ES2357175T3 - Composición en polvo metalúrgica y método de producción. - Google Patents
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Abstract
Un polvo basado en hierro, recocido, pre-aleado y atomizado con agua, que comprende: 15-30% en peso de Cr, 0,5-5% en peso de cada uno de al menos uno de Mo, W y V, y 0,5-2%, preferentemente 0,7-2% y, lo más preferentemente, 1-2% en peso de C; siendo el resto hierro, opcionalmente otros elementos aleantes como W hasta 3% en peso, V hasta 3% en peso y silicio hasta 2% en peso, e impurezas inevitables; en que el polvo basado en hierro tiene una matriz que comprende menos de 10% en peso de Cr y comprende carburos de cromo que tienen un tamaño medio de 8-45 μm.
Description
Composición en polvo metalúrgica y método de
producción.
La presente invención se refiere a un polvo
basado en hierro. Especialmente, la invención se refiere a un polvo
adecuado para la preparación de productos resistentes al
desgaste.
Los productos que tienen una elevada resistencia
al desgaste son ampliamente usados y hay una constante necesidad de
productos menos costosos que tengan el mismo o mejor rendimiento que
los productos existentes.
La fabricación de productos que tienen una
elevada resistencia al desgaste puede estar basada, por ejemplo, en
polvos, como polvos de hierro o basados en hierro, que incluyen
carbono en la forma de carburos.
Generalmente, los carburos son muy duros y
tienen puntos de fusión elevados, características que les
proporcionan una elevada resistencia al desgaste en muchas
aplicaciones. Esta resistencia al desgaste a menudo hace que los
carburos sean deseables como componentes en aceros, por ejemplo,
aceros rápidos (HSS) que requieren una elevada resistencia al
desgaste, como aceros para taladros, tornos, asientos de válvulas y
similares.
Ejemplos de polvos basados en hierro
convencionales con una elevada resistencia al desgaste se describen,
por ejemplo, en la patente de EE.UU 6.679.932, que se refiere a una
mezcla de polvos que incluye un polvo de acero para herramientas
con carburos finamente dispersados, y la patente de EE.UU.
5.856.625, que se refiere a un polvo de acero inoxidable.
El W, V, Mo, Ti y Nb son elementos formadores de
carburos resistentes, lo que hace que estos elementos sean
especialmente interesantes para la preparación de productos
resistentes al desgaste. El Cr es otro elemento formador de
carburos. La mayoría de estos metales formadores de carburos
convencionales, sin embargo son caros y dan lugar a un producto de
precio inconvenientemente elevado. Por tanto, hay una necesidad en
la industria metalúrgica de polvos de un polvo basado en hierro
menos caro, o de acero rápido, que proporcione una suficiente
resistencia al desgaste para productos comprimidos y sinterizados
como asientos de válvulas y similares.
Como el cromo es un metal formador de carburos
mucho más barato y más fácilmente disponible que otros metales de
este tipo usados en polvos convencionales y fases duras con elevada
resistencia al desgaste, sería deseable hacer posible el uso del
cromo como metal principal formador de carburos. De esta forma el
polvo y, por tanto, el producto compactado, puede ser producido de
forma más económica.
Los carburos de aceros rápidos regulares son
habitualmente bastante pequeños, pero, de acuerdo con la presente
invención, se ha mostrado ahora inesperadamente que pueden ser
obtenidos polvos que tienen una resistencia al desgaste igualmente
ventajosa, por ejemplo, para aplicaciones de asientos de válvulas
con cromo como metal principal formador de carburo, con la
condición de que los carburos sean suficientemente grandes.
Por tanto, un objetivo de la presente invención
es proporcionar un polvo basado en hierro económico para la
fabricación de productos metalúrgicos en polvo que tengan una
elevada resistencia al desgaste. Los objetivos se consiguen
mediante las soluciones proporcionadas en las reivindicaciones.
Este objetivo, así como otros objetivos
evidentes a partir de la explicación que sigue, se consiguen según
la presente invención por medio de un polvo basado en hierro
recocido, pre-aleado y atomizado con agua que
comprende 15-30% en peso de Cr,
0,5-5% en peso de cada uno de al menos de uno de Mo,
W y V y 0,5-2%, preferentemente
0,7-2% y, lo más preferentemente,
1-2% en peso de C, en que el polvo basado en hierro
tiene una matriz que comprende menos de 10% en peso de Cr y en que
el polvo basado en hierro comprende carburos de cromo grandes.
Incluso aunque se ha encontrado que un contenido
de Cr en el intervalo de 15-30% en peso puede dar
lugar a cantidades suficientes de carburos de tipo, tamaño y dureza
adecuados, se encontró que un contenido de Cr de 18% en peso o más
mejora adicionalmente este efecto y da lugar a una cantidad
particularmente elevada de carburo de un tipo, tamaño y dureza
adecuados. Consecuentemente, en algunas realizaciones, el polvo
basado en hierro recocido, pre-aleado y atomizado
con agua comprenden 18-30% en peso de Cr.
En algunas realizaciones, el polvo basado en
hierro recocido, pre-aleado y atomizado con agua
comprende 15-30% en peso de Cr,
0,5-5% en peso de Mo y 1-2% en peso
de C.
De acuerdo con la presente invención, este polvo
nuevo que consigue los objetivos anteriores puede ser obtenido por
medio de un método de producción de polvo basado en hierro que
comprende someter una materia fundida basada en hierro que incluye
15-30% en peso de Cr, 0,5-5% en peso
de al menos de uno de Mo, W y V y 0,5-2%,
preferentemente 0,7-2% y, lo más preferentemente,
1-2% en peso de C, a una atomización con agua con el
fin de obtener partículas de polvo basadas en hierro y recocer las
partículas de polvo a una temperatura y durante un período de tiempo
suficientes para obtener carburos grandes en las partículas.
En las realizaciones preferidas, se ha
encontrado que las temperaturas en el intervalo de
900-1100ºC y tiempos de recocido en el intervalo de
15-72 horas son suficientes para obtener los
carburos deseados en las partículas.
En algunas realizaciones, la materia fundida
basada en hierro comprende 18-30% en peso de Cr.
En algunas realizaciones, la materia fundida
basada en hierro comprende 15-30% en peso de Cr,
0,5-5% en peso de Mo y 1-2% en peso
de C.
La figura 1 muestra la microestructura de un
material de ensayo basado en A3.
La figura 2 muestra la microestructura de un
material de ensayo basado en M3/2.
El polvo pre-aleado de la
invención contiene cromo, 15-30%, preferentemente
18-25% en peso, al menos uno de molibdeno,
wolframio y vanadio, 0,5-5% en peso de cada uno, y
carbono, 0,5-2%, preferentemente
0,7-2% y lo más preferentemente
1-2% en peso, siendo el resto hierro, opcionalmente
otros elementos aleantes e impurezas inevitables.
El polvo pre-aleado puede
incluir opcionalmente otros elementos aleantes como wolframio, hasta
3% en peso, vanadio hasta 3% en peso de silicio hasta 2% en peso.
Pueden ser incluidos opcionalmente otros elementos aleantes o
aditivos. En una realización, el polvo pre-aleado
incluye silicio, hasta 2% en peso.
Debe apreciarse específicamente que los metales
formadores de carburos muy caros niobio y titanio no son necesarios
en el polvo de la presente invención.
El polvo pre-aleado tiene
preferentemente un tamaño medio de partículas en el intervalo de
40-100 \mum, preferentemente de aproximadamente
80 \mum.
En las realizaciones preferidas, el polvo
pre-aleado consiste en 20-25% p de
Cr, 1-2% p de Mo, 1-2% p de W,
0,5-1,5% p de V, 0,2-1% p de Si,
1-2% p de C y el resto Fe o 20-25% p
de Cr, 2-4% p de Mo, 1-2% p de C y
el resto Fe.
En otras realizaciones preferidas, el polvo
pre-aleado consiste en 19-23% de p
de Cr, 1-2% p de Mo, 1,5-3,5 p de
W, 0,5-1,5% de W, 0,2-1% p de Si,
1-2% p de C y el resto Fe o en
20-25% p de Cr, 2-4% de Mo,
1-2% p de C y el resto Fe. Los carburos del polvo
de la invención tienen un tamaño medio en el intervalo de
8-45 \mum, preferentemente en el intervalo de
8-30 \mum y preferentemente constituyen un
20-40% en volumen del polvo total.
Como los carburos tienen una forma irregular,
mediante "tamaño" se quiere indicar la extensión más larga
medida en un microscopio.
Incluso aunque son adecuados otros tipos de
carburos grandes, en algunas realizaciones, los carburos grandes
del polvo de la invención son de tipo M_{23}C_{6} (M = Cr, Fe,
Mo, W), es decir, a parte de Cr como el elemento formador de
carburo dominante, pueden estar presentes uno o más de Fe, Mo y W.
Los carburos grandes pueden contener también otros elementos
formadores de carburos distintos de los anteriormente especificados
en pequeñas cantidades.
Con el fin de obtener estos carburos grandes, el
polvo pre-aleado es sometido a un recocido
prolongado, preferentemente bajo vacío. El recocido se realiza
preferentemente en el intervalo de 900-1100ºC, lo
más preferentemente a aproximadamente 1.000ºC, a cuya temperatura
el cromo del polvo pre-aleado reacciona con carbono
para formar carburos de cromo.
Durante el recocido, se forman y crecen nuevos
carburos y los carburos existentes continúan creciendo por medio de
la reacción entre cromo y carbono. El recocido se continúa
preferentemente durante 15-72 horas, más
preferentemente durante más de 48 horas, con el fin de obtener
carburos del tamaño deseado. Cuanto mayor es la duración del
recocido, mayores son los granos de carburo que crecen. Sin embargo,
el recocido consume grandes cantidades de energía y pueden ser un
cuello de botella para el flujo de producción si continúa durante un
largo período de tiempo. Por tanto, aunque un tamaño medio del
grano de carburo de aproximadamente 20-30 \mum
puede ser óptimo, dependiendo de la porosidad, puede ser más
conveniente desde un punto de vista económicos terminar el recocido
con anterioridad, cuando el tamaño medio de granos de carburo es de
aproximadamente 10 \mum.
Se aplica un enfriamiento muy lento,
preferentemente de más de 12 horas, desde la temperatura de
recocido. El enfriamiento lento permitirá un crecimiento adicional
de los carburos, ya que una cantidad mayor de carburos es
termodinámicamente estable a temperaturas inferiores. El
enfriamiento lento permitirá también asegurar que la matriz se hace
ferrítica, lo que es importante para la compresibilidad del
polvo.
El recocido del polvo tiene también otras
ventajas a parte del crecimiento de carburos.
Durante el recocido, los granos de la matriz
también crecen y se relajan las tensiones inherentes de las
partículas de polvo, obtenidas como resultado de la atomización con
agua. Estos factores hacen que el polvo sea menos duro y más fácil
de compactar, por ejemplo, proporciona al polvo una mayor
compresibilidad.
Durante el recocido, el contenido de carbono y
oxígeno del polvo puede ser ajustado. Habitualmente es deseable
mantener bajo el contenido de oxígeno. Durante el recocido, el
carbono se hace reaccionar con oxígeno para formar óxido de carbono
gaseoso, que reduce el contenido de oxígeno del polvo. Si no hay
suficiente carbono en el propio polvo pre-aleado,
tanto para formar carburos como para reducir el contenido de
oxígeno, puede ser proporcionado carbono adicional, en forma de
polvo de grafito, para el recocido.
Como gran parte del cromo del polvo
pre-aleado se desplaza desde la matriz hasta los
carburos durante el recocido, la matriz del polvo recocido
resultante tiene un contenido de cromo disuelto de menos de 10% en
peso de la matriz, preferentemente menos de 9% en peso y, lo más
preferentemente menos de 8% en peso, que es el motivo por el que el
polvo no es inoxidable.
La composición de la matriz del polvo está
diseñada de forma que la ferrita se transforme en austenita durante
la sinterización. De este modo, la austenita se puede transformar en
martensita tras enfriar después de la sinterización. Los carburos
grandes en una matriz martensítica proporcionarán una buena
resistencia al desgaste del componente comprimido y
sinterizado.
Aunque la parte principal de los carburos del
polvo de la invención son carburos de cromo se pueden formar
también algunos carburos mediante otros compuestos formadores de
carburos en el polvo pre-aleado, como los
anteriormente mencionados molibdeno, wolframio y vanadio.
El polvo recocido de la invención puede ser
mezclado con otros componentes en polvo, como otros polvos basados
en hierro, grafito, lubricantes evaporables, lubricantes sólidos,
agentes mejoradores para mejorar la maquinabilidad, antes de la
compactación y sinterización, para preparar un producto con una
elevada resistencia al desgaste. Se puede mezclar, por ejemplo, el
polvo de la invención con polvo de hierro puro o polvo de grafito o
con un polvo de acero inoxidable. Puede ser añadido un lubricante
como una cera, estearato, jabón metálico o similar que facilite la
compactación y seguidamente se evapore durante la sinterización, así
como un lubricante sólido, como MnS, CaF_{2}, MoS_{2}, que
reduzca el rozamiento durante el uso del producto sinterizado y que
pueda mejorar también la maquinabilidad del mismo. También, pueden
ser añadidos, otros agentes mejoradores de la maquinabilidad, así
como otros aditivos convencionales del campo de la metalurgia de
polvos.
Ejemplo
1
Una masa fundida de 21,5% p de Cr, 1,5% p de Mo,
1,5% p de W, 1% p de V, 0,5% p de Si, 1,5% p de C y el resto Fe fue
atomizada con agua para formar un polvo pre-aleado.
El polvo obtenido fue posteriormente recocido a vacío a 1.000ºC
durante aproximadamente 48 horas, siendo el tiempo total de recocido
de aproximadamente 60 horas, después de lo cual las partículas de
polvo contenían aproximadamente 30% en volumen de carburos de cromo
con un tamaño medio de granos de aproximadamente 10 \mum en una
matriz ferrítica.
Ejemplo
2
Una masa fundida de 21,5% p de Cr, 3% p de Mo,
1,5% p de C y el resto Fe fue atomizada con agua para formar un
polvo pre-aleado. El polvo obtenido fue
posteriormente recocido a vacío a 1.000ºC durante aproximadamente
48 horas, siendo el tiempo total de recocido de aproximadamente 60
horas, después de lo cual las partículas de polvo contenían
aproximadamente 30% en volumen de carburos de cromo con un tamaño
medio de granos de aproximadamente 10 \mum en una matriz
ferrítica.
Ejemplo
3
Una masa fundida de 21,0% p de Cr, 1,5% p de Mo,
2,5% p de W, 1% p de V, 0,5% p de Si, 1,6% p de C y el resto Fe fue
atomizada con agua para formar un polvo pre-aleado.
El polvo obtenido fue posteriormente recocido a vacío a 1.000ºC
durante aproximadamente 48 horas, siendo el tiempo total de recocido
de aproximadamente 60 horas, después de lo cual las partículas de
polvo contenían aproximadamente 30% en volumen de carburos de cromo
con un tamaño medio de granos de aproximadamente 10 \mum en una
matriz ferrítica.
El polvo obtenido (denominado en lo sucesivo A3)
se mezcló con 0,5% p de grafito y 0,75p de un lubricante
evaporable. La mezcla se compactó en forma de barras de ensayo a una
presión de 700 mPa. Las muestras obtenidas se sinterizaron en una
atmósfera de 90 N_{2}/10 H_{2} a una temperatura de 1.120ºC.
Después de sinterizar, las muestras se sometieron a un enfriamiento
criogénico en nitrógeno líquido seguido de templado a 550ºC.
Se preparó una mezcla similar basada en el polvo
HSS conocido M3/2 y se produjeron barras de ensayo usando el mismo
procedimiento que el anteriormente descrito.
Las barras de ensayo fueron sometidas a ensayos
de dureza según el método de Vickers. La dureza en caliente se
ensayó a 3 temperaturas diferentes (300/400/500ºC). Los resultados
se resumen en la tabla siguiente.
La microestructura del material de ensayo A3
(véase la figura 1) consiste en muchos carburos grandes en una
matriz martensítica, mientras que el material de referencia tiene
una microestructura (véase la figura 2) con carburos
considerablemente más pequeños en una matriz martensítica.
El material A3 tiene una porosidad algo mayor
que el material M3/2, lo que explica porqué los índices de dureza
A3 (HV5) son inferiores a los de M3/2, aunque los índices de
microdureza (HV0.025) para los dos materiales son aproximadamente
iguales. En la producción de componente PM VSI, la porosidad
normalmente es eliminada mediante una infiltración de cobre durante
la sinterización y, por lo tanto, estos efectos pueden ser evitados.
Considerando esto, los índices de dureza del material A3 son
comparables a los del material de referencia M3/2, lo que
proporciona un buen indicio de que los materiales deben tener una
resistencia al desgaste comparable. Especialmente, el mantenimiento
de la dureza a temperaturas elevadas es importante para la
resistencia al desgaste en aplicaciones VSI. Los resultados de los
ensayos de la dureza en caliente muestran que el material A3 cumple
estos requisitos.
Ejemplo
4
Una masa fundida de 21,5% p de Cr, 3% p de Mo,
1,5% p de C y el resto Fe fue atomizada con agua para formar un
polvo pre-aleado. El polvo obtenido fue
posteriormente recocido a vacío a 1.000ºC durante aproximadamente
48 horas, siendo el tiempo total de recocido de aproximadamente 60
horas, después de lo cual las partículas de polvo contenían
aproximadamente 30% en volumen de carburos de cromo con un tamaño
medio de granos de aproximadamente 10 \mum en una matriz
ferrítica.
Tratar este polvo, mezclado con 0,5% p de
grafito y 0,75% p de un lubricante evaporable, para producir barras
de ensayo del mismo modo que en el ejemplo 3, dio lugar a una
microestructura muy similar a la de la figura 1.
Claims (14)
1. Un polvo basado en hierro, recocido,
pre-aleado y atomizado con agua, que comprende:
15-30% en peso de Cr,
0,5-5% en peso de cada uno de al
menos uno de Mo, W y V, y
0,5-2%, preferentemente
0,7-2% y, lo más preferentemente,
1-2% en peso de C;
siendo el resto hierro, opcionalmente otros
elementos aleantes como W hasta 3% en peso, V hasta 3% en peso y
silicio hasta 2% en peso, e impurezas inevitables;
en que el polvo basado en hierro tiene una
matriz que comprende menos de 10% en peso de Cr y comprende carburos
de cromo que tienen un tamaño medio de 8-45
\mum.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Un polvo basado en hierro de acuerdo con la
reivindicación 1, que comprende 18-25% en peso de
Cr.
3. Un polvo basado en hierro de acuerdo con la
reivindicación 1, que comprende:
15-30% en peso de Cr,
0,5-5% en peso de Mo, y
1-2% en peso de C.
\vskip1.000000\baselineskip
4. Un polvo basado en hierro de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1-3, que incluye
carburos que tienen un tamaño medio de 8-30
\mum.
5. Un polvo basado en hierro de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1-4, que
comprende 20-40% en volumen de carburos.
6. Un polvo basado en hierro de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en que la
matriz no es inoxidable.
7. Un polvo basado en hierro de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en que el
polvo comprende 0-2% de Si.
8. Un polvo basado en hierro de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1-7, que tiene un
tamaño medio ponderal de partículas de 40-100
\mum.
9. Un polvo basado en hierro de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1-8, que consiste
en 20-25% p de Cr, 1-2% p de Mo,
1-2% p de W, 0,5-1,5% p de W,
0,2-1% p de Si, 1-2% p de C y el
resto Fe.
10. Un polvo basado en hierro de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1-8, que consiste
en 19-23% p de Cr, 1-2% p de Mo,
1,5-3,5% p de W, 0,5-1,5% p de V,
0,2-1% p de Si, 1-2% p de C y el
resto Fe.
11. Un polvo basado en hierro de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1-8, que consiste
en 20-25% p de Cr, 2-4% p de Mo,
1-2% p de C y el resto Fe.
12. Un método para producir un polvo basado en
hierro, que comprende:
someter una masa fundida basada en hierro, que
incluye 15-30% en peso de Cr, 0,5-5%
en peso de cada uno de al menos uno de Mo, W y V,
0,5-2%, preferentemente 0,7-2%, lo
más preferentemente 1-2% en peso de C, y el resto
hierro, opcionalmente otros elementos aleantes como wolframio hasta
3% en peso, vanadio hasta 3% en peso y silicio hasta 2% en peso e
impurezas inevitables, a una atomización con agua con el fin de
obtener partículas de polvo basadas en hierro, y
recocer las partículas de polvo a una
temperatura y durante un período de tiempo suficientes para obtener
una matriz que comprende menos de 10% de Cr y obtener carburos de
cromo que tienen un tamaño medio de 8-45
\mum.
\mum.
13. Un método de acuerdo con la reivindicación
12, en el que la masa fundida basada en hierro incluye
18-25% en peso de Cr.
14. Un método de acuerdo con la reivindicación
12, en el que la masa fundida basada en hierro incluye:
15-30% en peso de Cr,
0,5-5% en peso de Mo, y
1-2% en peso de C.
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