propiedades mecánicas deseadas. Esta deformación se expresa como una relación del espesor inicial y el espesor final denominado reducción porcentual. Si un producto se lamina de .020" de espesor a .010", ha sufrido una reducción de espesor del 50%. Ulbrich realiza un análisis estadístico utilizando su larga historia de datos de propiedades mecánicas acumuladas a través de pruebas de control de calidad para predecir la reducción porcentual correcta para una condición de templado dada. Este número puede variar en función de factores como la aleación, la química del lote individual e incluso del espesor final. La reducción porcentual en el grosor necesaria para lograr la dureza total siempre será mucho mayor que la reducción necesaria para ¼ de dureza, pero dos lotes de 301 que se laminan a la misma condición de dureza completa pueden requerir diferentes reducciones porcentuales. La ingeniería de Ulbrich tiene como objetivo controlar los procesos con precisión para reducir la variación entre lotes tanto como sea posible. Si un producto 301 con propiedades cercanas al extremo inferior del rango de ¼ duro funciona para un cliente, se desarrollará un proceso para lograr propiedades cercanas al extremo inferior. Cada paso de un proceso de fabricación tiene variaciones, y al reducir la variación en las propiedades mecánicas de la materia prima, un estampador puede no tener que ajustar su configuración tanto cuando se inicia un nuevo lote de material.

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