ES2198903T3

ES2198903T3 - Composicion de acero para utiles.

Info

Publication number: ES2198903T3
Application number: ES99910459T
Authority: ES
Inventors: Andre Grellier; Michel Siaut
Original assignee: Aubert and Duval SA
Current assignee: Aubert and Duval SA
Priority date: 1998-04-02
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2004-02-01
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: DE69907358T2; WO1999051788A1; BR9906337A; FR2777023B1; DE991789T1; ATE239103T1; DE69907358D1; EP0991789B1; EP0991789A1; US6280685B1; CA2292742A1; FR2777023A1

Abstract

Acero de la familia llamada de 3% a 5% en peso de cromo utilizada para la fabricación de útiles resistentes al calor y que trabajan bajo fuertes tensiones, tales como las matrices de estampación y de forja, las hileras y los moldes para fundición estática o fundición a presión de aleaciones diversas como las aleaciones de aluminio, cobre o titanio.

Description

Composición de acero para útiles.

La presente invención se refiere a un acero de la familia llamada de 3% a 5% en peso de cromo utilizada para la fabricación de útiles resistentes al calor y que trabajan bajo fuertes tensiones, tales como las matrices de estampación y de forja, las hileras y los moldes para fundición estática o fundición a presión de aleaciones diversas como las aleaciones de aluminio, cobre o titanio.

Tales aceros son aleaciones de cromo, molibdeno y vanadio, elementos que les confieren las propiedades requeridas de resistencia al calor. Más precisamente, se reparten en tres familias de composiciones cuyas propiedades son semejantes, de forma que estas tres familias se emplean para las mismas aplicaciones. Se trata de composiciones que contienen, expresados en peso, los siguientes elementos de aleación:

\bullet 5% de cromo, 1,3% de molibdeno, 0,5% a 1,3% de vanadio aproximadamente, o

\bullet 3% de cromo, 3% de molibdeno, 0,5% de vanadio aproximadamente, o finalmente

\bullet 5% de cromo, 3% de molibdeno, 0,8% de vanadio aproximadamente.

Algunos de estos aceros se designan en la nomenclatura de los Estados Unidos de América AISI bajo las denominaciones H11, H12, H13, en la nomenclatura alemana DIN bajo las denominaciones W1.2343, W1.2606 y W1.2344 y están citados en la norma francesa NF A 35-590.

En su utilización, la superficie de los útiles se pone en contacto con materiales calentados a alta temperatura, por ejemplo, aluminio líquido a 600ºC/750ºC, o acero destinado a ser forjado, precalentado a 1200ºC.

En consecuencia, la misma superficie del utillaje se somete a alta temperatura; de ello resulta que se establece un régimen térmico en el utillaje, entre la parte que trabaja sometida a calentamiento y el resto de la pieza, enfriado por condiciones naturales o forzadas.

En condiciones severas de utilización en las que entran en juego temperaturas superficiales elevadas y fuertes tensiones mecánicas, la destrucción del útil es rápida, según dos principios:

-: la resistencia mecánica del material decrece regularmente a medida que se eleva la temperatura,

-: el material pierde sus propiedades iniciales que le habían sido conferidas por el tratamiento térmico preliminar por el hecho de que se producen transformaciones metalúrgicas bajo el efecto combinado de las tensiones y la temperatura y provocan el descenso, y después el derrumbamiento de la resistencia mecánica.

Se observan así deterioraciones rápidas incluso catastróficas de estos útiles empleados bajo severas condiciones, por ablandamiento, fluencia, deformación plástica y fatiga térmica de la superficie de trabajo.

La presente invención tiene como primer objeto una composición de acero que permita una buena estabilidad en servicio bajo las severas condiciones mencionadas.

La composición objeto de la presente invención comprende, expresados en porcentajes en peso:

C	0,3 - 0,4%
Cr	2,0 - 4,0%
Mo	0,8 - 3,0%
V	0,4 - 1,0%
W	1,5 - 3,0%
Co	1,0 - 5,0%
Si	0 - 1,0%
Mn	0 - 1,0%
Ni	0 - 1,0%

y el complemento está constituido principalmente por hierro e impurezas inevitables.

Preferentemente la composición se sitúa dentro de los siguientes límites:

C	0,33 - 0,37%
Cr	2,58 - 3,50%
Mo	1,20 - 2,20%
V	0,6 - 0,9%
W	1,8 - 2,6%
Co	1,5 - 3,0%
Si	0,2 - 0,5%
Mn	0,2 - 0,5%
Ni	0 - 0,3%

De manera más particularmente preferida, la composición objeto de la presente invención comprende contenidos de P, Sb, Sn y As, expresados en porcentajes en peso, que cumplen las relaciones.

P	\leq 0,008%
Sb	\leq 0,002%
Sn	\leq 0,003%
As	\leq 0,005%

mientras que el valor expresado por la relación de Bruscato

B = (10P + 5Sb + 4Sn + AS) x 0,01

es como máximo igual a 0,10%.

El conjunto de los elementos de aleaciones cuyas acciones se complementan está equilibrado para proporcionar una templabilidad suficiente necesaria para la obtención de propiedades homogéneas dentro del espesor de piezas de gran tamaño.

El carbono es el elemento endurecedor básico, su nivel está ajustado para obtener una resistencia mecánica suficiente, pero evitando, por un exceso de concentración, la formación de carburos eutécticos en la solidificación. Su contenido en la aleación según la presente invención es de 0,3-0,4% en peso, preferentemente 0,33-0,37% en peso.

El cromo y el molibdeno contribuyen a la templabilidad y al endurecimiento después del temple y revenido por la formación de carburos aleados con ocasión de los tratamientos térmicos de revenido. El contenido en estos elementos no debe ser excesivo para no favorecer exageradamente la formación de carburos de cromo-molibdeno en detrimento de los carburos de vanadio y tungsteno. El contenido de cromo en la aleación según la presente invención es de 2,0-4,0% en peso, preferentemente de 2,50-3,50% en peso, y en cuanto al de molibdeno es de 0,8-3,0% en peso, preferentemente 1,20-2,20% en peso.

El vanadio contribuye al endurecimiento con ocasión de los tratamientos de revenido por la formación de carburos específicos, lo cual permite aumentar la resistencia estructural al calentamiento, es decir, desplazar hacia arriba las temperaturas superiores admisibles en servicio. Un exceso de este elemento sería perjudicial para la tenacidad por la formación de carburos eutécticos a la solidificación y por el carácter segregante de este elemento. Su contenido en la aleación según la presente invención es de 0,4-1,0% en peso, preferentemente 0,6-0,9% en peso.

De la misma manera, el tungsteno complementa la acción del vanadio con los mismos tipos de mecanismos y contribuye asimismo al aumento de las temperaturas compatibles de empleo, y al mismo tiempo, un exceso sería perjudicial para la tenacidad y la homogeneidad estructural. Su contenido en la aleación según la presente invención es de 1,5-3,0% en peso, preferentemente 1,8-2,6% en peso.

Son las acciones complementarias y convenientemente equilibradas de estos cuatro elementos carburígenos Cr, Mo, V y W los que confieren al acero de la presente invención nuevas propiedades.

El cobalto mejora la resistencia mecánica en caliente. Su contenido en la aleación según la presente invención es de 1,0-5,0% en peso, preferentemente 1,5-3,0% en peso.

Los contenidos de silicio y de manganeso en la aleación según la presente invención son cada uno de 0-1,0% en peso, preferentemente 0,20-0,50% en peso. El contenido de níquel en la aleación según la invención es de 0-1,0% en peso, preferentemente 0-0,30% en peso.

Con carácter más general, aunque no se desea estar atado por una teoría cualquiera, se estima pues que la obtención de buenas características para tales aceros depende del equilibrio de los elementos de la aleación; este equilibrio es el resultado de las propiedades individuales de cada uno de los elementos, pero también de su interacción.

El efecto del tungsteno se deriva de la formación de carburos en cuya composición interviene este elemento. Está en competición con el cromo y el molibdeno, sabiendo que un predominio de los carburos de cromo es nefasto para la estabilidad en servicio.

No obstante:

-: la naturaleza cristalográfica de los carburos formados según los aceros es todavía mal conocida hoy en día.

-: el efecto de estos carburos sobre las propiedades y la estabilidad estructural no son conocidos más que en grandes líneas.

El acero de la presente invención está fabricado según los procedimientos aplicables a los materiales usuales citados en referencia.

La presente invención tiene igualmente por objeto un procedimiento para la preparación de acero para útiles que tenga la composición definida anteriormente, en el que, según un modo particular de realización, se practica un recocido apropiado antes del tratamiento térmico para su empleo, para conducir a una estructura metalográfica que muestra carburos finos y bien repartidos.

En un modo particular de realización, se realiza el temple calentando la pieza a una temperatura comprendida entre 1020ºC y 1100ºC, preferentemente entre 1040ºC y 1070ºC, enfriando luego según un temple escalonado a

\hbox{250ºC/320ºC}

por cualquier medio adaptado.

En un modo de realización particular, las propiedades pretendidas se obtienen después de realizar dos tratamientos de revenido, después del temple, el primer revenido se efectúa dentro del intervalo de temperaturas 550ºC/580ºC, y el segundo dentro del intervalo 580ºC/680ºC, ajustado en función de la dureza de empleo pretendida.

En otro modo de realización particular del proceso según la presente invención, a partir del metal producido por un procedimiento de acerería convencional, se realiza una refusión por electrodo consumible en vacío o por electrodo consumible bajo escoria, lo cual confiere al material una propiedad de inclusión mejorada y una mejor homogeneidad química, lo que tiene por efecto aumentar las propiedades de tenacidad y, en consecuencia, la resistencia en servicio.

Ahora se va a ilustrar la presente invención por medio de los ejemplos que siguen.

Ejemplos

Con el fin de proceder a los diferentes ensayos se ha realizado una colada de ensayo de un acero A, según la presente invención, cuya composición viene dada en la siguiente tabla:

C	0,354%
Cr	3,09%
Mo	1,36%
V	0,81%
W	2,26%
Co	2,00%
Si	0,31%
Mn	0,30%
Ni	0,08%
P	0,07%

y el complemento está constituido por hierro e impurezas inevitables.

Los diferentes materiales de referencia utilizados para estos ensayos son aceros al 5% de cromo que contienen cantidades variables de molibdeno y de vanadio.

\newpage

Los símbolos utilizados a continuación tienen los siguientes significados:

R_{m}	: resistencia máxima
R_{p0,2}	: límite elástico convencional a 0,2%
HRC	: dureza Rockwell

Ejemplo 1 Ensayo de tracción en caliente

Estos ensayos han sido realizados a diferentes temperaturas con el acero A según la presente invención, así como sobre otras tres aleaciones clásicas de aceros al 5% de cromo, que contienen molibdeno y vanadio. Los resultados están resumidos en la tabla 1 siguiente.

TABLA 1

Materiales	Temperatura de ensayo	R_{m} (MPa)	R_{p0,2} (Mpa)	Objetivo de tratamiento
	(ºC)			(HRC)
A	520	1092	916	46
5Cr 1.3Mo 0.5V		1088	851
A	550	918	753	42
5Cr 1.3Mo 0.5V		916	709
5Cr 3Mo 0.5V		842	664
5Cr 1.5Mo 1V		901	702
A	560	1028	830	46
5Cr 1.3Mo 0.5V		979	710
A	600	955	745	46
5Cr 1.3Mo 0.5V		796	552

En comparación con los materiales de referencia se observa que la resistencia en caliente puesta de manifiesto por el ensayo de tracción es mejor, particularmente a partir de que la temperatura de empleo sobrepasa los 550ºC.

Ejemplo 2 Ensayos de tracción en caliente después de un mantenimiento a la temperatura

Estos ensayos han sido realizados a la temperatura de 550ºC después de mantener el acero a 550ºC durante 50 horas, con el acero A según la presente invención así como con las tres otras aleaciones precedentemente descritas en el ejemplo 1. Los resultados están resumidos en la siguiente tabla 2.

TABLA 2

Materiales	Temperatura de	\DeltaR_{m} (Mpa)	\DeltaR_{p0,2} (Mpa)	Objetivo de tratamiento
	ensayo (ºC)			(HRC)
A	550	-15	-13	42
5Cr 1.3Mo 0.5V		-50	-40	42

5Cr 3Mo 0.5V		-18	-41	42
5Cr 1.5Mo 1V		-101	-104	42

De la misma manera, se observa que la resistencia en caliente descrita por el ensayo de tracción resulta menos alterada por un mantenimiento prolongado durante 50 horas a la temperatura de empleo para el acero según la presente invención que para los aceros de referencia.

Ejemplo 3 Ensayos de rotura bajo tensión

Estos ensayos han sido realizados con el acero A según la presente invención, así como con otra aleación de acero con un 5% de cromo, un 1,2% de molibdeno y un 0,5% de vanadio y tienen por objeto determinar la tensión necesaria para obtener una rotura de probetas en 100 horas. Los resultados se resumen en la siguiente tabla 3.

TABLA 3

Materiales	Temperatura de	Tensión (Mpa)	Tratado para (HRC)
	ensayo (°C)
	520	695
A	560	555	42
	600	360
	520	795
A	560	610	46
	600	400
	520	670
5Cr 1.2Mo 0.5V	560	420	46
	600	195
	520	795
5Cr 1.2Mo 0.5V	560	425	50
	600	188

De la misma manera que anteriormente, se observa que la estabilidad en fluencia expresada por la tensión que conduce a la rotura en 100 horas es superior para el acero según la presente invención.

Ejemplo 4 Ensayos de deformación bajo tensión

Estos ensayos han sido realizados con el acero A según la presente invención, así como con la misma aleación de acero que la utilizada en el ejemplo 3 y tenían por objeto determinar la tensión necesaria para obtener una deformación del 1% de las probetas en 100 horas. Los resultados están resumidos en la siguiente tabla 4.

TABLA 4

Materiales	Temperatura de	Tensión (Mpa)	Tratado para HRC
	ensayo (°C)
A	560	500	42
A	560	640	46
5Cr 1.2Mo 0.5V	560	350	46
5Cr 1.2Mo 0.5V	560	370	50

De la misma manera que anteriormente, se observa que la estabilidad en fluencia expresada por la tensión que conduce a un 1% de deformación en 100 horas es superior para el acero según la presente invención.

Es evidente que las formas de realización de la composición de acero para útiles según la presente invención que han sido descritas aquí arriba han sido dadas a título puramente indicativo y en ningún caso limitativo y que numerosas modificaciones pueden ser fácilmente aportadas por un facultativo sin tener que salir por lo tanto del cuadro de la presente invención.

Claims

1. Composición de acero para útiles que comprende, expresados en porcentajes en peso:

2. Composición de acero para útiles según la reivindicación 1 que comprende, expresados en porcentajes en peso:

C 0,33 - 0,37% Cr 2,58 - 3,50% Mo 1,20 - 2,20% V 0,60 - 0,90%

3. Composición de aceros para útiles según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque los contenidos de esta composición en P, Sb, Sn y As expresados en porcentajes en peso, satisfacen las relaciones

P \leq 0,008% Sb \leq 0,002% Sn \leq 0,003% As \leq 0,005%

mientras que el valor expresado por la relación de Bruscato

B = (10P + 5Sb + 4Sn + As) x 0,01

es como máximo igual a 0,10%.

4. Composición de aceros para útiles según la reivindicación 1, caracterizada porque comprende de un 1,8% a un 2,8% en peso de tungsteno.

5. Composición de aceros para útiles según la reivindicación 1, caracterizada porque comprende de un 1,5% a un 3,0% en peso de cobalto.

6. Composición de aceros para útiles según la reivindicación 1, caracterizada porque comprende de un 0,20% a un 0,50% en peso de silicio.

7. Composición de aceros para útiles según la reivindicación 1, caracterizada porque comprende de un 0,20% a un 0,50% en peso de manganeso.

8. Composición de aceros para útiles según la reivindicación 1, caracterizada porque comprende menos de 0,30% en peso de níquel.

\newpage

9. Procedimiento de preparación de acero para útiles según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque implica un temple que comprende:

-: un calentamiento del acero a temperaturas comprendidas entre 1020ºC y 1100ºC y

-: un temple escalonado a temperaturas comprendidas entre 250ºC y 320ºC.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque implica un temple que comprende:

-: un calentamiento del acero a temperaturas comprendidas entre 1040ºC y 1070ºC y

-: un temple escalonado a temperaturas comprendidas entre 250ºC y 320ºC.

11. Procedimiento según la reivindicación 9 ó 10, caracterizado porque el acero se somete a un revenido a temperaturas comprendidas entre 550ºC y 580ºC, una vez ha salido de la operación de temple.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque el acero se somete a un segundo revenido a temperaturas comprendidas entre 580ºC y 680ºC, después de salir del primer revenido.

13. Procedimiento de preparación de acero para útiles de composición según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque implica una refusión por electrodo consumible en vacío o por electrodo consumible bajo escorias.