ES2784266T3

ES2784266T3 - Acero para herramientas de trabajo en frío

Info

Publication number: ES2784266T3
Application number: ES15821258T
Authority: ES
Inventors: Petter Damm; Thomas Hillskog; Kjell Bengtsson; Svensson Annika Engström; Sebastian Ejnermark; Lars Ekman; Victoria Bergqvist
Original assignee: Uddeholms AB
Current assignee: Uddeholms AB
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2020-09-23
Anticipated expiration: 2035-06-26
Also published as: TWI650433B; US10472705B2; SG11201609197SA; PL3169821T3; EP3169821A4; RU2695692C2; UA118051C2; CN106795611A; BR112017000078A2; EP3169821B1; JP2017525848A; PT3169821T; RU2017102699A3; CN113913679A; EP3169821A1; TW201606095A; SI3169821T1; RU2017102699A; EP2975146A1; HRP20200517T1

Abstract

Acero que cosiste en % en peso (% p.): C 0,5 - 2,1 N 1,3 - 3,5 Si 0,05 - 1,2 Mn 0,05 - 1,5 Cr 2,5 - 5,5 Mo 0,8 - 2,2 V 6 - 18 opcionalmente uno o más de P <= 0,05 S <= 0,5 W <= 1,0 Cu <= 3 Co <= 12 Ni <= 3 Nb <= 2 Ti <= 0,1 Zr <= 0,1 Ta <= 0,1 B <= 0,6 Be <= 0,2 Bi <= 0,2 Se <= 0,3 Ca 0,0003 - 0,009 Mg <= 0,01 REM <= 0,2 el resto Fe aparte de impurezas

Description

DESCRIPCIÓN

Acero para herramientas de trabajo en frío

Campo técnico

La invención se refiere a un acero para herramientas de trabajo en frío aleado con nitrógeno.

Antecedentes de la invención

Los aceros para herramientas por pulvimetalurgia (PM) aleados con nitrógeno y vanadio alcanzaron un considerable interés debido a su combinación única de alta dureza, alta resistencia al desgaste y excelente resistencia a la corrosión. Estos aceros tienen una amplia gama de aplicaciones en las que los fallos mecánicos predominantes son el desgaste adhesivo o la corrosión. Las áreas típicas de aplicación incluyen el corte y la conformación, el corte fino, la extrusión en frío, la embutición profunda y el prensado de polvo. La composición básica de acero se atomiza, se somete a nitruración y luego el polvo se llena en una cápsula y se somete a prensado isostático en caliente (HIP) para producir un acero isotrópico. Un acero de alto rendimiento producido de esta manera es VANCRON®40. Este presenta un alto contenido de carbono, nitrógeno y vanadio y también se alea con cantidades sustanciales de Cr, Mo y W, lo que da como resultado una microestructura que comprende fases duras del tipo MX (14 % en volumen) y MaC (5 % en volumen). El acero se describe en el documento WO 00/79015 A1.

Aunque VANCRON®40 tiene un perfil de propiedades muy atractivo, se da un esfuerzo continuo por mejorar el material de las herramientas con el fin de mejorar aún más la calidad de la superficie de los productos fabricados, así como para prolongar la vida útil de las herramientas, en particular en condiciones de trabajo severas, en las que la corrosión es el principal problema.

Divulgación de la invención

El objeto de la presente invención es proporcionar un acero para herramientas de trabajo en frío fabricado por pulvimetalurgia (PM) aleado con nitrógeno que presente un perfil de propiedades mejorado para un superior trabajo en frío.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un acero para herramientas de trabajo en frío fabricado por pulvimetalurgia (PM) que tenga una composición y una microestructura que conlleven mejoras en la calidad de la superficie de las piezas fabricadas.

Los objetos anteriores, así como las ventajas adicionales se logran en una medida significativa proporcionando un acero para herramientas de trabajo en frío que tenga una composición tal como se establece en las reivindicaciones. La invención se define en las reivindicaciones.

Descripción detallada

A continuación, se explica brevemente la importancia de los elementos separados y su interacción entre sí, así como las limitaciones de los ingredientes químicos de la aleación reivindicada. Todos los porcentajes de la composición química del acero se dan en % en peso (% p.) a lo largo de la descripción. Los límites superior e inferior de los elementos individuales pueden combinarse libremente dentro de los límites establecidos en la reivindicación 1. Carbono (0,5 - 2,1 %)

El carbono debe estar presente en un contenido mínimo de 0,5%, preferiblemente al menos 1,0 %. El límite superior para el carbono puede establecerse en 1,8 % o 2,1 %. Los rangos preferidos incluyen 0,8 - 1,6 %, 1,0 -1,4 % y 1,25 -1,35 %. El carbono es importante para la formación del MX y para el endurecimiento, donde el metal M es principalmente V, aunque también pueden estar presentes Mo, Cr y W. X es uno o más de C, N y B. Preferiblemente, el contenido de carbono se ajusta para obtener 0,4-0,6 % de C disuelto en la matriz a la temperatura de austenización. En cualquier caso, la cantidad de carbono debe controlarse de modo que la cantidad de carburos del tipo M23C6, M7C3 y MaC en el acero sea limitada, preferiblemente el acero está libre de dichos carburos.

Nitrógeno (1,3 -3,5 %)

En la presente invención el nitrógeno es esencial para la formación de los carbonitruros duros del tipo MX. Por lo tanto, el nitrógeno debe estar presente en una cantidad de al menos 1,3 %. El límite inferior puede ser 1,4 %, 1,5 %, 1,6 %, 1,7 %, 1,8 %, 1,9 %, 2,0 % 2,1 % o incluso 2,2 %. El límite superior es 3,5% y puede establecerse en 3,3 %, 3,2 %, 3,0 %, 2,8 %, 2,6 %, 2,4 %, 2,2 %, 2,1 % 1,9 % o 1,7 %. Los rangos preferidos incluyen 1,6 -2,1 % y 1,7 - 1,9 %.

Cromo (2,5 - 5,5 %)

El cromo debe estar presente en un contenido de al menos 2,5 % para proporcionar una templabilidad suficiente. El contenido de Cr es preferiblemente mayor para proporcionar una buena templabilidad en grandes secciones transversales durante el tratamiento térmico. Si el contenido de cromo es demasiado alto, esto puede conducir a la formación de carburos no deseados, tales como el M7C3. Además, esto también puede aumentar la propensión a austenita retenida en la microestructura. El límite inferior puede ser 2,8 %, 3,0 %, 3,2 %, 3,4 %, 3,6 %, 3,8 %, 4,0 %, 4,2 %, 4,35 %, 4,4 % o 4,6 %. El límite superior puede ser 5,2 %, 5,0 %, 4,9 %, 4,8 % o 4,65 %, El contenido de cromo es preferiblemente del 4,2 al 4,8 %.

Molibdeno (0,8 - 2,2 %)

Se sabe que Mo tiene un efecto muy favorable sobre la templabilidad. El molibdeno es esencial para lograr una buena respuesta de endurecimiento secundario. El contenido mínimo es de 0,8 % y puede establecerse en 1 %, 1,25 %, 1,5 %, 1,6 %, 1,65 % o 1,8 %. El molibdeno es un fuerte elemento de formación de carburo. Sin embargo, el molibdeno es también un fuerte formador de ferrita. Mo debe restringirse también para limitar la cantidad de otras fases duras distintas de MX. En particular, la cantidad de carburos M6C debe limitarse, preferiblemente a < 3 % en volumen. Más preferiblemente, no debe haber carburos M6C en la microestructura. El contenido máximo de molibdeno es, por lo tanto, de 2,2 %. Preferentemente, Mo está limitado a 2,15 %, 2,1 %, 2,0 % o 1,9 %.

Tungsteno (< 1 %)

El efecto del tungsteno es similar al del Mo. Sin embargo, para lograr el mismo efecto, es necesario añadir el doble de W que de Mo sobre una base de % en peso. El tungsteno es costoso y también complica la manipulación de la chatarra. Al igual que Mo, W también forma carburos M6C. Por lo tanto, la cantidad máxima está limitada a 1 %, preferiblemente 0,5 %, más preferiblemente 0,3 % y, más preferiblemente, no se añade W deliberadamente en absoluto. Al no añadir W y restringir el Mo, tal como se indicó anteriormente, es posible evitar por completo la formación de carburos M6C.

Vanadio (6 -18%)

El vanadio forma carburos y carbonitruros precipitados primarios distribuidos uniformemente del tipo MX. Los precipitados pueden estar representados por la fórmula M (N, C) y comúnmente también se llaman nitrocarburos, debido al alto contenido de nitrógeno. En el acero inventivo, M es principalmente vanadio, pero Cr y Mo pueden estar presentes hasta cierto punto. El vanadio estará presente en una cantidad del 6 al 18 % para obtener la cantidad deseada de MX. El límite superior se puede establecer en 16 %, 15 %, 14 %, 13 %, 12 %, 11 %, 10,25 %, 10 % o 9 %. El límite inferior puede ser 7 %, 8 %, 8,5 %, 9 %, 9,75 %, 10 %, 11 % o 12 %. Los rangos preferidos incluyen 8 - 14 %, 8,5 - 11,0 % y 9,75 - 10,25 %.

Niobio (< 2 %)

El niobio es similar al vanadio en que forma MX o carbonitruros del tipo M(N, C). Sin embargo, Nb da como resultado una forma más angulosa de M(N, C). Por lo tanto, la adición máxima de Nb está restringida a 2,0 % y la cantidad máxima preferida es 0,5 %. Preferiblemente, no se añade niobio.

Silicio (0,05 - 1,2%)

El silicio se utiliza para la desoxidación. El Si también aumenta la actividad de carbono y es beneficioso para la maquinabilidad. Por lo tanto, el Si está presente en una cantidad de 0,05 - 1,2 %. Para una buena desoxidación, se prefiere ajustar el contenido de Si al menos al 0,2 %. El límite inferior se puede establecer en 0,3 %, 0,35 % o 0,4 %. Sin embargo, el Si es un fuerte formador de ferrita y debe limitarse al 1,2 %. El límite superior se puede establecer en 1,1 %, 1 %, 0,9 %, 0,8 %, 0,75 %, 0,7 % o 0,65 %. Un rango preferido es 0,3 - 0,8 %.

Manganeso (0,05 - 1,5 %)

El manganeso contribuye a mejorar la templabilidad del acero y, junto con el azufre, el manganeso contribuye a mejorar la maquinabilidad mediante la formación de sulfuros de manganeso. Por lo tanto, el manganeso debe estar presente en un contenido mínimo de 0,05 %, preferiblemente al menos 0,1 % y más preferiblemente al menos 0,2 %. Con contenidos de azufre elevados, el manganeso evita la fragilidad al rojo en el acero. El acero deberá contener un máximo de 1,5 % de Mn. El límite superior se puede establecer en 1,4 %, 1,3 %, 1,2 %, 1,1 %, 1,0 %, 0,9 %, 0,8 %, 0,7 %, 0,6 % o 0,5 %. Sin embargo, los rangos preferidos son 0,2 - 0,9 %, 0,2 - 0,6 y 0,3 - 0,5 %.

Níquel (< 3,0%)

El níquel es opcional y puede estar presente en una cantidad de hasta el 3 %. Le da al acero una buena templabilidad y tenacidad. Debido al coste, el contenido de níquel del acero debe limitarse en la medida de lo posible. En consecuencia, el contenido de Ni está limitado al 1 %, preferiblemente al 0,3 %. Más preferiblemente, no se hacen adiciones de níquel.

Cobre (< 3,0%)

El Cu es un elemento opcional que puede contribuir a aumentar la dureza y la resistencia a la corrosión del acero. Si se utiliza, el rango preferido es 0,02 - 2 % y el rango más preferido es 0,04 - 1,6 %. Sin embargo, no es posible extraer el cobre del acero una vez que se ha añadido. Esto hace que la manipulación de la chatarra sea más difícil. Por esta razón, el cobre normalmente no se añade deliberadamente.

Cobalto (< 12 %)

El Co es un elemento opcional. El Co se disuelve en el hierro (ferrita y austenita) y lo fortalece al mismo tiempo que confiere resistencia a altas temperaturas. El Co aumenta la temperatura Ms. Durante el tratamiento térmico con solución, el Co ayuda a resistir el crecimiento del grano, de modo que se pueden utilizar temperaturas de solución más altas, lo que garantiza un mayor porcentaje de carburos que se disuelven, lo que da como resultado una mejor respuesta de endurecimiento secundario. El Co también retrasa la coalescencia de los carburos y carbonitruros y tiende a causar un endurecimiento secundario a temperaturas más altas. El Co contribuye a aumentar la dureza de la martensita. La cantidad máxima es del 12 %. El límite superior se puede establecer en 10 %, 8 %, 7 %, 6 %, 5 % o 4 %. El límite inferior se puede establecer en 1 %, 2 %, 3 %, 4 % o 5 %. Sin embargo, por razones prácticas, como la manipulación de la chatarra, no hay una adición deliberada de Co. El contenido máximo preferido es 1 %.

Fósforo (< 0,05)

El P es un elemento de refuerzo de solución sólida. Sin embargo, el P tiende a segregar los límites del grano, reduce la cohesión y, por lo tanto, la tenacidad. El P está, por lo tanto, limitado a < 0,05 %.

Azufre (< 0,5%)

El S contribuye a mejorar la maquinabilidad del acero. A mayores contenidos de azufre existe el riesgo de fragilidad al rojo. Además, un alto contenido de azufre puede tener un efecto negativo sobre las propiedades de fatiga del acero. Por lo tanto, el acero debe contener < 0,5 %, preferiblemente < 0,03 %.

Be, Bi, Se, Ca, Mg, O y REM (metales de tierras raras)

Estos elementos se pueden añadir al acero en las cantidades reivindicadas para mejorar aún más la maquinabilidad, la trabajabilidad en caliente y/o la soldabilidad del acero reivindicado.

Boro (< 0,6%)

De manera opcional, se pueden utilizar cantidades sustanciales de boro para ayudar en la formación de la fase dura MX. El B puede utilizarse para aumentar la dureza del acero. La cantidad se limita a 0,01 %, preferiblemente < 0,004 %.

Ti, Zr, Al y Ta

Estos elementos son formadores de carburo y pueden estar presentes en la aleación en los rangos reivindicados para alterar la composición de las fases duras. Sin embargo, normalmente no se añade ninguno de estos elementos.

Producción del acero

Los aceros para herramientas que tienen la composición química reivindicada se pueden producir por atomización por gas convencional seguido de un tratamiento de nitruración. La nitruración puede realizarse sometiendo el polvo atomizado a una mezcla de gases a base de amoníaco a 500 - 600 °C, por lo que el nitrógeno que se difunde en el polvo, reacciona con el vanadio y los carbonitruros diminutos nucleados. Normalmente el acero se somete a endurecimiento y temple antes de ser utilizado.

La austenización puede realizarse a una temperatura de austenización (T^a) en el intervalo de 950 - 1150 °C, normalmente 1020 - 1080 °C. Un tratamiento típico consiste en austenizar a 1050 °C durante 30 minutos, enfriar con gas y templar tres veces a 530 °C durante 1 hora seguido de enfriamiento con aire. Esto da como resultado una dureza de 60-66 HRC.

EJEMPLO

En este ejemplo, un acero de acuerdo con la invención se compara con el acero conocido. Ambos aceros fueron producidos por pulvimetalurgia.

Las composiciones básicas de acero se fundieron y se sometieron a atomización por gas, nitruración, encapsulado y HIPing (prensado isostático en caliente).

Los aceros así obtenidos tenían las siguientes composiciones (en % en peso):

Acero de la invención VANCRON®40

C 1,3 1,2

N 1,8 1,8

Si 0,5 0,5

Mn 0,4 0,4

Cr 4,5 4,6

Mo 1,8 3,25

W 0,1 3,8

V 10,0 8,5

el resto hierro e impurezas.

Se examinó la microestructura de los dos aceros y se descubrió que el acero de la invención contenía aproximadamente 20 % en volumen de MX (fase negra), cuyas partículas son de tamaño pequeño y están distribuidas uniformemente dentro de la matriz tal como se describe en la Figura 1.

El acero comparativo, por otro lado, contenía aproximadamente 15 % en volumen de MX y alrededor de 6 % en volumen de M6C (fase blanca), tal como se muestra en la Figura 2. Es evidente a partir de esta figura que los carburos M6C son más grandes que las partículas MX y que existe una cierta dispersión en la distribución del tamaño de partícula de los carburos M6C.

Los aceros se austenizaron a 1050 °C durante 30 minutos y se endurecieron mediante enfriamiento rápido con gas y temple a 550 °C durante 1 hora (3xlh) seguido de enfriamiento con aire. Esto dio como resultado una dureza de 63 HRC para el acero de la invención y de 62 HRC para el material comparativo. La composición de equilibrio de la matriz y la cantidad de MX y M6C primarios a la temperatura de austenización (1050 °C) se calcularon en una simulación Thermo-Calc con la versión de software S-build-2532 y la base de datos TCFE6. Los cálculos mostraron que el acero de la invención estaba libre de carburos M6C y contenía 16,3 % en volumen de MX. Por otro lado, se encontró que el acero comparativo contenía 5,2 % en volumen de M6C y 14,3 % en volumen de MX.

Los dos materiales se utilizaron en rollos para el laminado en frío de acero inoxidable y se descubrió que el material de la invención dio como resultado una micro rugosidad superficial mejorada del acero laminado en frío, que puede atribuirse a la microestructura más uniforme y a la ausencia de los grandes carburos M6C.

Aplicabilidad industrial

El acero para herramientas de trabajo en frío de la presente invención resulta particularmente útil en aplicaciones que requieren una resistencia a la corrosión muy alta, tales como el corte y la formación de acero inoxidable austenítico. También se espera que el pequeño tamaño de los carbonitruros MX en combinación con su distribución uniforme produzca una resistencia mejorada a la corrosión.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Acero que cosiste en % en peso (% p.):

C 0,5 - 2,1

N 1,3 -3,5

Si 0,05 - 1,2

Mn 0,05 - 1,5

Cr 2,5 - 5,5

Mo 0,8 - 2,2

V 6 - 18

opcionalmente uno o más de

P < 0,05

S < 0,5

W < 1,0

Cu < 3

Co < 12

Ni < 3

Nb < 2

Ti < 0,1

Zr < 0,1

Ta < 0,1

B < 0,6

Be < 0,2

Bi < 0,2

Se < 0,3

Ca 0,0003 - 0,009

Mg < 0,01

REM < 0,2

el resto Fe aparte de impurezas

2. Acero de acuerdo con la reivindicación 1 que cumple al menos uno de los siguientes requisitos:

C 0,6 - 1,8

N 1,4 - 3,3

Si 0,2 - 1,1

Mn 0,1 - 1,1

Cr 2,8 - 5,2

Mo 1,25 - 2,15

W < 0,5

V 7 - 16

P < 0,03

S < 0,03

Cu 0,02 - 2

Co < 1

Ni < 1

Nb < 1

Ti < 0,01

Zr < 0,01

Ta < 0,01

B < 0,005

Be < 0,02

Se < 0,03

Mg < 0,001

Acero de acuerdo con la reivindicación 1 o 2 que cumple al menos uno de los siguientes requisitos:

C 0,8 - 1,6

N 1,6 - 3,2

Si 0,25 - 0,85

Mn 0,2 - 0,9

Cr 3,2 - 5,0

(continuación)

Mo 1,5 - 2,1

W < 0,45

V 8 - 14

Co < 1

Cu < 0,5

Ni < < 0,

3

Nb < 0,5

4. Acero de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores que cumple al menos uno de los siguientes requisitos:

C 1,0 - 1,4

N 1,6 - 2,1

Si 0,3 - 0,8

Mn 0,2 - 0,6

Cr 4,2 - 4,8

Mo 1,6 - 2,0

W < 0,40

V 8,5 - 11,0

5. Acero de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores que cumple al menos uno de los siguientes requisitos:

C 1,25 - 1,35

N 1,7 - 1,9

Si 0,35- 0,65

Mn 0,3 - 0,5

Cr 4,35 - 4,65

Mo 1,65 - 1,95

W < 0,30

V 9,75 - 10,25

6. Acero de acuerdo con la reivindicación 4 que consiste en:

C 1,0 - 1,4

N 1,6 - 2,1

Si 0,3 -0,8

Mn 0,2 - 0,6

Cr 4,2 - 4,8

Mo 1,6 - 2,0

W < 0,40

V 8,5 - 11,0

el resto Fe aparte de impurezas.

7. Acero producido por pulvimetalurgia para trabajo en frío que tiene una composición tal como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la cantidad de carburos y carbonitruros presentes en el acero cumple los siguientes requisitos en % en volumen:

donde M es uno o más de V, Cr y Mo y X es C y/o N y opcionalmente B.

8. Acero producido por pulvimetalurgia para trabajo en frío de acuerdo con la reivindicación 7 que cumple el requisito:

M7X3 < 0,2

M23X6 < 0,2

9. Acero producido por pulvimetalurgia para trabajo en frío de acuerdo con la reivindicación 7 u 8, en el que la cantidad de carburos y carbonitruros cumple los siguientes requisitos en % en volumen:

MX 15 - 30

MaX < 0,1

donde la microestructura está libre de M7X3 y M23X6, preferiblemente la microestructura está libre de MaX.

10. Acero producido por pulvimetalurgia para trabajo en frío de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en el que el diámetro de círculo equivalente (ECD) de los carburos y carbonitruros en la microestructura es inferior a 1,5 pm, preferiblemente inferior a 1,0 pm.