1. Introducción

Los aceros microaleados son aquellos que tienen en su composición química pequeñas cantidades de elementos como el Nb, V y Ti, normalmente en porcentajes que varían entre 0.001 a 0.15% en peso, los cuales en combinación con otros elementos aleantes (Mn, Si, Mo, Cr, Ni), y un tratamiento termomecánico adecua- do imponen a los aceros una excelente combinación de resistencia, tenacidad, ductilidad y soldabilidad [1-5].
La adición de niobio en los aceros tiene como finalidad mejorar las propiedades mecánicas al afectar a la evolución microestructural de distintas formas. El papel que desempeña el niobio tiene que ver con el retraso en la recristalización de la austenita deformada cuando este elemento se encuentra en solución sólida [6] o en forma de carbonitruros de tamaños nanométricos [7], pues se obstaculiza el deslizamiento de los límites de grano, de tal forma que la elongación de los granos y la deformación acumulada mejoran la nucleación de la ferrita y aumentan el endurecimiento por precipitación [6-13].
La cinética de la formación de los precipitados depende de las variables del proceso y la composición química del acero, pero poco se ha avanzado en comprender cómo interactúa la precipitación con la recristalización estática. Se sabe que la formación de los precipitados ocurre de manera incoherente en la fase austenítica inducida por la deformación plástica. El tamaño de los precipitados es del orden de los cientos de nanómetros, con formas cúbicas o redondeadas y localizados a lo largo de la matriz y los límites de grano de la austenita original [14]. El interés principal del trabajo es el estudio mediante microscopía electrónica de transmisión (MET) de los precipitados formados durante la deformación plástica en un laminador dúo reversible. Se ha empleado el MET para la caracterización de las partículas presentes, en cuanto a forma y distribución dentro de la matriz, implementándose las técnicas necesarias para el adelgazamiento de muestras a los espesores adecuados para su observación microscópica. La composición química de los precipitados se ha obtenido mediante EDX y se han realizado estudios de la matriz y el precipitado mediante PEELS.

2. Metodología experimental

2.1. Fabricación
El acero fue fabricado en un horno de inducción que tiene una capacidad de carga máxima de 250 kg. El horno trabaja con una fuente de poder de frecuencia variable que esta alimentada de una red de 460 V y 60 Hz, con una capacidad de potencia nominal de 150 kW y un voltaje máximo de 2400 V. La variación de frecuencia fue de 1200 Hz como máximo. Como materia prima se empleó una carga de acero de muy bajo contenido de carbono y hierro electrolítico; las adiciones de elementos aleantes y desoxidantes fueron hechas con metales grado reactivo y ferroaleaciones de bajos contenidos de carbono.
El acero se vació en varias lingoteras metálicas de 101.6 mm de ancho y 150 mm de longitud, en las cuales se adicionaron pequeñas cantidades de aluminio. Este elemento se empleó como desoxidante en la etapa final del vaciado para evitar la formación de porosidades en el lingote durante el vaciado por el muy bajo contenido de carbono de los aceros (0.02% en peso). En la tabla 1 se presenta la composición química del acero microaleado fabricado.

Tabla 1. Composición química del acero, (% en peso).

2.2. Laminación en caliente
El acero fabricado para el presente trabajo fue sometido a un tratamiento termomecánico tal y como se ilustra en la figura 1.

Fig. 1. Tratamiento termomecánico del acero microaleado.

Antes de laminar los lingotes de acero se mecanizaron para eliminar rechupes y las imperfecciones superficiales que pueden ocasionar defectos como pliegues o fracturas.
Los lingotes se cortaron en dos partes cuyas dimensiones de cada una fueron de 101.6 x 88.9 x 70 mm. En un horno tubular, los lingotes de acero se recalentaron hasta la temperatura de 1250° C durante tres horas. Posteriormente se deformó en caliente en un laminador dúo reversible escala laboratorio de 50 toneladas de capacidad, aplicando una reducción de área de 5:1, para producir placas de 13 mm de espesor y longitudes de 250 a 300 mm, sacarlas del horno y enfriarlas al aire. El último paso de laminación terminó en el intervalo de temperaturas de 950° C a 900° C. Las mediciones de temperatura se realizaron con un pirómetro óptico de radiación infrarroja.

2.3. Adelgazamiento (pulido electrolítico)
Se prepararon metalográficamente y desbastaron por la técnica de electropulido varias muestras de acero para su estudio por microscopia electrónica de transmisión (MET), obteniendo probetas de 3 mm de diámetro y espesores de aproximadamente 50 µm. El electropulido por chorro de ácido se realizó teniendo en cuenta varios factores tales como el tipo material por adelgazar, el tipo y el espesor del electropulido, tipo y concentración del electrolito, fotosensibilidad, temperatura y velocidad de bombeo del electrolito. La solución que se ha empleado en el ataque electrolítico es una mezcla de 5% en volumen de ácido perclórico y 95 % de metanol.

2.4. Técnicas de identificación y medición de precipitados
Para el estudio de los precipitados se utilizó un MET marca Phillips modelo CM200 analítico con detectores de electrones retrodispersados, espectrómetro de dispersión de energía de rayos X (EDX) modelo ultra thin window y la técnica de espectrometría de pérdida de energía electrónica (PEELS) modelo Digi- PEELS 766.
Del análisis de las imágenes de campo claro se determinó la presencia, distribución, tamaño y morfología de los precipitados en el acero. Asimismo, las técnicas de EDX y PEELS se aplicaron para la evaluación semicuantitativa de las composiciones químicas de los precipitados. En particular, los espectros del análisis de PEELS fueron obtenidos en modo de difracción, con longitud de cámara de 360 mm y ángulo de colección 4.9 mrad, con resolución del orden de 1.2 eV.

3. Resultados y discusión

Por efecto de la laminación en caliente del acero en el dúo reversible, la deformación acumulada fue equivalente a aplicar al acero una deformación eficaz de 1.8. Esta magnitud de deformación implica que el acero terminó de laminarse en la región de recristalización dinámica. Por tanto se puede esperar que la microestructura final del acero tenga granos equiaxiales de tamaños pequeños. En este caso el tamaño de grano promedio fue de 16 µm, que es menor al alcanzado en un acero de composición similar pero sin niobio, deformado a la misma reducción y temperatura (29 µm) [15]. Esto significa que la adición de niobio en el acero tuvo un efecto de afino de la microestructura por un mecanismo adicional al de la recristalización dinámica.
Se sabe que el niobio en solución sólida en el acero precipita durante la laminación en caliente en forma de carbonitruros. Estas partículas obstaculizan el crecimiento de grano y retrasan significativamente la recristalización estática [16]. De esta manera la microestructura permanece deformada sin recristalizar aún a temperaturas elevadas, lo cual favorece una nucleación elevada y un crecimiento pequeño de los granos de ferrita durante el enfriamiento. Termodinámicamente, la temperatura de formación de precipitados se puede calcular conociendo la composición química del acero. Suponiendo que el precipitado más estable termodinámicamente es el carburo de niobio, la temperatura de solubilidad empleando datos de tablas termodinámicas varía entre 950° C [17] y 1017° C [18]. Por encima de estas temperaturas, el niobio se encuentra en solución sólida en el intervalo de temperaturas donde se efectúa la laminación en caliente y por ende se encuentra disponible para la formación de precipitados inducidos por la deformación [19].
En general, el tamaño de las partículas varió entre 20 y 180 nm y tuvieron distintas morfologías (Tabla 2): cubos con caras planas y con vértices redondeados, redondas, esferas irregulares y poliedros. Para cada forma de partícula en esta misma Tabla 2 se ha escrito el intervalo de tamaños, la densidad de partículas y el lugar donde se localizan en la microestructura. La densidad media de precipitados por micra cuadrada fue de 25.

Tabla 2. Características de los precipitados encontrados en el acero microaleado.

En la figura 2 se muestra una imagen del MET representativa de los precipitados con las formas, tamaños y distribución típica de los encontrados en el acero. Los análisis semicuantitativos por EDX hechos a algunos precipitados señalan la presencia de niobio y carbono, tal y como se puede observar en la figura 3 en el espectro de rayos X. Estos análisis de EDX indican claramente que los precipitados son carburos de niobio.

Fig. 2. Distribución de precipitados en el acero.

Un estudio más detallado de la composición química de los precipitados se realizó mediante la técnica de pérdida de energía de electrones (PEELS) en el MET. Los espectros de PEELS obtenidos en la región donde se encuentran los precipitados de carburo de niobio y en la zona de la matriz del acero microaleado se presentan en las figuras 4 y 5.
En la figura 4 se presentan dos espectros de pérdida de energía adquiridos en regiones de la matriz del acero y en zonas internas de los precipitados, notándose con claridad el borde de ionización del carbono (K: 284 eV). Se observa que en la región de la matriz de Fe se ve una señal muy pequeña que corresponde al borde del carbono, mientras que en la región donde hay precipitados, el borde de carbono resalta claramente. Un análisis breve de la forma del borde de ionización del carbono muestra que este no se encuentra libre, sino en forma de compuesto. Por tanto, el carbono contenido en el acero se localiza principalmente en los precipitados.
En la figura 5 se presentan dos espectros en la región del borde de ionización del Fe, adquiridos también en dos zonas, una de ellas con precipitados, notándose claramente el borde de ionización del hiero (L3: 708 eV, L2: 721 eV). Se observa de forma cualitativa que la intensidad relativa de los picos correspondientes a los bordes L2 y L3, es diferente en las dos zonas.

Fig. 3. Precipitados de NbC y espectro de EDX, acero microaleado.

Fig. 4. Espectros de PEELS de la región del borde de ionización del C de zonas de la matriz de hierro y del precipitado.

Fig. 5. Espectros de PEELS de la región del borde de ionización del Fe de zonas de la matriz de hierro y del precipitado.

Aparentemente existe un cambio en la estructura electrónica del Fe. Sin embargo no se puede cuantificar e interpretar este cambio ya que al adquirir el espectro en la zona de carburos, el haz incidente de electrones también excita una región amplia de la matriz del hierro más allá del carburo. Por consiguiente, el espectro marcado como zona del precipitado es en realidad una superposición de ambas zonas. Para diferenciarlas será necesario utilizar un haz nanométrico, lo cual se realizará en trabajos posteriores.

4. Conclusiones

De los estudios realizados en el MET con las técnicas de EDX y PEELS se pueden obtener las siguientes conclusiones:
1. La laminación en caliente del acero microaleado al niobio produjo una microestructura de granos equiaxiales de tamaño promedio de 16 µm, producto de la presencia de precipitados inducidos durante la deformación y por la recristalización dinámica.
2. Los precipitados inducidos por deformación son carburos de niobio con tamaños de 20 a 180 nm, con formas poliédricas, redondas y cúbicas. La densidad fue de 25 partículas/µm2.
3. Le forma del borde de carbono en el espectro de EELS de la zona del precipitado indica que este elemento se encuentra combinado con el niobio formando un compuesto intermetálico.
Agradecimientos Los autores agradecen al CONACYT de México las facilidades para el desarrollo de este trabajo. Los estudios de Luis Béjar G. en el CIMAV, S.C. son apoyados por la U.M.S.N.H. y el PROMEP.

5. Referencias

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