ES2435822T3 - Acero Hadfield con hafnio - Google Patents

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Abstract

Acero Hadfield que presenta la siguiente composición química: 0,90 al 1,35 % en peso de C, 11,00 al 14,00 % en peso de Mn, 0,80 % máximo en peso de Si, 0,07 % máximo en peso de P, 0,05 % máximo en peso de S y una cantidad de hafnio mayor o igual al 0,01 % y menor al 0,1 % en peso, siendo el resto hierro e impurezas asociadas al hierro y en la que los porcentajes se expresan en peso respecto al peso total del acero.

Description

Acero Hadfield con hafnio.
Campo técnico de la invención
La presente invencion se encuadra en el sector de la industria metalurgica y mas concretamente se refiere a acero Hadfield.
Antecedentes de la invención
Los denominados aceros Hadfield o aceros al manganeso, deben su denominacion a su inventor, el britanico Sir Robert Hadfield, en 1882 y se caracterizan, basicamente, por comprender una cantidad de manganeso habitualmente superior a un 11 % en peso, encontrandose asimismo ajustada la relacion entre el carbono y el manganeso, de forma que la relacion en peso de manganeso suele ser de un orden de once veces el peso de carbono. Habitualmente estos aceros comprenden un 0,8-1,25 % de carbono y un 11-15 % de manganeso en peso en su composicion basica.
Los aceros Hadfield presentan una elevada resistencia al impacto y a la abrasion.
El acero Hadfield alcanza sus propiedades maximas de dureza y ductilidad alrededor de valores de manganeso de un 12 % en peso.
Estos aceros son amagneticos y de baja conductividad presentando la particularidad, entre otras, de que su comportamiento a impacto mejora con el trabajo en frio. En este sentido, estos aceros incrementan su dureza hasta tres veces la inicial despues de trabajar a impacto lo que les confiere una especial utilidad para su uso en determinadas aplicaciones, como por ejemplo la fabricacion de cruzamientos de ferrocarril, de piezas de cantera o para plantas cementeras y en diversas aplicaciones en el ambito de la industria primaria, como en la mineria.
Los aceros al manganeso denominados aceros Hadfield, presentan una composicion quimica elemental, que segun las recomendaciones de la norma seguida habitualmente para su fabricacion, la norma estadounidense ASTM A 128, que tambien se encuentran recogidas en la norma europea prEN-15689-2007-ING, tienen la siguiente composicion quimica basica:
-
Carbono: 0,90 al 1,35 %
-
Manganeso: 11,00 al 14,00 %
-
Silicio: 0,8 % maximo
-
Fosforo: 0,07 % maximo
-
Azufre: 0,05 % maximo
La dureza de partida de este material es de 190 a 220 HB tras un tratamiento de hipertemple a 1050 DC, obteniendose, segun norma prEN-15689-2007-ING, una resistencia a traccion mayor, desde 700 hasta 800 MPa, un alargamiento entre 10 al 35 %, un limite elastico entre 320 hasta 400 MPa y una resiliencia entre 50 y 160 J.
Por regla general, el contenido en manganeso no suele ser inferior al 11,00 % y no deberia ser muy superior, dado que en estos casos, la resistencia al desgaste mejora pero la ductilidad se ve seriamente comprometida. Ademas, superando esta proporcion, se eleva el precio del material fabricado sin por ello mejorar sus caracteristicas mecanicas notablemente. Se reconoce que con una composicion del 1,20 % de C y 12,50 % de Mn se obtienen las propiedades adecuadas.
En la actualidad resulta conocida la existencia de aceros Hadfield que incorporan elementos de aleacion como V, Cr, Mo, Ti, Nb, N o Ce al objeto de mejorar alguna de sus propiedades. Sin embargo, la mejora de alguna de ellas se consigue en detrimento de alguna otra. Ademas, estos aceros Hadfield aleados suelen presentar tensiones residuales superiores a las de un acero Hadfield convencional debido a que las adiciones provocan cambios en la estructura cristalografica del acero.
Como se aprecia en la tabla 1, en general la adicion de elementos de aleacion supone una mejora de alguna de las propiedades mecanicas.
Tabla 1.- Propiedades mecanicas de diferentes aceros Hadfield ensayados segun norma prEN-15689-2007-ING.
Material
Resistencia a traccion (MPa) Limite Elastico (MPa) Alargamiento (%) Resiliencia (J) Dureza (HB)
Hadfield basico
700-800 320-400 10-35 50-160 190-220
Hadfield basico + adicion Mo,Ti
730-800 340-370 25-40 60-140 210-230
Hadfield basico+ adicion Nb,Ti
730-820 350-390 30-45 60-140 210-250
Hadfield basico + adicion V,Ti
740-830 350-390 30-45 70-160 210-260
Hadfield basico + adicion Ce
770-880 350-400 30-45 70-160 210-230
La microestructura y en particular el tamano de grano esta asociado a las propiedades mecanicas. Un tamano de 5 grano mas pequeno y homogeneo es indicador de mejores caracteristicas mecanicas.
La microestructura basica de acero Hadfield ASTM A128 grado A, se determina segun "Metals Handbook”.9th Edition. Volumen 9. Metalurgia y Microestructura en las paginas 240 y 241.
Con relacion a la microestructura basica la mostrada en la figura 1 presenta una disminucion del tamano de grano especialmente en las zonas de enfriamiento prioritarias. No obstante, este afino de grano no se manifiesta en toda la
10 microestructura de la pieza.
La homogeneidad del tamano de grano se relaciona con la mejora de las propiedades mecanicas. Por tanto seria deseable disponer de un acero Hadfield en el que todas sus propiedades mecanicas esten optimizadas y su microestructura sea austenitica y lo mas homogenea posible en tamano de grano.
En este sentido, una mejora del material en este aspecto abriria el abanico de aplicaciones del Hadfield reduciendo 15 por lo tanto sus limitaciones.
Se requiere por tanto mejorar el material Hadfield, ya que los requerimientos actuales son mas exigentes debido a que se solicitan mayores prestaciones de las piezas en aplicaciones industriales que anteriormente no se utilizaban,
o no se requerian.
Asimismo se conoce la patente japonesa n.D JP-57-203748-A, que describe una composicion correspondiente a un
20 acero Hadfield que incorpora Hf en su composicion, pero en unos porcentajes elevados (entre 0,1 y 2,5 % en peso de la composicion) que permiten, mediante aplicacion de una fuente de calor focalizada (laser, fuente de electrones, ultravioleta) conseguir zonas magnetizadas en el material, es decir, no esta relacionada con la mejora en las propiedades mecanicas del acero Hadfield.
Descripción de la invención
25 La presente invencion tiene por objeto conseguir un acero Hadfield mejorado que, presente mejores propiedades mecanicas que un acero Hadfield basico, sin detrimento de ninguna de ellas, permitiendo asi nuevas aplicaciones, como por ejemplo en el ambito de la industria del transporte, o de las aplicaciones electrico-magneticas.
Para ello, un primer aspecto de la invencion se refiere a un acero Hadfield que se basa en la adicion de hafnio como un elemento de aleacion, confiriendole al material resultante una distribucion de tamano de grano homogenea y por
30 lo tanto unas propiedades mecanicas mejoradas.
El acero Hadfield de la invencion presenta la siguiente composicion quimica:
0,90 al 1,35 % en peso de C,
11,00 al 14,00 % en peso de Mn,
0,80 % maximo en peso de Si,
0,07 % maximo en peso de P,
0,05 % maximo en peso de S y
5 una cantidad de hafnio mayor o igual al 0,01 % y menor al 0,1 % en peso, siendo el resto Fe e impurezas asociadas al hierro y donde los porcentajes estan expresados en peso respecto al peso total del acero.
Asimismo, la adicion de hafnio no afecta al estado tensional de la estructura cristalina del acero Hadfield basico, al contrario de lo que ocurre mediante las adiciones de otros elementos como V, Cr, Mo, Ti, Nb o Ce, en la misma proporcion. Esto se puede ver en la figura 3, en la que se han representado las tensiones residuales de distintos
10 aceros Hadfield.
Un segundo aspecto de la invencion se refiere a un procedimiento para obtener dicho acero Hadfield, que se realiza mediante metalurgia liquida seguida de un tratamiento termico para la disolucion de los carburos generados.
La adicion de hafnio se puede realizar directamente depositando este en los moldes, en la cuchara de colada, o en el chorro de la colada mientras se funde en el molde o bien por compresion del hafnio en pastillas que son alojadas 15 en el bebedero de la entrada del molde.
Descripción de las figuras
La figura 1 muestra un detalle de la microestructura de un acero Hadfield basico con cerio. La figura 2 muestra un detalle de la microestructura de un acero Hadfield basico con hafnio. La figura 3 muestra una grafica donde se han representado las tensiones residuales de distintos aceros Hadfield.
20 Realización preferente de la invención Un ejemplo de realizacion preferente del acero Hadfield de la invencion tiene la siguiente composicion en peso:
-
Carbono: 1,2 %
-
Silicio: 0,5 %
-
Manganeso: 12,5 % 25 - Azufre: <0,03 %
-
Fosforo: <0,05 %
-
Hafnio: 0,05 %
El acero Hadfield de la invencion presenta un conjunto de propiedades mecanicas mejoradas en relacion a las indicadas en la tabla 1 para un acero Hadfield convencional. Estas propiedades mecanicas se muestran en el tabla
30 2.
Tabla 2.- Propiedades mecanicas del acero Hadfield de acuerdo con un ejemplo de la invencion segun norma prEN15689-2007-ING.
Material
Resistencia traccion (MPa) Limite Elastico (MPa) Alargamiento (%) Resiliencia (J) Dureza (HB)
Hadfield basico + adicion Hf
950 390 49 160 220
El acero Hadfield con hafnio de la invencion presenta una buena combinacion entre la resistencia y la ductilidad, es 35 muy tenaz y ademas presenta un alargamiento extraordinario del 49 %.
La microestructura de la aleacion del acero Hadfield con hafnio, tal y como se puede apreciar en la figura 2, presenta una estructura austenitica con juntas de grano levemente marcadas, lo que indica una buena disolucion de los carburos y un tamano de grano homogeneo, de grado 5/6 segun normas UNE-EN ISO 643 y ASTM E-112, homogeneamente distribuido en toda la pieza.
En comparacion con la microestructura del acero Hadfield aleado con cerio, mostrada en la figura 1, el acero Hadfield de la invencion presenta una distribucion de tamano de grano mas homogenea en toda la pieza.
La figura 3 muestra las tensiones residuales, medidas por difractometria de rayos �, de los diferentes aceros
5 Hadfield aleados descritos anteriormente, tanto para el ejemplo de acuerdo con la invencion, como los aceros Hadfield aleados descritos en la tabla 1. Los valores obtenidos para el acero de esta invencion son muy similares a los obtenidos por el acero Hadfield basico e inferiores a los descritos anteriormente. Las distintas tensiones quedan representadas por la pendiente de la recta que representa cada acero.
De acuerdo con una realizacion preferente, el hafnio (Hf) se adiciona en forma de polvo de tamano de grano
10 60+325 de malla en el molde. En una realizacion preferente para una pieza de 1 �g se adicionan 5 gramos de hafnio, es decir, un 0,05 % en peso de Hf.
Se ayuda a la disolucion de las microparticulas de hafnio en la colada basica. Dicha disolucion se ve favorecida por la agitacion de la colada basica mediante algun elemento mecanico. El objetivo de dicha agitacion es conseguir una total �mojabilidad� del material de aleacion asi como una distribucion homogenea del mismo en el seno del caldo
15 liquido.
Finalmente, al material obtenido segun el procedimiento anteriormente descrito, se le aplica un proceso de tratamiento termico ajustado para disolver los carburos en el contorno del grano. Dicho tratamiento termico comprende, una vez enfriada una pieza, tras ser colada, introducir dicha pieza en el horno de tratamiento a temperatura ambiente y llegar gradualmente hasta una temperatura aproximada de 1100 DC donde se mantiene
20 durante 1 hora y media por cada 25 mm de espesor de la pieza que se desea tratar. Una vez pasado este tiempo, se enfria rapidamente, en menos de 60 segundos, introduciendola en agua a menos de 30 DC.

Claims (3)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Acero Hadfield que presenta la siguiente composicion quimica:
    0,90 al 1,35 % en peso de C,
    11,00 al 14,00 % en peso de Mn,
    5 0,80 % maximo en peso de Si,
    0,07 % maximo en peso de P,
    0,05 % maximo en peso de S y
    una cantidad de hafnio mayor o igual al 0,01 % y menor al 0,1 % en peso, siendo el resto hierro e impurezas asociadas al hierro y en la que los porcentajes se expresan en peso respecto al peso total del acero.
    10 2.- Acero Hadfield, segun la reivindicacion 1, en el que la cantidad de hafnio es del 0,05 % en peso.
  2. 3.-Acero Hadfield segun reivindicaciones 1 o 2, que presenta una estructura austenitica con un tamano de grano homogeneo, de grado 5/6 segun normas UNE-EN ISO 643 y ASTM E-112, homogeneamente distribuido en toda la pieza.
  3. 4.- Procedimiento para obtener un acero Hadfield de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3,
    15 caracterizado porque se realiza mediante metalurgia liquida, en la que se adiciona el hafnio, seguido de un tratamiento termico para la disolucion de los carburos generados en el contorno del grano, en el que dicho tratamiento termico comprende, una vez enfriada una pieza tras ser colada, introducirla en un horno de tratamiento a temperatura ambiente y llegar gradualmente hasta una temperatura aproximada de 1100 DC, manteniendola en dicha temperatura durante 1 hora y media por cada 25 mm de espesor de la pieza a tratar, para a continuacion, una vez
    20 pasado dicho tiempo, enfriarla rapidamente, en menos de 60 segundos, introduciendo la pieza en agua a menos de 30 DC.
    FIG. 1
    FIG. 2 FIG. 3
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