Aleaciones utilizadas en la fabricaci´ on de mandriles a escala y tratamientos superficiales.
Los mandriles a escala de laboratorio fueron provistos por Titania S.A., proveedora de herramental sider´urgico de numerosas empresas del pa´ıs y del exterior.
Las aleaciones utilizadas para las secuencias de perforaci´on a plena escala son en su mayor´ıa de acero de bajo a medio carbono con bajo contenido de n´ıquel, cromo y molibdeno y que tambi´en contienen en bajo porcentaje silicio y manganeso. Tambi´en se utilizan superaleaciones base n´ıquel y base cobalto.
Las aleaciones de los mandriles utilizados para este trabajo de Tesis, as´ı como tambi´en los tratamientos termoqu´ımicos superficiales, son propiedad intelectual de TenarisSiderca S.A., y en virtud de un contrato de confiden- cialidad pre-existente no se divulgar´an datos precisos de composici´on qu´ımica
CAP´ITULO 4. AN ´ALISIS DE MANDRILES A ESCALA DE LABORATORIO. 45 ni tratamientos t´ermicos.
Los mandriles a escala utilizados para an´alisis metalogr´afico se clasificaron en dos grupos seg´un su aleaci´on: MTC y PIW. Estas aleaciones base hierro son de posible uso para mandriles a plena escala.
MTC Acero de 0,2 % a 0,3 %C aleado al Cr-Ni.
PIW Acero de 0,15 %C aleado al Cr-Ni-W.
Todos los mandriles fueron tratados termoqu´ımicamente para alterar sus caracter´ısticas superficiales mejorando el comportamiento al desgaste.
Este tratamiento genera una capa de ´oxidos por crecimiento intergranular desde el metal base, el cual act´ua como barrera t´ermica protegiendo del calor al interior del material y como lubricante a altas temperaturas entre el tocho y el mandril. Este tratamiento de oxidaci´on a altas temperaturas consiste, para mandriles a plena escala, en su exposici´on a una mezcla constituida por los gases de combusti´on de un horno industrial de tratamientos t´ermicos.
En el caso de los mandriles de laboratorio se realiza el mismo tratamiento pero con condiciones m´as controladas. La atm´osfera del horno de tratamiento presenta un contenido bajo en ox´ıgeno. Durante todo el tratamiento termo- qu´ımico se utiliza la misma mezcla de gases.
Para las puntas PIW, que contienen tungsteno y algo m´as de silicio que las aleaciones convencionales, denominadas MTC, se utilizan dos tratamientos termoqu´ımicos superficiales con diferentes proporciones de ox´ıgeno, mon´oxi- do y di´oxido de carbono y vapor de agua.
Este tratamiento termoqu´ımico se encuentra a´un en etapa experimental por parte de TenarisCINI S.A.
El primer grupo presenta el mismo tratamiento superficial para todas sus muestras. Este grupo de mandriles a escala fue tratado termoqu´ımicamen- te bajo atm´osfera controlada de la misma manera que los utilizados en la industria.
Para el segundo grupo se realizaron dos tratamientos superficiales, llama- dos PIW20 y PIW30, efectuados en dos laboratorios diferentes, lo cual da como resultado cuatro subgrupos. Se tomaron para el estudio seis mandriles comprendiendo ambas aleaciones y tratados en uno de los laboratorios. Los mandriles fueron nombrados con las letras de la B a la F y C¸ ero”.
El mandril A, de aleaci´on MTC, fue utilizado durante la calibraci´on del equipo, por lo cual no se registraron variables durante las secuencias de per- foraciones realizadas con el mismo y no se lo tom´o en cuenta en este trabajo.
El mandril B es el de aleaci´on MTC y los mandriles C, D, E y F son de aleaci´on PIW, siendo los dos primeros de esta aleaci´on modificados superfi- cialmente con el tratamiento PIW20 y los E y F con el PIW30.
El mandril que no fue empleado en ensayos de desgaste y fue inclu´ıdo en resina, seccionado y metalografiado, es de aleaci´on MTC y fue denominado mandril 0 (cero).
El criterio con el cual se han elaborado las aleaciones utilizadas es el de un mandril de bajo costo relativo a las superaleaciones base N´ıquel o base Cobalto. Estos mandriles base hierro, tratados superficialmente, presentan la caracter´ıstica principal de tener la capacidad de regeneraci´on continua de una barrera t´ermica de ´oxidos durante el servicio. Esta capa de ´oxidos es ´util mientras que no se alcancen temperaturas suficientemente elevadas como pa- ra comprometer la integridad de la matriz soporte. Se puede establecer que en todos los mandriles estudiados la temperatura ha superado el l´ımite m´as all´a del cual se produce la deformaci´on pl´astica del interior del mandril, lo que tiene como consecuencia la p´erdida de forma de la herramienta. La mo- dificaci´on de la geometr´ıa del mandril tiene a su vez asociada la acumulaci´on excesiva de ´oxidos en su extremo m´as solicitado.
La capa de ´oxidos original tiene un espesor m´ınimo de cerca de 50µm tal que mantiene la temperatura de la matriz por debajo de cierto umbral (alrededor de 1100◦C) por encima del cual se produce la ca´ıda de sus pro- piedades mec´anicas. No obstante, esto tambi´en se puede producir si se pro- vocaran velocidades de deformaci´on locales en el material tales que elevaran la temperatura de la superficie del mandril lo suficiente o si se produjera la acumulaci´on de ´oxidos del material del tocho impidiendo la extracci´on de calor a trav´es del mismo. En este ´ultimo caso, se produce la fluidizaci´on del
´oxido [19], aumentando el coeficiente de transferencia de calor local y tal vez afectando las propiedades mec´anicas del ´oxido subyacente. El efecto de fluidizaci´on del ´oxido podr´ıa llegar influir en los valores de tensiones de corte sobre el mandril.
CAP´ITULO 4. AN ´ALISIS DE MANDRILES A ESCALA DE LABORATORIO. 47
Figura 4.1: Deformaci´on pl´astica de las ondulaciones del perfil del mandril.
Se puede observar, arriba a la izquierda, el mandril sin desgaste mostrando las ondulaciones de manufactura. En las dem´as fotos, la microestructura bain´ıtica debajo de la superficie.
Figura 4.2: Capa de ´oxidos adherida sobre la original en la superficie m´as solicitada del mandril.
CAP´ITULO 4. AN ´ALISIS DE MANDRILES A ESCALA DE LABORATORIO. 49