ES2237669T3 - Procedimiento de produccion de materiales ferrosos sinterizados que contienen cobre. - Google Patents
Procedimiento de produccion de materiales ferrosos sinterizados que contienen cobre.Info
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Abstract
Proceso para la fabricación de un artículo sinterizado a base de material ferroso que contiene cobre en una proporción del 12 al 26% en peso, teniendo el artículo sinterizado una matriz ferrosa que comprende una estructura martensítica, e incluyendo el proceso las etapas de: fabricar una mezcla de polvos que tenga una composición deseada, que dicha composición de la mezcla de polvos incluya un polvo de acero de aleación previa que contenga material para promover la formación de martensita, que al menos una parte de un contenido total de hierro y cobre sea dispuesta por un material en polvo formado por hierro y cobre seleccionado del grupo que consiste en un polvo de hierro-cobre unido por difusión y polvo de hierro-cobre de aleación previa en el que el hierro y el cobre están asociados indivisiblemente uno con otro; compactando dicha mezcla de polvos para formar una pastilla en verde de un artículo que va a ser fabricado y sinterizando dicha pastilla en verde para fabricar un artículo en elque la matriz ferrosa tiene una estructura martensítica.
Description
Procedimiento de producción de materiales
ferrosos sinterizados que contienen cobre.
La presente invención se refiere a la producción
de materiales ferrosos sinterizados, a los artículos fabricados a
partir de ellos, en particular, a los materiales ferrosos que
contienen cobre.
La metalurgia de materiales en polvo permite el
diseño de materiales metálicos que no es posible realizar mediante
los procesos convencionales de moldeo y procesos de fabricación a
partir de desbastes. Es conocido infiltrar productos metalúrgicos
sinterizados mediante polvo ferroso con metales que tienen puntos de
fusión más bajos, tales como plomo y cobre, por ejemplo. El plomo se
utiliza para mejorar la mecanibilidad de los materiales ferrosos
sinterizados, mientras que el cobre también tiene este efecto, pero
tiene además otras propiedades deseables que aporta al material
sinterizado. En la actualidad, se evita el uso del plomo debido a
sus nocivas propiedades ambientales. El cobre mejora la
mecanibilidad y también mejora la conductividad térmica del artículo
sinterizado.
Los productos con infiltraciones de cobre se
utilizan ampliamente en la industria del automóvil para aplicaciones
tales como los anillos de los asientos de válvula en las culatas de
los cilindros de los motores de combustión interna, por ejemplo.
Dichos productos tienen que trabajar en unas condiciones muy duras
que incluyen la carga con impactos repetidos, lubricación marginal,
elevadas temperatura de funcionamiento y gases corrosivos y
calientes. Las propiedades para resistir estas condiciones se
consiguen mediante el diseño apropiado del sistema de la matriz
ferrosa. Dichas matrices ferrosas presentan a menudo un grado de
aleación muy elevado, lo que influye adversamente en la
mecanibilidad. La mecanibilidad es importante para un fabricante de
motores en el contexto de la producción, ya que influye en la
productividad. La infiltración con cobre mejora el grado de
mecanibilidad mientras que el cobre en sí mismo proporciona una
mejor conductividad térmica, lo que tiene el efecto de reducir las
temperaturas de funcionamiento, lo que ayuda a conservar las
propiedades mecánicas.
El proceso de infiltración se lleva a cabo
apilando una pastilla de aleación de cobre en contacto con el
componente ferroso y haciendo pasar el conjunto apilado de los dos
elementos por un horno de sinterizado a una temperatura de
sinterización del orden de 1100ºC bajo una atmósfera de gas inerte o
reductor, consiguiendo con ello el sinterizado y la infiltración al
mismo tiempo. Durante este proceso de sinterizado, la pastilla de la
aleación de cobre se funde y la aleación fundida impregna y llena
los poros del componente ferroso por acción capilar. Solamente los
poros interconectados pueden ser rellenados de esta forma, de manera
que la porosidad aislada o bien no conectada no puede ser rellenada.
La composición de la pastilla de la aleación de cobre se elige de
manera que sea compatible con el material ferroso y se intentan
evitar al máximo las reacciones no deseables o la erosión de la
misma. El peso de la pastilla de aleación de cobre se elige de forma
que permita rellenar la mayoría de poros, pero, tal como se ha
indicado antes, resulta inevitable que quede parte de porosidad
residual.
En una variación del proceso anterior, la
pastilla de la aleación de cobre se apila junto a un componente
ferroso previamente sinterizado y los dos pasan por un horno de
sinterizado para que se produzca la infiltración.
El proceso de infiltración es un proceso caro
debido a las etapas extra del proceso implicadas. El proceso
requiere las etapas adicionales siguientes: fabricar separadamente
una mezcla de polvo de aleación de cobre; prensar las pastillas
adecuadas del peso correcto de la mezcla en polvo; apilar las
pastillas con los artículos ferrosos antes de pasar por el horno de
sinterizado; y efectuar un tratamiento en tambor giratorio de los
artículos sinterizados e infiltrados después de su enfriamiento para
eliminar el depósito en polvo que se forma inevitablemente en los
artículos durante el proceso de sinterizado.
En los productos ferrosos convencionales
infiltrados con cobre, el nivel del contenido de cobre se encuentra
generalmente en el intervalo del 15 al 25% en peso. En los productos
no infiltrados, es frecuente añadir hasta un 5% en peso de polvo de
cobre a la mezcla de polvos precompactada. Dichas relativamente
pequeñas adiciones de cobre a los materiales ferrosos no infiltrados
ayudan al proceso de sinterizado ya que se presenta un fase de cobre
líquido.
Se ha intentado aumentar los niveles de cobre
alcanzados en el proceso de infiltración por medio de adiciones de
la cantidad apropiada de cobre elemental a las mezclas de polvo
iniciales previamente a la compactación y al sinterizado. Sin
embargo, debido a las diferencias, por ejemplo, en el tamaño de las
partículas de polvo, la densidad del polvo y la morfología de las
partículas de polvo, tiende a producirse una segregación del cobre
durante la manipulación de las mezclas de polvos. Dicha segregación
del polvo produce unas variaciones inaceptables en los productos
resultantes. En los casos en que únicamente pequeñas cantidades de
cobre elemental están presentes, tal como es el caso del hasta
aproximadamente 5% en peso indicado anteriormente, la segregación
todavía se produce pero el efecto en los productos resultantes es
mínimo y no causa ningún problema serio.
En cierta época, componentes tales como los
anillos de asientos de válvulas para motores, que tenían el tipo de
funcionamiento más duro se fabricaban íntegramente de aceros de
aleación alta como los aceros de clase M3/2, por ejemplo. Dichos
aceros contienen cantidades relativamente altas de cromo, tungsteno,
molibdeno, vanadio y similares. Si bien los componentes fabricados a
partir de dichos materiales tienen un funcionamiento excelente y una
larga vida de funcionamiento, son intrínsecamente caros de fabricar
y de preparar. En primer lugar, es cara su fabricación debido al
intrínseco coste elevado del material y, en segundo lugar, son caros
de fabricar debido a la dificultad en la mecanización de componentes
que tienen un contenido elevado en carburos duros en su
microestructura. En la búsqueda interminable de costes más bajos, se
ha realizado un gran trabajo para reducir el coste del material
mediante la adición de proporciones relativamente elevadas de polvo
de hierro básicamente puro a las mezclas de polvos, y
consecuentemente reduciendo los costes de fabricación haciendo que
los materiales sinterizados resultantes sean más fáciles de
mecanizar al reducir el número de fases duras y añadir fases que
ayuden a la mecanización, tal como el cobre o bien fases para la
rotura en virutas.
Un inconveniente en términos del funcionamiento y
de la duración de estos materiales más nuevos tales como los que da
a conocer a título de ejemplo el documento
GB-A-2 188 062 es, por ejemplo, la
retención en los núcleos de los granos de hierro, formados por el
sinterizado entre si de las partículas originales de polvo de hierro
compactado en la mezcla de polvos, de la fase de ferritas blandas
que pueden influir de un modo perjudicial en las propiedades de
desgaste y resistencia. Dichos materiales pueden comprender
inicialmente mezclas de aproximadamente un 50% del material M3/2 de
alta aleación, por ejemplo, y aproximadamente un 50% del polvo de
hierro puro y adiciones menores de carbono, ceras lubricantes para
matrices y similares. Incluso una vez sinterizados del todo, los
granos de hierro presentan núcleos de ferrita con solamente algo de
difusión del cromo, a partir de las regiones M3/2, en las regiones
superficiales de los granos de hierro, donde puede formarse
martensita, después del sinterizado. Esta estructura todavía es
válida incluso cuando el material ya se ha infiltrado o cuando hasta
aproximadamente un 5% en peso del cobre elemental se ha añadido a la
mezcla de polvos.
Un proceso para la producción de acero
martensítico que contiene cobre se da a conocer en
CH-275201.
Un objetivo de la presente invención consiste en
dar a conocer un proceso para fabricar artículos a base de material
ferroso que tengan un contenido elevado en cobre equivalente al del
material infiltrado pero sin el inconveniente de las etapas
adicionales del proceso requeridas en los procesos de la técnica
anterior.
Otras ventajas se pondrán de manifiesto a partir
de la descripción de la invención detallada a continuación.
De acuerdo con un primer aspecto de la presente
invención, se da a conocer un proceso para la fabricación de un
artículo sinterizado a base de material ferroso que contiene cobre
entre un 12 y un 26% en peso, tal como se ha establecido en la
reivindicación 1.
El contenido de cobre se ha previsto básicamente
para incrementar la conductividad térmica de los artículos
fabricados, sin embargo, existen además otras ventajas importantes
para los artículos fabricados mediante el método de la presente
invención. Por debajo de un 12% en peso de cobre no se consigue el
incremento requerido de la conductividad térmica, mientras que por
encima de un 26% en peso el "sangrado" del cobre fundido
procedente del material durante el sinterizado es un problema.
Preferiblemente, el contenido en cobre puede
situarse en el intervalo entre un 15 y un 20% en peso.
En el proceso de acuerdo con la presente
invención, el polvo de hierro asociado indivisiblemente al cobre es
efectivamente un polvo de aleación previa por el hecho de que las
partículas individuales en polvo comprenden tanto hierro como cobre,
y como consecuencia de ello, no es posible una segregación
significativa entre el hierro y el cobre. Las partículas de polvo de
hierro y de cobre pueden seleccionarse a partir de dos tipos básicos
de existencias en polvo: un polvo de hierro-cobre de
aleación previa; o bien un polvo de hierro-cobre
unido por difusión. El polvo de hierro-cobre de
aleación previa puede obtenerse mediante técnicas conocidas de
fusión conjunta de los materiales constituyentes, y luego de
atomización de la masa fundida mediante agua o gas, por ejemplo,
para fabricar el polvo de aleación previa requerido. El material de
hierro-cobre unido por difusión se fabrica
preparando una mezcla de polvos de hierro y cobre elementales, por
ejemplo, y pasando la mezcla no compactada por un horno, de manera
que la difusión entre las partículas se produce de tal forma que las
une entre sí. La "torta" así formada se somete a una operación
de trituración ligera para fraccionarla en partículas formadas por
hierro y cobre adheridas entre sí. Dicho proceso provoca la difusión
de algo de cobre hacia las regiones externas de cada partícula de
hierro.
El método de la presente invención elimina varias
de las etapas de trabajo de procesos anteriores, por el hecho de que
no es preciso fabricar una mezcla separada de polvo de aleación de
cobre y las pastillas consiguientes, no es preciso apilarlas con las
pastillas de material ferroso y los artículos finalmente
sinterizados no precisan de un tratamiento para eliminar el depósito
adherido, tal como en los procesos de infiltración de la técnica
anterior.
Una ventaja específica que aporta el método de la
presente invención se refiere al tratamiento de aquellos materiales
ferrosos que comprenden mezclas de un polvo de acero aleado y un
hierro de baja aleación o bien un polvo de hierro sustancialmente
puro. Es conocido el uso de dichas mezclas con adiciones de polvo de
carbono, por ejemplo, y su transformación por compactación,
sinterizado y un tratamiento térmico posterior al sinterizado en
artículos tales como anillos de los asientos de válvula para motores
de combustión interna, por ejemplo. Dichos materiales de la técnica
anterior pueden o no pueden ser infiltrados con una aleación de
cobre en uno de los procesos convencionales descritos anteriormente.
Dichos materiales sirven como ejemplo en aquellos materiales y
procesos de producción descritos en los documentos
GB-A-2 188 062 y
EP-A-0 312 161, por ejemplo. Estos
materiales pueden comprender una proporción, por ejemplo,
aproximadamente un 50% en peso de un polvo de acero de alta
aleación con aproximadamente el 50% en peso de un polvo de hierro
sustancialmente puro. El polvo de acero aleado contiene
habitualmente cromo, el cual en las condiciones normales de
sinterizado de aproximadamente 1100ºC es uno de los átomos
elementales de mayor movilidad después del carbono, en cuanto a la
velocidad de difusión, de aquellos elementos de aleación que
promueven la formación de martensita al enfriarse el artículo
después del sinterizado. Los átomos de carbono son los que presentan
mayor movilidad, entrando en los intersticios de los átomos de
hierro en la estructura cristalina. Sin embargo, puesto que el cromo
es de un tamaño atómico y de un peso similares al hierro se
sustituye por hierro, y como consecuencia de ello, tiene una
movilidad similar al hierro en las condiciones normales de
sinterizado. La presencia de cromo estimula la formación de
martensita en aquellas zonas del material sinterizado en las que se
difunde, formándose la martensita al enfriarse el material al
finalizar el ciclo de sinterizado. Con frecuencia el sinterizado es
llevado a cabo para aquellos artículos en hornos que tienen un medio
de movimiento continuo, tal como un mecanismo tipo cinta o viga
móvil, para el transporte de los artículos, que generalmente se
encuentran soportadas sobre bandejas, por ejemplo, por el horno. En
general, una primera parte del horno eleva la temperatura de los
artículos hasta la temperatura de sinterizado; una segunda parte
mantiene los artículos a la temperatura de sinterizado; y una
tercera parte permite que los artículos se enfríen a partir de la
temperatura de sinterizado hasta una temperatura que imposibilita la
oxidación significativa de los artículos a la salida del horno de
sinterizado. Los artículos son sinterizados generalmente en una
atmósfera continua de gas protector que fluye por el horno, que
sirve para proporcionar tanto una atmósfera neutra como reductora e
imposibilita la entrada de aire (oxígeno) al horno. La atmósfera se
encuentra a una presión básicamente atmosférica con únicamente una
ligera presión positiva dentro del horno que impide la entrada de
aire en el mismo. En el caso de que el material sinterizado contenga
una cantidad significativa de polvo de hierro en la mezcla original,
se observa frecuentemente que los granos de hierro resultantes del
sinterizado de las partículas de polvo de hierro compactadas poseen
una microestructura que oscila entre la ferrita y la perlita, y
mezclas de las dos fases, dependiendo del contenido de carbono, en
el núcleo de las regiones de acero rico en hierro, no apto para
herramientas. La región externa de los granos de hierro comprende
generalmente martensita resultante del cromo que se ha difundido en
la misma durante el proceso de sinterizado, pero el núcleo se
mantiene básicamente como ferrita o perlita o una mezcla de ferrita
y perlita dependiendo del nivel de carbono añadido. En el estado
recién sinterizado, la fase de acero rica en hierro no apta para
herramientas o bien la estructura de grano consiste básicamente en
perlita, aunque puede existir algo de ferrita, y el centro y las
regiones externas de los granos son una mezcla de martensita
/bainita. Si queda algo de austenita retenida en el artículo
sinterizado, generalmente se transforma mediante un tratamiento
criogénico después del sinterizado. Durante un proceso de templado
que habitualmente tiene lugar después del tratamiento criogénico, se
produce la descomposición parcial de la fase de perlita que resulta
en la formación de áreas de ferrita dentro de los granos o de la
fase rica en hierro. Esto puede hacer que el material tenga unas
propiedades de desgaste inferiores debido a la presencia de ferrita
y también menor resistencia debido a la ferrita. Los tratamientos
térmicos posteriores al sinterizado que comprenden un tratamiento
criogénico para transformar cualquier fase \gamma
residual(austenita) en martensita seguido de tratamientos de
templado son mejores para reducir el grado de dureza y fragilidad de
la fase de martensita que para llevar a cabo la descomposición de la
perlita que es un efecto secundario no deseable del proceso de
templado. Puesto que el tratamiento de templado se realiza a una
temperatura superior a la temperatura de funcionamiento esperada, se
garantiza la estabilidad del tamaño del artículo en su lugar de
funcionamiento (por ejemplo, un anillo de asiento de válvula en la
cámara de combustión de un motor de combustión interna). Sin
embargo, dichos tratamientos no influyen (a menos que sean
responsables de generar como mínimo una parte de la ferrita) en la
presencia de la fase de ferrita o bien en sus propiedades mecánicas
y de desgaste inherentemente pobres.
Se ha descubierto que con el método de la
presente invención parece que existe un efecto sinérgico del cobre
(tanto de la forma unida por difusión como de la forma prealeada con
el hierro) y el cromo juntos para acelerar la difusión del cobre y
del cromo hacia el centro de los granos de hierro y, en lugar de que
el núcleo de los granos de hierro se mantenga como ferrita o perlita
o una mezcla de ambos, el núcleo de los granos de hierro llega a
transformarse en martensita durante el enfriamiento normal del
horno. Los materiales ferrosos sinterizados fabricados de acuerdo
con el proceso de la presente invención que utiliza polvos de
hierro-cobre de aleación previas o bien polvos de
hierro-cobre unidos por difusión revela la presencia
de martensita en los núcleos de los granos ricos en hierro debido a
la difusión del cromo o de otros elementos que promueven la
martensita hacia el interior de los granos de hierro. La martensita
se forma durante el enfriamiento de la austenita y la austenita que
queda retenida se transforma mediante el tratamiento criogénico
posterior al sinterizado. Durante el proceso de enfriamiento de la
temperatura de sinterizado parte de la austenita puede transformarse
también en bainita. La martensita puede ser templada luego para
formar una estructura de martensita revenida que es fácilmente
mecanizable. Sin embargo, es importante destacar que los núcleos
ferríticos/perlíticos previamente blandos de los granos de hierro
ahora comprenden un material que es más duro, más fuerte y más
resistente al desgaste debido al proceso de la presente invención.
Se cree que el tratamiento utilizado para configurar el material de
hierro-cobre de aleación previa y unido por difusión
provoca al menos parte de la difusión de la fase de cobre en el
constituyente de hierro y la presencia del cobre ayuda a la difusión
del cromo y de otros elementos que promueven la martensita dentro de
los núcleos de los granos de hierro formados en el sinterizado,
permitiendo con ello que se forme martensita.
Las pruebas para la fabricación de materiales
según el método de la presente invención y para la fabricación de
materiales casi idénticos mediante procesos de infiltración de la
técnica anterior, pero que utilizan parámetros de tratamiento
prácticamente idénticos de la presión de prensado y de la
temperatura de sinterizado, por ejemplo, han mostrado los efectos
favorables del uso de un polvo unido por difusión o de una
prealeación de hierro-cobre, tal como se ha descrito
con anterioridad. Los materiales de composición básicamente idéntica
a excepción del contenido en cobre se fabricaron por 1) el método de
la presente invención; 2) por la vía del sinterizado e infiltración
simultáneos; y, 3) por la adición de un 13% en peso de polvo de
cobre elemental a la mezcla de polvos inicial y el sinterizado (es
decir, sin infiltración y sin la adición del polvo de aleación
previa de hierro-cobre).
Los materiales fabricados por técnicas de
infiltración convencionales en las mismas condiciones de trabajo no
muestran el efecto beneficioso de la formación de martensita en los
núcleos de los granos de hierro. El análisis mediante el microscopio
electrónico de barrido ha demostrado la presencia de cromo en el
núcleo de las partículas en los materiales fabricados según el
método de la presente invención. Se ha de resaltar que las
condiciones de trabajo utilizadas en las pruebas comparativas son
las mismas condiciones de trabajo utilizadas para la producción de
materiales comerciales del método anterior y, por consiguiente,
representan las condiciones de trabajo óptimas en la actualidad
teniendo en cuenta todos los factores.
Los materiales fabricados de acuerdo con el
método de la presente invención pueden recibir también tratamientos
térmicos posteriores al sinterizado como un tratamiento criogénico a
-120ºC o temperaturas inferiores para convertir cualquier fase
residual de austenita en martensita, seguido de un templado para
hacer que la martensita sea más blanda, más estable desde el punto
de vista dimensional y más susceptible al mecanizado.
Por consiguiente, de acuerdo con una
característica de una realización de la presente invención, la
mezcla de polvos contiene un componente en polvo que comprende un
polvo de hierro relativamente no aleado y un componente en polvo que
comprende un polvo de acero que contiene al menos algo de cromo o de
otro elemento promotor de la martensita como un elemento aleante
además del polvo de hierro-cobre de aleación previa
o unido por difusión. Adicionalmente, la mezcla de polvos puede
contener adiciones de material que promueve la martensita elemental,
tales como, por ejemplo, el molibdeno y/o el níquel.
Se han descrito en la presente descripción
ejemplos que utilizan polvos de aceros rápidos M3/2, sin embargo,
puede utilizarse cualquier otro acero rápido o bien acero para
herramientas adecuado, por ejemplo, polvo de acero que contiene
cromo, dependiendo de la aplicación en la cual se ha de utilizar el
artículo fabricado a partir del mismo.
Un ejemplo de un material de acero alternativo es
el llamado acero 316, que es un acero inoxidable que comprende en %
en peso: 17 Cr/ 2 Mo/ 13 Ni/ Ba1 Fe y que está prácticamente exento
de carbono.
Por consiguiente, parece que la forma en la que
se introduce el cobre en el material ferroso sinterizado, es decir,
asociándose con el hierro en el caso de que haya habido un
tratamiento previo que haya ocasionado la reacción entre ambos,
tiene un efecto sinérgico e inesperado favoreciendo la difusión de
cromo o de otros elementos que promueven la martensita por la matriz
de hierro para ayudar a la transformación a martensita en el
enfriamiento después del sinterizado o por transformación de la
austenita retenida por el tratamiento criogénico.
La composición del material de
hierro-cobre de aleación previa o unido por difusión
puede ser la que se desee, por ejemplo, hierro-20
cobre. Las mezclas de polvos pueden fabricarse con componentes en
polvo que comprendan: hierro; hierro-cobre; polvo de
acero de aleación previa; y, polvo de carbono, por ejemplo. La
cantidad de polvo de hierro-cobre previo a la
aleación dependerá del contenido final requerido de cobre en el
artículo y de la composición inicial del polvo de
hierro-cobre previo a la aleación.
El uso de material de
hierro-cobre de aleación previa y/o unido por
difusión en una mezcla de polvos junto con una adición de polvo de
cobre elemental no se excluye y en algunas circunstancias puede ser
favorable. El uso de polvo de hierro-cobre de
aleación previa y polvo de hierro-cobre unido por
difusión puede utilizarse también en una mezcla de polvos.
El material de hierro-cobre de
aleación previa parece ser algo más eficaz en promover la formación
de martensita en los granos de hierro que el material de
hierro-cobre unido por difusión. Por lo tanto, se
prefiere el uso del material de aleación previa, sin embargo, se
señala que el material unido por difusión produce martensita después
del sinterizado y del tratamiento posterior, mientras que los
materiales infiltrados según la técnica anterior no producen
martensita en los núcleos de los granos de hierro, y los núcleos
únicamente comprenden mezclas de perlita y ferrita.
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente
invención, se da a conocer un artículo sinterizado fabricado por el
primer aspecto de la presente invención.
Para comprender con más detalle la presente
invención se describen a continuación unos ejemplos, a modo
ilustrativo, que se refieren únicamente a los dibujos adjuntos, de
los cuales:
La figura 1 muestra un histograma que presenta el
desgaste de los anillos de los asientos de válvula en una prueba del
motor con material fabricado según la presente invención; y
La figura 2, que muestra un gráfico del desgaste
de la herramienta frente al número de piezas mecanizadas para
materiales fabricados de acuerdo con la presente invención y
material de la técnica anterior.
Las mezclas de polvo ferroso de una composición
típica utilizada en la producción de anillos de asientos de válvula
para motores de combustión interna se preparaban por vías distintas.
Las composiciones de las mezclas de polvos, en lo que se refiere a
los polvos componentes realmente constituyentes utilizados para
fabricarlas, eran las que se indican a continuación en la tabla
1:
El ejemplo 1 era un material preparado según el
método de la presente invención en el que todo el hierro y una parte
del cobre se añadieron como polvo de aleación previa de
hierro-20 cobre. El polvo de aleación previa aporta
aproximadamente un 9,5% del peso del cobre al material final. Otro
6% en peso del polvo de cobre elemental se añadió a la mezcla de
polvos inicial para conseguir hasta el 15% en peso de cobre total.
El polvo de aleación previa del acero era un polvo M3/2 atomizado
con agua que tenía una composición nominal de: 1C; 4 Cr; 5 Mo; 3 V;
5 W. Puesto que solamente se añadía el 6% en peso del polvo de cobre
elemental, la segregación se minimizó.
El ejemplo 1a es una mezcla de polvos en la que
todo el contenido en polvo de hierro se aporta como polvo de hierro
puro y el contenido en cobre como un 13% en peso del polvo de cobre
elemental. Mientras que dicho material normalmente no se fabricaría
con un contenido tan alto de polvo de cobre elemental por los
motivos mencionados con anterioridad, el material se fabricaba para
determinar el efecto del contenido de cobre en las características
de difusión del cromo en el constituyente de hierro.
El ejemplo 1b se preparó mediante el proceso de
la técnica anterior de acuerdo con el documento
GB-A-2 188 062, en el que el cobre
se suministra a través de una etapa de sinterizado e infiltración
simultáneas.
Todos los polvos fueron mezclados según los
principios establecidos en el mezclador cónico en forma de Y. La
presión de compactación era del orden de 650-800 MPa
en cada caso seguida del sinterizado a aproximadamente 1100ºC en un
horno de cinta transportadora, y en todos los ejemplos el
sinterizado se realizaba en las mismas condiciones. Después del
sinterizado, todos los ejemplos se sometieron a un tratamiento
criogénico a -120ºC para transformar algún residuo de austenita
(fase \gamma) en la estructura y luego se templaban a 600ºC
durante 2 horas para ablandar la martensita, hacerla más estable
desde el punto de vista dimensional y mejorar las cualidades de
mecanibilidad.
La tabla 2 siguiente indica las composiciones
reales en cuanto a los elementos constituyentes, la densidad del
material sinterizado y su dureza final después del tratamiento
criogénico y de templado posterior al sinterizado.
La microestructura de las muestras fabricadas
según el ejemplo 1 mostraba una estructura de la martensita revenida
incluso en los núcleos de los granos de hierro. La martensita se
formó al enfriarse la temperatura de sinterizado. El tratamiento
criogénico fue utilizado para transformar la austenita retenida en
la fase M3/2 del material en martensita. El cambio de austenita a
martensita no se observa fácilmente bajo el microscopio, poniéndose
de manifiesto por un aumento de la dureza en el cambio de austenita
a martensita.
Las muestras del ejemplo 1a mostraron una
microestructura que comprende algo de la martensita formada en el
enfriamiento de la temperatura de sinterizado y la austenita
retenida. Después del tratamiento criogénico, la austenita retenida
se transformaba en martensita en las regiones M3/2 y los granos de
hierro comprendían principalmente perlita (una fase que comprende
una estructura lamelar de ferrita y cementita) y algo de ferrita. La
perlita se formaba en virtud del polvo de carbono añadido como
grafito, sin embargo, debido a la ausencia de cromo en los núcleos
de los granos de hierro, no se formó martensita. Con el templado, se
produjo descomposición general de la perlita y la fracción en
volumen de ferrita aumentó en comparación con la del estado
denominado sinterizado. Por consiguiente, la resistencia al desgaste
del material del ejemplo 1a es inferior y las propiedades mecánicas,
tal como se demuestra por las cifras de la dureza, son también
inferiores.
Las muestras del ejemplo 1b demostraron una
estructura y propiedades casi idénticas a las indicadas en el
ejemplo 1a. Este material se fabricó de acuerdo con el proceso
conocido del documento GB-A-2 188
062. La dureza del ejemplo 1b era ligeramente superior a la del
ejemplo 1, lo que se atribuía a la mayor densidad del material tras
la infiltración. Sin embargo, el material del ejemplo 1b mostró
cantidades amplias de zonas de ferrita inherentemente más reducidas
después del templado y no la estructura de martensita revenida
deseada que aparece en el ejemplo 1, obtenida según el proceso de la
presente invención.
La figura 1 muestra un histograma del desgaste
del anillo del asiento de válvula de los anillos de los asientos de
válvula, fabricados a partir del material del ejemplo 1, en las
posiciones de escape de un motor de 16 válvulas, 4 cilindros, 1,8 l
que ha funcionado durante 180 horas a 6000 rpm con gasolina sin
plomo, teniendo el motor válvulas recubiertas con Stellite (nombre
comercial). El criterio de éxito de esta prueba es que el desgaste
del anillo del asiento de válvula no exceda 100 \mum. Como puede
verse en la Figura 1, el desgaste máximo se produjo en la posición 4
del asiento de válvula y era de 60 \mum, mientras que todos los
demás asientos tuvieron un desgaste de aproximadamente 30 \mum o
menos.
Por consiguiente, resulta evidente a partir de
los ejemplos 1, 1a y 1b que la única diferencia sustancial en la
fabricación del material era la forma en la que se introducía el
cobre en el material sinterizado. Se cree que la mejor estructura y
propiedades se pueden atribuir directamente al uso de materiales de
aleación previas de hierro-cobre en los cuales al
menos una parte del cobre se asocia indivisiblemente al hierro y al
vapor procedentes de una mayor difusión promovida por este material
de aleación previa.
Se preparó una mezcla de polvos que comprendía un
45% en peso de polvo de acero para herramientas M3/2 /0,55C/ 1
MoS_{2}/ 6 Cu/ 47,45 FeCu20 (polvo unido por difusión) /0,75 cera
lubricante. Esta mezcla fue compactada en pastillas verdes a 770 Mpa
con una densidad de prensado de 7,1 Mgm^{-3} y se sinterizó a
aproximadamente 1100ºC bajo una atmósfera de gas
nitrógeno-hidrógeno en flujo continuo en un horno de
cinta transportadora. Los artículos sinterizados se trataron
criogénicamente a -120ºC o a una temperatura inferior para convertir
la austenita retenida en martensita y finalmente se templaban a
600ºC. La densidad del material sinterizado era de 7,0 Mgm^{-3}.
La dureza del material recién sinterizado fue de 61 HRA; la del
material tratado criogénicamente fue de 65 HRA; y la del material
tratado criogénicamente y templado fue de 62-65
HRA.
La microestructura del material del ejemplo 2
(fabricado con polvo de hierro-cobre unido por
difusión) después del templado (tras el sinterizado y el tratamiento
criogénico) mostró algunas zonas pequeñas ocasionales de ferrita en
la fase de acero rico en hierro no apto para herramientas. Sin
embargo, esta fase rica en hierro comprendía básicamente perlita
antes que regiones extensas de ferrita tipificadas por el material
de la técnica anterior fabricado usando la técnica de
infiltración.
Se preparó una mezcla que comprendía en % en
peso: 75% de polvo de Fe-Cu20 de aleación previa /
23% de polvo de acero inoxidable 316/ 0,75% de polvo de MoS_{2}/
1% de polvo de carbono; este material fue codificado N1. La
composición del acero inoxidable 316 era 17 Cr/ 2 Mo/ 13 Ni/ bal Fe.
Un ejemplo comparativo codificado N se preparó a partir de la mezcla
siguiente en % en peso: 70,9% de polvo de hierro no aleado/ 27% de
polvo de acero inoxidable 316/ 0,9% de polvo de MoS_{2}/ 1,2% de
polvo de carbono. Ambos materiales fueron compactados a 770 MPa. Sin
embargo, únicamente fue sinterizado el material N1 (ya que existía
aproximadamente un 15% en peso de Cu aportado por la
pre-aleación de Fe-Cu) y el material
N fue sinterizado e infiltrado al mismo tiempo de acuerdo con el
proceso conocido de la técnica anterior. La composición global
teórica final de ambos materiales N1 y N en % en peso era: 1 C/ 3,9
Cr/ 15 Cu/ 0,9 Mo/ 3 Ni/ S 0,3/ bal Fe. Las etapas de
sinterizado/infiltración se llevaron a cabo a aproximadamente 1100ºC
en una atmósfera de nitrógeno/hidrógeno. Tras el sinterizado, ambos
materiales eran tratados criogénicamente y templados.
El material N1 presentó una microestructura que
no tenía ferrita, ni en los núcleos de los granos que eran
predominantemente de hierro. La estructura de este material presentó
básicamente una estructura de martensita revenida. Por otro lado, el
material N presentó mucha ferrita en los granos de hierro con una
estructura perlítica en las zonas de transición entre las partículas
de hierro anteriores y las partículas de acero inoxidable 316,
aunque este material tenía un contenido en carbono ligeramente
superior al 1,2%. Por consiguiente, nuevamente la influencia del
cobre asociado indivisiblemente con el hierro, se muestra en la
estructura resultante después del tratamiento.
Otras mezclas denominadas como material FMCA y
FMCD se fabricaron de acuerdo con la presente invención. Las
composiciones de mezcla de estos materiales en lo que se refiere a
los constituyentes en las mezclas de polvos se indican a
continuación en la tabla 3.
Los materiales se compactaron a 770 Mpa y se
sinterizaron a aproximadamente 1100ºC en una atmósfera gaseosa
continua como con los ejemplos previos. Las densidades y durezas
resultantes de los materiales sinterizados se indican a continuación
en la tabla 4. Para estos ejemplos, no se llevaba a cabo ningún
tratamiento térmico posterior al sinterizado.
En el material FMCA fabricado de acuerdo con la
presente invención, se utilizaron un polvo de Fe-Cu
de aleación previa y un 0,5% de polvo de Mo elemental en la mezcla
de polvos inicial. El material FMCA presentaba extensas zonas ricas
en Mo y áreas martensíticas y bainíticas asociadas a estas zonas. El
material FMCA mostró también carburos en el contorno del grano. La
microestructura del material FMCA era algo similar a un material
comparativo, codificado como FMC (polvo de hierro no aleado, 1,35%
C, 0,5% Mo), en el que el contenido en cobre era aportado por un
proceso simultáneo de sinterizado e infiltración según la técnica
anterior. Aparte de la etapa de infiltración, las condiciones de
sinterizado eran las mismas que las correspondientes a los
materiales FMCA y FMCD. En el material FMC se hallaba carburo en el
contorno del grano, la matriz era perlita y existían zonas ricas en
Mo asociadas a las partículas de Mo, muy pequeñas en comparación con
el material FMCA.
Durante el sinterizado, el MoS_{2} del material
FMCD sufre una descomposición parcial y se libera Mo a la estructura
que potencialmente es capaz de generar una estructura
martensítica/bainítica localizada asociada a las zonas ricas en Mo.
Algo del sulfuro procedente del MoS_{2} descompuesto reacciona con
hierro y cobre para formar sulfuros metálicos que son beneficiosos
para mejorar la mecanibilidad. En el material FMCD no se podían ver
redes de carburos y la matriz era perlítica.
La figura 2 muestra un gráfico del desgaste de la
herramienta frente al número de piezas mecanizadas para los
materiales FMC, FMCA y FMCD. La figura confirma que los materiales
que utilizan polvos de Fe-Cu de aleación previas que
dan lugar a amplias zonas martensíticas/bainíticas no presentan una
mecanibilidad alterada a pesar de que se forman unas estructuras del
material más fuertes, más resistentes al desgaste. Ciertamente, la
mecanibilidad de ambos materiales FMCA y FMCD es superior a la del
material FMC fabricado mediante el proceso de la técnica
anterior.
Claims (18)
1. Proceso para la fabricación de un artículo
sinterizado a base de material ferroso que contiene cobre en una
proporción del 12 al 26% en peso, teniendo el artículo sinterizado
una matriz ferrosa que comprende una estructura martensítica, e
incluyendo el proceso las etapas de: fabricar una mezcla de polvos
que tenga una composición deseada, que dicha composición de la
mezcla de polvos incluya un polvo de acero de aleación previa que
contenga material para promover la formación de martensita, que al
menos una parte de un contenido total de hierro y cobre sea
dispuesta por un material en polvo formado por hierro y cobre
seleccionado del grupo que consiste en un polvo de
hierro-cobre unido por difusión y polvo de
hierro-cobre de aleación previa en el que el hierro
y el cobre están asociados indivisiblemente uno con otro;
compactando dicha mezcla de polvos para formar una pastilla en verde
de un artículo que va a ser fabricado y sinterizando dicha pastilla
en verde para fabricar un artículo en el que la matriz ferrosa
tiene una estructura martensítica.
2. Proceso, según la reivindicación 1, en el que
el contenido en cobre es de 15 a 20% en peso.
3. Proceso, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 ó 2, en el que el polvo de acero contiene
cromo.
4. Proceso, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 ó 2, en el que el polvo de acero contiene
molibdeno.
5. Proceso, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 ó 2, en el que el polvo de acero contiene
níquel.
6. Proceso, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el polvo de acero es un
polvo de acero rápido.
7. Proceso, según la reivindicación 6, en el que
el polvo de acero es un polvo de acero M3/2.
8. Proceso, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores 1 a 5, en el que el polvo de acero es
un polvo de acero inoxidable.
9. Proceso, según la reivindicación 8, en el que
el polvo de acero inoxidable es acero 316.
10. Proceso, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la mezcla de polvos contiene
polvo de carbono.
11. Proceso, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el material de
hierro-cobre tiene una composición en % en peso de
Fe-20Cu.
12. Proceso, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la mezcla de polvos incluye
también polvo de cobre elemental.
13. Proceso, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la mezcla de polvos incluye
un polvo elemental que promueve la formación de martensita.
14. Proceso, según la reivindicación 13, en el
que el elemento se selecciona del grupo compuesto por cromo,
molibdeno y níquel.
15. Proceso, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que incluye además la etapa de tratar
criogénicamente el material sinterizado.
16. Proceso, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que incluye además la etapa del
templado del material sinterizado.
17. Proceso, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que incluye además la etapa de
disponer disulfuro de molibdeno o disulfuro de tungsteno en la
mezcla de polvos.
18. Proceso, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la mezcla de polvos contiene
un polvo de hierro.
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