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Tesis

Fabricación industrial de aleaciones ferríticas de Fe-12%Al-12%V endurecibles por precipitación coherente

2015



Tesista Abraham Alexis BECERRA ARANEDA
Ing. Civil de Materiales Universidad de Concepción - Chile
Magíster en Ciencia y Tecnología de Materiales Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina
Directores Dr. Gerardo RUBIOLO, CNEA, UNSAM, CONICET - Argentina
Mag. Ing. Pedro Antonio FERREIRÓS, CNEA, UNSAM  -  Argentina
Lugar de realizaciónDivisión Aleaciones Especiales - Departamento Transformaciones y Propiedades - Gerencia Materiales - Argentina
Fecha Defensa 06/03/2015
Jurado Dr. Sergio ARICÓ, CNEA, UNSAM  -  Argentina
Dr. Raúl E. BOLMARO IFIR UNR CONICET  -  Argentina
Dr. Claudio Ariel DANÓN CNEA  -  Argentina
Código Código IS/T 152/15

Título completo

Fabricación industrial de aleaciones ferríticas de Fe-12%Al-12%V endurecibles por precipitación coherente

Resumen

Las aleaciones basadas en Fe-Al tienen potenciales aplicaciones como materiales estructurales en altas temperaturas debido a su alta relación resistencia mecánica-densidad y a su elevada resistencia a la oxidación. Además, el bajo costo de materias primas y la posibilidad de fabricación por medio de procesos convencionales, favorecen su obtención a gran escala. Sin embargo, limitaciones como su reducida ductilidad a temperatura ambiente y su baja resistencia a la termofluencia han impedido su aplicación. Para superar estas deficiencias, los esfuerzos se han enfocado en estudiar el agregado de diferentes elementos aleantes (Nb, Ti, Ta ó Zr) aumentando la resistencia a la termofluencia sin mejorar la ductilidad. A diferencia de la mayoría de los trabajos en aleaciones similares, basados en intermetálicos puros, tomamos como hipótesis de trabajo para solucionar ambas limitaciones el estudio de aleaciones ternarias Fe-Al-X que posean una matriz dúctil (ferrítica) endurecida por precipitados coherentes L21 . En ese sentido nuestros trabajos previos, mediante cálculos de primeros principios y ensayos experimentales, permitieron encontrar como mejores candidatas a las aleaciones ternarias Fe1-2xAlxVx en el rango a 0,10± x ±0,13 (x: fracción atómica). Con la finalidad de explorar materias primas y procedimientos industriales convencionales para la fabricación y el procesamiento de aleaciones ternarias Fe1-2xAlxVx , este trabajo pretende identificar y resolver varios de los inconvenientes que pueden aparecer como consecuencia de la pureza de los aleantes y de los procesos de fundición, colada y laminación de lingotes.
La aleación seleccionada fue Fe-12%Al-12%V (% at.) y los principales objetivos estudiados fueron: a) proceso de fundición y colada, influencia del molde de colada sobre la estructura de granos; b) formación de terceras fases generadas por las impurezas; c) tratamientos térmicos para mejorar la microestructura de colada y d) parámetros de laminación en caliente y tratamientos térmicos para refinar el grano.
La materia prima comercial utilizada fue alambre de acero bajo carbono SAE 1008, chapa de aluminio y ferroaleación de vanadio. Se fabricaron lingotes rectangulares de 130x60x30 mm por fusión en horno de inducción y colada en lingotera de acero SAE 1020. Para intentar una solidificación unidireccional se ensayó también un molde de arena refractaria con base de cobre.
La microestructura de solidificación correspondió a granos columnares de matriz ferrítica con carburos dispersos. La composición química del lingote fundido se corroboró mediante mediciones de energía dispersiva de rayos X (EDS). Utilizando el método de réplicas extractivas y microscopías electrónicas de barrido (SEM) y de Transmisión (TEM) se caracterizaron los carburos como tipo V6C5. Las temperaturas de transformaciones que involucran las fases A2‐α(Fe,Al,V), B2 Fe(Al,V) y L21 Fe2AlV fueron medidas mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC).
Se hallaron las condiciones óptimas del tratamiento térmico para redistribuir los carburos de vanadio, reduciendo su tamaño promedio y disminuyendo su formación en límites de grano.
Se hallaron las condiciones óptimas para el refinamiento de grano de la aleación durante la laminación en caliente. Se observó que el proceso de laminación en caliente logra eliminar las microfisuras intergranulares generadas durante la solidificación. Además, se ensayó un tratamiento térmico posterior a la laminación en caliente para homogeneizar el refinamiento de grano.

Complete Title

Fabrication of Fe-12% Al-12% V ferritic alloys hardenable by coherent precipitation

Abstract

Alloys based on Fe-Al have potential applications as structural materials at high temperatures because of their high mechanical strength/density ratio and high oxidation resistance. In addition, the low cost of raw materials and the possibility of using conventional manufacturing processes, promote their production on a large scale. However, limitations as its low room temperature ductility and low creep resistance have prevented its application. To overcome these weaknesses, efforts have focused on studying the addition of different alloying elements (Nb, Ti, Ta or Zr) increasing the creep resistance without improving ductility.
Unlike most research works in similar alloys, based on pure intermetallic, we have taken the study of ternary alloys Fe-Al-X having a ductile matrix (ferritic) hardened by coherent precipitates L21 as a working hypothesis to solve both weaknesses. In that sense our previous work, using first-principles calculations and experimental tests, allowed us to find the ternary alloys Fe1-2xAlx Vx (0,10±x±0,13; x=atomic fraction) as better candidates.
In order to explore different raw materials and conventional industrial processes for the manufacture and processing of ternary alloys Fe1-2xAlx Vx, this work aims to identify and solve many of the problems that can occur for the purity of raw materials, fusion process, and processes of casting and rolling of the ingot.
The selected alloy was Fe-12% Al-12% V (at.%) and the main research objectives were: a) the melting and casting processes, the influence of the casting mold on the structure of grain; b) third phase formation generated by the impurities; c) heat treatment to improve the casting microstructure; d) hot rolling parameters and heat treatment for grain refining.
The commercial raw material used was low carbon steel wire SAE 1008, aluminum sheet and ferro-vanadium alloy. Rectangular bars 130x60x30 mm were produced by melting in an induction furnace and casting in a mold of steel SAE 1020. A refractory sand mold with copper base was also tested to attempt a unidirectional solidification.
The solidification microstructure corresponded to columnar grains of ferritic matrix with dispersed carbides. The chemical composition of the cast ingot was corroborated by using energy dispersive X-ray (EDS) measurements. The carbides were characterized as V6C5 type using the method of replica extraction and electronic scanning (SEM) and transmission (TEM) microscopy. The temperatures of phase transformations involving A2-α(Fe, Al, V), B2 Fe(Al, V), and L21 Fe2AlV were measured by differential scanning calorimetry (DSC).
The optimum heat treatment conditions to redistribute, reduce average size and decrease the formation in grain boundaries of the vanadium carbides were found. Also it was found the optimal conditions for grain refinement of the alloy during hot rolling. It was observed that hot rolling process can remove intergranular microcracks generated during solidification. Additionally, a post lamination heat treatment was tested for homogenizing the grain size obtained by hot rolling.

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