J . E . N . 80-DMe/l 5

JUNTA DE ENERGÍA NUCLEAR

A C E R O S A L B O R O

P a r t e I. P repa rac ión

Por

JARAÍZ FRANCO, E. y ESTEBAN HERNANDEZ, J. A.

MADRID, 1 960

Toda correspondencia en relación con este trabajo debe d i r i g i r s e al Servicio de Documentación y Bibl ioteca , Junta de Ener_ gía Nuclear , Serrano 121, Madr id , ESPAÑA.

Este t rabajo ha sido dado a publicación el 19-1-60

Í N D I C E

P a g .

1. INTRODUCCIÓN i

2. P A R T E E X P E R I M E N T A L 2

2. 1. M A T E R I A L E S 2

2. L 1. B o r o 2

2. 1. 2. A c e r o 2

2. 1. 3. A l u m i n i o 3

2 . 2 , FUSION Y COLADA 3

2. 2 . 1. M o l d e s 3

2, 2. 2, M e c a n i z a d o 3

2, 3 . CONSTITUCIÓN DE LOS A C E R O S A L BORO 4

2. 3 . 1, M e t a l o g r a f í a

2, 3 . 2. A n á l i s i s po r R a y o s X . 8

2. 3 . 3 . D e n s i d a d 10

2. 4 . NOTAS P R E L I M I N A R E S SOBRE LAS CONDICIONES DE FORJA 10

BIBLIOGRAFÍA 13

1

A C E R O S A L B O R O

Pa r t e I, P reparac ión

Por

JARAÍZ FRANCO, E. y ESTEBAN HERNANDEZ, J. A,

1. I N T R O D U C C I Ó N

Aunque el volumen de l i t e ra tu ra referente a ace ros al Boro con muy poca cantidad de este elemento (del orden de 0,001 por ciento), es conside-r a b l e , debido a su influencia sobre la templabil idad de los m i s m o s , en cam-bio los ace ros al tos en Boro (hasta 4 por ciento de boro) han recibido muy poca atención debido a sus pobres propiedades m e c á n i c a s , y así" entre los p r i m e r o s t rabajos se encuentra el de R, Wasmuht (1) que t ra ta el tema pero desde un ángulo puramente científico, estudiando la influencia de diversos t ra tamientos t é rmicos sobre cambios e s t r u c t u r a l e s , du reza s , etc,

Sin embargo , con la puesta en servicio de los p r i m e r o s r eac to res nu-c lea res de potencia, se c reó la necesidad del empleo de mate r ia les de con-t ro l y a is lantes para c ier to tipo de radiac iones . En este sentido el boro , en a leaciones tipo F e - B , se ha revelado como un elemento muy interesante ya que posee una sección eficaz elevada (7 50 barns ) frente a neutrones t é r rm cos , permi te reduci r el peso con respecto a los blindajes clásicos y su p r e -cio es re la t ivamente bajo, Por t o d a s es tas razones es tas aleaciones se han empleado en c ier to tipo de r eac to re s de potencia,

Asi uno de los p r i m e r o s y más completos t rabajos publicados sobre el t ema (2) se ref iere a la producción de aceros al tos en boro para la fabr ica-ción de b a r r a s de control con destino al r eac to r ingles "Bepo", Sobre la fa-br icación de ace ros inoxidables al bo ro , son in te resan tes los t rabajos (3-7), Es tos ace ros se distinguen por sus buenas propiedades ant icorros ivas y se han utilizado con éxito como blindaje t é rmico (1 por ciento de boro) y b a r r a s de control (2 por ciento de boro) en el r eac to r exper imental de agua hi rv ien-do de Argonne National Labora tory , División de Metalurgia.

2

El objeto de la p resen te m e m o r i a es es tablecer las condiciones p r e c i s a s para la producción en escala de laborator io de ace ros altos en boro ( 1 a 4 por ciento de boro) en l ingotes de d ive r sas formas y t a m a ñ o s , que sean re la t ivamente forjables. El método utilizado es la fusión al a i r e de la mezcla adecuada (acero y fe r ro-boro) en hornos ds inducción con cr i so l básico de magnes ia . También se añade aluminio pues pa rece demostrado que ent re c ie r tos l imi tes aumenta la forjabi-lidad de es tos a c e r o s .

2. PARTE EXPERIMENTAL

2..1. MATERIALES

2. 1. 1. Boro. - Debido a la facilidad de oxidación del boro , éste no se puede añadir a l acero en fusiones al a i r e , en forma de boro e lementa l , s i -no protegido por otros e l ementos , concre tamente introducido en una fe r ro-a leac ión .

En el comercio se encuentran d ive r sa s c lases de F e r r o - B o r o . La que mejor se adaptó a n u e s t r a s neces idades es el de siguiente composición química : B = 16,2 por ciento; F e = 68,46 por ciento; Al 7 .7 por ciento; C = 0,39 por ciento; Si = 5 000 ppm N = 980 ppm; S = 22 ppm; P = 100 ppm; Mn = 0 , 3 0 por ciento. Es necesa r io que e lementos con periodos de semides in tegrac ión elevados se encuen-t ren en la menor proporción posible.

2= 1.2. Acero . - Es necesar io que el ace ro de part ida se encuentre comple-tamente desoxidado para evi tar la formación de óxidos de boro al añadir este elemento. También deberá e s t a r lo más l impio posible de i m p u r e z a s y de elementos de vida media al ta .

El carbono in te resa que es té en la menor proporción posible ya que aumenta las dificultades de forja, laminado y cualquier otro t rabajo en caliente.

El ace ro con que t raba jamos t iene la siguiente composición química en los elementos que nos in t e re san :

C = 0.054 por ciento

Mn = 0,034 por ciento

Es te ace ro ha sido pos te r io rmente desoxidado con aluminio (1 por ciento de aluminio) y procede de una colada especia l real izada por el Instituto del Hier ro y del Acero de Madrid, para la Sección de Investigación Metalúrgica de la J . E . N .

3

^" ^=3. Aluminio, - Este elemento se añade por dos razones . a) como desoxidante (8-10); evitar formación de bora tos , bj como elemento aleante permi te t raba ja r a c e r o s con un contenido

en boro más a l to .

2 , 2 . FUSION Y COLADA

La fusion se r e a l i z a , como se ha indicado an te r io rmen te , en hornos de inducción de 20 Kw y alta frecuencia. Exis te cier ta d i s -crepancia en la l i t e r a tu ra sobre los reves t imien tos a emplear para r ea l i za r la fusion de es tos m a t e r i a l e s . Así" Middleham y cois . (2) preconizan el uso de reves t imien tos ácidos mien t r a s que Hochmann y Deses t re t (3) se incl inan por reves t imientos bás icos . Nosotros he-mos empleado reves t imien tos bás icos ya que en fusiones a l a i re y en nues t ra s condiciones de t rabajo existe la posibilidad de la p resen-cia de alumina en los baños que con la silice de los recubrimientos ác idos , forma un eutéctico de punto de fusión .1 550 °C y por tanto dicho recubr imiento se a t aca r í a fuer temente , lo cual ha sido confir-mado por la exper iencia . Los rendimientos en boro obtenidos son mayores para producciones pequeñas que para l a s grandes siendo en aquéllas del orden del 80 por ciento. La fusión de cha ta r ra de estos a c e r o s , presenta el m i s m o rendimiento,

Con objeto de e l iminar impurezas y contaminación de boro , los c r i so les deben l imp ia r se completamente después de cada colada.

El f e r ro -boro se oxida fácilmente sobre todo si se guarda en condiciones de humedad, lo cual puede dar lugar a un alto contenido de hidrógeno en el a c e r o , deberá por tanto ca len ta rse a unos 750 °C antes de se r uti l izado.

Es tos a c e r o s son muy fluidos y pueden co la r se fácilmente a unos 1 400 °C.

2. 2. 1. Moldes. - Aun a las bajas t e m p e r a t u r a s de colada permis ib les por la baja t empera tu ra del l iquidus , los moldes de ace ro co r r i en te s , presentan erosión por los a c e r o s al boro, Sin embargo , hemos em-pleado con éxito moldes de grafi to. La superficie de los lingotes es buena y en genera l , no es necesa r io mecan iza r los antes de la forja.

2 . 2 . 2 . Mecanizado. - Con contenidos en boro hasta el 2 por ciento, estos a c e r o s se mecanizan fáci lmente de manera semejante a la fundición de h i e r ro . Al aumenta r el contenido en boro , el mecanizado se hace m á s difícil de forma que para el 4 por ciento de boro es necesar io ut i l izar h e r r a m i e n t a s con punta de carburo de volframio.

4

2, 3. CONSTITUCIÓN DE LOS ACEROS AL BORO

Aunque no ha sido investigado todavía el s i s tema t e rna r io F e - B - Al , se han establecido las pr incipales c a r a c t e r í s t i c a s de estos a c e r o s comparando los datos que se obtienen a p a r t i r de los s is tema! Fe - B (figura 1) y Al - Fe , y de los obtenidos de los estudios me ta -lográf icos y de Rayos X.

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% ATÓMICO 1Q 2Q 50 40 50 60 70

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B O R O %PESO

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Fig. 1= - Diagrama de equil ibrio F e - B según Weber y Muller .

2, 3. 1. Metalografía , - Po r medio de t écn icas m e t a l o g r a f í a s se han exami-nado una ser ie de probe tas cuyo contenido en boro osci laba entre 0, 5 por ciento de boro y 4 por ciento de boro. El estudio del d i ag ra -ma de equilibrio de la figura 1, en la zona que nos i n t e r e sa indica la exis tencia de dos fases: h i e r r o alfa 6 gamma y la fase in te rmetá l ica epsilon (Fe 2 B) que junto con la o t ra f a se , forma un eutectico. Po r tanto según que la aleación F e - B sea hipoeutéctica (3,8 por ciento de boro) o h ipe reu t í c t i ca , la fase epsilon (FezB) a p a r e c e r á como un precipi tado p r imar io o secundar io . La fase F e 2 B es ex t rao rd ina r i a -mente dura y es responsable de l a s dificultades en la forja. Pa r ece ser que el aluminio reduce la cantidad de par t í cu las grandes de F e 2 B y refina el eutectico todo lo cual contribuye en gran parte a la forjabilidad de estos a c e r o s ; además al a i so lve r se el aluminio en el h i e r r o se aumenta el p a r á m e t r o de mal la de este último elemento

5

(2,86A a 2 ,89A) (9) incrementándose por tanto su ductilidad.

Las pr incipales c a r a c t e r í s t i c a s m e t a l o g r a n e a s de es tas a lea-ciones en estado de colada, se mues t ran en l as figuras (2-5).

g. 2. - Microes t ruc tura de un ace ro con 0 ,5 por ciento B. Fe£B precipi tado en bordes de grano. 200 X.

La figura 2 (0 ,5 por ciento de boro) mues t r a la precipitación de Fe2B en los bordes de grano austení t icos p r i m a r i o s . Como se obsejr va en las figuras (3-5) la subsiguiente precipi tación de Fe2B, en mayor cantidad al aumentar el porcentaje de boro , enmascara por completo los bordes de grano que no se han podido poner de man i -fiesto ni con el r e c u r s o de técnicas metalográf icas especiales .

En las a leac iones hipoeutéct icas , se observa claramente la precipitación de fe r r i t a preeutéct ica (fase blanca) (fig. 3) en la mat r iz formada por el eutéctico de Fe2B y h ie r ro alfa.

Como ya se ha indicado, las a leaciones hipereutéct icas prese tan la fase epsilón (Fe2B) como precipi tado p r imar io con su estru< tura idiomórfica ac icular ca rac t e r í s t i ca (2) juntamente con el euté tico: epsilon + h i e r ro alfa (fig 5).

fe

i -

Fig. 3 a). - Mic roes t ruc tu ra de un ace ro con 1,8 por ciento B; fase blan. ca , f e r r i t a preeutect ica y eutéctico formado por Fe2B y hie-r r o (

7

'S^^^^ÉSí&l*^ •'•S '•^•^•••••^^WútíVtWf 1 v -n iVi-^ i «-Tv-X'nv-- • •till- i«r-'*'

l&.'&m ;:::*ffifi

Fig . 4. - Mic roes t ruc tu ra de un ace ro con 3„por ciento B. Agujas acicu-i a r e s id iomórf icas de Fe^ B y eutéct íco. 200 X.

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M t

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Fig . 5. - Mic roes t ruc tu ra de un ace ro con 4 por ciento B. Agujas ac; l a r e s id iomórf icas t ípicas de Fe¿ B . 300 X

8

Aunque la figura 4 r ep re sen ta una aleación hipoeutéct ica , s e -gún el aná l i s i s químico (3 , 18 por ciento de boro) , su e s t ruc tu ra metalográfica cor responde a una aleación hipereutéct ica lo cual pue_ de ser debido a segregación o tal vez a un desplazamiento del eutec tico por la cantidad de aluminio añadido (1,7 5 por ciento de a lumi-nio).

La figura 6 mues t r a la desborurac ión parc ia l que t iene lugar

Fig. 6. - Desboruración de un ace ro con 1,8 por ciento B; 3 horas a 960 °C y temple en agua. 100 X.

en estos ace ros al ca len ta r los a 960 °C durante 3 h o r a s , a l a i r e . Podemos obse rva r t r e s zonas , de izquierda a derecha : nácleo del ma te r i a l (es t ruc tura dendrí t ica con los const i tuyentes Fe£B y h ie-r r o alfa, zona in te rmedia desborurada (h ier ro alfa) y zona exter ior (gran cantidad de óxidos). Sin embargo en t r a t amien tos t é r m i c o s a igual t empera tu ra pero de solo 1 h o r a , no t iene lugar a dicha d e s -boruración (fig. 3b) lo cual es in te resante con v is tas a los t r a t a -mientos de preforja que hay que r ea l i za r lo s a esa t e m p e r a t u r a perc durante t iempos in fe r io res .

Anál is is por Rayos X. - Sobre m u e s t r a s r ep re sen ta t ivas de es tos ace ros con contenidos en boro comprendidos en t re 1 y 4 por ciento y utilizando la técnica de polvos, se han hecho los debygramas co -r respondientes encontrándose que todos ellos estaban constituidos

9

por dos fases: boruro de h i e r r o (Fe^B tetragonal centrada) y una fase cubica centrada en el cuerpo (solución solida de h ie r ro-a l fa ) (fig. 7a).

Pa ra es tab lecer m á s exactamente los resul tados a n t e r i o r e s , se ha logrado a i s l a r e lec t ro l i t icamente la fase Fe?B en l a s condi-ciones siguientes (11):

Fig. 7. a) . - Debygrama de polvos correspondiente a un acero con 3 , 18 por ciento B; se identifican l a s fases Fe2B y Fe(GÍ )

b). - Debygrama de polvos efectuado sobre los residuos de una ext racc ión e lectrol í t ica; fases p resen tes : Fe¿B y FeO.

anolito: c i t ra to sódico: 150 g/l ; BrK: 12 g/ l catolito: ácido ci'trico : 86 g/l ; NaCH 0,1N: 1 c m 3 / 1

relación de in tens idades : 0 ,7 /0 ,06A;

10

relación de voltajes: 22, 2V superficie mojada: 8 c m ¿

n£ osci laciones onda cuadrada 46 /min gasto: 150 cm^/h .

La in terpre tación del debygrama correspondiente (fig. 7b) m u e s t r a las rayas propias de las fases F e 2 B , FeC y o t ras todavía sin identificar. ;

3- Densidad. ~ Pa ra de t e rmina r la densidad teór ica de es tos a c e r o s se ha aplicado la siguiente formula :

Dm = D F e . (%Fe) + F F e E B . (%Fe2B)

densidad teór ica por Rayos X de \a fase FeoB = 7,335 g/cm , haciendo operaciones y tomando D_ = 7,963 queda

i* e

Dm = 7,963 + J7.33 5 - 7,963) , = % b } 8,82 K ' !

De la formula an te r io r se deduce que un aumento en el tanto por ciento de boro añadido hace disminuir la densidad media de la alea_ ción, lo cual es de gran in t e rés para la apl icación de e s t a s a leacio nes en r e a c t o r e s nuc lea res pues permi te reduci r cons iderablemen-te el peso de las m i s m a s .

Asi" la aleación con 0,5 por ciento de b o r o , dio una densidad: D = 7,850 g /cm y la de 3,08 por ciento de boro resul to ser D = 7,431 g/cm . Desde luego, no toda la disminución en la dens i -dad (0,419 g/cm^} es debida exclus ivamente al boro ya que la mayor cantidad de aluminio de esta u l t ima, influye también.

4. NOTAS PRELIMINARES SOBRE LAS CONDICIONES DE FORJA;

Aunque el estudio sobre el t rabajo en cal iente de estos a c e r o s , forja, laminado e tc . , e s t a rá comprendido en la segunda par te de es te t raba jo , adelantamos en este apar tado algunas de las condi-ciones más impor tan tes para la forja de es tos m a t e r i a l e s . En la. figura 8 m o s t r a m o s una se r ie de l ingotes de d i v e r s a s formas y t a -maños y con dis t in tos contenidos en b o r o , sobre los cuales se r ea -l i za rán las operac iones de forja.

Los l imi tes de t e m p e r a t u r a s de forja son e s t r echos : 850 ° C - 1 09 0°C;.el carbono en cantidades supe r io re s a 0, 10 por ciento aumen-ta l a s dificultades de forja; la existencia de cualquier grieta en el ma te r i a l durante la operación de forja, tiene mucha importancia ya que se propaga a todo el m a t e r i a l . Sin e m b a r g o , aún observando

11

• W l

Fig. 8= - Lingotes de ace ro al Boro obtenidos según las técnicas desc r i t a s .

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12

O z

1 * <

1

Aleaciones Forjables.

BORO %PESO

F i g , 9. Curva de fo r j ab i l idad de l o s a c e r o s a l B o r o en función de l % en B o r o y A l u m i n i o ,

12

es t rechamente todas es tas condic iones , la forjabilidad de es tos a c e r o s es muy baja. En la figura 9 se r ep resen ta la forjabilidad de es tos a c e -ros a l boro en función de su contenido en aluminio (2); de la observación de es ta figura se deduce la imposibi l idad de forjar a ce ros con conteni-dos en boro super iores al 4,"5'por ciento y aun és tos muy difícilmente. No obstante c ier tos inves t igadores han conseguido colar ace ros en for-ma de lingote y tubo con contenidos en boro del orden del 6 por ciento.

13

B I B L I O G R A F Í A

1. R. Wasmuht: "Veber Háirtungsercheinungen der E i sen-Bor Segrerungen". Archiv. für das Eisenhüttenwesen" , vol 5 nov. 1931.

2. T .H. Middleham y c o l s . : "High-Boron Alloy Stee ls" Iron and Steel , vol 9, October 1957.

3. J. Hochmann et Deses t r e t . "Les a c i e r s a forte teneur en Bore" Actas de la 25 Conferencia de Ginebra, A/conf. 15 /P/1272.

4. A. P . Beard y cols: "Stainless Steel Base Boron Al loys" Knolls Atomic Power Laboratory : KAPL-137 1.

5. J. A. Be rge r and W. L. Keene: "A new sta inless S'ceel for Atomic Power" Steel , 9 s e p t . , 1957, 141, n2. 11, p. 104-107.

6. " 1 % Boron Stainless Steel used for atomic shielding" Mater ia ls in Desing Engineer ing , July 1957, 46 , n- 1, p. 145.

7. "Fabr ica t ion of s ta inless steel boron alio? i r rad ia t ion specimens with unbonded and bonded cladding" UAPL-2000-1 .

8. H. A. Lloman and E. L. Evans : "Studies in the Deoxidation of Iron". Journal Iron and Steel Ins t i tu te , May 1950 p. 81-90.

9. Metals Handbook (edición-1948).

10. Sykes and Banfield : "The physical p roper t i e s of Iron Aluminum Alloy s" J. of the Iron and Steel Ins t i tu te , 1934, 130.

11. J. Te r r aza y J. A. Esteban. "Separación electrol í t ica de inclusiones" Informe a la J. E .N . Dic iembre 1957. Sin publicar .

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J . E . N . 8 0 - D M e / l 5 U 3 A A B , U 6 A A B , P 0 3 4 Z K 1 1 , Z £ 1 5

Junta de Energía Nuclear, Division de ¡fetalurgia, Madrid " B o r o n s t e e l " I P a r t . P r e p a r a t i o n "

JARAÍZ FRANCO, E. y ESTEBAN HERNANDEZ, J,A. (i960) 13 pp. 9 figs, 11 reís;. With ihe advent of the f i rs t nuclear reactors arise.the need for conbrol

rods and shielding duties for some types of radiations. One of the materials used for this purpose has been the high boron steel.

This paper describes the letting .and casting procedures employed for the production, at laboratory scale, of steels with Boron content ranging from 1 to 4. per cent, as well as the metalographic and X-Ray techniques used for the identification of the present phases. The electrolytic thechnique employed • for the.isolation of the,Fe^Bphase and i ts .subsequet X̂ Ray identification has proved to be satisfactory.

J . E . N . 80-DMe/ l 5 TJ3AAB , U6AAB , P034 ZK11, ZK15

Junta de Energía Nuclear, División de Metalurgia, Madrid

" B o r o n s t e e l " I P a r t . P r e p a r a t i o n " JARAÍZ.FRANCO, E. y ESTEBAN HERNANDEZ, J. A. (i960) 13 pp. 9 figs. 11 refs.

With the advent of the f i rs t nuclear reactors arise the need, for control rods and shielding duties for some types of radiations. One of the materials used for this, purpose has been the high boron steel.

This paper describes the melting and casting procedures employed for the production, at laboratory scale, of steels with Boron content ranging from 1 to h per cent, as well as the metalographic and X-Ray techniques used for the identification of the present phases. The electrolytic thechnique employed

for the isolation of the Fe^ phase and i ts subsequet X-Ray identification has proved to be satisfactory.

J . E . N . 8 0 - D M e / l 5 U 3 A A B , U 6 A A B , P 0 3 4 Z K l l ; ZK15

Junta de Energía Nuclear, Division de Metalurgia, Madrid " B o r o n s t e e l " I P a r t . P r e p a r a t i o n "

JARAÍZ FRANCO, E. y ESTEBAN HERNANDEZ, J .A, ( i960) 1 3 p p . 9 f i g s . 11 r e f s . With the advent of the f i r s t nuclear reactors arise the need for control

rods and'shieldlng duties for some types of radiations. One of the materials used for this purpose has been the high boron steel.

This paper describes the melting and casting procedures employed for the production, at laboratory scale,, of steels with Boron content ranging from 1 to k per cent, as well as the metalographic and X-Ray techniques used for the .identification of the present phases. The electrolytic thechnique employed for the isolation, of the F^B;phase, and .its, subsequet X-Ray identification has proved to be satisfactory.

J . E . N . 80-DMe/ l 5 U3AAB, U6AAB, P034 Z K l l , ZK15

Junta de Energía Nuclear, Division.de Metalurgia, Madrid

" B o r o n s t e e l " I P a r t . P r e p a r a t i o n . " JARAÍZ FRANCO, E. y ESTEBAN HERNANDEZ, J. A. (i960) 13 pp. 9 figs. 11 refs.

With the advent of the f i r s t nuclear reactors arise the need for control rods and shielding duties for some types of radiations. One of the materials used for this purpose has been the high boron steel.

This paper describes .the melting and casting procedures employed for the production, at laboratory scale* of steels with Boron content ranging from 1 to h per cent, as well as the metalographic and X-Ray techniques used for the identification of the present phases. The electrolytic th'echnique employed

for the isolation of the F^B. phase and its subsequet X-Ray identification lias proved to be satisfactory.

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