ES2347803T3 - Piezas metalicas sinterizadas y metodo para la fabricacion de las mismas. - Google Patents
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Abstract
Una pieza metálica sinterizada que tiene una superficie densificada, una densidad de sinterización de al menos 7,35 g/cm3 y una estructura de núcleo que se distingue por la estructura de poros obtenida mediante prensado único hasta al menos 7,35 g/cm3 y sinterización única de una mezcla de un polvo a base de hierro o de hierro grueso y aditivos opcionales; caracterizada porque el núcleo de la pieza metálica tiene una estructura de poros en la que al menos el 50% del área de poros en una sección transversal consiste en poros que tienen un área de poro de al menos 100 μm2, porque el polvo a base de hierro o de hierro tiene un tamaño de partícula de manera que como máximo el 10% de las partículas son menores que 45 μm, y porque la pieza densificada en superficie se densifica hasta una profundidad de al menos 0,1 mm.
Description
Piezas metálicas sinterizadas y método para la
fabricación de las mismas.
La invención se refiere a piezas de polvo
metálico. Específicamente la invención se refiere a piezas metálicas
sinterizadas que tienen una superficie densificada y que son
adecuadas para aplicaciones exigentes. La invención también incluye
un método de preparación de estas piezas metálicas.
Existen varias ventajas con el uso de métodos
pulvimetalúrgicos para producir piezas estructurales en comparación
con los procesos de emparejamiento convencionales de acero denso
completo. Por tanto, el consumo de energía es mucho menor y la
utilización de material es mucho mayor. Otro factor importante a
favor de la ruta pulvimetalúrgica es que los componentes con forma
de red o con forma parecida a una red pueden producirse directamente
tras el proceso de sinterización sin conformación costosa tal como
torneado, molienda, taladrado o trituración. Sin embargo,
normalmente un material de acero de densidad completa tiene
propiedades mecánicas superiores en comparación con componentes de
PM (polvo metálico). Por tanto, el reto ha sido aumentar la densidad
de componentes de PM con el fin de alcanzar valores tan próximos
como sea posible al valor de densidad de un acero de densidad
completa.
Un área de crecimiento futuro en la utilización
de piezas de polvo metálico que tienen alta densidad se encuentra
en la industria del automóvil. De especial interés dentro de este
campo es el uso de piezas de polvo metálico en aplicaciones más
exigentes, tales como aplicaciones de transmisión de potencia, por
ejemplo, ruedas de engranaje. Los problemas con las ruedas de
engranaje formadas mediante el proceso de polvo metálico son que
las ruedas de engranaje de polvo metálico tienen resistencia a la
fatiga por flexión reducida en la región de la base de diente de la
rueda de engranaje, y baja resistencia a la fatiga por contacto en
el flanco de diente en comparación con engranajes mecanizados a
partir de piezas de forja o material en barras. Estos problemas
pueden reducirse o incluso eliminarse mediante deformación plástica
de la superficie de la región de flanco y base de diente a través
de un proceso conocido comúnmente como densificación de superficie.
Los productos que pueden usarse para estas aplicaciones exigentes
se describen, por ejemplo, en las patentes de EE.UU. 5711187,
5540883, 5552109, 5729822 y 6171546.
El documento US 5711187 (1990) se refiere
particularmente al grado de dureza de superficie que es necesario
con el fin de producir ruedas de engranaje que son suficientemente
resistentes al desgaste para su uso en aplicaciones de servicio
pesado. Según esta patente, la densificación o dureza de superficie
debe estar en el intervalo del 90 al 100 por ciento de densidad
teórica completa hasta una profundidad de al menos 380 micras y de
hasta 1.000 micras. No se dan a conocer detalles específicos con
relación al proceso de producción pero se expone que se prefieren
los polvos mezclados ya que tienen la ventaja de ser más
compresibles, permitiendo que se alcancen densidades mayores en la
fase de compactación. Además se expone que los polvos mezclados
deben incluir además de hierro y el 0,2% en peso de grafito, el
0,5% en peso de molibdeno, cromo y manganeso, respectivamente.
Un método similar al descrito en la patente de
EE.UU. 5711187 se da a conocer en el documento US 5540883
(1994).
Según la patente de EE.UU. 5540883 se producen
superficies de apoyo a partir de piezas brutas de polvo metálico
mediante la combinación de aleaciones de hierro y carbono y
lubricante con polvo de hierro elemental compresible, prensando la
mezcla de combinación para formar la pieza bruta de polvo metálico,
sinterizando a alta temperatura la pieza bruta en una atmósfera
reductora, comprimiendo las piezas brutas de polvo metálico de modo
que se produce una capa densificada que tiene una superficie de
apoyo, y entonces tratando con calor la capa densificada. El
artículo de polvo metálico sinterizado debe tener una composición,
en porcentaje en peso, del 0,5 al 2,0% de cromo, del 0 al 1,0% de
molibdeno; del 0,1 al 0,6% de carbono, siendo el resto hierro e
impurezas en trazas. Se mencionan amplios intervalos con relación a
las presiones de compactación. Por tanto se expone que la
compactación puede realizarse a presiones de entre 25 y 50
toneladas por pulgada cuadrada (aproximadamente
390-770 MPa).
El documento US 5552109 (1995) se refiere a un
proceso para formar un artículo sinterizado que tiene alta
densidad. La patente se refiere particularmente a la producción de
barras de conexión. Como en la patente de EE.UU. 5711187, no se dan
a conocer detalles específicos con relación al proceso de producción
en la patente de EE.UU. 5552109 pero se expone que el polvo debe
ser un polvo a base de hierro prealeado, que la compactación debe
realizarse en una única etapa, que las presiones de compactación
pueden variar entre 25 y 50 toneladas por pulgada cuadrada
(390-770 MPa) hasta densidades en verde de entre 6,8
y 7,1 g/cm^{3} y que la sinterización debe realizarse a alta
temperatura, particularmente entre 1270 y 1350ºC. Se expone que se
obtienen productos sinterizados que tienen una densidad mayor que
7,4 g/cm^{3} y por tanto es obvio que la alta densidad de
sinterización es un resultado de la sinterización a alta
temperatura.
En el documento US 5729822 (1996) se da a
conocer una rueda de engranaje de polvo metálico que tiene una
densidad de núcleo de al menos 7,3 g/cm^{3} y una superficie
carburizada endurecida. Los polvos recomendados son los mismos que
en las patentes de EE.UU. 5711187 y 5540883, es decir, mezclas
obtenidas mediante la combinación de aleaciones de hierro, carbono
y lubricante con un polvo de hierro elemental compresible. Con el
fin de obtener alta densidad de núcleo de sinterización la patente
menciona el prensado en caliente; doble prensado, doble
sinterización; conformación de alta densidad tal como se da a
conocer en la patente de EE.UU. 5754937; el uso de lubricación de
las paredes de la matriz, en lugar de lubricantes mezclados durante
la compactación de polvo y conformación rotatoria tras la
sinterización. Se emplean normalmente presiones de compactación de
aproximadamente 40 toneladas por pulgada cuadrada (620 MPa).
La densificación de superficie de aceros de PM
sinterizados se trata, por ejemplo, en la serie 820234 de Technical
Paper (International Congress & Exposition, Detroit, Michigan,
22-26 de febrero de 1982). En este documento se
notifica un estudio de laminación de superficie de engranajes
sinterizados. Se usaron materiales aleados de
Fe-Cu-C y Ni-Mo para
el estudio. El documento revela los resultados de una investigación
básica sobre la laminación de superficie de piezas sinterizadas a
una densidad de 6,6 y 7,1 g/cm^{3} y la aplicación de la misma a
engranajes sinterizados. Los estudios básicos incluyen la laminación
de superficie con diferentes diámetros de los rodillos, se lograron
los mejores resultados en cuanto a la resistencia con un menor
diámetro de rodillo, menor reducción por pase y gran reducción
total. Como ejemplo de un material de
Fe-Cu-C, se logró una densificación
del 90% de la densidad teórica con un rodillo de 30 mm de diámetro
hasta una profundidad de 1,1 mm. Se logró el mismo nivel de
densificación hasta una profundidad de aproximadamente 0,65 mm para
un rodillo de 7,5 mm de diámetro. Sin embargo, el rodillo de
diámetro pequeño pudo aumentar la densificación hasta
aproximadamente la densidad completa en la superficie mientras que
el rodillo de diámetro grande aumentó la densidad hasta
aproximadamente el 96% en la superficie. La técnica de laminación de
superficie se aplicó a engranajes sinterizados de bombas de aceite
y engranajes sinterizados de cigüeñal. En un artículo en Modern
Developments in Powder Metallurgy, volumen 16, págs.
33-48, 1984 (de la International PM Conference,
17-22 de junio de 1984, Toronto, Canadá), los
autores han investigado la influencia del granallado,
carbonitruración y combinaciones de los mismos sobre el límite de
fatiga de aleaciones sinterizadas de Fe + 1,5% de Cu y Fe + 2% de
Cu + 2,5% de Ni. La densidad notificada de estas aleaciones era de
7,1 y 7,4 g/cm^{3}. Tanto una evaluación teórica del proceso de
laminación de superficie como una prueba de fatiga por flexión de
piezas laminadas en superficie se publican en un artículo en
Horizon of Powder Metallurgy parte I, págs. 403-406,
Proceedings of the 1986 (International Powder Metallurgy Conference
and Exhibition, Dusseldorf, 7-11 de julio de
1986).
Según la técnica anterior se han sugerido muchas
rutas diferentes con el fin de alcanzar una alta densidad de
sinterización de un componente pulvimetalúrgico. Sin embargo, los
procesos sugeridos incluyen todos etapas que añaden costes
adicionales. Por tanto, la compactación en caliente y la lubricación
de las paredes de la matriz promueven una alta densidad en verde.
El doble prensado y la doble sinterización dan como resultado una
alta densidad de sinterización y la contracción como resultado de la
sinterización a alta temperatura también da como resultado una alta
densidad de sinterización.
Además, para aplicaciones de alta carga tales
como ruedas de engranaje, han de tenerse en cuenta precauciones
especiales con respecto al tamaño de poro y la morfología de poro
con el fin de lograr propiedades de fatiga suficientes. Por tanto,
un método sencillo y rentable para la preparación de ruedas de
engranaje y productos similares con una alta densidad de
sinterización y resistencia mecánica, independientemente de la
morfología y el tamaño de poro, sería atractivo y el objetivo
principal de la presente invención.
Dizdar y otros "Process, Quality and
Properties of High-Density P/M Gears",
PM^{2}TEC2003, Las Vegas, dan a conocer un componente de P/M
compactado hasta 7,6 g/cm^{2} producido mediante una operación de
compactación a alta velocidad, prensado único y sinterización
única. También se da a conocer que los engranajes de P/M pueden
densificarse en superficie.
En resumen, se ha descubierto ahora que las
piezas de polvo metálico son aplicaciones más exigentes, tales como
las aplicaciones de transmisión de potencia, por ejemplo, ruedas de
engranaje, pueden obtenerse sometiendo un polvo a base de hierro o
de hierro a compactación uniaxial a una presión superior a 700 MPa
hasta una densidad superior a 7,35 g/cm^{3}, sinterizando el
producto verde obtenido y sometiendo el producto sinterizado a un
proceso de densificación. Un rasgo característico del núcleo de la
pieza metálica según la invención es la estructura de poros, que se
distingue por poros comparativamente grandes.
Según un aspecto de la presente invención, se
proporciona una pieza metálica sinterizada que tiene una superficie
densificada, una densidad de sinterización de al menos 7,35
g/cm^{3} y una estructura de núcleo que se distingue por la
estructura de poros obtenida mediante prensado único hasta al menos
7,35 g/cm^{3} y sinterización única de una mezcla de un polvo a
base de hierro o de hierro grueso y aditivos opcionales;
caracterizada porque el núcleo de la pieza metálica tiene una
estructura de poros en la que al menos el 50% del área de poros en
una sección transversal consiste en poros que tienen un área de poro
de al menos 100 \mum^{2}, y porque el polvo a base de hierro o
de hierro tiene un tamaño de partícula de manera que como máximo el
10% de las partículas son menores que 45 \mum, y porque la pieza
densificada en superficie se densifica hasta una profundidad de al
menos 0,1 mm.
Según otro aspecto de la presente invención, se
proporciona un método para producir piezas de polvo metálico que
tienen una superficie densificada, que comprende las etapas de:
compactar uniaxialmente un polvo a base de hierro o de hierro que
tiene partículas gruesas hasta una densidad superior a 7,35
g/cm^{3} en una única etapa de compactación a una presión de
compactación de al menos 700 MPa, en la que el polvo a base de
hierro o de hierro tiene un tamaño de partícula de manera que como
máximo el 10% de las partículas son menores que 45 \mum; someter
las piezas a sinterización en una única etapa a una temperatura de
al menos 1100ºC hasta una densidad de al menos 7,35 g/m^{3},
mediante lo cual el núcleo de las piezas sinterizadas tiene una
estructura de poros en la que al menos el 50% del área de poros en
una sección transversal consiste en poros que tienen un área de
poro de al menos 100 \mum^{2}; y someter las piezas a un proceso
de densificación de superficie en el que las piezas densificadas en
superficie se densifican hasta una profundidad de al menos 0,1
mm.
Los niveles de densidad anteriores se refieren a
productos basados en polvo de hierro puro o de baja aleación.
Polvos metálicos adecuados que pueden usarse
como materiales de partida para el proceso de compactación son
polvos preparados a partir de metales tales como hierro. Pueden
añadirse elementos de aleación tales como carbono, cromo,
manganeso, molibdeno, cobre, níquel, fósforo, azufre etc., como
partículas, prealeadas o aleadas por difusión con el fin de
modificar las propiedades del producto de sinterización final. Los
polvos a base de hierro pueden seleccionarse del grupo que consiste
en polvos de hierro sustancialmente puro, partículas a base de
hierro prealeadas, partículas de hierro a base de hierro aleadas por
difusión y mezcla de partículas de hierro o partículas a base de
hierro y elementos de aleación. Con respecto a la forma de
partícula, se prefiere que las partículas tengan una forma
irregular ya que se obtiene mediante atomización con agua. Pueden
ser de interés también polvos de hierro esponjoso que tienen
partículas con forma irregular.
Con respecto a las piezas de PM para
aplicaciones de alta exigencia, se han obtenido resultados
especialmente prometedores con polvos atomizados con agua
prealeados que incluyen bajas cantidades, tales como de hasta el
5%, de uno o más de los elementos de aleación Mo y Cr. Ejemplos de
tales polvos son polvos que tienen una composición química que
corresponde a la composición química de Astaloy Mo (1,5% de Mo) y
Astaloy 85 Mo (0,85% de Mo) así como Astaloy CrM (3 de Cr, 0.5 de
Mo) y Astaloy CrL (1,5 de Cr, 0,2 de Mo) de Höganäs AB, Suecia.
Un rasgo crítico de la invención es que el polvo
usado tiene partículas gruesas es decir el polvo carece
esencialmente de partículas finas. La expresión "carece
esencialmente de partículas finas" pretende significar que menos
de aproximadamente el 10%, preferiblemente menos del 5% de las
partículas de polvo tienen un tamaño inferior a 45 \mum cuando se
mide mediante el método descrito en la norma SS-EN
24 497. El diámetro medio de partícula es normalmente de entre 75 y
300 \mum. La cantidad de partículas mayor que 212 \mum es
normalmente superior al 20%. El tamaño de partícula máximo puede
ser de aproximadamente 2 mm.
El tamaño de las partículas a base de hierro
normalmente usadas dentro de la industria de PM se distribuye según
una curva de distribución gaussiana con un diámetro medio de
partícula en la región de 30 a 100 \mum y aproximadamente el
10-30% de las partículas son menores que 45 \mum.
Por tanto, los polvos usados según la presente invención tienen una
distribución de tamaño de partícula que se desvía de la usada
normalmente. Estos polvos pueden obtenerse eliminado las fracciones
más finas del polvo o mediante la fabricación de un polvo que tiene
la distribución de tamaño de partícula deseada.
Por tanto, para los polvos mencionados
anteriormente, una distribución de tamaño de partícula adecuada para
un polvo que tiene una composición química que corresponde a la
composición química de Astaloy 85 Mo podría ser de manera que como
máximo el 5% de las partículas deben ser menores que 45 \mum y el
diámetro medio de partícula es normalmente de entre 106 y 300
\mum. Los valores correspondientes para un polvo que tiene una
composición química que corresponde a Astaloy CrL son de forma
adecuada de manera que menos del 5% deben ser menores que 45 \mum
y el diámetro medio de partícula es normalmente de entre 106 y 212
\mum.
Con el fin de obtener piezas metálicas
sinterizadas que tienen propiedades mecánicas de sinterización
satisfactorias según la presente invención, puede ser necesario
añadir grafito a la mezcla de polvo que va a compactarse. Por
tanto, podría añadirse grafito en cantidades de entre el
0,1-1, preferiblemente el 0,2-1,0,
más preferiblemente el 0,2-0,7% y lo más
preferiblemente el 0,2-0,5% en peso de la mezcla
total antes de la compactación. Sin embargo, para ciertas
aplicaciones no es necesaria la adición de grafito.
El polvo a base de hierro también puede
combinarse con un lubricante antes de que se transfiera a la matriz
(lubricación interna). El lubricante se añade con el fin de
minimizar la fricción entre las partículas de polvo metálico y
entre las partículas y la matriz durante una etapa de compactación o
prensado. Ejemplos de lubricantes adecuados son, por ejemplo,
estearatos, ceras, ácidos grasos y derivados de los mismos,
oligómeros, polímeros y otras sustancias orgánicas con efecto
lubricante. Los lubricantes pueden añadirse en forma de partículas
pero también pueden estar unidas y/o recubrir las partículas.
Preferiblemente, un recubrimiento lubricante de
un compuesto de silano del tipo dado a conocer en el documento WO
2004/037467 se incluye en la mezcla de polvo. Específicamente, el
compuesto de silano puede ser un alquilalcoxi o
poliéteralcoxisilano, en el que el grupo alquilo del
alquilalcoxisilano y la cadena de poliéter del poliéteralcoxisilano
incluyen entre 8 y 30 átomos de carbono, y el grupo alcoxilo incluye
1-3 átomos de carbono. Ejemplos de tales compuestos
son octil-tri-metoxisilano,
hexadecil-tri-metoxisilano y
poli(éter de
etileno)-tri-metoxisilano con 10
grupos éter de etileno.
Según la presente invención, la cantidad de
lubricante añadida al polvo a base de hierro puede variar entre el
0,05 y el 0,6%, preferiblemente entre el 0,1-0,5% en
peso de la mezcla.
Como aditivos opcionales pueden añadirse fases
duras, agentes de unión, agentes que mejoran la maquinabilidad y
agentes que mejoran la fluidez.
La compactación convencional a altas presiones,
es decir presiones superiores a 600 MPa con polvos usados de manera
convencional que incluyen partículas más finas, mezclados con bajas
cantidades de lubricantes (menos del 0,6% en peso) se considera
generalmente inadecuada debido a las altas fuerzas requeridas con el
fin de expulsar los materiales compactados de la matriz, el alto
desgaste de la matriz asociado y el hecho de que las superficies de
los componentes tienden a ser menos brillantes o deteriorarse.
Mediante el uso de los polvos según la presente invención se ha
descubierto de manera inesperada que la fuerza de expulsión se
reduce a altas presiones y que también pueden obtenerse componentes
que tienen superficies aceptables o incluso perfectas cuando no se
usa la lubricación de las paredes de la matriz.
La compactación puede realizarse con equipo
normalizado, lo que significa que el nuevo método puede realizarse
sin caras inversiones. La compactación se realiza uniaxialmente en
una única etapa a temperatura ambiente o elevada. Preferiblemente,
las presiones de compactación son superiores a aproximadamente 700,
más preferiblemente superiores a 800 y lo más preferiblemente
superiores a 900 o incluso 1000 MPa. Con el fin de conseguir las
ventajas de la presente invención, la compactación debe realizarse
preferiblemente hasta densidades superiores a 7,45 g/cm^{3}.
Puede usarse cualquier horno de sinterización
convencional y los tiempos de sinterización pueden variar entre
aproximadamente 15 y 60 minutos. La atmósfera del horno de
sinterización puede ser una atmósfera de endogas, una mezcla entre
hidrógeno y nitrógeno o a vacío. Las temperaturas de sinterización
pueden variar entre 1100 y 1350ºC. Se obtienen los mejores
resultados con temperaturas de sinterización superiores a
aproximadamente 1250ºC. En comparación con los métodos que implican
doble prensado y doble sinterización, el método según la presente
invención tiene la ventaja de que se eliminan una etapa de prensado
y una etapa de sinterización y pueden obtenerse todavía densidades
de sinterización superiores a 7,64 g/cm^{3}.
Un rasgo característico del núcleo de la pieza
metálica sinterizada y en verde de alta densidad es la presencia de
grandes poros. Por tanto, como ejemplo, en una sección transversal
del núcleo de una pieza metálica sinterizada según la invención, al
menos aproximadamente el 50% del área de poros consiste en poros que
tienen un área de poro de al menos 100 \mum^{2}, mientras que,
en una sección transversal de un núcleo preparado a partir de un
polvo normal correspondiente (es decir, un polvo que incluye
cantidades normales de partículas finas que ha de someterse a doble
prensado y doble sinterización con el fin de alcanzar la misma
densidad), al menos aproximadamente el 50% del área de poros
consiste en poros que tienen un área de poro de aproximadamente 65
\mum^{2}.
La densificación de superficie puede realizarse
mediante laminación radial o axial, granallado, dimensionamiento,
etc. Un método preferido es la laminación radial ya que este método
proporciona tiempos de ciclo cortos en combinación con una gran
profundidad de densificación. Las piezas de polvo metálico obtendrán
mejores propiedades mecánicas con una profundidad de densificación
creciente. La profundidad de densificación es de preferiblemente al
menos 0,1 mm, preferiblemente al menos 0,2 mm y lo más
preferiblemente al menos 0,3 mm.
En este contexto debe recordarse que normalmente
la presencia de grandes poros en piezas sinterizadas se considera
como un inconveniente y se toman diferentes medidas con el fin de
hacer que los poros sean más pequeños y más redondeados. Sin
embargo, según la presente invención, se ha descubierto
sorprendentemente que el efecto negativo de la cantidad
comparativamente alta de poros más grandes puede eliminarse
totalmente mediante un proceso de densificación de superficie. Por
tanto, cuando se compara el efecto de densificación de superficie
sobre la resistencia a la fatiga por flexión de muestras
sinterizadas que contienen poros más grandes en el núcleo con el
efecto sobre muestras que contienen poros más pequeños, se ha
descubierto que el proceso de densificación de superficie aumenta
la resistencia a la fatiga por flexión hasta un grado mucho mayor
cuando las muestras se producen a partir de polvo metálico con la
distribución de tamaño de partícula tratada anteriormente. Tras el
proceso de densificación de superficie, la resistencia a la fatiga
por flexión de muestras producidas a partir de estos polvos
alcanzará sorprendentemente el mismo nivel que la de muestras
densificadas en superficie que se producen a partir de polvos que
tienen una distribución de tamaño de partícula normal (dada la misma
composición química y el mismo nivel de densidad de sinterización).
Por consiguiente, ya que puede alcanzarse una alta densidad de
sinterización en un proceso de prensado único y sinterización única,
pueden evitarse procesos costosos, tales como doble prensado, doble
sinterización, compactación en caliente, utilizando el método según
la presente invención para la producción de, por ejemplo, ruedas de
engranaje.
La figura 1 muestra la resistencia a la fatiga
por flexión antes y después del proceso de densificación de
superficie de muestras producidas a partir de las mezclas 1A y 1B
según el ejemplo 1.
La figura 2 es una micrografía óptica de una
sección transversal de una muestra densificada en superficie
preparada a partir de la mezcla 1A.
La figura 3 es una micrografía óptica de una
sección transversal de una muestra densificada en superficie
preparada a partir de la mezcla 1B.
La figura 4 muestra la resistencia a la fatiga
por flexión antes y después del proceso de densificación de
superficie de muestras producidas a partir de las mezclas 2C y 2D
según el ejemplo 2.
La figura 5 es una micrografía óptica de una
sección transversal de una muestra densificada en superficie
preparada a partir de la mezcla 2C.
La figura 6 es una micrografía óptica de una
sección transversal de una muestra densificada en superficie
preparada a partir de la mezcla 2D.
La invención se ilustra adicionalmente mediante
los siguientes ejemplos no limitativos.
Se usaron los siguientes polvos a base de
hierro:
Polvo A
Astaloy 85 Mo, un polvo a base de hierro
prealeado, atomizado con un contenido en Mo del
0,80-0,95%, un contenido en carbono de como máximo
el 0,02% y un contenido en oxígeno de como máximo el 0,20%. La
distribución de tamaño de partícula del polvo A es similar a la
distribución de tamaño de partícula para el polvo usado normalmente
en pulvimetalurgia; aproximadamente el 0% mayor que 250 \mum,
aproximadamente el 15-25% entre 150 y 250 \mum y
aproximadamente del 15 al 30% menor que 45 \mum.
Polvo B
La misma composición química que el polvo A pero
con una distribución de tamaño de partícula más gruesa según la
tabla a continuación:
Polvo C
Astaloy CrL, un polvo a base de hierro prealeado
con Mo, Cr, atomizado con un contenido en Cr del
1,35-1,65%, un contenido en Mo del
0,17-0,27%, un contenido en carbono de como máximo
el 0,010% y un contenido en oxígeno de como máximo el 0,25%. La
distribución de tamaño de partícula del polvo C es similar a la
distribución de tamaño de partícula para el polvo normalmente usado
en pulvimetalurgia; aproximadamente el 0% mayor que 250 \mum,
aproximadamente el 15-25% entre 150 y 212 \mum y
aproximadamente del 10 al 25% menor que 45 \mum.
Polvo D
La misma composición química que el polvo C pero
con una distribución de tamaño de partícula más gruesa según la
tabla a continuación:
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
1
Se prepararon dos mezclas, mezcla 1A y mezcla 1B
mezclando rigurosamente antes de la compactación.
La mezcla 1A se basaba en el polvo A con una
adición del 0,2% en peso de grafito y el 0,8% en peso de cera
H.
La mezcla 1B se basaba en el polvo B con una
adición del 0,2% en peso de grafito y el 0,2% en peso de
hexadecil-trimetoxisilano.
Se compactaron probetas de ensayo de resistencia
FS según la norma ISO 3928.
Se compactaron probetas de ensayo basadas en la
mezcla 1A hasta una densidad en verde de 7,1 g/cm^{3} y se
presinterizaron a 780ºC durante 30 minutos en una atmósfera del 90%
de nitrógeno y el 10% de hidrógeno. Tras la sinterización, se
sometieron las muestras a una segunda compactación a una presión de
1100 MPa y finalmente se sinterizaron a 1280ºC durante 30 minutos
en una atmósfera del 90% de nitrógeno y el 10% de hidrógeno. Se
midió la densidad de sinterización hasta 7,61 g/cm^{3}.
Se compactó la muestra preparada a partir de la
mezcla 1B en un único proceso de compactación a 1100 MPa,
posteriormente se sinterizó a 1280ºC durante 30 minutos en una
atmósfera del 90% de nitrógeno y el 10% de hidrógeno. La densidad
de sinterización era de 7,67 g/cm^{3}.
Los resultados se resumen en la tabla 1 a
continuación.
La mitad del número de los cuerpos sinterizados
obtenidos se sometieron a un proceso de densificación de superficie
mediante granallado a presión de aire de 6 bares con esferas de
acero con un diámetro de 0,4 mm.
Tanto las muestras densificadas en superficie
como las muestras no sometidas a un proceso de densificación de
superficie se cementaron en caja a 920ºC durante 75 minutos a un
potencial de carbono del 0,8% seguido por una operación de templado
a 200ºC durante 120 minutos.
Se determinó el límite de fatiga por flexión
(BFL) para todas las muestras.
La figura 1 muestra el límite de fatiga por
flexión tanto para las muestras densificadas en superficie como
para las muestras que no se sometieron a densificación de
superficie.
A partir de la figura 1 puede concluirse que la
densificación de superficie de las muestras producidas con el polvo
más grueso contribuye a un aumento mucho mayor de BFL en comparación
con el aumento de BFL que se obtuvo mediante la densificación de
superficie de las muestras producidas con un polvo que tiene una
distribución de tamaño de partícula convencional.
La figura 2 es una micrografía óptica que
muestra una sección transversal de una muestra densificada en
superficie preparada a partir de la mezcla 1A y la figura 3 es una
micrografía similar de una muestra densificada en superficie
preparada a partir de la mezcla 1B.
El análisis de imágenes según la norma ASTM E
1245 de la sección transversal de muestras densificadas en
superficie producidas a partir de la muestra 1A muestra que
aproximadamente el 50% del área de poros en sección transversal
total consiste en poros que tienen un área superficial de 65
\mum^{2} o más, mientras que la misma medición de muestras
densificadas en superficie producidas a partir de la mezcla 1B
muestra que aproximadamente el 50% del área en sección transversal
total consiste en poros que tienen un área superficial de 200
\mum^{2} o más.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
2
Se prepararon dos mezclas, mezcla 2C y mezcla 2D
mezclando rigurosamente antes de la compactación.
La mezcla 2C se basaba en el polvo C con una
adición del 0,7% de polvo de níquel, el 0,2% en peso de grafito y
el 0,8% en peso de cera H.
La mezcla 2D se basaba en el polvo D con una
adición del 0,7% de polvo de níquel, el 0,2% de grafito y el 0,2%
de hexadecil-tri-metoxisilano.
Se prepararon probetas de ensayo de resistencia
FS según la norma ISO 3928.
Se compactaron probetas de ensayo basadas en la
mezcla 2C hasta una densidad en verde de 7,1 g/cm^{3} y se
presinterizaron a 780ºC durante 30 minutos en una atmósfera del 90%
de nitrógeno y el 10% de hidrógeno. Tras la sinterización, se
sometieron las muestras a una segunda compactación a una presión de
1100 MPa y finalmente se sinterizaron a 1280ºC durante 30 minutos
en una atmósfera del 90% de nitrógeno y el 10% de hidrógeno. Se
midió la densidad de sinterización hasta 7,63 g/cm^{3}.
Se compactaron las probetas de ensayo preparadas
a partir de la mezcla 2D en un único proceso de compactación a 1100
MPa seguido por sinterización a 1280ºC durante 30 minutos en una
atmósfera del 90% de nitrógeno y el 10% de hidrógeno. Se midió la
densidad de sinterización hasta 7,64 g/cm^{3}.
Los resultados se resumen en la tabla 3 a
continuación.
La mitad del número de los cuerpos sinterizados
obtenidos se sometieron a un proceso de densificación de superficie
mediante granallado a presión de aire de 6 bares con esferas de
acero con un diámetro de 0,4 mm.
Tanto las muestras densificadas en superficie
como las muestras no sometidas a un proceso de densificación de
superficie se cementaron en caja a 920ºC durante 75 minutos a un
potencial de carbono del 0,8% seguido por una operación de templado
a 200ºC durante 120 minutos.
Se determinó el límite de fatiga por flexión
(BFL) para todas las muestras.
La figura 5 muestra el límite de fatiga por
flexión tanto para las muestras densificadas en superficie como
para las muestras que no se sometieron a densificación de
superficie.
A partir de la figura 5 puede concluirse que la
densificación de superficie de las muestras producidas con el polvo
más grueso contribuye a un aumento mucho mayor de BFL en comparación
con el aumento de BFL que se obtuvo mediante la densificación de
superficie de las muestras producidas con un polvo que tiene una
distribución de tamaño de partícula convencional.
La figura 6 es una micrografía óptica que
muestra una sección transversal de una muestra densificada en
superficie preparada a partir de la mezcla 2C y la figura 7 es una
micrografía similar de una muestra densificada en superficie
preparada a partir de la mezcla 2D.
El análisis de imágenes según la norma ASTM E
1245 de sección transversal de muestras densificadas en superficie
producidas a partir de la muestra 2C muestra que aproximadamente el
50% del área de poros en sección transversal total consiste en
poros que tienen un área superficial de 50 \mum^{2} o más,
mientras que la misma medición de muestras densificadas en
superficie producidas a partir de la mezcla 2D muestra que
aproximadamente el 50% del área en sección transversal total
consiste en poros que tienen un área superficial de 110 \mum^{2}
o más.
Claims (17)
1. Una pieza metálica sinterizada que tiene una
superficie densificada, una densidad de sinterización de al menos
7,35 g/cm^{3} y una estructura de núcleo que se distingue por la
estructura de poros obtenida mediante prensado único hasta al menos
7,35 g/cm^{3} y sinterización única de una mezcla de un polvo a
base de hierro o de hierro grueso y aditivos opcionales;
caracterizada porque el núcleo de la pieza metálica tiene una
estructura de poros en la que al menos el 50% del área de poros en
una sección transversal consiste en poros que tienen un área de
poro de al menos 100 \mum^{2}, porque el polvo a base de hierro
o de hierro tiene un tamaño de partícula de manera que como máximo
el 10% de las partículas son menores que 45 \mum, y porque la
pieza densificada en superficie se densifica hasta una profundidad
de al menos 0,1 mm.
2. Pieza metálica de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que las densidades en verde y de
sinterización son de al menos 7,45, preferiblemente de al menos 7,5
g/cm^{3}.
3. Método para producir piezas de polvo metálico
que tienen una superficie densificada, que comprende las etapas
de:
- compactar uniaxialmente un polvo a base de
hierro o de hierro que tiene partículas gruesas hasta una densidad
superior a 7,35 g/cm^{3} en una única etapa de compactación a una
presión de compactación de al menos 700 MPa, en la que el polvo a
base de hierro o de hierro tiene un tamaño de partícula de manera
que como máximo el 10% de las partículas son menores que 45
\mum;
- someter las piezas a sinterización en una
única etapa a una temperatura de al menos 1100ºC hasta una densidad
de al menos 7,35 g/m^{3}, mediante lo cual el núcleo de las piezas
sinterizadas tiene una estructura de poros en la que al menos el
50% del área de poros en una sección transversal consiste en poros
que tienen un área de poro de al menos 100 \mum^{2}; y
- someter las piezas a un proceso de
densificación de superficie en el que las piezas densificadas en
superficie se densifican hasta una profundidad de al menos 0,1
mm.
4. Método de acuerdo con la reivindicación 3, en
el que el polvo incluye aditivos de aleación en una cantidad de
hasta el 5% en peso.
5. Método de acuerdo con la reivindicación 4, en
el que los aditivos de aleación se seleccionan del grupo que
consiste en al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste
en grafito, cromo, molibdeno, manganeso, níquel y cobre.
6. Método de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 3-5, en el que el polvo incluye un
lubricante.
7. El método de acuerdo con la reivindicación 6,
en el que el lubricante es un organosilano seleccionado del grupo
que consiste en alquilalcoxi o poliéteralcoxisilano, en el que el
grupo alquilo del alquilalcoxisilano y la cadena de poliéter del
poliéteralcoxisilano incluyen entre 8 y 30 átomos de carbono, y el
grupo alcoxilo incluye 1-3 átomos de carbono.
8. El método de acuerdo con la reivindicación 7,
en el que el organosilano se selecciona del grupo que consiste en
octil-tri-metoxisilano,
hexadecil-tri-metoxisilano y
poli(éter de etileno)-trimetoxisilano con 10 grupos
éter de etileno.
9. Método de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 3-8, en el que el polvo a base de
hierro es un polvo atomizado con agua, prealeado.
10. Método de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 3-9, en el que el polvo a base de
hierro tiene un tamaño de partícula de manera que como máximo el 5%
de las partículas son menores que 45 \mum.
11. Método de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 3-10, en el que la compactación se
realiza a una presión de al menos 800 MPa, más preferiblemente de
al menos 900 MPa y lo más preferiblemente de al menos 1000 MPa.
12. Método de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 3-11, en el que la sinterización se
realiza a una temperatura de al menos 1200ºC, preferiblemente de al
menos 1250ºC.
13. Método de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 3-12, en el que las piezas
compactadas se sinterizan durante un tiempo de 15 a 60 minutos.
14. Método de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 3-13, en el que las piezas
compactadas se sinterizan en una atmósfera de endogas, una mezcla
entre hidrógeno y nitrógeno o a vacío.
\newpage
15. Método de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 3-14, en el que la densificación de
superficie se realiza mediante laminación.
16. Método de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 3-15, en el que las piezas
densificadas en superficie se densifican hasta una profundidad de
al menos 0,2 mm, preferiblemente de al menos 0,3 mm.
17. Método de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 3-16, en el que las piezas de polvo
metálico producidas son engranajes, cojinetes, rodillos, ruedas
dentadas, árboles.
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