ES2554608T3 - Métodos para procesar termomecánicamente acero para herramientas y herramientas hechas a partir de aceros para herramientas procesados termomecánicamente - Google Patents

Abstract

Un método para procesar termomecánicamente una preforma compuesta de acero para herramientas, que tiene una temperatura de inicio martensítica y una temperatura austenítica estable, teniendo la preforma una primera región (30, 62) que contiene austenita, incluyendo la primera región (30, 62) una superficie exterior y una pluralidad de dimensiones exteriores de la superficie exterior y una segunda región (32) separada de la superficie exterior por la primera región (30, 62), comprendiendo el método: establecer al menos la primera región (30, 62) de la preforma de acero para herramientas a una temperatura de proceso entre la temperatura de inicio martensítica y la temperatura austenítica estable tal que la microestructura contiene austenita; mientras la primera región (30, 62) de la preforma está en la temperatura de proceso, deformar la primera región (30, 62) para cambiar al menos una de las dimensiones exteriores de la región y para modificar la microestructura de la región en una profundidad que se extiende desde la superficie exterior hasta una profundidad de 1 milímetro o más por debajo de la superficie exterior; y después de que la primera región (30, 62) se deforme, enfriar la primera región (30, 62) a la temperatura ambiente, evitando la formación de fase de bainita, donde la microestructura en la primera región (30, 62) incluye granos martensíticos que tienen una distribución de ángulos de desorientación, caracterizado por un ángulo de desorientación medio entre granos adyacentes que es mayor que aproximadamente 34º.

Description

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DESCRIPCION

Metodos para procesar termomecanicamente acero para herramientas y herramientas hechas a partir de aceros para herramientas procesados termomecanicamente

Antecedentes

La invencion se refiere al procesamiento termomecanico de acero para herramientas, metodos para formar herramientas usando acero para herramientas procesado termomecanicamente, y herramientas usadas en aplicaciones de formacion de metal y corte de metal.

Entre los varios grados de aceros al carbon y de aleacion comercialmente disponibles, los grados de acero para herramientas sufren severos esfuerzos, impacto y/o desgaste. Los aceros para herramientas generalmente se caracterizan por una dureza distintiva, resistencia a la abrasion, una capacidad para sostener un borde de corte, y una resistencia a la deformacion a temperaturas elevadas. Consecuentemente, el acero para herramientas encuentra un amplio uso en aplicaciones de formacion de metal y corte de metal, equipo y calibradores de inspeccion, y componentes de desgaste/impacto en maquinas herramienta.

Varios tipos de herramientas se usan en aplicaciones de formacion de metal y corte de metal, tales como mecanizado, puncion, acunamiento, estiramiento, compactacion de polvo, grabado con metal, estampado con agujas y similares. En particular, los troqueles y matrices representan tipos de herramientas formadoras de metal usadas en puncion, perforacion y formacion de piezas de trabajo metalicas y no metalicas. Las herramientas de corte e insertos representan tipos de herramientas de corte de metal usadas en aplicaciones de mecanizado para configurar piezas de trabajo metalicas y no metalicas. Calibradores de tapon, calibradores de rosca, calibradores de tubo, calibradores de anillo y discos de fijacion representan tipos de herramientas usadas en aplicaciones de inspeccion. Las correderas y retenedores de maquinas representan tipos de componentes de desgaste e impacto usados en maquinas herramienta.

Los troqueles y las matrices son sometidos a carga severa y repetida durante su vida de operacion. En particular, los troqueles tienden a fallar durante el uso a partir de rompimiento catastrofico inducido por esfuerzos significativos experimentados durante su uso. Las demandas sobre herramientas formadoras de metal se vuelven mas severas con la introduccion de piezas de trabajo construidas a partir de aceros que tienen relaciones de resistencia y peso superiores, tales como aceros de resistencia ultra-alta (UHSS), aceros de resistencia alta avanzados (AHSS), aceros de plasticidad inducida por transformacion (TRIP), aceros de plasticidad inducida por acoplamiento (TWIP), nano- aceros y aceros martensfticos (MART). Por ejemplo, la industria de los automoviles esta migrando hacia el uso mas frecuente de estos tipos de aceros de alta resistencia y peso bajo para estructuras de carrocenas de vehfculos.

El documento US 3903761 divulga una broca de accionamiento que tiene una seccion transversal “en forma de pera” y una estructura de grano que se conforma a la configuracion externa de la broca. La broca de accionamiento esta formada inicialmente mediante forjado en caliente en una prensa de impacto; se precalienta en una atmosfera neutra a una temperatura predeterminada, se endurece en un horno de endurecimiento a una temperatura espedfica, se enfna en un aceite caliente de circulacion, se templa a otra temperatura espedfica, y a continuacion se granalla.

En un aspecto, se proporciona un metodo de procesamiento de manera termomecanica de una preforma compuesta de acero para herramientas segun la reivindicacion 1.

En otra realizacion, se proporciona una herramienta para su uso en una maquina para modificar una pieza de trabajo segun la reivindicacion 10.

Breve descripcion de los dibujos

Los dibujos adjuntos, que se incorporan en y constituyen una parte de esta memoria, ilustran realizaciones de la invencion que, junto con la breve descripcion dada anteriormente y una descripcion detallada de las realizaciones que se da a continuacion, sirven para explicar los principios de las realizaciones de la invencion.

La figura 1 es una representacion grafica de relaciones de tiempo-temperatura ilustrativas para el procesamiento termomecanico de acero para herramientas M2 AISI de acuerdo con realizaciones de la invencion.

La figura 1A es una representacion grafica de otras relaciones de tiempo-temperatura ilustrativas para el procesamiento termomecanico de acero para herramientas de acuerdo con realizaciones de la invencion.

La figura 2A es una vista en alzado lateral de una herramienta y una vista en seccion transversal de una matriz correspondiente de acuerdo con una realizacion representativa de la invencion.

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La figura 2B ilustra una vista en seccion transversal agrandada de la herramienta y la matriz de la figura 2A.

Las figuras 3A y 3B son vistas en perspectiva de una realizacion de una preforma que comprende una carcasa y un nucleo antes y despues de la deformacion, respectivamente.

La figura 3C es una vista en perspectiva de una realizacion de una herramienta hecha a partir de la preforma deformada de la figura 3C.

Las figuras 4A, 4B y 4C son representaciones graficas de mediciones de las fases presentes, una distribucion de angulos de desorientacion de los granos y una figura de polos, respectivamente, de una realizacion ilustrativa de la presente invencion hecha de acero para herramientas M2.

Las figuras 5A, 5B y 5C son representaciones graficas de mediciones de las fases presentes, una distribucion de angulos de desorientacion de los granos y una figura de polos, respectivamente, de otra realizacion ilustrativa de la presente invencion hecha de acero para herramientas M2.

Las figuras 6A, 6B y 6C son representaciones graficas de las fases presentes, una distribucion de angulos de desorientacion de los granos, y una figura de polos, respectivamente, de una barra de acero para herramientas M2 tratada de acuerdo con la tecnica anterior.

La figura 7 es una vista en perspectiva que ilustra una configuracion de preforma ilustrativa para el procesamiento termomecanico de un acero para herramientas de acuerdo con una realizacion de la invencion.

La figura 8A es una vista en planta de la preforma ilustrativa de la figura 7 antes del procesamiento, de acuerdo con una realizacion de la invencion.

La figura 8B es una vista en seccion transversal parcial de la preforma ilustrativa de la figura 8A despues de la deformacion y tomada a lo largo de la lmea de seccion 8B-8B de la figura 7.

La figura 9 es una representacion en seccion transversal esquematica de una matriz ilustrativa y una corredera para el procesamiento termomecanico de las configuraciones de la preforma ilustradas en las figuras 4 y 5A.

La figura 10A es una fotomicrograffa tomada a una amplificacion de 13X de una seccion transversal tomada a traves de una seccion de forma oblonga de la figura 8B de una preforma configurada como se muestra en la figura 8B.

La figura 10B es una representacion esquematica de la fotomicrograffa de la figura 10A, que ilustra la orientacion de granos preferencial trazada como lmeas curvas.

Las figuras 11A y 11B son vistas en perspectiva que ilustran una configuracion de una preforma antes de la deformacion y despues de la deformacion y del mecanizado, respectivamente.

La figura 11C es una vistaen perspectiva de un conjunto de herramientas hechas a partir de la preforma mostrada en la figura 11B en una posicion operable, una con respecto a otra, para proporcionar un movimiento de esfuerzo cortante o de corte para cortar laminas de material de acero.

Las figuras 12A, 13A, 14A y 15A son vistas graficas que ilustran una comparacion de medidas de desgaste de un perfil de un borde de corte de herramientas ilustrativas de la presente invencion y el borde de corte de una herramienta hecha de un material de referencia, cada una teniendo la configuracion ilustrada en la figura 11C.

Las figuras 12B, 13B, 14B, y 15B son vistas en planta de las herramientas de la figura 11C que ilustran las ubicaciones de medicion para los perfiles de desgaste provistos en las graficas de las figuras 12A, 13A, 14A, y 15A, respectivamente.

La figura 16A es una fotomicrograffa tomada de una seccion transversal de una amplificacion de 17X de una region mostrada en la figura 11B que abarca un borde de corte de una herramienta que ilustra la orientacion de granos preferencial en un area que abarca el borde de corte.

La figura 16B es una representacion esquematica de una fotomicrograffa de la figura 16A con lmeas de granos trazadas para ilustrar la orientacion preferida.

Descripcion detallada de la invencion

De acuerdo con una realizacion de la invencion, un metodo para hacer una herramienta incluye fabricar una preforma a partir de acero para herramientas, donde al menos una region de la preforma se procesa termomecanicamente. La region de la preforma ffpicamente incluye un volumen sustancial de acero para

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herramienta o una porcion volumetrica de la preforma. Para una geometna de preforma cilmdrica, por ejemplo, la region termomecanicamente procesada que es procesada con un procedimiento de forjado radial o forjado de esfuerzo plano puede incorporar un 60 % exterior del volumen con un volumen interior de la porcion restante de acero para herramientas no se ven afectadas relativamente por el procedimiento. Por lo tanto, para una geometna de preforma, el volumen de la region puede abarcar al menos un volumen exterior de una seccion transversal de la preforma. La region se puede extender al menos parcialmente a traves o completamente a traves del area de seccion transversal. Por lo tanto, en esta realizacion, el volumen exterior o region modificada se extiende desde una superficie exterior de la region a una profundidad mayor que al menos 0,039 pulgadas (1 mm), aunque las dimensiones del volumen pueden ser tales que la profundidad se pueda extender mas profundamente en la preforma. Sin embargo, la profundidad de la region no necesita ser uniforme, mas bien una profundidad en una porcion de la region puede ser menor de 0,039 pulgadas (1 mm), pero una profundidad en otra porcion se extiende a mas de 0,039 pulgadas (1 mm).

Aunque la region verificada se describio anteriormente como un volumen exterior en la forma de una capa alrededor de un volumen interior, la region modificada puede ser una region de forma irregular. Este puede ser el caso, por ejemplo, donde la superficie exterior de la preforma tiene una forma geometrica antes de deformarse, pero despues es deforma cambiando al menos una de las dimensiones externas de la region para formar un objeto con una forma diferente. Por ejemplo, la deformacion puede incluir un cambio en una o mas del area de seccion transversal u otra dimension externa que puede incrementar o disminuir una longitud de la region. Un experto en la tecnica observara que el volumen del material procesado puede depender de muchos otros factores incluyendo, pero sin limitarse, el tamano y la forma de la preforma, asf como la capacidad y el tipo del equipo de deformacion. Generalmente, a medida que la capacidad de carga del equipo de forjado se incrementa y el tamano de la preforma disminuye, la region deformada puede incorporar una porcion mayor, si no es que toda, de la preforma. Por lo tanto, a diferencia de las operaciones de tratamiento de superficie, tales como forjado en fno y similares, las realizaciones de la presente invencion no se limitan a formar capas de superficie delgadas que sean contrafdas para seguir el contorno previamente establecido de la parte. Ademas, las realizaciones de la presente invencion deforman una porcion mayor del acero para herramientas y, en algunas realizaciones, determinan el contorno de la preforma o las dimensiones de la superficie exterior. A ese respecto, las regiones de la preforma se pueden medir a traves del espesor de la masa de la preforma o herramienta y la forma de la preforma puede no estar relacionada con la forma final de la herramienta.

Ademas de influir en el volumen del acero para herramientas procesado, la geometna o forma de la preforma antes del procesamiento termomecanico puede influir en la microestructura final. Por ejemplo, la forma de la preforma puede influir en o determinar la orientacion de los granos, asf como las caractensticas de la microestructura en la region termomecanicamente procesada. Un experto en la tecnica apreciara que la preforma de acero para herramientas puede ser uno de una pluralidad de configuraciones que tienen cualquier numero de formas en seccion transversal, tal como tales como material de abastecimiento de barras que tiene una seccion transversal circular, rectangular o poligonal, o material de abastecimiento que tiene una forma y una seccion transversal mas complejas. La determinacion de la geometna de la preforma se puede desarrollar con base en la experiencia historica, requerimientos de la herramienta y/o limitaciones de procesamiento. Por ejemplo, la geometna de la preforma se puede seleccionar con base al tipo de procesamiento utilizado y a la geometna final objetivo de la herramienta.

Aunque la temperatura de la region se mantiene en los intervalos de temperatura descritos mas delante de acuerdo con diferentes realizaciones de la invencion, la region es sometida a deformacion. En realizaciones de la invencion, la cantidad de deformacion es suficiente para mejorar las propiedades mecanicas de la region deformada. La cantidad de deformacion puede ser cuantificada por el calculo de una relacion de reduccion, que se define como la reduccion relativa en area de seccion transversal debido al procesamiento termomecanico. La mejora en las propiedades de la region se piensa que es proporcional a la cantidad de deformacion. A modo de ejemplo y no de limitacion, una relacion de reduccion de tan poco como del 20 % puede dar como resultado una mejora medible en las propiedades mecanicas de la region. La cantidad de deformacion que da una mejora medible en las propiedades mecanicas se cree que esta limitada unicamente por la recristalizacion dinamica del acero para herramientas. En otras palabras, la cantidad de deformacion se puede mantener por debajo de un umbral efectivo para hacer que la microestructura deformada se recristalice. Si se recristaliza, se puede observar una disminucion medible en las propiedades mecanicas comparadas con una microestructura no recristalizada. La disminucion en las propiedades mecanicas espedficas puede ser al menos de aproximadamente un 20 %. Sin embargo, aunque se pueda observar una disminucion, las propiedades mecanicas pueden mejorarse en comparacion con una herramienta preparada mediante el tratamiento con calor del acero para herramientas por encima de intervalos de temperatura especificados, como se describira con mas detalle mas adelante. Un experto en la tecnica apreciara que, ademas de la cantidad de deformacion, la recristalizacion dinamica es contingente sobre la composicion del acero para herramientas y la temperatura a la cual se produce la deformacion.

Como se expuso anteriormente, el procesamiento termomecanico incluye la deformacion plastica de la preforma de acero para herramientas, mientras la preforma de acero para herramientas se mantiene a una temperatura elevada. Los procedimientos adecuados capaces de deformar plasticamente la preforma incluyen, pero no se limitan a, procedimientos de forjado tales como forjado radial, laminado de anillo, forjado giratorio, estampado, tixoformacion,

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ausformacion y recalcado en tibio/caliente, aunque otros procedimientos de deformacion adecuados se pueden usar. Por ejemplo, las tecnicas tambien pueden incluir aquellas donde la direccion de deformacion de principio no es sustancialmente perpendicular a un eje longitudinal de la preforma. Como se menciono anteriormente, otras tecnicas, tales como forjado en frto, aunque a una temperature elevada, crean una deformacion muy poco profunda y, por lo tanto, son excluidas, ya que se requiere una deformacion plastica mas profunda para proporcionar la mejora requerida en las propiedades mecanicas.

Uno de dichos procedimientos es el forjado de deformacion plana que produce deformacion plastica principalmente radial y circunferencial de la preforma de acero para herramientas. Por lo tanto, el forjado de deformacion plana puede limitar el alargamiento del grano en una direccion que es perpendicular a la carga aplicada. La preforma puede presentar una distribucion sustancialmente uniforme de propiedades mecanicas a lo largo de su longitud y alrededor de su periferia como resultado. Por consiguiente, en una realizacion, el forjado de deformacion plana incluye procedimientos de deformacion plastica que producen poco alargamiento de grano, si acaso, en una direccion particular. Sin embargo, cualquier combinacion de los procedimientos antes mencionados capaces de deformar plasticamente la preforma se pueden usar cuando se procesa termomecanicamente la preforma de acero para herramientas.

En otra realizacion adicional, una herramienta existente puede servir como la preforma. Por ejemplo, ademas de una herramienta no usada, la herramienta existente puede incluir una herramienta usada, una herramienta danada o una herramienta rota. La herramienta existente es procesada termomecanicamente, como se describe en el presente documento, para volver a fabricar o procesar la herramienta para restaurar su utilidad.

Como se proporciono anteriormente, el procesamiento termomecanico incluye la deformacion plastica de una region de la preforma mientras la region es mantenida a una temperatura de procesamiento elevada. La temperatura de la preforma durante la deformacion puede estabilizarse enfriando la preforma desde temperaturas mas altas. Dicho procedimiento puede incluir, a modo de ejemplo unicamente, colar un lingote o preforma de acero para herramientas a partir de materiales de partida fundidos, enfriar la preforma colada a una temperatura de procesamiento mas baja y deformarla a la temperatura de procesamiento. Alternativamente, la preforma se puede llevar a la temperatura de procesamiento a la cual tiene lugar la deformacion calentando la preforma desde una temperatura en o cerca de la temperatura ambiente, como se describe con mas detalle mas adelante.

En particular, y con referencia a la figura 1, la preforma se deforma a una temperatura de procesamiento que esta por encima de una temperatura de inicio de la transformacion martensftica (MS) del acero para herramientas (una temperatura de inicio martensftica) pero por debajo de una temperatura austenftica estable (AC3) del acero para herramientas cuando la preforma contiene austenita. MS es la temperatura a la cual se inicia la transformacion de austenita a martensita durante el enfriamiento, y AC3 es la temperatura a la cual la transformacion de ferrita a austenita se completa durante el calentamiento.

Ademas, como es evidente en la figura 1, la temperatura de inicio austenftica (AC1) representa la temperatura a la cual empieza a formarse la austenita durante el calentamiento. Un experto en la tecnica apreciara que Ms, AC1 y AC3, son cada una dependientes de la composicion particular del acero para herramientas. Por consiguiente, cualquier caso expuesto en el presente documento, donde Ms, AC1 o AC3 se referencian junto con una temperatura espedfica no se pretende que restrinja las definiciones de la misma a esa temperatura particular.

En vista de las temperaturas definidas anteriormente y de acuerdo con una realizacion, cuando la preforma de acero para herramientas esta a una temperatura entre Ms y AC3 y cuando la region contiene austenita (por ejemplo, austenita metastable), toda o una porcion de la preforma de acero para herramientas es procesada, es decir, la preforma de acero para herramientas es plasticamente deformada o forjada. Como consecuencia, la region deformada de la preforma de acero para herramientas tiene ciertas propiedades mecanicas mejoradas que se describen mas adelante. Por ejemplo, la mejora en la resistencia al impacto o firmeza de la region deformada puede ser al menos aproximadamente un 20 % mas grande, y en un ejemplo adicional, puede ser al menos un 50 % mas grande que la deformacion de la preforma por encima de AC3 cuando la microestructura es predominantemente austenita estable.

Como se introdujo anteriormente, en una realizacion, el metodo incluye calentar la preforma de acero para herramientas en un intervalo de temperatura de tal manera que al menos una porcion de la preforma contenga austenita. Un experto en la tecnica observara que se pueden utilizar muchos perfiles de temperatura diferentes para llevar la preforma de acero para herramientas a intervalos de temperatura dentro de los mencionados anteriormente antes de la deformacion. A modo de ejemplo unicamente, y con referencia a la figura 1, la preforma de acero para herramientas puede calentarse desde una temperatura por debajo de Ms a una temperatura de procesamiento (marcada con el numero 10) por encima de AC1. En este ejemplo, la temperatura es de aproximadamente 1530°F (aproximadamente 832°C) y AC3 es de aproximadamente 2250°F (aproximadamente 1232°C). La preforma de acero para herramientas entonces puede deformarse mientras se mantiene a una temperatura de procesamiento entre AC, y AC3.

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Otro perfil de temperatura puede incluir calentar la preforma de acero desde una temperatura por debajo de Ms a una temperatura entre AC1 y AC3 y despues enfriar la preforma de acero para herramientas a una temperatura de procesamiento por encima de Ms (marcado con el numero 11) antes de deformarla. En otra realizacion adicional, mostrada en la figura 1A, el perfil de temperatura puede incluir calentar la preforma de acero para herramientas a por encima de AC3 y despues enfriar la preforma de acero para herramientas a una temperatura de procesamiento (marcada con el numero 12) entre AC1 y AC3 o a una temperatura de procesamiento (marcada con el numero 13) entre Ms y AC1 antes de deformarla.

La temperatura de procesamiento durante la deformacion puede incrementar, disminuir o permanecer sustancialmente igual, aunque las figuras 1 y 1A, las temperaturas (por ejemplo, en 10, 11, 12 y 13) a las cuales tiene lugar la deformacion se ilustran como lmeas horizontales. Aunque una lmea horizontal puede representar una condicion isotermica, un experto en la tecnica apreciara que se produce alguna variacion en la temperatura de procesamiento real. Por ejemplo, la temperatura de procesamiento de la preforma de acero para herramientas puede variar en ±50°F (±28°C) durante la deformacion. El control de la temperatura para mantener la region a una condicion sustancialmente isotermica puede incluir la adicion o retirada intencional de calor mediante un sistema de control de retroalimentacion de temperatura de nucleo cerrado.

Sin embargo, un incremento o disminucion de temperatura puede producirse durante la deformacion. El incremento o disminucion de temperatura puede ser intencional o un resultado de no controlar la temperatura durante la deformacion. Por ejemplo, en algunas realizaciones, la temperatura de la preforma puede incrementarse tanto como 150°F (83°C) debido a la velocidad a la cual la energfa se anade a la preforma mediante la deformacion. La energfa adicional es transformada en calor y, si no se compensa mediante disipacion o retirada de calor, entonces eleva la temperatura de la region. Por lo tanto, la temperatura de procesamiento puede incrementar o disminuir de tal manera que la temperatura de la region puede iniciarse a una temperatura por encima de AC1 pero terminar a una temperatura por abajo de AC1, o iniciar a una temperatura por abajo de AC1, y terminar a una temperatura por encima de AC1. En otras realizaciones, la region puede enfriarse intencionalmente para reducir la temperatura de la region mientras se esta produciendo la deformacion. Sin embargo, cabe notar que si la temperatura de la preforma cambia sustancialmente durante el proceso de deformacion, la recristalizacion dinamica de granos puede reducir la resistencia al impacto y la firmeza de la region. Por lo tanto, un proceso isotermico, es decir, manteniendo la temperatura de proceso real de la preforma de acero para herramientas sustancialmente constante durante la deformacion puede aumentar al maximo la resistencia, la firmeza y otras propiedades mecanicas de la region, como se describe mas adelante.

Con referencia continua a las figuras 1 y 1A, aunque una variedad de procedimientos de calentamiento y enfriamiento se pueden utilizar, la temperatura de procesamiento y el tiempo de procesamiento se controlan para evitar una punta de carburo 14 o una punta de bainita 16. Un experto en la tecnica apreciara que a temperaturas por debajo de AC1, el acero para herramientas puede precipitar carburo o bainita si la region es mantenida demasiado tiempo a temperaturas en estos intervalos. A modo de ejemplo, una preforma de acero para herramientas M2 AISI puede deformarse durante un periodo de al menos 2 minutos sin formacion sustancial de fase de carburo o bainita. Sin embargo, la cantidad de tiempo que la preforma puede mantenerse a temperaturas de este intervalo depende al menos de la composicion del acero para herramientas y de la temperatura, asf como de otros factores.

Despues del procesamiento termomecanico, la preforma es enfriada a una temperatura mas baja. El enfriamiento o enfriamiento se puede lograr mediante conversion de aire forzado o manteniendo la region a temperaturas intermedias antes de enfriar la preforma a temperatura ambiente. Un experto en la tecnica apreciara que el enfriamiento puede incluir otros metodos o medios de enfriamiento, incluyendo, por ejemplo enfriamiento con agua o con aceite. A modo de ejemplo adicional, la region puede someterse a tratamiento criogenico, donde la region es enfriada en una o mas etapas a temperaturas de entre aproximadamente -150°F (aproximadamente -101°C) y aproximadamente -300°F (aproximadamente -184°C) para convertir un porcentaje mayor de la austenita o martensita retenida. El tratamiento criogenico se puede lograr con nitrogeno lfquido, por ejemplo, y se puede usar principalmente con aceros para herramientas A2 y D2, aunque otros aceros para herramientas que contienen porcentajes sustanciales de austenita retenida pueden beneficiarse de este tipo de tratamiento. La velocidad de enfriamiento es mayor que la velocidad cntica de enfriamiento del acero para herramientas, es decir, la velocidad minima de enfriamiento continuo para evitar transformaciones no deseables, tales como la punta de carburo 14 y la punta de bainita 16. Por consiguiente, la velocidad de enfriamiento es suficiente para evitar una transformacion sustancial de austenita metaestable en productos de descomposicion no deseados, tales como carburo o bainita. Velocidades de enfriamiento mas rapidas tambien pueden ser utilizadas, aunque velocidades de enfriamiento mas rapidas se limitan a aquellas que no producen choque termico en la region o distorsionan de otra manera la preforma de acero para herramientas.

Ademas, en una realizacion, el enfriamiento es seguido por uno o mas procedimientos de templado. Por ejemplo, el templado puede incluir calentar la region a una temperatura entre aproximadamente 850°F (aproximadamente 454°C) y aproximadamente 1000°F (aproximadamente 537°C) durante entre aproximadamente 45 minutos y aproximadamente 60 minutos. El templado modifica la microestructura al convertir la austenita retenida en martensita. Como se conoce en la tecnica, se pueden usar ciclos de templado multiples para convertir la austenita

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retenida. Un experto en la tecnica entendera que el templado puede incluir calentar a una temperatura mas alta o mas baja durante periodos mas cortos o mas largos dependiendo de la composicion del acero para herramientas, la geometna y el tamano de la preforma, la cantidad de austenita retenida tolerada y el numero de tratamientos de templado usados. De acuerdo con una realizacion, despues del enfriamiento, la region no es tratada con calor en o por encima de AC3 antes del templado. Ademas, la region puede no ser calentada por encima de cualquier temperatura que la region experimente durante la deformacion. En otras palabras, la preforma puede ser recalentada, sin embargo, la temperatura durante cualquier recalentamiento posterior no reduce sustancialmente o altera la deformacion o acumulacion por dislocacion como resultado de deformar la austenita en la region a temperaturas entre la temperatura austemtica y la temperatura de inicio martensftico.

En otra realizacion, el metodo ademas incluye acabar la preforma de acero para herramientas en una herramienta despues del procedimiento de deformacion termomecanico. El acabado puede incluir un procedimiento de retirada de material para producir una forma predeterminada final y/o acabado de superficie. Por ejemplo, los procedimientos de acabado convencionales pueden incluir mecanizado, esmerilado, lijado/pulimentado, o una combinacion de los mismos para preparar la herramienta para su uso. Sin embargo, el acabado puede requerir solo una pequena cantidad de retirada de material para formar la preforma en la herramienta. Por ejemplo, la deformacion puede incluir un procedimiento de forjado cercano a la forma neta, de tal manera que, despues de la deformacion, se requiere un procesamiento posterior menor, si lo hay, de la preforma para hacer la herramienta.

Uno o mas procedimientos secundarios pueden seguir al enfriamiento o acabado de la herramienta. Procedimientos secundarios incluyen la formacion de un revestimiento sobre la herramienta o una modificacion adicional de la superficie de la herramienta de alguna manera. Los procedimientos secundarios ilustrativos incluyen aspersion termica o revestimiento de la region deformada de la herramienta o la herramienta entera con material resistente al desgaste. Otros procedimientos secundarios incluyen aplicar un revestimiento sobre la superficie de trabajo de la herramienta mediante una tecnica de revestimiento que incluye, pero no se limita a, deposicion de vapor ffsica (PVD), deposicion de vapor qrnmica (CVD) o revestimientos de bano de sal. Otras tecnicas de modificacion de la superficie incluyen implantacion de iones, tecnicas de endurecimiento con laser o plasma, nitruracion o carburizacion, que se pueden usar para modificar una capa de superficie en la superficie de trabajo de la herramienta. Se apreciara que varios procesos secundarios diferentes se pueden usar en cualquier combinacion para modificar adicionalmente la herramienta.

Como se expuso anteriormente, la preforma esta compuesta de un acero para herramientas. Los aceros para herramientas representan una clase de aceros a partir de los cuales estan hechas las herramientas usadas para cortar, formar o configurar de otra manera otro material. El acero para herramientas puede presentar endurecimiento con tratamiento con calor o puede templarse para lograr propiedades mecanicas deseadas. Por ejemplo, la preforma se puede fabricar a partir de varias clasificaciones diferentes de aceros para herramientas como materiales de grado de acero para herramientas de trabajo fno, trabajo caliente, de alta velocidad, o grados de acero para herramientas de propiedad. En particular, los aceros para herramientas son sistemas de aleacion de hierro-carbon (Fe-C) con un contenido de carbon dentro de un intervalo de aproximadamente del 0,35 % en peso a aproximadamente el 1,50 % en peso, y en un ejemplo adicional, dentro de un intervalo de aproximadamente el 0,85 % en peso a aproximadamente el 1,30 % en peso, con otros contenidos de carbon contemplados dependiendo de las fases de carburo deseadas, si las hay.

El acero para herramientas a menudo contiene adiciones de elementos formadores de carburo, tales como vanadio (V), tungsteno (W), cromo (Cr), molibdeno (Mo) o combinaciones de los mismos. Dependiendo de las adiciones de aleacion, una o mas fases de carburo, como M6C, M2C, M23C6, M7C3 o M4C se pueden precipitar, aunque otros tipos de carburos de aceros para herramientas no contienen adiciones intencionales de mquel (Ni). El mquel es un estabilizador de fase austemtica conocido. Los aceros para herramientas, sin embargo, pueden contener cantidades de traza (0,3 % en peso maximo) de este elemento.

La tabla 1 muestra la composicion nominal en porcentaje en peso de aceros para herramientas ilustrativos (el resto del acero para herramientas siendo hierro (Fe)) que se pueden usar para fabricar una herramienta de acuerdo con realizaciones de la invencion. A modo de ejemplo, la AC3 de los aceros para herramienta en el cuadro 1 cae en el intervalo de entre aproximadamente 2100°F (aproximadamente 1149°C) y aproximadamente 2400°F (aproximadamente 1316°C), las temperaturas de AC1 caen en el intervalo de entre aproximadamente 1380°F (aproximadamente 749°C) y aproximadamente 1680°C (aproximadamente 915,6°C), y Ms cae en el intervalo de aproximadamente 320°C (160°C) y aproximadamente 480°F (aproximadamente 249°C).

Tabla 1

AISI

DIN JIS UNS C Cr V W Mo Co

A2

1.2363 G4404 SKD12 T30102 1,00 5,00 - 1,00 -

D2

1.2201 G4404 SKD11 T30402 1,50 12.00 1,00 - 1,00 -

H-13

1.2344 G4404 SKD61 T20813 0,35 5,00 1,00 - 1,50 -

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DIN JIS UNS C Cr V W Mo Co

M2

1.3341 G4403 SKH1 T11302 0,85~1,00 4,00 2,00 6,00 5,00 -

M4

- G4403 SKH54 T11304 1,30 4,00 4,00 5,50 4,50 -

S7

- - T41907 0,50 3,25 0,25 - 1,50 -

T15

- G4403 SKH10 T12105 1,57 4,00 5,00 12,25 - 5,00

M42

S-2-10-1-8 G4403 SKH59 T11342 1,08 3,75 1,1 1,5 9,5 8,00

Ademas, la preforma tambien comprende un material de metal en polvo o, en particular, un acero para herramientas de metal en polvo. Las preformas de acero para herramientas en polvo se realizan generalmente mediante esmerilado tisico o de otra manera haciendo una pieza volumetrica de acero para herramientas en muchas particulas individuales pequenas, inyectando el metal en polvo en un molde o haciendo pasar el metal en polvo a traves de un dado para producir un material compacto debilmente cohesivo y concrecionando el material compacto como se conoce en la tecnica. Las herramientas formadas a partir de aceros para herramientas de metal en polvo a menudo se caracterizan como que tienen propiedades isotropicas como resultado de su metodo de fabricacion. Sin embargo, cuando se procesan de acuerdo con las realizaciones descritas en el presente documento, las propiedades de las herramientas se mejoran en relacion con las herramientas de metal en polvo procesadas de acuerdo con los metodos de sinterizado y/o prensado isostactico en caliente convencionales.

El procesamiento de un acero para herramientas, como se describe en el presente documento, modifica la microestructura del acero para herramientas. Como se expuso anteriormente, el acero para herramientas se deforma mientras contiene austenita. Como se conoce en la tecnica, la austenita tiene una estructura de cristal cubica centrada en la cara (fcc), y la martensita tiene una estructura de cristal tetragonal centrada en el cuerpo (bct). Debido a su numero mas alto de planos de deslizamiento, la austenita es considerada por un experto en la tecnica como que tiene una ductilidad mas alta que la martensita. Cualquier autenita que se forma por encima de AC3 es generalmente reconocida por los expertos en la tecnica como estable. Es decir, a temperaturas por encima de AC3, la austenita generalmente no se descompone en otras fases. A temperaturas por debajo de AC3, la austenita se sabe que es inestable y a menudo se denomina metaestable ya que se descompone a otras fases y se mantiene durante periodos prolongados a temperaturas entre AC3 y Ms. La austenita presente en los intervalos de temperatura descritos en el presente es metaestable. Aunque no se desea estar limitada por la teona, la austenita metaestable, a pesar de tener la misma estructura cristalina que la austenita, se cree que retiene historia de deformacion.

La deformacion plastica de la preforma que contiene austenita metaestable da por resultado una microestructura que es diferente de la que se enfna bruscamente entre estas temperaturas sola o forjando la preforma a temperaturas por encima de AC3 y despues enfriarla bruscamente. La microestructura resultante y las propiedades del material de la region deformada pueden depender del tipo de acero para herramientas, el tipo de procesamiento termomecanico, la cantidad de deformacion inducida en la austenita, la velocidad a la cual fue inducida la deformacion y la temperatura a la cual se realizo el procesamiento termomecanico. Por ejemplo, el procesamiento termomecanico de austenita metaestable a temperaturas entre Ms y AC1 puede producir una microestructura que es diferente del procesamiento termomecanico de austenita metaestable a temperaturas entre AC1 y AC3. Sin embargo, en cualquier caso, la region deformada presenta propiedades mecanicas mejoradas.

Como resultado de deformar la austenita en estos intervalos de temperaturas, en una realizacion, la microestructura tiene grano fino. Por ejemplo, el tamano promedio de los granos o cristales en la region deformada puede ser al menos un 10 % y en un ejemplo adicional puede ser al menos un 25 % menor que los observados en herramientas hechas con procedimientos convencionales. En algunas realizaciones, la microestructura de grano fino facilita una precipitacion uniforme de fases de carburo a lo largo de los mas numerosos timites de grano durante el enfriamiento u otro proceso.

Ademas, otra caracteristica microestructural puede incluir un incremento en la densidad de dislocacion. Como se conoce en la tecnica, las dislocaciones son defectos lineales en un solido cristalino, tal como en austenita. Una dislocacion ilustrativa esta formada por un medio plano extra de atomos dentro de un cristal, aunque otros tipos de dislocaciones son conocidos y muchos tipos de dislocaciones se sabe que se forman simultaneamente en un solo cristal. Ademas, la colindancia de grano puede representarse por una o mas dislocaciones. En materiales policristalinos, como el material de acero para herramientas de la preforma, las colindancias de grano existen entre cristales adyacentes con regiones de desajuste entre la reticula cristalina de un grano y la reticula cristalina de un grano adyacente. A medida que el grado de desajuste o el angulo de desorientacion entre los granos adyacentes se incrementan de cero grados, donde la estructura de cristal de granos adyacentes se alinea, la densidad de dislocaciones en las colindancias de grano se incrementa. La medicion del angulo de desorientacion entre granos, por lo tanto, es una medicion de la densidad de dislocacion, particularmente la densidad de dislocacion en las colindancias de los granos. La deformacion de la region de la preforma de acero para herramientas incrementa el angulo de desorientacion entre los granos a un grado mayor que la deformacion de una region de composicion similar mediante forjado en caliente por encima de AC3 o tratamiento con calor de acuerdo con metodos convencionales. Los granos martenstiicos despues de la deformacion, del enfriamiento y del templado pueden ser

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desorientados a un angulo promedio, por ejemplo, de mas de aproximadamente 34°, y en un ejemplo adicional los granos martenstticos estan en promedio desorientados al menos en aproximadamente 40°. Ademas, en una realizacion, la densidad de dislocaciones de la region es al menos un 25 % mayor que las partes forjadas en caliente o tratadas con calor de procesos de convencion. La densidad de dislocacion y el tamano del grano se pueden medir usando difraccion de retrodispersion de electrones (EBSD) o tecnicas de difraccion de rayos X (XRD). Ademas de mejorar la resistencia al impacto de la region deformada, las ubicaciones de la densidad de dislocacion alta pueden producir puntos de nucleacion para la precipitacion de fases de carburo durante la deformacion o en una operacion de calentamiento o enfriamiento posterior.

La region deformada tambien puede presentar una orientacion preferida de estructura de grano. En particular, en una vista en seccion transversal de la region deformada, los granos pueden ser alargados o tienen otra forma, tal como cuando estan dispuestos u orientados entre sf Los granos colectivamente proporcionan un flujo preferencial o direccionalmente a la microestructura. La direccion de orientacion preferida puede ser en una direccion respecto a una de las superficies de la herramienta, respecto a un eje de la herramienta, o respecto a otra region que tambien tiene una orientacion preferida. En esencia, la orientacion preferida puede ser en cualquier orientacion. En una realizacion, la orientacion preferida de los granos en la region deformada sigue el contorno de superficie de una superficie de trabajo de la herramienta. Por ejemplo, la orientacion preferida puede seguir el contorno de superficie formado por dos superficies de interseccion que definen un borde. La estructura de grano puede ser sustancialmente paralela a cada superficie mientras realiza una transicion desde una primera direccion, que es paralela a una superficie, o a una segunda direccion, que es paralela a la segunda superficie, en un area proxima al borde. La forma inicial de la preforma, cualquier banda de carburo o aleacion presente en la preforma antes del procesamiento, y la tecnica de procesamiento pueden ser los factores principales para determinar la orientacion preferida de los granos en la region deformada.

Por consiguiente, en una realizacion, la region deformada se caracteriza por una combinacion de dos o mas de las caractensticas microestructurales anteriores. Por ejemplo, la region deformada puede tener una distribucion de tamano de grano con un tamano de grano promedio pequeno, y los granos pueden estar preferentemente orientados en relacion con una superficie de trabajo de la herramienta o con un eje de la herramienta. Ademas, las regiones se pueden caracterizar como que tienen una densidad de dislocacion relativamente alta. En una realizacion, la region puede estar caracterizada ademas por tener una fase de carburo mas uniformemente distribuida, mas fina o fases ubicadas en las colindancias de grano y en ubicaciones de densidad de dislocacion alta. Ademas, las caractensticas pueden no variar significativamente de un lugar a otro dentro de la region deformada, aunque puede existir una variacion significativa entre dos o mas regiones formadas por separado. Por ejemplo, porciones de la preforma pueden tener regiones de densidad de dislocacion relativamente alta separadas por una region de densidad de dislocacion relativamente baja. Las variaciones de densidad de dislocacion entre las regiones se pueden deber a diferentes procedimientos usados (por ejemplo, forjado radial en comparacion con forjado de deformacion plana), velocidades de forjado o intensidades diferentes, temperaturas diferentes, etc.

Sin estar limitado por la teona, los inventores creen que la energfa externa del procesamiento termomecanico se puede usar para formar una estructura de grano fino, proporcionar una orientacion a la estructura de grano, incrementar la densidad de dislocacion o producir una combinacion de las mismas dentro de la fase austenita metaestable. Despues del enfriamiento brusco, la austenita metaestable deformada afecta beneficiosamente a la misma estructura que finalmente se forma. Ademas, la energfa externa del procesamiento termomecanico puede facilitar la precipitacion de fases de carburo en la microestructura. Por ejemplo, el procesamiento termomecanico a temperaturas menores que AC1 se cree que reduce la solubilidad del carbono en austenita metaestable y, por lo tanto, promueve la precipitacion de carburo. En una realizacion relacionada, las fases de carburo pueden precipitarse en las colindancias del grano y/o sitios de dislocacion durante la deformacion o durante el enfriamiento o durante la deformacion y el enfriamiento. Por consiguiente, las preformas de acero para herramientas procesadas por debajo de AC1 presentan resistencias mayores, entre otras propiedades mejoradas en comparacion con preformas de acero para herramientas procesadas por encima de AC1. Ademas, el incremento en densidad de dislocacion en este intervalo de temperatura se cree que es sustancialmente mayor en comparacion con preformas termomecanicamente procesadas a temperaturas mayores que ACi).

Como se expuso anteriormente, la region deformada de la preforma se caracteriza por propiedades mejoradas en comparacion con procesos convencionales (por ejemplo, tratamiento con calor y/o forjado por encima de AC3). Por lo tanto, una herramienta hecha a partir de la preforma de acero para herramientas, por ejemplo, puede presentar una vida util mas larga. Las propiedades mejoradas pueden incluir mejoras en una o mas de la resistencia al impacto (por ejemplo, de acuerdo con la prueba de Charpy), firmeza, dureza o resistencia al desgaste o una combinacion de las mismas. A modo de comparacion, la resistencia al impacto de la region deformada de la preforma de acero para herramientas M2 AISI procesada de acuerdo con una realizacion de la presente invencion puede ser al menos un 50 % mayor que herramientas de similar composicion que son deformadas por encima de AC3 o tratadas con calor sin forjar. En cualquier realizacion, la vida de la herramienta mas larga puede ser atribuida a una resistencia incrementada al impacto, una resistencia a otros esfuerzos o una resistencia a condiciones abrasivas que son experimentadas durante el uso.

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Con referencia a las figuras 2A y 2B y de acuerdo con otra realizacion de la invencion, una herramienta 18 incluye un elemento 20 que tiene una superficie exterior 22 que generalmente incluye una primera porcion 24 que ha de conectarse o acoplarse a una maquina (no mostrada) y una segunda porcion en la forma representativa de una superficie de trabajo 26 que hace contacto con una pieza de trabajo 28 cuando la herramienta 18 se usa en aplicaciones de formacion de metal y corte de metal. Ademas, la superficie exterior 22 encierra y define una colindancia exterior de un volumen de cuerpo o masa de acero para herramientas. Como se muestra mejor en la figura 2B, al menos se forma una region 30, como se describe en el presente documento, dentro del volumen del cuerpo encerrado. Y cuando la region 30 no esta constituida por el volumen entero de la herramienta 18, el elemento 20 puede tener otra region 32 que difiere en una o mas de las caractensticas microestructurales y, por lo tanto, difiere en las propiedades descritas anteriormente en comparacion con la region 30.

En una realizacion, con referencia una vez mas a la figura 2A, el elemento 20 es alargado y la superficie exterior 22 define un cilindro o vastago 34, una cabeza 36 dispuesta en un extremo del vastago 34 y una punta o cuerpo 38 con una punta de extremo 40 dispuesta en un extremo opuesto del vastago 34 desde la cabeza 36. La superficie de trabajo 26 llevada sobre la punta 40 se une a la pared lateral 42 y la punta de extremo 40 a lo largo de un borde de corte 44. El borde de corte 44 define una esquina a lo largo de la cual la pared lateral 42 y superficie de trabajo 26 convergen. El borde de corte 44 y la superficie de trabajo 26 colectivamente definen la porcion de la herramienta 18 que hace contacto con la superficie de la pieza de trabajo 28. La pieza de trabajo 28 puede comprender un material que ha de procesarse mediante la herramienta 18 en una aplicacion de formacion de metal o corte de metal.

Cuando se ve a lo largo de un eje longitudinal o lmea central 50 de la herramienta 18, el vastago 34 y el cuerpo 38 del elemento alargado 20 tienen un perfil en seccion transversal adecuado, tal como, por ejemplo, un perfil en seccion transversal redonda, rectangular, cuadrado u ovalado. El vastago 34 y el cuerpo 38 pueden tener perfiles en seccion transversal de areas identicas o el cuerpo 38 puede tener un area en seccion transversal mas pequena para proporcionar una region de alivio 52 entre el vastago 34 y el cuerpo 38. En ciertas realizaciones, el vastago 34 y el cuerpo 38 estan simetricamente dispuestos alrededor de una lmea central 50 y, en particular, pueden tener un perfil en seccion transversal circular o redondo centrado en la lmea central 50.

La cabeza 36 de la herramienta 18 tiene una construccion apropiada para retenerse con el dispositivo de contencion de herramienta usado con una maquina de trabajo de metal, tal como una maquina para herramientas o una prensa (no mostrada). En la realizacion ilustrativa, la cabeza 36 es una brida que tiene un diametro mayor que el diametro del vastago 34. En lugar de la cabeza 36, sin embargo, la herramienta 18 puede incluir alternativamente un seguro de bola, un seguro de cuna, una torreta u otro tipo de estructura de retencion para acoplar el vastago 34 de la herramienta 18 con un dispositivo de retencion de herramienta.

La herramienta 18, que tiene la construccion de un troquel en la realizacion representativa, tfpicamente forma un componente de un conjunto de matrices 54. El conjunto de matrices 54 tambien incluye una matriz 56 que contiene una abertura 58 que recibe o forma un componente del conjunto que recibe una porcion de la punta 40 de la herramienta 18. La matriz 56 y la herramienta 18 cooperan, cuando se prensan juntas, para formar un orificio configurado en una pieza de trabajo 28 o para deformar la pieza de trabajo 28 de alguna manera deseada. La herramienta 18 y la matriz 56 se pueden retirar de la maquina de trabajo de metal con la herramienta 18, que se une temporalmente al usar un mecanismo de retencion de herramientas al extremo de una corredera (no mostrada).

La herramienta 18 se mueve generalmente en una direccion 61 hacia la pieza de trabajo 28 y con una carga normal al punto de contacto entre la superficie de trabajo 26 y la pieza de trabajo 28. La maquina de trabajo de metal puede ser accionada mecanicamente, hidraulicamente, neumaticamente o electricamente para aplicar una carga que fuerza la herramienta 18 hacia la pieza de trabajo 28. La punta de extremo 40 de la herramienta 18 es forzada bajo una alta carga impartida por la maquina de trabajo de metal a traves de, o dentro del, espesor de la pieza de trabajo 28 y dentro de la altura de la matriz 58. La pieza de trabajo 28 se deforma y/o se corta en y alrededor de una zona de contacto entre la superficie de trabajo 26 de la herramienta 18 y la pieza de trabajo 28.

La herramienta 18 puede tener otras construcciones del troquel que difieren de la construccion de la realizacion representativa. Como ejemplos, la herramienta 18 puede estar configurada como una cuchilla, un troquel de talon, un troquel de pedestal, un troquel redondo, etc. Aunque la herramienta 18 se ilustra como que tiene una construccion consistente con un troquel en una realizacion representativa, un experto en la tecnica entendera que la herramienta 18 puede tener otras construcciones, tales como una matriz, como la matriz 56 (figuras 2A y 2B) o un separador. En particular, la herramienta 18 en forma de troquel, matriz o separador se puede aplicar en operaciones de estampado y formacion de metal como puncion y perforacion, preformacion fina, formacion y extrusiones o acunado.

La herramienta 18 tambien puede tener la construccion de una herramienta de corte tal como un punzon giratorio, un punzon no giratorio, una tapa, un escariador, una broca, un cortador de fresadora, una herramienta de corte, etc. La herramienta 18 se puede usar en aplicaciones de colado y moldeo tales como colado con matriz convencional, colado con matriz de alta presion y moldeo por inyeccion. La herramienta 18 tambien se puede utilizar en aplicaciones de compactacion de polvo usadas en procedimientos farmaceuticos, procedimientos nutraceuticos,

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fabricacion de batenas, cosmeticos, confitena e industrias de alimentos y bebidas, y en la fabricacion de productos para el hogar y combustibles nucleares, formacion de tabletas, explosivos, municiones, ceramicas y otros productos. La herramienta 18 tambien se puede usar en aplicaciones de automatizacion y de accesorios para partes, tales como detalles de localizacion o contacto de partes.

Con referencia a la figura 2B, la region 30 de la herramienta 18, una region 62 de la matriz 56 o la region 30 de la herramienta 18 y la region 62 de la matriz 56 se forman o mecanizan a partir de una region de una preforma (no mostrada) que ha sido termomecanicamente procesada, como se expuso anteriormente. Por ejemplo, la region 30 a menudo esta ubicada proxima o incluye la superficie de trabajo 26, de tal manera que la region 30 esta cerca o en contacto directo con la pieza de trabajo 28 durante la operacion de la herramienta 18. De manera similar, la region 62 de la matriz 56 esta cerca o en contacto directo con la pieza de trabajo 28 cuando se usan la herramienta 18 y la matriz 56. La region 30 se extiende desde la superficie exterior 22, por ejemplo, la superficie de trabajo 26, a una profundidad, d-i, mayor de 0,039 pulgadas (1 mm). De manera similar, en la matriz 56, la region 62 puede estar configurada irregularmente, pero tambien se extiende desde una superficie exterior 63 a una profundidad, d2, mayor de 0,039 pulgadas (1 mm).

Sin embargo, el rendimiento beneficioso se puede observar cuando la region 30 o 62 se forma en otras ubicaciones dentro de la preforma de acero para herramientas. Estas ubicaciones se pueden determinar mediante factores incidentes a la operacion en la cual la herramienta 18 se usa o las consideraciones de coste usadas para equilibrar el uso de la herramienta 18 respecto al coste de su fabricacion. En cualquier aspecto, la region termomecanicamente procesada 30 se caracterizada por una densidad de dislocacion alta, una estructura de grano fino, una orientacion preferida de los granos o una combinacion de los mismos, como se proporciono anteriormente. En una realizacion, la densidad de dislocacion alta, la estructura de grano fino, la orientacion preferida de los granos o una combinacion de los mismos se puede relacionar con la direccion de procesamiento termomecanico.

La herramienta 18 puede tener multiples regiones de densidad de dislocacion alta, una estructura de grano fina, una orientacion preferida de los granos, o una combinacion de los mismos. En realizaciones con dos o mas regiones, cada region puede ser adyacente a la siguiente dentro de la preforma de acero para herramientas. Se apreciara que la orientacion de los granos en una region puede estar sustancialmente alineada o no con cualquiera de las otras regiones o con el eje de la herramienta 18. En otra realizacion adicional, la region de densidad de dislocacion alta, estructura de grano fino u orientacion preferida de los granos o una combinacion de los mismos, se extiende sustancialmente a lo largo de la herramienta 18, mas que estar confinados a una o mas porciones de la misma. En otras palabras, la herramienta 18 puede mecanizarse o formarse a partir de una preforma de acero para herramientas que se ha procesado termomecanicamente previamente de acuerdo con las realizaciones en el presente documento.

Con referencia a las figuras 3A y 3B, aunque las realizaciones de la invencion se describen e ilustran aqu con referencia a preformas compuestas sustancialmente en forma completa de acero para herramientas, en otras realizaciones, una preforma 64 puede ser en la configuracion de una carcasa 66 hecha de acero para herramientas que tiene un nucleo 68 hecho de un acero diferente. Como se muestra en las figuras 3A, el nucleo 68 puede llenar el hueco entero dentro de la carcasa 66 o solo una porcion del mismo, dependiendo de la aplicacion para la herramienta (no mostrada) hecha a partir del mismo, entre otras variables. Aunque el volumen del acero para herramientas en la carcasa 56 puede ser pequeno, cuando se compara con el volumen del acero diferente, la carcasa 66 es mayor de 0,039 pulgadas (1 mm) de espesor, de tal manera que la region deformada es al menos de 0,039 pulgadas (1 mm) de espesor. La carcasa 66 esta disenada para formar la superficie de trabajo 26 de la herramienta (vease la figura 1A). El nucleo 68 puede formar el resto de la herramienta y puede estar disenado para proporcionar una propiedad mecanica complementaria a la herramienta. A modo de ejemplo unicamente, la carcasa 66 puede ser un tubo de acero para herramientas, como se muestra en la figura 3A. El nucleo 68 puede ser un cilindro de otro acero, tal como un acero con bajo contenido de carbon o acero de trabajo en fno, como D2, que es mas economico. Despues de la insercion del nucleo del cilindro 68 en la carcasa tubular 66, la preforma 64 se calienta y al menos la carcasa 66 se deforma mediante estampado o forjado radial en los intervalos de temperatura descritos anteriormente. Una preforma deformada 69 despues de, por ejemplo, el forjado radial de la carcasa 66 se muestra en la figura 3B. La herramienta formada a partir de preforma deformada o forjada 69 se puede utilizar en aplicaciones donde, por ejemplo, es necesaria la resistencia transversal, que puede incluir engranajes (como se muestra en la figura 3C) o matrices de laminado con engranajes o laminado con roscas, para mejorar la vida de servicio de la herramienta, aunque los costes del material de la herramienta sean significativamente reducidos.

Detalles adicionales de la invencion se describiran con referencia a los siguientes ejemplos.

Ejemplo 1

Ocho preformas de acero para herramientas en la configuracion de barras laminadas que tienen un diametro de 1,500 pulgadas (3,81 cm) y una longitud de 48 pulgadas (121,9 cm) y que son conocidas en la tecnica por las designaciones AISI M2, D2 y M4 se prepararon de acuerdo con una realizacion del metodo descrito en el presente documento.

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Para ese fin, las barras se calentaron por encima de AC1 a una temperatura de 2100°F (1149°C) en un horno accionado por gas. Las mediciones de temperatura se registraron usando un pirometro de infrarrojos calibrado en el intervalo de operacion. Se cree que a esta temperatura la microestructura en cada una de las barras esta compuesta de austenita. Una vez que las barras alcanzaron la temperatura objetivo, fueron transferidas individualmente (para evitar perdida de temperatura durante la transferencia de la parte) a los rodillos de entrada de una maquina de forjado radial 4-Hammer de 200 toneladas. Las barras de diametro de 1,500 pulgadas (3,81 cm) por 48 pulgadas (l2l,9 cm) de longitud fueron forjadas cada una radialmente en una barra que tema un diametro de 0,875 pulgadas (2.222 cm) con cuatro reducciones. Cada reduccion tomo entre aproximadamente 15 a aproximadamente segundos (un total de un maximo de 80 segundos por barra). La relacion de reduccion efectiva calculada fue del 66 %. Las barras procesadas fueron enfriadas con aire por conveccion forzada a temperatura ambiente.

Durante el procesamiento termomecanico, se sabe que el metal caliente perdera calor debido a perdidas por conveccion y radiacion. Por lo tanto, para mantener la temperatura de cada barra dentro de un estrecho intervalo de temperaturas cerca de la temperatura objetivo de 2100°F (1149°C), se uso el calor externo y el calor interno de los procesos de deformacion para compensar cualquier perdida de calor. Por lo tanto, el forjado se realizo en una condicion casi isotermica. Ademas, la temperatura se monitorizo para asegurar que cualquier cambio de temperatura fuera insignificante.

Se cortaron pequenas secciones de cada barra durante reducciones intermedias para analisis. Ninguna de las muestras se observo que presentara ninguna recristalizacion. Ademas, se determinaron las fases presentes en cada muestra, se midio la desorientacion entre los granos y una direccion transversal (TD) y una direccion radial (RD). Las mediciones se tomaron en un lugar que era la mitad del radio de la seccion transversal de la barra o a aproximadamente 0,22 pulgadas (0,5588 cm) desde el centro de una barra de acero inoxidable M2 despues de la deformacion y templado posterior. La identificacion de fase se hizo en un difractometro de rayos X Philips X'Pert. El analisis de fase de una barra de M2 del ejemplo 1 se muestra en la figura 4A. En la figura 4A, la fraccion de numero de cada fase fue de 0,771473 hierro-martensita, 0,00419837 carburo de vanadio-cromo (658741), 0,219877 carburo de tungsteno-hierro (892579), 0,00445168 V4C3. Se realizaron escaneados de EBSD en un microscopio electronico de barrido de ambiente de emision de campo (ESEM) - FEI/Philips XL30 ESEM-FEG con detector de EBSD. Los datos se recogieron y mapearon con datos de XRD usando software de recopilacion de datos Orientation Imaging Microscopy™ (OIMtM). Una distribucion representativa de angulos de desorientacion medidos para granos martensfticos para una de las barras de acero para herramientas M2 del ejemplo 1 se muestra en la figura 4B. La figura de polos desarrollada para esta barra M2 se muestra en la figura 4C.

Ejemplo 2

Algunas de las barras de 0,875 pulgadas (2,222 cm) de diametro del ejemplo 1 se recalentaron por encima de AC1, a una temperatura de 2100°F (1149°C). Despues de que las barras se calentaron por encima de AC1, se crefa que la microestructura estaba compuesta de austenita. Una vez que las barras alcanzaron la temperatura objetivo, fueron transferidas individualmente a los rodillos de entrada de una maquina de forjado radial 4-Harnmer de 200 toneladas. Cada barra fue forjada radialmente mientras estaba a una temperatura de 2100°F (1149°C). En cuatro reducciones, el diametro de la barra se redujo de 0,875 pulgadas (2,222 cm) a 0,640 pulgadas (1,626 cm). Esta reduccion en area de seccion transversal alcanzo una relacion de reduccion efectiva del 47 %, ademas de la reduccion del 66 % de las primeras cuatro reducciones del ejemplo 1. Las barras procesadas fueron enfriadas con aire de conveccion forzada a temperatura ambiente. Varias muestras se cortaron de una barra a reducciones intermedias para registrar la influencia de la deformacion. Igual que las muestras del ejemplo 1, no se observo recristalizacion en ninguna de las muestras.

Como antes, la perdida de calor al ambiente y el calor generado por la deformacion se equilibraron en un intento para mantener las barras a una temperatura constante durante el procesamiento termomecanico. La temperatura se monitorizo durante el procesamiento y entre las reducciones para asegurar que el cambio de temperatura fuera insignificante. Por lo tanto, se cree que toda la energfa externa fue transferida a la preforma para incrementar la densidad de dislocacion y reducir el tamano del grano austemtico.

Despues se alivio el esfuerzo de las barras a 1400°F (760°C) durante cuatro horas en un horno accionado por gas y exitosamente procesado a traves de un enderezador de barras para reducir al mmimo la distorsion.

Ejemplo 3

Se prepararon preformas de acero para herramientas en la configuracion de barras tal como son laminadas que tienen un diametro de 1,500 pulgadas (3,81 cm) y una longitud de 48 pulgadas (121,9 cm) y que son conocidas en la tecnica por las designaciones AlS1 M2, D2 y M4.

Las barras se calentaron a una temperatura de 2050°F (1121°C) en un horno accionado por gas. La microestructura de las barras se cree que esta compuesta de austenita metaestable. Como antes, las mediciones de temperatura se registraron usando un pirometro de infrarrojo calibrado en el intervalo de operacion. Una vez que las barras

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alcanzaron la temperatura objetivo, cada una de las barras fue sacada del horno y colocada sobre rodillos de entrada de la maquina de forjado radial 4-Hammer de 200 toneladas. Las barras despues se dejaron enfriar a una temperatura de procesamiento de entre aproximadamente 1100°F (aproximadamente 593°C) y aproximadamente 1200°F (aproximadamente 649°C) (por debajo de AC1). La ca^da de temperatura ocurrio en aproximadamente 1 minuto. Las barras fueron radialmente forjadas a un diametro de 1,000 pulgadas (2,54 cm) en siete reducciones. La relacion de reduccion calculada fue del 56 %. Las barras con 1,000 pulgadas (2,54 cm) de diametro fueron enfriadas con aire de conveccion forzada a temperatura ambiente.

Similar al control de temperatura descrito en los ejemplos 1 y 2, las barras se mantuvieron a una temperatura tan constante como fuera posible. La temperatura de cada una de las barras fue monitorizada durante el procesamiento y entre las reducciones para asegurar que el cambio de temperatura fuera insignificante.

Se cortaron pequenas secciones de cada barra durante reducciones intermedias para analisis. Ninguna de las muestras presento una caractenstica de microestructura de recristalizacion dinamica. Las fases se determinaron, se tomaron las mediciones de la desorientacion entre los granos, y una figura de polos se desarrollo para el plano [001] de martensita en un lugar que era la mitad del radio de la seccion transversal de la barra o a aproximadamente 0,25 pulgadas (0,635 cm) desde el centro de la barra. El analisis de fase de una barra de M2 del ejemplo 3 se muestra en la figura 5A. La fraccion del numero de las fases en la figura 5A fue 0,737644 hierro-martensita, 0,0111572 carburo de vanadio-cromo (658741), 0,240541 carburo de tungsteno-hierro (892579), y 0,0106579 V4C3. Una distribucion representativa de angulos de desorientacion entre los granos martenstticos para una de las barras de acero para herramientas M2 del ejemplo 3 se muestra en la figura 5B. La figura de polos desarrollada para esta barra M2 se muestra en la figura 5C.

Ejemplo comparativo 1

Un material de abastecimiento de barra tal como es laminada AISI M2 se trato con calor en un horno de vado de 2 barras usando ciclos estandares de tratamiento de calentamiento calentando la barra por encima de aproximadamente 2250°F (aproximadamente 1232°C) seguido por tres ciclos de templado estandar de calentamiento a aproximadamente 1000°F (aproximadamente 537,7°C) y manteniendo durante aproximadamente 45 minutos a 1 hora y enfriando para lograr la misma dureza que los ejemplos 1 y 3, es decir, HRC 61-63. La barra tratada con calor despues se esmerilo a las mismas dimensiones externas que las barras del ejemplo 3.

Las mediciones de las fases, el angulo de desorientacion y la figura de polos para la barra comparativa se muestran en las figuras 6A, 6B y 6C. La fraccion del numero de las fases indicadas en la figura 6A fue de 0,660257 hierro- martensita, 0,00451285 carburo de vanadio-cromo (658741), 0,330886 carburo de tungsteno-hierro (892579) y 0,00434446 V4C3. Las fases presentes en cada una de las barras fueron sustancialmente las mismas como se proporcionan mediante un analisis comparativo de las figuras 4A, 5A y 6A.

Sin embargo, la densidad de dislocacion de cada una de las barras de los ejemplos 1 y 3 es sustancialmente mas alta que la barra del ejemplo comparativo 1. De manera espedfica, al comparar las figuras 4B y 5B con la figura 6B, los angulos de desorientacion de cada una de las barras M2 de los ejemplos 1 y 3 son significativamente mas altos que la barra M2 comparativa mostrada en la figura 6B. El promedio de la distribucion de angulos de desorientacion para la barra del ejemplo 1 (figura 4B) fue de aproximadamente 36 grados, el promedio de la distribucion de angulos de desorientacion para la barra del ejemplo 3 (figura 5B) fue de aproximadamente 42 grados, y el promedio de la distribucion de angulos de desorientacion de la barra del Ejemplo Comparativo 1 (figura 6B) era de aproximadamente 34 grados. Los angulos de desorientacion promedio altos en las barras de acero para herramientas M2 de los ejemplos 1 y 3 en relacion con la barra M2 comparativa tratada con calor indica una densidad de dislocacion y deformacion mas altas. Se cree que la deformacion a una temperatura menor que AC1 puede permitir que los granos tengan menos energfa termica y se recuperen de la deformacion a una velocidad mas lenta.

La densidad de dislocacion mejorada para las barras M2 de los ejemplos 1 y 3 esta tambien sustanciada por las figuras de polos mostradas en las figuras 4C y 5C, respectivamente, cuando se comparan con la figura de polos de la barra M2 del ejemplo comparativo 1, como se muestra en la figura 6C. Las figuras de polos indican que la densidad de dislocaciones o numero de dislocaciones para las barras de los ejemplos 1 y 3 son significativamente mas altas que la densidad de dislocacion para la barra del ejemplo comparativo 1 que se trato con calor unicamente. La densidad de dislocacion relativa se indica por la densidad de puntos en cada una de las graficas. Por lo tanto, el ejemplo 1 (figura 4C) tiene el numero mas alto de dislocaciones seguido por el ejemplo 3 (figura 5C) con el ejemplo comparativo 1 (figura 6C) que tiene el menor numero de dislocaciones.

Ejemplo 4

Algunas de las barras de 1,000 pulgadas (2,54 cm) de diametro del procedimiento del Ejemplo 3 se recalentaron a 2050°F (1121°C) (por encima de AC1 pero por debajo de AC3). Las barras fueron retiradas del horno y se dejaron enfriar con aire a una temperatura de procesamiento de entre aproximadamente 1100°F (aproximadamente 593°C) y

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aproximadamente 1200°F (aproximadamente 649°C). Una vez que se alcanzo la temperatura de procesamiento, las barras fueron cada una forjada dentro de una barra que tema un diametro de 0,700 pulgadas (1,778 cm) en siete reducciones. La relacion de reduccion calculada fue del 51 %.

Las barras procesadas se dejaron enfriar con aire a temperatura ambiente. Varias muestras se cortaron de cada barra a reducciones intermedias. Igual que con las muestras del ejemplo 3, ninguna de las muestras presento una caractenstica de microestructura de recristalizacion dinamica.

Como antes, la temperatura fue monitorizada durante el procesamiento y entre las reducciones para asegurar que el cambio de temperatura fuera insignificante.

Las barras fueron templadas despues tres veces entre aproximadamente 950°F (aproximadamente 510°C) y aproximadamente 1000°F (aproximadamente 538°C) durante aproximadamente 3 horas en un horno de vado. Se confirmo que el procedimiento de templado convirtio cualquier austenita retenida en martensita. Se observo que en los ejemplos 1-4 anteriores, las barras procesadas conteman granos que fueron alargados y preferentemente orientados a lo largo del eje longitudinal de las barras.

Aunque los ejemplos 1 a 4 utilizan forjado radial, otras tecnicas de forjado que son conocidas en la tecnica se puede usar para procesar termomecanicamente la preforma, como se expuso anteriormente. Por consiguiente, en los ejemplos que siguen, un procedimiento de forjado de deformacion casi plana fue replicado en una maquina de recalcado en caliente horizontal. Se desarrollo una preforma 65 que dana por resultado barras cilmdricas al ser forjada con esta maquina (vease las figuras 7 y 8A y 6B). Las barras cilmdricas entonces se podnan usar como preformas para mecanizar o formar herramientas cortadoras de metal y formadoras de metal.

Con referencia a las figuras 7, 8A y 8B, en el procedimiento de forjado de deformacion casi plana, la geometna de la preforma 65 compuesta completamente de acero para herramientas incluye una seccion de forma oblonga 70 y una seccion cilmdrica 72. La seccion cilmdrica 72 no sufre ninguna deformacion y se usa principalmente para ubicar y retener la preforma 65 en la maquina durante el forjado. La seccion o region de forma oblonga 70 es calentada y sufre deformacion durante el procesamiento, por lo que una herramienta se puede formar a partir de la misma. Despues de la deformacion, una preforma deformada 75 tiene una seccion o region oblonga deformada 73, como se muestra mejor en la figura 8B.

Con referencia ahora a la figura 9, en el procedimiento de forjado de deformacion casi plana, la cavidad de la herramienta 74 y la corredera 76 fueron disenadas para detener el movimiento del acero para herramientas en la seccion de forma oblonga 70 en una direccion mientras se deja que el acero para herramientas fluya tanto en direccion radial como circunferencial.

Ejemplo 5

Preformas de acero para herramientas AISI M2 de la geometna ilustrada en las figuras 7 y 8A fueron mecanizadas a partir de material de abastecimiento de barra de molino tal como es laminada. La direccion de laminacion o la direccion de carburo primaria en un material de abastecimiento de barra de molino convencional fue siempre concentrica al eje de la seccion cilmdrica, como se indica mediante la flecha en la figura 4. La direccion de banda de carburo antes del procesamiento puede determinar la orientacion de carburos despues del procesamiento termomecanico. Posteriormente, las preformas fueron inicialmente templadas a 1400°F (760°C) entre 45 minutos y 60 minutos en un horno de vado para aliviar cualesquiera esfuerzos residuales y para obtener una estructura de grano casi equiaxial.

Despues del templado, la seccion de forma oblonga de cada preforma se calento por encima de AC1 a una temperatura de aproximadamente 1850°F (aproximadamente 1010°C) usando una bobina de induccion. A esta temperatura de procesamiento, la microestructura se crefa que estaba compuesta de austenita. La temperatura se monitorizo usando un pirometro infrarrojo integrado en la maquina de recalcado horizontal de 50 toneladas usada para simular la operacion de forjado de deformacion casi plana. Una vez que la seccion de forma oblonga de la preforma alcanzo 1850°F (1010°C), cada preforma fue individualmente forjada en una seccion transversal casi semicircular (vease, por ejemplo, figura 8B).

Despues del forjado, cada barra fue enfriada bruscamente a temperatura ambiente mediante enfriamiento con aire de conveccion. La microestructura despues del forjado estaba compuesta de austenita de grano fino. Despues del enfriamiento, la austenita fue transformada en martensita y se precipitaron carburos. Esta microestructura se considero inestable y su esfuerzo se alivio en un horno de vado a una temperatura entre aproximadamente 950°F (aproximadamente 510°C) y aproximadamente 1000°F (aproximadamente 538°C) y a una presion de aproximadamente 2 bar. Despues de aliviar el esfuerzo, las preformas fueron procesadas a traves de ciclos de templado para convertir la austenita retenida a martensita entre aproximadamente 1200°F (649°C) y 1400°F (760°C) durante 45 a 60 minutos por ciclo seguido por un enfriamiento en horno para convertir la austenita retenida en la microestructura a martensita.

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La ganancia de resistencia al impacto del forjado de deformacion casi plana fue atribuida al incremento en densidad de dislocacion y disminucion en el tamano de grano autensitico. Sin embargo, a diferencia del procedimiento de forjado radial, en el forjado de deformacion casi plana, la perdida de calor al ambiente es insignificante, ya que la deformacion ocurre casi instantaneamente a lo largo de la longitud completa de la seccion de forma oblonga.

Ejemplo 6

Preformas de acero para herramientas AISI M2 de la geometna ilustrada en la figura 8A fueron mecanizadas a partir de material de abastecimiento de barra de molino tal como es laminada y despues fueron procesadas. Igual que con las preformas anteriores, la direccion de laminado de carburo antes del procesamiento fue orientada en la direccion convencional (vease la figura 7). Antes del calentamiento y de la deformacion, las preformas fueron templadas en un horno de vado a 1400°F (760°C) entre 45 minutos y 60 minutos para aliviar cualesquiera esfuerzos residuales en la preforma y para obtener una estructura de grano casi equiaxial.

Cada una de las preformas se calento a una temperatura de 2050°F (1121°C) usando una bobina de induccion. Esta temperatura fue por encima de AC1, pero por debajo de AC3. La temperatura se monitorizo usando un pirometro infrarrojo. Tanto la bobina como el pirometro se integraron en la maquina de recalcado horizontal ACMa de 50 toneladas. La microestructura a temperaturas entre AC1 y AC3 estaba compuesta de austenita. Despues de calentarse a 2050°F (1121°C), las secciones de forma oblonga se dejaron enfriar con aire a una temperatura entre aproximadamente 1100°F (aproximadamente 593°C) y aproximadamente 1200°F (aproximadamente 649°C). La cafda de temperatura ocurrio en aproximadamente 1 minuto. La microestructura estaba compuesta de austenita. Las secciones de forma oblonga fueron despues forjadas en una configuracion de seccion transversal circular mientras se manteman a una temperatura de procesamiento de entre 1100°F (593°C) y 1200°F (649°C).

Las preformas forjadas despues se dejaron enfriar a temperatura ambiente. Al enfriarse, la transformacion martensttica y precipitacion de carburo ocurrieron en una microestructura e grano fino, homogenea, en la seccion de forma oblonga de la preforma. Sin embargo, la microestructura se considero inestable para la mayona de las aplicaciones debido a la presencia de austenita retenida. Las preformas fueron posteriormente templadas tres veces a una temperatura de entre 950°F (510°C) y 1000°F (538°C) entre 45 minutos y 60 minutos.

Se observo una ganancia en resistencia al impacto en cada una de las secciones de forma oblonga deformada. La ganancia en resistencia al impacto fue atribuida al incremento en densidad de dislocacion, reduccion en el tamano de grano autensitico e inicio de precipitacion de carburo. Tambien, similar a los resultados observados durante ensayos de forjado radial, las propiedades mecanicas de las preformas forjadas a una temperatura menor que AC1, fueron mejoradas sobre aquellas forjadas por encima de AC1. Se cree que las densidades de dislocacion en las preformas forjadas a temperaturas mas bajas son considerablemente mas altas que las densidades de dislocacion generadas al forjar a temperaturas mas altas.

Con referencia a las figuras 10A y 10B, aunque el procesamiento termomecanico en las realizaciones ilustrativas anteriores mejora la resistencia al impacto, hay regiones de resistencias relativamente altas y relativamente bajas en cada seccion de forma oblonga debido a la naturaleza inherente del procedimiento de forjado de deformacion casi plana. Las regiones de deformacion maxima y minima estan orientadas sustancialmente perpendiculares entre sr Para los propositos de claridad, la orientacion preferida de los granos despues del forjado se indica por lmeas curvas en la figura 10B. Las regiones de resistencia al impacto relativamente baja son tfpicamente aquellas que entran en contacto con, o estan en la vecindad de, la cavidad de la herramienta y de la corredera. Las regiones de resistencia al impacto relativamente alta estan relacionadas con la region de deformacion maxima. Las dimensiones de la seccion transversal mostrada en la figura 10A son de aproximadamente 13,11 mm de altura y 11,03 mm de ancho, donde el ancho se mide desde el extremo (izquierdo) de la preforma a un lugar en donde la superficie de la seccion de forma oblonga deformada 73 realiza la transicion a la seccion cilmdrica 72 (derecha).

En preformas donde se requieren una mejora maxima y una resistencia del material casi uniforme, un procedimiento de forjado de deformacion casi plana de multiples etapas se puede usar para mejorar secuencialmente la resistencia de las regiones de resistencia al impacto relativamente bajas. Por ejemplo, para obtener barras cilmdricas tratadas termomecanicamente para herramientas formadoras de metal y cortadoras de metal, una preforma en una configuracion de una barra con una geometna de seccion transversal de un rectangulo o un cuadrado podna tratarse termomecanicamente usando forjado de deformacion casi plana en una barra con una seccion transversal ovalada. El procesamiento termomecanico posterior de la seccion transversal ovalada para formar una barra con una seccion transversal circular puede proporcionar una distribucion de deformacion mas uniforme. Espedficamente, con referencia a la figura 10B, como resultado de un primer tratamiento termomecanico usando forjado de deformacion casi plana, las regiones de resistencia relativamente baja se alineanan a lo largo o cerca de las regiones de deformacion minima, y las regiones de resistencia relativamente alta se alineanan en relacion con las regiones de deformacion relativamente alta. Por lo tanto, una barra rectangular o cuadrada que es forjada en una seccion transversal ovalada se puede usar como una preforma para un procedimiento de forjado de deformacion casi plana. En el procedimiento posterior, las regiones de resistencia relativamente baja se pueden alinear a lo largo de la direccion de deformacion mas alta. Esta orientacion, por ejemplo, puede estar alineada perpendicular a la direccion

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de deformacion inicial. Las regiones de resistencia relativamente baja, por lo tanto, estarian reforzadas como resultado de la deformacion en esa region. Por el contrario, las regiones de resistencia alta de la primera operacion de forjado observarian una resistencia a la deformacion minima y, por lo tanto, una mejora minima.

Ejemplo 7

Se prepararon dos herramientas a partir de una preforma de metal en polvo de un acero para herramientas T15. La preforma se mecanizo a partir de un metal en polvo T15 isotacticamente prensado en caliente, templado. Se observo que la microestructura de la placa fue casi isotropica como resultado del metodo de su preparacion. La preforma tema la configuracion mostrada en la figura 11A. Como se muestra, un extremo de la preforma 76 tema una forma piramidal. La longitud global de la preforma media 5,75 pulgadas (14,6 centimetres) con la seccion piramidal siendo de 1,75 pulgadas (4,445 centimetres) de la longitud total.

La preforma 76 se calento con un calentador de induccion a una temperatura de procesamiento entre 2000°F (1093°C) y 2050°F (1121°C) (entre AC1 y AC3) en aproximadamente 4 minutos. La preforma caliente fue forjada en un ciclo a una forma casi neta con recalcado AJAX mecanico horizontal de 1000 Toneladas con 500 toneladas de fuerza de sujecion de la matriz. La preforma forjada 78 se muestra en la figura 11 B. En particular, el extremo piramidal de 1,75 pulgadas (4,445 centimetres) fue forjado en un extremo rectangular de 1 pulgada (2,54 centimetres) como se muestra.

Despues del forjado, se alivio el esfuerzo del forjado 78 en un horno a 1400°F (760°C) entre 45 y 60 minutos. La preforma forjada 78 se dejo enfriar en el horno a temperatura ambiente.

La preforma cuyo esfuerzo fue aliviado se templo en forma triple para convertir austenita retenida a martensita. La dureza final se midio entre 63 HRC y 66 HRC. Las partes templadas en forma triple fueron mecanizadas para retirar escamas, eliminar carbono y para proporcionar la forma de herramienta final. Un conjunto de dos herramientas 18b, 18c se hizo a partir de la configuracion de la preforma mostrada en la figura 11B, cortando la preforma mostrada a la mitad.

Las dos herramientas 18b, 18c operaron una en relacion con la otra (como se indica mediante las flechas en la figura 11C), es decir, una herramienta superior y una herramienta inferior, para cortar una pieza de trabajo de acero de lamina (no mostrada). La tolerancia entre las herramientas fue de 0,006 pulgadas (0,01524 centimetres). La pieza de trabajo fue acero 22MnB5 con un revestimiento de AlSi que se vendio bajo la marca comercial USIBOR® 1500P. El acero de la pieza de trabajo fue UTS 1500 MPa (50HRC). La lamina midio 1,85 mm (0,07283 pulgadas) de espesor. La prueba se hizo a aproximadamente 68°F (aproximadamente 20°C). El desgaste en el borde del corte fue monitorizado en cuatro lugares. Se hicieron mediciones del perfil de borde de corte cada 5.000 impactos o ciclos.

Las mediciones de perfil de borde para cada una de las herramientas T15 superior e inferior se muestran en las figuras 12A, 13A, 14A y 15A, que tambien proporcionan los perfiles de borde para una herramienta de un material de referencia y metal en polvo CPM® M4. (Las herramientas hechas de metal en polvo CPM® M4 se describen completamente en el ejemplo 8, a continuacion). Aunque se hicieron medios de desgaste en cuatro posiciones en las herramientas superiores e inferiores, solo los dos lugares de desgaste mas altos en las herramientas superiores e inferiores se proporcionan en las figuras. Las mediciones de perfil se hicieron en los lugares indicados en las figuras 12B, 13B, 14B y 15B, respectivamente.

De manera mas espedfica, las figuras 12A y 13A son graficas del perfil de borde de un borde de corte de las herramientas superiores en lugares especificados en la figura 12B (posicion 1) y figura 13B (posicion 4), respectivamente. Y las figuras 14A y 15A son graficas del perfil de borde de las herramientas inferiores en los lugares especificados en la figura 14b (posicion 1) y la figura 15B (posicion 4), respectivamente. Los perfiles de borde en los lugares 1 y 4 como se indica en las figuras son ilustrativos de las mediciones de desgaste en los dos lugares restantes, no informados.

Con referencia a las figuras 12A, 13A, 14A y 15A, la lmea que esta marcada "Inicio de geometria de borde" representa la geometria de borde antes de cualquier uso. La lmea que esta marcada "Referencia", representa mediciones hechas en una herramienta hecha de un material de referencia procesado de acuerdo con un estandar de la industria.

Los perfiles de borde en los lugares 1 y 4 para la herramienta T1 en 10.000 y 20.000 impactos se marcan "T15...10.000 impactos" y "T15...20.000 impactos", respectivamente. Como ilustran las graficas, el borde de la herramienta T15 hecha de acuerdo con el procedimiento anterior tema menos desgaste en los 10.000 impactos que tema el material de referencia en 10.000 impactos en las herramientas superior e inferior en cada lugar. A 20.000 impactos, la herramienta T15 tuvo una cantidad de desgaste comparable a la herramienta de material de referencia a 10.000 impactos. Por lo tanto, una herramienta T15 de acuerdo con una realizacion de la invencion proporciona casi el doble de resistencia al desgaste e impacto que el material de referencia.

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Ejemplo 8

Se prepararon dos herramientas a partir de una preforma de metal en polvo de un acero para herramienta CPM® M4. (CPM® es una marca comercial de Crucible Materials Corp., Nueva York). La preforma fue mecanizada a partir de material a granel de metal en polvo CPM® M4 templado. Se observo que la microestructura de la placa CPM® M4 tuvo una banda de carburo primaria como resultado de la direccion de laminado usada para preparar el material a granel CPM® M4. La preforma tema la conformacion mostrada en la figura 11A. Como se muestra, un extremo de la preforma tema una forma piramidal. La longitud global de la preforma media 5,75 pulgadas (14,6 centimetros) con la seccion piramidal siendo de 1,75 pulgadas (4,445 centimetros) de las 5,75 pulgadas (14,6 centfmetros).

La preforma se calento con un calentador de induccion a entre 2000°F (1093°C) y 2050°F (1121°C) (entre AC1 y AC3) en aproximadamente 4 minutos. La preforma caliente se forjo en un ciclo a una forma casi neta con recalcado AJAX mecanico horizontal de 1.000 Toneladas con 500 toneladas de fuerza de sujecion de la matriz. La preforma forjada se muestra en la figura 11B. En particular, el extremo piramidal de 1,75 pulgadas (4.445 centfmetros) (mostrado en la figura 11A) fue forjado en un extremo rectangular de 1 pulgada (2,54 centimetros), como se muestra.

Despues del forjado, se alivio el esfuerzo de la preforma en un horno a 1400°F (760°C) entre 45 y 60 minutos. La preforma se dejo enfriar en el horno a temperatura ambiente.

La preforma cuyo esfuerzo fue aliviado fue templada en forma triple para convertir cualquier austenita retenida a martensita. La dureza final se midio entre 62 HRC y 64 HRC.

La orientacion de ganancia preferida en una region de borde de corte de la preforma forjada de la figura 11B fue similar a la de la figura 16A. Las dimensiones de la muestra mostrada en la figura 16A fue 17,98 mm desde la parte superior a la parte inferior y de 13,82 mm de lado a lado. A partir de las mediciones de perfil de borde mostradas en las figuras 12a, 13A, 14A y 15A, las herramientas forjadas CPM®M4 tuvieron menos desgaste que el material referenciado a 10.000 impactos. Nuevamente, se observo una mejora sustancial en la vida de las herramientas.

Aunque la invencion se ha ilustrado mediante una descripcion de varias realizaciones y aunque esas realizaciones se han descrito en detalle considerable, no es intencion de los solicitantes restringir o de alguna manera limitar el alcance de las reivindicaciones adjuntas a dicho detalle. Ventajas y modificaciones adicionales seran facilmente evidentes para los expertos en la tecnica. Por lo tanto, la invencion, en sus realizaciones mas amplias no se limita a los detalles espedficos, aparatos y metodos representativos, y ejemplos ilustrativos mostrados y descritos. Por consiguiente, se pueden hacer desviaciones de dichos detalles sin apartarse del alcance del concepto inventivo general de los solicitantes.

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   REIVINDICACIONES

   1. Un metodo para procesar termomecanicamente una preforma compuesta de acero para herramientas, que tiene una temperatura de inicio martensftica y una temperatura austemtica estable, teniendo la preforma una primera region (30, 62) que contiene austenita, incluyendo la primera region (30, 62) una superficie exterior y una pluralidad de dimensiones exteriores de la superficie exterior y una segunda region (32) separada de la superficie exterior por la primera region (30, 62), comprendiendo el metodo:

   establecer al menos la primera region (30, 62) de la preforma de acero para herramientas a una temperatura de proceso entre la temperatura de inicio martensftica y la temperatura austemtica estable tal que la microestructura contiene austenita;

   mientras la primera region (30, 62) de la preforma esta en la temperatura de proceso, deformar la primera region (30, 62) para cambiar al menos una de las dimensiones exteriores de la region y para modificar la microestructura de la region en una profundidad que se extiende desde la superficie exterior hasta una profundidad de 1 miftmetro o mas por debajo de la superficie exterior; y

   despues de que la primera region (30, 62) se deforme, enfriar la primera region (30, 62) a la temperatura ambiente, evitando la formacion de fase de bainita, donde la microestructura en la primera region (30, 62) incluye granos martensfticos que tienen una distribucion de angulos de desorientacion, caracterizado por un angulo de desorientacion medio entre granos adyacentes que es mayor que aproximadamente 34°.
2. 2. El metodo de la reivindicacion 1 donde, despues de que la primera region (30, 62) se deforme, las dimensiones exteriores de la primera region son aproximadamente iguales a una forma casi neta de una herramienta utilizada en la conformacion de metales o aplicaciones de corte de metal.
3. 3. El metodo de la reivindicacion 1 o de la reivindicacion 2, donde la primera region (30, 62) tiene una longitud, y el cambio en la al menos una de las dimensiones exteriores aumenta o disminuye la longitud de la primera region.
4. 4. El metodo de cualquier reivindicacion anterior, donde la temperatura del proceso se mantiene isotermica mientras la primera region (30, 62) se deforma.
5. 5. El metodo de la reivindicacion 1, que comprende ademas:

   antes de la deformacion de la primera region (30, 62), calentar la primera region a una temperatura por encima de una temperatura de inicio austemtica del acero para herramientas y enfriar la primera region desde la temperatura por encima de la temperatura de inicio austemtica a la temperatura del proceso.
6. 6. El metodo de la reivindicacion 1, donde la temperatura del proceso esta entre la temperatura de inicio martensftica y una temperatura de inicio austenftica del acero para herramientas, y que comprende ademas:

   mientras la primera region (30, 62) se deforma, mantener la temperatura del proceso entre la temperatura de inicio martensftica y la temperatura de inicio austenftica.
7. 7. El metodo de la reivindicacion 1, donde la microestructura de la primera region (30, 62) no recristaliza.
8. 8. El metodo de la reivindicacion 1, que comprende ademas:

   templar la primera region (30, 62), donde el templado incluye calentar la primera region a una temperatura que no exceda la temperatura de proceso.
9. 9. El metodo de la reivindicacion 1, que comprende ademas:

   antes de la deformacion de la primera region, montar una carcasa (66) hecha de acero para herramientas con un nucleo (68) de acero diferente, donde el establecimiento de la primera region (30, 62) a la temperatura de proceso incluye el establecimiento de al menos la carcasa (66) a la temperatura del proceso, y, mientras la carcasa (66) se encuentra a la temperatura de proceso, deformar al menos una porcion de la carcasa (66).
10. 10. Una herramienta para su uso en una maquina para modificar una pieza de trabajo, comprendiendo la herramienta un elemento (20, 56) compuesto de un acero para herramientas, teniendo el elemento una superficie exterior (22) que define una primera porcion (24) configurada para acoplarse con la maquina y una segunda porcion adaptada para contactar con la pieza de trabajo, incluyendo la segunda parte una primera region (30, 62) que se extiende desde la superficie exterior hasta una profundidad de mas de 1 miftmetro y una segunda region (32) separada de la superficie exterior por la primera region (30), incluyendo la primera region (30, 62) una pluralidad de granos martensfticos que tienen una distribucion de angulos de desorientacion, caracterizada por un angulo de desorientacion medio entre granos adyacentes mayor de aproximadamente 34°, que tiene un tamano medio de grano que es al menos un 10 % mas pequeno que un tamano de grano medio de una pluralidad de granos de la

    segunda region, y que tiene una orientacion de grano diferente de la pluralidad de granos en la segunda region, donde la primera region (30, 62) esta sustancialmente libre de bainita.
11. 11. La herramienta de la reivindicacion 10, donde el angulo de desorientacion medio es al menos aproximadamente 5 de 40°.
12. 12. La herramienta de la reivindicacion 10, donde la microestructura de la primera region (30, 62) no se ha recristalizado.

    10 13. La herramienta de la reivindicacion 11, donde el elemento incluye una carcasa (66) hecha de acero para

    herramientas y un nucleo (68) hecho de un acero diferente, teniendo la carcasa (66) la superficie exterior que define la primera porcion y el nucleo (68) que forman al menos una porcion de la segunda region.