ES2237669T3 - Procedimiento de produccion de materiales ferrosos sinterizados que contienen cobre. - Google Patents

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.

Ejemplo 1 Material del anillo del asiento de válvula

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:

TABLA 1

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.

TABLA 2

2

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.

Ejemplo 2

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.

Ejemplo 3

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.

Ejemplo 4

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.

TABLA 3

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.

TABLA 4

4

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.