ES2198049T3 - Un acero y una herramienta tratada termicamente del mismo fabricados mediante un procedimiento pulvimetalurgico integrado y uso del acero para herramientas. - Google Patents
Un acero y una herramienta tratada termicamente del mismo fabricados mediante un procedimiento pulvimetalurgico integrado y uso del acero para herramientas.Info
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Abstract
Un acero fabricado por vía pulvimetalúrgica para herramientas para operaciones de conformado y/o corte, caracterizado por que presenta la siguiente composición de aleación en %p: 1, 4-1, 6 (C+N) máx. 0, 6 Mn máx. 1, 2 Si 3, 5-4, 3 Cr 1, 5-3 Mo 1, 5-3 W, en donde 6<Weq<9, y Weq = %W + 2 x %Mo 3, 5-4, 5 V máx. 0, 3 S máx. 1 Co una cantidad total de máx. 1, 0 de Nb + Ta + Ti + Zr + Al una cantidad total de 0, 5 de otros elementos, incluyendo impurezas inevitables y hasta 0, 1 Sn, hasta 0, 005 Pb y máx. 0, 3 Cu, y el resto Fe.
Description
Un acero y una herramienta tratada térmicamente
del mismo fabricados mediante un procedimiento pulvimetalúrgico
integrado y uso del acero para herramientas.
La invención se refiere a un acero fabricado por
vía pulvimetalúrgica para herramientas, en particular para las
llamadas herramientas de trabajado en frío, para operaciones de
conformado y/o corte. La invención también se refiere a la
herramienta fabricada de acero que ha logrado unas características
deseadas específicas por medio de un tratamiento térmico que se ha
adaptado a la composición de aleación y a la técnica de fabricación
pulvimetalúrgica. La invención también se refiere al procedimiento
integrado de fabricación del acero, a la herramienta, y al
tratamiento térmico de la herramienta, en donde la expresión
``integrado'' significa que la técnica de fabricación
pulvimetalúrgica, así como el tratamiento térmico de la herramienta,
contribuyen a la consecución de la combinación deseada de
características de la herramienta finalizada.
Los aceros del tipo indicado en el preámbulo se
denominan generalmente aceros trabajados en frío. Las aplicaciones
típicas de los aceros trabajados en frío son boquillas para
extrusión fría de metales; contratroqueles para moldeado profundo y
para prensado de polvo; cuchillas y otras herramientas para rasgado
y corte, etc. Un acero bien conocido para este tipo de aplicaciones
es un acero de alta velocidad fabricado por vía pulvimetalúrgica
que tiene la composición 1,28 C, aproximadamente 0,3 Si,
aproximadamente 0,5 Mn, 4,2 Cr, 5,0 Mo, 6,4 W, 3,1 V, el resto de
Fe e impurezas. Un inconveniente de este acero es que no muestra una
tenacidad que satisfaga las demandas más alltas. Otro acero
fabricado por vía pulvimetalúrgica conocido en la técnica tiene la
composición 1,5 C, 0,1 Si, 0,4 Mn, 8,0 Cr, 1,5 Mo, 4,0 V, el resto
de Fe e impurezas. Este acero, también tras un templado, posee un
contenido comparativamente alto de austenita residual, que se
atribuye al elevado contenido de cromo, que reduce la dureza. Por
tanto, desde hace mucho tiempo se ha demandado un material que
combine las características de dichos aceros. Más particularmente,
esto se puede expresar de tal forma que existe una demanda de un
acero que rinda unas características óptimas en lo que respecta a
la tenacidad, resistencia al desgaste y dureza para el campo de uso
pretendido, al mismo tiempo que se mantenga el contenido total de
materiales de aleación, y en particular los elementos de aleación
más exclusivos, en un nivel comparativamente bajo con el fin de
hacer que el material también resulte favorable desde el punto de
vista del coste.
El propósito de la invención es satisfacer las
demandas mencionadas anteriormente. Esto se puede conseguir dado
que la invención se caracteriza por lo incluido en las
reivindicaciones adjuntas. Sin limitar la invención a ninguna
teoría específica, se explicará con más detalle la importancia de
los diversos elementos de aleación y los diversos constituyentes
estructurales para lograr la combinación deseada de
características. En lo que respecta a los porcentajes, los
contenidos de la aleación se miden siempre en % en peso, y los
constituyentes estructurales en % en volumen, si no se indica nada
más.
El carbono y el nitrógeno pueden aparecer en una
cantidad de al menos 1,4% y no más de 1,6%, preferiblemente al menos
1,44% y no más de 1,56%; de forma típica 1,5%. Normalmente, el
contenido de nitrógeno representa no más de 0,1%, pero la técnica
pulvimetalúrgica hace posible disolver hasta aproximadamente 1% de
nitrógeno, si el contenido de carbono es tan bajo que la cantidad
total de carbono y de nitrógeno es de 1,4-1,6%. Por
tanto, una variante del acero se caracteriza por que el acero
contiene un elevado contenido de nitrógeno, como máximo 1,0%, por
ejemplo 0,3-1,0% N, que se puede conseguir mediante
nitruración en fase sólida del polvo producido, en donde en
nitrógeno puede sustituir al carbono en los componentes duros que
estarán presentes en el acero de la herramienta final. Así pues, se
incluirá 40-60% del carbono y del nitrógeno en
componentes duros no disueltos de tipo MX, es decir, carburos o
carbonitruros primarios, en los que M es básicamente vanadio y X es
carbono y/o nitrógeno, mientras que el resto se disuelve
prácticamente en la matriz o está presente como componentes duros
precipitados. Los contenidos de carbono+nitrógeno inferiores a 1,4%
no producen una dureza y una resistencia al desgaste suficientes,
mientras que los contenidos mayores de 1,6% pueden provocar
problemas de fisuración.
El manganeso está presente en cantidades que
resultan normales para estos tipos de acero, es decir, entre al
menos 0,1% y no más de aproximadamente 0,6%. El contenido típico de
manganeso es de aproximadamente 0,3%.
El silicio está presente en una cantidad de al
menos 0,1% y puede existir en cantidades de hasta 1% o no más de
1,2% en una variante aleada con silicio, pero normalmente el acero
no contiene más de 0,6% de silicio o de forma típica aproximadamente
0,5% de silicio.
El azufre no está normalmente presente más que
como impureza del acero, es decir, en una cantidad de no más de
0,03%. Sin embargo, con el fin de mejorar la capacidad de corte del
acero, se puede añadir hasta 0,3% de azufre en una variante aleada
con azufre. En este caso, el azufre contiene
0,1-0,3% de azufre.
El cromo estará presente en una cantidad de al
menos 3,5% con el fin de producir una dureza suficiente al acero.
Sin embargo, el contenido de cromo no debe exceder de 4,3%. Si el
contenido de cromo es mayor, se corre el riesgo, especialmente a
temperaturas de disolución comparativamente bajas, de que no se
disuelvan los carburos de cromo existentes en el acero. Los carburos
de cromo implicados a este respecto son los tipos M_{7}C_{3} y
M_{23}C_{6}, que no son deseados. Además, la precipitación de
los carburos M_{2}C o correspondientes en la martensita que se
forma durante el enfriamiento desde la temperatura de templado,
cuya precipitación es deseable según la invención, estará
influenciada de forma perjudicial por el contenido de cromo cuando
la austenita residual se transforme en martensita. Con mayores
contenidos de cromo, se corre el riesgo de que el contenido de
austenita sea mayor del deseable. Esta austenita residual no sólo
tendrá impacto sobre la precipitación de los carburos M_{2}C o
correspondientes, sino que también será no deseable per se, debido a
que podría reducir la dureza, lo que puede provocar una deformación
plástica, por ejemplo una deformación de las esquinas o bordes
agudos de la herramienta durante su uso.
Tanto el molibdeno como el tungsteno puede
aparecer en el acero en una cantidad de al menos 1,5% pero no más de
3%. Preferiblemente, cada uno de dichos elementos existirá en una
cantidad entre 1,8-2,8%, de forma adecuada
2,1-2,7%, típicamente 2,5%. No obstante, W_{eq} =
% W + 2 x % Mo deberá ser al menos 6 y no más de 9, preferiblemente
al menos 6,5 y no más de 8,5, de forma adecuada al menos 7 y no más
de 8, típicamente 7,5. El menor contenido de W_{eq} se requiere
con el fin de obtener una precipitación deseada de los carburos
M_{2}C o correspondientes (nitruros, carbonitruros) en conexión
con la elevada temperatura de templado que se describirá más
adelante, mientras que el máximo contenido se elige con el fin de
evitar la formación principalmente de carburos M_{6}C, es decir,
carburos de W, Mo que no son deseables según la invención.
Maximizando el contenido total de molibdeno y tungsteno de este
modo, el contenido de los carburos M_{6}C y correspondientes se
puede maximizar hasta 2%, preferiblemente hasta 1% máximo. En
realidad, generalmente no aparecen carburos M_{6}C o
correspondientes detectables en el acero de la invención.
El vanadio puede existir en una cantidad de al
menos 3,5% con el fin de que el acero consiga una resistencia al
desgaste deseada mediante un elevado contenido de carburos MC o los
correspondientes carbonitruros. El contenido máximo puede llegar
hasta 4,5%. La tenacidad será muy baja si el contenido de vanadio es
mayor.
El acero de la invención no contiene ningún
formador de carburos o nitruros añadido de forma intencionada aparte
de los formadores de carburos y nitruros mencionados y del hierro.
La cantidad total de niobio, tantalio, titanio, zirconio y
aluminio, y posiblemente otros formadores de carburos y/o nitruros
más fuertes totaliza como máximo 1,0%.
El cobalto es un elemento que en general aumenta
la dureza del acero. No se añade de forma intencionada al acero de
la invención, pero puede existir como componente en las materias
primas usadas y en particular este puede ser el caso en el que se
fabrique acero en plantas con una producción principal de aceros de
alta velocidad, y se puede tolerar en cantidades de hasta 1% como
máximo.
El acero de la invención no debería contener
ningún componente de aleación adicional, añadido de forma
intencionada. Puede aparecer cobre en una cantidad máxima de hasta
0,3%, estaño en una cantidad máxima de hasta 0,1%, y plomo hasta
0,005%. El contenido total de estos elementos e impurezas en el
acero, con excepción del hierro, puede llegar hasta un máximo de
0,5%.
Se prepara una mezcla fundida con la composición
de aleación de la invención. Se desintegra una corriente de metal
fundido hasta conseguir gotas muy pequeñas por medio de un gas
inerte que puede ser argón o nitrógeno. En particular se usa
nitrógeno si el acero se debe alear de forma intencionada con
nitrógeno. Las gotas de enfrían a medida que descienden a través
del gas inerte y solidifican como un polvo fino. La composición de
cada grano de polvo individual será muy homogénea debido a que la
segregación no tiene tiempo a tener lugar durante el curso de la
solidificación. No obstante, en los granos de polvo, existen
carburos MC o carbonitruros primarios precipitados, cuando los
granos de polvo contienen una elevada cantidad de nitrógeno.
Aproximadamente la mitad de la cantidad, o 40-60%
del contenido total del carbono y nitrógeno se recoge en los
carburos MC, o carbonitruros correspondientes, en los que M es
vanadio. Estos carburos o carbonitruros tienen un tamaño de
partícula que no excede de 3 \mum, y al menos 90% de la cantidad
total de estos productos duros presenta tamaños comprendidos en el
intervalo 0,1-3 \mum.
El polvo se tamiza y se carga en cápsulas de
lámina metálica al vacío y después se sellan, con lo que las
cápsulas junto con su contenido se compactan en frío primeramente y
a continuación se someten a un prensado isostático en caliente,
denominado ``HIP-ación'', a una temperatura superior
a 900ºC, comprendida normalmente en el intervalo
900-1.200ºC, y a una presión superior a 90 MPa,
normalmente en el intervalo 90-150 MPa.
Posteriormente, el material se forja y se pasa por rodillos para
conseguir la forma y las dimensiones deseadas de modo convencional.
Tras la finalización del trabajado en caliente, el material se
somete a recocido blando a una temperatura de aproximadamente 900ºC
y después se enfría lentamente.
El material se entrega en su estado recocido
blando a los fabricantes de herramientas para distintos usos. Los
fabricantes de herramientas engloban, a saber, un grupo heterogéneo
de fabricantes. En primer lugar las instalaciones para el
tratamiento térmico de las herramientas finalizadas difieren mucho,
lo que tiene que ver con factores tales como el grado de
especialización de los fabricantes de herramientas, la edad de la
planta, etc.
Básicamente, existen dos tipos de plantas, a
saber por una parte las plantas en las que es posible y
convencional endurecer el acero desde unas elevadas temperaturas de
tratamiento térmico de disolución, lo que significa temperaturas
comprendidas en el intervalo 1.100-1.225ºC, y por
otra parte las plantas en las que los hornos no permiten alcanzar
temperaturas mayores de 1.000-1.100ºC para el
tratamiento térmico de disolución. En primer lugar, los fabricantes
de herramientas de acero de alta velocidad pertenecen al primer
grupo, mientras que los fabricantes de herramientas de acero
trabajado en frío convencionales pertenecer al segundo grupo. Es un
propósito de la invención satisfacer estas dos categorías. Según el
aspecto más amplio de la invención, las herramientas fabricadas se
endurecen mediante un tratamiento térmico de disolución a una
temperatura entre 1.000 y 1.225ºC, seguido de un enfriamiento rápido
hasta por debajo de 500ºC con el fin de evitar la formación de
perlita y/o bainita, después de lo cual el enfriamiento puede
continuar a una velocidad inferior mediante enfriamiento al aire
hasta temperatura ambiente o al menos hasta por debajo de 50ºC. A
continuación el material se templa a una temperatura comprendida
entre 190 y 580ºC al menos dos veces, cada vez durante al menos
media hora, pero normalmente durante un período de tiempo no
superior a 4 h en conexión con cada operación de templado.
El resultado en términos de microestructura del
material, y por consiguiente también en términos de las
características mecánicas del mismo depende de en qué parte de
dichos intervalos de temperatura para el tratamiento térmico de
disolución, y para el templado, opere el fabricante de herramientas.
En el primer caso (la alternativa de alta temperatura), es posible
elegir una temperatura de endurecimiento (temperatura del
tratamiento térmico de disolución) dentro de un intervalo de
temperatura comparativamente amplio, generalmente comprendido en el
intervalo entre 1.050-1.250ºC dependiendo de la
dureza que se desee para el producto final tras el templado. No
obstante, para la operación de templado, se aplica un intervalo de
temperatura más estrecho con el fin de conseguir un efecto de
endurecimiento secundario, a saber, una temperatura entre 520 y
580ºC. Los carburos MC y/o los correspondientes carbonitruros se
disuelven sólo parcialmente, pero prácticamente todos los demás
carburos y nitruros se disuelven completamente durante el
tratamiento térmico de disolución. El grado de disolución de los
carburos MC depende de la temperatura de tratamiento térmico de
disolución. En el enfriamiento intensificado se forma martensita,
que es el constituyente dominante de la matriz. En ésta, hay
2-15, preferiblemente 2-15% en
volumen de carburos MC o los carbonitruros correspondientes no
disueltos No obstante, también después de la operación de
enfriamiento permanece una cierta cantidad de austenita residual. El
templado a 520-580ºC, normalmente a
550-560ºC, persigue la transformación de la
austenita residual en martensita y hacer que los carburos M_{2}C
y/o los correspondientes carbonitruros precipiten en la martensita.
Con el fin de asegurar que prácticamente toda la austenita residual
se transforma en martensita, el templado se lleva a cabo dos o más
veces. Los carburos M_{2}C o correspondientes precipitados tienen
un tamaño menor de 100 nm. El tamaño típico se encuentra, según los
estudios realizados y publicados previamente, en el intervalo de
tamaños 5-10 nm. En otras palabras son
submicroscópicos y por tanto no se pueden observar por medio de
microscopios convencionales. No obstante, se reconocen a través del
endurecimiento secundario que se consigue durante la operación de
templado, siendo dicho endurecimiento secundario algo que
caracteriza a este tipo de precipitación. Por tanto, se puede
establecer de forma implícita que los carburos M_{2}C existen en
grandes cantidades en la matriz martensítica del material de la
invención. No obstante, no se encuentra dentro del marco del
trabajo de desarrollo de la invención cuantificar la cantidad de
carburos M_{2}C precipitados, en donde M puede representar
cualquier metal formador de carburos en la aleación, tal como
tungsteno, molibdeno, cromo, hierro y vanadio, pero en general se
puede decir que el número de carburos M_{2}C excede ampliamente
de, por ejemplo, 1.000 carburos/\mum^{2}. Aunque otros metales
aparte de tungsteno y molibdeno formen parte de los carburos
M_{2}C, dichos elementos son los ingredientes fundamentales. Esta
es una de las razones por las que W_{eq} debería ser al menos 6,
preferiblemente al menos 6,5 y de forma adecuada al menos 7% en el
acero. Además de los carburos MC y/o los correspondientes
carbonitruros no disueltos y los carburos M_{2}C y/o los
carbonitruros precipitados secundarios, el material templado no
contiene ningún otro carburo de forma notable. Así pues, el
material está libre de carburos de cromo y los carburos M_{6}C
tampoco aparecen de forma apreciable.
En cuanto se refiere a la alternativa de baja
temperatura, el tratamiento térmico de disolución se lleva a cabo a
una temperatura comprendida entre 1.000 y 1.100ºC, mientras que el
templado se lleva a cabo típicamente a una temperatura entre 190 y
250ºC, más particularmente entre 190 y 220ºC. El tratamiento
térmico de disolución corresponde al tratamiento térmico de
disolución en la alternativa de temperatura elevada, dentro de la
parte inferior del intervalo más amplio según se mencionó
anteriormente, lo que implica que se logra una menor disolución de
los carburos MC y una disolución prácticamente total de todos los
demás carburos. El enfriamiento se lleva a cabo del mismo modo según
la alternativa anterior. El templado se lleva a cabo dos o más veces
durante al menos media hora cada vez. Los carburos M_{2}C no
precipitan y tampoco se consigue el mismo efecto pronunciado de
endurecimiento secundario en este templado de baja temperatura. En
lugar de eso, precipitan los carburos M_{3}C que consisten
fundamentalmente en cementita. Una cierta cantidad de la austenita
residual, como máximo 20%, preferiblemente como máximo 15%, no se
transforma en martensita, sino que existe como parte de la matriz en
la herramienta finalizada según esta alternativa. Esto reduce en
cierto grado la dureza del material, pero por otra parte, la
cantidad de carburos MC no disueltos restantes es mayor que tras el
templado a temperatura elevada, lo que mejora la resistencia al
desgaste. La alternativa que incluye la menor temperatura de
tratamiento térmico de disolución y la menor temperatura de
templado de la misma puede ser un tratamiento térmico más ventajoso
para ciertos tipos de herramientas, dependiendo de su campo de uso,
o deseable dependiendo del acceso limitado a hornos con
aproximadamente 1.100ºC como su temperatura más alta posible.
La invención se explicará con más detalle con
referencia a los experimentos realizados y a los resultados
conseguidos. En la presente invención se hará referencia a los
dibujos que acompañan, en los que:
La Fig 1 muestra la dureza en función de la
temperatura de endurecimiento tras un templado a alta temperatura
de un acero según la invención y de un material de referencia;
La Fig. 2 muestra la resistencia a la flexión
(resistencia a la tensión) en función de la temperatura de
endurecimiento del acero de la invención para dos temperaturas de
templado alternativas y de igual modo para un material de
referencia;
La Fig. 3 muestra la resistencia a la flexión
(deflexión) en función de la temperatura de endurecimiento para los
mismos materiales y en las mismas condiciones que para la Fig.
2;
La Fig. 4 muestra la resistencia al desgaste de
un número de aceros examinados;
La Fig. 5 muestra la tenacidad en términos de
resistencia al impacto para un número de aceros examinados;
La Fig.6 ilustra el contenido de carburos MC de
un acero de la invención y el contenido de carburos MC y de carburos
M_{6}C de otro material tras templado a diferentes temperaturas de
tratamiento térmico de disolución;
La Fig. 7 muestra la microestructura de un acero
de la invención tras el tratamiento térmico; y
La Fig. 8 muestra una herramienta típica para la
que se puede usar el acero de la invención.
En una primera serie de experimentos se
fabricaron siete variantes de aleaciones, aceros nº
1-7 de la tabla 1. Se prepararon polvos a partir de
las aleaciones fundidas según la técnica que se ha descrito en la
anterior descripción breve de la invención. El polvo se rellenó en
pequeñas cápsulas de lámina metálica, \diameter 46 mm, longitud
aproximadamente 0,5 m. Las cápsulas se cerraron y se pusieron en
vacío, tras lo cual se compactaron las cápsulas y su contenido
hasta densidad completa, por medio de prensado isostático en
caliente a una temperatura de 1.150ºC y una presión de 100 MPa.
(TABLA 1 pasa a página
siguiente)
Tras el prensado isostático en caliente, las
muestras no se sometieron a ningún tratamiento térmico distinto de
lo que es normal para la producción a escala completa. En lugar de
eso, cada cápsula "HIP-ada" se corto en trozos
para seguir un tratamiento término según la tabla 2.
Temperatura de tratamiento térmico de
disolución, ºC, durante el
endurecimiento
| Templado | 1000 | 1050 | 1100 | 1150 | 1180 | 1200 | 1220 |
| \SOH | \SOH | \SOH | \SOH | \SOH | \SOH | \SOH | |
| 200ºC, 2 x 2 h | \SOH | \SOH | \SOH | \SOH | \SOH | \SOH | \SOH |
| 500ºC, 3 x 1 h | \SOH | \SOH | \SOH | ||||
| 520ºC, 3 x 1 h | \SOH | \SOH | \SOH | ||||
| 540ºC, 3 x 1 h | \SOH | \SOH | \SOH | ||||
| 550ºC, 3 x 1 h | \SOH | \SOH | \SOH | ||||
| 560ºC, 3 x 1 h | \SOH | \SOH | \SOH | \SOH | \SOH | \SOH | \SOH |
| 580ºC, 3 x 1 h | \SOH | \SOH | \SOH | ||||
| 600ºC, 3 x 1 h | \SOH | \SOH | \SOH |
Se midieron la dureza y los tamaños de grano de
las muestras endurecidas y templadas. El tamaño de grano varió entre
7 y 10 \mum para las muestras que se habían endurecido desde como
mínimo 1.150ºC. La dureza varió dependiendo del contenidode
carbono. Mediante la elección del contenido de carbono de 1,5% C se
consiguió una dureza de aproximadamente 64 HRC tras el templado. No
obstante, se estimó que la cantidad total de molibdeno y tungsteno
fue algo más baja con el fin de obtener el endurecimiento
secundario en un grado deseable mediante la precipitación de los
carburos M_{2}C tras tratamientos a alta temperatura de
aproximadamente 560ºC, que resulta óptimo para tal endurecimiento
por precipitación. Por consiguiente se produjo, para estudios
adicionales, un acero con el siguiente análisis objetivo
(composición típica) 1,5 C, 4,2 Cr, 2,5 Mo, 2,5 W, 4,0 V,
cantidades normales de Mn y Si, el resto de Fe e impurezas
inevitables. En la tabla 1, acero nº 8, se proporciona la
composición analizada. De igual forma se han incluido en la tabla 1
las composiciones típicas de un número de materiales de referencia,
aceros nº 9-13.
Se fabricaron apenas 6 toneladas de polvo a
partir del acero nº 8. El polvo se rellenó en cápsulas, conteniendo
cada una de ellas aproximadamente 1.500 kg de polvo. Las cápsulas
se cerraron, se pusieron en vacío, se compactaron isostáticamente
en frío y en caliente a una temperatura de 1.150ºC y una presión de
100 MPa, se forjaron y se pasaron por rodillos hasta conseguir forma
de varillas, algunas de ellas hasta las dimensiones de \diameter
aproximado de 6,2 mm. Las probetas se maquinaron hasta un tamaño de
\diameter 6 mm. También se fabricaron probetas similares a
partir del acero nº 9.
Las probetas se endurecieron utilizando
diferentes temperaturas de tratamiento térmico de disolución, que
varían entre 1.000 y 1.200ºC, y se templaron 3 x 1 h a 560ºC. En la
Fig. 1 se incluyen los resultados, que muestran que el material de
referencia nº 9, notablemente más aleado, poseyó la mayor dureza
pero también el acero nº 8 de la invención consiguió una dureza que
resulta suficiente para las aplicaciones pretendidas.
Después de eso, se examinó la tenacidad tras
diferentes temperaturas de tratamiento térmico de disolución para
el acero nº 8 de la invención, tras templar por una parte a 560ºC,
3x1 h, y por otra parte tras templar a 200ºC, 2x2 h y para el
material de referencia, acero nº 9, tras el mismo tratamiento de
templado que en la prueba de dureza, es decir, a 560ºC, 3x1 h. La
tenacidad se midió en términos de resistencia a la
flexión/resistencia a la tensión y en términos de resistencia a la
flexión/deflexión. En la Fig. 2 y la Fig. 3 se ilustran los
resultados. Las pruebas de la resistencia a la flexión muestran que
el acero de la invención mostró la mayor tenacidad sin importar la
temperatura de tratamiento térmico de disolución. Adicionalmente, la
Fig. 2 muestra que la mejor tenacidad tras el tratamiento térmico
de disolución a temperaturas entre 1.050 y 1.200ºC y superiores se
consiguió tras un tratamiento de templado a temperatura elevada, es
decir, según el ejemplo a 560ºC, pero que tras la disolución a
temperaturas menores, 1000-1.050ºC, la mejor
tenacidad se consiguió tras un tratamiento de templado dentro del
intervalo de temperatura inferior, según el ejemplo a 200ºC.
\newpage
La misma tendencia se ilustra también en la Fig.
3, pero aquí resulta mucho más evidente que la mejor tenacidad se
consigue de lejos con el acero de la invención tras el tratamiento
de recocido a alta temperatura.
Para las pruebas de resistencia al desgaste, se
usaron probetas, de tamaño \diameter 15 mm. Las pruebas se
llevaron a cabo según el procedimiento conocido en la técnica como
la prueba ``Pin on disc (punta sobre probeta giratoria), SiO_{2}
seco, papel de lija'', tamaño de grano malla 150, carga 20 N, 2
min. De igual forma, los aceros que se denominan en la tabla 1
aceros nº 11, 12 y 13 se probaron además del acero nº 8 de la
invención y el acero de referencia nº 9. El acero nº 11 fue un acero
trabajado en frío fabricado por vía pulvimetalúrgica; el acero nº
12 fue un acero de alta velocidad fabricado de modo convencional,
tipo M2; y el acero nº 13 fue un acero trabajado en frío
convencional, tipo D2. En la Tabla 4 se presentan las durezas. El
acero nº 8 de la invención se probó por una parte tras templado a
alta temperatura a 560ºC y por otra parte tras templado a baja
temperatura a 200ºC.
En lo que respecta a la interpretación del
gráfico de barras de la Fig. 4, la resistencia al desgaste es
proporcional a la altura de la barra. Los mejores resultados se
logran para el acero nº 8 tras endurecer desde 1.060ºC y templar
2x2 h a 200ºC, y el siguiente mejor fue el acero nº 8 de la
invención cuando se endureció desde 1.150ºC y se templó 3x1 h a
560ºC. Igual resistencia al desgaste mostró el acero nº 13, que es
un acero de alto contenido en cromo fabricado de forma convencional
con una gran cantidad de carburos de cromo que promueven la
resistencia al desgaste, pero que por otro lado empeoran otras
características importantes, en particular la tenacidad.
A continuación se investigó la resistencia al
impacto según el método VW (Volkswagen), tamaño de probeta 7x10x55
mm, para los aceros nº 8-13. Los tratamientos
térmicos aplicados y los resultados conseguidos se muestran en la
tabla 3. Los resultados también se ilustran en la Fig. 5, que
muestra que el acero nº 8 de la invención obtuvo de lejos los
mejores resultados de tenacidad en términos de resistencia al
impacto entre los aceros probados.
| Nº de | Temperatura de | Temperatura de templado, | Dureza, | Resistencia |
| acero | austenitización | ºC, número de operaciones | HRC | al impacto, |
| ºC | de templado y duración | julios | ||
| 8 | 1020 | 200, 2 x 2 h | 61,8 | 111 |
| 8 | 1020 | 525, 2 x 2 h | 60,5 | 100 |
| 8 | 1020 | 560, 2 x 1 h | 58,7 | 120 |
| 8 | 1100 | 560, 3 x 1 h | 61,3 | 90 |
| 9 | 1075 | 560, 3 x 1 h | 61,1 | 61 |
| 11 | 1020 | 200, 2 x 2 h | 59,7 | 88 |
| 11 | 1020 | 525, 2 x 2 h | 58,2 | 74 |
| 12 | 1050 | 560, 2 x 1 h | 57,7 | 36 |
| 13 | 1020 | 200, 2 x 2 h | 59,4 | 34 |
Finalmente también se examinó el contenido de
carburos del acero de la invención tras enfriamiento desde distintas
temperaturas de tratamiento térmico de disolución. Como referencia
también se determinó el contenido de carburos en un acero de
válvulas conocido (acero nº 10 de la tabla 1), teniendo dicho acero
un menor contenido de carbono y un contenido de vanadio algo menor
que el acero de la invención. La cantidad total de molibdeno y de
tungsteno, expresada como W_{eq}, correspondió con lo que se puede
tolerar como un mínimo según el intervalo de W_{eq} más amplio
según la invención. El estudio mostró, Fig. 6, que sólo se pudieron
detectar los carburos MC en el acero de la invención, más
particularmente entre 5 y 10% dentro de todo el intervalo de
temperatura probado. El acero nº 10 presentó un contenido menor de
5% de carburos MC, pero también carburos M_{6}C trasendurecimiento
desde temperaturas de hasta al menos aproximadamente 1.150ºC.
La Fig. 7 muestra la microestructura del acero nº
8 de la invención tras endurecimiento desde 1.100ºC, templado 3x1 h,
560ºC. Las partículas brillantes, redondas, o más o menos ovaladas
consistieron en carburos MC no disueltos. La matriz consta de
martensita templada. Los carburos M_{2}C precipitados de forma
secundaria, que existen en una gran cantidad en la matriz
martensítica, no son visibles en los aumentos reales debido a su
pequeño tamaño; tamaños del orden de 5 a 10 nm.
En la Fig. 8 se muestra una herramienta, un
troquel superior a, pensado para formar parte de una
herramienta de perforación para la que se puede usar de forma
ventajosa el acero de la invención.
Claims (14)
1. Un acero fabricado por vía pulvimetalúrgica
para herramientas para operaciones de conformado y/o corte,
caracterizado por que presenta la siguiente composición de
aleación en %p:
- 1,4-1,6 (C+N)
- máx. 0,6 Mn
- máx. 1,2 Si
- 3,5-4,3 Cr
- 1,5-3 Mo
- 1,5-3 W, en donde 6 < W_{eq} < 9, y W_{eq} = %W + 2 x %Mo
- 3,5-4,5 V
- máx. 0,3 S
- máx. 1 Co
- una cantidad total de máx. 1,0 de Nb + Ta + Ti + Zr + Al
- una cantidad total de 0,5 de otros elementos, incluyendo impurezas inevitables y hasta 0,1 Sn, hasta 0,005 Pb y máx. 0,3 Cu, y el resto Fe.
2. Un acero según la reivindicación 1,
caracterizado por que contiene al menos 1,44 y como mucho
1,56 C + N.
3. Un acero según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado por que 40%-60% del C y N está presente en
productos duros no disueltos de tipo MX, que se refieren a carburos
o carbonitruros primarios, en donde M es V y X es C y/o N.
4. Un acero según cualquiera de las
reivindicaciones 1-3, caracterizado por que
contiene máx. 0,03 S.
5. Un acero según cualquiera de las
reivindicaciones 1-3, caracterizado por que
contiene 0,1-0,3 S.
6. Un acero según cualquiera de las
reivindicaciones 1-5, caracterizado por que
contiene 3,8-4,2 Cr.
7. Un acero según cualquiera de las
reivindicaciones 1-6, caracterizado por que
6,5 \leq W_{eq} \leq 8,5, preferiblemente que 7 \leq
W_{eq} \leq 8.
8. Un acero según cualquiera de las
reivindicaciones 1-7, caracterizado por que
contiene 3,8-4,2 V.
9. Una herramienta de acero con una composición
según cualquiera de las reivindicaciones 1-8,
caracterizada por que el material de la herramienta tiene
una microestructura que consiste fundamentalmente en una matriz
martensítica y en la matriz 2-15, preferiblemente
5-10% en volumen de productos duros no disueltos
con un tamaño de partícula de 0,1-3 \mum, siendo
dichos productos duros del tipo MX, en donde M es V y X es C y/o N,
en donde 40-60% del contenido de C y N de la
aleación está unido a vanadio como carburos y/o como carbonitruros,
y una cantidad funcional de productos duros precipitados en la
matriz martensítica tras tratamiento térmico de disolución del acero
a una temperatura entre 1.000 y 1.225ºC y templado al menos dos
veces a 0,5 h a una temperatura entre 190 y 580ºC.
10. Una herramienta según la reivindicación 9,
caracterizada por que la matriz martensítica contiene una
cantidad funcional de productos duros de tipo M_{2}X, en donde M
son metales pertenecientes al grupo compuesto por Cr, Mo, W, V y
Fe, en particular Mo y W, y X es C y N, teniendo dichos productos
duros un tamaño menor de 100 nm, obtenibles templando el acero a
una temperatura entre 520 y 570ºC.
11. Una herramienta según la reivindicación 9,
caracterizada por que el material de la herramienta contiene
una cantidad funcional de productos duros de tipo M_{3}X, en
donde M es principalmente Fe y Cr, y X es C y/o N, obtenibles
templando el acero a una temperatura entre 190 y 250º, tras
tratamiento térmico de disolución a una temperatura entre 1.000 y
1.100ºC.
12. Una herramienta según cualquiera de las
reivindicaciones 9-11, caracterizada por que
el material de la herramienta tiene una dureza de al menos 62 HRC y
una resistencia a la flexión de al menos 5,5 kN/mm^{2} tras
endurecimiento desde una temperatura entre 1.100 y 1.200ºC y
templado a una temperatura entre 520 y 570ºC.
\newpage
13. Un proceso integrado para la fabricación de
un acero y de una herramienta del mismo, caracterizado por
que
se prepara una mezcla fundida de acero con una
composición de aleación según cualquiera de las reivindicaciones
1-8,
se forman gotas de la mezcla, enfriando dichas
gotas para formar un polvo de dicha aleación de acero, en el que
los productos existentes del tipo MX, en los que M es básicamente
V, y X es C y/o N, consisten en partículas, en donde al menos 90%
de la cantidad total de dichos productos duros tiene un tamaño de
partícula entre 0,1 y 3 \mum,
el polvo se densifica hasta formar un cuerpo de
densidad completa mediante un procedimiento de densificación que
comprende la compactación isostática en caliente,
el cuerpo se trabaja en caliente mediante forja
y/o rodillos,
la herramienta con la forma deseada se fabrica a
partir del producto forjado y/o moldeado en caliente con rodillos
tras el recocido blando del mismo, y
la herramienta se endurece mediante tratamiento
térmico de disolución (austenitización) a una temperatura entre
1.100 y 1.225ºC, enfriamiento intensificado hasta por debajo de
500ºC y enfriamiento continuado hasta por debajo de 50ºC, y
templado a una temperatura entre 190 y 580ºC, de tal forma que el
material de la herramienta obtendrá una microestructura según la
parte caracterizante de cualquiera de las reivindicaciones
9-12.
14. Uso de un acero con la siguiente composición
de aleación en % en peso:
- 1,4-1,6 (C+N)
- máx. 0,6 Mn
- máx. 1,2 Si
- 3,5-4,3 Cr
- 1,5-3 Mo
- 1,5-3 W, en donde 6 < W_{eq} < 9, y W_{eq} = % W + 2 x %Mo
- 3,5-4,5 V
- máx. 0,3 S
- máx. 1 Co
- una cantidad total de máx. 1,0 de Nb + Ta + Ti + Zr + Al
una cantidad total de 0,5 de otros elementos,
incluyendo impurezas inevitables y hasta 0,1 Sn, hasta 0,005 Pb y
máx. 0,3 Cu, y el resto Fe, y una microestructura que consiste
fundamentalmente en una matriz martensítica y en la matriz
2-15, preferiblemente 5-10% en
volumen de productos duros no disueltos con un tamaño de partícula
de 0,1-3 \mum, siendo dichos productos duros del
tipo MX, en donde M es V y X es C y/o N, en donde
40-60% del contenido de C y N de la aleación está
unido a vanadio como carburos y/o como carbonitruros, y una
cantidad funcional de productos duros precipitados en la matriz
martensítica tras tratamiento térmico de disolución del acero a una
temperatura entre 1.000 y 1.225ºC y templado al menos dos veces a
0,5 h a una temperatura entre 190 y 580ºC, para herramientas para
operaciones de conformado y/o corte.
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