¿Qué tan difícil es fabricar acero especial para portaaviones nacionales? ¿Por qué es tan difícil?
El acero especial para portaaviones es bastante difícil de fabricar y actualmente sólo unos pocos países pueden producirlo. Una de las razones por las que el "portaaviones nacional" de la India no se ha construido durante tanto tiempo es porque el acero especial utilizado en él es insuficiente en producción o está prohibido exportarlo o exportarlo en pequeñas cantidades por Estados Unidos, Rusia y otros países. Como dice el refrán, las cosas raras son más valiosas y es cierto que un tornillo de un portaaviones se puede cambiar por un coche de lujo.
El acero especial que se utiliza actualmente en los portaaviones probablemente esté desarrollado y mejorado a partir de acero especial procedente del Reino Unido, Alemania y Estados Unidos. El acero de alta resistencia HT utilizado por la Armada británica era un acero para construcción naval y blindaje ligero y se utilizó al final de la Primera Guerra Mundial. El acero HT es un acero al carbono que contiene una pequeña cantidad de níquel, lo que le permite endurecerse a un nivel superior sin agrietarse, es decir, es muy tenaz. No fue hasta alrededor de 1945 que Duke y sus hijos desarrollaron el acero Duke, que generalmente contenía sólo manganeso y silicio como elementos de aleación. Aceros similares incluyen el acero con bajo porcentaje de níquel de Alemania y el acero de alta resistencia HTS de Estados Unidos, que utiliza una aleación más compleja de cromo, vanadio y molibdeno.
Los acorazados clase Nelson y HMS Rodney construidos en 1927 por la Royal Navy británica utilizaron acero Duke para reducir el peso, pero este acero provocará daños en la estructura de acero cuando sea bombardeado. Posteriormente se utilizó en la práctica de diseño del sistema antitorpedo del último acorazado británico, el acorazado clase King George V. Su casco interno, mamparos de torpedos y cubiertas internas están hechos de acero Duke, una forma súper resistente de acero de alta resistencia.
Dado que Japón fue una potencia aliada en la Primera Guerra Mundial, la construcción de la Armada japonesa inicialmente recibió mucho apoyo técnico de los británicos. El acero utilizado fue construido por Vickers, Armstrong Whitworth y Mitsui. Los cruceros pesados clase Mogami fueron diseñados originalmente con mamparos de acero Duke completamente soldados, que luego se soldaron al casco. Un fallo provocado por la soldadura eléctrica utilizada en parte de la estructura del casco provocó una deformación y la torreta principal no pudo entrenar correctamente. Los otros dos fueron rediseñados y reconstruidos con construcción remachada. Más tarde, los buques de guerra japoneses como los portaaviones Kaga, Flying Eagle, Shokaku y Shinano se construyeron con acero Duke.
La Armada italiana utiliza acero similar al acero Duke en el sistema de defensa contra torpedos de los buques de guerra. Este sistema de "bulto" submarino se introdujo en los acorazados italianos clase Littorio, así como en los acorazados italianos completamente reconstruidos Caio Duilio y Conti di Cavo. El interior del costado del barco está compuesto por una capa de acero de alta resistencia al silicio-manganeso de 28-40 mm de espesor, llamado acero ER.
Un informe de fabricación de 1970 sobre el acero Duke W30 encontró que, a menos que se realizara un tratamiento térmico posterior a la soldadura a una temperatura suficiente de 675 grados Celsius, se produciría fragilización de la zona afectada por el calor en la soldadura. Los grandes acorazados construidos por la Armada japonesa antes y después de la Segunda Guerra Mundial utilizaban estructuras de acero Duke totalmente soldadas, lo que rápidamente provocó graves problemas similares a los de los cruceros pesados clase Mogami. Además, la potencia de los torpedos utilizados durante la Segunda Guerra Mundial superó rápidamente incluso los mejores sistemas de protección blindada. Los torpedos podían eludir completamente el sistema de protección al detonar bajo la quilla del barco. Por lo tanto, los portaaviones abandonaron gradualmente el uso del acero Duke y. Sólo se utiliza armadura ligera, que se utiliza en campos civiles como puentes de carreteras y calderas de vapor de locomotoras y recipientes a presión de reactores nucleares.
En otra rama se desarrolló alrededor de 1910 el acero especial producido en la fábrica militar Krupp. Esta armadura de acero homogéneo con superficie endurecida reduce eficazmente los ataques desde ángulos elevados al cuerpo protector. La Carnegie Steel Company desarrolló una nueva aleación de acero de níquel, cromo y vanadio que, aunque el vanadio ya no se utilizó después de 1914, proporcionaba una mejor protección que las anteriores armaduras de acero y níquel. Este acero de aleación se denominó más tarde "acero de tratamiento especial" después de que Krupp lo utilizara en la industria militar.
El acero especial se utiliza como blindaje homogéneo con un espesor inferior a 102 mm, inicialmente para blindaje homogéneo de soportes de armas y torres de mando, que son mucho más gruesos. Es un poco más resistente que el promedio de cualquier armadura similar, y si bien el acero especial es costoso en comparación con las armaduras tradicionales, Estados Unidos podía permitírselo y usarlo generosamente, y lo usó en casi todas las piezas de armadura que Estados Unidos construyó entre 1930 y el resto del mundo. Guerra II. Se utiliza en buques de guerra de todas las clases, y su uso abarca desde mamparos hasta protección contra escombros, y desde la cubierta blindada del barco hasta el cinturón blindado inferior.
Después de la Segunda Guerra Mundial, se convirtió en la forma estándar de acero al níquel para la Oficina de Construcción y Reparación Naval de EE. UU. (más tarde conocida como Oficina de Buques) para su uso en todas las partes de los buques de guerra que requerían un blindaje protector homogéneo contra impactos directos. . La Oficina de Transporte Marítimo de EE. UU. llevó a cabo un programa de investigación para desarrollar un acero de alta resistencia para su uso en la construcción de barcos y submarinos. Durante las pruebas, una variante del acero especial modificado con carbono y níquel y con la adición de molibdeno, el llamado "acero especial bajo en carbono", reunió la mejor combinación de todas las propiedades deseables. Posteriormente se utilizó acero especial con bajo contenido de carbono en la práctica en el submarino USS Mackerel y en el portaaviones USS Forristal.
El acero especial con bajo contenido de carbono se convirtió posteriormente en otro acero especial, el HY-80. El HY-80 finalmente se convirtió en el acero estándar para la construcción de submarinos y portaaviones durante la Guerra Fría, especialmente en el desarrollo del casco de presión de. El proyecto de submarino nuclear estadounidense todavía se utiliza en muchas aplicaciones navales. Su valor radica en su rendimiento superior en relación resistencia-peso.
El acero HY tiene la fuerza para resistir la deformación plástica permanente. HY-80 está acompañado por HY-100 y HY-130, donde 80, 100 y 130 representan sus límites elásticos de 80.000 psi, 100.000 psi y 130.000 psi respectivamente. Tanto el HY-80 como el HY-100 son soldables; sin embargo, generalmente se considera que el HY-130 no es soldable. Los métodos modernos de fabricación de acero pueden controlar con precisión el tiempo y la temperatura durante el procesamiento del acero HY, lo que hace que los costos de fabricación sean más económicos.
HY-80 tiene buena resistencia a la corrosión y buena conformabilidad para proporcionar soldabilidad. El uso de acero HY-80 requiere una cuidadosa consideración de los procedimientos de soldadura, la selección del metal de aportación y el diseño de las juntas para tener en cuenta los cambios microestructurales, la deformación y las concentraciones de tensión. El acero HY-80 es miembro de la familia de aceros de baja aleación y bajo contenido de carbono con níquel, cromo y molibdeno como elementos de aleación y es endurecible. Aunque el acero es muy soldable debido a su contenido de carbono y aleaciones, presenta sus propios desafíos. El contenido de carbono puede oscilar entre 0,12 y 0,20 en peso (relación en peso), con un contenido total de aleación de hasta 8 en peso. Durante el desarrollo del acero HY, el objetivo principal era crear una clase de acero con un límite elástico y una tenacidad general excelentes, lo que se logró en parte mediante temple y revenido.
El acero se trata primero térmicamente a 900 °C para austenitizar el material antes del enfriamiento. El rápido enfriamiento durante el enfriamiento produce una estructura de martensita muy dura. La estructura de martensita no se puede producir directamente y sólo se puede templar a aproximadamente 650 °C para reducir la dureza general. Después del templado, se forma una estructura de martensita o bainita.
La microestructura final de la soldadura estará directamente relacionada con la composición del material y los ciclos térmicos a los que ha sido sometida, que cambiarán en el material base, zona afectada por el calor y zona de fusión. La microestructura del material estará directamente relacionada con las propiedades mecánicas, soldabilidad, vida útil y rendimiento del material o soldadura. Cuando se utiliza acero HY-80, es necesario coordinar y considerar los elementos de aleación, los procedimientos de soldadura y el diseño de la pieza soldada. Otro acero especial, el HY-130, también incluye vanadio como elemento de aleación.
El contenido de aleación del acero especial variará ligeramente en función del espesor de la placa. Las placas gruesas estarán más restringidas en su rango de aleación de composición debido al aumento de las concentraciones de tensión en las uniones de conexión, lo que aumentará los desafíos de soldabilidad. El carbono controla la dureza máxima del material y es un estabilizador de austenita, necesario para la formación de martensita. HY-80 forma fácilmente martensita y la dureza máxima de la martensita está relacionada con el contenido de carbono. El níquel puede aumentar la tenacidad y ductilidad del HY-80 y también es un estabilizador de austenita. El manganeso elimina las impurezas del acero (más comúnmente sulfuros) y forma los óxidos necesarios para la nucleación de la ferrita en forma de aguja. Se requiere ferrita acicular en el acero HY-80 porque mejora el límite elástico y la tenacidad excelentes. Precursor de óxido de silicio utilizado para limpiar ferrita acicular y proporcionar sitios de nucleación. El cromo es un estabilizador de ferrita que puede combinarse con el carbono para formar carburos de cromo para aumentar la resistencia del material. Una de las dificultades a la hora de fabricar acero especial es que es necesario controlar cuidadosamente la cantidad de estas aleaciones, lo que requiere procesos de fabricación mecánicos precisos.
Los posibles problemas de soldabilidad solo se pueden evitar tomando las precauciones adecuadas. Dado que el HY-80 es un acero endurecible, existen preocupaciones sobre la formación de acero sin templar en la zona de fusión y la zona afectada por el calor.
El proceso de soldadura producirá gradientes de temperatura pronunciados y un enfriamiento rápido, lo que formará martensita no templada, por lo que se deben tomar precauciones para evitar este proceso y se deben aprovechar los cambios de temperatura y las oportunidades de templado. Para agravar el problema de la soldabilidad está el uso común del acero HY-80 en placas navales gruesas o grandes soldaduras. Estas placas gruesas, grandes soldaduras y entornos de servicio rigurosos presentan riesgos adicionales debido a las concentraciones de tensiones internas y externas en las uniones soldadas.
El agrietamiento inducido por hidrógeno o asistido por hidrógeno es un problema práctico de soldabilidad que debe resolverse para el acero HY-80. La fragilización por hidrógeno es la formación de pequeñas grietas o burbujas en el puerto, y la fragilización por hidrógeno es propensa a ocurrir en todos los entornos de fabricación de HY-80. Puede ocurrir en la zona de fusión o en la zona afectada por el calor, porque la martensita se forma fácilmente en estos. áreas, por lo que existe riesgo de fragilización por hidrógeno. El craqueo inducido por hidrógeno o el craqueo asistido por hidrógeno en la zona de fusión se pueden abordar mediante el uso de metal de aportación adecuado, mientras que el craqueo inducido por hidrógeno o el craqueo asistido por hidrógeno en la zona afectada por el calor deben abordarse mediante procedimientos de precalentamiento y soldadura. Por lo tanto, siempre se recomienda el funcionamiento con bajo contenido de hidrógeno al soldar acero HY-80.
La soldadura autógena del HY-80 es imposible debido a la formación de martensita sin templar. Es necesario utilizar metales de aportación para introducir materiales de aleación para formar óxidos que promuevan la nucleación de la ferrita acicular. Pero la zona afectada por el calor sigue siendo un problema y las velocidades de enfriamiento deben controlarse mediante procedimientos adecuados de precalentamiento y soldadura. En la zona afectada por el calor, las velocidades de enfriamiento lentas pueden ser tan perjudiciales como las velocidades de enfriamiento rápidas, que pueden formar martensita sin templar. Y el enfriamiento muy lento debido al alto precalentamiento o la combinación de precalentamiento y alto aporte de calor del procedimiento de soldadura puede producir martensita muy quebradiza debido a la alta concentración de carbono formada en la zona afectada por el calor.
El precalentamiento solo se puede utilizar para permitir que el hidrógeno difuso se difunda y reduzca el gradiente de temperatura de enfriamiento. Velocidades de enfriamiento más lentas reducirán la probabilidad de formación de martensita. Si la temperatura de precalentamiento no es lo suficientemente alta, el gradiente de temperatura de enfriamiento será demasiado pronunciado, lo que producirá una soldadura quebradiza. La soldadura de múltiples pasadas requiere temperaturas mínimas y máximas entre pasadas para mantener el límite elástico y evitar grietas. Las temperaturas de precalentamiento y entre cuentas dependerán del espesor del material.
Generalmente, para soldar se utiliza alambre de soldadura AWS-1-1. ER100S-1 tiene un menor contenido de carbono y níquel, lo que ayuda con el efecto de dilución durante el proceso de soldadura mencionado anteriormente. Una función importante del metal de aportación es nuclear ferrita acicular. La ferrita acicular se forma en presencia de óxidos y la composición del metal de aportación puede aumentar la formación de estos puntos críticos de nucleación. Pero la soldadura de HY-130 se considera más difícil porque es difícil obtener materiales de relleno que proporcionen un rendimiento similar.
La elección del proceso de soldadura puede tener un impacto significativo en la zona afectada por la soldadura. El aporte de calor puede cambiar la microestructura de la zona afectada por el calor y la zona de fusión. La tenacidad del metal de soldadura y la zona afectada por el calor es un requisito clave para las soldaduras HY-80. Al seleccionar un proceso, se debe considerar la integridad de la soldadura porque las placas gruesas a menudo requieren múltiples pasadas y pasadas adicionales pueden alterar el metal de soldadura previamente depositado. Los diferentes métodos de soldadura por arco manual, soldadura por arco metálico con gas y soldadura por arco sumergido pueden tener un impacto significativo en la tenacidad a la fractura de los materiales. Tomando como ejemplo la soldadura por arco sumergido, debido a que generalmente tiene características de alta entrada de calor, puede tener un impacto significativo. impacto en el anterior El cordón de soldadura está templado. En otras palabras, las habilidades de los trabajadores tienen un impacto clave en el éxito o el fracaso de la soldadura de acero especial. Si no se acumulan suficientes talentos técnicos superiores, es fácil fracasar en el nivel de soldadura.
La curva de dureza detallada de las soldaduras HY-80 cambia con diferentes procesos (el gradiente cambia mucho), pero el pico de dureza permanece sin cambios entre diferentes procesos. Esto se aplica tanto a la zona afectada por el calor como al metal de soldadura.
Dadas las diferencias de composición entre el metal base y la zona del compuesto de soldadura, es razonable esperar que se produzca una posible distorsión debido a una expansión y contracción desigual. Este efecto mecánico puede provocar tensiones residuales que pueden provocar diversos fallos inmediatamente después de la soldadura o cuando se trabaja bajo carga. En el acero HY-80, el grado de deformación es directamente proporcional al nivel de entrada de calor de soldadura. Cuanto mayor es la entrada de calor, mayor es el nivel de deformación.
La detección del acero HY-80 se puede dividir en dos categorías: destructiva y no destructiva.
Los resultados se pueden obtener mediante una variedad de pruebas destructivas, y las pruebas no destructivas incluyen muchas técnicas o métodos: inspección visual, pruebas de rayos X, pruebas ultrasónicas, pruebas de partículas magnéticas y pruebas de corrientes parásitas. Una vez que se detecta que se trata de un daño destructivo, todos los esfuerzos anteriores serán en vano y será necesario reconstruirlo.
Y diferentes empresas multinacionales fabrican diferentes equipos para fabricar acero especial. Por ejemplo, el acero forjado de HY-80 es producido por ArcelorMittal de los Estados Unidos, y las piezas forjadas y fundidas de HY-80 son. producido por Sheffield Producido por Master Forge, las piezas fundidas de HY80 son producidas por Goodwin Steel Castings en el Reino Unido. Dado que la división global del trabajo de este tipo de acero especial se concentra principalmente en países como el Reino Unido y los Estados Unidos, y todos usan los mismos pantalones, es más fácil formar barreras técnicas y quedarse estancado en la tecnología central del acero especial. Esto no se puede comprar con dinero. Puedes lograr avances tecnológicos en la cadena industrial y volverte autosuficiente, o solo puedes conseguir una mirada cariñosa uniéndote a su círculo de amigos. En la fabricación de acero especial no hay problemas que se puedan solucionar con dinero, pero esto no se puede solucionar diciendo que es mejor comprar que fabricar.