ES2353192T3

ES2353192T3 - Aleaciã“n de acero para trabajo en caliente.

Info

Publication number: ES2353192T3
Application number: ES09450215T
Authority: ES
Inventors: Ingo Siller; Herbert Schweiger; Ziya Devrim Caliskanoglu; Silvia Zinner
Original assignee: Boehler Edelstahl GmbH and Co KG
Current assignee: Voestalpine Boehler Edelstahl GmbH and Co KG
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2011-02-28
Anticipated expiration: 2029-11-16
Also published as: US20150292067A1; AU2009238307B2; SI2194155T1; ZA200908201B; EP2194155A1; CA2686071A1; AT506790A4; AT506790B1; AU2009238307A1; AU2009238307C1; ATE487805T1; CA2686071C; DE502009000171D1; PL2194155T3; BRPI0904501A2; EP2194155B1; US20100150772A1

Abstract

Aleación de acero para trabajo en caliente, que contiene los elementos carbono (C), silicio (Si), manganeso (Mn), cromo (Cr), molibdeno (Mo), vanadio (V), nitrógeno (N) y elementos de impurezas además de hierro como resto, con la condición de que los elementos de la aleación tengan un contenido en peso porcentual decarbono (C) 0,35 a 0,42 silicio (Si) 0,15 a 0,29 manganeso (Mn) 0,40 a 0,70 cromo (Cr) 4,70 a 5,45 molibdeno (Mo) 1,55 a 1,95 vanadio (V) 0,40 a 0,75 nitrógeno (N) 0,011 a 0,016

Description

La invención se refiere a una aleación de acero para trabajo en caliente con una alta tenacidad y al mismo tiempo una gran profundidad de cementación o una templabilidad mejorada, martensítica, para un bonificado térmico de fabricados como por ejemplo moldes de fundición inyectada o matrices de extrusión o similares.

Un bonificado térmico de una pieza, por ejemplo de acero para trabajo en caliente, que regule una dureza material alta, para que la pieza pueda usarse a temperaturas de hasta 550º C y mayores, incluye en lo esencial un calentamiento del material hasta una temperatura en la cual dicha pieza tenga una estructura atómica cúbica de caras centradas o estructura austenítica, seguido de un enfriamiento forzado para obtener una estructura martensítica, y a continuación un tratamiento de revenido repetido en caso necesario, a temperaturas generalmente por encima de 500º C. Durante el revenido, por una parte se reducen al menos parcialmente las tensiones formadas en el material por el enfriamiento y la transformación estructural, y por otra parte aumenta la dureza material gracias a las precipitaciones de carburo o al llamado incremento secundario de la dureza.

Una transformación de una estructura austenítica a una estructura martensítica requiere, como sabe el experto en la materia, una velocidad mínima de enfriamiento del material, porque dicha transformación tiene lugar como proceso de plegado de la estructura atómica sin difusión, gracias a un sobreenfriamiento marcadamente elevado. Tasas de enfriamiento más bajas conducen a la formación de una estructura bainítica o perlítica.

Las propiedades de un material son dependientes de su composición química y de su microestructura, regulada por un tratamiento térmico, y de ello resulta un determinado perfil de propiedades para una pieza.

Con otras palabras: La composición química de un material y la intensidad del enfriamiento o de la disipación de calor de la superficie durante el temple de la pieza, determinan la microestructura en el área superficial, y debido al calentamiento posterior procedente del interior de la pieza, la formación de la estructura en función de la distancia a la superficie de la pieza. La microestructura local correspondiente es determinante para las propiedades materiales que se dan localmente en el material bonificado térmicamente.

Los materiales para el trabajo en caliente de moldes de inyección a presión y similares están sometidos a crecientes exigencias por los reducidos períodos de prensado y las elevadas presiones de fundición, motivado por una fabricación de los productos cada vez más económica. Además se prevé que aumenten las geometrías complejas en las cavidades de los moldes, de modo que sumariamente existen cargas totales del material significativamente elevadas. Estas cargas totales pueden provocar fallos en las herramientas debido a fisuras por tensiones, fatiga térmica, fractura gruesa, corrosión y erosión, de manera que los materiales con alta dureza y resistencia están obligados a tener a la vez alta tenacidad y ductilidad. Estas propiedades requeridas dependen sin embargo de la composición química de la aleación y de las propiedades de bonificación resultantes de la misma.

Desde hace tiempo se utilizan los aceros de Cr-Mo-V para herramientas de trabajo en caliente, para lo cual son adecuados los tipos de acero X38 CrMoV 51 y X38 CrMoV 53 correspondientes a los materiales núm. 1.2343 y núm. 1.2367 de la lista de acero-hierro DIN, que como también indica la lista son "altamente resistentes al temple" y adecuados "para herramientas de grandes dimensiones".

El material núm. 1.2343 sirve para "herramientas de alto rendimiento, matrices y prensas".

Los materiales anteriores tienen una gran profundidad de cementación y una bonificabilidad térmica profunda para valores de temple requeridos entre 50 y 55 HRC. Sin embargo, sus propiedades en cuanto a tenacidad son bajas, lo que puede ser una desventaja para las cualidades de aplicación de moldes de inyección a presión.

Para el material núm. 1.2343 se puede alcanzar un aumento sustancial de la tenacidad material tras un tratamiento de bonificado, disminuyendo el contenido previsto en silicio de

0.90 a 1.20 del peso porcentual hasta una concentración del 0.2 del peso porcentual; sin embargo, para ello son necesarias altas velocidades de enfriamiento durante el temple, que a menudo no es posible alcanzar.

La invención tiene pues como objetivo producir un acero para trabajo en caliente del tipo mencionado al principio, que mediante un enfriamiento forzado desde la fase de austenita forma una microestructura martensítica completa en su mayor parte, incluso con tasas de enfriamiento bajas, tras lo cual, mediante un tratamiento de revenido controlado, se alcanza una alta templabilidad y una tenacidad mejorada del material.

Este objetivo se alcanza con una aleación de acero para trabajo en caliente, cuyos elementos de aleación tienen un contenido en peso porcentual de

carbono (C) 0,35 a 0,2 silicio (Si) 0,15 a 0,29 manganeso (Mn) 0,40 a 0,70 cromo (Cr) 4,70 a 5,45 molibdeno (Mo) 1,55 a 1,95 vanadio (V) 0,40 a 0,75 nitrógeno (N) 0,011 a 0,016 hierro (Fe) e impurezas como elementos restantes.

La ventaja de la composición de aleación conforme a la invención consiste esencialmente en que los elementos en conjunto, en especial los elementos silicio, molibdeno, vanadio y nitrógeno, se adaptan unos a otros dentro de estrechos límites

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con respecto a la cinética de transformación, de manera que en el templado se puede alcanzar la deseada solidez y temple a la vez que una alta tenacidad del material, durante un bonificado térmico con una tasa de enfriamiento reducida.

5 Gracias a ello, es posible alcanzar o bien mayores profundidades de penetración en una estructura de temple martensítica favorable para las cualidades mecánicas de la pieza, con una velocidad de enfriamiento dada, o bien utilizar con ventaja una tasa de enfriamiento menor para un templado y de

10 esa manera minimizar las tensiones de templado, en muchos casos con un grabado o un molde en negativo del molde para inyección a presión provisto para la pieza de fundición. Esto tiene una especial relevancia, porque cada vez se utiliza más el llamado temple al vacío para las piezas de moldes, donde

15 también para evitar oxidaciones y descarburación de la superficie tratada en la pieza de trabajo o del molde, durante la austenización tiene lugar un calentamiento al vacío, tras lo cual se realiza un enfriamiento forzado con una corriente gaseosa de nitrógeno. Para este tipo de templado de una pieza, ha probado

20 ser especialmente eficaz una aleación compuesta químicamente conforme a la invención. Se puede alcanzar un significativo aumento adicional de las propiedades de tenacidad del material bonificado si la aleación de acero para trabajo en caliente tiene máximas concentraciones de

25 uno o de todos los elementos en un peso porcentual de

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fósforo (P): 0,005

azufre (S): 0,003

níquel (N): 0,10

wolframio (W): 0,10

cobre (Cu): 0,10

cobalto (Co): 0,10

titanio (Ti): 0,008

niobio (Nb): 0,03

oxígeno (O): 0,003

boro (B): 0,001

arsénico (As): 0,01

estaño (Sn): 0,0025

antimonio (Sb): 0,01

zinc (Zn): 0,001

calcio (Ca): 0,0002

magnesio (Mg): 0,0002

Los elementos anteriores pueden formar precipitaciones o bien enlaces, que están especialmente concentrados en los límites intergranulares y reducen las propiedades de tenacidad del material de manera repentina desde un nivel de concentración

o provocan acumulaciones intergranulares de un modo tal, que tienen un efecto igualmente desfavorable.

Mediante una composición química del material conforme a la invención ajustada en márgenes muy estrechos, según un modelo de ejecución preferido del mismo, la aleación de acero para trabajo en caliente contiene uno o más elementos de aleación en un peso porcentual de

carbono (C): 0,37 a 0,40

silicio (Si): 0,16 a 0,28 preferiblemente 0,18 a 0,25

manganeso: 0,45 a 0,60 preferiblemente 0,50 a 0,58

(Mn)

cromo (Cr): 4,80 a 5,20, preferiblemente 4,90 a 5,10

molibdeno (Mo) 1,50: a 1,90 preferiblemente 1,65 a 1,80

vanadio (V): 0,45 a 0,70 preferiblemente 0,52 a 0,60

nitrógeno (N): 0,012 a 0,015

Mediante esta aleación conforme a la invención, caracterizada por los márgenes especialmente estrechos para la composición química, lo cual presenta requisitos especiales para una tecnología de fundición, es posible alcanzar altos valores para la tenacidad del material con alta dureza, incluso con tasas de enfriamiento bajas en los procesos de bonificación térmica.

A continuación se explica en detalle la invención por medio de resultados de investigación.

Con carácter auxiliar, los resultados de investigación se resumen en la fig. 1.

La fig. 1 muestra: Valores de resiliencia del material tras un bonificado térmico en función de los parámetros de enfriamiento durante el tratamiento de templado.

Se examinaron aleaciones con una composición química conforme a la invención y según el material DIN núm. 1.2343 con contenido en silicio conforme a la norma y rebajado, y según el material DIN núm. 1.2367, como se indica en la tabla 1, tras un tratamiento de bonificado térmico a una dureza material de 44 HRC con diferentes parámetros . Para ello se calcula el valor que marca el parámetro  como sigue: El parámetro de enfriamiento [] corresponde al tiempo [en seg] para un enfriamiento desde 800° C a 500° C partido por 100.

A continuación se indican los elementos de aleación de los materiales listados en la tabla 1, donde el resto del contenido

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consiste en hierro, elementos accidentales e impurezas. Composición de la aleación en peso porcentual

núm. de material: C Si Mn P S N Cr Mo Ni V

1.2343: 0,39 1,11 0,41 0,021 0,023 - 5,28 1,26 0,21 0,38

1.2343 So: 0,38 0,21 0,39 0,022 0,019 - 5,34 1,30 0,16 0,40

1.2367: 0,38 0,40 0,47 0,029 0,021 - 5,00 2,98 0,20 0,61

W350: 0,39 0,19 0,51 0,004 0,001 0,013 4,91 1,69 0,06 0,53

La figura 1 muestra que con un parámetro de enfriamiento de aprox.  = 12 el material núm. 1.2343 con un contenido en Si rebajado a aprox. el 0,20% del peso en un estado térmicamente bonificado a una dureza material de 44 HRC tiene la tenacidad más alta según Charpy-V. Sin embargo, a continuación caen repentinamente los valores de tenacidad hasta un nivel bajo, con la elevación del parámetro de enfriamiento .

El material núm. 1.2343 con contenido en silicio conforme a la norma y el núm. 1.2367 tienen una baja tenacidad con una dureza bonificada de 44 HRC, sin embargo tienen una templabilidad considerable, lo cual se documenta mediante valores de tenacidad que solo descienden mínimamente en función de los parámetros de enfriado.

Aunque una aleación experimental conforme a la invención W 350 muestra en comparación con el material–So núm. 1.2343 (Si  0,2 % del peso) unos valores de tenacidad algo menores a temperatura ambiente y en estado bonificado a 44 HRC, para tasas de enfriamiento altas o en la zona del parámetro de enfriamiento  hasta 13, sin embargo la tenacidad del material se mantiene sin cambios esenciales en valores superiormente altos, también con tasas de enfriamiento descendientes o parámetros de enfriamiento más altos.

Claims

1.: Aleación de acero para trabajo en caliente, que contiene los elementos carbono (C), silicio (Si), manganeso (Mn), cromo (Cr), molibdeno (Mo), vanadio (V), nitrógeno (N) y elementos de impurezas además de hierro como resto, con la condición de que los elementos de la aleación tengan un contenido en peso porcentual de

2.: Aleación de acero para trabajo en caliente conforme a la reivindicación 1, conteniendo concentraciones máximas de uno

carbono (C): 0,35 a 0,42

silicio (Si): 0,15 a 0,29

manganeso (Mn): 0,40 a 0,70

cromo (Cr): 4,70 a 5,45

molibdeno (Mo): 1,55 a 1,95

vanadio (V): 0,40 a 0,75

nitrógeno (N): 0,011 a 0,016

o de todos los elementos con un peso porcentual de

fósforo (P) 0,005 azufre (S) 0,003 níquel (N) 0,10 wolframio (W) 0,10 cobre (Cu) 0,10 cobalto (Co) 0,10 titanio (Ti) 0,008 niobio (Nb) 0,03 oxígeno (O) 0,003 boro (B) 0,001 arsénico (As) 0,01 estaño (Sn) 0,0025 antimonio (Sb) 0,01 zinc (Zn) 0,001 calcio (Ca) 0,0002 magnesio (Mg) 0,0002

3. Aleación de acero para trabajo en caliente conforme a las reivindicaciones 1 ó 2, conteniendo uno o más elementos de aleación con un peso porcentual de

carbono (C): 0,37 a 0,40

silicio (Si): 0,16 a 0,28 preferiblemente 0,18 a 0,25

manganeso: 0,45 a 0,60 preferiblemente 0,50 a 0,58

(Mn)

cromo (Cr): 4,80 a 5,20 preferiblemente 4,90 a 5,10

molibdeno (Mo) 1,50: a 1,90 preferiblemente 1,65 a 1,80

vanadio (V): 0,45 a 0,70 preferiblemente 0,52 a 0,60

nitrógeno (N): 0,012 a 0,015

hierro (Fe) e impurezas como elementos restantes.