ES2778042T3 - Aleación de acero y componente que comprende tal aleación de acero - Google Patents

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Abstract

Una aleación de acero carburizable que comprende, en porcentaje en peso: C 0,05-0,5 % en peso Cr 2,5-5,0 % en peso, Mo 4-6 % en peso, W 2-4,5 % en peso, V 1-3 % en peso, Ni 2-4 % en peso, Co 2-8 % en peso, Si 0,05-0,7 % en peso Mn 0,05-0,7 % en peso opcionalmente uno o más de los siguientes elementos: Nb 0-2 % en peso N 0-0,5 % en peso Al 0-0,15 % en peso, en donde la cantidad combinada de Nb + V está dentro del intervalo 1-3,5 % en peso, en donde la cantidad combinada de C + N está dentro del intervalo 0,05-0,5 % en peso, siendo el resto Fe e impurezas inevitables, en donde la aleación de acero comprende menos de 1 % en peso de impurezas inevitables, en donde la aleación de acero es producida por fusión inducida en vacío y refusión por arco en vacío (VIM-VAR), o en donde la aleación de acero está en forma de aleación de acero de pulvimetalurgia producida por atomización gaseosa seguida de prensado isostático en caliente.

Description

DESCRIPCIÓN
Aleación de acero y componente que comprende tal aleación de acero
Campo técnico de la invención y técnica anterior
La presente invención se refiere a una aleación de acero carburizable y a un componente mecánico que comprende dicha aleación de acero.
Los cojinetes son dispositivos configurados para permitir un movimiento relativo restringido entre dos partes. Los rodamientos son cojinetes que comprenden anillos internos y externos que comprenden pistas de rodadura, y una pluralidad de elementos de rodadura (bolas o rodillos) dispuestos entre los anillos. Normalmente, los componentes de los rodamientos son fabricados a partir de aleaciones de acero resultando en componentes con alta tenacidad a la fractura y resistencia a la fatiga y al desgaste por contacto de rodadura. Los rodamientos son utilizados, por ejemplo, en aplicaciones aeroespaciales, tales como en motores de aviones, donde se requieren cojinetes con una excepcional durabilidad para garantizar un rendimiento constante a pesar de los cambios de la temperatura y de la presión del aire. Los desarrollos recientes en la industria aeroespacial apuntan a reducir las emisiones de CO2 y NOx, lo cual sin embargo conduce a una mayor cantidad de cojinetes por motor, alternativamente, el tamaño de los cojinetes aumenta. Con el fin de mantener bajos el peso y el tamaño del motor mientras aumenta su eficacia, es necesario mantener también bajos el peso y tamaño de los cojinetes, sin comprometer sus propiedades mecánicas. Los esfuerzos de investigación recientes apuntan a lograr esto por intercambio de elementos rodantes de acero por elementos rodantes de cerámica con menor densidad y alta dureza en comparación con los componentes de acero. Gracias a la elevada dureza, los elementos rodantes pueden hacerse más pequeños. Sin embargo, también se debe reducir el tamaño de los anillos. Los anillos deben exhibir, por un lado, una superficie externa muy dura que proporcione resistencia al desgaste y baja fricción, y por otra parte un núcleo con alta tenacidad y resistencia a la fractura para resistir la propagación de grietas y deformaciones. Con las aleaciones de los cojinetes convencionales, no es posible alcanzar esta combinación de propiedades. Un ejemplo de tal aleación de cojinete convencional es 50NiL, que comprende 0,13 % en peso de C, 0,25 % en peso de Mn, 0,20 % en peso de Si, 4,2 % en peso de Cr, 3,4 % en peso de Ni, 1,2 % en peso de V, 4,25 % en peso de Mo, y el resto Fe e impurezas.
Otra composición de aleación de acero adecuada para cojinetes se desvela en la patente US5424028. Esta es una aleación resistente a la corrosión que comprende Cr en cantidades de 13-19 % en peso. Sin embargo, la gran cantidad de elementos de aleación hace que la aleación sea costosa y, por tanto, es deseable encontrar una alternativa menos costosa.
La patente GB 2370281 A describe un material de aleación aglomerada basada en hierro para asientos de válvulas.
Resumen de la invención
Un objetivo de la presente invención es proporcionar una aleación de acero que, cuando sea carburizada y tratada térmicamente, pueda ser usada en aplicaciones exigentes tales como en rodamientos híbridos y que tiene, en al menos algún aspecto, propiedades mejoradas con respecto a las aleaciones de acero convencionales utilizadas para los rodamientos. Otro objetivo es proporcionar un componente mecánico con propiedades adecuadas para aplicaciones exigentes, tales como aplicaciones aeroespaciales. La invención está definida en las reivindicaciones.
El primer objetivo se logra mediante una aleación de acero carburizable según la reivindicación 1. La aleación comprende, en porcentaje en peso:
C 0,05-0,5 % en peso
Cr 2,5-5,0 % en peso,
Mo 4-6 % en peso,
W 2-4,5 % en peso,
V 1-3 % en peso,
Ni 2-4 % en peso,
Co 2-8 % en peso,
Si 0,05-0,7 % en peso,
Mn 0,05-0,7 % en peso,
opcionalmente uno o más de los siguientes elementos:
Nb 0-2 % en peso
N 0-0,5 % en peso
Al 0-0,15 % en peso,
en donde la cantidad combinada de Nb V está dentro del intervalo 1-3,5 % en peso,
en donde la cantidad combinada de C N está dentro del intervalo 0,05-0,5 % en peso, siendo el resto Fe e impurezas inevitables.
Los elementos formadores de carburo, los cuales también tienen efectos estabilizadores de ferrita, son esenciales para la aleación de acero según la invención con el fin de proporcionar a la aleación una dureza suficiente, resistencia térmica y resistencia al desgaste. Por tanto, los elementos estabilizadores de austenita son cruciales para equilibrar esta aleación. Una correcta combinación de los elementos estabilizadores de austenita (carbono, níquel, cobalto y manganeso) y elementos estabilizadores de ferrita (molibdeno, tungsteno, cromo, vanadio y silicio) resulta en propiedades superiores en la aleación de acero carburizable según la invención.
Con la aleación de acero según la invención, es posible combinar una superficie muy dura y resistente al desgaste con un núcleo con elevada resistencia y tenacidad a la fractura. Por tanto, la aleación de acero es muy adecuada para aplicaciones exigentes tales como componentes de rodamientos de tamaño reducido para la industria aeroespacial. Según una realización preferida de la invención, la aleación de acero comprende menos de 0,5 % en peso de impurezas inevitables. Preferiblemente, las impurezas inevitables se mantienen al mínimo. De este modo, las impurezas tendrán un impacto mínimo en las propiedades finales de la aleación de acero.
Según una realización, la cantidad combinada de C N está dentro del intervalo 0,05-0,3 % en peso. Según una realización, la aleación de acero comprende 0,1-0,3 % en peso de C. Mantener el contenido de carbono dentro de este intervalo asegura que se pueda formar una cantidad óptima de carburos en el núcleo de aleación de acero no carburado al endurecerse y templarse. También minimiza el riesgo de formar fases intermetálicas frágiles en la aleación.
Según una realización, la aleación de acero comprende 3-4,5 % en peso de Cr. Dentro de este intervalo, la temperatura máxima de endurecimiento de la aleación está optimizada para que el endurecimiento pueda ser realizado a una temperatura suficientemente elevada, mejorando así la dureza del material después del endurecimiento. Preferiblemente, la aleación de acero comprende 3-4 % en peso de Cr. Según una realización, la aleación de acero comprende 3-7 % en peso de Co. Este intervalo garantiza un equilibrio de tenacidad y dureza del material. Preferiblemente, la aleación de acero comprende 4-6 % en peso de Co.
Según una realización, la aleación de acero comprende 1,5-2,5 % en peso de V. En este intervalo, se optimiza la dureza y resistencia al desgaste de la aleación de acero después del endurecimiento. Según una realización, se satisface la expresión 11 % en peso < Weq < 15 % en peso, en donde Weq = W+2*Mo. Tanto W como Mo forman principalmente carburos M6C los cuales se disuelven fácilmente durante el endurecimiento y contribuyen al endurecimiento de la matriz. Mantener la cantidad combinada en este intervalo proporciona una cantidad suficiente de carburos en la capa superficial de la aleación de acero tras carburar.
Según una realización, la aleación de acero después del endurecimiento y templado posee una microestructura que comprende martensita templada y carburos precipitados, cuya microestructura está libre o esencialmente libre de ferrita. Esto proporciona un núcleo con elevada resistencia.
Según una realización, la aleación de acero es producida por fusión inducida en vacío y refusión inducida en vacío (VIM-VAR). La aleación de acero producida usando VIM-VAR tiene una elevada pureza y un bajo nivel de inclusiones.
Según otra realización, la aleación de acero presenta la forma de una aleación de acero de pulvimetalurgia producida por atomización de gas. Usando la atomización de gas, es posible obtener una aleación de acero de pulvimetalurgia con una elevada pureza, un bajo nivel de inclusiones y carburos dispersos muy finos. El polvo atomizado con gas es esférico y puede ser densificado en un material homogéneo utilizando, por ejemplo, prensado isostático en caliente (HIP).
Según otro aspecto de la invención, el segundo objetivo se logra mediante un componente mecánico que comprende una aleación de acero según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el componente mecánico posee una capa superficial con una dureza aumentada como resultado de la carburación o nitruración o una combinación de las mismas. Preferiblemente, el componente mecánico presenta un mayor contenido de carbono en su capa superficial como resultado de la carburación. Esto da por resultado una capa superficial muy dura después del endurecimiento, dado que los carburos introducidos durante la carburación son disueltos en la matriz durante el endurecimiento posterior, aumentando así sólo la dureza de la superficie. El núcleo permanece más blando que la capa superficial, lo cual reduce el riesgo de propagación de grietas desde la superficie hasta el núcleo del componente. Según una realización, el contenido de carbono en la capa superficial es al menos 1,0 % en peso, preferiblemente al menos 1,1 % en peso. El componente según esta realización posee una capa superficial con una dureza muy elevada. Preferiblemente, el contenido de carbono en la capa de la superficie no excedería de 1,7 % en peso. Esto reduce el riesgo de fusión local durante tratamiento térmico y formación de cementita, que resultan en fragilidad de la capa superficial.
Según una realización, el componente mecánico está formado por una aleación de acero de pulvimetalurgia prensada isostáticamente en caliente. Tal componente está libre de porosidad y presenta un bajo nivel de impurezas e inclusiones.
Según una realización, el componente mecánico es un componente de cojinete. Tal componente de cojinete puede hacerse más pequeño que un componente de cojinete formado a partir de aleaciones de acero de cojinete estándares tales como 50NiL, y así ahorra peso y espacio. El componente de rodamiento es particularmente adecuado para cojinetes híbridos y para su uso en aplicaciones de cojinetes con una larga vida útil y que tienen que soportar altas cargas. Preferiblemente, el componente del cojinete es un anillo interior o un anillo exterior de un rodamiento.
Otras ventajas y características ventajosas de la invención aparecerán a partir de la siguiente descripción de la invención y realizaciones de la misma.
Breve descripción de los dibujos
La presente invención se describirá ahora en detalle con referencia a los dibujos adjuntos, en donde: la Figura 1a muestra los perfiles de dureza obtenidos para muestras que se carburizaron a 980
°C y posteriormente austenitizaron a 1050 °C,
la Figura 1 b muestra los perfiles de dureza obtenidos para muestras que se carburizaron a 955
°C y posteriormente austenitizaron a 1050 °C,
la Figura 2a muestra los perfiles de dureza obtenidos para muestras que se carburizaron a 980
°C y posteriormente austenitizaron a 1150 °C,
la Figura 2b muestra los perfiles de dureza obtenidos para muestras que se carburizaron a 955
°C y posteriormente austenitizaron a 1150 °C,
la Figura 3a muestra el contenido de carbono en función de la distancia desde la superficie para muestras que se carburizaron a 980 °C y posteriormente austenitizaron a 1050 °C, la Figura 3b muestra el contenido de carbono en función de la distancia desde la superficie para muestras que se carburizaron a 955 °C y posteriormente austenitizaron a 1050 °C, la Figura 4a muestra el contenido de carbono en función de la distancia desde la superficie para muestras que se carburizaron a 980 °C y posteriormente austenitizaron a 1150 °C, la Figura 4b muestra el contenido de carbono en función de la distancia desde la superficie para muestras que se carburizaron a 955 °C y posteriormente austenitizaron a 1150 °C, y
la Figura 5 muestra los perfiles de dureza obtenidos para dos muestras que se carburizaron a 980 °C y posteriormente austenitizaron a 1150 °C.
Descripción detallada de las realizaciones de la invención
La aleación de acero carburizable según la invención, particularmente adecuada para componentes de cojinete, comprende en porcentaje en peso:
C 0,05-0,5 % en peso
Cr 2,5-5,0 % en peso,
Mo 4-6 % en peso,
W 2-4,5 % en peso,
V 1-3 % en peso,
Ni 2-4 % en peso,
Co 2-8 % en peso,
Si 0,05-0,7 % en peso,
Mn 0,05-0,7 % en peso,
opcionalmente uno o más de los siguientes elementos:
Nb 0-2 % en peso
N 0-0,5 % en peso
Al 0-0,15 % en peso
en donde la cantidad combinada de Nb V está dentro del intervalo 1-3,5 % en peso, la cantidad combinada de C N está en el intervalo 0,05-0,5 % en peso, y el resto es Fe e impurezas inevitables. El carbono (C) estabiliza la fase austenítica de la aleación de acero a temperaturas de tratamiento térmico y es esencial para la formación de carburos que proporcionan resistencia, elevada dureza, resistencia térmica y resistencia al desgaste. Una pequeña cantidad de carbono en la aleación de acero es beneficiosa con el fin de evitar la formación de partículas intermetálicas no deseadas y frágiles y para formar pequeñas cantidades de carburos para evitar el crecimiento excesivo de grano durante el endurecimiento. Sin embargo, el contenido inicial de carbono no debe ser demasiado elevado, ya que sería posible aumentar la dureza superficial de los componentes formados a partir de la aleación de acero mediante carburización. Durante el carburización, el carbono es implantado en las capas superficiales del componente para lograr un gradiente de dureza. El carbono es el principal elemento para controlar la dureza de la martensita formada después de la carburización y tratamiento térmico. En una aleación de carburización, es esencial tener un núcleo resistente con bajo contenido de carbono, mientras que se desea lograr una superficie dura con alto contenido de carbono después del tratamiento térmico mediante carburización. Por tanto, el carbono está limitado a una cantidad de 0,05-0,5 % en peso, preferiblemente 0,1-0,3 % en peso.
El nitrógeno (N) promueve la formación de austenita y reduce la transformación de austenita en martensita. El nitrógeno puede reemplazar en cierta medida al carbono en la aleación de acero y está opcionalmente presente en una cantidad de 0-0,5 % en peso, preferiblemente 0-0,2 % en peso.
El cromo (Cr) contribuye a la formación de carburos en la aleación de acero y es, después del carbono, el elemento principal que controla la capacidad de endurecimiento de la aleación de acero. Sin embargo, el cromo también puede promover la ferrita y la austenita retenida. Además, aumentar la cantidad de Cr reduce la temperatura máxima de endurecimiento. Por tanto, el Cr debe ser controlado a una cantidad de 2,5-5,0 % en peso, preferiblemente 3-4,5 % en peso, y más preferiblemente 3-4 % en peso de Cr. El molibdeno (Mo) mejora la resistencia al templado, la resistencia al desgaste y la dureza de la aleación de acero. Sin embargo, el molibdeno tiene un fuerte efecto estabilizador en la fase de ferrita. El molibdeno, por tanto, está limitado a 4-6 %.
El tungsteno (W) es un estabilizador de ferrita y un elemento formador de carburo fuerte. El tungsteno mejora la resistencia térmica, la resistencia al desgaste y la dureza por formación de carburos. El tungsteno y molibdeno son, en algunos casos, intercambiables y el equivalente de tungsteno Weq=W+2*Mo puede ser usado como norma general. Weq representa aquí la cantidad de W que se necesita para sustituir el efecto de W y Mo en la aleación. El tungsteno deberá limitarse a 2-4,5 % en peso, preferiblemente 2-4 % en peso, mientras que Weq debería estar en el intervalo 11-15 % en peso. El vanadio (V) estabiliza la fase de ferrita y tiene alta afinidad al carbono y nitrógeno. El vanadio proporciona resistencia al desgaste y resistencia al templado por formación de carburos de vanadio duros. El vanadio puede ser sustituido en parte por niobio (Nb), el cual tiene propiedades similares. El vanadio deberá limitarse a 1-3 % en peso, preferiblemente 1,5-2,5 % en peso.
El silicio (Si) actúa como un fuerte estabilizador de ferrita, pero a menudo está presente en el proceso de fabricación de acero para desoxidación del acero líquido. El bajo contenido de oxígeno es a su vez importante para bajos niveles de inclusiones no metálicas y buenas propiedades mecánicas tales como resistencia y resistencia a la fatiga. El silicio está opcionalmente presente en una cantidad de 0,05 - 0,7 % en peso, preferiblemente 0,05-0,5 % en peso.
El níquel (Ni) promueve la formación de austenita y por tanto inhibe la formación de ferrita. Otro efecto del níquel es disminuir la temperatura Ms, es decir, la temperatura a la que comienza la transformación de austenita a martensita tras enfriamiento. Esto puede prevenir la formación de martensita. La cantidad de níquel debería ser controlada con el fin de evitar austenita retenida en los componentes carburizados. La cantidad de níquel debería ser 2-4 % en peso.
El cobalto (Co) es un elemento estabilizador de austenita fuerte que evita la formación de ferrita no deseada. A diferencia del níquel, el cobalto aumenta la temperatura Ms, la cual a su vez reduce la cantidad de austenita retenida. El cobalto junto con el níquel permite la presencia de estabilizadores de ferrita tales como los elementos formadores de carburo Mo, W, Cr y V. Los elementos formadores de carburo son esenciales para la aleación según la invención debido a su efecto en la dureza, la resistencia térmica y la resistencia al desgaste. El cobalto también tiene un ligero efecto de aumento de dureza en la aleación de acero. Sin embargo, a medida que aumenta la dureza, la resistencia a la fractura de la aleación disminuirá. Por tanto, el cobalto se limita a 2-8 % en peso, preferiblemente 3-7 % en peso y más preferiblemente 4-6 % en peso.
El manganeso (Mn) estabiliza la fase de austenita y disminuye la temperatura Ms en la aleación de acero. El manganeso es añadido habitualmente a los aceros con el fin de ligar el azufre por formación de sulfuros de manganeso durante la solidificación. Esto elimina el riesgo de formación de sulfuros de hierro, los cuales tienen efectos perjudiciales en la trabajabilidad en caliente del acero. Mn también es parte del proceso de desoxidación junto con Si. La combinación de Si y Mn proporciona una desoxidación más eficaz que Mn o Si solos. Mn está presente en una cantidad de 0,05 - 0,7 % en peso, preferiblemente 0,05-0,5 % en peso.
El aluminio (Al) está opcionalmente presente en el proceso de fabricación de acero para desoxidación del acero líquido. Esto es particularmente pertinente para procesos de fusión convencionales tales como en VIM-VAR, y Al está presente en cantidades mayores en aleaciones de acero producidas usando VIM-VAR que en las aleaciones de acero de pulvimetalurgia correspondientes. El bajo contenido de oxígeno es importante para lograr una buena microlimpieza y también buenas propiedades mecánicas tales como resistencia y resistencia a la fatiga. El aluminio está opcionalmente presente en una cantidad de 0-0,15 % en peso, preferiblemente 0-0,10 % en peso.
Las impurezas, tales como elementos contaminantes, pueden estar presente en la aleación en una cantidad máxima de 1 % en peso, preferiblemente máxima de 0,75 % en peso y más preferiblemente máxima de 0,5 % en peso. Ejemplos de impurezas que pueden estar presentes son titanio (Ti), azufre (S), fósforo (P), cobre (Cu), estaño (Sn), plomo (Pb), etc. El oxígeno (O) debería mantenerse al mínimo. Las impurezas pueden aparecer naturalmente en la materia prima utilizada para producir la aleación de acero, o pueden ser resultado del proceso de producción.
La aleación de acero según la invención puede producirse mediante un proceso pulvimetalúrgico, en donde se produce un polvo metálico de alta pureza utilizando atomización de gas, ya que esto da como resultado un polvo con bajas cantidades de oxígeno. Posteriormente, el polvo es comprimido usando prensado isostático en caliente (HIP). Normalmente, se forma una cápsula al consolidar polvo de aleación de acero a elevada presión y temperatura. La cápsula es forjada y enrollada en una barra de acero y los componentes de forma final se producen a continuación mediante forja. Los componentes también pueden producirse a partir de polvo de aleación de acero utilizando una técnica de forma casi pura, mediante la que el polvo de aleación de acero es conservado en cápsulas metálicas y a elevada presión y temperatura es consolidado en componentes con la forma deseada.
En cambio, la aleación de acero puede refinarse mediante un proceso de doble fusión. En tal proceso, puede producirse un lingote de aleación de acero utilizando fusión inducida en vacío seguida de refusión por arco en vacío (VIM-VAR). El proceso de refusión purifica la aleación de acero y mejora la homogeneidad del lingote de aleación de acero. Un ejemplo de una alternativa a la refusión por arco en vacío es la refusión de electroescoria (ESR).
Los componentes formados a partir de la aleación de acero según la invención, producida mediante un proceso pulvimetalúrgico o un proceso de doble fusión, pueden someterse a cementación en forma de nitruración, carburización o una combinación de las mismas, para aumentar la dureza superficial. Si se usa carburización, aumenta el contenido de carbono de la capa superficial y, por tanto, también la dureza. El proceso de carburización se adaptaría para que el contenido de carbono de la capa superficial después de la carburización esté dentro de un intervalo de 1,0-1,7 % en peso, preferiblemente al menos 1,1 % en peso. Después de la cementación, los componentes son sometidos a un proceso de endurecimiento por austenización a elevada temperatura, seguido de enfriamiento y posterior templado. La aleación de acero según la invención es particularmente adecuada para formar componentes mecánicos en forma de componentes de cojinete. Preferiblemente, el componente del rodamiento es un anillo interno o un anillo externo de un rodamiento, por ejemplo de un rodamiento híbrido en el cual es usado un elemento rodante de cerámica, pero también podría ser el elemento rodante de un rodamiento. La aleación de acero según la invención también es adecuada para otras aplicaciones que requieren una capa superficial dura combinada con una elevada tenacidad del núcleo, tal como para componentes de engranajes, componentes cojinete-engranaje integrados, sistemas de inyección, etc.
Ejemplos
Una serie de muestras de ensayo de aleación de acero, con las composiciones de elementos de aleación que se enumeran en la Tabla I, se efectuaron y ensayaron. El resto de las composiciones enumeradas fue Fe e impurezas inevitables incluyendo S, P, As, Sb, Sn, Pb y Cu en cantidades totales de menos de 0,5 % en peso. Las aleaciones de acero también comprendían N en cantidades de aproximadamente 300 ppm. Mix10 y Mix12 están fuera del alcance de la presente invención y son incluidos como ejemplos comparativos.
Tabla I
Figure imgf000006_0001
Las muestras de aleación de acero enumeradas fueron producidas mediante pulvimetalurgia. En primer lugar, se produjeron polvos de aleación de acero utilizando atomización de gas, y posteriormente se formaron cápsulas a partir de los polvos por medio de prensado isostático en caliente (HIP). Las muestras fueron divididas en grupos y se carburizaron y/o trataron térmicamente como se resume en la Tabla II. Las muestras que se carburizaron y trataron térmicamente, fueron carburizadas antes del tratamiento térmico.
Tabla II
Figure imgf000006_0002
Figure imgf000007_0001
El tratamiento térmico 1 (HT1) comprendió las siguientes etapas:
a) Endurecimiento a 1050 °C con 90 minutos de tiempo de mantenimiento a temperatura, b) Congelación profunda a -75 °C (± 5 °C) durante 2 h,
c) Revenido 3 veces a 560 °C durante 1 hora cada vez y enfriamiento a temperatura ambiente intermedio.
El tratamiento térmico 1b (HT1b) comprendió las siguientes etapas:
a) Endurecimiento a 1040 °C con 1 h 40 min de tiempo de mantenimiento a temperatura, b) Congelación profunda a -75 °C (± 5 °C) durante 2 h,
c) Revenido 2 veces a 230 °C durante 5 h cada vez y enfriamiento a temperatura ambiente intermedio,
d) Revenido 2 veces a 560 °C durante 2 h cada vez y enfriamiento a temperatura ambiente intermedio.
El tratamiento térmico 2 (HT2) comprendió las siguientes etapas:
a) Endurecimiento a 1100 °C con ~6 minutos de tiempo de mantenimiento a temperatura, b) Revenido 3 veces a 560 °C durante 1 hora cada vez y enfriamiento a temperatura ambiente intermedio.
El tratamiento térmico 3 (HT3) comprendió las siguientes etapas:
a) Endurecimiento a 1150 °C con 30 minutos de tiempo de mantenimiento a temperatura, b) Congelación profunda a -75 °C (± 5 °C) durante 2 h,
c) Revenido 3 veces a 560 °C durante 1 hora cada vez y enfriamiento a temperatura ambiente intermedio.
El tratamiento térmico 3a (HT3a) comprendió las siguientes etapas:
a) Endurecimiento a 1180 °C con ~6 minutos de tiempo de mantenimiento a temperatura, b) Congelación profunda a -75 °C (± 5 °C) durante 2 h,
c) Revenido 3 veces a 560 °C durante 1 hora cada vez y enfriamiento a temperatura ambiente intermedio.
El ciclo de carburización 1 (C1) se realizó a 980 °C y el ciclo de carburización 2 (C2) a 955 °C. La dureza del núcleo de las muestras no carburizadas tratadas térmicamente, presentadas en la Tabla II, fue determinada usando el ensayo de dureza Vicker con una carga de 10 kg, es decir, una fuerza de 98,1 N. Los resultados de los ensayos se muestran en la Tabla 2. Como se puede observar, las muestras basadas en Mix10 y Mix2 presentan una dureza de núcleo menor para las temperaturas de endurecimiento correspondientes que las muestras basadas en Mix5, Mix8 y Mix12. Esto probablemente puede atribuirse a la presencia de ferrita en el núcleo como se expone posteriormente. También se puede concluir que el endurecimiento a 1150 °C aumenta la dureza en relación con el endurecimiento a 1050 °C.
Para las muestras carburizadas y posteriormente tratadas térmicamente, se obtuvieron perfiles de dureza utilizando la prueba de dureza Vicker con una carga de 0,5 kg. Los perfiles de dureza para las muestras que se trataron térmicamente según HT1 (1050 °C, muestras Mix5-1b, Mix5-1c, Mix8-1b, Mix8-1c, Mix10-1b, Mix10-1c, Mix12-1b, Mix12-1c) se muestran en la Figura 1a (ciclo de carburización C1) y b (ciclo de carburización C2) y los perfiles de dureza para las muestras tratadas térmicamente según h T3 (1150 °C, muestras Mix5-3b, Mix5-3c, Mix8-3b, Mix8-3c, Mix10-3b, Mix10-3c, Mix12-3b, Mix12-3c) son mostrados en la Figura 2a (ciclo de carburización C1) y b (ciclo de carburización C2). En las figuras, la dureza de las muestras se representa en función de la distancia desde la superficie. De las figuras es evidente que las muestras endurecidas a la temperatura más elevada exhiben una mayor dureza en comparación con las muestras endurecidas a la temperatura más baja. Las Figuras 3a y b y las Figuras 4a y b muestran el contenido de carbono en función de la distancia desde la superficie para muestras tratadas térmicamente según HT1 (1050 °C, muestras Mix5-1b, Mix5-1c, Mix8-1b, Mix8-1c, Mix10-1b, Mix10-1c, Mix12-1b, Mix12-1c) y según HT3 (1150 °C, muestras Mix5-3b, Mix5-3c, Mix8-3b, Mix8-3c, Mix10-3b, Mix10-3c, Mix12-3b, Mix12-3c), respectivamente. Como se puede ver en las figuras, la carburización a 980 °C (C1) proporciona niveles de carbono significativamente mayores que la carburización a 955 °C (C2) y, en consecuencia, una mayor dureza.
Las muestras carburizadas basadas en Mix2 (no representadas gráficamente) tienen una dureza superficial de aproximadamente 720 HV, que a 1,5 mm de profundidad desde la superficie ha disminuido a 620 HV. La dureza del núcleo de las muestras carburizadas basadas en Mix2 es 360 HV. Se puede suponer que el endurecimiento a 1150 °C, utilizando un proceso según HT3, aumentaría la dureza del material. Los resultados de las muestras no carburizadas indican que la dureza del núcleo probablemente no alcanzaría los mismos niveles que las muestras basadas en Mix5 y Mix8.
El mejor compromiso en términos de dureza superficial y del núcleo es obtenido con las muestras Mix5-3b y Mix8-3b, las cuales muestran una dureza superficial de alrededor de 800 HV y una dureza del núcleo de alrededor de 550 HV. Los perfiles de dureza de esas dos muestras son comparadas en la Figura 5. Como se puede ver en los perfiles, la muestra Mix5-3b exhibe una capa superficial con alta dureza más gruesa que la muestra Mix8-3b. Más específicamente, la dureza de aproximadamente 800 HV para Mix5-3b se conserva a una distancia de aproximadamente 0,8 mm de la superficie, mientras que para Mix8-3b, la dureza a una distancia de aproximadamente 0,8 mm de la superficie ha disminuido a alrededor de 700 HV.
Las microestructuras de las muestras Mix5-2, Mix8-2, Mix10-2 y Mix12-2, fueron comparadas. Las fracciones en volumen de ferrita delta encontradas en los núcleos utilizando microscopía óptica se muestran en la Tabla II. Mix5-2 presenta un núcleo de martensita templado con carburos finos y no contiene ferrita. Mix8-2 está doblemente templada, es decir, contiene tanto martensita templada como ferrita delta, con carburos finos. Mix10-2 también esta doblemente templada pero con una fracción significativamente mayor de ferrita delta. Mix12-2 también está doblemente templada, con una fracción de ferrita delta mayor que Mix5-2 y Mix8-2.
Las muestras Mix5-1b, Mix5-1c, Mix5-3b y Mix5-3c exhiben un núcleo libre de ferrita, según se verifica mediante difracción de rayos X realizada a temperaturas entre 1050 °C y 1150 °C.
Las muestras basadas en la aleación de acero Mix12, fuera del ámbito de la invención, exhiben una dureza superficial insuficiente después de la carburización. Además, estas muestras comprenden una cantidad relativamente grande de ferrita delta en el núcleo después del revenido. Las propiedades después del endurecimiento de un núcleo no homogéneo que comprende ferrita son más difíciles de predecir y, por tanto, es preferible un núcleo homogéneo. Las muestras basadas en Mix10, también fuera del ámbito de la invención, comprenden una gran fracción de ferrita delta en el núcleo después del revenido, y además un núcleo relativamente blando.
Las muestras no carburizadas basadas en Mix2, es decir, Mix2-1a y Mix2-3a, exhiben también un núcleo que consiste tanto en martensita como en ferrita según se verifica por difracción de rayos X. Sin embargo, no se determinaron las fracciones relativas de las fases.
La invención no se limita a las realizaciones descritas, sino que puede variarse y modificarse dentro del ámbito de las siguientes reivindicaciones.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Una aleación de acero carburizable que comprende, en porcentaje en peso:
C 0,05-0,5 % en peso
Cr 2,5-5,0 % en peso,
Mo 4-6 % en peso,
W 2-4,5 % en peso,
V 1-3 % en peso,
Ni 2-4 % en peso,
Co 2-8 % en peso,
Si 0,05-0,7 % en peso
Mn 0,05-0,7 % en peso
opcionalmente uno o más de los siguientes elementos:
Nb 0-2 % en peso
N 0-0,5 % en peso
Al 0-0,15 % en peso,
en donde la cantidad combinada de Nb V está dentro del intervalo 1-3,5 % en peso, en donde la cantidad combinada de C N está dentro del intervalo 0,05-0,5 % en peso, siendo el resto Fe e impurezas inevitables, en donde la aleación de acero comprende menos de 1 % en peso de impurezas inevitables, en donde la aleación de acero es producida por fusión inducida en vacío y refusión por arco en vacío (VIM-VAR), o en donde la aleación de acero está en forma de aleación de acero de pulvimetalurgia producida por atomización gaseosa seguida de prensado isostático en caliente.
2. La aleación de acero según la reivindicación 1, en donde la aleación de acero comprende menos de 0,5 % en peso de impurezas inevitables.
3. La aleación de acero según la reivindicación 1 ó 2, en donde la cantidad combinada de C N está dentro del intervalo de 0,05-0,3 % en peso.
4. La aleación de acero según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la aleación de acero comprende 0,1-0,3 % en peso de C.
5. La aleación de acero según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la aleación de acero comprende 3-4,5 % en peso de Cr, preferiblemente 3-4 % en peso de Cr.
6. La aleación de acero según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la aleación de acero comprende 3-7 % en peso de Co, preferiblemente 4-6 % en peso de Co.
7. La aleación de acero según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la aleación de acero comprende 1,5-2,5 % en peso de V.
8. La aleación de acero según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde se satisface la expresión 11 % en peso < Weq < 15 % en peso, en donde Weq = W+2*Mo.
9. La aleación de acero según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la aleación de acero después de su endurecimiento y revenido presenta una microestructura que comprende martensita revenida y carburos precipitados, cuya microestructura está libre o esencialmente libre de ferrita.
10. Un componente mecánico que comprende una aleación de acero según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el componente mecánico es un componente de cojinete o un componente de engranaje, y en donde el componente mecánico presenta una capa superficial con una dureza aumentada como resultado de la carburización o la nitruración o una combinación de las mismas.
11. Un componente mecánico según la reivindicación 10, en donde el componente mecánico presenta un contenido de carbono aumentado en su capa superficial como resultado de la carburización.
12. Un componente mecánico según la reivindicación 11, en donde el contenido de carbono en la capa superficial es al menos 1,0 % en peso, preferiblemente al menos 1,1 % en peso.
13. Un componente mecánico según cualquiera de las reivindicaciones 10-12, en donde el componente mecánico está formado a partir de una aleación de acero de pulvimetalurgia prensada isostáticamente en caliente.
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