Evolución microestructural del acero 2.25Cr-1Mo con envejecido isotérmico continuo y cíclico

Abstract

RESUMEN: El material de estudio es un acero ferrítico 2.25Cr-1Mo, que basa sus propiedades mecánicas en el endurecimiento por precipitación de carburos finos y homogéneamente distribuidos en la matriz ferrítica; cuando este material está sometido a temperaturas y ciclos de operación industrial de 550ºC por largos periodos de tiempo, los carburos antes mencionados incrementan su tamaño y su distribución es heterogénea, por consecuencia las propiedades mecánicas disminuyen drásticamente. En el presente trabajo se llevó a cabo el estudio de la evolución microestructural del acero 2.25Cr-1Mo tanto de material nuevo y envejecido por tres tratamientos térmicos distintos que simularon las condiciones reales de operación. El primero fue el tratamiento isotérmico continuo a 550°C, el segundo tratamiento isotérmico se realizó en ciclos entre los 25°C y 550°C por tiempos de 60 minutos por ciclo, y el tercero fue un tratamiento cíclico entre los 25°C y 550°C con sobrecalentamientos hasta los 700°C cada determinado número de ciclos. Todas las muestras se caracterizaron microestructuralmente por microscopía óptica, electrónica de barrido convencional y de alta resolución para analizar la evolución de los carburos. Los contenidos de cromo y molibdeno en los precipitados se analizaron por EDS. También se utilizaron los programas de simulación numérica Thermo-Calc® y PRISMA® para predecir la precipitación de carburos. La caracterización mecánica se hizo mediante el ensayo de dureza macro, micro y nano. Los resultados de la caracterización microestructural mostraron que la ferrita acicular y bainita, presentes en el material sin envejecer, se transforman a ferrita equiaxial en los tres casos. Se observó un incremento del tamaño de grano ferrítico entre la muestra inicial sin envejecido y las muestras con envejecido continuo y cíclico. La precipitación de carburos se dio de forma transgranular e intergranular en los tres tipos de envejecidos. Se observó el engrosamiento de los carburos con el aumento en el tiempo de tratamiento térmico y fue en el material sobrecalentado a 700ºC en donde se presentan los mayores cambios en el tamaño de los carburos. La dureza disminuye con el tiempo de envejecido en los tres casos; ocurriendo en menor tiempo en el sobrecalentamiento cíclico, lo que se atribuye a la cinética de engrosamiento más rápida debido a la alteración en la sobresaturación de la composición de soluto en la matriz. Las fases observadas experimentalmente concuerdan con las predichas por Thermo-Calc y Prisma. ABSTRACT: The studied material was a ferritic 2.25Cr -1Mo steel. This steel relies his mechanical properties on the precipitation hardening and homogeneously distributed fine carbides in the ferritic matrix. When this material is working at temperatures of 550°C and cycles in the industrial operation for extended periods of time, the carbides increase in size and its distribution is heterogeneous, causing the mechanical properties to reduce drastically. The present work study the microstructural evolution of 2.25Cr -1Mo steel, both new material and aged for three different heat treatments that simulated actual operating conditions. The first one was the continued isothermal treatment at 550°C , the second treatment was performed in isothermal cycles between 25°C and 550°C for times of 60 minutes per cycle, and the third was a cyclic treatment between 25°C and 550°C with overheating up to 700°C every ten cycles . All samples were microstructurally characterized by optical light microscope, conventional and high-resolution scanning electron microscope to analyze the evolution of the carbides. The contents of chromium and molybdenum in the precipitates were analyzed by EDS. Numerical simulation program Thermo -Calc ® and PRISMA ® was also used to predict the precipitation of carbides. The mechanical characterization was done by testing macro, micro and nano hardness. The results of the microstructural characterization showed that bainite and acicular ferrite in the unaged material, transformed to equiaxed ferrite is in the three cases. An increase in the ferrite grain size between the initial sample and the samples continuous and cyclically aged was observed. Carbide precipitation occurred transgranular and intergranular in the three types of aging. The coarsening of the carbides was observed with the increasing of heat treatment time and when the material was overheated at 700°C the coarsening of the carbides was faster. The hardness decreases with aging time in all three cases; occurring in less time in the cyclic with overheating treatment, which is attributed to the faster kinetics of coarsening process due to the alteration in the supersaturation of the solute composition in the matrix. The phases observed experimentally are consistent with those predicted by Thermo -Calc and Prisma software.