ES2830474T3 - Hierro dúctil y proceso para formar un componente de hierro dúctil - Google Patents

Hierro dúctil y proceso para formar un componente de hierro dúctil Download PDF

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Abstract

Una composición de hierro dúctil, que comprende, en peso: de 3,4 % a 4,0 % de Si; de 3,0 % a 3,5 % de C; de 0,5 % a 1,0 % de Cr; de 0,02 % a 0,05 % de Mo; hasta 0,01 % de S; hasta 0,5 % de Mn; y resto de hierro e impurezas accidentales; en donde la composición incluye una microestructura cúbica central de cuerpo ferrítico y tiene una densidad de nódulo (201) de grafito mayor que 100 por mm2, en donde la composición de hierro dúctil incluye una microestructura que contiene menos de 15 % de área de perlita y porcentaje volumétrico de carburo entre 5 % y 20 %.

Description

DESCRIPCIÓN
Hierro dúctil y proceso para formar un componente de hierro dúctil
Campo de la invención
La presente invención se dirige a una composición de hierro dúctil, a artículos que incluyen la composición de hierro dúctil. Más específicamente, la presente invención se dirige a una solución sólida reforzada con hierro dúctil que tiene mayor tenacidad y resistencia al desgaste.
Antecedentes de la invención
Debido a su resistencia al desgaste, resistencia, tenacidad, capacidad de fusión y maquinabilidad, aleaciones de hierro dúctil (hierro nodular fundido) también se han utilizado para producir una variedad de componentes de turbinas eólicas, turbinas de gas y minería. La resistencia del hierro fundido se ha mejorado notablemente mediante el desarrollo de hierro fundido de grafito esferoidal, es decir, hierro fundido dúctil, pero su ductilidad y resistencia al impacto están aún detrás de las del acero, haciendo acero el material deseable para una variedad de componentes, incluyendo componentes de cajas de engranajes. Para mejorar las propiedades mecánicas del hierro dúctil, se han realizado intentos en el refinado de los nódulos del grafito de la aleación de elementos especiales, pero no lograron todavía la obtención de resultados suficientes. Además, estas composiciones y procesos pueden tener desventajas tales como un procesamiento complicado o laborioso.
En EP-2468903 A1 se describe un proceso para fabricar piezas esferoidales de hierro fundido. El hierro fundido es ferrítico y comprende nódulos de silicio y grafito.
Breve descripción de la invención
Según un primer aspecto de la invención, se proporciona la composición de hierro dúctil de la reivindicación 1.
Otras características y ventajas de la presente invención resultarán evidentes a partir de la siguiente descripción más detallada de la realización preferida, tomada en conjunto con las figuras adjuntas que ilustran, a modo de ejemplo, los principios de la invención.
Breve descripción de los dibujos
La Fig. 1 es un gráfico que muestra la formación de carburo en la composición según la presente descripción.
La Fig. 2 muestra una microestructura de una composición según la presente descripción.
Descripción detallada de la invención
Se proporciona una composición de hierro dúctil de ejemplo y un proceso para formar el componente de hierro dúctil que tiene una pluralidad de propiedades predeterminadas. Las realizaciones de la presente descripción, en comparación con métodos y productos que no usan una o más características divulgadas en el presente documento, proporcionan una mayor tenacidad, una mayor resistencia al desgaste o combinaciones de las mismas. La resistencia al desgaste deseable de los materiales según la presente descripción son especialmente adecuados para componentes de turbinas eólicas, turbinas de gas y de minería, tales como componentes de engranajes, puntas en palas, prensas y otros componentes adecuados
Los términos “ primero” , “segundo” , y similares, en el presente documento no indican ningún orden, cantidad, o importancia, sino que se utilizan para distinguir un elemento de otro, y los términos “ un” y “ una” en el presente documento no indican una limitación de cantidad, sino más bien indican la presencia de al menos uno del elemento referenciado. El sufijo “ (s)” como se utiliza en el presente documento se pretende que incluya el singular y el plural del término que modifica, incluyendo de ese modo uno o más de ese término (por ejemplo, metal(es) incluye uno o más metales). Los intervalos divulgados en el presente documento son inclusivos e independientemente combinables (por ejemplo, intervalos de “ hasta aproximadamente 25 % o, más específicamente, aproximadamente 5 % a aproximadamente 20 %” incluyen los puntos finales y todos los valores intermedios de los intervalos de “ aproximadamente 5 % a aproximadamente 25 %” , etc.).
El modificador “ aproximadamente” utilizado en relación con una cantidad incluye el valor indicado y tiene el significado de incluir el grado de error asociado con la medición de la cantidad particular.
En una realización, la descripción incluye un proceso para la producción de una amplia variedad de componentes a partir de composiciones de hierro dúctil. Otros ejemplos no limitativos incluyen componentes de turbinas de gas, de turbinas eólicas, de automoción o petróleo y de gas, tales como árboles, engranajes, ejes, y diversos otros componentes utilizados en las industrias de la energía, automoción, ferrocarril, construcción, minería y agricultura. Otros componentes pueden incluir componentes de cajas de engranajes, engranajes anulares, engranajes planetarios y equipos de minería. Tales componentes son bien conocidos en la técnica y, por lo tanto, no necesitan mayor descripción.
La composición de hierro dúctil, según la presente invención, contiene, en peso, de aproximadamente 3,4 % a aproximadamente 4,0 % de silicio, de aproximadamente 3,0 % a aproximadamente 3,5 % de cromo, de aproximadamente 0,02 % a aproximadamente 0,05 % de molibdeno, hasta aproximadamente 0,01 % de azufre, hasta aproximadamente 0,5 % de manganeso, y resto de hierro e impurezas accidentales. Como se conoce en la técnica, el nivel de carbono es necesario para la formación de grafito y otras consideraciones de estabilidad. La función del silicio generalmente es promover la formación de grafito en lugar de carburo de hierro metaestable durante la solidificación. El contenido de carbono se separa como grafito esferoide durante la solidificación, principalmente como resultado de la presencia de silicio. El grafito esferoidal imparte tales propiedades deseables como alta resistencia y tenacidad para las que se conocen aleaciones de hierro dúctil. Además, en la composición según la presente descripción, cromo y molibdeno actúan como formadores de carburo primario (por ejemplo, carburos de tipo M6C y M7C3). En una realización, la composición está desprovista de níquel. La Fig. 1 muestra la formación de carburo para la composición según la presente descripción.
En otra realización, la composición de hierro dúctil incluye de aproximadamente 3,5 % a aproximadamente 3,9 % de silicio, de aproximadamente 3,1 % a aproximadamente 3,4 % de carbono, de aproximadamente 0,6 % a aproximadamente 0,9 % de cromo, hasta aproximadamente 0,01 % de azufre, hasta aproximadamente 0,4 % de manganeso, y resto de hierro e impurezas accidentales.
En otra realización, la composición de hierro dúctil incluye de aproximadamente 3,6 % a aproximadamente 3,8 % de silicio, de aproximadamente 3,25 % a aproximadamente 3,35 % de carbono, de aproximadamente 0,7 % a aproximadamente 0,8 % de molibdeno, hasta aproximadamente 0,01 % de azufre, hasta aproximadamente 0,3 % de manganeso, y resto de hierro e impurezas accidentales.
La composición de hierro dúctil, según la presente descripción, incluye nódulos de grafito que tienen geometrías esféricas variadas. La microestructura de la composición de hierro dúctil incluye una estructura sustancialmente ferrítica que contiene menos de 5 % de área de perlita o menos de 15 % de área de perlita. En ciertas realizaciones de la descripción, las propiedades mecánicas varían en base al espesor del componente. Por ejemplo, los componentes que tienen espesores de pared iguales o menores que 5 cm (2 pulgadas) incluyen menos de 5 % de área o menos de 2 % de área o menos de 1 % de área de perlita. Los componentes que tienen espesores de pared iguales o menores que 10 cm (4 pulgadas) incluyen menos de 15 % de área o menos de 2 % de área o menos de 1 % de área de perlita. La microestructura de la composición de hierro dúctil incluye un porcentaje volumétrico de carburo de entre aproximadamente 5 % y aproximadamente 20 % o entre aproximadamente 5 % y aproximadamente 15 % o aproximadamente 10 %. En una realización, la densidad de los nódulos para los nódulos de grafito muy esféricos y sustancialmente esféricos es mayor que 100 por mm2 o mayor que 125 por mm2 o 150 por mm2. Una microestructura de ejemplo se muestra en la Fig. 2, en la que los nódulos 201 de grafito son visibles.
La composición de hierro dúctil, según la presente descripción, se forma al tratar un material de carga con una composición específica para nodular e inocular la composición de carga. El método incluye formar una masa fundida de un material de carga. El material de carga es cualquier material adecuado para formar la masa fundida. Mezclas adecuadas para el material de carga incluyen una composición que tiene 20-40 % en retorno doméstico, 30-50 % de arrabio, 10-20 % de desechos de acero. La composición se selecciona para producir la composición de aleación deseada después de la nodulación y la inoculación. Después de que se forme la masa fundida, la composición de carga se nodula con una composición de nodulación. La nodulación incluye poner en contacto el material de carga con una composición de nodulación. La composición de nodulación es un material que nodula grafito dentro de la composición de hierro dúctil para formar nódulos de grafito.
La composición de nodulación comprende, en peso, de aproximadamente 1,0 % a aproximadamente 1,4 % de la aleación de carga y la composición de nodulación incluye dos porciones, que incluyen una primera porción y una segunda porción. En esta realización, la primera porción comprende, en peso, de aproximadamente 0,2 a aproximadamente 2,0 % de Al, de aproximadamente 0,2 a aproximadamente 2,0 % de Ca, de aproximadamente 0,2 a aproximadamente 2,0 % de elementos de tierras raras, de 2,0 a aproximadamente 4,0 % de Mg y resto esencialmente de FeSi. La segunda porción de la composición de nodulación incluye, en peso, de la primera porción aproximadamente de 0,2 a aproximadamente 2,0 % de Al, de aproximadamente 0,2 a aproximadamente 2,0 % de Ca, menos de aproximadamente 0,1 % de elementos de tierras raras, de 2,0 a aproximadamente 4,0 % de Mg y resto esencialmente de FeSi.
Para formar la composición de hierro dúctil, según la presente descripción, la composición se inocula. La inoculación se lleva a cabo al poner en contacto una composición inoculante con el material de carga. La inoculación puede producirse en varias etapas del proceso. Por ejemplo, la inoculación se puede realizar en el horno, en la cuchara de fundición, en otras etapas del proceso de formación o en combinación de estos puntos en el proceso. La inoculación del material de carga con la composición de inoculación nuclea los nódulos de grafito y ayuda en la formación de una densidad de nódulos superior con la geometría de nódulos deseada. La composición de inoculación incluye una composición de ferrosilicio que comprende, en peso, de la composición de aproximadamente 0,2 a aproximadamente 2,0 % de Al, aproximadamente de 0,2 a aproximadamente 2,0 % de Ca y de aproximadamente 1,0 a aproximadamente 2,0 % de Ce.
La composición de hierro dúctil, según la presente descripción, después de la nodulación y la inoculación, se moldea por medio de técnicas de colada conocidas en la técnica para fundición.
La composición de hierro dúctil puede tratarse con calor para inducir la formación de carburos. En una realización, la composición dúctil es tratada con calor a una temperatura entre aproximadamente 732 0C y aproximadamente 829 0C (entre aproximadamente 1350 0F y 1425 0F) para formar una microestructura, tal como se muestra en la Fig. 2. El tiempo para el tratamiento con calor puede variar según el espesor efectivo del componente. Por ejemplo, el componente puede tratarse con calor durante un tiempo de aproximadamente 1 hora por 2,5 cm (pulgada) del espesor efectivo del componente.

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Una composición de hierro dúctil, que comprende, en peso:
    de 3,4 % a 4,0 % de Si;
    de 3,0 % a 3,5 % de C;
    de 0,5 % a 1,0 % de Cr;
    de 0,02 % a 0,05 % de Mo;
    hasta 0,01 % de S;
    hasta 0,5 % de Mn; y
    resto de hierro e impurezas accidentales;
    en donde la composición incluye una microestructura cúbica central de cuerpo ferrítico y tiene una densidad de nódulo (201) de grafito mayor que 100 por mm2, en donde la composición de hierro dúctil incluye una microestructura que contiene menos de 15 % de área de perlita y porcentaje volumétrico de carburo entre 5 % y 20 %.
  2. 2. La composición de hierro dúctil de la reivindicación 1, en donde la composición de hierro dúctil está desprovista de Ni.
  3. 3. La composición de hierro dúctil de la reivindicación 1, en donde la composición de hierro dúctil incluye de 3,5 % a 3,9 % de silicio, de 3,1 % a 3,4 % de carbono, de 0,6 % a 0,9 % de cromo, de 0,03 % a 0,04 % de molibdeno, hasta 0,01 % de azufre, hasta 0,4 % de manganeso, y resto de hierro e impurezas accidentales.
  4. 4. La composición de hierro dúctil de la reivindicación 1, en donde la composición de hierro dúctil incluye una microestructura que contiene menos de 5 % de área de perlita.
  5. 5. La composición de hierro dúctil de la reivindicación 1, en donde la densidad de nódulo (201) de grafito es mayor que 125 por mm2.
  6. 6. La composición de hierro dúctil de la reivindicación 1, en donde la densidad de nódulo (201) de grafito es mayor que 150 por mm2.
  7. 7. Un componente que comprende la composición de hierro dúctil, según la reivindicación 1.
  8. 8. El componente de la reivindicación 7, que comprende un componente seleccionado del grupo que consiste en componentes de cajas de engranajes, engranajes anulares, engranajes planetarios y equipos de minería.
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