ES2241621T3 - Acero rapido fabricado por pulvimetalurgia. - Google Patents

Acero rapido fabricado por pulvimetalurgia.

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ES2241621T3 ES00944524T ES00944524T ES2241621T3 ES 2241621 T3 ES2241621 T3 ES 2241621T3 ES 00944524 T ES00944524 T ES 00944524T ES 00944524 T ES00944524 T ES 00944524T ES 2241621 T3 ES2241621 T3 ES 2241621T3
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Abstract

Acero rápido fabricado por pulvimetalurgia con un alto contenido de nitrógeno en forma de un cuerpo formado mediante consolidación de polvo de metal aleado, caracterizado porque el acero rápido, en relación con su composición química, contiene, en % en peso 1-2, 5 C 1-3, 5 N 0, 05-1, 7 Mn 0, 05-1, 2 Si 3-6 Cr 2-5 Mo 0, 5-5 W 6, 2-17 (V + 2Nb) opcionalmente hasta máx. 20 Co el resto hierro e impurezas inevitables en cantidades normales, en el que la cantidad, por una parte, del carbono equivalente, Ceq, expresada como Ceq=C+(12/14)N y, por otra parte, del equivalente de vanadio, Veq, expresada como Veq=V+2Nb, están equilibradas entre sí de manera que las cantidades de dichos elementos, expresadas en términos de dicho equivalente, se encontrarán dentro del área A1-B1-C1-D1-A1 en el sistema de coordenadas de la Fig. 1, en el que las coordenadas Ceq/Veq de los puntos A1-D1 son A1: 4, 5/17 B1: 5, 5/17 C1: 2, 5/6, 2 D1: 1, 5/6, 2 y porque el acero rápido en relación con su estructura, en la condición templada y revenida del acero, contiene del 12 al 40% en volumen de materia dura que está compuesta de partículas de tipo MX, que están distribuidas uniformemente en la matriz del acero, estando compuesta M en dicha materia de tipo MX esencialmente de vanadio y/o niobio, y estando compuesta X del 30 al 50% en peso de carbono y del 50 al 70% en peso de nitrógeno.

Description

Acero rápido fabricado por pulvimetalurgia.
Ámbito técnico
La invención se refiere a un acero rápido fabricado por pulvimetalurgia con un alto contenido de nitrógeno en forma de un cuerpo formado mediante consolidación de polvo metálico aleado. La invención se refiere particularmente a un acero rápido adecuado para herramientas de trabajo en frío pensadas para aplicaciones donde la herramienta está sometida a gran fricción entre el material de trabajo y la herramienta, que resulta en un riesgo de desgaste
adhesivo.
Antecedentes de la invención
El trabajo en frío a menudo incluye corte de chapa, punzonado, embutición profunda y otra conformación de materiales de trabajo metálico, que habitualmente tiene la forma de chapas o planchas, normalmente a temperatura ambiente. Para este tipo de trabajo se usan herramientas de trabajo en frío, sobre las que se plantean varios requisitos que son difíciles de combinar. El material de la herramienta debe tener una gran resistencia contra el desgaste abrasivo, que entre otras cosas implica que debe tener una dureza adecuada; también debe tener una buena resistencia contra el desgaste abrasivo para ciertas aplicaciones; y también debe tener una tenacidad adecuada en su condición de
uso.
Para las aplicaciones anteriores y otras se usa en gran medida un acero para trabajo en frío que se conoce bajo su nombre comercial Sverker 21®, que es un acero fabricado de manera convencional que tiene la composición 1,55 C, 0,3 Si, 0,3 Mn, 12,0 Cr, 0,8 Mo, 0,8 V, el resto hierro e impurezas en cantidades normales. Para herramientas de trabajo en frío también se usa el acero para herramientas fabricado por pulvimetalurgia que se conoce por su nombre comercial Vanadis 4®, que contiene 1,5 C, 1,0 Si, 0,4 Mn, 8,0 Cr, 1,5 Mo, 4,0 V, el resto hierro e impurezas en cantidades normales. También se emplean aceros rápidos, como los aceros rápidos que se conocen bajo los nombres comerciales ASP®2023 y ASP®2053. El primero tiene la composición nominal 1,28 C, 4,2 Cr, 5,0 Mo, 6,4 W, 3,1 V, mientras que el segundo tiene la composición nominal 2,45 C, 4,2 Cr, 3,1 Mo, 4,2 W, 8,0 V, en los que el resto en ambos aceros es hierro, cantidades normales de Mn y Si e impurezas normalmente
existentes.
Los aceros anteriormente mencionados y otros disponibles en el mercado satisfacen requisitos elevados sobre resistencia a desgaste abrasivo, tenacidad y otras características. Sin embargo, no satisfacen requisitos elevados sobre resistencia a desgaste adhesivo, que a menudo es un problema dominante en conexión con diferentes tipos de aplicaciones de herramientas de conformación en frío, como prensado de chapas, curvado de tubos y extrusión en frío. Estos problemas pueden surgir particularmente en conexión con el trabajo en frío de chapas de aceros inoxidables austeníticos y ferríticos, cobre, latón, aluminio y otros. Los problemas pueden reducirse por lubricación y/o revestimiento superficial de las superficies de la herramienta con capas cerámicas reductoras de fricción de, por ejemplo, TiN mediante técnica PCD o CVD, mediante nitruración superficial o mediante cromado duro, pero esas técnicas son soluciones al problema caras y que llevan mucho tiempo. Además, el riesgo de daños y/o descamación de los depósitos es grande. Si surgen daños de desgaste abrasivo o adhesivo, la reparación será complicada porque cualquier defecto siempre estará localizado en una parte de la herramienta sometida a mucho
esfuerzo.
Breve descripción de la invención
El propósito de la invención es proporcionar un acero rápido para herramientas de trabajo en frío con una resistencia muy alta a desgaste adhesivo en combinación con otras características deseables de herramientas de trabajo en frío, como tenacidad adecuada, dureza, y resistencia a desgaste abrasivo. El acero, después de prensar el polvo para conformar un cuerpo consolidado mediante compactación isostática en caliente (HIP-ing), podrá ser trabajado en caliente mediante forja, laminación y extrusión, o ser usado en la condición HIP-ed.
Pueden lograrse estos y otros objetivos en los que el acero rápido, en relación con su composición química, contiene un tanto por ciento en peso de:
1-2,5 C
1-3,5 N
0,05-1,7 Mn
0,05-1,2 Si
3-6 Cr
2-5 Mo
0,5-5 W
6,2-17 (V + 2 Nb)
opcionalmente hasta un máximo de 20 C
el resto hierro e impurezas inevitables, en el que la cantidad, por una parte, de equivalente de carbono, Ceq, expresada como Ceq = C+(12/14)N, y, por otra parte, de equivalente de vanadio, Veq, expresado como Veq = V + 2Nb, están equilibradas entre sí de manera que las cantidades de dichos elementos, expresadas en términos de dicho equivalente, se encontrarán dentro del área A1-B1-C1-D1-A1 en el sistema de coordenadas de la Fig. 1, en el que las coordenadas Ceq/Veq de los puntos A1-D1 son
A1: 4,5/17
B1: 5,5/17
C1: 2,5/6,2
D1: 1,5/6,2
y de manera que el acero rápido en relación con su estructura, en la condición de templado y revenido del acero, contiene del 12 al 40% en volumen de materia dura que está compuesta de partículas de tipo MX, que están distribuidas uniformemente en la matriz del acero, estando compuesta M en dicha materia de tipo MX esencialmente de vanadio y/o niobio, y estando compuesta X del 30 al 50% en peso de carbono y del 50 al 70% en peso de nitrógeno.
En la siguiente descripción se definirán varias áreas más limitadas, que definen diferentes realizaciones y variantes de la invención en relación con las relaciones entre equivalentes de carbono y vanadio. En las lista de más abajo, se han expuesto las coordenadas Ceq/Veq para todos los puntos que se han indicado en el diagrama de la Fig. 1.
\vskip1.000000\baselineskip
1
En las reivindicaciones adicionales 2-5 se exponen varias realizaciones preferidas o concebidas de la invención en relación con la relación entre el equivalente de carbono y el equivalente de vanadio del acero dentro de todo el intervalo Veq=6,2-17(V+2Nb).
En la siguiente descripción, se explicará más detalladamente la elección de los diferentes elementos de aleación y los contenidos de los mismos.
El carbono tiene dos funciones importantes en el acero de la invención. Por una parte formará, junto con nitrógeno y vanadio y/o niobio, carbonitruros de vanadio y/o niobio; por otra parte, existirá carbono en cantidad suficiente en la matriz del acero para proporcionar una dureza deseada de la martensita que se obtiene después del templado y revenido. Más particularmente, el contenido de carbono que está disuelto en la matriz debe ascender al 0,40-0,60%, preferentemente al 0,47-0,54%. A partir de estas razones, existirá carbono en una cantidad de al menos 1% en peso y máximo 2,5% en peso.
En dicha materia dura de tipo MX, es decir, carbonitruros de vanadio y/o niobio, X estará compuesta del 30 al 50% en peso de carbono y del 50 al 70% en peso de nitrógeno, en la que la relación % en peso de N-% en peso de C de las cantidades de nitrógeno y carbono que están presentes en dichos carbonitruros de tipo MX satisfará las condiciones:
1,0 \ \leq \ % \ en \ peso \ de \ N/% \ en \ peso \ de \ C \ \leq \ 2,3
La cantidad de nitrógeno que existe en el acero en su estado fundido antes de la granulación por gas y la cantidad de nitrógeno que se añade al acero nitrurando el polvo de acero granulado por gas, que es la mayor parte, esencialmente se combina con vanadio y/o niobio para formar dichos carbonitruros. La cantidad de nitrógeno que queda en la matriz del acero y/o que posiblemente forma nitruros con otros elementos existentes, será prácticamente insignificante en comparación con la cantidad de nitrógeno en dichos carbonitruros. Para el logro de los carbonitruros deseados de tipo MX, el contenido de nitrógeno ascenderá por lo tanto a al menos 1% en peso y máximo 3,5% en peso.
Existe silicio en una cantidad de al menos 0,05, preferentemente al menos 0,1% como producto residual de la desoxidación de la colada de acero y puede tolerarse en cantidades hasta 1,7%, preferentemente máximo 1,2%, normalmente máximo 0,7%.
Existe manganeso en una cantidad de al menos 0,05%, preferentemente al menos 0,1%, en primer lugar como producto residual de la técnica del procedimiento metalúrgico de colada, donde el manganeso es importante para volver inocuos los compuestos de sulfuro mediante la formación de sulfuros de manganeso de una manera conocida per se. El contenido máximo tolerado de manganeso es 1,7%, preferentemente máx. 1,0%, normalmente máx.
0,5%.
Existirá cromo en el acero en una cantidad de al menos 3%, preferentemente al menos 3,5%, para contribuir al logro de una templabilidad suficiente de la matriz del acero. Sin embargo, demasiado cromo puede causar un riesgo de austenita retenida que es difícil de transformar, y formación de carburos de M_{7}C_{3}, que son menos deseados. Por lo tanto, el contenido de cromo está limitado a máx. 6%, preferentemente máx. 5%, y deseablemente máx. 4,5%.
Existirán molibdeno y tungsteno en el acero para proporcionar un temple secundario durante el revenido y para dar una contribución a la templabilidad. Los límites se eligen de manera que los dichos elementos, adaptados a oros elementos de aleación, proporcionarán una dureza óptima después el templado y el revenido y también proporcionarán una pequeña cantidad de partículas duras de M_{6}C. Existirá molibdeno en una cantidad de al menos 2%, preferentemente al menos 2,5% y adecuadamente al menos 3,0%. Existirá tungsteno en una cantidad de al menos 0,5%, preferentemente en una cantidad de al menos 2,0%, y adecuadamente al menos 2,5%, y más convenientemente al menos 3,0%. El contenido de molibdeno y tungsteno no debe exceder el 5%, preferentemente no exceder el 4%. En lo que respecta a molibdeno y tungsteno, la expresión
Mo_{eq} = Mo + W/2
debe encontrarse en el intervalo del 2,25 al 7,5%, preferentemente dentro del intervalo del 4 al 6%. El contenido de carbinos de M_{6}C, donde M está compuesto sustancialmente de molibdeno y tungsteno, debe ascender en total al 3,5% en volumen o al 10-30% del contenido de volumen total de fase (MX+M_{6}C).
Existirá vanadio en el acero en una cantidad inferior al 6,2% y máx. 17% para, junto con carbono y nitrógeno, para formar carbonitruros de vanadio muy duros, es decir, materia dura de tipo MX, donde M es esencialmente vanadio y X es carbono y nitrógeno en las relaciones de peso que han sido mencionadas en lo anteriormente mencionado. Posiblemente, Posiblemente, el vanadio puede ser sustituido total o parcialmente por niobio. El contenido máximo permitido de niobio debe ser 1,0%, preferentemente máx. 0,5%. Adecuadamente, sin embargo, el acero no contiene nada de niobio añadido intencionadamente, porque eso puede hacer más complicado el manejo de chatarra en una acería, pero por encima de todo porque el niobio podría causar problemas de tenacidad del acero debido a una estructura de carburos más desfavorable, con aristas más vivas que un carbonitruro de vanadio típico de tipo
MX.
Como se ha mencionado en el preámbulo, un propósito de la invención es en primer lugar proporcionar un nuevo acero rápido adecuado para herramientas de trabajo en frío. Como los aceros para trabajo en frío podrán usarse a temperatura ambiente, el acero ventajosamente no debe contener cobalto, que es caro y puede hacer al acero menos tenaz. Según un aspecto concebible de la invención, sin embargo, también debe ser posible emplear el acero para trabajar a altas temperaturas, en cuyo caso podría incluirse cobalto en cantidades hasta máx. 20%, preferentemente máx. 12%. Para el ámbito de uso pensado en primer lugar -aceros para trabajo en frío- el acero, sin embargo, no debe contener cobalto en cantidades superiores a los contenidos de impurezas que se producen normalmente como elementos residuales procedentes de la materia prima que se usa en acerías que fabrican aceros rápidos, es decir, máx. 1% de cobalto, preferentemente máx. 0,5% de cobalto.
Según una primera variante de la invención, el acero contendrá del 6,2 al 9,5% (V+2Nb). Esto implica, según el aspecto más amplio sobre esta primera variante, que las coordenadas de los equivalentes de carbono y vanadio se encontrarán dentro del área G1-H1-C1-D1-G1 en el sistema de coordenadas de la Fig. 1.
En las reivindicaciones subsiguientes 7-12 se exponen aspectos limitadores de esta primera variante. Dentro del marco del aspecto más limitado sobre esta primera variante está un acero que tiene la siguiente composición nominal preferida: 1,3 C, 1,4 N, (Ceq aproximadamente 2,5), 0,5 Si, 0,3 Mn, 4,2 Cr, 3,0 Mo, 4,0 W, 8,0 V, el resto hierro e impurezas normalmente existentes. Tal acero pude emplearse para la mayoría de los ámbitos de uso mencionados para los que está pensado el acero.
Según una segunda variante de la invención, el acero contendrá de 13,5 a 17 (V+2Nb). Esto implica, según el aspecto más amplio sobre esta variante, que las coordenadas de los equivalentes de carbono y vanadio se encontrarán dentro del área A1-B1-E1-F1-A1 en el sistema de coordenadas de la Fig. 1. En las reivindicaciones subsiguientes 14-19 se exponen aspectos limitadores de esta segunda variante. Dentro del marco de esta composición preferida más limitada según este segundo aspecto está un acero con la siguiente composición nominal preferida: 2,0 C, 3,0 N, (Ceq aproximadamente 4,6), 0,5 Si, 0,3 Mn, 4,2 Cr, 3,0 Mo, 4,0 W, 15,0 V, el resto hierro e impurezas normalmente existentes. Un acero que tiene esta composición es particularmente adecuado para ser empleado para la fabricación de herramientas que están sometidas a desgaste adhesivo particularmente fuerte y se diferencia de la composición preferida anterior por su contenido más alto de vanadio, carbono y nitrógeno, que resulta en una fracción de fase MX aproximadamente el doble de alta.
Según una tercera variante de la invención, el acero contendrá de 9,5 a 13,5 (V+2Nb), en el que los coeficientes de los contenidos de los equivalentes de carbono y vanadio se encuentran dentro del área F1-E1-H1-G1-F1. En las reivindicaciones adjuntas 21-26 se exponen aspectos limitadores de esta tercera variante. Dentro del marco de esta composición preferida más limitada según esta tercera variante existe un acero que tiene la siguiente composición nominal preferida: 1,5 C, 2,0 N, (Ceq aproximadamente 3,2), 0,5 Si, 0,3 Mn, 4,2 Cr, 3,0 Mo, 4,0 W, 11,0 V, el resto hierro e impurezas normalmente existentes. Un acero de esa clase proporciona una mejor trabajabilidad en caliente que el acero altamente aleado según dicha segunda variante y también una mejor resistencia al desgaste que el acero menos aleado según dicha primera variante.
Las características técnicas del acero pueden describirse como se indica a continuación:
- El acero está compuesto de un acero rápido fabricado por pulvimetalurgia, cuya composición de aleación se distingue en primer lugar por un alto contenido de vanadio. En su condición de entrega el acero tiene una matriz sustancialmente ferrítica, que contiene una cantidad considerable de carbonitruros, en primer lugar carbonitruros de vanadio, que son de grano fino y están distribuidos uniformemente en el acero.
- Después de tratamiento de disolución en el intervalo de temperatura de 1000-1180ºC, preferentemente en el intervalo de 1050-1150ºC, y enfriamiento a temperatura ambiente, la matriz del acero tiene una estructura predominantemente martensítica pero con un alto contenido de austenita retenida. Parte de los carbonitruros y de los carburos que también existen en el acero, se disuelven, pero el 15-30% en volumen de carbonitruros de vanadio de grano fino uniformemente distribuidos permanecen en el acero.
- La dureza se incrementa a 58-66 HRC (la dureza dentro de este intervalo depende de la temperatura de austenitización) mediante revenido a una temperatura dentro del intervalo de temperatura de 500-600ºC porque la austenita retenida esencialmente ha sido eliminada y transformada en martensita y por precipitación secundaria de los carbonitruros de vanadio en primer lugar.
- Debido, en primer lugar, al gran contenido de carbonitruros de vanadio, se proporciona al acero templado y revenido una resistencia muy alta al desgaste a temperatura ambiente, y debido a su combinación de elementos de aleación, se proporciona al acero en otros sentidos una combinación de dureza y tenacidad que es adecuada para el tipo de herramientas de trabajo en frío que ha sido mencionado en el preámbulo de este texto.
El acero rápido de la invención puede fabricarse de la siguiente manera. Se prepara una colada de una manera metalúrgica de colada convencional, en la que la colada alcanzará un contenido de nitrógeno que no supere el contenido máximo de nitrógeno que puede disolverse en el acero fundido, mientras que los otros elementos de aleación se ajustan a los contenidos que se exponen en la reivindicación 1 ó a cualquiera de los contenidos especificados que se exponen en las reivindicaciones dependientes. A partir de esta colada se forma un polvo metálico, que puede llevarse a cabo de una manera conocida mediante granulación de una corriente de metal fundido por medio de chorros de gas de nitrógeno y/o argón, es decir, según la técnica que forma una parte inicial del llamado procedimiento ASP (procedimiento Asea Stora). El polvo se tamiza hasta una medida de polvo adecuada, por ejemplo, máx. 250 \mum. Parte del polvo se alea con nitrógeno mediante nitruración en fase sólida por medio de un gas que lleva nitrógeno, por ejemplo gas de nitrógeno y/o amoniaco según cualquier técnica que también puede ser conocida. Entre las técnicas conocidas que pueden emplearse puede mencionarse, por ejemplo, la técnica que se describe en el documento SE-C-462837 o la técnica que se describe en el documento MPR de julio de 1986, págs. 527-530. Preferentemente se usa una mezcla gaseosa de amoniaco y gas de hidrógeno que se hace fluir a través de un lecho de polvo caliente en un reactor giratorio a 550-600ºC. El amoniaco reacciona a esta temperatura en la superficie del polvo de acero según la reacción 2NH_{3} \rightarrow 3H_{2} + 2N (acero). El nitrógeno disuelto se difundirá entonces desde la superficie por dentro de los granos de polvo. A la salida del reactor el gas está compuesto de una mezcla de nitrógeno, hidrógeno, y una cantidad menor de amoniaco residual. El procedimiento permite una fabricación de un material nitrurado con un control muy exacto del contenido de nitrógeno. Un polvo que está aleado con nitrógeno de esta o de cualquier otra manera se mezcla con un polvo que no está aleado con nitrógeno pero que en otros aspectos tiene preferentemente la misma composición que el polvo aleado con nitrógeno, de manera que la mezcla alcanzará un contenido medio deseado de nitrógeno según la invención. Esta mezcla se carga en cápsulas de chapa que están cerradas y están compactadas isostáticamente en caliente según una técnica conocida, preferentemente según la técnica que ha sido mencionada en la descripción precedente y que se conoce bajo el nombre ASP (procedimiento Asea Stora), para el logro de un cuerpo consolidado de un acero rápido aleado con nitrógeno de la invención. Este cuerpo puede trabajarse en caliente mediante laminación y/o forja hasta la dimensión deseada. Durante el procedimiento de consolidación y en el trabajo en caliente posterior, las variaciones existentes en lo que respecta al contenido de nitrógeno en el material de partida para el trabajo en caliente, se nivelan de manera que todas las partes del cuerpo alcanzarán un contenido de nitrógeno esencialmente igualmente
alto.
Breve descripción de los dibujos
En los dibujos,
la Fig. 1 es un diagrama que ilustra los contenidos de aquellos elementos del acero que son los principales ingredientes en la materia dura de tipo MX del acero rápido de la invención;
la Fig. 2 es un diagrama que ilustra la dureza frente a diferentes temperaturas de revenido de un par de aceros según la invención; y
la Fig. 3 es una microfotografía que muestra la estructura de un acero de la invención después de trabajo en caliente pero antes del temple.
Descripción de experimentos realizados
La composición química expresada en % en peso de los aceros examinados se da en la Tabla 1 a continuación. Aparte de los elementos que se dan en la tabla, las aleaciones de acero sólo contenían impurezas en cantidades que se producen normalmente en la producción de acero. Las aleaciones de acero N^{os} 1-6 son aleaciones experimentales, mientras que las aleaciones N^{os} 3-6 son ejemplos de aceros según la invención. Las aleaciones de acero N^{os} 7 y 8 son composiciones analizadas de materiales de referencia, más concretamente los aceros comerciales ASP®2023 y ASP®2053, respectivamente.
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(Tabla pasa a página siguiente)
TABLA 1
2
Ceq = C + (12/14)N.
Los materiales de partida de las aleaciones experimentales N^{os} 1-6 estaban compuestos de polvo fabricado mediante atomización de gas (granulación) de coladas de acero producidas a escala de laboratorio. Las coladas fueron atomizadas por medio de gas de nitrógeno en un aparato de producción de polvo a escala de laboratorio, produciendo un polvo fino que fue tamizado de manera que se obtuvo una fracción de polvo que tiene tamaños de granos de polvo menores de 250 \mum. Parte del polvo que fue fabricado de diferentes aleaciones en polvo fue nitrurado de forma discontinua por medio de una mezcla de amoniaco y gas de nitrógeno en un lecho de polvo en un reactor al que se hizo fluir el gas de nitruración. La temperatura en el reactor era aproximadamente 570ºC. El amoniaco reaccionaba a dicha temperatura a medida que era transportado a través del lecho de manera que se logró una mezcla de gas de amoniaco, nitrógeno e hidrógeno que fluyó a través del lecho de polvo. La actividad del nitrógeno fue muy alta durante estas condiciones, y la ocupación de nitrógeno en el polvo de acero fue muy
buena.
Después los polvos aleados con nitrógeno fueron mezclados con polvos de acero correspondientes que no habían sido aleados con nitrógeno, para formar mezclas de polvo con contenidos variables de nitrógeno. Estas mezclas de polvo fueron luego metidas en cápsulas y fueron compactadas isostáticamente en caliente a 1150ºC y una presión de 1000 barias para formar cuerpos consolidados de aleaciones de acero rápido aleadas con nitrógeno.
Después del HIP-ing (compactación isostática en caliente) las piezas en bruto tenían un diámetro de aproximadamente 130 mm y una longitud de aproximadamente 600 mm. Los materiales fueron forjados, después de lo cual fueron recocidos suavemente, templados y revenidos. Después los materiales fueron analizados en relación con su composición química, como se ha mostrado en la Tabla 1 anterior.
Durante los estudios iniciales se expuso que los aceros N^{os} 1 y 2 no lograron las propiedades deseadas, por lo que no fueron estudiados con más detalle. Los estudios iniciales, por otra parte, mostraron resultados prometedores en lo que respecta a los aceros N^{os} 3-6. Entre estos aceros, los materiales hechos de las aleaciones de acero N^{os} 5 y 6 fueron estudiados más detenidamente y fueron sometidos a ensayos mecánicos, ensayos de desgaste, ensayos de impacto sin muesca, y estudios de estructura metalográfica. También fueron sometidos a dichos ensayos de materiales los materiales de referencia que estaban hechos de las aleaciones de acero N^{os} 7 y 8.
Los resultados de los ensayos de forja se dan en la Tabla 2.
TABLA 2
3
El acero No 5 podría forjarse sin problemas, mientras que el acero No 6, que estaba sustancialmente más aleado, mostró una forjabilidad significativamente más reducida. En la segunda etapa, el material se rompió y se cayó parcialmente a trozos. La razón para esto puede ser debida a la gran cantidad de materia dura de tipo MX del material; aproximadamente un tercio del volumen del material.
Después se examinó la influencia de la temperatura de austenitización sobre la dureza de los aceros Nº 5 y Nº 6 con y sin enfriamiento intenso. Se lograron los siguientes resultados.
TABLA 3
100
Como resulta evidente a partir de la tabla, sólo es el acero Nº 6 el que después del temple desde 1000ºC gana un aumento significativo de dureza después de enfriamiento intenso.
Para la investigación posterior de la dureza en dependencia de diferentes temperaturas de revenido se escogieron materiales que habían sido templados desde 1000ºC durante 30 minutos y enfriados a temperatura ambiente. Los resultados se muestran en la Fig. 2. Como resulta evidente a partir de esta figura, la dureza del acero Nº 5, así como del Nº 6 se reduce ligeramente hasta una temperatura de revenido de 500-520ºC, pero se reduce considerablemente a temperaturas de revenido superiores.
Después se examinó la tenacidad a impacto en términos de energía de impacto para probetas de ensayo sin muesca. Las probetas fueron tomadas en la dirección longitudinal de los materiales forjados. Los materiales habían sido templados por austenitización a 1000ºC/30 min. seguida de enfriamiento a temperatura ambiente, y habían sido revenidos 2 veces a 525ºC durante 2 horas con enfriamiento intermedio al aire. La dureza y energía de impacto de los materiales experimentales se dan en la Tabla 4. También se dan en la tabla los valores medidos de los materiales de referencia, aceros Nº 7 y Nº 8 después de temple desde 1100ºC/30 min. y 1075ºC/30 min., respectivamente, más revenido a 560ºC/3 x 1 hora.
\vskip1.000000\baselineskip
TABLA 4
Dureza y energía de impacto de los materiales experimentales
Material Dureza, HRC Energía de impacto, J
Acero Nº 5 62,0 18
Acero Nº 6 64,5 8
Acero Nº 7 62,0 55
Acero Nº 8 62,0 45 
\vskip1.000000\baselineskip
Los materiales experimentales nitrurados Nº 5 y Nº 6 muestran bajas energías de rotura en comparación con los materiales de referencia Nº 7 y Nº 8 que fueron tomados de una producción a escala industrial. La razón para esto puede ser debida a los contenidos mucho más altos de materia dura en los materiales experimentales y también al hecho de que los materiales experimentales, que fueron fabricados a escala de laboratorio, tienen contenidos extraordinariamente altos de oxígeno, 495 ppm y 570 ppm, respectivamente, comparados con las 50 ppm, que es un contenido de oxígeno más típico en materiales de producción. Sin embargo, las energías de impacto medidas de los materiales experimentales pueden ser aceptables en vista de las aplicaciones para las que está pensado el acero rápido de la invención, particularmente en consideración de la energía de impacto más alta que puede esperarse en una producción de los materiales a escala industrial.
Para la evaluación de la resistencia de los aceros a desgaste, particularmente la resistencia de los materiales a desgaste adhesivo, se hicieron herramientas para trabajo en frío de chapas de acero inoxidable austenítico para carcasas de bombas, más concretamente herramientas para embutición profunda de manguitos de bombas y rotores. La prensa en la que estaban montadas las herramientas tenía varias estaciones de prensado separadas, denominadas aquí estación 1 y 2. La estación 2 era una estación que por experiencia da una tensión que en términos de desgaste adhesivo es aproximadamente 3 veces más grande que en la estación 1. La pieza de trabajo, que estaba hecha de los materiales examinados, estaba compuesta de un anillo que tenía un diámetro exterior de 90 mm, un diámetro interior de 64 mm, y una altura de 46, 5 mm. Los resultados se exponen en la Tabla 5.
TABLA 5
Vida útil de las herramientas (número de prensados) de diferentes materiales de herramientas usados para
embutición profunda de manguitos de acero inoxidable
Material Estación de prensado Tratamiento superficial Número de prensados
Acero Nº 5 1 Ninguno >1.500.000*
Acero Nº 6 2 '' >700.000*
Acero Nº 7 1 '' 51160**
Acero Nº 7 2 '' 18000**
*Cuando fueron evaluados los resultados
**Después de que se gastó la herramienta.
El resultado a presión del acero Nº 5 aleado con nitrógeno de la invención implicaba un aumento de la vida útil de la herramienta de al menos 30 veces comparada con el material de referencia Nº 7. La herramienta después estaba aún operativa en la prensa y continuaba el ensayo de duración. También el material Nº 6 de la invención tuvo una resistencia superior a desgaste, es decir, una duración al menos 40 veces más larga que el material de referencia Nº 7. A este respecto también debe informarse de que la energía de impacto más baja de los materiales de la invención en comparación con los materiales de referencia no causó ningún problema en la aplicación muy exigente.
Se examinó la microestructura de los materiales mediante un microscopio electrónico de barrido (SEM). La Fig. 3 muestra la microestructura del acero Nº 6 después de HIP-ing y forja posterior. Los carbonitruros de vanadio son visibles en la figura como islas negras distribuidas uniformemente en la austenita gris. Los exámenes de la estructura del acero Nº 5 mostraron una distribución similar de los carbonitruros de vanadio. Lo único que desde un punto de vista estructural diferencia entre sí los dos materiales 5 y 6 de la invención es que el acero Nº 6 contiene aproximadamente 70% más de la fase MX que el acero Nº 5. La mayoría de los carbonitruros tenía un diámetro de entre 1-2 \mum. Además, en los dos aceros Nº 4 y Nº 5 se encontró una parte de fase secundaria de carburos M6C, que tenían la forma de precipitación laminar con una extensión de aproximadamente 2-3 \mum pero con muy poco espesor; un espesor de una o unas pocas decenas de \mum.

Claims (38)

1. Acero rápido fabricado por pulvimetalurgia con un alto contenido de nitrógeno en forma de un cuerpo formado mediante consolidación de polvo de metal aleado, caracterizado porque el acero rápido, en relación con su composición química, contiene, en % en peso
1-2,5 C
1-3,5 N
0,05-1,7 Mn
0,05-1,2 Si
3-6 Cr
2-5 Mo
0,5-5 W
6,2-17 (V + 2Nb)
opcionalmente hasta máx. 20 Co
el resto hierro e impurezas inevitables en cantidades normales, en el que la cantidad, por una parte, del carbono equivalente, Ceq, expresada como Ceq=C+(12/14)N y, por otra parte, del equivalente de vanadio, Veq, expresada como Veq=V+2Nb, están equilibradas entre sí de manera que las cantidades de dichos elementos, expresadas en términos de dicho equivalente, se encontrarán dentro del área A1-B1-C1-D1-A1 en el sistema de coordenadas de la Fig. 1, en el que las coordenadas Ceq/Veq de los puntos A1-D1 son
A1: 4,5/17
B1: 5,5/17
C1: 2,5/6,2
D1: 1,5/6,2
y porque el acero rápido en relación con su estructura, en la condición templada y revenida del acero, contiene del 12 al 40% en volumen de materia dura que está compuesta de partículas de tipo MX, que están distribuidas uniformemente en la matriz del acero, estando compuesta M en dicha materia de tipo MX esencialmente de vanadio y/o niobio, y estando compuesta X del 30 al 50% en peso de carbono y del 50 al 70% en peso de nitrógeno.
2. Un acero rápido según la reivindicación 1, caracterizado porque los coeficientes de los equivalentes de carbono y vanadio se encuentran dentro del área A2-B1-C1-D2-A2 en el sistema de coordenadas de la Fig. 1, en el que las coordenadas Ceq/Veq de los puntos A2 y D2 son:
A2: 4,6/17
D2: 1,6/6,2
3. Un acero rápido según la reivindicación 2, caracterizado porque los coeficientes de los contenidos de equivalentes de carbono y vanadio se encuentran dentro del área A3-B1-C1-D3-A3 en el sistema de coordenadas de la Fig. 1, en el que las coordenadas Ceq/Veq de los puntos A3 y D3 son:
A3: 4,75/17
D3: 1,75/6,2
4. Un acero rápido según la reivindicación 1, caracterizado porque los coeficientes de los contenidos de equivalentes de carbono y vanadio se encuentran dentro del área A2-B2-C2-D2-A2 en el sistema de coordenadas de la Fig. 1, en el que las coordenadas Ceq/Veq de los puntos A2, B2, C2 y D2 son:
A2: 4,6/17
B2: 5,3/17
C2: 2,3/6,2
D2: 1,6/6,2
5. Un acero rápido según las reivindicaciones 3 y 4, caracterizado porque los coeficientes de los contenidos de equivalentes de carbono y vanadio se encuentran dentro del área A3-B2-C2-D3-A3 en el sistema de coordenadas de la Fig. 1.
6. Un acero rápido según la reivindicación 1, caracterizado porque contiene de 6,2 a 9,5(V+2Nb), y porque los coeficientes de los contenidos de los equivalentes de carbono y vanadio se encuentran dentro del área G1-H1-C1-D1-G1, en el que las coordenadas Ceq/Veq de los puntos G1 y H1 son:
G1: 2,4/9,5
H1: 3,4/9,5
7. Un acero rápido según la reivindicación 6, caracterizado porque los coeficientes de los contenidos de los equivalentes de carbono y vanadio se encuentran dentro del área G2-H1-C1-D2-G2 en el sistema de coordenadas de la Fig. 1, en el que las coordenadas Ceq/Veq de los puntos de las esquinas D2 y G2 son:
D2: 1,6/6,2
G2: 2,9/9,5
8. Un acero rápido según la reivindicación 7, caracterizado porque los coeficientes de los contenidos de los equivalentes de carbono y vanadio se encuentran dentro del área G2-H2-C2-D2-G2 en el sistema de coordenadas de la Fig. 1, en el que las coordenadas Ceq/Veq de los puntos de las esquinas C2 y H2 son:
C2: 2,3/6,2
H2: 3,2/9,5
9. Un acero rápido según las reivindicaciones 7 y 8, caracterizado porque los coeficientes de los contenidos de los equivalentes de carbono y vanadio se encuentran dentro del área G3-H1-C1-D3-G3 en el sistema de coordenadas de la Fig. 1, en el que las coordenadas Ceq/Veq de los puntos de las esquinas D3 y G3 son:
D3: 1,75/6,2
G3: 2,65/9,5
10. Un acero rápido según la reivindicación 9, caracterizado porque los coeficientes de los contenidos de los equivalentes de carbono y vanadio se encuentran dentro del área G3-H2-C2-D3-G3 en el sistema de coordenadas de la Fig. 1.
11. Un acero rápido según cualquiera de las reivindicaciones 6-10, caracterizado porque contiene de 7 a 9 (V+2Nb).
12. Un acero rápido según cualquiera de las reivindicaciones 6-10, caracterizado porque contiene de 7,4 a 8,6 (V+2Nb).
13. Un acero rápido según la reivindicación 1, caracterizado porque contiene de 13,5 a 17 (V+2Nb) y porque las coordenadas de los equivalentes de carbono y vanadio se encuentran dentro del área A1-B1-E1-F1-A1 en el sistema de coordenadas de la Fig. 1, en el que las coordenadas Ceq/Veq de los puntos de las esquinas E1 y F1 son:
E1: 4,55/13,5
F1: 3,55/13,5
14. Un acero rápido según la reivindicación 13, caracterizado porque las coordenadas de los contenidos de los equivalentes de carbono y vanadio se encuentran dentro del área A2-B1-E1-F2-A2 en el sistema de coordenadas de la Fig. 1, en el que las coordenadas Ceq/Veq de los puntos de las esquinas A2 y F2 son:
A2: 4,6/17
F2: 3,65/13,5
15. Un acero rápido según la reivindicación 14, caracterizado porque las coordenadas de los contenidos de los equivalentes de carbono y vanadio se encuentran dentro del área A3-B1-E1-F3-A3 en el sistema de coordenadas de la Fig. 1, en el que las coordenadas Ceq/Veq de los puntos de las esquinas A3 y F3 son:
A3: 4,75/17
F3: 3,8/13,5
16. Un acero rápido según cualquiera de las reivindicaciones 14 y 15, caracterizado porque las coordenadas de los contenidos de los equivalentes de carbono y vanadio se encuentran dentro del área A2-B2-E2-F2-A2, en el que las coordenadas Ceq/Veq de los puntos de las esquinas B2 y E2 son:
B2: 5,3/17
E2: 4,35/13,5
17. Un acero rápido según cualquiera de las reivindicaciones 15 y 16, caracterizado porque las coordenadas de los contenidos de los equivalentes de carbono y vanadio se encuentran dentro del área A3-B2-E2-F3-A3 en el sistema de coordenadas de la Fig. 1.
18. Un acero rápido según cualquiera de las reivindicaciones 13-17, caracterizado porque contiene de 14 a 16,5 (V+2Nb).
19. Un acero rápido según cualquiera de las reivindicaciones 13-17, caracterizado porque contiene de 14,5 a 16 (V+2Nb).
20. Un acero rápido según la reivindicación 1, caracterizado porque contiene de 9,5 a 13,5 (V+2Nb), y porque los coeficientes de los contenidos de los equivalentes de carbono y vanadio se encuentran dentro del área F1-E1-H1-G1-F1, en el que las coordenadas Ceq/Veq de los puntos de las esquinas E1, F1, G1 y H1 son:
E1: 4,55/13,5
F1: 3,55/13,5
G1: 2,4/9,5
H1: 3,4/9,5
21. Un acero rápido según la reivindicación 20, caracterizado porque los coeficientes de los contenidos de los equivalentes de carbono y vanadio se encuentran dentro del área F2-E1-H1-E2-F2, en el que las coordenadas Ceq/Veq de los puntos de las esquinas E2 y F2 son:
E2: 4,35/13,5
F2: 3,65/13,5
22. Un acero rápido según la reivindicación 21, caracterizado porque los coeficientes de los contenidos de los equivalentes de carbono y vanadio se encuentran dentro del área F3-E1-H1-G3-F3, en el que las coordenadas Ceq/Veq de los puntos de las esquinas F3 y G3 son:
F3: 3,8/13,5
G3: 2,65/9,5
23. Un acero rápido según cualquiera de las reivindicaciones 21 y 22, caracterizado porque los coeficientes de los contenidos de los equivalentes de carbono y vanadio se encuentran dentro del área F2-E2-H2-G2-F2, en el que las coordenadas Ceq/Veq de los puntos de las esquinas G2 y H2 son:
G2: 2,5/9,5
H2: 3,2/9,5
24. Un acero rápido según la reivindicación 23, caracterizado porque los coeficientes de los contenidos de los equivalentes de carbono y vanadio se encuentran dentro del área F3-E2-H2-G3-F3, en el que las coordenadas Ceq/Veq de los puntos de las esquinas F3 y G3 son:
F3: 3,8/13,5
G3: 2,65/9,5
25. Un acero rápido según cualquiera de las reivindicaciones 20-24, caracterizado porque contiene de 10 a 12,5 (V+2Nb).
26. Un acero rápido según cualquiera de las reivindicaciones 20-24, caracterizado porque contiene de 10,5 a 12 (V+2Nb).
27. Un acero rápido según cualquiera de las reivindicaciones 1-26, caracterizado porque contiene de 0,1 a 1,2% de Si, preferentemente máx. 0,7% de Si.
28. Un acero rápido según cualquiera de las reivindicaciones 1-26, caracterizado porque contiene máx. 1,0 Mn, preferentemente máx. 0,5 Mn.
29. Un acero rápido según cualquiera de las reivindicaciones 1-26, caracterizado porque contiene de 3,5 a 5 Cr, preferentemente máx. 4,5 Cr.
30. Un acero rápido según cualquiera de las reivindicaciones 1-26, caracterizado porque contiene al menos 2,5, preferentemente 3,0 Mo y al menos 2,0, adecuadamente al menos 2,5 y lo más adecuadamente al menos 3,0 W.
31. Un acero rápido según cualquiera de las reivindicaciones 1-26, caracterizado porque el contenido de Mo y W no supera cada uno el 4%.
32. Un acero rápido según cualquiera de las reivindicaciones 30 y 31, caracterizado porque el % de Mo_{eq}= %Mo + W/2 se encuentra dentro del intervalo del 4 al 6%.
33. Un acero rápido según cualquiera de las reivindicaciones 6-12, caracterizado porque el acero en la condición de templado y revenido contiene del 14 al 23% en volumen de materias duras que están compuestas de partículas de tipo MX distribuidas uniformemente en la matriz del acero.
34. Un acero rápido según cualquiera de las reivindicaciones 13-19, caracterizado porque el acero en la condición de templado y revenido contiene del 23 al 38% en volumen de materias duras que están compuestas de partículas de tipo MX distribuidas uniformemente en la matriz del acero.
35. Un acero rápido según cualquiera de las reivindicaciones 20-26, caracterizado porque el acero en la condición de templado y revenido contiene del 18 al 27% en volumen de materias duras que están compuestas de partículas de tipo MX distribuidas uniformemente en la matriz del acero.
36. Un acero rápido según cualquiera de las reivindicaciones 1-35, caracterizado porque el acero en la condición de templado y revenido contiene del 3 al 5% en volumen de carburos M_{6}C, donde M es sustancialmente Mo y W.
37. Un acero rápido según cualquiera de las reivindicaciones 1-35, caracterizado porque además de carbonitruros de tipo MX, donde M es sustancialmente V, también contiene carburos de tipo M_{6}C, donde M es sustancialmente Mo y W, correspondiendo la cantidad total de carburos M_{6}C del 10 al 30% del contenido total de fase (MX+M_{6}C).
38. Un acero rápido según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque en la condición de templado y revenido contiene del 0,40 al 0,60%, preferentemente del 0,47 al 0,54% de carbono que está disuelto en la matriz.
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