ES2231691T3 - Acero para herramientas con tenacidad reforzada, procedidmiento de fabricacion de piezas de dicho acero y piezas obtenidas. - Google Patents
Acero para herramientas con tenacidad reforzada, procedidmiento de fabricacion de piezas de dicho acero y piezas obtenidas.Info
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Abstract
Acero para herramientas cuya composición comprende, estando los porcentajes expresados en % en peso 0, 8 C 1, 5 5, 0 Cr 14 0, 2 Mn 3 Ni 5 V 1 Nb 0, 1 Si + Al 2 Cu 1 S 0, 3 Ca 0, 1 Se 0, 1 Te 0, 1 1, 0 Mo+W/2 4 0, 06 Ti+Zr/2 0, 15 0, 004 N 0, 02 estando constituido el resto de la composición por hierro e impurezas resultantes de la elaboración, entendiéndose, además, que: 2, 5.10-4%2 (Ti + Zr/2) x N.
Description
Acero para herramientas con tenacidad reforzada,
procedimiento de fabricación de piezas de dicho acero y piezas
obtenidas.
La presente invención se refiere a una
composición de acero para herramientas que presenta una tenacidad
reforzada respecto de las clases de la técnica anterior, a un
procedimiento de elaboración de esta composición así como a las
piezas que se pueden obtener de este modo.
Los aceros para herramientas se utilizan muy
ampliamente en numerosas aplicaciones que implican particularmente
desplazamientos relativos entre piezas metálicas en contacto, donde
una de las piezas debe conservar su integridad geométrica el mayor
tiempo posible. Se pueden mencionar a título de ejemplo de
realización, las herramientas de mecanizado y de corte así como los
equipos metrológicos.
La conservación de la integridad geométrica de
estas piezas requiere una buena resistencia al desgaste, una buena
resistencia a la deformación y a la rotura bajos esfuerzos
estáticos o dinámicos, lo que implica que el acero utilizado
presenta una tenacidad y una dureza elevadas.
Por otra parte, la clase debe presentar una buena
aptitud al temple, para que la estructura sea lo más homogénea
posible en grandes espesores después del temple.
Ahora bien, estas diferentes exigencias se han
mostrado a menudo contradictorias. De este modo, se conoce una
clase de acero para herramientas para trabajo en frío denominada
AISI D2 y ampliamente extendida, que contiene el 1,5% en peso de
carbono y el 12% de cromo con algunas adiciones complementarias de
elementos carburígenos endurecedores tales como Mo o V. Los
considerables contenidos de carbono y de cromo conducen a una
importante precipitación de carburos eutécticos de tipo
M_{7}C_{3} que se forman a alta temperatura al final de la
solidificación y desde ese momento son bastos y se extienden de
manera heterogénea en la matriz metálica.
Si la presencia de una fracción volumétrica
importante de carburos duros en el acero es favorable para el
reforzamiento de la resistencia al desgaste, su mala distribución
perjudica por su parte la tenacidad.
Para resolver este problema, se ha propuesto
reducir los contenidos de carbono y cromo de este tipo de clases
con contenidos respectivos de aproximadamente el 1% y el 8% con, en
compensación, un contenido más elevado de molibdeno, del orden del
2,5% (EP 0 930 374). La reducción del contenido de carbono permite
reducir la fracción volumétrica de los carburos eutécticos, lo que
es favorable para la tenacidad. El enriquecimiento de estos carburos
en molibdeno que aumenta su dureza, permite a su vez mantener la
dureza del acero y su resistencia al
desgaste.
desgaste.
Sin embargo, seguiría siendo necesario afinar la
distribución de estos carburos para aumentar la tenacidad sin
reducir las características de dureza y la resistencia al desgaste
del acero.
Los inventores han constatado que una nueva
mejora del compromiso tenacidad - resistencia mecánica y al
desgaste da como resultado, de manera inesperada, un contenido
suficiente de nitrógeno acompañado de un contenido mínimo de
titanio y/o de zirconio, dependiendo este último del contenido de
nitrógeno.
Más precisamente, se ha observado un afinado de
los carburos de cromo, de molibdeno y de tungsteno, y un refuerzo
conjunto de la tenacidad cuando:
- por una parte N \geq 0,004%, preferiblemente
\geq 0,006%,
- por otra parte (Ti + Zr/2) x N \geq
2,5.10^{-4}%^{2},
expresándose los contenidos de Ti, Zr y N en
porcentaje ponderal.
Esta exigencia conjunta de nitrógeno y titanio o
zirconio sugiere que el factor activo es la presencia de nitruros
de titanio y/o zirconio, que se suponen que desempeñan una función
de afinador de la dimensión de los carburos de cromo, de molibdeno
y de tungsteno. La dimensión media de los carburos gruesos de
cromo, molibdeno y tungsteno pasa de este modo, de un valor típico
de aproximadamente 10 \mum según la técnica anterior, a un valor
de aproximadamente 4 \mum, según la presente invención.
Un primer objeto de la invención está constituido
de este modo, por un acero cuya composición comprende, estando los
porcentajes expresados en % en peso:
\newpage
| 0,8 | \leq | C | \leq | 1,5 |
| 5,0 | \leq | Cr | \leq | 14 |
| 0,2 | \leq | Mn | \leq | 3 |
| Ni | \leq | 5 | ||
| V | \leq | 1 | ||
| Nb | \leq | 0,1 | ||
| Si + Al | \leq | 2 | ||
| Cu | \leq | 1 | ||
| S | \leq | 0,3 | ||
| Ca | \leq | 0,1 | ||
| Se | \leq | 0,1 | ||
| Te | \leq | 0,1 | ||
| 1,0 | \leq | Mo+W/2 | \leq | 4 |
| 0,06 | \leq | Ti+Zr/2 | \leq | 0,15 |
| 0,004 | \leq | N | \leq | 0,02 |
estando constituido el resto de la composición
por hierro e impurezas resultantes de la elaboración,
entendiéndose, además, que 2,5.10^{-4}%^{2}
\leq (Ti + Zr/2) x N.
En una realización preferida de la invención, la
composición de acero comprende, estando los porcentajes expresados
en % en peso:
| 0,8 | \leq | C | \leq | 1,2 |
| 7,0 | \leq | Cr | \leq | 9 |
| 0,2 | \leq | Mn | \leq | 1,5 |
| Ni | \leq | 1 | ||
| 0,1 | \leq | V | \leq | 0,6 |
| Nb | \leq | 0,1 | ||
| Si + Al | \leq | 1,2 | ||
| Cu | \leq | 1 | ||
| S | \leq | 0,3 | ||
| Ca | \leq | 0,1 | ||
| Se | \leq | 0,1 | ||
| Te | \leq | 0,1 | ||
| 2,4 | \leq | Mo+W/2 | \leq | 3 |
| 0,06 | \leq | Ti+Zr/2 | \leq | 0,15 |
| 0,004 | \leq | N | \leq | 0,02 |
estando constituido el resto de la composición
por hierro e impurezas resultantes de la elaboración,
entendiéndose, además, que 2,5.10^{-4}%^{2}
\leq (Ti + Zr/2) x N.
El contenido de titanio y/o zirconio del acero
según la invención debe estar comprendido entre el 0,06 y el 0,15%
en peso. En efecto, más allá del 0,15% en peso, la precipitación de
nitruros de titanio y/o de zirconio tiende a coalescer y a perder
su eficacia. Sin embargo, si el contenido es inferior al 0,06% en
peso, la cantidad de titanio y/o de zirconio presente es
insuficiente para formar suficientes nitruros de titanio y/o de
zirconio para obtener la mejora deseada en tenacidad y en
resistencia al desgaste. Se observará que el zirconio se puede
sustituir total o parcialmente con titanio en la proporción de dos
partes de zirconio por una parte de titanio.
El contenido de nitrógeno del acero según la
invención debe estar comprendido entre el 0,004 y el 0,02% en peso,
preferiblemente, entre el 0,006 y el 0,02% en peso. Se limita su
contenido al 0,02% en peso ya que más allá la tenacidad tiende a
reducir.
El contenido de carbono del acero según la
invención debe estar comprendido entre el 0,8 y el 1,5% en peso,
preferiblemente entre el 0,8 y el 1,2% en peso. El carbono debe
estar presente en una cantidad suficiente para formar carburos y
alcanzar el nivel de dureza que se desea obtener para la clase.
En otra realización preferida, el contenido de
carbono del acero según la invención está comprendido entre el 0,9 y
el 1,5% en peso, para garantizar una dureza mejorada, con
tratamiento térmico inalterado, y reforzar la resistencia al
desgaste aumentando la fracción volumétrica de carburos duros.
El contenido de cromo del acero según la
invención debe estar comprendido entre el 5 y el 14% en peso,
preferiblemente entre el 7 y el 9% en peso. Este elemento permite
por una parte aumentar la aptitud al temple de la clase, y por otra
parte, formar carburos endurecedores.
El contenido de manganeso del acero según la
invención debe estar comprendido entre el 0,2 y el 3% en peso,
preferiblemente entre el 0,2 y el 1,5% en peso. Se le añade a la
clase según la invención ya que es un elemento que toma temple,
pero se limita su contenido para limitar la segregación que
conduciría a una mala maleabilidad y una tenacidad demasiado
débil.
El acero puede contener hasta el 5% en peso de
níquel. Preferiblemente, el contenido de este elemento debe
permanecer por debajo del 1% en peso. Se le puede añadir en la
clase según la invención ya que es un elemento que toma temple y que
no plantea ningún problema de segregación. Se limita sin embargo su
contenido ya que es un elemento gammágeno que favorece la formación
de austenita residual.
Para reforzar la resistencia al ablandamiento en
el caso frecuente en el que el acero se somete a revenido antes de
su utilización, es útil añadir a la composición elementos
carburígenos fuertes que forman en el revenido carburos finos de
tipos MC.
Entre estos, se prefiere el vanadio, y se utiliza
entonces en contenidos de al menos el 0,1%, pero sin sobrepasar el
1%, preferiblemente inferiores al 0,6%.
Hay que evitar el niobio, que tiende a precipitar
a mayor temperatura y que, por este hecho, perjudica en gran medida
la maleabilidad del acero, y este no sobrepasará en ningún caso el
0,1%, y será preferiblemente inferior al 0,02% en peso.
El contenido de silicio y/o de aluminio del acero
según la invención debe ser inferior al 2% en peso. Además de su
función de desoxidación de la clase, estos elementos permiten
ralentizar la coalescencia de los carburos en temperatura y reducen
por este hecho la cinética de ablandamiento en el revenido. Se
limita su contenido ya que más allá del 2% en peso, fragilizan la
clase.
El contenido de molibdeno y/o de tungsteno del
acero según la invención debe estar comprendido entre el 1 y el 4%
en peso, preferiblemente entre el 2,4 y el 3% en peso. Se observará
que el tungsteno se puede sustituir total o parcialmente con
molibdeno e la proporción de dos partes de tungsteno por una parte
de molibdeno. Estos dos elementos permiten mejorar la aptitud al
temple de la clase y formar carburos endurecedores. Su contenido
está limitado ya que producen segregaciones.
El cobre puede estar presente en el acero en un
contenido, sin embargo, inferior al 1% para no perjudicar la
maleabilidad de la clase.
Por otra parte, con el fin de mejorar la
mecanibilidad del acero, se puede añadir azufre, en un contenido que
no sobrepasa el 0,3%, eventualmente acompañado de calcio, selenio,
telurio, cada uno con un contenido inferior al 0,1%.
La elaboración de la clase de acero según la
invención, incluido el modo de adición del titanio y/o del
zirconio, se puede hacer por cualquier procedimiento clásico, pero
se puede efectuar de manera ventajosa por el procedimiento según la
invención que constituye un segundo objeto de la invención.
Este procedimiento de fabricación de piezas
comprende una primera etapa que consiste en elaborar un acero
líquido por fusión del conjunto de los elementos de la clase según
la invención, con la excepción del titanio y/o del zirconio, ya
continuación en añadir al baño de acero fundido el titanio y/o el
zirconio evitando en todo momento las sobreconcentraciones locales
de titanio y/o de zirconio en el baño de acero fundido.
En efecto, los presentes inventores han
constatado que los procedimientos clásicos de adición, según la
técnica anterior, del titanio y del zirconio en forma de elementos
macizos de aleación de hierro o metálica, generarían nitruros de
titanio y/o zirconio bastos y por consiguiente, menos numerosos,
dándose además el caso de que una parte de estos se puede incluso
decantar. Parece que esta situación se relaciona con el hecho de
que estos procedimientos de adición provocan fuertes concentraciones
locales de titanio y/o de zirconio en el líquido cerca de los
elementos añadidos.
Una de las realizaciones de esta primera etapa
del procedimiento según la invención consiste en añadir el titanio
y/o el zirconio en la escoria que cubre el baño líquido de manera
continua, extendiéndose a continuación el titanio y/o el zirconio
de manera progresiva en el baño de acero.
Otra realización de esta primera etapa del
procedimiento según la invención consiste en añadir el titanio y/o
el zirconio introduciendo de manera continua un hilo compuesto por
este o estos elementos en el baño de acero fundido, a la vez que se
agita el baño por burbujeo o por cualquier otro procedimiento
adaptado.
Otra realización de esta primera etapa del
procedimiento según la invención consiste en añadir el titanio y/o
el zirconio por soplado de un polvo que contiene este o estos
elementos en el baño de acero fundido, a la vez que se agita el baño
por burbujeo o por cualquier otro procedimiento.
En el marco de la presente invención, se prefiere
utilizar las diferentes realizaciones que se acaban de describir,
pero entendiéndose que se podrá aplicar cualquier procedimiento que
permita evitar una sobreconcentración local de titanio y/o de
zirconio
La elaboración se efectúa generalmente en un
horno de arco, o en un horno de inducción.
Al final de esta elaboración, el acero líquido se
funde en lingotes o en desbastes. Para afinar su estructura, se
podrá efectuar una agitación en la lingotera o utilizar también el
procedimiento de refusión bajo escoria con electrodo
consumible.
Estos lingotes o estos desbastes se transforman a
continuación mediante tratamientos de conformación por deformación
plástica en caliente adaptados, tales como el forjado o el
laminado, por ejemplo.
El acero se puede someter a continuación, a un
tratamiento térmico según las vías clásicas para los aceros para
herramientas. Tal tratamiento térmico puede comprender
eventualmente un recocido para facilitar el corte y el
mecanizado, y a continuación una austenitización seguida de un
enfriamiento según un modo adaptado al espesor, tal como un
enfriamiento por aire o por aceite, eventualmente seguido de
revenidos según el nivel de dureza que se desea alcanzar.
Un tercer objeto de la invención está constituido
por una pieza de acero de composición conforme a la invención u
obtenida por la aplicación del procedimiento según la invención y
cuya composición media de los precipitados de carburos de cromo, de
molibdeno o de tungsteno procedentes de la solidificación está
comprendida entre 2,5 y 6 \mum, preferiblemente entre 3 y 4,5
\mum.
La presente invención se ilustra a partir de las
siguientes observaciones y ejemplos, proporcionando la tabla 1 la
composición química de los aceros ensayados, entre los cuales la
colada 1 es conforme a la invención, mientras que la colada 2 se
proporciona a título de comparación.
Pv: pérdida volumétrica, expresada en
mm^{3},
KV: energía de ruptura, expresada en
J/cm^{2},
.T: tenacidad, expresada en J/cm^{2}.
Se fabrican dos piezas a partir de la colada 1
conforme a la invención y de la colada 2 comparativa, laminando en
caliente a 1.150ºC lingotes elaborados en estas composiciones. A
continuación se austenizan las muestras a 1.050ºC durante una hora,
se templan en aceite y a continuación se someten a un doble
revenido de 525ºC durante una hora para obtener una dureza de 60
Hrc.
A continuación se procede a dos series de ensayos
que utilizan diferentes métodos para medir la tenacidad:
- -
- un ensayo de flexión por choque en tubo de ensayo Charpy que adopta la forma de una barra entallada en forma de V según la norma NF EN 10045-2, que proporciona la energía de ruptura KV y
- -
- un ensayo de flexión por choque en barra no entallada (barra de 10 mm x 10 mm), que proporciona la tenacidad T.
Los resultados obtenidos se reúnen en la
siguiente tabla:
| KV (J/cm^{2}) | T (J/cm^{2}) | |
| Colada 1 | 14,0 | 59 |
| Colada 2 | 10,5 | 47 |
Se ve que, sea cual sea el procedimiento
empleado, la colada 1 según la invención presenta una tenacidad
mejorada respecto de la colada 2 comparativa.
Se fabrican dos piezas de una manera similar a la
utilizada en el ejemplo 1, y se procede a una medición de la
resistencia al desgaste según la norma ASTM G52 que permite
determinar la pérdida volumétrica experimentada por las muestras
ensayadas. Este ensayo consiste en medir la pérdida de peso de la
muestra sometida al desgaste abrasivo de un chorro de arena
cuarzosa de granulometría calibrada introducido entre una rueda
cauchutada y la muestra fija.
Los resultados obtenidos se reúnen en la
siguiente tabla:
| PV (mm^{3}) | |
| Colada 1 | 17,5 |
| Colada 2 | 18,5 |
Se constata que la colada 1 según la invención
presenta una resistencia al desgaste ligeramente mejorada respecto
de la colada 2 comparativa.
Claims (10)
1. Acero para herramientas cuya composición
comprende, estando los porcentajes expresados en % en peso
estando constituido el resto de la composición
por hierro e impurezas resultantes de la elaboración,
entendiéndose, además, que: 2,5.10^{-4}%^{2}
\leq (Ti + Zr/2) x N.
2. Acero según la reivindicación 1,
caracterizado además, porque la composición de acero
comprende, estando los porcentajes expresados en % en peso:
estando constituido el resto de la composición
por hierro e impurezas resultantes de la elaboración,
entendiéndose, además, que 2,5.10^{-4}%^{2}
\leq (Ti + Zr/2) x N.
3. Acero según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado además, porque el contenido de niobio es
inferior o igual al 0,02% en peso.
4. Acero según cualquiera de las reivindicaciones
1 a 3, caracterizado además porque el contenido de nitrógeno
está comprendido entre el 0,006 y el 0,02% en peso.
5. Procedimiento de fabricación de una pieza de
acero de composición según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado porque
- -
- se elabora un acero líquido por fusión del conjunto de los elementos de dicha composición, con la excepción del titanio y/o del zirconio, y a continuación se añade al baño de acero fundido el titanio y/o el zirconio evitando en todo momento las sobreconcentraciones locales de titanio y/o zirconio en el baño de acero fundido,
- -
- se funde dicho acero líquido para obtener un lingote o un desbaste,
- -
- se somete dicho lingote o dicho desbaste a un tratamiento de conformación por deformación plástica en caliente, y a continuación eventualmente a un tratamiento térmico para obtener dicha pieza.
6. Procedimiento según la reivindicación 5,
caracterizado porque la adición del titanio y/o del zirconio
se efectúa de manera continua en una escoria que cubre el baño de
acero líquido, extendiéndose a continuación el titanio y/o el
zirconio de manera progresiva por dicho baño de acero.
7. Procedimiento según la reivindicación 5,
caracterizado porque la adición del titanio y/o del zirconio
se efectúa por la introducción continua de un hilo de titanio y/o
de zirconio en el baño de acero, a la vez que se agita dicho
baño.
8. Procedimiento según la reivindicación 5,
caracterizado porque dicha adición del titanio y/o del
zirconio se efectúa por soplado de un polvo que contiene titanio
y/o zirconio, en el baño de acero fundido, a la vez que se agita el
baño.
9. Pieza de acero de composición conforme a
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 u obtenida por la
aplicación del procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 5 a 8, caracterizada porque la dimensión
media de los precipitados de carburos de cromo, molibdeno o
tungsteno procedentes de la solidificación está comprendida entre
2,5 y 6 \mum.
10. Pieza de acero según la reivindicación 9,
caracterizada porque la dimensión media de los precipitados
de carburos de cromo, molibdeno o tungsteno procedentes de la
solidificación está comprendida entre 3 y 4,5 \mum.
Applications Claiming Priority (2)
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