ES2317225T3 - Composicion de polvo base de hierro. - Google Patents

Abstract

Una composición en polvo basada en hierro que comprende, además de un polvo basado en hierro, entre el 0,02% y el 0,6% en peso de un aditivo de mejora de la mecanizabilidad constituido por 0,01% a 0,5% en peso de fluoruro de calcio y 0,01% a 0,5% en peso de nitruro de boro hexagonal y en la que la proporción de cantidades entre el nitruro de boro hexagonal y el fluoruro de calcio es menor que 1:1 pero no menor que 1:40 y, opcionalmente, aditivos.

Description

Composición de polvo base de hierros.

Campo técnico de la invención

La invención se refiere a una composición de metal en polvo para la producción de piezas de metal en polvo. Especialmente, la invención se refiere a una composición de metal en polvo que incluye un nuevo aditivo de mejora de la mecanizabilidad.

Antecedentes de la invención

Una de las principales ventajas de la fabricación pulvimetalúrgica de componentes es que es posible, compactando y sinterizando, producir piezas en bruto con la forma final o muy parecida. Sin embargo, hay casos en los que se requiere un mecanizado posterior. Por ejemplo, esto puede ser necesario debido a las exigencias de alta tolerancia o porque el componente final tiene una forma tal que no puede ser prensado directamente, sino que requiere mecanizado después de la sinterización. Más específicamente, geometrías tales como orificios transversales a la dirección de compactación, muescas y roscas, necesitan un mecanizado posterior.

Con el continuo desarrollo de nuevos aceros sinterizados de mayor resistencia y, por tanto, también de mayor dureza, el mecanizado se ha convertido en uno de los principales problemas en la fabricación pulvimetalúrgica de componentes. A menudo es un factor limitante al evaluar si la fabricación pulvimetalúrgica es el procedimiento más rentable para la fabricación de un componente. Por tanto, hay una gran necesidad de aditivos nuevos y más eficaces para mejorar la mecanizabilidad de aceros sinterizados. Es importante, por tanto, que este aditivo no afecte de forma apreciable a las propiedades mecánicas, tales como la resistencia a tracción y elongación, del material
sinterizado.

Hoy en día hay varias sustancias conocidas que se añaden a las mezclas en polvo basadas en hierro para facilitar el mecanizado de componentes tras la sinterización. El aditivo en polvo más habitual es MnS, que se menciona, por ejemplo, en el documento EP0183666, que describe cómo mejora la mecanizabilidad de un acero sinterizado con la incorporación de tal polvo. Los materiales que son difíciles de mecanizar, en este contexto materiales que tienen una dureza por encima de aproximadamente 180 HV, no se pueden, sin embargo, mecanizar correctamente añadiendo MnS. Además, dependiendo de la cantidad añadida y del material base, las adiciones de MnS pueden disminuir la resistencia mecánica del material tras la sinterización.

El documento WO91/14526 describe cómo se usan pequeñas cantidades de Te y/o Se junto con MnS para mejorar la mecanizabilidad aproximadamente el doble en materiales pulvimetalúrgicos que son difíciles de mecanizar. La adición de Te y/o Se ya está en conflicto con consideraciones medioambientales, porque los valores límite ambientales para estos aditivos son muy bajos y hay una tendencia hacia reglamentos medioambientales aún más estrictos.

La patente estadounidense nº 4927461 describe la adición de BN (nitruro de boro) hexagonal a mezclas en polvo basadas en hierro para mejorar la mecanizabilidad de la pieza de metal tras la sinterización. En la patente se afirma que usando aglomerados de polvo de BN muy fino es posible lograr una mejora de la mecanizabilidad similar a la lograda con la adición de MnS. Sin embargo, la resistencia del sinterizado se ve afectada en menor grado si se añade una cantidad correcta de polvo de BN que si se añade MnS.

La patente estadounidense nº 5631431 también se refiere a un aditivo para mejorar la mecanizabilidad. Según esta patente, el aditivo contiene partículas de fluoruro de calcio que se incluyen en una cantidad de 0,1-0,6% en peso en la composición en polvo. En la práctica, el fluoruro de calcio ha resultado ser un excelente agente de mejora de la mecanizabilidad. Sin embargo, debido al continuo desarrollo de materiales pulvimetalúrgicos, hay necesidad de mejorar también el rendimiento de los aditivos.

Por tanto, un objeto de la presente invención es proporcionar un nuevo aditivo para una composición de metal en polvo para una mejora adicional de la mecanizabilidad. Otro objeto de la invención es proporcionar un nuevo aditivo que no tenga o esencialmente no tenga influencia en las propiedades mecánicas. Adicionalmente, el nuevo aditivo debe ser aceptable desde un punto de vista medioambiental.

Sumario de la invención

Según la presente invención ahora se ha descubierto que combinando fluoruro de calcio y nitruro de boro hexagonal se obtiene un aditivo que tiene un efecto de mejora de la mecanizabilidad inesperado y elevado. La mejora de la mecanizabilidad se podría describir mejor como un efecto sinérgico. Adicionalmente, este nuevo aditivo esencialmente no tiene o sólo tiene un efecto menor en las propiedades mecánicas de las piezas sinterizadas. El nuevo aditivo también es aceptable desde un punto de vista medioambiental. La invención también se refiere a una composición en polvo basada en hierro que incluye este aditivo.

Descripción detallada de la invención

Para obtener el efecto de mejora de la mecanizabilidad el aditivo debe estar incluido en la composición basada en hierro en una cantidad de entre el 0,02% y el 0,6% en peso.

Además, tanto el tipo como la cantidad de los componentes del nuevo aditivo son importantes. Por tanto, la cantidad de nitruro de boro hexagonal debe estar en el intervalo del 0,01% al 0,5%, preferiblemente el 0,01-0,2% de la composición en polvo basada en hierro. La cantidad de fluoruro de calcio debe estar en el intervalo del 0,01% al 0,5%, preferiblemente del 0,1% al 0,4% de la composición en polvo basada en hierro. Cantidades menores que las mencionadas anteriormente, tanto de nitruro de boro hexagonal como de fluoruro de calcio, no proporcionarán, respectivamente, juntos o por separado, el efecto deseado en la mecanizabilidad y mayores cantidades afectarán a las propiedades mecánicas negativamente. Además, es preferible que la cantidad de fluoruro de calcio sea mayor que la cantidad de nitruro de boro.

En cuanto al tamaño de partícula de los componentes incluidos en el nuevo aditivo, se ha descubierto que el tamaño medio de partícula del nitruro de boro hexagonal según la invención puede variar entre 1 y 50 \mum, preferiblemente entre 1 y 30 \mum. Preferiblemente, el nitruro de boro hexagonal está constituido por partículas tipo placa no aglomeradas.

El tamaño medio de partícula del fluoruro de calcio es menor que aproximadamente 100 \mum, preferiblemente entre 20 y 70 \mum. Un tamaño medio de partícula por encima de 100 \mum afectará negativamente a la mecanizabilidad y propiedades mecánicas y por debajo de 20 \mum el efecto de mejora de la mecanizabilidad se hace menor.

Tipos de polvo basado en hierro

Este nuevo aditivo en polvo de mejora de la mecanizabilidad se puede usar en básicamente cualquier composición en polvo de hierro. Por tanto, el polvo basado en hierro puede ser un polvo de hierro puro tal como polvo de hierro atomizado, un polvo reducido y similares. Los polvos atomizados en agua pre-aleados que incluyen elementos de aleación son del máximo interés, pero también lo son los polvos de acero parcialmente aleado. Por supuesto, estos polvos se pueden usar conjuntamente.

Otros aditivos

La composición en polvo según la invención puede incluir también aditivos tales como grafito, otros elementos de aleación tales como Ni, Mo, Cr, V, Co, Mn o Cu, ligantes y lubricantes y otros agentes de mejora de la mecanizabilidad convencionales tales como MnS.

Procedimiento

La fabricación pulvimetalúrgica de componentes que comprenden el aditivo según la invención se lleva a cabo de un modo convencional, es decir, muy a menudo mediante las etapas de procedimiento siguientes:

El polvo basado en hierro, es decir, el polvo de hierro o acero, se mezcla con grafito y con los elementos de aleación opcionales deseados, tales como níquel, cobre o molibdeno, así como con el aditivo según la invención en forma de polvo. Los elementos de aleación también se pueden añadir como polvos basados en hierro pre-aleados o aleados por difusión o como una combinación entre los elementos de aleación mezclados, el polvo aleado por difusión o el polvo pre-aleado. Esta mezcla en polvo se mezcla con un lubricante convencional, por ejemplo, estearato de cinc o etilen-bis-estearamida, antes de la compactación. Las partículas más pequeñas en la mezcla se pueden unir con el polvo basado en hierro mediante una sustancia ligante. Tras ello, la mezcla en polvo se compacta en una prensa dando lugar a lo que se conoce como cuerpo en verde de geometría cercana a la final. La compactación generalmente tiene lugar a una presión de 400-1200 MPa. Tras la compactación, el compactado se sinteriza y se le proporciona su resistencia, dureza, elongación, etc. finales.

El aditivo de mejora de la mecanizabilidad según la invención consiste en fluoruro de calcio pulverulento y nitruro de boro hexagonal pulverulento. Se ha descubierto que se logra una mejora destacable de la mecanizabilidad añadiendo el aditivo de mejora de la mecanizabilidad en cantidades correspondientes a una proporción entre la cantidad de nitruro de boro hexagonal y de fluoruro de calcio que es menor que 1:1 pero no menor que 1:40, preferiblemente no menor que 1:10. Dicho de otro modo, la cantidad de nitruro de boro hexagonal debe ser menor que la cantidad de fluoruro de calcio en cierto grado.

La presente invención se ilustrará en los ejemplos no limitativos siguientes:

Ejemplo 1

a) Investigación de las propiedades mecánicas

Se investigaron distintos tipos de nitruro de boro hexagonal según la tabla 1. El de nitruro de boro de tipo I hexagonal es un polvo de partículas no aglomeradas y el tipo II está constituido por aglomerados de partículas sub-micrométricas, es decir, las partículas del aglomerado tiene un tamaño de partícula inferior a 1 \mum.

TABLA 1

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Se mezclaron nitruro de boro hexagonal y fluoruro de calcio en diferentes cantidades, según la tabla 2, con un polvo de metal Distaloy® AE, disponible en Höganäs AB, que es hierro puro aleado por difusión con Mo, Ni y Cu. El polvo de metal también se mezcló con un lubricante, 0,8% de EBS (etilen-bis-estearato) y 0,5% de grafito.

Las mezclas de material de la tabla 2 se compactaron hasta una densidad en verde de 7,10 g/cm^{3} hasta conseguir probetas de ensayos de tracción estandarizadas según la norma ISO2740. Las probetas de ensayo se sinterizaron en un horno de cinta de tela metálica de laboratorio a 1120ºC durante 30 minutos en una mezcla del 10% de hidrógeno y el 90% de nitrógeno. Las probetas de ensayo sinterizadas se usaron para determinar la resistencia a tracción según la norma EN10001-1, la dureza según la norma ISO4498/1 y el cambio dimensional según la norma ISO4492.

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TABLA 2

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Como se puede observar en la tabla 2, las cantidades añadidas del 0,2% y el 0,4% de h-BN de tipo II a Distaloy AE tienen un impacto en las propiedades mecánicas del cuerpo sinterizado, mientras que las adiciones del 0,2% de h-BN de tipo I sólo tienen un impacto menor en las propiedades mecánicas del cuerpo sinterizado.

b) Investigación del índice de mecanizabilidad

Para determinar la mecanizabilidad con diferentes composiciones de aditivos, como se puede observar en la tabla 3, se compactaron discos con un diámetro de 80 mm y una altura de 12 mm hasta una densidad en verde de 7,10 g/cm^{3}. Los discos se sinterizaron en un horno de cinta de tela metálica de laboratorio a 1120ºC durante 30 minutos en una mezcla del 10% de hidrógeno y el 90% de nitrógeno. Los discos se usaron en ensayos de perforación para determinar un índice de mecanizabilidad. Este índice se define como el número medio de orificios por broca que se pueden mecanizar antes de que la broca se desgaste. La perforación se realizó con brocas de acero de alta velocidad y a velocidad constante y avance constante sin ningún refrigerante.

Como se puede observar en la tabla 3, el índice de mecanizabilidad mejora usando bien el aditivo h-BN o bien el aditivo CaF2. Sin embargo, se puede observar una mejora destacable usando h-BN (tipo I) y CaF2 en combinación.

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TABLA 3

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Ejemplo 2

El nitruro de boro hexagonal, tipo I, y el CaF2 se mezclaron en diferentes cantidades, según la tabla 4, con un polvo de metal Distaloy® DH-1 de Höganäs AB, que es hierro pre-aleado con el 1,5% de Mo y, tras ello, aleado por difusión con el 2% de Cu. El polvo de metal también se mezcló con un lubricante, con el 0,8% de EBS (etilen-bis-estearato) y con diferentes cantidades de grafito. Las mezclas de material de la tabla 4 se han compactado hasta diferentes densidades hasta conseguir probetas de ensayos de tracción estandarizadas según la norma ISO2740 y se prepararon discos con un diámetro de 80 mm y una altura de 12 mm para determinar la mecanizabilidad. Las probetas de ensayo y los discos se sinterizaron en un horno de cinta de malla metálica de laboratorio a 1120ºC durante 30 minutos en una mezcla del 10% de hidrógeno y el 90% de nitrógeno. Las probetas de ensayo sinterizadas se usaron para determinar la resistencia a tracción según la norma EN10001-1, la dureza según la norma ISO4498/1 y el cambio dimensional según la norma ISO4495. Los discos se usaron en los ensayos de perforación para determinar un índice de mecanizabilidad. Este índice se define como el número medio de orificios por broca que se pueden mecanizar antes de que la broca se desgaste. La perforación se realizó con perforadoras de acero de alta velocidad y a velocidad constante y avance constante sin ningún refrigerante.

La tabla 4 muestra que cuando se añade h-NB de tipo 1 a Distaloy DH-1, el cuerpo sinterizado tendrá una dureza y resistencia a la tracción menores. Como el h-BN puede disminuir la solubilidad del grafito en la matriz, se cree que la razón de la dureza y la resistencia a tracción menores es causada por una menor cantidad de grafito disuelto, se cree que parte del grafito está presente como grafito libre. Una menor dureza del cuerpo sinterizado puede ser favorable en términos de mecanizabilidad. Sin embargo, cuando se aumenta la cantidad de grafito añadido para compensar la cantidad de grafito libre, se logra aún así un incremento destacable del índice de mecanizabilidad para muestra que contienen una combinación de h-BN y CaF2. Esto se puede ver cuando se comparan los resultados de las muestras 2-8, 2-10 y 2-11.

TABLA 4

5

Claims (9)

1. Una composición en polvo basada en hierro que comprende, además de un polvo basado en hierro, entre el 0,02% y el 0,6% en peso de un aditivo de mejora de la mecanizabilidad constituido por 0,01% a 0,5% en peso de fluoruro de calcio y 0,01% a 0,5% en peso de nitruro de boro hexagonal y en la que la proporción de cantidades entre el nitruro de boro hexagonal y el fluoruro de calcio es menor que 1:1 pero no menor que 1:40 y, opcionalmente, aditivos.

2. Una composición en polvo basada en hierro según la reivindicación 1, en la que la cantidad de nitruro de boro está en el intervalo de 0,01% a 0,2%.

3. Una composición en polvo basada en hierro según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la cantidad de fluoruro de calcio está en el intervalo de 0,1% a 0,4%.

4. Una composición en polvo basada en hierro según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el tamaño medio de partícula del nitruro de boro es de 1 a 50 \mum, preferiblemente, de 1 a 30 \mum.

5. Una composición en polvo basada en hierro, según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el tamaño medio de partícula de fluoruro de calcio es menor que 100 \mum, preferiblemente, de 20 a 70 \mum.

6. Una composición en polvo basada en hierro según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, dicha composición también incluye al menos un aditivo seleccionado del grupo constituido por grafito, ligante o lubricante.

7. Una composición en polvo basada en hierro según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la proporción de cantidades entre el nitruro de boro hexagonal y el fluoruro de calcio está entre 1:1 y 1:10.

8. Una composición en polvo basada en hierro según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el tamaño medio de partícula es menor que 100 \mum.

9. Un producto sinterizado que tiene una mecanizabilidad mejorada que se prepara a partir de la composición en polvo basada en hierro según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8.