ES2878268T3

ES2878268T3 - Acero para herramientas de trabajo en caliente

Info

Publication number: ES2878268T3
Application number: ES16879476T
Authority: ES
Inventors: Anna Medvedeva; Jerker Andersson; Rikard Robertsson; Cherin Nilsson; Sebastian Ejnermark
Original assignee: Uddeholms AB
Current assignee: Uddeholms AB
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2016-11-28
Publication date: 2021-11-18
Anticipated expiration: 2036-11-28
Also published as: US11131012B2; US20190003021A1; RU2728149C2; CA3009044A1; TWI703223B; JP7045315B2; EP3394309A4; MX2018007563A; KR102435470B1; RU2018126761A; CN108474085B; CN108474085A; RU2018126761A3; BR112018012850A2; SE539646C2; EP3394309A1; JP2019504197A; KR20190034491A; TW201726942A; EP3394309B1

Abstract

Un acero para trabajo en caliente, que consiste en % en peso (% p): C 0,27 - 0,38 Si 0,10 - 0,32 Mn 0,2 - 0,7 Cr 4,5 - 5,5 Mo 2,05 - 2,90 V 0,4 - 0,6 N 0,011 - 0,12 H <= 0,0004 S <= 0,0015 A1 0,001 - 0,06 V/C 1,35 - 1,65 opcionalmente uno o más de Ni <= 1,5 Cu <= 2 Co <= 8 W <= 0,5 Nb <= 0,5 Ti <= 0,05 Zr <= 0,05 Ta <= 0,05 B <= 0,01 Se <= 0,03 Ca 0,00005 - 0,009 Mg <= 0,01 REM <= 0,2 resto de Fe aparte de las impurezas.

Description

DESCRIPCIÓN

Acero para herramientas de trabajo en caliente

Campo técnico

La invención se refiere a un acero para herramientas de trabajo en caliente.

Antecedentes de la invención

Los aceros para herramientas de matriz con aleación de vanadio llevan en el mercado décadas y han alcanzado un interés considerable debido al hecho de que combinan una alta resistencia al desgaste con una excelente estabilidad dimensional y porque tienen una buena tenacidad. Estos aceros tienen una amplia gama de aplicaciones, tal como la fundición a presión y la forja. Los aceros se producen generalmente mediante metalurgia convencional seguida de Refusión por Electroescorias (ESR), véanse los documentos WO99/50468 y JP2013087322.

Aunque los aceros para herramientas con matriz de aleación de vanadio producidos mediante ESR tienen mejores propiedades que los aceros para herramientas producidos convencionalmente con respecto al cuarteado térmico, agrietamiento bruto, desgaste en caliente y deformación plástica, existe la necesidad de mejoras adicionales para reducir el riesgo de fallo de la herramienta de trabajo en caliente, tales como cuarteado térmico y agrietamiento bruto en fundición a presión a alta presión. Asimismo, sería beneficioso mejorar aún más la resistencia en caliente y la resistencia al templado del acero para herramientas de trabajo en caliente.

Divulgación de la invención

El objetivo de la presente invención es proporcionar un acero para herramientas de trabajo en caliente que tenga un perfil de propiedades mejorado que conduzca a una mayor vida útil de la herramienta.

Otro objetivo de la presente invención es mejorar el cuarteado térmico, manteniendo al mismo tiempo una buena resistencia al desgaste en caliente y una buena resistencia al agrietamiento bruto. Otro objetivo más es proporcionar una composición de acero, que, en forma de polvo, es adecuado para la Fabricación Aditiva (FA), en particular para fabricar o reparar herramientas y matrices de moldeo por inyección.

Los objetivos anteriores, así como ventajas adicionales se logran en una medida significativa al proporcionar un acero para herramientas de trabajo en caliente que tiene una composición como se establece en las reivindicaciones de la aleación.

La invención se define en las reivindicaciones.

Descripción detallada

La importancia de los elementos separados y su interacción entre sí, así como las limitaciones de los ingredientes químicos de la aleación reivindicada, se explican brevemente a continuación. Todos los porcentajes de la composición química del acero se dan en % en peso (% en peso) a lo largo de la descripción. La cantidad de fases duras se expresa en % en volumen (% en volumen). Los límites superior e inferior de los elementos individuales se pueden combinar libremente dentro de los límites establecidos en las reivindicaciones.

Carbono (0,27 - 0,38 %)

debe estar presente en un contenido mínimo del 0,27 %, preferentemente al menos 0,28, 0,29, 0,30, 0,31, 0,32, 0,33 o 0,34 %. El límite superior para el carbono es 0,38 % y puede establecerse en 0,37, 0,36 o 0,35 %. Los intervalos preferidos son 0,30 - 0,38 % y 0,33 - 0. 37 %. En cualquier caso, la cantidad de carbono debe controlarse de manera que la cantidad de carburos primarios del tipo M23C6, M7C3 y M6C en el acero es limitada, preferentemente, el acero está libre de tales carburos primarios.

Silicio (0,10 -0,32% )

El silicio se utiliza para la desoxidación. El Si está presente en el acero en forma disuelta. El Si es un fuerte formador de ferrita y aumenta la actividad del carbono y, por lo tanto, el riesgo de formación de carburos no deseados, que afectan negativamente a la resistencia al impacto. El silicio también es propenso a la segregación interfacial, lo que puede dar como resultado una menor tenacidad y resistencia a la fatiga térmica. Por tanto, el Si está limitado al 0,35 %. El límite superior puede ser 0,31, 0,30, 0,29, 0,28, 0,27, 0,26, 0,25, 0,24, 0,23 y 0,22 %. El límite inferior puede ser 0,12, 0,14, 0,16, 0,18 y 0,20 %. Los intervalos preferidos son 0,10 - 0,25 % y 0,15 - 0,24 %.

Manganeso (0,2 - 0,7 %)

El manganeso contribuye a mejorar la capacidad de endurecimiento del acero y, junto con el azufre, el manganeso contribuye a mejorar la maquinabilidad formando sulfuros de manganeso. Por tanto, el manganeso estará presente en un contenido mínimo del 0,2 %. El límite inferior se puede establecer en 0,25, 0,3, 0,35, 0,4, 0,45 o 0,5 %. Con un contenido de azufre más alto, el manganeso evita que el acero se vuelva rojo quebradizo. El acero debe contener un máximo de 0,7 % de Mn. El límite superior se puede establecer en 0,65, 0,6, 0,55 o 0,5 %.

Cromo (4,5 - 5,5 %) 3

El cromo debe estar presente en un contenido de al menos 4,5 % para proporcionar una buena capacidad de endurecimiento en secciones transversales más grandes durante el tratamiento térmico. Si el contenido de cromo es demasiado alto, esto puede conducir a la formación de ferrita a alta temperatura, lo que reduce la trabajabilidad en caliente. El límite inferior puede ser 4,6, 4,7, 4,8 o 4,9 %. El límite superior puede ser 5,4, 5,3, 5,2 o 5,1 %.

Molibdeno (2,05 -2,90% )

Se sabe que el Mo tiene un efecto muy favorable sobre la capacidad de endurecimiento. El molibdeno es esencial para lograr una buena respuesta de endurecimiento secundario. El contenido mínimo es 2,05 % y puede establecerse en 2,1, 2,15, 2,2, 2,25 o 2,3 %. El molibdeno es un fuerte elemento formador de carburo y también un fuerte formador de ferrita. Por tanto, el contenido máximo de molibdeno es del 2,9 %. Preferentemente, el Mo está limitado a 2,8, 2,7, 2,6, 2,5, 2,4 o 2,35%.

Vanadio (0,4 -0 ,6% )

El vanadio forma carburos y carbonitruros primarios precipitados distribuidos uniformemente del tipo V (N, C) en la matriz del acero. Esta fase dura también puede denominarse MX, en donde M es principalmente V pero Cr y Mo pueden estar presentes y X es uno o más de C, N y B. Por tanto, el vanadio estará presente en una cantidad de 0,4 -0,6 %. El límite superior se puede establecer en 0,59, 0,58, 0,57, 0,56 o 0,55 %. El límite inferior puede ser 0,42, 0,43, 0,44, 0,45, 0,46, 0,47, 0,48, 0,49, 0,50, 0,51 o 0,52 %.

Relación V/C (1,35 - 1,65)

Los presentes inventores han descubierto que la resistencia a la tracción a temperatura ambiente y a temperatura elevada está influenciada por la relación del elemento formador de carburo vanadio al contenido de carbono en el acero. Se cree que la razón está relacionada con el hecho de que estas propiedades dependen tanto del contenido de carbono disuelto en la matriz como del carbono precipitado. Además, la tenacidad está influenciada por la relación. Por estas razones, la relación es de 1,35 - 1,65, preferentemente 1,40 - 1,60 o, más preferentemente, 1,45 - 1,55.

Relación V+8,8(N-0,005)/C (1,55 - 1,90)

Si se desea un endurecimiento secundario más pronunciado, entonces se puede aumentar la cantidad total de vanadio para compensar parte o la totalidad del vanadio que se une al nitruro más estable. Por estas razones, es preferible que la relación sea de 1,55 - 1,90. Puede establecerse en 1,60 - 1,85 o, más preferentemente, 1,65 - 1,80.

Aluminio (0,001 -0,06 %)

El aluminio se utiliza para la desoxidación en combinación con Si y Mn. El límite inferior se establece en 0,001, 0,003, 0,005 o 0,007 % para garantizar una buena desoxidación. El límite superior está restringido al 0,06 % para evitar la precipitación de fases no deseadas tal como A1N. El límite superior puede ser 0,05, 0,04, 0,03, 0,02 o 0,015 %.

Nitrógeno (0,011 -0 ,12% )

El nitrógeno está restringido a 0,011 - 0,12 % para obtener el tipo y la cantidad deseados de fases duras, en particular V(C,N). Cuando el contenido de nitrógeno está adecuadamente equilibrado con el contenido de vanadio, se formarán carbonitruros V(C, N) ricos en vanadio. Estos se disolverán parcialmente durante la etapa de austenización y luego se precipitarán durante la etapa de templado como partículas de tamaño nanométrico. Se considera que la estabilidad térmica de los carbonitruros de vanadio es mejor que la de los carburos de vanadio, por tanto, se puede mejorar la resistencia al templado del acero para herramientas y se mejora la resistencia contra el crecimiento de grano a altas temperaturas de austenización. El límite inferior puede ser 0,012, 0,013, 0,014, 0,015, 0,016, 0,017, 0,018, 0,019 o 0,02 %. El límite superior puede ser 0,11, 0,10, 0,09, 0,08, 0,07, 0,06, 0,05, 0,04 o 0,03 %.

Hidrógeno (< 0,0004 %)

Se sabe que el hidrógeno tiene un efecto perjudicial sobre las propiedades del acero y causa problemas durante el procesamiento. Para evitar problemas relacionados con el hidrógeno, el acero fundido se somete a desgasificación al vacío. El límite superior es 0,0004 % (4 ppm) y puede limitarse a 3, 2,5, 2, 1,5 o 1 ppm.

Níquel (<1,5 %)

El níquel puede estar presente en una cantidad <1,5 %. Le da al acero una buena capacidad de endurecimiento y tenacidad. Sin embargo, debido al gasto, el contenido de níquel del acero debe ser limitado. Por tanto, el límite superior puede establecerse en 1,0, 0,8, 0,5 o 0,3 %. Sin embargo, normalmente, el Ni no se añade de forma deliberada. Cobre (< 2,0 %)

El Cu es un elemento opcional, que puede contribuir a incrementar la dureza y la resistencia a la corrosión del acero. Si se utiliza, el intervalo preferido es 0,02 - 1 %. Sin embargo, no es posible extraer cobre del acero una vez que se ha añadido. Esto dificulta drásticamente la manipulación de la chatarra. Por esta razón, normalmente no se añade cobre de forma deliberada.

Cobalto (< 8 %)

El Co es un elemento opcional. El Co hace que la temperatura solidus aumente y, por lo tanto, brinda la oportunidad de aumentar la temperatura de endurecimiento, que puede ser 15 - 30 °C más alta que sin Co. Durante la austenitización, por lo tanto, es posible disolver una fracción mayor de carburos y, por lo tanto, mejorar la capacidad de endurecimiento. El Co también aumenta la temperatura de Ms. Sin embargo, una gran cantidad de Co puede reducir la tenacidad y la resistencia al desgaste. La cantidad máxima es del 8 % y, si se añade, una cantidad eficaz puede ser de 2 - 6 %, en particular de 4 a 5 %. Sin embargo, por razones prácticas, tal como la manipulación de la chatarra, no se realizan adiciones deliberadas de Co. Por consiguiente, el contenido máximo de impurezas se puede establecer en 1 %, 0,5 %, 0,3 %, 0,2 % o 01 %.

Tungsteno (< 0,5 %)

En principio, el molibdeno puede ser reemplazado por el doble de tungsteno debido a sus similitudes químicas. Sin embargo, el tungsteno es caro y también complica la manipulación de la chatarra. Por tanto, la cantidad máxima está limitada al 0,5 %, preferentemente 0,3 % y, más preferentemente, no se realizan adiciones deliberadas.

Niobio (< 0,5%)

El niobio es similar al vanadio porque forma carbonitruros del tipo M(N, C) y, en principio, puede usarse para reemplazar parte del vanadio, pero eso requiere el doble de niobio en comparación con el vanadio. Sin embargo, el Nb da como resultado una forma más angular de M(N,C). Por tanto, la cantidad máxima es del 0,5 %, preferentemente O, 05 % y, lo más preferentemente, no se realizan adiciones deliberadas.

Ti, Zr y Ta

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

Boro (< 0,01 %)

Se puede utilizar B para aumentar aún más la dureza del acero. La cantidad está limitada al 0,01 %, preferentemente < 0,005 %. Un intervalo preferido para la adición de B es 0,001 - 0,004 %.

Ca, Mg y REM (metales de tierras raras)

Estos elementos pueden añadirse al acero en las cantidades reivindicadas para modificar la inclusión no metálica y/o para mejorar aún más la maquinabilidad, la trabajabilidad en caliente y/o la soldabilidad.

Elementos de impureza

P, S y O son las principales impurezas, que tienen un efecto negativo sobre las propiedades mecánicas del acero. Por tanto, el P puede estar limitado a 0,03 %, preferentemente a 0,01 %. El S está limitado a 0,0015 y puede limitarse a 0,0012, 0,0010, 0,0008 o 0,0005 %. El O puede limitarse a 0,0015, 0,0012, 0,0010, 0,0008, 0,0006 o 0,0005 %. Producción de acero

El acero para herramientas que tiene la composición química reivindicada se puede producir mediante metalurgia convencional, incluida la fusión en un horno de arco eléctrico (EAF) y un refinado adicional de cuchara y un tratamiento al vacío. Opcionalmente, el acero puede someterse a Refusión por Electroescorias (ESR) para mejorar aún más la limpieza y la homogeneidad microestructural.

Normalmente, el acero se somete a endurecimiento y templado antes de ser utilizado.

La austenización se puede realizar a una temperatura de austenización (T^a) en el intervalo de 1000-1070 °C, preferentemente 1030 - 1050 °C. Una T^atípica es de 1040 °C con un tiempo de retención de 30 minutos seguido de un enfriamiento rápido. La temperatura de templado se elige de acuerdo con el requisito de dureza y se realiza al menos dos veces a 600 - 650 °C durante 2 horas (2x2 h) seguido de enfriamiento al aire.

Ejemplo 1

En este ejemplo, se produjo un acero que tiene la siguiente composición mediante fusión EAF, refinado de cuchara y desgasificación al vacío (VD) (en % en peso):

C 0,35

Si 0,18

Mn 0,47

Cr 5,05

Mo 2,34

V 0,54

A1 0,009

P 0,005

S 0,0003

H 0,00005

N 0,0051

O 0,0006

V/C 1,54

el resto hierro e impurezas.

Después de la desgasificación al vacío, el acero se sometió a una aleación de nitrógeno mediante inyección de alambre encapsulado. El contenido de nitrógeno final después de dicho recorte fue de 0,0142 % en peso.

El acero se fundió en lingotes y se sometió a trabajo en caliente.

El acero se austenitizó a 1040 °C durante 30 minutos y se endureció mediante enfriamiento con gas y templado dos veces a 600 °C durante 2 horas (2x2 h) seguido de enfriamiento al aire.

El efecto de la aleación de nitrógeno sobre la composición de la matriz y la cantidad de MX primario a tres temperaturas de austenización diferentes se calculó usando Thermo-Calc. Los resultados se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1.

Composición de la matriz (austenita) Vol. (%)

0,0051 % de N C Si Mn Cr Mo V MX

1030 °C 0,335 0,18 0,47 5,05 2,32 0,46 0,19

1040 °C 0,338 0,18 0,47 5,05 2,32 0,47 0,16

1050 °C 0,340 0,18 0,47 5,05 2,32 0,48 0,13

0,0142% de N C Si Mn Cr Mo V Vol. (%) MX

1030 °C 0,325 0,18 0,47 5,05 2,32 0,38 0,37

1040 °C 0,328 0,18 0,47 5,05 2,32 0,40 0,34

1050 °C 0,331 0,18 0,47 5,05 2,32 0,41 0,30

La Tabla 1 revela que la cantidad de fase dura no disuelta (MX) en el acero aleado con nitrógeno es significativamente mayor que la cantidad en el acero no aleado a las tres temperaturas. La fase MX es responsable de fijar los límites de los granos y, por lo tanto, obstruye el crecimiento de los granos. Por consiguiente, el nitrógeno aleado de la invención es menos propenso al crecimiento de granos a temperaturas de endurecimiento. Esto también se confirmó mediante experimentos, que mostraron que el acero con bajo contenido de nitrógeno tenía un marcado aumento en el tamaño de grano a 1060 °C mientras que el acero aleado con nitrógeno era estable frente al crecimiento de grano a una temperatura superior a 1080 °C. En consecuencia, se puede usar una temperatura de endurecimiento más alta para el acero aleado con nitrógeno sin un crecimiento de grano perjudicial. De este modo, es posible influir en el equilibrio de las propiedades en el material de la matriz para reducir la propensión al cuarteado térmico y/o al agrietamiento bruto y, por lo tanto, prolongar la vida útil de la matriz.

Ejemplo 2

Se fundió una aleación en un horno de inducción y se sometió a atomización con gas nitrógeno (5N).

C 0,34

Si 0,16

Mn 0,44

Cr 5,01

Mo 2,33

V 0,53

A1 0,008

N 0,044

O 0,0024

V/C 1,59

el resto hierro e impurezas.

El polvo se tamizó a <500 |jm, se cargó en cápsulas de acero que tenían un diámetro de 63 mm y una altura de 150 mm. Se realizó HIPing a una temperatura de 1150 °C, el tiempo de retención fue de 2 horas y la presión de 110 MPa. La velocidad de enfriamiento fue <1 °C/s. El material así obtenido se forjó a 1130 °C con una dimensión de 20x30 mm. El recocido suave se realizó a 900 °C con una velocidad de enfriamiento de 10 °C/h hasta 750 °C y luego se enfrió libremente al aire. La cantidad de MX sin disolver fue mayor que en el ejemplo anterior y el contenido de nitrógeno fue mayor. Debido a este hecho y a la fina distribución del carbonitruro de vanadio (MX) rico en nitrógeno, se descubrió que el acero era muy robusto contra el crecimiento de granos.

Ejemplo 3

Se sometió a tamizado un polvo que tenía la misma composición que en el Ejemplo 2 para obtener un polvo que tenía una distribución de tamaño de grano estrecha en el intervalo de 10 - 60 jm . Se descubrió que el polvo se podía utilizar con éxito para reparaciones de revestimientos con láser de matrices, así como para la creación rápida de prototipos, por ejemplo matrices con canales de enfriamiento conformados. Por consiguiente, parece que el polvo de aleación de acero es adecuado para la fabricación aditiva.

Aplicabilidad industrial

El acero para herramientas de la presente invención es útil en matrices grandes que requieren una buena capacidad de endurecimiento y una buena resistencia contra el cuarteado térmico y el agrietamiento bruto. El polvo atomizado de la aleación se puede utilizar para producir productos con HIP que tengan una uniformidad estructural superior. El polvo de la aleación se puede utilizar para producir o reparar matrices, en particular mediante métodos de fabricación aditiva.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un acero para trabajo en caliente, que consiste en % en peso (% p):

C 0,27 -0,38

Si 0,10 -0,32

Mn 0,2 -0,7

Cr 4,5 -5,5

Mo 2,05 -2,90

V 0,4 -0,6

N 0,011 -0,12

H < 0,0004

S < 0,0015

A1 0,001 -0,06

V/C 1,35 -1,65

opcionalmente uno o más de

Ni < 1,5

Cu < 2

Co < 8

W < 0,5

Nb < 0,5

Ti < 0,05

Zr < 0,05

Ta < 0,05

B < 0,01

Se < 0,03

Ca 0,00005 - 0,009

Mg < 0,01

REM < 0,2

resto de Fe aparte de las impurezas.

2. Un acero según la reivindicación 1, que cumple al menos uno de los siguientes requisitos:

C 0,30 -0,38

Si 0,15 -0,30

Mn 0,4 -0,6

Cr 4,6 -5,4

Mo 2,1 -2,8

V 0,5 -0,6

N 0,011 -0,08

H < 0,0003

Cu 0,02 -1

Co < 1

W < 0,3

Nb < 0,05

Ti < 0,01

Zr < 0,01

Ta < 0,01

B < 0,005

Mg < 0,001

Ca 0,00001 - 0,009

y en donde el contenido de impurezas de P, S y O cumple los siguientes requisitos

P < 0,03

S < 0,0010

O < 0,0015

3. Un acero según las reivindicaciones 1 o 2, que cumple al menos uno de los siguientes requisitos:

C 0,33 -0,38

Si 0,15 -0,29

N 0,012 -0,07

H < 0,0002

Cu 0,02 -0,5

Co < 0,3

W < 0,1

B 0,001 -0,004

Mg 0,00005 - 0,001

Ca 0,0001 -0,009

V/C 1,40 -1,60

las reivindicaciones anteriores, que cun

C 0,33 -0,37

Si 0,16 -0,26

Mn 0,45 -0,55

Cr 4,8 -5,2

Mo 2,2 -2,6

V 0,51 -0,58

N 0,011 -0,056

H < 0,0003

Cu 0,02 -0,3

Co < 0,3

W < 0,1

Nb < 0,05

Mg 0,0001 -0,001

Ca 0,0001 -0,001

V/C 1,45 -1,55

P < 0,01

S < 0,0005

O < 0,0008

V+8,8(N-0,005)/C 1,55 -1,9

5. Un acero según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el contenido de MX precipitado primario es del 0,2 - 3 % vol., preferentemente del 0,3-1,0 % vol.

6. Un acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 - 3 o 5, que cumple los siguientes requisitos:

C 0,30 -0,38

Si 0,15 -0,30

Mn 0,4 -0,6

Cr 4,5 -5,5

Mo 2,1 -2,8

V 0,5 -0,6

N 0,01 -0,08

H < 0,0003

7. Un acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 - 3, 5 o 6, que cumple los siguientes requisitos:

C 0,33 -0,37

Si 0,16 -0,26

Mn 0,45 -0,55

Cr 4,8 -5,2

Mo 2,2 -2,6

V 0,51 -0,58

N 0,011 -0,07

8. Un acero según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la matriz comprende martensita y/o bainita templadas y la cantidad de austenita retenida está limitada a < 6 % vol., preferentemente

< 5 % vol., más preferentemente < 4 % vol. o, lo más preferentemente, < 2 % vol.

9. Un acero según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el acero se proporciona en forma de un polvo, preferentemente con una distribución de tamaño en el intervalo de 5-150 pm, más preferentemente en el intervalo de 10 -100 pm o 10 - 60 pm, en donde el tamaño medio de las partículas de polvo está, preferentemente, en el intervalo de 25-50 pm.

10. Uso de un polvo de acero según la reivindicación 9 para la fabricación aditiva, en particular para la fabricación de herramientas de reparación de moldeo por inyección.