ES2864406T3 - Composiciones de alineación a base de hierro resistentes al desgaste que comprenden níquel - Google Patents

Abstract

Una composición de aleación a base de hierro que comprende boro (B): 1,6-2,4 % en peso; carbono (C):1,7-3,0 % en peso; molibdeno (Mo):16,0-19,5 % en peso; níquel (Ni):3,5-6,5 % en peso; manganeso (Mn):inferior a 0,8 % en peso; silicio (Si):0,2-3,0 % en peso; vanadio (V):10,8-13,2 % en peso; 10,8-13,2 % en peso; y siendo el resto hierro (Fe).

Description

DESCRIPCIÓN

Composiciones de alineación a base de hierro resistentes al desgaste que comprenden níquel

La presente invención se refiere, en un aspecto, a una composición de aleación a base de hierro para aplicaciones de revestimiento duro. En otro aspecto, la invención se refiere a un recubrimiento de revestimiento duro producido a partir de una composición de aleación a base de hierro. En aún otro aspecto, la invención se refiere a un método para el revestimiento duro de un artículo usando una composición de aleación a base de hierro como material de recubrimiento. Además, en un aspecto, la invención se refiere a revestimiento duro mediante soldadura de recargue usando una composición de aleación a base de hierro como material de recubrimiento. En un aspecto particular, la invención se refiere a revestimiento duro mediante deposición por láser usando una composición de aleación a base de hierro como material de recubrimiento. En otro aspecto particular, la invención se refiere a revestimiento duro mediante soldadura de plasma arc transfer (arco transferido por plasma - PTA) usando una composición de aleación a base de hierro como material de recubrimiento.

Antecedentes de la invención

El revestimiento duro es una técnica metalúrgica para extender la vida útil de las herramientas y otras partes destinadas a usarse en condiciones de funcionamiento muy rigurosas al proporcionar a las porciones más expuestas de tales artículos una capa de recubrimiento resistente al desgaste. Por ejemplo, el recubrimiento puede aplicarse en regiones de superficie seleccionadas como una capa protectora en la producción de nuevas piezas o puede aplicarse para restaurar las superficies desgastadas en un proceso de reparación. Normalmente, un recubrimiento de revestimiento duro se aplica como una capa de soldadura de recargue unida de manera metalúrgica a una porción de sustrato de un artículo.

Los materiales de revestimiento duro son aleaciones complejas que normalmente están diseñadas para aplicaciones particulares con el fin de proporcionar protección frente a mecanismos de deterioro, tales como el desgaste abrasivo, desgaste por impacto y erosión. Las aplicaciones típicas pueden incluir, aunque no se limitan a, extracción de petróleo y gas, minería, producción de cemento, maquinaria agrícola y de movimiento de tierras, herramientas de moldeo y componentes de turbinas, p. ej., aeroespaciales y de generación de energía. Sin embargo, muchos de los materiales de revestimiento duro de mejor rendimiento conocidos tienen varios inconvenientes, entre los que se incluyen escenarios de alto coste, impacto ambiental y resistencia muy limitada cuando se combinan escenarios de desgaste, en los que diferentes tipos de mecanismos de desgaste contribuyen en combinación al deterioro del artículo en condiciones de funcionamiento realistas.

Existen diferentes técnicas para aplicar un recubrimiento de revestimiento duro a un sustrato. Uno de los retos en este contexto es que cada técnica tiene características específicas del tipo de proceso que ejercen una influencia sobre las propiedades del recubrimiento obtenido y, por tanto, la resistencia al desgaste lograda realmente. Por ejemplo, los procesos de deposición por láser tienen la ventaja de una aplicación rápida con una zona afectada por calor relativamente pequeña y un bajo grado de dilución de sustrato en comparación con otros tipos de técnicas de soldadura de recargue. Sin embargo, estas características están vinculadas a una velocidad de enfriamiento relativamente rápida del baño de fusión por soldadura y conllevan una mayor tendencia a la formación de grietas y/o porosidad que se producen en el recubrimiento. Una mayor tendencia a la formación de grietas y la porosidad puede llevar a un desgaste excesivo en comparación, p. ej., con el proceso por medio del uso de una técnica de plasma transferred arc (soldadura de arco transferido por plasma - PTA) más lenta. Por otra parte, la técnica de PTA puede conducir a una mayor zona afectada por calor, mayor dilución del sustrato y riesgo de distorsión de la pieza que va a recubrirse. Por tanto, existe la necesidad de contar con composiciones de aleación que puedan adaptarse fácilmente o incluso optimizarse para una técnica particular de recubrimiento duro con el fin de lograr recubrimientos con una tendencia reducida significativamente a la formación de poros y grietas y, lo más preferiblemente, que da como resultado recubrimientos libres de poros y grietas con resistencia combinada al desgaste abrasivo y por impacto.

Algunos de los problemas mencionados anteriormente se han abordado en estudios previos que han sido publicados por los inventores, véase p. ej.: Maroli y col., en “ Effect of Type and Amount of Tungsten Carbides on the Abrasive Wear of Laser Cladded Nickel Based Coatings” , Int. Thermal Spray Conf. - ITSC 2015, Long Beach, CA, EE. UU.; Bengtsson y col., en “ New Hardfacing Material with High Impact Wear Resistance” , Int. Thermal Spray Conf. - ITSC 2016, Shanghái; Maroli y col., en “ Iron Based Hardfacing Alloys for Abrasive and Impact Wear” , Int. Thermal Spray Conf. - ITSC 2017, Düsseldorf, Alemania; y Maroli y col., en “Cost Effective Iron Based Alloys for Abrasive Wear” Int. Thermal Spray Conf. - ITSC 2018, Orlando, EE. UU. Estos estudios presentan, entre otras cosas, mediciones que cuantifican las propiedades de determinadas aleaciones a base de hierro y su utilidad en aplicaciones de revestimiento duro rentables. Otros estudios se han centrado en evitar completamente el cromo como componente en aleaciones de revestimiento duro; véase, p. ej., Eibl, documento WO 2017/040775, que se refiere a “Chromium Free and Low-Chromium Wear Resistant Alloys” (Aleaciones resistentes al desgaste libres de cromo y con bajo contenido en cromo). Sin embargo, incluso estas composiciones de aleación mejoradas pueden seguir enfrentándose a algunas de las limitaciones mencionadas anteriormente. En algunas aplicaciones, como por ejemplo el recubrimiento de algunos tipos de barras de corte, rodillos de acero y matrices de estampación, no son aceptables las grietas y la porosidad. Por tanto, persiste la necesidad de encontrar alternativas y, preferiblemente, aleaciones mejoradas para el revestimiento duro, que superen o mejoren al menos algunos de los problemas mencionados anteriormente.

Además, se ha descubierto que las que producen mejores resultados entre las aleaciones de revestimiento duro conocidas pueden ser bastante sensibles a la elección de la técnica de soldadura y a los parámetros de proceso usados para aplicar la aleación de revestimiento duro como recubrimiento a una porción de sustrato. Al mismo tiempo, los equipos disponibles para el revestimiento duro pueden determinar el tipo de procesamiento y los parámetros de procesamiento pueden estar sujetos a restricciones externas dictadas por la complejidad de una tarea de revestimiento duro específica. Una falta de tolerancia con respecto a los parámetros de procesamiento cambiantes puede representar otro reto para diseñar un proceso de revestimiento duro con el resultado deseado en términos de calidad y resistencia al desgaste del recubrimiento. Por tanto, es deseable, además, proporcionar una aleación de revestimiento duro y un método que sea susceptible de soportar estos factores, proporcionando sin embargo una alta resistencia al desgaste, en particular en un escenario de tipo de desgaste combinado.

Sumario de la invención

Un primer aspecto de la invención se refiere a una composición de aleación a base de hierro que comprende: boro (B): el 1,6-2,4 % en peso; carbono (C): el 1,7-3,0 % en peso; molibdeno (Mo): el 16,0-19,5 % en peso; níquel (Ni): el 3,5-6,5 % en peso; manganeso (Mn): inferior al 0,8 % en peso; silicio (Si): el 0,2-3,0 % en peso; vanadio (V): el 10,8-13,2 % en peso; y siendo el resto hierro (Fe).

La composición de aleación a base de hierro está destinada al revestimiento duro de un sustrato por medio de técnicas de revestimiento duro conocidas, tales como soldadura de recargue usando, p. ej., técnicas de soldadura de plasma transfer arc (arco transferido por plasma - PTA) o deposición por láser. La aleación puede proporcionarse en cualquier forma adecuada para alimentarse y procesarse por el aparato de revestimiento duro empleado para dar un recubrimiento de revestimiento duro. Los sustratos típicos son materiales de acero de baja aleación, tales como los usados habitualmente para herramientas en cualquiera de los campos de aplicación mencionados anteriormente.

La composición de aleación a base de hierro está diseñada (a) para que sea fácil de soldar con pocas a ninguna grieta y sin porosidad perjudicial, (b) para proporcionar alta dureza, tal como superior a 60 HRC, alta resistencia al desgaste abrasivo, tal como inferior a 15 mm3, en la norma ASTM G65, procedimiento A y buena resistencia al impacto, así como (c) para el control estable de la microestructura.

Con adiciones de Ni en el intervalo tal como se especifica en la presente descripción, la aleación se vuelve más fácil de aplicar en una operación de deposición. A niveles demasiado bajos de Ni, el material es propenso al agrietamiento, y a un nivel demasiado alto, disminuye la dureza. Dentro de la ventana sugerida se obtiene una buena combinación de dureza y resistencia al agrietamiento. El Si se optimiza para el equilibrio entre las fases duras y la estructura eutéctica. De hecho, un beneficio particular de la presente invención reside en la conclusión de que el Si puede usarse de manera sorprendentemente eficiente y fiable para controlar la formación de boruros. El límite superior se fija para asegurar una formación suficiente de la estructura eutéctica, lo que es necesario para una dureza y resistencia al desgaste suficientes.

Las ventajas de añadir níquel y silicio en combinación, con los intervalos particulares seleccionados para el contenido de níquel y silicio, incluyen una versatilidad mejorada del sistema de recubrimiento en comparación con las aleaciones de revestimiento duro conocidas, debido a una resistencia al desgaste combinada sorprendentemente eficaz cuando entren en juego diferentes tipos de mecanismos de desgaste así como la calidad del recubrimiento, tal como se observa p. ej. en análisis de la dureza, resistencia al desgaste abrasivo, resistencia al desgaste por impacto, formación de poros, tendencia al agrietamiento y similares para las muestras de recubrimiento de revestimiento duro producidas usando la composición de aleación a base de hierro según realizaciones de la invención. Aparentemente, la adición de Si mejora de manera sinérgica el efecto de la adición de Ni y proporciona, entre otras cosas, una capacidad de ajuste mejorada de las propiedades del recubrimiento relacionadas con el desgaste en comparación con las composiciones conocidas. Se observa un mecanismo de ajuste sorprendentemente sencillo dentro de los intervalos de contenido de Ni y Si según realizaciones de la invención tal como se describe en la presente descripción, proporcionando así un control sorprendentemente eficaz de las propiedades de recubrimiento. Por ejemplo, este mecanismo de ajuste permite una adaptación bien controlada del sistema de aleación de recubrimiento a requisitos específicos de un proceso de recubrimiento particular que va a usarse en una aplicación dada, sin comprometer la capacidad global de resistencia al desgaste de tal recubrimiento en un escenario de mecanismos de desgaste combinados. Esto permite a un experto que usa el sistema de aleación de recubrimiento descrito diseñar una composición de aleación de recubrimiento según una resistencia al desgaste deseada, p. ej., estableciendo un contenido de Ni deseado en el intervalo dado, y simplemente variando el contenido de Si para un contenido de Ni dado para optimizar el contenido de Si para el escenario de desgaste combinado de una aplicación dada. Por ejemplo, el recubrimiento puede optimizarse para una dureza y resistencia al desgaste abrasivo máximas a menor contenido de Si.

De forma alternativa, el experto que diseña un recubrimiento para una aplicación específica puede aumentar el contenido de Si con el fin de reducir significativamente la tendencia a la formación de grietas en determinados procesos de recubrimiento con altas velocidades de enfriamiento del baño de fusión durante el procesamiento, tales como velocidades de enfriamiento comparables a las que se encuentran en los procesos típicos de deposición por láser. Una reducción significativa de la tendencia a la formación de poros y grietas al preparar un recubrimiento de revestimiento duro mediante deposición por láser en comparación con las composiciones conocidas es, de hecho, un efecto sorprendente de la adición combinada de Ni y Si. Esto se logra dentro de las combinaciones cuidadosamente seleccionadas de subintervalos para el contenido de níquel y para el contenido de silicio tal como se detalla adicionalmente a continuación.

Además, según algunas realizaciones de la composición de aleación a base de hierro, la cantidad de silicio es de 0,3-2,0 % en peso. Este intervalo de contenido de Si soporta una buena resistencia al desgaste combinada con la posibilidad de ajustar las propiedades de resistencia al desgaste y calidad del recubrimiento de un recubrimiento de revestimiento duro producido a partir de la composición de aleación a base de hierro en un amplio intervalo.

Un contenido mínimo de Si de aproximadamente 0,2 % en peso, o al menos 0,3 % en peso, o al menos 0,4 % en peso o al menos 0,5 % en peso es beneficioso para un comportamiento mejorado del material de aleación en la producción de polvo, particularmente, cuando se usan técnicas de atomización, tales como atomización por gas o atomización por agua, y durante la soldadura de recargue.

De forma ventajosa, según algunas realizaciones de la composición de aleación a base de hierro, la cantidad de silicio es 1,8 % en peso o inferior, preferiblemente, 1,5 % en peso o inferior, o 1 % en peso o inferior. De ese modo, se obtiene una respuesta de ajuste mejorada con respecto a la variación del contenido de Si, lo que permite un buen control de un compromiso entre, por una parte, una dureza/rendimiento frente al desgaste abrasivo extremos y, por otro lado, una tendencia de formación de grietas con una buena dureza/rendimiento frente al desgaste abrasivo. Por ejemplo, la dureza y/o el rendimiento frente al desgaste abrasivo pueden aumentarse reduciendo el contenido de Si hacia el extremo inferior del intervalo a expensas de una mayor tendencia a la formación de grietas en determinados procesos. Esto puede ser útil si se desea una dureza y un rendimiento frente al desgaste abrasivo extremos, pero cuando la tendencia a la formación de grietas no es tan importante como, p. ej., en procesos de revestimiento duro como la soldadura de PTA, que tradicionalmente tienen un mayor punto de procesamiento que, p. ej., procesos típicos de deposición por láser, y una velocidad de enfriamiento asociada generalmente menor para la solidificación del material de recubrimiento fundido tras su aplicación sobre el sustrato.

Tal como se comenta con mayor detalle a continuación, una conclusión importante subyacente a la presente invención se basa en un análisis de la microestructura de las aleaciones procesadas. El análisis de la microestructura revela que el experto puede usar la presente invención para diseñar una composición de aleación optimizada para una aplicación particular estableciendo el contenido de níquel de la composición de aleación a base de hierro y añadiendo adicionalmente silicio dentro de los intervalos seleccionados cuidadosamente que permiten el ajuste de la distribución de las diferentes fases en la microestructura del material procesado, con el fin de lograr las propiedades deseadas de resistencia al desgaste combinada incluidas combinaciones de dureza, desgaste abrasivo, desgaste por impacto y/o calidad del recubrimiento (p. ej., libre de grietas/baja porosidad). Particularmente, se encontró que el silicio afectaba a la cantidad de partículas de fase dura primarias formadas en las aleaciones a base de hierro con adiciones de Ni, más particularmente, la cantidad de partículas de boruro primarias. Se encontró que se produce un intervalo particularmente ventajoso para el contenido de silicio para el ajuste de las propiedades de la aleación siendo inferior a 1,5 % en peso, o inferior a 1,4 % en peso, o inferior a 1,3 % en peso, o inferior a 1,2 % en peso, o inferior a 1,1 % en peso, o inferior a 1 % en peso, y superior a 0,2 % en peso, o superior a 0,3 % en peso, o superior a 0,4 % en peso, o superior a 0,5 % en peso, o superior a 0,6 % en peso.

De forma ventajosa, según algunas realizaciones de la composición de aleación a base de hierro, la cantidad de silicio es de al menos 0,7 % en peso, preferiblemente, al menos 1 % en peso, o al menos 1,2 % en peso, o al menos 1,5 % en peso o al menos 1,8 % en peso. Un mayor contenido de Si tiene la ventaja de que reduce, de manera sinérgica con la adición de Ni, la tendencia a la formación de grietas y poros en un recubrimiento producido a partir de la composición de aleación a base de hierro, pero todavía produce valores satisfactorios para la resistencia al desgaste para la mayoría de las aplicaciones de revestimiento duro, incluido desgaste abrasivo, desgaste por impacto y/o dureza. Esto es particularmente útil para los procesos de soldadura de recargue rápida con una alta velocidad de enfriamiento del baño de fusión en el punto de procesamiento, tal como tradicionalmente se encuentra en aplicaciones de deposición por láser, en particular en combinación con una velocidad de exploración rápida.

Además, según algunas realizaciones de la composición de aleación a base de hierro, la cantidad de boro es de 1,8-2,3 % en peso. De forma ventajosa, según algunas realizaciones, la cantidad de boro es de 1,8-2,2 % en peso.

Además, según algunas realizaciones de la composición de aleación a base de hierro, la cantidad de níquel es de 4,2-6,1 % en peso. De forma ventajosa, según algunas realizaciones de la composición de aleación a base de hierro, la cantidad de níquel es de al menos 4 % en peso, al menos 4,5 % en peso, o al menos 5 % en peso. Además, según algunas realizaciones de la composición de aleación a base de hierro, la cantidad de níquel es de hasta 5,5 % en peso, hasta 6 % en peso, o hasta 6,5 % en peso. Además, según algunas realizaciones, la cantidad de níquel está dentro de cualquier combinación de una cantidad mínima de níquel y una cantidad máxima de níquel, en donde la cantidad mínima de níquel es uno de 4 % en peso, 4,5 % en peso y 5 % en peso, y en donde la cantidad máxima de níquel es uno de 5,5 % en peso, 6 % en peso y 6,5 % en peso.

Por tanto, la tendencia a la formación de poros y/o el agrietamiento en un recubrimiento de revestimiento duro producido a partir de la composición de aleación a base de hierro se reduce significativamente sin comprometer demasiado los otros parámetros de rendimiento de resistencia al desgaste, haciendo de este modo que la aleación sea versátil para su uso en numerosas aplicaciones de revestimiento duro y para su uso en mayor número de diferentes procesos de revestimiento duro, en comparación con las composiciones de aleación de revestimiento duro conocidas. Esto permite procesos de revestimiento duro fiables con un resultado de procesamiento estable que también es más robusto frente a variaciones intencionadas o no intencionadas en los parámetros de procesamiento. Se logra una mejora sinérgica en todos estos aspectos para los intervalos seleccionados del contenido de Ni en combinación con la adición de Si según las cantidades ventajosas mencionadas anteriormente, tales como de al menos 0,7 % en peso, preferiblemente al menos 1 % en peso, al menos 1,3 % en peso o al menos 1,5 % en peso.

De forma ventajosa, según algunas realizaciones de la composición de aleación a base de hierro, la cantidad de carbono es de 1,8-2,4 % en peso. La reducción de la cantidad de carbono en el intervalo seleccionado reduce el riesgo de estabilizar una cantidad excesiva de austenita retenida en la matriz de la aleación procesada a temperatura ambiente mientras se garantiza una cantidad mínima de carbono suficiente para la formación adecuada de carburos primarios. De ese modo, se logra una dureza y/o resistencia al desgaste combinada deseadas con mayor fiabilidad.

Además, según algunas realizaciones, la composición de aleación a base de hierro comprende impurezas, en donde la cantidad total de impurezas en la composición de aleación a base de hierro es inferior a 1 % en peso. Cuando se produce una aleación en lotes grandes a escala industrial, las partes restantes de impurezas normalmente son inevitables, pero la cantidad total de impurezas en la composición de aleación a base de hierro puede mantenerse, normalmente, inferior a 1 % en peso, o incluso inferior a 0,5 % en peso. Generalmente, las impurezas son componentes adicionales diferentes a los especificados como elementos de aleación que conforman la composición de aleación. En el presente caso, cualquier elemento distinto de los elementos de aleación B, C, Mo, Ni, Mn, Si, V y Fe se consideran impurezas en la composición de aleación a base de hierro. Las impurezas típicas incluyen uno o más de N, O, S, Cu, Co. Otro ejemplo de una impureza es Cr, que en las composiciones de aleación a base de hierro descritas en la presente descripción puede estar presente en la composición de aleación en una cantidad de hasta 0,3 % en peso. Las impurezas pueden ser componentes adicionales inevitables o añadidos intencionadamente. La cantidad total de impurezas, por lo general, no superará los intervalos mencionados anteriormente.

Además, según algunas realizaciones de la composición de aleación a base de hierro, la composición de aleación es una composición en polvo. De ese modo, la composición de aleación a base de hierro es adecuada para su uso en técnicas de recubrimiento de revestimiento duro a base de polvo. Esto incluye, por ejemplo, la compatibilidad con el aparato usado para aplicar un recubrimiento de revestimiento duro a un sustrato, tal como un aparato para la soldadura de recargue PTA a base de polvo o para la deposición por láser a base de polvo. El polvo puede prepararse, por ejemplo, mediante cualquier técnica conocida adecuada, tal como mediante atomización por gas. Pueden prepararse cortes de tamaño de partícula especificados usando técnicas convencionales conocidas en la técnica, tales como usar cualquier técnica de tamizado adecuada, según las especificaciones predefinidas para el tamaño de partícula compatible con el sistema de alimentación de polvo del equipo de revestimiento duro.

Además, según algunas realizaciones de la composición de aleación a base de hierro, al menos 95 % en peso de la composición en polvo tiene un tamaño de partícula de hasta 300 pm, o hasta 250 pm, o hasta 200 pm, o hasta 150 pm, y/o en donde al menos 95 % en peso de la composición en polvo tiene un tamaño de partícula de al menos 5 pm, o al menos 10 pm, o al menos 20 pm, o al menos 30 pm, o al menos 40 pm, o al menos 50 pm, es decir, según algunas realizaciones, al menos 95 % en peso de la composición en polvo tiene un tamaño de partícula de hasta 300 pm, o hasta 250 pm, o hasta 200 pm, o hasta 150 pm; además, según algunas realizaciones, al menos 95 % en peso de la composición en polvo tiene un tamaño de partícula de al menos 5 pm, o al menos 10 pm, o al menos 20 pm, o al menos 30 pm, o al menos 40 pm, o al menos 50 pm; además, según algunas realizaciones, al menos 95 % en peso de la composición en polvo tiene un tamaño de partícula dentro de cualquier combinación de un tamaño de partícula mínimo especificado y un tamaño de partícula máximo especificado, en donde el tamaño de partícula mínimo es uno de 5 pm, 10 pm, 20 pm, 30 pm, 40 pm y 50 pm, y en donde el tamaño de partícula máximo es uno de 150 pm, 200 pm, 250 pm y 300 pm. Todos los tamaños de partícula, tal como se especifica en la presente descripción, se determinan mediante tamizado en seco según la norma europea EN 24 497:1993, aprobada por el Comité Europeo de Normalización (CEN) el 2 de abril de 1993, en donde e N 24 497:1993 respalda la norma ISO 4497:1983.

Tal como se ha mencionado anteriormente, un corte de tamaño de partícula se adapta de forma ventajosa según las especificaciones de compatibilidad con los dispositivos de alimentación de polvo del aparato de recubrimiento que va a usarse para aplicar el recubrimiento de revestimiento duro.

La idoneidad de un aparato de revestimiento duro a base de polvo puede implicar además un tamaño de partícula máximo global que no debe superarse, que puede encontrarse por encima del límite superior para el intervalo especificado de tamaño de partícula, pero donde de otro modo al menos 95 % en peso se encuentra dentro del intervalo especificado de tamaños de partícula. De forma ventajosa, según algunas realizaciones de la composición de aleación a base de hierro, al menos 97 % en peso, o al menos 98 % en peso, o al menos 99 % en peso, o al menos 99,9 % en peso de todas las partículas se encuentran dentro del intervalo especificado de tamaños de partícula. El tamaño de partícula máximo global que no debe superarse dependerá de la especificación real del aparato/mecanismo de alimentación de polvo que vaya a usarse, y puede ser, por ejemplo, de hasta 350 pm, hasta 300 pm, hasta 250 pm, o hasta aproximadamente 200 pm. El corte del tamaño de partícula puede prepararse mediante cualquier método adecuado conocido en la técnica de la preparación de polvo, tal como tamizado, usando telas de tamices con diferentes tamaños de malla. Tal como ya se mencionó anteriormente, todos los tamaños de partícula indicados en esta solicitud se determinan mediante tamizado en seco según la norma europea EN 24 497:1993, aprobada por el Comité Europeo de Normalización (CEN) el 2 de abril de 1993, en donde EN 24497:1993 respalda la norma ISO 4497:1983.

Otro aspecto de la invención se refiere a un recubrimiento producido mediante una técnica de revestimiento duro, tal como una soldadura de recargue, usando cualquiera de las composiciones de aleación descritas en la presente descripción. Otro aspecto de la invención se refiere a un artículo recubierto, comprendiendo el artículo un recubrimiento unido a una porción de sustrato del mismo, en donde el recubrimiento se produce mediante una técnica de revestimiento duro, tal como una soldadura de recargue, usando cualquiera de las composiciones de aleación descritas en la presente descripción.

Según algunas realizaciones, un artículo comprende una porción de sustrato y un recubrimiento unido a la porción de sustrato, en donde el recubrimiento se produce usando una composición de aleación a base de hierro según una cualquiera de las realizaciones descritas en la presente descripción. El recubrimiento está destinado al revestimiento duro de la porción de sustrato. Preferiblemente, el recubrimiento se produce mediante un proceso de soldadura de recargue.

Además, según algunas realizaciones del artículo recubierto, el recubrimiento se aplica mediante un proceso de soldadura de recargue, tal como un proceso de soldadura de plasma transfer arc (arco transferido por plasma - PTA) o un proceso de deposición por láser. Tal como se mencionó anteriormente, las diferentes técnicas de revestimiento duro pueden tener características específicas del tipo de proceso que ejercen una influencia sobre las propiedades de resistencia al desgaste del recubrimiento obtenido. Una ventaja particular de las composiciones de aleación a base de hierro según realizaciones de la invención surge cuando se adaptan a o incluso se optimizan para una técnica de revestimiento duro. Se ha demostrado que tanto las técnicas de soldadura de PTA como de deposición por láser funcionan particularmente bien para formar recubrimientos de revestimiento duro usando realizaciones de la composición de aleación a base de hierro de la invención, en donde los intervalos respectivos particularmente ventajosos para su uso en combinación con soldadura de PTA o, de forma alternativa, en combinación con deposición por láser se han comentado anteriormente.

Además, el mecanismo de ajuste sencillo mencionado anteriormente puede usarse eficazmente para una adaptación bien controlada del sistema de aleación de recubrimiento a requisitos específicos del proceso de recubrimiento particular que va a usarse, sin tener que embarcarse en una gran investigación de la influencia de numerosos componentes adicionales contenidos en la aleación. Por ejemplo, el recubrimiento puede optimizarse para una dureza y resistencia al desgaste abrasivo máximas a menores contenidos de Si, pero puede tener una tendencia a formar poros o grietas a altas velocidades de enfriamiento. Una composición de este tipo sería la más útil en combinación con soldadura de PTA, en donde los intervalos ventajosos relevantes para el contenido de Ni y para el contenido de Si se comentaron anteriormente. En otro ejemplo también comentado anteriormente, el experto en la técnica que diseña un recubrimiento para una aplicación específica puede aumentar el contenido de Si en combinación con el contenido de Ni con el fin de reducir significativamente la tendencia a la formación de poros y grietas en determinados procesos de recubrimiento que involucran altas velocidades de enfriamiento, tales como velocidades de enfriamiento comparables a las que se encuentran en los procesos típicos de deposición por láser. Una composición de este tipo sería la más útil para los procesos en donde se prefiere la deposición por láser, en donde los intervalos ventajosos relevantes para el contenido de Ni y para el contenido de Si también se comentaron anteriormente.

Además, según algunas realizaciones del artículo recubierto, la dilución del material de sustrato es inferior a 20 %, o inferior a 15 %, inferior a 10 %, o inferior a 5 % o inferior a 1 %.

Además, según algunas realizaciones del artículo recubierto, el recubrimiento tiene una dureza Rockwel1HRC de al menos 60, al menos 63 o al menos 65.

Además, según algunas realizaciones del artículo recubierto, el recubrimiento tiene una resistencia al desgaste abrasivo tal como se determina según la norma ASTM G65, procedimiento A, inferior a 15 mm3, inferior a 12 mm3 o inferior a 10 mm3.

Además, según algunas realizaciones del artículo recubierto, el recubrimiento tiene un desgaste por impacto tal como se determina según el método de ensayo de desgaste por impacto de bola de más de un golpe para una energía de impacto por golpe de 25 J, más de 5 golpes para una energía de impacto por golpe de 20 J, más de 15 golpes para una energía de impacto por golpe de 10 J.

Además, según algunas realizaciones del artículo recubierto, el recubrimiento tiene una microestructura que comprende boruro primario y material de matriz eutéctica, en donde una razón de una cantidad de boruro primario en volumen con respecto a una cantidad de material de matriz eutéctica en volumen es inferior a 0,3, o inferior a 0,25. Además, según algunas realizaciones del artículo recubierto, el recubrimiento tiene una microestructura que comprende boruro primario y material de matriz eutéctica, en donde una razón de una cantidad de boruro primario en volumen con respecto a una cantidad de material de matriz eutéctica en volumen es de al menos 0,01, o al menos 0,03.

Tal como se mencionó anteriormente, el material de revestimiento duro se aplica, normalmente, como recubrimiento a una porción de sustrato de un artículo. Los sustratos típicos son materiales de acero, tales como los usados para herramientas en cualquiera de las aplicaciones mencionadas anteriormente, por ejemplo, acero de baja aleación. Los materiales de revestimiento duro a base de hierro son materiales compuestos con una microestructura que se compone de las denominadas partículas de fase dura que están incluidas en una matriz de otra fase dura. El material de revestimiento duro se forma en un proceso de fundir en primer lugar una composición de aleación a base de hierro, tal como una composición de aleación a base de hierro según realizaciones de la presente invención, que luego se deja enfriar para que se solidifique en la forma deseada, p. ej., como recubrimiento de revestimiento duro. Durante el enfriamiento, las partículas de fase dura se forman antes que el material de matriz, es decir, las partículas de fase dura se formen por solidificación a mayores temperaturas que la matriz. Por tanto, las partículas de fase dura también se denominan fases duras “primarias” . Cuando se analizan las cantidades relativas de las diferentes fases duras y de los materiales de matriz, las cantidades se determinan en porcentaje en volumen con el uso de técnicas metalúrgicas convencionales basadas en análisis de imagen.

En los materiales de revestimiento duro que se forman usando la composición de aleación a base de hierro según realizaciones de la invención, las partículas de fase dura son carburos primarios y boruros primarios, en donde el análisis elemental realizado por los inventores señala una formación predominante de partículas de carburo ricas en vanadio por un lado y partículas de boruro ricas en molibdeno por otro lado. El análisis elemental realizado por los inventores indica además que el material de matriz formado posteriormente se solidifica como una estructura eutéctica de boruro rico en molibdeno intercalado con martensita. Sin embargo, el análisis de imagen metalúrgica de micrografías mantenidas junto con datos de análisis elemental revela también que el material de matriz tiende además a comprender islas agotadas en molibdeno, que coinciden con las regiones de agotamiento de boro. Por tanto, estas islas pueden distinguirse de las regiones de la estructura eutéctica mediante un análisis elemental del material de recubrimiento mediante energy dispersive spectroscopy (espectroscopía dispersiva de energía - EDS). Las regiones de isla aparecerán como regiones con una señal muy baja para el molibdeno y el boro. El análisis mediante EDS se realiza, normalmente, en una región que es representativa del recubrimiento tal como, normalmente, dentro de una región de volumen del recubrimiento, mediante el uso de técnicas de análisis de imagen metalúrgica convencionales.

Sin limitaciones teóricas de ninguna especie, estas islas pueden atribuirse a la formación de martensita, posiblemente con pequeñas cantidades de austenita retenida, que parecen producirse como consecuencia de que se consumen el molibdeno y el boro por la formación de las partículas de boruro primario, antes de la solidificación del material de matriz. Más aún, la conclusión proporcionada por los inventores sugiere que la adición de silicio afecta directamente a la cantidad de boruros primarios formados en los materiales de revestimiento duro a partir del procesamiento de la composición de aleación a base de hierro según realizaciones de la invención y, por tanto, que el control del contenido de Si es crítico para determinar la microestructura final de un material de revestimiento duro. Como consecuencia, el control del contenido de Si es crítico para determinar las propiedades finales de un recubrimiento. Por tanto, una conclusión importante de la presente invención es que la variación del contenido de silicio dentro de los intervalos seleccionados cuidadosamente afecta directamente a la cantidad de boruros primarios formados a expensas de la cantidad de material de matriz eutéctica, lo que proporciona un manejo directo para adaptar las propiedades de un recubrimiento formado a partir de la composición de aleación según realizaciones de la invención, p. ej., con respecto al desgaste abrasivo. Por ejemplo, proporcionar un primer recubrimiento que tiene una primera razón de la cantidad de boruros con respecto a la cantidad de estructura eutéctica, y un segundo recubrimiento que tiene una segunda razón de la cantidad de boruros con respecto a la cantidad de estructura eutéctica que es diferente en comparación con la primera razón, tendrán diferentes propiedades de desgaste abrasivo. Según realizaciones de la presente invención, la razón de la cantidad de boruros con respecto a la cantidad de estructura eutéctica y, por tanto, las propiedades del recubrimiento, pueden controlarse variando el contenido de silicio, en donde el aumento (disminución) del contenido de silicio disminuye (aumenta) la resistencia al desgaste abrasivo ligeramente, pero de manera reproducible. Si, p. ej., la primera razón es mayor que la segunda razón, la resistencia al desgaste abrasivo del primer recubrimiento será menor (mayor valor de desgaste abrasivo cuando se mide usando el ensayo de la norma ASTM G65, procedimiento A) en comparación con el segundo recubrimiento, y viceversa.

Un aspecto adicional de la invención se refiere a un método de revestimiento duro de un sustrato, comprendiendo el método las etapas de: proporcionar un sustrato; y aplicar un recubrimiento al sustrato usando una composición de aleación a base de hierro según una cualquiera de las realizaciones descritas en la presente descripción como material de recubrimiento. De forma ventajosa, el recubrimiento se aplica mediante un proceso de soldadura de recargue. De ese modo, se logran las mismas ventajas de manera análoga, tal como se comenta en la presente descripción con respecto a la composición de aleación a base de hierro y con respecto a los recubrimientos de revestimiento duro y artículos recubiertos producidos usando la composición de aleación a base de hierro según cualquiera de las realizaciones descritas en la presente descripción. Los sustratos típicos son materiales de acero, tales como los usados para herramientas en cualquiera de las aplicaciones mencionadas anteriormente, por ejemplo, acero de baja aleación.

Además, según algunas realizaciones del método, el proceso de soldadura de recargue es un proceso de soldadura de plasma transfer arc (arco transferido por plasma - PTA) o un proceso de deposición por láser. De ese modo, se logran las mismas ventajas de manera análoga, tal como se comentó anteriormente, surgiendo ventajas específicas de la combinación de intervalos seleccionados cuidadosamente para el contenido de Ni y el contenido de Si adaptados para el uso específico con soldadura de PTA y deposición por láser, respectivamente, tal como ya se comentó anteriormente.

Breve descripción de los dibujos

La invención se describirá con más detalle en lo siguiente haciendo referencia a ejemplos y a los dibujos adjuntos, en donde los dibujos muestran en

la Fig. 1 una visión general sobre los resultados del ensayo de penetración en matriz para diferentes composiciones de aleación aplicadas como recubrimiento de revestimiento duro a un sustrato mediante deposición por láser;

la Fig. 2 muestra los resultados del ensayo de penetración en matriz para la composición de aleación “Aleación 6” aplicada como recubrimiento de revestimiento duro a un sustrato mediante deposición por láser a una mayor velocidad;

las Figs. 3a-d son micrografías de SEM que muestran la microestructura de cuatro aleaciones diferentes procesadas para dar muestras de lingote;

la Fig. 4 es un gráfico que muestra la influencia de la adición de Si en la microestructura de aleaciones procesadas;

la Fig. 5 son micrografías de SEM de energía dispersiva que muestran el análisis elemental de B, C, Si, V, Mn, Fe, Ni y Mo para un ejemplo de una aleación;

las Figs. 6a-c son micrografías de SEM en sección transversal de soldaduras de recargue producidas mediante deposición por láser usando tres aleaciones diferentes;

la Fig. 7 es una ilustración esquemática de una disposición para someter a ensayo la resistencia al desgaste según el método de caída de bola; y en

la Fig. 8 hay un gráfico que representa la energía de impacto en función del número de golpes para conseguir la primera grieta, para las composiciones de aleación: Aleación 3, Aleación 6 y la aleación de referencia REF.

Descripción detallada

Tal como se mencionó anteriormente, un inconveniente de los recubrimientos depositados por láser producidos usando composiciones de aleación a base de hierro conocidas, es la presencia de grandes poros y grietas en el recubrimiento. Los poros y las grietas son perjudiciales para las propiedades del recubrimiento. Esto es, por ejemplo, un asunto preocupante para las aplicaciones que requieren resistencia al desgaste abrasivo, pero también en muchos otros escenarios de resistencia a una combinación de diferentes mecanismos de desgaste. Al optimizar la cantidad de silicio en composiciones de aleación a base de hierro que contienen cantidades seleccionadas de níquel, pueden suprimirse o al menos atenuarse los problemas de formación de poros y grietas en recubrimientos de revestimiento duro.

A continuación, la invención se describe mediante referencia a ejemplos de composiciones de aleación con contenidos de níquel (Ni) y de silicio (Si) variados sistemáticamente. Los detalles de las composiciones de aleación se facilitan en la sección MATERIAL. En la sección PROCESO se proporcionan detalles de los procedimientos de soldadura de recargue mediante soldadura de plasma transfer arc (arco transferido por plasma - PTA) y deposición por láser. Las técnicas de análisis para caracterizar las propiedades de las aleaciones procesadas se describen en la sección EVALUACIÓN. Los resultados del análisis se presentan en la sección RESULTADOS, incluido un comentario sobre la influencia de la adición de Ni y Si a las composiciones de aleación a base de hierro según realizaciones de la presente invención.

Ejemplos

Material

Se investigaron los polvos de aleación, REF, 1-8, M9 y M10 con la composición química notificada en la Tabla 1. Se atomizaron por gas las aleaciones y se tamizaron entre 53-150 pm para su compatibilidad con los dispositivos de alimentación de polvo del equipo de soldadura de recargue.

Tabla 1: Composición química de las aleaciones investigadas

Proceso

a) Soldadura de PTA

Se depositaron las Aleaciones 1-8, M9 y M10 en la Tabla 1 sobre chapas de acero estructural dulce EN S235JR usando una unidad de PTA comercial (Commersald 300l). Se realizaron depósitos de una capa y vía única sobre un sustrato con un tamaño de 125x40x20 [mm] por medio del uso de los parámetros de soldadura en la Tabla 2. Se usó una mezcla de argón y 5 % de H2 con una velocidad de flujo de 16,5 l/min, como gas de protección para proteger el baño de fusión frente a la oxidación. Se usó argón con un flujo de 2,0 l/min para transportar el polvo de la tolva hasta el baño de fusión. El gas piloto fue a 2,0 l/min. Se usaron las muestras recubiertas con los parámetros de la Tabla 2 para las mediciones de dureza, dilución y microestructura del recubrimiento.

Tabla 2: Parámetros de soldadura de PTA para el recubrimiento de sustratos de 125x40x20 mm, una capa, vía única

Se realizaron depósitos que consistían en dos vías superpuestas sobre un sustrato con un tamaño de 220x60x30 [mm]. El solapamiento entre los dos depósitos adyacentes fue de 3 mm y la oscilación del soplete de PTA de 10 mm. Se realizaron los depósitos por medio del uso de los parámetros de soldadura en la Tabla 3 sobre sustratos a temperatura ambiente. Se enfriaron las muestras recubiertas en vermiculato. Se usó una mezcla de argón y 5 % de H2 con una velocidad de flujo de 16,5 l/min, como protección. Se usó argón, flujo de 2,0 l/min, como gas de transporte. El gas piloto fue a 2,0 l/min. Se recortaron preformas con un tamaño requerido por la norma ASTM 65 de estas muestras, se someten a esmerilado plano y se someten a ensayo para determinar la resistencia al desgaste abrasivo.

Tabla 3: Parámetros de soldadura de PTA para el recubrimiento de sustratos de 220x60x30 mm, una capa, dos vías superpuestas

b) Deposición por láser

Se realizó la deposición por láser con el uso de un láser de diodo de fibra acoplada IPG de 6 kW con una boquilla de alimentación de polvo Coax 8 y un punto redondo de 5 mm. Normalmente se determinó la ventana de proceso mediante el uso de dos velocidades de desplazamiento de láser, 16 y 8 mm/s. Se diseñó la velocidad de alimentación de polvo para proporcionar recubrimientos de aproximadamente 1 mm de grosor. La potencia del láser varió entre 1000 y 2500 W. Se usó argón, 15 l/min, como gas de protección. Se usó argón, 6 l/min, como gas de transporte para el polvo. Se depositaron los polvos sobre sustratos de acero dulce EN S235JR con un tamaño de 100x35x10 mm precalentados a 200 °C. Se depositaron seis vías con 50 % de solapamiento. Los parámetros de soldadura investigados se resumen en la Tabla 4. Se verificó la sección transversal de las muestras depositadas para determinar el grado de unión al sustrato, la porosidad de la interfase y la dilución del sustrato usando microscopía óptica. Se seleccionaron las muestras con buena unión al sustrato y una dilución <10 % para la evaluación de las propiedades del recubrimiento.

Tabla 4. Parámetros de deposición por láser usados para recubrimiento del sustrato EN S235JR de 100x35x10 mm, 6 vías solapadas

Se recubrieron discos con un tamaño de 80x80x30 mm, precalentados a 200 °C para la producción de muestras de ensayo de desgaste abrasivo según la norma ASTM G65, procedimiento A. Se recortaron dos muestras con un tamaño de 58x25x30 mm de cada disco. Luego se sometieron las muestras a esmerilado plano para cumplir con los requisitos del ensayo de desgaste abrasivo.

Tabla 5. Parámetros de deposición por láser usados para recubrimiento del sustrato EN S235JR de 80x80x30 mm

Además, se llevó a cabo un ensayo de deposición por láser con una velocidad de desplazamiento duplicada para evaluar la sensibilidad al agrietamiento de la composición de aleación “Aleación 6” mediante el uso de los parámetros de procesamiento para el recubrimiento de la Aleación 6 sobre un sustrato EN S235JR de tamaño de 80x80x30 mm tal como se resume en la Tabla 6.

Tabla 6. Parámetros de deposición por láser usados para la deposición de la Aleación 6 sobre sustratos EN S235JR, velocidad de desplazamiento de 16 mm/s

Evaluación

Se investigaron los depósitos para determinar la presencia de grietas y otras irregularidades de la superficie. Se limpiaron (CRC Crick 110) y luego se recubrieron con un colorante rojo (CRC Crick 120) que penetra en las grietas o los defectos en la superficie a través de fuerzas capilares. Después de 10 minutos, se retiró el exceso de colorante de la superficie y se aplicó un revelador de color blanco (CRC Crick 130). El revelador extrajo el penetrante de las fisuras, grietas u otras imperfecciones huecas que se comunicaban con la superficie y las coloreó de rojo.

Se midió la dureza Rockwell HRC mediante el uso de una máquina de ensayo de dureza Wolpert ilniversal. Se esmerilaron los recubrimientos. Se realizaron siete indentaciones de dureza en la superficie plana y se calculó el promedio.

Para medir la dilución del sustrato, se cortaron en sección las muestras recubiertas en perpendicular a la dirección del recubrimiento y luego se esmerilaron sobre papel de SiC. Se examinó la sección transversal mediante el uso de un estereomicroscopio y se determinó la dilución geométricamente. Antes de la medición, se sometieron las muestras a ataque químico en Nital a 1 % para atacar el material de sustrato y, de esta manera, facilitar la detección del recubrimiento. Se fotografió la sección transversal de recubrimiento así esmerilado con el uso de un estereomicroscopio de Leica. Se midieron el área de recubrimiento total (A ^{recubrimiento} + A ^sustrato ) y el área del recubrimiento que era el sustrato antes de la soldadura de recargue (A ^sustrato ) mediante análisis de imagen. Por tanto, se calculó una dilución del material de sustrato por área de la sección transversal según se define en la siguiente ecuación:

Dilución en %=((A^sustrato)/(A ^{recubrimiento} + A ^sustrato )) X 100

Para el análisis de la calidad y la microestructura de los recubrimientos y en algunos casos mediciones de dilución geométrica del sustrato, entonces se moldearon las muestras en baquelita, se esmerilaron y pulieron por medio del uso de procedimientos convencionales para la preparación de muestras metalográficas. Se usó el pulido de óxido con SiÜ2 coloidal como la etapa final de la preparación de muestras metalográficas. Se examinó la sección transversal de los recubrimientos mediante el uso de un microscopio óptico de luz (Leica DM 6000) y un microscopio FEGSEM (Hitachi FU6600) equipado con un detector de deriva de silicio (SDD) para análisis mediante EDS (Quantax 800 Bruker). Se usaron mapas de EDS para Mo y V para evaluar la fracción volumétrica de fases presentes en los recubrimientos mediante análisis de imagen.

Se realizaron ensayos de desgaste abrasivo de bajo esfuerzo según la norma ASTM G65 (ASTM G65: Método de ensayo convencional para medir la abrasión usando el aparato de arena seca y rueda de caucho, 2010), procedimiento A, usando un tribómetro de abrasión de arena/rueda múltiple comercial (Phoenix tribology TE 65). Se sometieron a ensayo cinco réplicas de muestra por material.

Se realizaron ensayos de desgaste por impacto usando un aparato de ensayo construido de manera interna. Se muestra un esquema de la configuración en la Fig. 7. Se dejan caer bolas de rodamiento de acero convencionales de masa m desde alturas predefinidas sobre la probeta de ensayo recubierta. La energía potencial (Ep) de cada bola es Ep=m h g, en donde m es la masa de la bola, h es la altura de caída y g es la constante de gravitación. Al variar la masa de las bolas de acero y la altura desde la que se dejan caer, se simulan diferentes energías potenciales, es decir, energías de impacto. Un punto de datos corresponde al número total de golpes de bola para una altura predefinida, es decir, energía de impacto, hasta que se produce una primera grieta circular alrededor de la marca de impacto. Este tipo de ensayos de desgaste por impacto modelo es adecuado para clasificar por rangos la resistencia al desgaste por impacto de materiales expuestos a sobrecargas de impacto a velocidades de impacto relativamente bajas. Las condiciones de funcionamiento más próximas al modelado en estos ensayos pueden ejemplificarse por un primer contacto de los dientes del cucharón de una excavadora con el terreno; mediante el llenado de los cucharones de excavadoras por el material extraído; mediante el envío del material extraído a la plataforma de un camión, etc. Se retira el desgaste abrasivo de estos ensayos a diferencia de ensayos de desgaste por impacto abrasivo combinados.

Resultados

La dilución, la resistencia al abrasive wear (desgaste abrasivo - AW) y la dureza HRC de las aleaciones 1-8 tal como se procesan en un recubrimiento de revestimiento duro mediante soldadura de PTA y deposición por láser se resumen en la Tabla 7.

Tabla 7. Dilución, resistencia al desgaste abrasivo y HRC de las aleaciones 1 -8 según se sueldan con PTA y se depositan por láser

En las Aleaciones 1-8 con un contenido de níquel de 3,5 % en peso a 6 % en peso, el valor de resistencia al desgaste abrasivo es inferior a 15 mm3 y hasta 8 mm3 mientras la dureza HRC varía entre 61 y 68 HRC. Este nivel de resistencia al desgaste abrasivo es comparable al de mezclas de NiSiB con carburos de wolframio que son aleaciones del estado de la técnica en aplicaciones expuestas a un desgaste abrasivo severo. Este nivel de resistencia al desgaste abrasivo también es comparable con el de la aleación de referencia (REF). Sin embargo, se sabe que los recubrimientos basados en una matriz de NiSiB con carburos de wolframio y los recubrimientos basados en la aleación de referencia REF son sensibles a la formación de grietas.

Mediante adiciones adecuadas de níquel y silicio según realizaciones de la presente invención, se consigue una mejora sorprendente para la tenacidad y para la resistencia al agrietamiento de las composiciones de aleación a base de hierro cuando se procesan para dar un revestimiento duro sin afectar negativamente a la dureza o resistencia al desgaste abrasivo. Esto se muestra, p. ej., por los datos de dureza y de resistencia al desgaste abrasivo para las aleaciones en la Tabla 7. Las aleaciones con un contenido de níquel entre 3 % en peso y 6 % en peso y un contenido de silicio superior 0,2 % en peso muestran una buena combinación de dureza y desgaste abrasivo combinados con una resistencia al agrietamiento mejorada significativamente tal como se ilustra en la Fig. 1. Mientras que las muestras con bajo contenido de níquel (REF) y bajo contenido de silicio (Aleación 2) presentan una tendencia pronunciada a la formación de grietas, un aumento combinado de níquel y silicio reduce significativamente la cantidad observada de grietas (Aleaciones 3, 4, 8, M9 y M10). Se logra un recubrimiento de revestimiento duro prácticamente libre de grietas para un contenido de níquel superior a 4 % en peso en combinación con un contenido de silicio superior a 1 % en peso (Aleación 6), que es sorprendentemente robusto de manera reproducible frente a las velocidades de enfriamiento del baño de fusión rápidas. Esta sorprendente robustez frente a variaciones en parámetros relacionados con el procesamiento está respaldada además por los ensayos de recubrimiento de revestimiento duro realizados a una velocidad de desplazamiento duplicada, tal como se ilustra en la Fig. 2. La Fig. 2 presenta muestras preparadas usando una velocidad de desplazamiento de 16 mm/s (1 m/min) y los parámetros de recubrimiento proporcionados en la Tabla 6. Se consigue un recubrimiento sustancialmente libre de grietas a pesar del aumento de la velocidad de desplazamiento desde 8 mm/s hasta 16 mm/s.

La sorprendente mejora de la calidad del recubrimiento de revestimiento duro está respaldada además por un análisis de la sección transversal de los recubrimientos depositados por láser producidos usando aleaciones tales como las ilustradas en la Fig. 6. La Fig. 6 muestra micrografías de LOM en sección transversal de recubrimientos (material brillante) aplicados mediante deposición por láser sobre un material de sustrato (material gris). Los recubrimientos mostrados en la Fig. 6 se componen de la Aleación 2 (Fig. 6a), la Aleación 4 (Fig. 6b) y la Aleación 6 (Fig 6c). Se observan grietas y poros como defectos de color negro en el material de recubrimiento brillante. Se observa un efecto significativo en cuanto a la reducción de los defectos de poro así como una reducción de la tendencia a la formación de grietas a medida que aumentan el contenido de níquel y el contenido de silicio de acuerdo con los resultados sobre la calidad del recubrimiento derivados de los ensayos de penetración en matriz mencionados anteriormente. Todos los recubrimientos mostrados en la Fig. 6 se preparan con una velocidad de desplazamiento de 16 mm/s, una configuración de potencia láser de 2,5 kW para las aleaciones 2 y 4 y de 2,0 kW para la Aleación 6 y una velocidad de alimentación de 20 g/min.

Los datos de resistencia al impacto se muestran en la Fig. 8. La Fig. 8 muestra la energía de impacto por golpe en función del número de golpes necesarios para lograr la primera grieta en el recubrimiento. El gráfico muestra datos para las composiciones de aleación a base de hierro: Aleación 3, Aleación 6 y la aleación de referencia REF. Cada una de las líneas representadas gráficamente es una regresión lineal para las mediciones obtenidas en al menos dos muestras de la aleación respectiva, en donde se han recogido puntos de medición para energías por golpe de 30 J, 25 J, 20 J, 15 J y 10 J. Los datos de regresión correspondientes se proporcionan en la Tabla 10 a continuación. Las muestras con mejor rendimiento pueden mostrar un denominado comportamiento de desviación, donde a las menores energías de impacto por golpe no se observa la formación de grietas, o al menos no se observa de manera reproducible, dentro de un gran número de golpes de hasta 100 golpes. Los puntos de datos que muestran este comportamiento de desviación no se incluyeron en la regresión lineal. El diagrama muestra que para una misma energía de impacto, los recubrimientos que se componen de las composiciones de aleación: Aleación 3 y Aleación 6 pueden soportar una energía de impacto casi doble antes de que se forme la primera grieta cuando se compara con la aleación de referencia (REF) con un contenido de níquel inferior a 2 % en peso. La Aleación 3 comienza a mostrar el comportamiento de desviación por debajo de una energía de impacto de 10 J, mientras que la Aleación 6 comienza a mostrar el comportamiento de desviación por debajo de una energía de impacto de 15 J. Para la aleación de referencia (REF) en su lugar menos de 20 golpes son suficientes para formar la primera grieta cuando la energía de impacto es de 10 J.

Una conclusión importante de la presente invención se basa en un análisis de la microestructura de las aleaciones cuando se procesan mediante fusión y enfriamiento posterior para formar una muestra (re)solidificada, tal como se explica adicionalmente a modo de ejemplo a continuación. El análisis de la microestructura revela que el experto puede usar la presente invención para diseñar una composición de aleación optimizada para una aplicación particular estableciendo el contenido de níquel de la composición de aleación a base de hierro y añadiendo adicionalmente silicio dentro de los intervalos seleccionados cuidadosamente que permiten el ajuste de la distribución de las diferentes fases en la microestructura del material procesado, con el fin de lograr las propiedades deseadas de resistencia al desgaste combinada incluidas combinaciones de dureza, desgaste abrasivo, desgaste por impacto y/o calidad del recubrimiento (p. ej., libre de grietas/baja porosidad). Particularmente, se encontró que el silicio afectaba a la cantidad de partículas de fase dura primarias formadas en las aleaciones a base de hierro con adiciones de Ni, más particularmente, la cantidad de partículas de boruro primarias. Se encontró que se produce un intervalo particularmente ventajoso para el contenido de silicio para el ajuste de las propiedades de la aleación siendo inferior a 1,5 % en peso, o inferior a 1,4 % en peso, o inferior a 1,3 % en peso, o inferior a 1,2 % en peso, o inferior a 1,1 % en peso, o inferior a 1 % en peso, y superior a 0,2 % en peso, o superior a 0,3 % en peso, o superior a 0,4 % en peso, o superior a 0,5 % en peso, o superior a 0,6 % en peso.

Para una implementación sistemática, el experto que diseña una composición de aleación según las propiedades deseadas de resistencia al desgaste puede desarrollar información sobre las propiedades de formación de fases de la composición de aleación produciendo una muestra de aleación procesada y analizando la microestructura de la muestra con respecto a su composición de fases y de forma ventajosa con respecto a las fracciones de partículas de boruro primarias y de material de matriz eutéctica en el material de aleación procesada. Con el fin de analizar diferentes composiciones de aleación en una implementación sistemática de la invención, el experto en la técnica puede preparar, p. ej., muestras fundiendo las composiciones a base de hierro correspondientes y colándolas en lingotes que se pulen para un análisis de la microestructura según técnicas de análisis metalúrgicas conocidas.

A continuación se proporciona un ejemplo de tal análisis de la microestructura. Se fundieron aleaciones con un contenido nominal de níquel de 4 % en peso y un contenido de Si que varía entre 0,2 % en peso y 2 % en peso en un horno de inducción y luego se vertieron en un molde de cobre. Se analizó la composición química de los lingotes producidos y se notifican los resultados en la Tabla 1 como las aleaciones 16, 17, 18 y 19. Se investigó la microestructura con el uso de un SEM equipado con un detector de EDS para espectroscopia de rayos X dispersiva de energía.

La Fig. 3 muestra la microestructura de las aleaciones 16-19 tal como se observan en micrografías de SEM BSE (retrodispersión), en donde la aleación 16 tiene 0,2 % en peso de Si (Fig. 3a); la aleación 17 tiene 0,7 % en peso de Si (Fig. 3b); la aleación 18 tiene 1 % en peso de Si (Fig. 3c); y la aleación 19 tiene 2 % en peso de Si (Fig. 3d). La microestructura de los lingotes, mostrada en la Fig. 3 (Fig. 3a-d), consiste en carburos endritic carbides (dendríticos primarios [PC, de color gris oscuro]), primary borides (boruros primarios [PB, partículas de color blanco]), una estructura eutéctica que consiste en boruros ricos en molibdeno y martensita así como islas martensíticas, posiblemente con pequeñas cantidades de austenita retenida. Un ejemplo de análisis elemental de B, C, Si, V, Mn, Fe, Ni y Mo con el uso de EDS se muestra en la Fig. 5 para la aleación 19 con el 2 % en peso de Si.

En la Fig. 4 se muestran variaciones en la cantidad de primary borides (boruros primarios - PB), la estructura eutéctica (Eutéctica) y martensita (Mart) con un mayor contenido de Si. La fracción volumétrica de carburo primario es similar para las cuatro aleaciones y de aproximadamente 17 % en volumen. El diagrama muestra que al aumentar la cantidad de Si, la fracción volumétrica de los primary borides (boruros primarios - PB) y martensita (Mart) aumenta mientras que la cantidad de estructura eutéctica disminuye. Más particularmente, se descubrió que el silicio ejercía una influencia sobre la cantidad de partículas primarias de fase dura formadas en la composición de aleación a base de hierro con adiciones de Ni cuando se varió dentro de los intervalos inferiores a 2 % en peso de Si, con intervalos ventajosos tal como se indicó anteriormente. Se observa una respuesta especialmente pronunciada en el intervalo de alrededor e inferior a 1 % en peso de Si. La cantidad de boruros primarios en comparación con la cantidad de material de matriz eutéctica afecta a la resistencia al desgaste abrasivo de un depósito. Por tanto, el control del contenido de Si es una herramienta muy útil para determinar la microestructura final de una aleación y, como consecuencia, las propiedades finales de un depósito. Se obtuvieron resultados similares en las aleaciones soldadas con PTA y depositadas por láser tal como se ilustra en las Tablas 8 y 9 para composiciones en polvo a base de hierro del tipo de la aleación de referencia REF modificada con adiciones de Ni y Si.

Tabla 8: Fracción volumétrica de las fases presentes en las aleaciones soldadas con PTA con diferente contenido de Si y resistencia al abrasive wear (desgaste abrasivo - AW)

Tabla 9: Fracción volumétrica de la fase presente en aleaciones depositadas por láser con diferente contenido de Si y resistencia al abrasive wear (desgaste abrasivo - AW)

Aleación Pendiente [J/golpe] Ordenada [J/golpe] RA2

Tabla 10: Datos de regresión lineal para mediciones de desgaste por impacto mediante el uso del método de caída de bola

Claims (16)

1. REIVINDICACIONES

   i . Una composición de aleación a base de hierro que comprende

   boro (B): 1.6- 2,4 % en peso;

   carbono (C): 1.7- 3,0 % en peso;

   molibdeno (Mo): 16,0-19,5 % en peso;

   níquel (Ni): 3,5-6,5 % en peso;

   manganeso (Mn): inferior a 0,8 % en peso;

   silicio (Si): 0,2-3,0 % en peso;

   vanadio (V): 10,8-13,2 % en peso;

   y siendo el resto hierro (Fe).
2. 2. La composición de aleación a base de hierro según la reivindicación 1, en donde la cantidad de silicio es de 0,3-2,0 % en peso.
3. 3. La composición de aleación a base de hierro según las reivindicaciones 1 o 2, en donde la cantidad de boro es de 1,8-2,3 % en peso.
4. 4. La composición de aleación a base de hierro según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la cantidad de níquel es de 4,2-6,1 % en peso.
5. 5. La composición de aleación a base de hierro según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde la cantidad total de impurezas en la composición de aleación a base de hierro es inferior a 1 % en peso.
6. 6. La composición de aleación a base de hierro según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde la composición de aleación es una composición en polvo.
7. 7. La composición de aleación a base de hierro según la reivindicación 6, en donde al menos 95 % en peso de la composición en polvo tiene un tamaño de partícula de hasta 300 pm, o hasta 250 pm, o hasta 200 pm, o hasta 150 pm, y/o en donde al menos 95 % en peso de la composición en polvo tiene un tamaño de partícula de al menos 5 pm, o al menos 10 pm, o al menos 20 pm, o al menos 30 pm, o al menos 40 pm, o al menos 50 pm.
8. 8. Un artículo que comprende una porción de sustrato y un recubrimiento unido a la porción de sustrato, en donde el recubrimiento se produce usando una composición de aleación a base de hierro según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 como material de recubrimiento.
9. 9. El artículo según la reivindicación 8, en donde el recubrimiento se aplica mediante un proceso de soldadura de recargue, tal como un proceso de soldadura de plasma transfer arc (arco transferido por plasma - PTA) o un proceso de deposición por láser.
10. 10. El artículo según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 9, en donde una dilución del material de sustrato es inferior a 20 %, o inferior a 15 %, inferior a 10 %, o inferior a 5 %, o inferior a 1 %.
11. 11. El artículo según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en donde el recubrimiento tiene una dureza Rockwell HRC de al menos 60, al menos 63, o al menos 65.
12. 12. El artículo según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, en donde el recubrimiento tiene una resistencia al desgaste abrasivo tal como se determina según la norma ASTM G65, procedimiento A, de, inferior a 15 mm3, inferior a 12 mm3, o inferior a 10 mm3
13. 13. El artículo según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, en donde el recubrimiento tiene un desgaste por impacto tal como se determina según el método de ensayo de desgaste por impacto de bola de más de un golpe para una energía de impacto por golpe de 25 J, más de 5 golpes para una energía de impacto por golpe de 20 J, más de 15 golpes para una energía de impacto por golpe de 10 J.
14. 14. El artículo según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 13, en donde el recubrimiento tiene una microestructura que comprende boruro primario y matriz eutéctica, en donde una razón de una cantidad de boruro primario en volumen con respecto a una cantidad de matriz eutéctica en volumen es inferior a 0,3, o inferior a 0,25.
15. 15. Método de revestimiento duro de un sustrato, comprendiendo el método las etapas de:

    - proporcionar un sustrato;

    - aplicar un recubrimiento al sustrato usando una composición de aleación a base de hierro según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 como material de recubrimiento.
16. 16. Método según la reivindicación 15, en donde el recubrimiento se aplica mediante un proceso de soldadura de recargue, tal como un proceso de soldadura de arco transferido por plasma o un proceso de deposición por láser.