ES2609123T3 - Acero de baja aleación y elementos constructivos producidos con el mismo - Google Patents
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Abstract
Acero con los siguientes porcentajes de aleación: el 0,38 - 0,45 % en peso de C el 0,6 - 0,9 % en peso de Mn como máximo el 0,025 % en peso de P como máximo el 0,035 % en peso de S el 0,9 - 1,2 % en peso de Cr el 0,15 - 0,30 % en peso de Mo el 4 % en peso de Si el 0,04 % en peso de Ti el 0,005 % en peso de B el resto hierro.
Description
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DESCRIPCION
Acero de baja aleacion y elementos constructivos producidos con el mismo
La invencion se refiere a un acero de baja aleacion con excelente procesabilidad, resistencia al cascarillado y a elementos constructivos producidos a partir del mismo.
En particular, se refiere a acero para piezas conformadas, que proporciona piezas conformadas con una resistencia al cascarillado adecuada, y a elementos constructivos producidos a partir del mismo.
Se denominan aceros de baja aleacion aquellos en los que ningun elemento de aleacion supera un contenido medio del 5 por ciento en masa.
La denominacion de las aleaciones de acero tiene lugar segun las siguientes reglas:
En primer lugar se indica el contenido en carbono en porcentaje en masa por 100, seguido de los sfmbolos de los elementos qmmicos de los elementos de aleacion en el orden decreciente de porcentajes en masa y, al final, en el mismo orden, separado por guiones, el porcentaje en masa de los elementos de aleacion expuestos previamente, que se multiplican por los siguientes factores, dando numeros enteros mayores:
X 1000: B
X 100: C, N, P, S, Ce X 10: Al, Cu, Mo, Ti, V, Be, Ta, Zr, Nb, Pb X4: Cr, Co, Mn, Ni, Si, W
Los aceros con un contenido en carbono especialmente bajo se usaron ampliamente en tiempos mas recientes para piezas conformadas, en particular para vehmulos, construccion de maquinas, construccion de motores de gran potencia, etc. etc., ya que los aceros presentan una excelente procesabilidad. Las piezas brutas para forjado se obtienen habitualmente mediante descarbonizacion de acero fundido, que se produjo mediante un convertidor, etc., usandose, por ejemplo, un procedimiento de desgasificacion a vado, tal como el procedimiento RH, para reducir la concentracion de carbono hasta una concentracion de carbono especialmente baja. Despues tiene lugar, en la mayona de los casos, una colada continua. Para aplicaciones de conformado se uso con frecuencia como acero de baja aleacion 42CrMo4 IM o 43CrMo4.
El acero de silicio de distinta composicion se conoce por el documento GB 2173216A. El documento EP1961832A1 y el documento US 5846344A divulgan aceros de alta elasticidad con un contenido en carbono de hasta el 0,6%; y Si hasta el 2,5 % y dado el caso, por ejemplo B - no obstante, usan caros elementos especiales tales como Mn, Nb y V, para obtener la elasticidad deseada.
El acero 42CrMoS4 IM conocido tiene una composicion de
- Composicion qmmica (% en peso)
- Mm Max
- C
- 0,38 0,45
- Si
- 0,40
- Mn
- 0,70 0,90
- P
- 0,035
- S
- 0,035
- Cr
- 0,90 1,20
- Mo
- 0,15 0,30
El acero 42CrMo4 IM tiene en estado curado y revenido, una resistencia a la traccion de 900 a aproximadamente 1200 MPa, un lfmite elastico Re MPa de al menos 650 MPa. Las ventajas de este acero son:
Las inclusiones son menos abrasivas, actuan como un lubricante y barrera en puntos de contacto de herramienta/pieza de trabajo. La comparacion con la clase estandar de los acero IM, da como resultado ya
• una mecanizabilidad con arranque de virutas mejorada con costes de mecanizado reducidos
• periodos de servicio hasta un 30% mas largos para una determinada velocidad de corte
• velocidades de corte hasta un 20% mayores para un determinado periodo de servicio
Los constituyentes de aleacion empleados en la aleacion conocida del acero tienen, entre otros, los siguientes efectos
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Carbono
El carbono reduce el punto de fusion y aumenta, a traves de la formacion de Fe3C, la dureza y la resistencia a la traccion. En mayores cantidades, aumentaba la fragilidad y reduda la forjabilidad, capacidad de soldadura, alargamiento de rotura y resistencia al choque con probeta entallada. En particular se reduce la conformabilidad cuando este se anade en una gran cantidad. Por tanto, para ello, la adicion debe ser baja.
Cromo
El cromo reduce la velocidad de enfriamiento cntica, aumenta la resistencia al desgaste, resistencia al calor, resistencia al cascarillado. La resistencia a la traccion se aumenta, dado que el cromo actua como formador de carburo. A partir del 12,2 % en peso aumenta la resistencia a la corrosion (acero fino), actua como estabilizador de ferrita. Lamentablemente reduce die energfa absorbida durante el choque y la capacidad de soldadura, reduce la conductividad termica y electrica. Con adiciones de cromo se consiguen los mejores resultados de cementacion o templado completo.
Molibdeno
Mejora la templabilidad, resistencia a la traccion y capacidad de soldadura. Lamentablemente reduce la dilatabilidad y forjabilidad. El molibdeno aumenta asf mismo la capacidad de cementacion y se complementa ventajosamente con el cromo. Ademas, el Mo mejora la resistencia al calor asf como la resistencia al revenido, una propiedad que es especialmente importante durante el bonificado.
Azufre
El azufre aumenta la mecanizabilidad con arranque de virutas, pero reduce la ductilidad y con ello la forjabilidad de la aleacion de hierro.
El acero conocido 42CrMo4 se usa ampliamente. Con las propiedades descritas, son adecuados los materiales para alta y la mas alta capacidad de carga dinamica y estatica. Su aplicacion resulta de los valores de resistencia y tenacidad requeridos, debiendo tenerse en cuenta, en cambio, siempre las dimensiones de los elementos constructivos. La mecanizabilidad mecanica de estos aceros, en particular en procesos de conformado en caliente y en fno es excelente y se emplean por lo tanto ampliamente en la construccion de vetuculos, construccion de maquinas, construccion de motores de gran potencia, etc. Para determinadas aplicaciones, en cambio, no son suficientemente resistentes al cascarillado (partes sometidas a alta carga termica) y no tienen una resistencia suficiente para elementos constructivos ligeros de acero.
Debido a la legislacion ambiental mas estricta, sobre todo en los Estados Unidos, para la reduccion de las sustancias nocivas en el gas de escape, debfan aumentarse las presiones y, con ello, tambien las temperaturas en la camara de combustion de los motores diesel.
Entre las mas recientes condiciones estrictas para pistones Ferrotherm, en la camara de combustion las temperaturas debfan ser de hasta 500°C y en el lado interno del piston incluso algo menores.
Por los aumentos de carga requeridos, la aleacion de aluminio usada hasta el momento con frecuencia para automoviles, esta cada vez menos cubierta. Como solucion, se ofrecio en este caso una solucion de dos partes, que se compone de una parte superior de piston altamente cargable y la camisa del piston. Como material estandar para la parte superior del piston se selecciona con frecuencia tambien el material 42CrMo4 en una realizacion bonificada. La resistencia de estos elementos constructivos asciende a entre 870 y 1 080 MPa. Tambien la resistencia al calor, resistencia a cargas alternantes, capacidad de solicitacion por choque de temperatura y resistencia a la oxidacion de este acero para bonificar son justo suficientes para las presentes condiciones.
Debido a la resistencia al cascarillado mejorable para las nuevas aplicaciones y los elevados precios de estos aceros convencionales, que se deben en particular a la adicion de Mo, se intenta crear un acero con mejores propiedades mecanicas.
Hasta el momento se partfa de que:
hasta 400 °C: uso de aceros no aleados y aleados con manganeso posible hasta 550 °C: uso de aceros aleados con Mo(-V)
hasta 600 °C: uso de aceros resistentes al cascarillado, altamente aleados con Cr
> 600 °C: uso de aceros de Cr-Ni austemticos, altamente aleados - los aceros altamente aleados son, no obstante, caros.
Como acero resistente al cascarillado y resistente a altas temperaturas se usaban por lo tanto solamente aceros altamente aleados con los costes correspondientemente elevados para los elementos de aleacion.
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Por consiguiente, un objetivo de la presente invencion es mejorar la resistencia al cascarillado de aceros de baja aleacion para partes de acero que pueden someterse a altas cargas termicas.
El objetivo se consigue mediante un acero con las caractensticas de la reivindicacion 1 asf como elementos constructivos producidos a partir de la misma de acuerdo con la reivindicacion 2 y 3.
La invencion se refiere en consecuencia a un acero de baja aleacion con la composicion de la reivindicacion 1.
Los aceros de acuerdo con la invencion contienen al menos el 92,00 % en peso de hierro, preferentemente al menos el 96,00 % en peso de hierro. Es favorable cuando las impurezas y elementos inevitables se encuentran, en cada caso, en concentraciones inferiores al 0,10 % en peso, preferentemente por debajo del 0,05 % en peso.
Una aplicacion tfpica es para elementos constructivos, en particular componentes de maquinas, con una resistencia a la traccion de > 950 - 1250 [MPa], un lfmite elastico de >700 hasta aproximadamente 770 [MPa]; un alargamiento de rotura > 10% y una resistencia al cascarillado de aproximadamente 600°C a aproximadamente 650°C y mas. Los elementos constructivos tfpicos de este tipo son componentes de maquinas, seleccionados del grupo que consiste en pistones, tambien para motores de combustion, ciguenales, bielas, partes de direccion, partes de valvula, partes de correas de transmision en particular para partes calientes; pero tambien elementos constructivos de vehmulos; partes de sujecion para zonas resistentes al calor, partes de turbinas a vapor, partes de camara de combustion para quemadores de gas o aceite; instalaciones de gas de escape y sus partes. Las propiedades de los aceros de acuerdo con la invencion frente a los aceros conocidos son
Resistencia a la traccion (MPa)
Lfmite elastico (MPa)
Alargamiento de rotura Resistencia al cascarillado Tratamiento termico Mecanizabilidad:
Comportamiento de soldadura a friccion: Analisis
42CrMo4
> 900 -1100
> 650
> 12 %
hasta aproximadamente 550°C
QT
buena
buena
DIN EN 10083
42TBSi 1000-1200 >750 > 10%
hasta aproximadamente 650°C
QT
buena
DIN EN 10083 plus
Los costes para el acero de acuerdo con la invencion son, debido a la adicion de Si, aproximadamente iguales a los de 42CrMo4, apareciendo en cambio al mismo tiempo un aumento considerable de la resistencia al cascarillado en 100 - 150°C y mas y lfmite elastico. El lfmite elastico aumenta en aproximadamente 100 MPa en los aceros de acuerdo con la invencion, acompanado de una ligera reduccion del alargamiento de rotura. El mecanizado no se modifica y puede llevarse a cabo con las herramientas y procedimientos habituales.
Un acero de acuerdo con la invencion tfpico tiene una composicion de:
- Composicion qmmica (% en peso)
- Mm Max
- C
- 0,38 0,45
- Cr
- 0,9 1,2
- Mo
- 0 0,3
- Mn
- 0,6 0,9
- Ti
- 0,04 0,04
- Si
- 4 4
- B
- 0,005 0,005
Representantes tfpicos de este grupo son aceros tales como 42TBSi Los constituyentes de aleacion recien introducidos tienes los siguientes efectos:
Silicio
Aumenta la resistencia al cascarillado, es un endurecedor de solucion solida e impide la formacion de carburo. Hace muy fluida a la masa fundida durante la produccion del acero y actua tambien como agente reductor. Por ultimo, aumenta la resistencia a la traccion, el lfmite elastico y la resistencia al cascarillado y actua como estabilizador de ferrita. Una adicion demasiado elevada reduce la conformabilidad de la aleacion.
Titanio
El titanio impide, en las aleaciones de hierro, la corrosion intercristalina mediante formacion de TiC. El fuerte formador de nitruro (titanio) sirve, entre otras cosas, para la proteccion del boro mediante reaccion con nitrogeno. Por ejemplo, aparece entonces, cuando el nitrogeno esta fijado con titanio, una templabilidad satisfactoria en el intervalo de temperatura hasta 1000 °C, cuando el acero contiene aproximadamente 5-20 ppm de boro. El Ti se usa para la desoxidacion del acero y para la fijacion de C y N como TiC o TiN. El contenido en Ti debe ascender, por lo
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tanto al menos al 0,02%. Dado que, sin embargo, el efecto de la adicion de Ti esta satisfecho cuando el contenido en Ti asciende a por encima del 0,08%, el lfmite superior del contenido en Ti se define como el 0,08%.
Boro
El boro aumenta el lfmite elastico y la resistencia del acero, incluso en el caso de la adicion en las mas pequenas cantidades. Actua a este respecto tambien como absorbedor de neutrones y hace al acero adecuado para aplicaciones de centrales nucleares y similares. La adicion de boro en una cantidad de hasta el 0,01% a los aceros austemticos mejora tambien su alta resistencia a la temperatura. Los aceros de boro son aceros conformados en fno valiosos. El efecto basico del boro en el acero se muestra en la mejora de la templabilidad, lo que repercute ya a una concentracion muy baja del 0,0010% de boro. Tambien en la baja cantidad hasta 100 ppm, el boro aumenta la templabilidad mas que otros elementos mas caros, que deben emplearse en cantidades mucho mayores.
Una caractenstica destacada de los aceros de boro es la mejora de la templabilidad mediante la adicion de cantidades de boro incluso diminutas entre 3 y 15 ppm.
La cantidad de boro es cntica, puesto que una cantidad excesiva de boro (> 30 ppm) puede reducir la tenacidad, y llevar a fragilidad y fragilidad en caliente. La influencia de boro sobre la templabilidad depende tambien de la cantidad de carbono en el acero, aumentando el efecto del boro de manera proporcionalmente inversa con respecto al porcentaje del carbono presente.
El boro puede tambien se ineficaz, cuando su estado se modifica mediante un tratamiento defectuoso. Por ejemplo, debe evitarse una alta temperatura de austenitizacion asf como intervalos de temperatura en los que aparecen determinados precipitados de boro.
En general, la templabilidad del acero puede atribuirse en gran medida al comportamiento del oxfgeno, carbono y nitrogeno en el acero. El boro reacciona con el oxfgeno para dar bromuro (B2O3); con carbono para dar borocementita de hierro (Fe3(GB)) y borocarburo de hierro (Fe23(CB)6) y con nitrogeno para dar nitruro de boro (BN). Una perdida de boro puede tener lugar mediante oxfgeno. La templabilidad del acero de boro esta tambien estrechamente relacionada con las condiciones austenfticas y cae por regla general mediante calentamiento por encima de 1000°C. Los aceros de boro deben templarse tambien a una temperatura mas baja que otros aceros aleados de igual templabilidad.
Los aceros de acuerdo con la invencion se emplean para muchas aplicaciones, tal como material resistente al desgaste y como acero de alta resistencia. Ejemplos de ello son herramientas de troquelar, palas, cuchillas, hojas de sierra, soportes de seguridad en vetnculos, etc.
Los aceros estan indicados cuando la masa de base satisface los requisitos mecanicos (tenacidad, resistencia al desgaste, etc.), pero la templabilidad no es suficiente para la seccion prevista. En lugar del requisito de un acero altamente aleado y por lo tanto caro, un usuario puede emplear cantidades de boro correspondientes, mediante lo cual se consigue una templabilidad adecuada.
Ventajas especiales de los aceros de acuerdo con la invencion son una buena conformabilidad en fno, periodos de servicio de herramienta prolongados para las herramientas producidas a partir de los mismos, una capacidad de soldadura mejorada debido a los bajos equivalentes de carbono, bajas temperaturas de revenido. De esta manera resultan ahorros de energfa y buenas durezas de uso. A continuacion se explica en detalle la invencion de forma mas precisa por medio del dibujo asf como de ejemplos de realizacion, a los que esta no se limitara sin embargo en ningun caso. A este respecto muestra:
la Figura 1: una seccion pulida de dos muestras que se habfan recocido en un horno respectivamente durante 5 h a 700°C con una atmosfera de oxfgeno regulada;
la Figura 2: una seccion pulida de dos muestras de acero que se habfan recocido en un horno respectivamente durante 5 h a 750°C con una atmosfera de oxfgeno regulada; y
la Figura 3 una representacion de la resistencia al choque con probeta entallada, resistencia a la traccion, constriccion de muestras de acero frente al contenido en silicio de distintas aleaciones de 42CrMo4, que se habfan templado a distintas temperaturas.
Ejemplo de realizacion 2
Un tocho de acero colado de 42TBSi se forma en un procedimiento de forjado a 1150°C para dar un piston. Este piston asf producido se emplea de manera habitual como camara de combustion para un motor de gas. Despues de una duracion de combustion de varios meses no se mostro en la zona de combustion/inflamacion ninguna oxidacion de la superficie de acero del piston. Un piston identico, producido a partir de 42CrMoS4 presentaba por consiguiente ya despues del 70% de este tiempo transcurrido, trazas de oxidacion claras.
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Ejemplo de realizacion 3
Se transfirio un tocho de acero forjado de 42CrMo4 convencional (muestra 4) as^ como un tocho de acero del acero de acuerdo con la invencion (42CrMo4+ 4% de Si +0,04% en peso de Ti; y 0,005 % en peso de B) (muestra 6) a un horno de circulacion de aire electrico y se recocio a 700°C durante 5 h en el horno. La atmosfera de circulacion regulada con aire normal en el aire proporciono un porcentaje de oxfgeno siempre igual. Dos muestras adicionales de 42CrMo4 convencional (muestra 4) y el acero de acuerdo con la invencion (muestra 6) se recocieron en el mismo horno en las mismas condiciones, pero a 750°C, durante 5 h. Los tochos de acero medidos proceden en cada caso de bloques colados, forjados, que se forjaron hasta 45 mm de diametro. Se aprecia claramente en la Figura 1, que muestra en la parte superior una seccion pulida del acero 42CrMo4 despues del tratamiento de recocido a 700°C y en la parte de abajo una seccion pulida mediante la aleacion de acero de acuerdo con la invencion recocida en las mismas condiciones, que la capa de cascarillado en el acero de Si de acuerdo con la invencion es considerablemente mas delgada (8 micrometros frente a 30 micrometros), que en el caso del acero de 42CrMo4 convencional sin adicion de silicio - el material de acero de Si de acuerdo con la invencion se cascarilla por lo tanto claramente mas lentamente/menos.
La Figura 2 muestra los mismos tochos de acero con un tratamiento de recocido de 5 h en el mismo horno de circulacion con 750 °C, siendo la muestra superior del acero 42CrMo4 y habiendo formado una capa de cascarillado gruesa con respecto al tratamiento a 700°C de como maximo 44 micrometros, mientras que el acero de acuerdo con la invencion muestra una capa de cascarillado delgada de como maximo 5 micrometros.
De esto puede deducirse que el acero de silicio de acuerdo con la invencion se ve considerablemente menos atacado de manera oxidativa a temperaturas elevadas por el oxfgeno, que el acero CrMo4 de baja aleacion convencional. Los aceros de acuerdo con la invencion alcanzan por lo tanto una resistencia al cascarillado que, hasta el momento, solo podfa conseguirse con aditivos caros.
En la Figura 3 esta representada graficamente una compilacion de las propiedades aceros 42CrMo4 con adicion como aleacion de silicio de hasta aproximadamente el 4% en funcion del contenido en silicio y la temperatura del envejecimiento termico. En las abscisas esta indicado en contenido en Si en % en peso de una aleacion de base 42CrMo4, mientras que en las ordenadas izquierdas esta indicada la resistencia a la traccion UTS en MPa. En las ordenadas derechas esta indicada la resistencia al choque con probeta entallada (KU). Se muestran curvas para la constriccion RofA (%) para el acero de acuerdo con la invencion - una vez con un bajo contenido en Si y una vez con un alto contenido en Si. A partir de esto puede verse que la constriccion y la resistencia al choque con probeta entallada disminuyen, mientras que los valores de resistencia a la traccion aumentan. La resistencia al choque con probeta entallada disminuye fuertemente a partir de contenidos en Si de mas del 2,5 % en peso. Las propiedades dependen tambien de la temperatura de revenido (low Tempering/high Tempering). La alta temperatura de revenido a aproximadamente el 0,5 % en peso de Si ascendio a 680°C mientras que la baja temperatura de revenido ascendio a 630 °C. En el caso de una adicion de aproximadamente 2,5 Si, la alta temperatura de revenido era de 730°C y la baja temperatura de revenido 680°C. Se aprecia claramente que con un contenido en Si creciente - tambien en funcion de la temperatura de revenido - aumenta la resistencia a la traccion, mientras que la constriccion y la resistencia al choque con probeta entallada disminuyen. Una temperatura de revenido mas alta empeora la resistencia al choque con probeta entallada y la constriccion RoFa; mientras que la constriccion RoFa en el caso de un contenido en silicio bajo para acero revenido a temperatura mas alta es mas alta que en el caso de acero menos revenido - esta relacion de la RoFa de acero revenido con baja temperatura frente al RoFa de acero revenido con mayor temperatura se invierte con un contenido en Si creciente; mientras que la resistencia al choque con probeta entallada con un mayor contenido en silicio casi es independiente de la temperatura de revenido. La resistencia a la traccion aumenta con la temperatura de revenido creciente y el contenido en Si creciente.
La invencion se refiere por lo tanto tambien a componentes de maquina o elementos constructivos con una resistencia a la traccion de 1000 [MPa] y mas para cargas mecanicas alternante hasta una temperatura de 630°C, formados a partir de una aleacion de acero bonificado termicamente de acuerdo con la invencion. En particular, la invencion se refiere tambien a componentes de motor y/o transmision de vehfculos.
Tambien otros componentes de maquina con solicitacion mecanica y termica alternante se cargan en la tecnica moderna cada vez mas, hasta los lfmites de la resistencia del material respectiva. En particular esto es aplicable para motores porque las reducciones de peso conseguidas con ello tambien pueden aprovecharse para ahorrar combustible y similares. De los materiales de los que estan formados estos componentes, se exigen en el estado bonificado termicamente, altos valores para el perfil de propiedades tenacidad, resistencia y ductilidad, porque estos valores de propiedades son de importancia decisiva para una interpretacion dimensional de las partes. Fundamentado en el fallo de piezas en el funcionamiento a largo plazo, tal como era evidente, ha detenerse en cuenta tambien las propiedades de la fatiga del material, para conseguir una alta seguridad de funcionamiento.
Para partes con una carga alterna mecanica, significativa, en el sector ferroviario, del automovil y aeronautico, se usan ahora de manera ventajosa los aceros de bonificacion de baja aleacion de acuerdo con la invencion. Un uso de aleaciones de acero con una composicion correspondiente a la de aceros de bonificacion del tipo mencionado anteriormente ha dado buen resultado para una produccion de componentes de maquina altamente solicitados,
siendo sus propiedades de fatiga as^ como resistencia termica suficientes para una carga alterna mecanica en el intervalo de valores Ifmite de los materiales empleados. La descripcion de la invencion es unicamente a modo de ejemplo y variaciones conocidas por el experto entran asf mismo en el alcance de proteccion de la invencion, tal como se define por las reivindicaciones.
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Claims (3)
- 510152025REIVINDICACIONES1. Acero con los siguientes porcentajes de aleacion:el 0,38 - 0,45 % en peso de C el 0,6 - 0,9 % en peso de Mn como maximo el 0,025 % en peso de P como maximo el 0,035 % en peso de S el 0,9 -1,2 % en peso de Cr el 0,15 - 0,30 % en peso de Mo el 4 % en peso de Si el 0,04 % en peso de Ti el 0,005 % en peso de Bel resto hierro.
- 2. Elemento constructivo, en particular componente de maquina, producido a partir de una aleacion de acero deacuerdo con la reivindicacion 1 de una resistencia a la traccion de > 1000 - 1200 [MPa], un lfmite elastico [MPa] de>700 a aproximadamente 950; un alargamiento de rotura > 17% y una resistencia al cascarillado de > 650°C.
- 3. Elemento constructivo de acuerdo con la reivindicacion 2, seleccionado del grupo que consiste en pistones,tambien para motores de combustion, ciguenales, bielas, partes de direccion, partes de valvula, partes de correa detransmision en particular para partes calientes; elementos constructivos de centrales electricas; partes de sujecion para zonas resistentes al calor, partes de turbina a vapor, partes de camara de combustion, en particular para quemadores de gas o de aceite; instalaciones de gas de escape y sus partes.
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