ES2272662T3 - Aleacion de acero para trabajo en frio, para la fabricacion pulvimetalurgica de piezas. - Google Patents

Aleacion de acero para trabajo en frio, para la fabricacion pulvimetalurgica de piezas. Download PDF

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Abstract

Pieza o herramienta con una alta tenacidad y dureza así como resistencia contra el desgaste y la fatiga de los materiales partiendo de una aleación de acero para trabajo en frío, fabricada según la técnica de la metalurgia de los polvos, que contiene en % en peso carbono (C) de 2, 05 hasta 2, 65 silicio (Si) hasta 2, 0 manganeso (Mn) hasta 2, 0 cromo (Cr) de 6, 10 hasta 9, 80 wolframio (W) de 0, 50 hasta 2, 40 molibdeno (V) de 2, 15 hasta 4, 70 vanadio (V) de 7, 05 hasta 9, 0 niobio (Nb) de 0, 25 hasta 2, 45 cobalto (Co) hasta 10, 0 azufre (S) hasta 0, 3 nitrógeno (N) de 0, 04 hasta 0, 22 niquel (Ni) hasta 1, 50 así cono impurezas condicionadas por la fabricación, con hierro (Fe) como residuo, la cual pieza presunta un contenido de oxígeno (O) de menos de 100 ppm y un contenido y una configuración de inclusiones no metálicas, que corresponden a un valor K0 de, a lo sumo, 3 de conformidad con un ensayo según DIN 50 602, así como monocarburos µ uniformemente distribuidos con un tamaño inferior a µm.

Description

Aleación de acero para trabajo en frío, para la fabricación pulvimetalúrgica de piezas.
La invención se refiere a una aleación de acero de trabajo en frío o laminación para la fabricación pulvimetalúrgica de piezas, en especial herramientas, con alta tenacidad y dureza así como resistencia contra el desgaste y fatiga del material.
Las herramientas y las piezas de herramientas se someten normalmente a esfuerzos complejos, lo que exige un semejante perfil de propiedades de las mismas. Sin embargo, una realización de una idoneidad especialmente buena para una clase de esfuerzo del material naturalmente entraña un deterioro o menoscabo de la resistencia del mismo contra otras cargas, de manera que para una elevada calidad de empleo de una herramienta, tendrían que presentarse a menudo varias características de propiedades a alto nivel, con otras palabras, la propiedades de empleo o uso de una herramienta representan un compromiso con respecto a los distintos valores del material respectivamente. Sin embargo, por razones económicas existe generalmente el deseo de tener disponibles herramientas o piezas con unas propiedades de los materiales mejoradas en la totalidad o conjunto.
Por lo general los componentes de acero para herramientas de alto rendimiento poseen una porción de fase dura de carburos y una porción de fase de matriz, que aloja a éstos, las cuales fases, en especial por lo que respecta a sus participaciones en el material, dependen de la composición química de la aleación.
En el caso de una fabricación convencional con una solidificación de la aleación en moldes de fundición se limita su respectivo contenido de carbono y de elementos formadores de carbono por razón de la cinética de solidificación, porque con altos contenidos los carburos primarios separados de la colada o masa en fusión ocasionan una estructura basta del material no homogénea, de esta manera establecen unas malas propiedades mecánicas y ejercen una influencia desfavorable sobre una conformabilidad del material o la excluyen definitivamente.
A fin de poder elevar, por una parte, las concentraciones de los elementos formadores de carburos y la porción o contingente de carbono en atención a una elevada porción o contingente de carburo y, por consiguiente, una resistencia al desgaste del material mejorada, pero, por otra parte, a fin de asegurar una suficiente conformabilidad, homogeneidad y tenacidad de las piezas o herramientas fabricadas partiendo de él, se ha de prever una fabricación pulvimetalúrgica de las mismas.
Una fabricación pulvimetalúgica (PM) de materiales comprende esencialmente un atomizado de gas o de nitrógeno o una división de una colada de acero en gotitas finas, que se solidifican con elevada velocidad de solidificación formando polvo de metal, una introducción y compactación del polvo de metal en una cápsula, un cerrado de la cápsula y un calentamiento así como una compresión isostática a alta temperatura (HIP) del polvo dentro de la cápsula convirtiéndolo en un material homogéneo denso o compacto. Este tipo de material PM así elaborado se puede emplear directamente, corno as-HIPed, para la fabricación de piezas o de herramientas o someterse previamente a una conformación en caliente, por ejemplo, mediante forja y/o laminado.
Herramientas o piezas, sometidas a grandes esfuerzos, por ejemplo, cuchillas, machos de estampar así como matrices y similares exigen, de conformidad con las cargas, al mismo tiempo resistencia contra el desgaste abrasivo, alta tenacidad y resistencia a la fatiga del material. Para la reducción del desgaste se ha de tratar de conseguir un alto contingente de carburos duros, eventualmente bastos, con preferencia monocarburos, con lo cual, sin embargo, se reduce la tenacidad del material al aumentar el contingente de carburos. La resistencia a la fatiga, que esencialmente es una ausencia de la formación de grietas en el caso de esfuerzo mecánico altamente ondulatorio o intermitente del material, se favorece de nuevo mediante una alta dureza de matriz y una baja iniciación de grietas de granos de carburos y de inclusiones no metálicas.
La calidad de uso de piezas o herramientas representa un compromiso entre resistencia, al desgaste, tenacidad y resistencia a la fatiga del material en el estado mejorado térmicamente. En el sentido de una elevación general de la calidad de aceros de trabajo en frío se ha tratado, desde hace mucho tiempo, en el mundo técnico de elevar en conjunto el perfil de las propiedades del acero.
La presente invención se propone como objetivo, teniendo en cuenta las exigencias, aumentar los valores característicos mecánicos en el estado térmicamente mejorado y concretamente la resistencia a la rotura por flexión, el trabajo de flexión por golpes o impactos y la resistencia al desgaste del material de acero para herramientas, con una garantía de calidad al mismo tiempo.
Este objetivo se logra según la invención en el caso de una pieza o herramienta con alta tenacidad y dureza así como resistencia contra desgaste y fatiga de los materiales partiendo de una aleación de acero para trabajos en frío, fabricado según la metalurgia de los polvos, que contiene en % en peso
\newpage
carbono (C) de 2,05 hasta 2,65
silicio (Si) hasta 2,0
manganeso (Mn) hasta 2,0
cromo (Cr) de 6,10 hasta 9,80
wolframio (W) de 0,50 hasta 2,40
molibdeno (Mo) de 2,15 hasta 4,70
vanadio (V) de 7,05 hasta 9,0
niobio (Nb) de 0,25 hasta 2,45
cobalto (Co) hasta 10,0
azufre (S) hasta 0,3
nitrógeno (N) de 0,04 hasta 0,22
níquel (Ni) hasta 1,50
así como impurezas condicionadas por la fabricación, con hierro (Fe) como residuo, la cual pieza comprende o presenta un contenido de oxígeno (0) de menos de 100 ppm y un contenido y una configuración de inclusiones no metálicas, que corresponden a un valor K0 de 3 a lo sumo, según ensayo según DIN 50 602, así como monocarburos distribuidos uniformemente con un tamaño inferior a 10 \mum.
Las considerables mejoras de la calidad del material según la invención se logran sinergéticamente mediante medidas de la técnica de las aleaciones y de la tecnología de procedimientos con miras a la optimización de la estructura de la textura así como de las propiedades individuales y sumatorias de las fases de la textura.
Se ha reconocido que no sólo la cantidad de carburo, sino, en el caso de igual cantidad, la morfología del carburo es de importancia para la tenacidad del material, porque ésta depende de la longitud de recorrido libre entre los carburos en la matriz, por consiguiente, del tamaño del defecto. En la herramienta terminada destinada, al empleo los carburos en atención a la resistencia al desgaste tienen que ser esencialmente monocarburos, repartidos homogéneamente en la matriz y presentarse con un diámetro inferior a 10 \mum, con preferencia inferior a 4 \mum.
El vanadio y el niobio son los formadores de carburo más fuertes y se han de prever, por razones de la técnica de las aleaciones, conjuntamente en una gama o rango de concentración desde 7,05 hasta 9,0% en peso de V y desde 0,25 hasta 2,45% en peso de Nb respectivamente. De este modo se consigue, por una parte, una formación de monocarburos y concretamente de ventajosos carburos mixtos (VNb), por otra parte, se presenta en estos campos de contenidos, fundamentados por V y Nb, una tal afinidad de carbono en el material que se hallan a disposición para la solidificación de cristales mixtos los otros elementos formadores de carburos cromo, wolframio y molibdeno en las concentraciones según la invención con el carbono residual y aumentan la dureza de la matriz. Contenidos de vanadio y/o niobio superiores a 9,0 o 2,45% en peso actúan con carácter descendente sobre la resistencia de la matriz y reducen en especial la resistencia a la fatiga del material, mientras que contenidos inferiores al 7,05% en peso de V y/o 0,25% en peso de Nb conducen a la formación aumentada de fases de carburos más blandas como M_{7}C_{3} - carburos, por lo que disminuye la resistencia al desgaste del acero.
En el caso de un contenido de carbono dentro del rango estrecho de 2,05 a 2,65% en peso y las concentraciones según la invención de los formadores de monocarburos se pueden agotar especialmente mediante 0,5 hasta 2,4% en peso de wolframio y 2,15 hasta 4,70% en peso de molibdeno el potencial de dureza secundaria de la aleación en el momento del mejoramiento térmico y mejorar la resistencia al revenido de la misma. Para una solidificación de los cristales mixtos se prevé cromo con contenidos de 6,10 hasta 9,80% en peso, siendo esencial de la invención para el aumento de la dureza secundaria y de la dureza de la matriz del acero para herramientas nitrógeno con una porción del 0,04 hasta el 0,22% en peso.
Contenidos más altos, pero también más bajos que los que se indican respectivamente dentro de los límites según la invención para los elementos wolframio, molibdeno y cromo, perturban la sinergia y reducen, al menos, una propiedad del acero para herramientas, por consiguiente, pueden influir desventajosamente, en parte, sobre su aplicabilidad o utilidad práctica.
Como queda indicado más arriba, para un mantenimiento de alta calidad de uso de una pieza o de la herramienta son esenciales junto a las condiciones previas de la técnica de aleación también las medidas de la tecnología de fabricación. Ahora bien, como en el sentido de superior tenacidad del material se ha de evitar una acumulación o amontonamiento local de carburos eventualmente más bastos, una llamada formación Cluster de carburos, en el material comprimido isostáticamente a alta temperatura, a causa de una minimización del tamaño de los defectos, en el caso de la fabricación pulvimetalúrgica o en el caso de la producción de polvos se tiene que ajustar la granulometría de los polvos de acuerdo con la técnica de los procedimientos de tal manera que, al menos, el 60% de los granos de polvo presentan un tamaño de partícula de menos de 100 micras (\mum). Una elevada velocidad de solidificación de las gotitas de la colada, junto con pequeñas partículas del polvo de metal, ocasiona, como se ha descubierto una repartición uniforme de finos monocarburos y una, con respecto al contenido de carbono, masa básica sobresaturada en el grano del polvo.
\newpage
Durante la compresión isostática a alta temperatura y durante una conformación en caliente eventualmente prevista de la pieza prensada, se reduce, basado en la difusión a alta temperatura, el grado de sobresaturación de la masa básica, los finos monocarburos redondos crecen según se desee hasta un tamaño de menos de 10 um, depositándose ampliamente los otros elementos de la aleación en el cristal mixto y solidificando en definitiva la matriz. Mediante esta tecnología de fabricación se controla la morfología de los carburos con miras a un mínimo tamaño de los defectos y la composición de la matriz con dirección a una maximización del potencial de la dureza secundaria bajo la condición previa de la composición del material según la invención. Además, a causa de la importancia se tiene que citar una vez más la concentración de niobio prevista a causa del crecimiento regulado de los granos.
De especial importancia es el grado de pureza oxídica del material según la invención, porque debido a las inclusiones no metálicas no sólo se pueden deteriorar sus propiedades mecánicas, sino también debido a estos no metales pueden aparecer efectos del inicio de germinación desfavorables en el momento de la solidificación y el tratamiento térmico del material. Por consiguiente, es esencial según la invención que se atomice o pulverice una aleación muy pura por medio de nitrógeno con un grado de pureza de, al menos, 99,999% de nitrógeno y se evite una fisisorpción de oxígeno en la superficie de los granos de los polvos hasta el cerramiento en una cápsula, por lo que el material prensado o comprimido isostáticamente a alta temperatura presenta un contenido de oxígeno de menos de 100 ppm y un contenido y una configuración de inclusiones no metálicas, que corresponden a un valor K0 de, a lo sumo, 3 de conformidad con ensayo según DIN 50 602.
En las reivindicaciones secundarias se señalan formas de realización preferentes. Con la ayuda, de resultados de estudios comparativos hay que explicar o aclarar más detalladamente la invención.
La tabla 1 muestra la composición química de las aleaciones según la invención y de las aleaciones de acero comparativas,
La tabla 2 muestra los valores de medición, averiguados en la prueba o ensayo mecánico de las aleaciones de acero.
La figura 1 muestra el dispositivo de medida para la determinación de la resistencia a la rotura por flexión.
La figura 2 muestra la forma de probeta para la determinación del trabajo de flexión por golpes o impactos.
La figura 3 ilustra un dispositivo para la medición de la resistencia al desgaste (esquemáticamente),
La figura 4 muestra la confrontación de la resistencia a la rotura por flexión de las aleaciones de acero,
La figura 5 muestra la confrontación del trabajo de flexión por golpes o impactos.
La figura 6 muestra la confrontación de la respectiva resistencia al desgaste de las aleaciones de acero.
En la tabla 1 se puede ver la composición química de una aleación de acero para trabajos en frío según la invención (aleación A) y la de las aleaciones de comparación (B hasta J).
En la tabla 2 se indican los resultados de ensayo para la resistencia a la rotura por flexión, el trabajo de flexión por golpes o impactos y la resistencia al desgaste de la aleación A según la invención y de las aleaciones de comparación E hasta J.
La resistencia a la rotura por flexión de las aleaciones de acero se determinó en probetas redondas (Rd = 5,0 mm) mejoradas a 61 HRC en un dispositivo según la figura 1.
La fuerza previa F_{r} alcanzo 200 N, la velocidad hasta la fuerza previa fue de 2 mm/min. y la velocidad de ensayo alcanzo 5 mm/min. En probetas con la forma según la figura 2 se efectuaron los estudios del trabajo de flexión por golpes, impactos o choques de las respectivas aleaciones de acero.
De la figura 3 se puede deducir el dispositivo para la determinación de la resistencia al desgaste en representación esquemática.
Si ahora se confronta la resistencia a la rotura por flexión de la aleación A según la invención con la de las aleaciones de comparación (B hasta J) (tabla 2), representada con barras o columnas en la figura 4), las aleaciones E, F, H y I presentan altos valores respectivamente, teniendo la aleación I la más alta resistencia a la rotura por flexión.
En el caso de una comparación del respectivo trabajo de flexión por golpes (figura 5) de las aleaciones de acero para trabajos en frío de nuevo la aleación I posee el valor más alto. Los datos de medición de la aleación A según la invención y de la aleación F presentan unos valores ligeramente más bajos para esta propiedad mecánica.
Los resultados de los estudios de la resistencia al desgaste de las aleaciones se confrontan en representación gráfica en la figura 6, siendo determinados para la aleación H y la aleación A según la invención los valores más altos.
\newpage
Se puede inferir de los resultados de los estudios o comprobaciones que las características de las propiedades importantes, resistencia a la rotura por flexión, trabajo de flexión por golpes o impactos y resistencia, al desgaste de una aleación de acero para, trabajos en frío según la invención se hallan igualmente a alto nivel y caracterizan a esta nueva aleación.
\vskip1.000000\baselineskip
TABLA 1
1
2

Claims (5)

1. Pieza o herramienta con una alta tenacidad y dureza así como resistencia contra el desgaste y la fatiga de los materiales partiendo de una aleación de acero para trabajo en frío, fabricada según la técnica de la metalurgia de los polvos, que contiene en % en peso
\vskip1.000000\baselineskip
carbono (C) de 2,05 hasta 2,65 silicio (Si) hasta 2,0 manganeso (Mn) hasta 2,0 cromo (Cr) de 6,10 hasta 9,80 wolframio (W) de 0,50 hasta 2,40 molibdeno (V) de 2,15 hasta 4,70 vanadio (V) de 7,05 hasta 9,0 niobio (Nb) de 0,25 hasta 2,45 cobalto (Co) hasta 10,0 azufre (S) hasta 0,3 nitrógeno (N) de 0,04 hasta 0,22 niquel (Ni) hasta 1,50
así cono impurezas condicionadas por la fabricación, con hierro (Fe) como residuo, la cual pieza presunta un contenido de oxígeno (O) de menos de 100 ppm y un contenido y una configuración de inclusiones no metálicas, que corresponden a un valor K0 de, a lo sumo, 3 de conformidad con un ensayo según DIN 50 602, así corno monocarburos \mu uniformemente distribuidos con un tamaño inferior a \mum.
2. Pieza o herramienta a base de una aleación de acero para trabajo en frío PN según la reivindicación 1, la cual tiene uno o varios elementos con el siguiente o siguientes valores de concentración en % en peso
\vskip1.000000\baselineskip
C de 2,30 hasta 2,59 Si de 0,80 hasta 1,50 Mn de 0,30 hasta 1,40 Cr de 6,12 hasta 7,50 Ni hasta 1,0 W de 0,60 hasta 1,45 Mo de 2,40 hasta 4,40 V de 7,40 hasta 8,70 Nb de 0,50 hasta 1,95 N de 0,06 hasta 0,22
y el valor de (Mn - S) asciende, al menos, a 0,19.
3. Pieza o herramienta a base de una aleación de acero para trabajos en frío PM, según la reivindicación 1 o 2, la cual tiene uno o varios elementos con el siguiente o siguientes valores de concentración en % en peso
\vskip1.000000\baselineskip
Si de 0,85 hasta 1,30 Mn de 0,40 hasta 0,80 Cr de 6,15 hasta 6,95 Ni hasta 0,90 Mo de 3,55 hasta 4,40 V de 7,80 hasta 8,59 Nb de 0,75 hasta 1,45 N de 0,06 hasta 0,15
4. Procedimiento de una fabricación pulvimetalúrgica de una pieza o de una herramienta a partir de una aleación de acero para trabajos en frío, que contiene en % en peso
C de 2,05 hasta 2,65 Si hasta 2,0 Mn hasta 2,0 Cr de 6,10 hasta 9,80 W de 0,50 hasta 2,40 Mo de 2,15 hasta 4,70 V de 7,05 hasta 9,0 Nb de 0,25 hasta 2,45 Co hasta 10,0 S hasta 0,3 N de 0,04 hasta 0,22 Ni hasta 1.50
Según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, siendo acondicionada la aleación líquida y atomizada o pulverizada con nitrógeno con un grado de pureza de 99,999% para formar un polvo de metal con una repartición granulométrica o granometria de, al menos, 60% con un tamaño de partículas de igual a menor de 100 micras (\mum), después de lo cual se efectúa un llenado del polvo en una cápsula manteniendo la atmósfera de nitrógeno y excluyendo o eliminando una fisisorpción de oxígeno en las superficies de los granos, y un cerramiento de la misma, y el polvo se convierte en un material perfectamente denso dentro de un procedimiento de compresión isostática a alta temperatura, eventualmente con una subsiguiente conformación en caliente.
5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el cual por medio de un control de temperatura en el momento de una conformación en caliente se ajusta un crecimiento de los monocarburos distribuidos uniformemente a un tamaño inferior a 10 \mum.
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