ES2354019T3 - Pieza sinterizada compuesta por polvo de acero inoxidable. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de preparación de piezas compactadas de polvo de acero inoxidable que comprende las etapas de: - someter un polvo de acero inoxidable prealeado que consiste en el 10%-30% en peso de cromo, el 0,5-1,5% en peso de silicio, menos del 0,1% en peso de carbono, menos del 0,07% en peso de nitrógeno, vanadio en una cantidad de al menos 4 veces las cantidades combinadas de carbono y nitrógeno, el resto hierro, en el que la cantidad de vanadio es del 0,1-1% en peso, y níquel en una cantidad de menos del 1% en peso opcionalmente mezclado con un lubricante para la compactación - sinterizar la pieza compactada a una temperatura de 1150-1350ºC.
Description
Pieza sinterizada compuesta por polvo de acero
inoxidable.
La presente invención se refiere a una pieza
sinterizada compuesta por un polvo de acero inoxidable.
La pieza pulvimetalúrgica sinterizada tiene una
alta densidad.
Un objetivo principal en la pulvimetalurgía es
lograr una alta densidad de cuerpos compactados y sinterizados. El
documento JP 59 047358 da a conocer polvo de acero para
sinterización. Existen varios métodos para mejorar la densidad, uno
de esos métodos es la compactación en caliente que mejora la
compresibilidad del polvo proporcionando un cuerpo en verde con una
mayor densidad en verde. Aplicando lubricación a la pared del molde,
lo que hace posible minimizar la cantidad de lubricantes internos
usados, también puede aumentarse la densidad en verde. El uso de
altas presiones de compactación en combinación con bajas cantidades
de lubricantes también da como resultado densidades en verde
elevadas. Un recocido suave de un polvo de acero inoxidable, en el
que se alivia el esfuerzo del material y se recristaliza, también
mejora la compresibilidad. Tras la compactación se somete el cuerpo
en verde a una operación de sinterización con el fin de obtener un
cuerpo sinterizado. Las altas temperaturas en la sinterización, es
decir por encima de aproximadamente 1180-1200ºC
conducen a un aumento de la contracción durante la sinterización y
una mayor densidad del cuerpo. Sin embargo, la alta temperatura de
sinterización requiere hornos de sinterización especialmente
equipados. Adicionalmente el consumo de energía aumentará.
Se encuentran problemas especiales cuando se
fabrican piezas de PM de acero inoxidable de alta densidad debido a
la presencia de cromo, que hace que el acero sea resistente a la
corrosión.
Los aceros inoxidables tienen aproximadamente
por encima del 10% de cromo. Lo más frecuentemente hay carbono
presente en los aceros y provocará la formación de carburos de
cromo. La formación de carburos de cromo reduce el contenido en
cromo de la matriz, lo que a su vez provoca una menor resistencia a
la corrosión. Con el fin de evitar que se reduzca el contenido en
cromo de la matriz, con frecuencia se usan estabilizadores
formadores de carburo, tales como niobio. De esta manera puede
evitarse la formación de carburos de cromo y en vez de eso se forman
carburos de niobio, cuyo resultado es que puede mantenerse la
resistencia a la corrosión. Sin embargo, un problema con el uso de
niobio es que se necesitan altas temperaturas de sinterización para
obtener altas densidades sinterizadas y el consumo de energía es
considerable.
Ahora se ha descubierto que, usando el nuevo
polvo según la presente invención, pueden reducirse los costes
energéticos para producir piezas de PM de acero inoxidable
sinterizadas. Otra ventaja significativa de usar el nuevo polvo es
que puede obtenerse una densidad sinterizada comparativamente
superior.
Las piezas sinterizadas fabricadas usando el
nuevo polvo son de interés particular dentro de la industria del
automóvil en la que las demandas tanto de costes como de rendimiento
de las piezas son altas. El nuevo polvo también puede usarse para
piezas sinterizadas en sistemas de escape, y especialmente para
bridas en sistemas de escape.
La presente invención se refiere a piezas
compactadas y sinterizadas obtenidas a partir de composiciones de
polvo de acero inoxidable que tienen altas densidades.
Ahora se ha descubierto sorprendentemente que,
añadiendo vanadio como estabilizador a un polvo de acero inoxidable,
puede reducirse la temperatura de sinterización y por consiguiente
el consumo de energía, mientras que la densidad sinterizada es
similar o incluso se aumenta en comparación con el estabilizador de
niobio usado actualmente. Además se ha descubierto que el vanadio
debe estar presente en una cantidad de al menos 4 veces las
cantidades combinadas de carbono y nitrógeno, mediante lo cual la
cantidad de nitrógeno debe ser de menos del 0,07% en peso y la
cantidad de carbono debe ser de menos del 0,1% en peso. La cantidad
de vanadio debe estar en el intervalo del 0,1-1% en
peso.
Se dan a conocer composiciones de acero
inoxidable que incluyen vanadio en la publicación WO 03/106077 y en
la patente estadounidense n.º 5 856 625. En el documento WO
03/106077 no se da a conocer ningún efecto ni ningún ejemplo real de
polvos que incluyan vanadio. Según la patente estadounidense 5 856
625 el polvo de acero inoxidable comprende preferiblemente el
1,5-2,5% de vanadio. Este polvo de acero inoxidable
conocido está previsto para materiales con alta resistencia al
desgaste y se necesita un alto contenido en carbono para lograr una
cantidad apropiada de carburos duros en la matriz formada
principalmente a partir de elementos formadores de carburos
resistentes tales como Mo, V y W. Además la publicación de patente
JP 59-47358 da a conocer un polvo de acero que
comprende cromo, silicio, carbono y nitrógeno. Este polvo puede
comprender además níquel y/o cobre y vanadio. El propósito del polvo
de acero según el documento JP 59-47358 es fabricar
por ejemplo una superficie deslizante.
El polvo de acero inoxidable según la invención
comprende el 10-30% de cromo, el
0,1-1% de vanadio, el 0,5-1,5% de
silicio, menos del 0,1% de carbono y menos del 0,07% de nitrógeno.
Preferiblemente, el polvo de acero inoxidable comprende el
10-20% de cromo, el 0,15-0,8% de
vanadio, el 0,7-1,2% de silicio, menos del 0,05% de
carbono y menos del 0,05% de nitrógeno.
Según la invención se proporciona un
procedimiento de preparación de piezas compactadas de polvo de acero
inoxidable que comprende las etapas de: someter un polvo de acero
inoxidable prealeado que consiste esencialmente en el 10%-30% en
peso de cromo, el 0,5-1,5% en peso de silicio, menos
del 0,1% en peso de carbono, menos del 0,07% en peso de nitrógeno,
vanadio en una cantidad de al menos 4 veces las cantidades
combinadas de carbono y nitrógeno, el resto hierro, en el que la
cantidad de vanadio es del 0,1-1% en peso, y níquel
en una cantidad de menos del 1% en peso opcionalmente mezclado con
un a lubricante para la compactación; y sinterizar la pieza
compactada a una temperatura de 1150-1350ºC.
Según la invención se proporciona una pieza
sinterizada que tiene la composición de polvo de acero inoxidable
que consiste esencialmente en el 10%-30% en peso de cromo, el
0,5-1,5% en peso de silicio, menos del 0,1% en peso
de carbono, menos del 0,07% en peso de nitrógeno, el resto hierro,
vanadio en una cantidad de al menos 4 veces las cantidades
combinadas de carbono y nitrógeno, en la que la cantidad de vanadio
es del 0,1-1% en peso, y níquel en una cantidad de
menos del 1% en peso, que tiene una densidad sinterizada de al menos
7,20 g/cm^{3}.
Ya que la resistencia a la corrosión en los
aceros inoxidables es de gran interés, el contenido en vanadio debe
elegirse de modo que se formen carburos y nitruros de vanadio en vez
de carburos y nitruros de cromo. Preferiblemente, el contenido en
vanadio se elegirá en relación con el contenido en carbono y
nitrógeno real en el componente sinterizado para poder formar
carburos y nitruros de vanadio. Se cree que los carburos y nitruros
de vanadio formados son de tipo VC y NC y según el conocimiento
actual, el contenido en vanadio debe ser preferiblemente como mínimo
de 4 veces el contenido en carbono y nitrógeno del polvo. El
contenido en carbono y nitrógeno real en el componente
sinterizado
puede ser superior al contenido de los elementos en el polvo debido a la captación durante la eliminación del lubricante.
puede ser superior al contenido de los elementos en el polvo debido a la captación durante la eliminación del lubricante.
La cantidad de silicio debe ser de entre el 0,5%
y el 1,5%. El silicio es un elemento importante ya que crea una capa
de óxido coherente delgada durante la atomización de la masa fundida
de acero inoxidable, es decir el contenido en silicio debe ser del
0,5% en peso o superior. La capa de óxido impide la oxidación
adicional. Un nivel de silicio demasiado alto conducirá a una
disminución de la compresibilidad, por tanto el contenido en silicio
debe ser del 1,5% en peso o inferior.
La cantidad de nitrógeno debe ser lo más baja
posible ya que el nitrógeno puede tener la misma influencia que el
carbono, es decir sensibilizar el material mediante la formación de
nitruros de cromo o carbonitruros de cromo. El nitrógeno también
tiene un efecto de endurecimiento por precipitación que disminuirá
la compresibilidad. Por tanto, el contenido en nitrógeno no debe
superar el 0,07%, preferiblemente no superar el 0,05% en peso. En la
práctica es difícil obtener contenidos en nitrógeno inferiores al
0,001%.
Se añaden otros elementos de aleación para
potenciar determinadas propiedades, tales como resistencia, dureza,
etc. Los elementos de aleación se seleccionan del grupo que consiste
en molibdeno, cobre, manganeso y níquel.
Los aceros que comprenden cantidades añadidas
deliberadamente de molibdeno, cobre o manganeso no forman parte de
la invención.
Según la presente invención, se prefieren aceros
inoxidables ferríticos. Los aceros inoxidables ferríticos son más
económicos que los aceros inoxidables austeníticos que están aleados
con níquel. En comparación con una matriz austenítica, una matriz
ferrifica tiene un menor coeficiente de dilatación térmica, lo que
es beneficioso por ejemplo en bridas en un sistema de escape de
acero inoxidable. Por tanto, una realización preferida del acero
inoxidable según la invención está esencialmente libre de níquel.
Específicamente, el acero inoxidable ferrítico puede comprender el
10-20% en peso de cromo, el 0-5% en
peso de molibdeno, menos del 1% en peso de níquel, menos del 0,2% en
peso de manganeso.
Otros posibles aditivos son agentes de flujo,
agentes de mejora de la maquinabilidad tales como fluoruro de
calcio, sulfuro de manganeso, nitruro de boro o combinaciones de los
mismos.
El polvo de acero inoxidable puede ser un polvo
prealeado, atomizado con agua o gas, que tiene un tamaño medio de
partícula de aproximadamente 20 \mum, dependiendo del método de
consolidación del polvo. Normalmente, el tamaño medio de partícula
es superior a aproximadamente 50 \mum.
Lo más frecuentemente se añade un lubricante
antes de la compactación con el fin de potenciar la compresibilidad
del polvo y para facilitar la extracción del componente en verde. La
cantidad de lubricante es normalmente de entre el 0,1% y el 2%,
preferiblemente entre el 0,3% y el 1,5%. Los lubricantes pueden
elegirse del grupo que consiste en estearatos metálicos, tales como
estearato de cinc o litio, Kenolube®, polímeros de amida u
oligómeros de amida, etilen-bisestearamida,
derivados de ácidos grasos u otras sustancias adecuadas con un
efecto lubricante. También puede usarse lubricación de las paredes
del molde sola o en combinación con lubricantes internos.
Tras un recocido opcional se mezcla el polvo de
acero inoxidable con lubricante y otros aditivos opcionales. Se
compacta la mezcla de polvo a 400-1200 MPa y se
sinteriza a 1150-1350ºC durante de 5 minutos a 1
hora para obtener una densidad de al menos 7,20 g/cm^{3}. Sin
embargo, el polvo según la invención puede usarse para producir
piezas que tienen una densidad sinterizada inferior con el fin de
reducir los costes de procesamiento. La etapa de compactación puede
realizarse como compactación en frío o compactación en caliente.
La alta densidad sinterizada se obtiene mediante
un aumento de la contracción durante la sinterización y, sin
limitarse a ninguna teoría específica, se cree que esta contracción
es una consecuencia de una difusión volumétrica activada. Los
carburos de vanadio que se forman en presencia de carbono se
disolverán a temperaturas elevadas, especialmente a las temperaturas
de sinterización, pero también a temperaturas inferiores tales como
en el recocido del polvo metálico. Normalmente la temperatura de
sinterización para polvos de acero inoxidable es de aproximadamente
1150-1300ºC.
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Se produjeron tres masas fundidas diferentes que
tenían una composición química según la tabla 1 y contenían niobio y
vanadio como elementos formadores de carburos. Se prepararon varias
mezclas para la compactación en frío o en caliente según las tablas
2 y 3. Para fines de compactación en frío y compactación en caliente
se usaron lubricantes. Como agente de flujo en la compactación en
caliente se usó Aerosil A-200 de Degussa®.
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Se compactaron las mezclas en polvo según las
tablas 2 y 3 y se determinaron las propiedades en verde para
diversas presiones de compactación. Los resultados se presentan en
la tabla 4. Se sinterizaron los cuerpos compactados a 1250ºC en una
atmósfera de hidrógeno durante 45 minutos y se determinaron las
densidades sinterizadas y las propiedades químicas. Los resultados
se muestran en la tabla 5.
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A partir de la tabla 4 y de la tabla 5 puede
identificarse claramente que las densidades sinterizadas de las
muestras producidas a partir del material según la invención se
mejoran, mientras que las densidades en verde del material según la
invención son similares a las de los materiales de comparación. Las
propiedades mecánicas de los componentes sinterizados también se
mejoran con el material según la invención en comparación con los
materiales conocidos.
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Con el fin de evaluar la influencia de las
temperaturas de sinterización y los tiempos de sinterización, se
compactaron las mezclas en polvo 4, 5 y 6 para dar muestras de
ensayo de tracción según la norma ISO 2740 en un movimiento de
compactación uniaxial a temperatura ambiente a 600 MPa. Se
sinterizaron las muestras en verde obtenidas a 1200ºC, 1250ºC y
1300ºC en una atmósfera de hidrógeno durante 20 minutos y 45
minutos, respectivamente.
Tras la sinterización, se midió la densidad
sinterizada de las muestras sinterizadas según la norma ISO 3369.
Los resultados se muestran en la tabla 6. A partir de la tabla 6,
puede concluirse que pueden obtenerse densidades sinterizadas por
encima de 7,2 g/cm^{3} para un polvo de acero inoxidable ferrítico
siempre que se añada vanadio, incluso a una temperatura de
sinterización de tan sólo 1200ºC. Un tiempo de sinterización de 20
minutos a una temperatura de sinterización de 1250ºC proporciona una
densidad sinterizada de 7,35 g/cm^{3}, mientras que la densidad
correspondiente para el polvo de acero inoxidable ferrítico
estabilizado con niobio es de 7,15 g/cm^{3} y 7,03 g/cm^{3}
respectivamente, dependiendo de la cantidad de niobio añadida.
El ejemplo revela un impacto sorprendentemente
grande sobre la contracción durante la sinterización de un cuerpo en
verde producido a partir de polvo de acero inoxidable ferrítico
según la invención.
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Con el fin de evaluar la influencia del
contenido en nitrógeno del polvo de acero inoxidable se atomizó una
masa fundida y se prepararon muestras en polvo que tenían diferentes
contenidos en nitrógeno a partir del polvo atomizado mediante
recocido en una atmósfera que contenía nitrógeno. Como material de
referencia se usó polvo recocido en una atmósfera del 100% de
hidrógeno. Se mezclaron las muestras en polvo con un 1% de
lubricante y se compactaron en frío las composiciones obtenidas a
diferentes presiones para dar muestras. Se sinterizaron las muestras
a 1250ºC en una atmósfera de hidrógeno durante 45 minutos. El
análisis químico de las diferentes muestras en polvo se presenta en
la tabla 7 excepto por el contenido en nitrógeno, que se determinó
tras el recocido según se presenta en la tabla 8. En la tabla 8 se
presenta la densidad sinterizada para diferentes muestras.
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Puede observarse a partir del ejemplo 3 que un
contenido en nitrógeno por encima del 0,07% dará como resultado una
densidad sinterizada no deseada.
Claims (3)
1. Procedimiento de preparación de piezas
compactadas de polvo de acero inoxidable que comprende las etapas
de:
- -
- someter un polvo de acero inoxidable prealeado que consiste en el 10%-30% en peso de cromo, el 0,5-1,5% en peso de silicio, menos del 0,1% en peso de carbono, menos del 0,07% en peso de nitrógeno, vanadio en una cantidad de al menos 4 veces las cantidades combinadas de carbono y nitrógeno, el resto hierro, en el que la cantidad de vanadio es del 0,1-1% en peso, y níquel en una cantidad de menos del 1% en peso opcionalmente mezclado con un lubricante para la compactación
- -
- sinterizar la pieza compactada a una temperatura de 1150-1350ºC.
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2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que la sinterización se realiza hasta una densidad de al menos
7,20 g/cm^{3}.
3. Pieza sinterizada que tiene la composición de
polvo de acero inoxidable que consiste en el 10%-30% en peso de
cromo, el 0,5-1,5% en peso de silicio, menos del
0,1% en peso de carbono, menos del 0,07% en peso de nitrógeno,
vanadio en una cantidad de al menos 4 veces las cantidades
combinadas de carbono y nitrógeno, el resto hierro, en la que la
cantidad de vanadio es del 0,1-1% en peso, y níquel
en una cantidad de menos del 1% en peso, que tiene una densidad
sinterizada de al menos 7,20 g/cm^{3}.
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