ES2606386T3

ES2606386T3 - Low alloy steel powder

Info

Publication number: ES2606386T3
Application number: ES08868904.7T
Authority: ES
Inventors: Sven Bengtsson; Anna Larsson
Original assignee: Hoganas AB
Current assignee: Hoganas AB
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2017-03-23
Anticipated expiration: 2028-12-18
Also published as: PL2235225T3

Abstract

Una composición de polvo a base de hierro que comprende un polvo de acero a base de hierro prealeado que comprende en % en peso: 0,2-1,5 de Cr, 0,05-0,4 de V, más de 0,15 -0,6 de Mn, menos de 0,1 de Mo, menos de 0,1 de Ni, menos de 0,2 de Cu, menos de 0,1 de C, menos de 0,25 de O, menos de 0,5 de impurezas inevitables, siendo el resto hierro, polvo de acero que se mezcla con un 0,35-1% en peso de la composición de grafito y con un 0,05-2% en peso de la composición de lubricantes.An iron-based powder composition comprising a pre-alloyed iron-based steel powder comprising in% by weight: 0.2-1.5 Cr, 0.05-0.4 V, more than 0, 15 -0.6 Mn, less than 0.1 Mo, less than 0.1 Ni, less than 0.2 Cu, less than 0.1 C, less than 0.25 O, less than 0.5 unavoidable impurities, the remainder being iron, steel powder that is mixed with 0.35-1% by weight of the graphite composition and with 0.05-2% by weight of the lubricant composition.

Description

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DESCRIPCIONDESCRIPTION

Polvo de acero de baja aleacion Campo de la invencionLow Alloy Steel Powder Field of the Invention

La presente invencion se refiere a un polvo a base de hierro de baja aleacion, asf como a una composicion en polvo que contiene el polvo y otros aditivos, y a un componente forjado de polvo a partir de la composicion en polvo. La composicion en polvo y el polvo estan disenados para una produccion rentable de piezas forjadas de polvo, tales como bielas.The present invention relates to a low-alloy iron-based powder, as well as a powder composition containing the powder and other additives, and a powder forged component from the powder composition. The powder and powder composition are designed for cost-effective production of powder forged parts, such as connecting rods.

Antecedentes de la invencionBackground of the invention

En la industria, el uso de la fabricacion de productos de metal por compactacion y sinterizacion de composiciones en pulvimetal se esta extendiendo cada vez mas. Se estan produciendo una serie de productos diferentes de forma y espesor variables y se elevan continuamente los requisitos de calidad al mismo tiempo que se desea reducir el coste. Dado que se obtienen componentes en su forma final o componentes proximos a su forma final que requieren un mmimo de mecanizado con el fin de alcanzar la forma acabada mediante prensado y sinterizacion de composiciones en polvo de hierro en combinacion con un alto grado de utilizacion de material, esta tecnica tiene una gran ventaja sobre las tecnicas convencionales para conformar piezas de metal, tales como el moldeo o la mecanizacion de metal en barras o piezas forjadas.In the industry, the use of metal product manufacturing by compaction and sintering of powder compositions is increasingly being extended. A series of different products of varying shape and thickness are being produced and quality requirements are continually being raised while reducing cost. Since components are obtained in their final form or components close to their final form that require a minimum of machining in order to achieve the finished form by pressing and sintering iron powder compositions in combination with a high degree of material use , this technique has a great advantage over conventional techniques for forming metal parts, such as the molding or machining of metal bars or forged parts.

Sin embargo, un problema relacionado con el procedimiento de prensado y sinterizacion es que el componente sinterizado contiene una determinada cantidad de poros que disminuye la resistencia del componente. Basicamente hay dos maneras de superar el efecto negativo en las propiedades mecanicas causado por la porosidad del componente. 1) La resistencia del componente sinterizado se puede incrementar introduciendo elementos de aleacion, tales como carbono, cobre, mquel, molibdeno, etc. 2) La porosidad del componente sinterizado se puede reducir incrementando la compresibilidad de la composicion en polvo y/o incrementando la presion de compactacion para una densidad en crudo mayor, o incrementando la contraccion del componente durante la sinterizacion. En la practica se aplica una combinacion de refuerzo del componente, mediante la adicion de elementos de aleacion y minimizacion de la porosidad.However, a problem related to the pressing and sintering process is that the sintered component contains a certain amount of pores that decreases the strength of the component. Basically there are two ways to overcome the negative effect on the mechanical properties caused by the porosity of the component. 1) The resistance of the sintered component can be increased by introducing alloying elements, such as carbon, copper, nickel, molybdenum, etc. 2) The porosity of the sintered component can be reduced by increasing the compressibility of the powder composition and / or by increasing the compaction pressure for a higher crude density, or by increasing the contraction of the component during sintering. In practice, a combination of reinforcement of the component is applied, by adding alloying elements and minimizing porosity.

La forja de polvo incluye una densificacion rapida de una preforma sinterizada usando una terraja de forja. El resultado es una pieza en su forma final o proxima a su forma final totalmente densa, adecuada para aplicaciones de alto rendimiento. Tfpicamente, los artfculos forjados en polvo se han fabricado a partir de polvo de hierro mezclado con cobre y grafito. Otros tipos de materiales sugeridos incluyen polvo de hierro prealeado con mquel y molibdeno y pequenas cantidades de manganeso para potenciar la templabilidad del hierro sin desarrollar oxidos estables. Tambien se anaden comunmente agentes potenciadores de la maquinabilidad, tales como MnS.The powder forge includes rapid densification of a sintered preform using a forge die. The result is a piece in its final form or close to its final form completely dense, suitable for high performance applications. Typically, powder forged items have been made from iron powder mixed with copper and graphite. Other types of suggested materials include iron powder pre-alloyed with nickel and molybdenum and small amounts of manganese to enhance the hardenability of iron without developing stable oxides. Also, machinability enhancing agents are added, such as MnS.

El carbono en el componente acabado incrementara la resistencia y dureza. El cobre se funde antes de alcanzar la temperatura de sinterizacion, incrementando asf la velocidad de difusion y favorece la formacion de gargantas de sinterizacion. La adicion de cobre mejorara la resistencia, dureza y templabilidad.The carbon in the finished component will increase strength and hardness. The copper melts before reaching the sintering temperature, thus increasing the diffusion rate and favors the formation of sintering throats. The addition of copper will improve strength, hardness and hardenability.

Mediante la tecnica de forja de polvo se han producido con exito bielas para motores de combustion interna. Cuando se producen bielas usando la forja de polvo, la cabeza del componente compactado y sinterizado se somete normalmente a una operacion de tipo "fracture split". Los orificios y las roscas para los pernos de cabeza se mecanizan. Una propiedad esencial para una biela en un motor de combustion interna es un alto lfmite de resistencia a la compresion, dado que dicha biela se somete a cargas de compresion tres veces mayores que las cargas de traccion. Otra propiedad del material esencial es una maquinabilidad apropiada, dado que se han de mecanizar orificios y roscas con el fin de conectar las cabezas divididas despues del montaje. Sin embargo, la fabricacion de bielas es una aplicacion altamente sensible al precio y volumen, con requisitos de rendimiento, diseno y durabilidad estrictos. Por lo tanto, los materiales o procedimientos que proporcionan costes mas bajos son altamente deseables.By means of the powder forging technique, connecting rods for internal combustion engines have been successfully produced. When connecting rods are produced using the powder forge, the head of the compacted and sintered component normally undergoes a split fracture operation. The holes and threads for the head bolts are machined. An essential property for a connecting rod in an internal combustion engine is a high limit of compressive strength, since said connecting rod is subjected to compression loads three times greater than tensile loads. Another property of the essential material is an appropriate machinability, since holes and threads have to be machined in order to connect the split heads after assembly. However, the manufacture of connecting rods is an application highly sensitive to price and volume, with strict performance, design and durability requirements. Therefore, materials or procedures that provide lower costs are highly desirable.

Los documentos US 3 901 661, US 4 069 044, US 4 266 974, US 5 605 559, US 6 348 080 y WO03/106079 describen polvos que contienen molibdeno. Cuando se usa polvo prealeado con molibdeno para producir piezas prensadas y sinterizadas, se forma facilmente bainita en la pieza sinterizada. En particular, si se usan polvos con bajos contenidos de molibdeno, la bainita formada es basta, afectando a la maquinabilidad, lo que puede problematico en particular para las bielas en las que es deseable una buena maquinabilidad. El molibdeno tambien es muy caro como elemento de aleacion.US 3 901 661, US 4 069 044, US 4 266 974, US 5 605 559, US 6 348 080 and WO03 / 106079 describe powders containing molybdenum. When pre-alloyed powder with molybdenum is used to produce pressed and sintered parts, bainite is easily formed in the sintered part. In particular, if powders with low molybdenum contents are used, the bainite formed is sufficient, affecting machinability, which can be problematic in particular for connecting rods in which good machinability is desirable. Molybdenum is also very expensive as an alloy element.

Sin embargo, en el documento US 5 605 559 se ha obtenido una microestructura de perlita fina con un polvo aleado con Mo manteniendo el Mn muy bajo. Se afirma que el Mo mejora la resistencia del acero mediante endurecimiento por solucion y endurecimiento por precipitacion de carburo de Mo, y similar. Sin embargo, si el contenido de Mo es menor que aproximadamente un 0,1% en peso, su efecto es pequeno. El Mn mejora la resistencia de un material tratado termicamente mejorando su templabilidad. Sin embargo, si el contenido de Mn sobrepasa aproximadamente un 0,08% en peso, se produce oxido en la superficie de los polvos de acero aleado, de tal manera que se reduce la compresibilidad y se incrementa la templabilidad mas alla del nivel requerido. Por lo tanto, se forma una estructuraHowever, in US 5 605 559 a fine perlite microstructure with an alloy alloyed with Mo has been obtained keeping the Mn very low. It is claimed that Mo improves the strength of steel by solution hardening and precipitation hardening of Mo carbide, and the like. However, if the Mo content is less than about 0.1% by weight, its effect is small. Mn improves the resistance of a thermally treated material improving its hardenability. However, if the content of Mn exceeds approximately 0.08% by weight, oxide is produced on the surface of the alloyed steel powders, such that compressibility is reduced and the hardenability is increased beyond the required level. Therefore, a structure is formed

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superior de bainita basta y se reduce la resistencia. Sin embargo, mantener bajo el contenido de Mn puede ser caro, en particular cuando se usa chatarra de acero barata en la produccion, ya que la chatarra de acero a menudo contiene Mn en un 0,1% en peso y mas. Asf, un polvo producido en consecuencia sera comparativamente caro, debido al bajo contenido de Mn y el coste del Mo.Bainite top is enough and resistance is reduced. However, keeping the Mn content low can be expensive, particularly when using cheap steel scrap in production, since the steel scrap often contains Mn at 0.1% by weight and more. Thus, a powder produced accordingly will be comparatively expensive, due to the low content of Mn and the cost of Mo.

Los documentos US 2003/0033904, US 2003/0196511 y US2006/086204 describen polvos utiles para la produccion bielas forjadas de polvo. Los polvos contienen polvos prealeados a base de hierro, que contienen manganeso y azufre, mezclados con polvo de cobre y grafito. El documento US 2006/086204 describe una biela hecha de una mezcla de polvo de hierro, grafito, sulfuro de manganeso y polvo de cobre. El valor mas alto del lfmite de resistencia a la compresion, 775 MPa, se obtuvo para un material que tema un 3% en peso de Cu y un 0,7% en peso de grafito. El valor correspondiente para la dureza era 34,7 HRC, lo que corresponde a aproximadamente 340 HV1. Una reduccion de los contenidos de cobre y de carbono tambien conducira a un lfmite de resistencia a la compresion y una dureza reducidos.US 2003/0033904, US 2003/0196511 and US2006 / 086204 describe powders useful for the production of forged dust rods. The powders contain prealloyed iron-based powders, which contain manganese and sulfur, mixed with copper and graphite powder. US 2006/086204 describes a connecting rod made of a mixture of iron powder, graphite, manganese sulfide and copper powder. The highest value of the compressive strength limit, 775 MPa, was obtained for a material that is 3% by weight of Cu and 0.7% by weight of graphite. The corresponding value for hardness was 34.7 HRC, which corresponds to approximately 340 HV1. A reduction in the copper and carbon contents will also lead to a reduced compressive strength limit and hardness.

Objetivos de la invencionObjectives of the invention

Un objetivo de la invencion es proporcionar un polvo a base de hierro aleado adecuado para producir componentes forjados de polvo, tales como bielas, y esencialmente libre de elementos de aleacion costosos, tales como molibdeno y mquel.An object of the invention is to provide an alloy based iron powder suitable for producing powder forged components, such as connecting rods, and essentially free of expensive alloying elements, such as molybdenum and nickel.

Un objetivo adicional de la presente invencion es proporcionar un polvo de acero de baja aleacion adecuado para producir componentes forjados de polvo que tengan una estructura sustancialmente perlttica/ferntica.A further objective of the present invention is to provide a low alloy steel powder suitable for producing powder forged components having a substantially perltic / ferntic structure.

Otro objetivo de la invencion es proporcionar un polvo que pueda formar componentes forjados de polvo que tengan un alto lfmite de elasticidad a la compresion, CYS, por encima de 820 MPa, en combinacion con una dureza Vickers de como maximo 380 HV1, preferentemente por debajo de 360 HV1, lo que permite que la pieza forjada de polvo se mecanice facilmente, todavfa siendo lo suficientemente resistente.Another object of the invention is to provide a powder that can form forged powder components having a high compression elasticity limit, CYS, above 820 MPa, in combination with a Vickers hardness of at most 380 HV1, preferably below of 360 HV1, which allows the powder forged to be easily machined, still strong enough.

Otro objetivo de la invencion es proporcionar una pieza forjada de polvo, preferentemente una biela, que tenga las propiedades mencionadas anteriormente.Another object of the invention is to provide a powder forged, preferably a connecting rod, having the properties mentioned above.

Sumario de la invencionSummary of the invention

Al menos uno de estos objetivos se logra mediante:At least one of these objectives is achieved by:

- Una composicion de polvo a base de hierro que comprende un polvo de acero a base de hierro prealeado que comprende en % en peso: 0,2-1,5 de Cr, 0,05-0,4 de V, mas de 0,15-0,6 de Mn, menos de 0,1 de Mo, menos de 0,1 de Ni, menos de 0,2 de Cu, menos de 0,1 de C, menos de 0,25 de O, menos de 0,5 de impurezas inevitables, siendo el resto hierro.- An iron-based powder composition comprising a pre-alloyed iron-based steel powder comprising in% by weight: 0.2-1.5 Cr, 0.05-0.4 V, more than 0 , 15-0.6 Mn, less than 0.1 Mo, less than 0.1 Ni, less than 0.2 Cu, less than 0.1 C, less than 0.25 O, less 0.5 of inevitable impurities, the rest being iron.

- Una composicion a base de polvo de acero que tiene en % en peso de la composicion: 0,35-1 de C en forma de grafito, 0,05-2 de lubricante, opcionalmente 0-4 de Cu en forma de polvo de cobre.- A powder-based composition of steel that has a% by weight of the composition: 0.35-1 of C in the form of graphite, 0.05-2 of lubricant, optionally 0-4 of Cu in the form of powder of copper.

- Un procedimiento para producir un componente sinterizado y opcionalmente forjado de polvo, que comprende los pasos de:- A process for producing a sintered and optionally forged powder component, comprising the steps of:

a) preparar una composicion de polvo de acero a base de hierro de antes,a) prepare an iron-based steel powder composition from before,

b) someter la composicion a compactacion entre 400 y 2000 MPa,b) subject the composition to compaction between 400 and 2000 MPa,

c) sinterizar el componente en crudo obtenido en una atmosfera reductora a una temperatura entre 1000-1400 °C y,c) sintering the raw component obtained in a reducing atmosphere at a temperature between 1000-1400 ° C and,

d) opcionalmente, forjar el componente calentado a una temperatura por encima de 500 °C, od) optionally, forging the heated component at a temperature above 500 ° C, or

someter el componente sinterizado obtenido a enfriamiento y luego recalentar el componente enfriado a una temperatura entre 500-1400 °C.subject the sintered component obtained to cooling and then reheat the cooled component to a temperature between 500-1400 ° C.

- Un componente hecho de la composicion.- A component made of the composition.

El polvo de acero tiene contenido bajo y definido de cromo, manganeso y vanadio y esta esencialmente libre de molibdeno y mquel y ha demostrado ser que pueda proporcionar un componente que tiene un lfmite de elasticidad a la compresion de mas de 820 MPa, en combinacion con un valor de dureza por debajo de 380 HV1.The steel powder has a low and definite content of chromium, manganese and vanadium and is essentially free of molybdenum and nickel and has proven to be able to provide a component that has a compression elasticity limit of more than 820 MPa, in combination with a hardness value below 380 HV1.

Descripcion detallada de la invencionDetailed description of the invention

Preparacion del polvo de acero aleado a base de hierro.Preparation of iron-based alloy steel powder.

El polvo de acero se produce mediante una atomizacion de agua en una masa fundida de acero que contieneSteel dust is produced by water atomization in a steel melt containing

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cantidades definidas de elementos de aleacion. El polvo atomizado se somete adicionalmente a un procedimiento de recocido de reduccion tal como se describe en la patente US 6 027 544;defined quantities of alloying elements. The atomized powder is additionally subjected to a reduction annealing process as described in US 6,027,544;

El tamano de parffcula del polvo de acero puede ser de cualquier tamano, siempre y cuando sea compatible con los procedimientos de prensado y sinterizacion o forja de polvo. Un ejemplo de tamano de parffcula adecuado es el tamano de parffcula del polvo conocido ABC100.30 disponible de Hoganas AB, Suecia, que tiene aproximadamente un 10% en peso por encima de 150 |im y aproximadamente un 20% en peso por debajo de 45 |im.The size of the steel powder can be of any size, as long as it is compatible with the pressing and sintering or powder forging procedures. An example of a suitable size of parffcula is the size of the known powder parcel size ABC100.30 available from Hoganas AB, Sweden, which is approximately 10% by weight above 150 µm and approximately 20% by weight below 45 | im.

Contenido del polvo de aceroSteel powder content

El cromo sirve para fortalecer la matriz mediante un endurecimiento por solubilizacion de la fase solida. Por otra parte, el cromo incrementa la templabilidad, la resistencia a la oxidacion y la resistencia a la abrasion del cuerpo sinterizado. Sin embargo, un contenido de cromo por encima de un 1,5% en peso disminuira la compresibilidad del polvo de acero y hara mas diffcil la formacion de una microestructura perfftica/ferfftica. Preferentemente, desde el punto de vista de la compresibilidad, el contenido superior es de aproximadamente un 1,2% en peso.Chromium is used to strengthen the matrix by a hardening by solubilization of the solid phase. On the other hand, chromium increases the hardenability, oxidation resistance and abrasion resistance of the sintered body. However, a chromium content above 1.5% by weight will decrease the compressibility of the steel powder and make the formation of a perfftica / ferfftica microstructure more difficult. Preferably, from the standpoint of compressibility, the upper content is about 1.2% by weight.

El manganeso, como el cromo, incrementara la resistencia, dureza y templabilidad del polvo de acero. Ademas, si el contenido de manganeso es demasiado bajo, no es posible usar chatarra barata reciclada a menos que se lleve a cabo un tratamiento espedfico para la reduccion durante el curso de la fabricacion del acero, lo que incrementa los costes. Por lo tanto, el contenido de manganeso esta por encima de un 0,15% en peso. Un contenido de Mn por encima de un 0,6% en peso incrementara la formacion de inclusiones que contienen manganeso en el polvo de acero y tambien tendra un efecto negativo en la compresibilidad debido a un endurecimiento por solubilizacion de la fase solida y una dureza incrementada de la ferrita. Por lo tanto, el contenido de Mn no debe sobrepasar un 0,6% en peso.Manganese, like chromium, will increase the strength, hardness and hardenability of steel dust. In addition, if the manganese content is too low, it is not possible to use cheap recycled scrap unless a specific treatment for reduction is carried out during the course of steelmaking, which increases costs. Therefore, the manganese content is above 0.15% by weight. A content of Mn above 0.6% by weight will increase the formation of inclusions containing manganese in the steel powder and will also have a negative effect on compressibility due to a hardening by solubilization of the solid phase and an increased hardness of the ferrite. Therefore, the content of Mn should not exceed 0.6% by weight.

Sin embargo, tener un alto contenido tanto de manganeso como de cromo hace que sea mas diffcil y costoso reducir el contenido de oxfgeno a niveles bajos a traves de recocido. Por lo tanto, de acuerdo con un modo de realizacion, el contenido de manganeso es como maximo de un 0,3% en peso cuando el contenido de cromo esta por encima de un 0,6% en peso.However, having a high content of both manganese and chromium makes it more difficult and expensive to reduce the oxygen content to low levels through annealing. Therefore, according to one embodiment, the manganese content is a maximum of 0.3% by weight when the chromium content is above 0.6% by weight.

Al tener un menor contenido de cromo, es posible ajustar el lfmite inferior de manganeso algo mas alto para incrementar la resistencia, dureza y templabilidad del polvo de acero. Por lo tanto, de acuerdo con otro modo de realizacion, el contenido de Mn esta entre un 0,2-0,6% en peso cuando el contenido de Cr esta entre un 0,2-0,6% en peso.By having a lower chromium content, it is possible to adjust the lower limit of manganese somewhat higher to increase the strength, hardness and hardenability of the steel powder. Therefore, according to another embodiment, the Mn content is between 0.2-0.6% by weight when the Cr content is between 0.2-0.6% by weight.

El vanadio incrementa la resistencia mediante endurecimiento por precipitacion. El vanadio tiene tambien un efecto de refinacion del tamano de grano y se cree que en este contexto contribuye a la formacion de la microestructura perlftica/ferfftica de grano fino deseable. Con un contenido de vanadio por encima de un 0,4%, el tamano de los precipitados de nitruro y carburo de vanadio incrementa, lo que afecta a las caracteffsticas del polvo. Un contenido por debajo de un 0,05% en peso tendra un efecto insignificante en las propiedades deseadas.Vanadium increases resistance by precipitation hardening. Vanadium also has a grain size refinement effect and it is believed that in this context it contributes to the formation of the desirable fine grain perlftic / ferritic microstructure. With a vanadium content above 0.4%, the size of the nitride and vanadium carbide precipitates increases, which affects the dust characteristics. A content below 0.05% by weight will have an insignificant effect on the desired properties.

En un modo de realizacion, el contenido de vanadio es un 0,05-0,20% en peso, el contenido de cromo es de un 0,20,6% en peso y el contenido de manganeso es de un 0,2-0,6% en peso. Tener bajo contenido de vanadio y cromo proporciona un polvo de bajo coste.In one embodiment, the vanadium content is 0.05-0.20% by weight, the chromium content is 0.20.6% by weight and the manganese content is 0.2- 0.6% by weight. Having low vanadium and chromium content provides a low cost powder.

El oxfgeno esta preferentemente como maximo en un 0,25% en peso, un contenido demasiado alto de oxidos afecta a la resistencia del componente sinterizado y, opcionalmente, forjado, y afecta a la compresibilidad del polvo. Por estas razones, el O esta preferentemente como maximo en un 0,18% en peso.The oxygen is preferably at a maximum of 0.25% by weight, an excessively high content of oxides affects the resistance of the sintered component and, optionally, forged, and affects the compressibility of the powder. For these reasons, the O is preferably at most 0.18% by weight.

El mquel debe estar en menos de un 0,1% en peso y el cobre menos de un 0,2% en peso.The nickel must be less than 0.1% by weight and copper less than 0.2% by weight.

El molibdeno debe estar en menos de un 0,1% en peso para evitar la formacion de bainita, asf como para mantener el coste bajo, ya que el molibdeno es un elemento de aleacion muy caro.Molybdenum should be less than 0.1% by weight to avoid the formation of bainite, as well as to keep the cost low, since molybdenum is a very expensive alloy element.

El carbono en el polvo de acero debe estar como maximo en un 0,1% en peso y el nitrogeno como maximo en un 0,1% en peso. Un contenido mas alto disminuira inaceptablemente la compresibilidad del polvo.The carbon in the steel powder must be at most 0.1% by weight and the nitrogen at most 0.1% by weight. A higher content will unacceptably decrease the compressibility of the powder.

La cantidad total de impurezas incidentales, tales como silicio fosforico, aluminio y similares, debe ser menos de un 0,5% en peso con el fin de no deteriorar la compresibilidad del polvo de acero o de que actuen como formadores de inclusiones perjudiciales, preferentemente menos de un 0,3% en peso.The total amount of incidental impurities, such as phosphoric silicon, aluminum and the like, must be less than 0.5% by weight in order not to impair the compressibility of the steel powder or to act as formators of harmful inclusions, preferably less than 0.3% by weight.

Composicion del polvoPowder composition

Antes de la compactacion, el polvo de acero a base de hierro se mezcla con grafito y lubricantes y opcionalmente hasta un 4% de polvo de cobre.Prior to compaction, the iron-based steel powder is mixed with graphite and lubricants and optionally up to 4% copper powder.

Con el fin de potenciar la resistencia y la dureza del componente sinterizado, se introduce carbono en la matriz. El carbono, C, se anade en forma de grafito en una cantidad entre un 0,35-1,0% en peso de la composicion. Una cantidad de menos de un 0,35% en peso de C dara como resultado una resistencia demasiado baja y una cantidadIn order to enhance the strength and hardness of the sintered component, carbon is introduced into the matrix. The carbon, C, is added in graphite form in an amount between 0.35-1.0% by weight of the composition. An amount of less than 0.35% by weight of C will result in too low resistance and an amount

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por encima de un 1,0% en peso de C dara como resultado una formacion excesiva de carburos, lo que produce una dureza demasiado alta y empeoran las propiedades de maquinabilidad. Si, despues de la sinterizacion o la forja, el componente ha de ser tratado termicamente de acuerdo con un procedimiento de tratamiento termico que incluya una carburacion, la cantidad de grafito anadido puede ser de menos de un 0,35%. Los lubricantes se anaden a la composicion con el fin de facilitar la compactacion y la expulsion del componente compactado. La adicion de menos de un 0,05% en peso de la composicion de lubricantes tendra un efecto insignificante y la adicion por encima de un 2% en peso de la composicion dara como resultado una densidad demasiado baja del cuerpo compactado. Los lubricantes se pueden elegir del grupo de estearatos de metal, ceras, acidos grasos y derivados de los mismos, oligomeros, poftmeros y otras sustancias organicas que tengan un efecto lubricante.Above 1.0% by weight of C will result in excessive formation of carbides, resulting in too high hardness and worsening the machinability properties. If, after sintering or forging, the component has to be heat treated in accordance with a heat treatment procedure that includes a carburetion, the amount of graphite added may be less than 0.35%. The lubricants are added to the composition in order to facilitate compaction and expulsion of the compacted component. The addition of less than 0.05% by weight of the lubricant composition will have an insignificant effect and the addition above 2% by weight of the composition will result in a too low density of the compacted body. The lubricants can be chosen from the group of metal stearates, waxes, fatty acids and derivatives thereof, oligomers, poftmeros and other organic substances that have a lubricating effect.

El cobre, Cu, es un elemento de aleacion usado comunmente en la tecnica pulvimetalurgica. El Cu potenciara la resistencia y la dureza mediante un endurecimiento por solubilizacion de la fase solida. El Cu tambien facilitara la formacion de gargantas de sinterizacion durante la sinterizacion, dado que el cobre se funde antes de alcanzar la temperatura de sinterizacion, proporcionando una, asf llamada, sinterizacion en fase ftquida, que es mas rapida que la sinterizacion en estado solido. En particular, cuando se tiene contenido de Cr mas bajo del polvo de acero a base de hierro, entre un 0,2-0,6% en peso, el polvo se mezcla preferentemente con Cu o se une por difusion a Cu, preferentemente en una cantidad de un 2-4% en peso de Cu, para compensar el efecto disminuido de Cr, es decir para alcanzar a un CYS por encima de 820 MPa, y mas preferentemente la cantidad de Cu es de un 2,5-4% en peso. Sin embargo, el polvo se puede mezclar o no con Cu, o unirse por difusion a Cu, cuando el contenido de Cr esta por encima de un 0,6% en peso.Copper, Cu, is an alloy element commonly used in powder metallurgy. The Cu will enhance strength and hardness by hardening by solubilization of the solid phase. The Cu will also facilitate the formation of sintering throats during sintering, since copper melts before reaching the sintering temperature, providing a so-called sintering in the liquid phase, which is faster than solid-state sintering. In particular, when there is lower Cr content of iron-based steel powder, between 0.2-0.6% by weight, the powder is preferably mixed with Cu or diffused to Cu, preferably in an amount of 2-4% by weight of Cu, to compensate for the diminished effect of Cr, ie to reach a CYS above 820 MPa, and more preferably the amount of Cu is 2.5-4% in weigh. However, the powder may or may not be mixed with Cu, or diffused to Cu, when the Cr content is above 0.6% by weight.

Se pueden anadir otras sustancias, tales como materiales de fase solida y agentes potenciadores de la maquinabilidad, tales como MnS, MoS2, CaF2, diferentes tipos de minerales, etc.Other substances, such as solid phase materials and machinability enhancing agents, such as MnS, MoS2, CaF2, different types of minerals, etc. can be added.

SinterizacionSintering

La composicion de polvo a base de hierro se transfiere a un molde y se somete a una presion de compactacion de 400-2000 MPa hasta una densidad en crudo por encima de aproximadamente 6,75 g/cm3. El componente en crudo obtenido se somete adicionalmente a una sinterizacion en una atmosfera reductora a una temperatura de 1000-1400 °C, preferentemente entre 1100-1300 °C.The iron-based powder composition is transferred to a mold and subjected to a compaction pressure of 400-2000 MPa to a crude density above about 6.75 g / cm3. The crude component obtained is further subjected to sintering in a reducing atmosphere at a temperature of 1000-1400 ° C, preferably between 1100-1300 ° C.

Tratamientos posteriores a la sinterizacionPost sintering treatments

El componente sinterizado se puede someter a una operacion de forja con el fin de alcanzar una densidad total. La operacion de forja se puede realizar directamente despues de la operacion de sinterizacion, cuando la temperatura del componente esta entre 500-1400 °C, o bien despues de enfriamiento del componente sinterizado, entonces el componente enfriado se recalienta a una temperatura entre 500-1400 °C antes de la operacion de forja.The sintered component can be subjected to a forging operation in order to reach a total density. The forging operation can be performed directly after the sintering operation, when the temperature of the component is between 500-1400 ° C, or after cooling of the sintered component, then the cooled component is reheated to a temperature between 500-1400 ° C before the forging operation.

El componente sinterizado o forjado tambien se puede someter a un procedimiento de endurecimiento, para obtener la microestructura deseada, por tratamiento termico y por velocidad de enfriamiento controlada. El procedimiento de endurecimiento puede incluir procedimientos conocidos, tales como cementacion en caja, nitruracion, endurecimiento por induccion y similares. En caso de que el tratamiento termico incluya una carburacion, la cantidad de grafito anadido puede ser de menos de un 0,35%.The sintered or forged component can also be subjected to a hardening process, to obtain the desired microstructure, by heat treatment and by controlled cooling rate. The hardening process may include known procedures, such as box cementation, nitriding, induction hardening and the like. In case the thermal treatment includes a carburetion, the amount of graphite added can be less than 0.35%.

Se pueden utilizar otros tipos de tratamientos posteriores a la sinterizacion, tales como laminado de superficie o granallado, que introduce tensiones residuales de compresion que potencian la resistencia a la fatiga.Other types of post-sintering treatments can be used, such as surface lamination or shot blasting, which introduces residual compression stresses that enhance fatigue resistance.

Propiedades del componente acabadoProperties of the finished component

A diferencia de la estructura ferntica/perlftica obtenida cuando se sinterizan componentes basados en un sistema de hierro-cobre-carbono usado comunmente en la industria PM, y especialmente en la forja de polvo, el polvo de acero aleado de acuerdo con la presente invencion esta disenado para obtener una estructura ferntica/perlftica mas fina.Unlike the ferric / perlphic structure obtained when components based on an iron-copper-carbon system commonly used in the PM industry are sintered, and especially in the forging of dust, the alloy steel powder according to the present invention is designed to obtain a finer ferric / perlphic structure.

Sin atenerse a ninguna teona espedfica, se cree que esta estructura ferntica/perlftica mas fina contribuye a alcanzar un mayor ftmite de resistencia a la compresion, en comparacion con los materiales obtenidos a partir de un sistema de hierro/cobre/carbono, con el mismo nivel de dureza. La demanda de un ftmite de resistencia a la compresion mejorado es especialmente pronunciada para las bielas, tales como las bielas forjadas de polvo. Al mismo tiempo debe ser posible mecanizar los materiales de biela de una manera economica y, por lo tanto, no se debe incrementar la dureza del material. La presente invencion proporciona un nuevo material que tiene un ftmite de resistencia a la compresion mejorado, por encima de 820 MPa, en combinacion con un valor de dureza por debajo de 380 HV1, preferentemente por debajo de 360 HV1.Without adhering to any specific teona, it is believed that this finer ferric / perlphic structure contributes to a higher compression resistance limit, compared to the materials obtained from an iron / copper / carbon system, with the same hardness level The demand for an improved compression resistance limit is especially pronounced for connecting rods, such as forged dust rods. At the same time it must be possible to mechanize the connecting rod materials in an economical manner and, therefore, the hardness of the material should not be increased. The present invention provides a new material having an improved compression resistance limit, above 820 MPa, in combination with a hardness value below 380 HV1, preferably below 360 HV1.

EjemplosExamples

Se produjeron diversos polvos de acero a base de hierro prealeado mediante atomizacion de agua en masas fundidas de acero. Los polvos en bruto obtenidos se recocieron adicionalmente en una atmosfera reductora, seguido de un procedimiento de molienda suave con el fin de disgregar la torta de polvo sinterizado. Los tamanos de partfcula de los polvos estaban por debajo de 150 |im. La tabla 1 muestra las composiciones qmmicas de losVarious pre-alloyed iron-based steel powders were produced by water atomization in steel melts. The raw powders obtained were further annealed in a reducing atmosphere, followed by a gentle grinding process in order to disintegrate the sintered powder cake. The particle sizes of the powders were below 150 | im. Table 1 shows the chemical compositions of the

55

1010

15fifteen

20twenty

2525

3030

3535

diferentes polvos.different powders

(Polvos de ejemplo A y B no estan en el alcance de proteccion). Tabla 1(Example powders A and B are not in the scope of protection). Table 1

Polvo Powder: Cr [%] Mn [%] V [%] C [%] O [%] N [%] S [%] Cr [%] Mn [%] V [%] C [%] O [%] N [%] S [%]

A TO: 0,72 0,09 0,16 0,003 0,11 0,003 0,001 0.72 0.09 0.16 0.003 0.11 0.003 0.001

B B: 0,87 0,11 0,27 0,003 0,08 0,006 0,001 0.87 0.11 0.27 0.003 0.08 0.006 0.001

D D: 1,14 0,17 0,20 0,010 0,11 0,004 0,001 1.14 0.17 0.20 0.010 0.11 0.004 0.001

F F: 0,35 0,35 0,10 0,004 0,15 0,001 0,002 0.35 0.35 0.10 0.004 0.15 0.001 0.002

G G: 0,25 0,55 0,06 0,002 0,06 0,001 0,001 0.25 0.55 0.06 0.002 0.06 0.001 0.001

H H: 1,18 0,17 0,38 0,003 0,14 0,002 0,001 1.18 0.17 0.38 0.003 0.14 0.002 0.001

I I: 0,29 0,19 0,11 0,002 0,08 0,001 0,001 0.29 0.19 0.11 0.002 0.08 0.001 0.001

J J: 0,31 0,35 0,10 0,004 0,15 0,001 0,002 0.31 0.35 0.10 0.004 0.15 0.001 0.002

Ref. 1 Ref. 1: - - - N.A. N.A. N.A. N.A. - - - N.A. N.A. N.A. N.A.

Ref. 2 Ref. 2: - - - N.A. N.A. N.A. N.A. - - - N.A. N.A. N.A. N.A.

Ref. 3 Ref. 3: 0,25 0,25 - N.A. N.A. N.A. N.A. 0.25 0.25 - N.A. N.A. N.A. N.A.

La tabla 1 muestra la composicion qmmica del polvo de acero A-J y las refs. 1-3.Table 1 shows the chemical composition of A-J steel powder and refs. 1-3.

Los polvos de acero A-J obtenidos se mezclaron con grafito 1651 de Asbury, EE. UU., de acuerdo con las cantidades especificadas en la tabla 2, y un 0,8% de Amide Wax PM, disponible de Hoganas AB, Suecia. A algunas de las composiciones se les anadio polvo de cobre Cu-165 de A Cu Powder, EE. UU., de acuerdo con las cantidades especificadas en la tabla 2.The A-J steel powders obtained were mixed with 1651 graphite from Asbury, USA. UU., According to the amounts specified in table 2, and 0.8% of Amide Wax PM, available from Hoganas AB, Sweden. Some of the compositions were added Cu-165 copper powder from A Cu Powder, USA. UU., According to the quantities specified in table 2.

Como composiciones de referencia se prepararon dos composiciones de hierro-cobre-carbono, Ref. 1 y a la Ref. 2, basadas en el polvo de hierro AHC100.29, disponible de Hoganas AB, Suecia, y las mismas calidades de grafito y cobre de acuerdo con las cantidades especificadas en la tabla 2. Adicionalmente se anadio un 0,8% en peso de Amide Wax PM, disponible de Hoganas AB, Suecia, a la Ref. 1 y Ref. 2, respectivamente. Otra composicion de referencia, Ref. 3, estaba basada en un polvo de acero al Cr-Mn de baja aleacion que contema un 0,25% en peso de cromo y un 0,25% en peso de manganeso, mezclado con la misma calidad de cobre y grafito, de acuerdo con las cantidades especificadas en la tabla 2, y un 0.8 % de Amide Wax PM como lubricante.As reference compositions, two iron-copper-carbon compositions, Ref. 1 and Ref. 2, were prepared based on the iron powder AHC100.29, available from Hoganas AB, Sweden, and the same qualities of graphite and copper of according to the amounts specified in table 2. Additionally, 0.8% by weight of Amide Wax PM, available from Hoganas AB, Sweden, was added to Ref. 1 and Ref. 2, respectively. Another reference composition, Ref. 3, was based on a low alloy Cr-Mn steel powder containing 0.25% by weight of chromium and 0.25% by weight of manganese, mixed with the same quality of copper and graphite, according to the amounts specified in table 2, and 0.8% of Amide Wax PM as a lubricant.

Las composiciones en polvo obtenidas se transfirieron a un troquel y se compactaron para formar componentes en crudo a una presion de compactacion de 490 MPa. Los componentes en crudo compactados se colocaron en un horno a una temperatura de 1120 °C en una atmosfera reductora durante aproximadamente 40 minutos. Los componentes sinterizados y calentados se sacaron del horno e inmediatamente despues se forjaron en una cavidad cerrada hasta una densidad total. Despues del procedimiento de forjado, los componentes se dejaron enfriar al aire.The powder compositions obtained were transferred to a die and compacted to form raw components at a compaction pressure of 490 MPa. The compacted raw components were placed in an oven at a temperature of 1120 ° C in a reducing atmosphere for approximately 40 minutes. The sintered and heated components were removed from the oven and immediately afterwards they were forged in a closed cavity to a total density. After the forging procedure, the components were allowed to cool in the air.

Los componentes forjados se mecanizaron para obtener muestras de lfmite de resistencia a la compresion de acuerdo con ASTM E9-89c y se sometieron a prueba con respecto al lfmite de resistencia a la compresion, CYS, de acuerdo con ASTM E9-89c.The forged components were machined to obtain compression resistance limit samples in accordance with ASTM E9-89c and tested against the compression resistance limit, CYS, in accordance with ASTM E9-89c.

Se sometio a prueba la dureza, HV1, en los mismos componentes de acuerdo con la norma EN ISO 6507-1 y se realizaron analisis qmmicos con respecto a cobre, carbono y oxfgeno en las muestras de lfmite de resistencia a la compresion.The hardness, HV1, was tested on the same components in accordance with EN ISO 6507-1 and chemical analyzes were performed with respect to copper, carbon and oxygen in the limit samples of compressive strength.

La tabla 2 siguiente muestra las cantidades de grafito anadidas a la composicion antes de producir las muestras de prueba. Tambien muestra los analisis qmmicos de C, O y Cu de las muestras de prueba. La cantidad de Cu analizado de las muestras de prueba corresponde a la cantidad de polvo de Cu mezclado en la composicion. El contenido de Cu no se analizo en las muestras de prueba basadas en composiciones sin Cu mezclado. La tabla tambien muestra los resultados de las pruebas de CYS y dureza para las muestras. Las composiciones de polvo D1 y D2 consisten en polvo D mezclado con un 0,45 o un 0,55% en peso de grafito respectivamente. Las composiciones de polvo B1 y B2 consisten en polvo B mezclado con un 0,3 o un 0,5% en peso de grafito respectivamente.Table 2 below shows the amounts of graphite added to the composition before producing the test samples. It also shows the chemical analyzes of C, O and Cu of the test samples. The amount of Cu analyzed in the test samples corresponds to the amount of Cu powder mixed in the composition. Cu content was not analyzed in test samples based on compositions without mixed Cu. The table also shows the results of the CYS tests and hardness for the samples. The powder compositions D1 and D2 consist of powder D mixed with 0.45 or 0.55% by weight of graphite respectively. The powder compositions B1 and B2 consist of powder B mixed with 0.3 or 0.5% by weight of graphite respectively.

Tabla 2Table 2

Composicion de polvo Powder composition: Grafito anadido [%] Cu [%] C [%] O [%] CYS [MPa] Dureza, HV1 Graphite added [%] Cu [%] C [%] O [%] CYS [MPa] Hardness, HV1

A TO: 0,6 N.A. 0,55 0,06 822 352 0.6 N.A. 0.55 0.06 822 352

B1 B1: 0,5 N.A. 0,45 0,05 886 371 0.5 N.A. 0.45 0.05 886 371

B2 B2: 0,3 N.A. 0,27 0,05 640 249 0.3 N.A. 0.27 0.05 640 249

D1 D1: 0,45 N.A. 0,41 0,06 840 333 0.45 N.A. 0.41 0.06 840 333

D2 D2: 0,55 N.A. 0,51 0,05 920 357 0.55 N.A. 0.51 0.05 920 357

F F: 0,6 3,28 0,53 0,08 852 333 0.6 3.28 0.53 0.08 852 333

G G: 0,6 3,5 0,55 0,03 882 372 0.6 3.5 0.55 0.03 882 372

H H: 0,4 N.A. 0,35 0,09 883 350 0.4 N.A. 0.35 0.09 883 350

I I: 0,6 N.A. 0,51 0,06 578 266 0.6 N.A. 0.51 0.06 578 266

J J: 0,6 1,9 0,52 0,09 660 288 0.6 1.9 0.52 0.09 660 288

Ref. 1 Ref. 1: 0,6 3,0 0,54 0,04 711 325 0.6 3.0 0.54 0.04 711 325

Ref. 2 Ref. 2: 0,7 3,0 0,65 0,03 769 352 0.7 3.0 0.65 0.03 769 352

Ref. 3 Ref. 3: 0,7 3,32 0,62 0,03 733 339 0.7 3.32 0.62 0.03 733 339

La tabla 2 muestra la cantidad de grafito anadido y el contenido de C, O y Cu analizado de las muestras producidas, as^ como los resultados de las pruebas de CYS y dureza.Table 2 shows the amount of graphite added and the analyzed C, O and Cu content of the samples produced, as well as the results of the CYS and hardness tests.

Las muestras preparadas a partir de las composiciones A, B1, D1, D2, F, G y H presentan todas ellas un valor CYS 5 suficiente, por encima de 820 MPa, en combinacion con un valor de dureza por debajo de 380 HV1.Samples prepared from compositions A, B1, D1, D2, F, G and H all have a sufficient CYS 5 value, above 820 MPa, in combination with a hardness value below 380 HV1.

Las muestras preparadas a partir de las composiciones de la ref. 1, 2 y 3 presentan un lfmite de elasticidad a la compresion demasiado bajo, a pesar de un contenido de carbono y de cobre relativamente alto. Un incremento adicional del carbono y del cobre puede traducirse en un lfmite de elasticidad a la compresion suficiente, pero la dureza se hara demasiado alta.Samples prepared from the compositions of ref. 1, 2 and 3 have a compression elasticity limit that is too low, despite a relatively high carbon and copper content. An additional increase in carbon and copper may result in a limit of sufficient compression elasticity, but the hardness will become too high.

10 Las muestras preparadas a partir de las composiciones de polvo I y J presentan un lfmite de resistencia a la compresion demasiado bajo, la composicion de polvo I debido a que no se anadio cobre, y la composicion de polvo J debido a que el contenido de cobre era demasiado bajo. Incrementar la cantidad de Cu mezclado incrementara el lfmite de resistencia a la compresion, manteniendo la dureza por debajo de 380 HV1, como se muestra por las composiciones F y G.10 The samples prepared from the powder compositions I and J have a very low compression resistance limit, the powder composition I because copper was not added, and the powder composition J because the content of Copper was too low. Increasing the amount of Cu mixed will increase the limit of compression resistance, keeping the hardness below 380 HV1, as shown by compositions F and G.

15 La muestra preparada a partir de la composicion B1 tambien presenta un lfmite de resistencia a la compresion demasiado bajo, debido al contenido relativamente bajo de carbono. Incrementar la cantidad de grafito mezclado incrementara el lfmite de resistencia a la compresion, manteniendo la dureza por debajo de 380 HV1, como se muestra por la composicion B2.The sample prepared from the composition B1 also has a compression resistance limit that is too low, due to the relatively low carbon content. Increasing the amount of mixed graphite will increase the limit of compressive strength, keeping the hardness below 380 HV1, as shown by composition B2.

Claims

5

10

fifteen

twenty

25

30

35

40

Four. Five

1. An iron-based powder composition comprising a pre-alloyed iron-based steel powder comprising in% by weight:

0.2-1.5 Cr,

0.05-0.4V,

more than 0.15-0.6 Mn,

less than 0.1 Mo,

less than 0.1 Ni,

less than 0.2 Cu,

less than 0.1 C,

less than 0.25 of O,

less than 0.5 of inevitable impurities,

the rest being iron,

steel powder that is mixed with 0.35-1% by weight of the graphite composition and with 0.05-2% by weight of the lubricant composition.

2. An iron-based powder composition according to claim 1, wherein the Cr content is within the range of 0.2-1.2% by weight.

3. An iron-based powder composition according to any one of claims 1-2, wherein the Cr content is within the range of 0.6-1.2% by weight.

4. An iron-based powder composition according to claim 3, wherein the content of Mn is within the range of 0.1-0.3% by weight.

5. An iron-based powder composition according to any one of claims 1-2, wherein the Cr content is within the range of 0.2-0.6% by weight.

6. An iron-based powder composition according to claim 5, wherein the content of Mn is within the range of 0.2-0.6% by weight.

7. An iron-based powder composition according to claim 5 or 6, wherein the content of V is less than 0.2% by weight.

8. An iron-based powder composition according to any of claims 1-7, further comprising copper in an amount of up to 4.

9. A steel powder composition according to any of claims 1-8, wherein the Cr content is 0.6-1.2% by weight and the Mn content is 0.1- 0.3 and the composition has no mixed Cu.

10. A steel powder composition according to any of claims 1-8, wherein the Cr content is 0.2-0.6% by weight, the V content is 0.05 -0.2% by weight, the content of Mn is 0.2-0.6 and the composition has 2-4% by weight of Cu mixed.

11. A method for producing a sintered component and optionally comprises the steps of:

a) preparing an iron-based steel powder composition according to claims 1-10,

b) subject the composition to compaction between 400 and 2000 MPa,

c) sintering the raw component obtained in a reducing atmosphere at a temperature between 1000-1400

° C,

d) optionally forging the heated component at a temperature above 500 ° C or subjecting the obtained sintered component to cooling and then reheating the cooled component to a temperature of 500-1400 ° C.

forged from dust, which with any of the

12. A forged powder component produced from the iron-based powder composition according to any one of claims 1-10.

13. A powder forged component according to claim 12, wherein the component has a substantially perritic / ferric microstructure.

A component according to claim 12 or 13, wherein the component is a connecting rod.