ES2900068T3

ES2900068T3 - Aleaciones de acero de bajo contenido de fósforo, microaleadas con zirconio y resistentes a la fractura

Info

Publication number: ES2900068T3
Application number: ES19214885T
Authority: ES
Inventors: Algirdas Antanas Underys; Benjamin Winfield Ritchey; Jesse Pope Adamson
Original assignee: Finkl A and Sons Co
Current assignee: Finkl A and Sons Co
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2039-12-10
Also published as: RU2019140815A3; EP3666910A1; US20200190641A1; CN111286680A; MX2019014850A; TW202033788A; EP3666910B1; BR102019026176A2; KR20200071037A; RU2019140815A; CA3064341A1; AU2019279905A1

Abstract

Una composición de aleación de acero, que comprende: del 0,36 % al 0,60 % en peso de carbono; del 0,30 % al 0,70 % en peso de manganeso; del 0,001 % al 0,017 % en peso de fósforo; del 0,15 % al 0,60 % en peso de silicio; del 1,40 % al 2,25 % en peso de níquel; del 0,85 % al 1,60 % en peso de cromo; del 0,70 % al 1,10 % en peso de molibdeno; del 0,010 % al 0,030 % en peso de aluminio; del 0,001 % al 0,050 % en peso de zirconio; del 0,0040 % al 0,0090 % en peso de nitrógeno; del 0,02 % al 0,10 % en peso de vanadio, en donde la composición de aleación de acero comprende, opcionalmente, del 0,001 % al 0,012 % en peso de fósforo; o en donde la composición de aleación de acero comprende, opcionalmente, del 0,001 % al 0,005 % en peso de fósforo; o en donde la composición de aleación de acero comprende, opcionalmente, un máximo del 0,025 % en peso de azufre; o en donde la composición de aleación de acero comprende, opcionalmente, un máximo del 0,025 % en peso de azufre y un máximo del 0,35 % en peso de cobre; o en donde la composición de aleación de acero comprende, opcionalmente, un máximo del 0,025 % en peso de azufre, un máximo del 0,35 % en peso de cobre y un máximo del 0,020 % en peso de titanio; y un resto de hierro.

Description

DESCRIPCIÓN

Aleaciones de acero de bajo contenido de fósforo, microaleadas con zirconio y resistentes a la fractura

Sector de la técnica

La presente divulgación se refiere, generalmente, a aleaciones de acero y, más particularmente, a composiciones de aleación de acero que tienen bajo contenido de fósforo, que contienen adiciones de zirconio, y a artículos fabricados a partir de las mismas.

Estado de la técnica

Numerosas industrias, tales como la industria de la forja en troquel cerrado, las industrias de herramental y las industrias de fracturación hidráulica, se basan en piezas que se adaptan a las exigentes demandas en la práctica. A fin de satisfacer tales demandas exigentes, resulta deseable fabricar tales piezas a partir de un material que presente propiedades, tales como una alta resistencia a la fatiga, una alta resistencia a la fractura, una alta fuerza, una alta dureza, una alta resistencia al desgaste, una excelente dureza de paso, una estabilidad a temperatura elevada y una buena maquinabilidad, entre otras. La presente solicitud se dirige a composiciones de aleación de acero novedosas que presentan tales propiedades.

El documento US 2015/361534 indica, de conformidad con su resumen, que un acero para un componente de tren de aterrizaje sobre orugas se usa como material que constituye un eslabón de oruga (9), por ejemplo, y contiene: no menos del 0,39 % en masa y no más del 0,45 % en masa de carbono, no menos del 0,2 % en masa y no más del 1.0 % en masa de silicio, no menos del 0,10 % en masa y no más del 0,90 % en masa de manganeso, no menos del 0,002 % en masa y no más del 0,005 % en masa de azufre, no menos del 0,1 % en masa y no más del 3,0 % en masa de níquel, no menos del 0,70 % en masa y no más del 1,50 % en masa de cromo y no menos del 0,10 % en masa y no más del 0,60 % en masa de molibdeno, con el resto preparado de hierro e impurezas inevitables.

El documento CN 108060364 se dirige, de conformidad con su resumen, a un molde combinado de formación de perforaciones para cubiertas de puertas abatidas de extremo de refrigerador y a una línea de producción que comprende el mismo. El molde combinado comprende las siguientes materias primas en partes en peso: de 0,45 a 0,86 partes de C, de 0,8 a 1,1 partes de Mo, de 0,9 a 1,8 partes de Ni, de 1,0 a 1,8 partes de agente de refinado, de 1.0 a 1,8 partes de agente de nucleación y de 90 a 96 partes de Fe. Se coloca un molde moldeado en un horno de calentamiento y se calienta hasta una temperatura de 520-620 grados Celsius. La temperatura se mantiene durante 1,2 a 2,4 horas. A continuación, la temperatura se eleva hasta entre 850 y 900 grados Celsius. La temperatura se mantiene durante 1,1 a 1,6 horas. A continuación, el molde de acero se templa y se enfría en un líquido de templado hasta una temperatura de 60 a 85 grados Celsius.

Objeto de la invención

La invención se describe en las reivindicaciones adjuntas.

Estos y otros aspectos y características de la presente divulgación se entenderán más fácilmente cuando se lean junto con los dibujos adjuntos.

Descripción de las figuras

La FIG. 1 es un artículo fabricado a partir de una composición de aleación de acero divulgada en el presente documento.

La FIG. 2 es una comparación de la tensión máxima frente al número de ciclos para aceros que contienen el 0,005, 0,017 y 0,031 por ciento en peso de fósforo, respectivamente.

La FIG. 3 es un gráfico de la tenacidad a la fractura promedio en función del contenido de fósforo a granel en dichos tres aceros.

La FIG. 4 es una curva de concepto que ilustra el cambio en la curva de temperatura de transición de aparición de fracturas (FATT en inglés) cuando se añade una cantidad pequeña, pero eficaz, de Ni en contraste con la ausencia de Ni o solo trazas de Ni.

La FIG. 5 es un método de fabricación de un artículo a partir de una composición de aleación de acero de la presente divulgación.

Descripción detallada de la invención

A continuación, se describirán diversos aspectos de la divulgación con referencia a los dibujos y las tablas divulgadas en el presente documento. La invención consiste en composiciones de aleación de acero (y artículos formados a partir de las mismas) que incluyen un acero desoxidado con aluminio que tiene una estructura de grano austenítico fijado con nitruro de zirconio o carbonitruro de zirconio adecuada para condiciones de funcionamiento a temperatura elevada y ambiente. Los artículos fabricados a partir de las composiciones de aleación de acero divulgadas en el presente documento presentan una alta resistencia a la fatiga, una alta resistencia a la fractura, un grano fino derivado de un estrecho control de los elementos desoxidantes de aluminio y zirconio y, asimismo, un estrecho control del fósforo. Las composiciones de aleación de acero divulgadas en el presente documento se pueden adaptar a las exigentes demandas de la industria de la forja en troquel cerrado y a los diferentes, pero igualmente exigentes, requisitos de la industria de piezas de maquinaria, requiriendo dichas composiciones de aleación de acero solo cantidades moderadas de los constituyentes de aleación; es decir: menos del 7,25 %, y siendo, por lo tanto, económicas de producir por parte del fabricante y fáciles de usar por parte del consumidor. Las composiciones de aleación de acero desoxidado con aluminio y los componentes preparados a partir de las mismas, además de tener excelentes propiedades de resistencia a la fatiga y resistencia a la fractura, también tienen una alta fuerza, una alta dureza, una alta resistencia al desgaste, una excelente dureza de paso, una buena maquinabilidad y, especialmente, límites de grano de austenita previos que se fijan con nitruros de zirconio y carbonitruros de zirconio.

Con referencia a la FIG. 1, se muestra un artículo 1 fabricado a partir de una composición de aleación de acero de la presente divulgación. El artículo 1 puede tener un espesor en sección transversal (T). Como ejemplos no limitantes, el artículo 1 puede ser un bloque de troquel, una pieza de maquinaria, una herramienta o un bloque de bomba, incluyendo sus componentes internos. Como tal, se entenderá que el artículo 1 puede tener diversas formas y tamaños en la práctica, dependiendo de su aplicación prevista.

Las Tablas 1-4, a continuación, enumeran composiciones de aleación de acero de ejemplo para la fabricación del artículo 1. La composición A tiene una gama más amplia de elementos y la composición D tiene un contenido de fósforo más bajo. La composición B es adecuada para la fabricación de artículos que tienen un espesor en sección transversal (T) de 50,8 cm (20 pulgadas) o menos y la composición C es adecuada para la fabricación de artículos que tienen un espesor en sección transversal (T) de 50,8 cm (20 pulgadas) o más.

Tabla 1: Com osición A am lia

Tabla 2: Composición B es esor en sección transversal T de 508 cm 20 pulgadas) o menos)

Tabla 3: Composición C (espesor en sección transversal (T) 50,8 cm (20 pulgadas) o más)

T o)

El carbono, en cantidades crecientes, reduce la temperatura a la que comienza la transformación en martensita. Sin embargo, a medida que se reduce la temperatura, se forma una cantidad aumentada de productos de transformación menos deseables, tales como bainita y perlita. Sin embargo, desde la perspectiva amplia de los objetivos a alcanzar, el carbono, una potente aleación, se debe reducir para mejorar la ductilidad y, por tanto, el carbono ha de estar presente en el intervalo de 0,36-0,60. El carbono tiende a segregarse y concentrarse en el centro de un lingote y esta tendencia aumenta a medida que aumenta el tamaño del lingote. Típicamente, se requieren lingotes más grandes para los productos de mayor espesor, por lo que se tolera el carbono en el intervalo de 0,50-0,60 para espesores menores de 50,8 cm (20 pulgadas), pero se debe disminuir para secciones transversales más espesas. Sin embargo, la disminución del contenido de carbono tiene un efecto desventajoso en el sentido de que el carbono resulta esencial para proporcionar la fuerza y dureza necesarias para la aplicación de trabajo en caliente del acero en la forja en troquel cerrado. El carbono también influye en gran medida en la capacidad de endurecimiento, es decir, la profundidad con la que la dureza penetrará en una sección transversal determinada. Por lo tanto, el carbono reducido se debe compensar de alguna manera si se quiere mantener un rendimiento satisfactorio en aplicaciones de forja en troquel cerrado, al mismo tiempo que se proporciona un producto que tiene una alta ductilidad a temperatura ambiente, que resulta esencial para aplicaciones de piezas de maquinaria. Si se puede lograr tal compensación, se puede tolerar el carbono en el intervalo de 0,36-0,46 para productos con un espesor mayor de 50,8 cm (20 pulgadas).

El manganeso, un desoxidante suave, ha de estar presente en el intervalo de 0,30-0,70. La disminución del manganeso por debajo del nivel indicado aumentará la posibilidad de fragilidad en caliente causada por el azufre. Asimismo, la disminución del manganeso restará valor a la capacidad de endurecimiento del acero. El aumento del contenido de manganeso por encima del nivel indicado reducirá la temperatura de transformación de la martensita, disminuyendo, de ese modo, la ductilidad. El manganeso también es propenso a la segregación en lingotes grandes. Se prefiere el intervalo de 0,50 a 0,70 para espesores menores de 50,8 cm (20 pulgadas). Si se puede compensar la pérdida de capacidad de endurecimiento, se prefiere disminuir el manganeso hasta entre 0,30 y 0,50 para espesores de productos mayores de 50,8 cm (20 pulgadas).

El fósforo es un elemento importante cuya contribución a las propiedades deseadas no se ha apreciado completamente hasta ahora. El fósforo es de particular importancia con respecto al límite de aguante y la tenacidad a la fractura del acero. El fósforo se segrega durante los tratamientos térmicos de austenización y parece estimular la formación de cementita y, por tanto, la precipitación de carbono en los límites de grano durante el templado. Además, el grado de segregación de fósforo depende del contenido de fósforo y carbono del acero. Cuando se produce demasiada segregación de fósforo y la consiguiente precipitación de carbono, se llega a un punto en el que la resistencia a la fatiga y la resistencia a la fractura se ven tan gravemente afectadas que la utilidad del acero como instrumento de forja en troquel cerrado de doble fin o como pieza de maquinaria se ve comprometida hasta un punto inaceptable. En los ensayos en un acero de baja aleación similar y, específicamente, un acero 4320 ligeramente modificado que se diferenciaba únicamente en el contenido de fósforo, los resultados mostrados en la FIG. 1 se obtuvieron en muestras que tenían 0,005, 0,017 y 0,031 de fósforo, respectivamente. Las curvas muestran que los límites de aguante disminuyeron con un aumento en el contenido de fósforo y, además, que la vida a fatiga fue bastante similar en las muestras de 0,005 y 0,017, pero significativamente menor en las muestras de 0,031.

En los ensayos de tenacidad a la fractura en las muestras de dichas tres variaciones, se obtuvieron los resultados mostrados en la FIG. 2, que indican evidentemente que el fósforo reduce la resistencia a la fractura. De nuevo, los aceros con 0,005 y 0,017 de fósforo tienen características de tenacidad similares, siendo algo mejor el acero con 0,005 de fósforo, pero siendo considerablemente inferior el acero con 0,031 de fósforo.

Se debe señalar que el fósforo también tiene un efecto importante sobre la microestructura y las propiedades de tal acero de aleación. La Tabla 5, a continuación, muestra que existe una fuerte afinidad del fósforo y el carbono para segregarse en conjunto a los límites de grano de austenita, tal como lo indica un aumento simultáneo de fósforo y carbono intergranular con concentraciones crecientes de fósforo a granel.

Tabla 5.

Se señalará que cuanto más fuerte es dicha interacción, menores son la resistencia a la fatiga y a la fractura, de nuevo con poca diferencia entre el fósforo de 0,005 y el fósforo de 0,017, siendo el fósforo de 0,005 algo mejor, pero con una diferencia significativa entre el fósforo de 0,005/0,017, por un lado, y el fósforo de 0,031, por otro lado. Se debe señalar que, con el aumento del contenido de fósforo, la solubilidad del carbono en austenita disminuye y, por lo tanto, a medida que aumenta el contenido de fósforo del acero y se acumulan concentraciones de fósforo en los límites de grano de austenita, se potencia la formación de cementita y disminuye la solubilidad del carbono en equilibrio con la cementita. Como consecuencia, cuanto más completa es la cobertura de los límites de grano por la cementita, menor es la resistencia a la fatiga y a la fractura.

A partir de lo anterior, se puede observar que el aumento del contenido de fósforo del acero provoca una segregación aumentada de fósforo y carbono en los límites de grano con el carbono en forma de cementita intergranular. Además, con el aumento del fósforo, se reducen la resistencia a la fatiga y a la fractura, dos propiedades que deben estar en un alto nivel para aplicaciones de forja en troquel cerrado y piezas de maquinaria. En términos de magnitud, la resistencia a la fatiga y la resistencia a la fractura de los aceros disminuye ligeramente de 0,005 de fósforo a 0,017 de fósforo, pero disminuye drásticamente en el acero que contiene 0,031 de fósforo. Sin embargo, se apreciará que, aunque se puede alcanzar un contenido final de fósforo de 0,005 en pequeñas masas fundidas, este bajo nivel es muy difícil de lograr en la actualidad en la fabricación de acero con hornos eléctricos de alto volumen. Sin embargo, el control del fósforo ha mejorado constantemente en los últimos años hasta el punto en que se pueden lograr valores de fósforo de 0,012 de manera constante en una producción de gran tonelaje y, además, continúa el trabajo hacia el logro de niveles más bajos de fósforo. Por tanto, aunque 0,005 es un ideal hacia el que se dirigen los esfuerzos de investigación, 0,012 representa un nivel alcanzable realista para el fabricante de aceros con hornos eléctricos de gran tonelaje, técnicamente progresivo y eficaz en la actualidad. Los niveles más bajos de azufre mejorarían la ductilidad del acero. Sin embargo, se requiere azufre para mantener la facilidad de maquinabilidad del acero. Debe estar presente una cantidad pequeña, pero eficaz, de azufre, pero el nivel de azufre superior se ha de mantener por debajo del 0,025 % como máximo. El azufre también tiene una tendencia a segregarse en el centro de los lingotes grandes. El azufre en los productos con espesores mayores de 50,8 cm (20 pulgadas) se debe limitar a un máximo del 0,003 %.

El silicio se ha de mantener en el intervalo de 0,15 a 0,60. El silicio es un elemento importante en esta composición debido a su capacidad de desoxidación. El silicio también tiene una tendencia a segregarse en el centro de los lingotes grandes. El silicio en los productos con espesores mayores de 50,8 cm (20 pulgadas) se debe limitar a un intervalo de 0,15 a 0,30. El zirconio tiene una alta afinidad por el oxígeno y se puede usar para desoxidar una masa fundida a través de la formación de óxidos de zirconio. Estos óxidos de zirconio, sin embargo, actúan como inclusiones que son perjudiciales para las propiedades físicas. La masa fundida se debe desoxidar completamente antes de que se añada cualquier zirconio para lograr el máximo beneficio del zirconio. Un nivel mínimo de silicio de 0,15 garantiza que la masa fundida se desoxide antes de que se pueda realizar cualquier adición de zirconio y, por tanto, el silicio no se debe reducir por debajo de este nivel. Los niveles de silicio aumentados en cantidades mayores que el intervalo especificado pueden afectar al comportamiento de solidificación del acero, posiblemente dando como resultado defectos en los lingotes, tales como conductos primarios y secundarios.

El níquel se debe mantener en el intervalo del 1,40 al 2,25 % por su contribución a la tenacidad, capacidad de endurecimiento y resistencia mejorada al agrietamiento por calor. A bajas temperaturas, un material puede presentar un modo de fallo frágil ante fuerzas de impacto. A temperatura elevadas, este mismo material presentará un modo de fallo dúctil ante fuerzas de impacto. Esta temperatura a la que el material cambia de ser frágil a dúctil se denomina temperatura de transición de aparición de fracturas (FAT^t). Los aceros para troqueles se deben calentar previamente por encima de la temperatura FATT con el fin de evitar el fallo frágil ante cargas de impacto. Si la curva de FATT se puede cambiar a temperaturas más bajas, se pueden minimizar los fallos frágiles debidos a un calentamiento previo inadecuado. El níquel se usa por su capacidad para cambiar la temperatura de transición de fracturas, es decir, la transición del modo frágil al dúctil. Resulta necesaria una concentración mínima de níquel del 1,40 por ciento para evitar la rotura catastrófica del troquel debido a un calentamiento previo inadecuado.

La FIG. 4 ilustra drásticamente el cambio de la curva de FATT para un acero para troqueles genérico tal como se representa mediante (a) la curva de níquel de traza en el lado derecho del gráfico de la FIG. 4, que muestra que se requiere una temperatura de calentamiento previo de al menos 54,4 °C (130 °F), y (b) la curva de níquel añadido en el lado izquierdo de la FIG. 4, que muestra que no se requiere ningún calentamiento previo o solo temperatura ambiente para producir la misma resistencia al impacto. Sin embargo, las concentraciones de níquel aumentadas aumentan la cantidad de austenita retenida en el acero. Si la austenita retenida se descompone en martensita sin revenir en un acero para troqueles durante su uso como troquel de forja, se puede desarrollar una fase dura y frágil que puede conducir a un fallo catastrófico de troquel. El níquel es también una de las aleaciones más costosas y, por lo tanto, se debe limitar al intervalo anterior con el fin de hacer que el acero y las piezas fabricadas a partir del mismo sean competitivos en precio.

El cromo se aumenta en una cantidad que es significativa en estas aplicaciones especializadas y ha de estar presente en el intervalo de 0,85-1,60. El intervalo preferido para espesores de productos menores de 50,8 cm (20 pulgadas) es de 0,85 a 1,15. Sin embargo, si se redujo el carbono para ayudar a minimizar la segregación en lingotes grandes, se debe aumentar el cromo al intervalo de 1,40 a 1,60 para ayudar a compensar la pérdida de capacidad de endurecimiento con la disminución del carbono. También se cree que la cantidad adicional de cromo aumenta la resistencia al desgaste del material a través de la formación aumentada de carburos de cromo.

El molibdeno ha de estar presente en el intervalo de 0,70-1,10. El molibdeno aumenta la capacidad de endurecimiento del acero, al tiempo que reduce la posibilidad de fragilización por revenido. El molibdeno es un formador de carburo fuerte que mejora la resistencia al desgaste. Sin embargo, esta es una aleación relativamente cara y, suponiendo la conformidad con los otros intervalos descritos en el presente documento y el tratamiento térmico convencional, el molibdeno en el intervalo de 0,70-0,90 proporcionará resultados satisfactorios para espesores de productos menores de 50,8 cm (20 pulgadas). A fin de ayudar a compensar la disminución de la capacidad de endurecimiento con los intervalos más bajos deseados de carbono, manganeso y silicio en espesores parciales mayores de 50,8 cm (20 pulgadas), se prefiere un intervalo de molibdeno de 0,90 a 1,10.

El vanadio debe estar presente en una cantidad pequeña, pero eficaz, de hasta 0,10, en el intervalo del 0,02-0,10 %. El vanadio tiene tres efectos principales. El vanadio es un elemento importante por su efecto sobre el aumento de la capacidad de endurecimiento. El vanadio también aumenta la resistencia al desgaste a través de la formación de carburos de vanadio. El vanadio también se usa para promover el tamaño de grano fino a través del mismo mecanismo de fijación de grano de austenita previo como lo hace el zirconio. Sin embargo, las cantidades excesivas de vanadio son perjudiciales para la ductilidad a través de la formación de una cantidad aumentada de carburos gruesos y, por tanto, lo mejor es mantener el vanadio a un máximo de 0,10 para espesores menores de 50,8 cm (20 pulgadas) y a un máximo de 0,07 para espesores mayores de 50,8 cm (20 pulgadas).

El aluminio y el zirconio se deben considerar en conjunto y, además, tal como resultará evidente en lo sucesivo en el presente documento, el zirconio se debe considerar, a su vez, en vista de la cantidad de nitrógeno presente en este tipo de cero. En otras palabras, existe una relación definida entre el aluminio, el zirconio y el nitrógeno y esta relación es un factor clave en los atributos deseables de las piezas fabricadas y la composición de la presente invención. El aluminio es el desoxidante de elección para la producción de una estructura de grano fino en este tipo de acero de baja aleación de Cr-Ni-Mo. Sin embargo, el uso de demasiado aluminio puede dar como resultado inclusiones excesivas y, por tanto, el aluminio debe estar presente en una cantidad pequeña, pero eficaz, de hasta 0,030. Sin embargo, a fin de garantizar una estructura de grano fino a temperaturas de funcionamiento moderadas y, igualmente importante, considerando la presencia de zirconio, el intervalo preferido de aluminio es 0,015-0,025. El zirconio también es un desoxidante. Sin embargo, el zirconio tiene la característica única de que, cuando este se añade como elemento de aleación a un acero desoxidado con aluminio, potencia la fijación de grano a través de la formación de nitruros de zirconio y carbonitruros de zirconio. Por tanto, en operaciones de forja en troquel cerrado, resulta esencial que esté presente una combinación de aluminio y zirconio para garantizar que se obtenga una estructura de grano fino. Se ha hallado que la cantidad de zirconio que debe estar presente, a su vez, depende de la cantidad de nitrógeno presente, tal como resultará evidente a partir de lo siguiente.

El zirconio forma nitruros, carburos y carbonitruros, siendo la totalidad de dichos compuestos hasta cierto grado estable a temperaturas de funcionamiento elevadas de, por ejemplo, aproximadamente 1.176 °C (2.150 grados Fahrenheit). De estos compuestos, los nitruros de zirconio son especialmente adecuados para la fijación de los límites de grano de austenita. La relación estequiométrica del zirconio respecto al nitrógeno es del 6,5 al 1 por ciento en peso. Disponiendo de un intervalo de nitrógeno en el acero objeto de 40 a 90 ppm, el zirconio máximo para lograr una composición estequiométrica con nitrógeno sería del 0,058 por ciento en peso. Los estudios han demostrado que las composiciones hipostoquiométricas son más eficaces en la fijación de grano y, por lo tanto, resultaría deseable un nivel máximo de zirconio del 0,05 por ciento en peso. Con respecto a un nivel mínimo de zirconio, un acero para troquel de forja con una composición similar obtuvo resultados beneficiosos en cuanto a la ductilidad a un nivel de zirconio del 0,002 por ciento en peso. Por lo tanto, el intervalo deseado de zirconio debe estar entre el 0,001 y el 0,050 por ciento en peso.

Aplicabilidad industrial

En general, las enseñanzas de la presente divulgación pueden encontrar aplicabilidad en muchas industrias, incluyendo, pero sin limitación, las industrias de forja en troquel, de fabricación de bombas y de fabricación de herramientas o piezas de maquinaria. De manera más específica, la presente divulgación se puede aplicar a cualquier industria que requiera piezas de acero robustas para aplicaciones exigentes con una alta resistencia a la fatiga, una alta resistencia a la fractura, una alta fuerza, una alta dureza, una alta resistencia al desgaste, una excelente dureza de paso, una buena maquinabilidad y una resistencia a altas temperaturas.

La FIG. 5 muestra una serie de etapas que pueden estar implicadas en la fabricación del artículo 1. Por ejemplo, el artículo resultante puede ser capaz de satisfacer las exigentes demandas del proceso de forja en troquel cerrado, así como los requisitos igualmente exigentes de la industria de piezas de maquinaria. El método 100 puede incluir las etapas de: (1) formar una masa fundida de acero en una unidad de calentamiento que tiene una cantidad inferior a la totalidad de los ingredientes de aleación (bloque 102), (2) transferir dicha masa fundida a un receptáculo para formar, de ese modo, una masa térmica (bloque 104), (3) calentar, refinar dicha masa térmica con purga de argón y alear, adicionalmente, la composición de aleación en la especificación (bloque 106), (4) desgasificar al vacío, llenar y colar dicha masa térmica para formar lingotes mediante el vertido por el fondo (bloque 108) y (5) trabajar en caliente dichos lingotes para formar dicha aleación de acero en el/los artículo/s 1 (bloque 110).

Como evidencia de la eficacia de la presente divulgación, se han recopilado datos de las propiedades físicas de catorce masas térmicas de la química objeto. Se coló un lingote grande de cada masa térmica. Los tamaños de lingote que se usaron fueron lingotes acanalados redondos de 233,7 cm (92 pulgadas) de diámetro (81,6 toneladas métricas (90 toneladas)), 254 cm (100 pulgadas) de diámetro (90,7 toneladas métricas (100 toneladas)) y 274,3 cm (108 pulgadas) de diámetro (127 toneladas métricas (140 toneladas)). El tamaño de los bloques forjados a partir de los lingotes varió del bloque más pequeño con las dimensiones de 50,8 cm x 195,6 cm x 477,5 cm (20 pulgadas x 77 pulgadas x 188 pulgadas) (37.936,7 kg (83.636 libras)) al bloque más grande con las dimensiones de 76,2 cm x 218,4 cm x 508 cm (30 pulgadas x 86 pulgadas x 200 pulgadas) (58.166,4 kg (128.235 libras)). Todos los bloques forjados se trataron térmicamente hasta un intervalo de dureza superficial de 363-415 HBW. El tratamiento térmico de todos los bloques ha consistido en cuatro etapas principales: 1: austenitizar y enfriar al aire, 2: austenitizar y enfriar templar en agua, 3: revenir en primer lugar, 4: revenir en segundo lugar.

El acero ha demostrado una excelente resistencia al impacto y presentó un alto grado de uniformidad en cuanto a la dureza y composición química en todas estas grandes secciones transversales.

La resistencia al impacto a temperatura ambiente (21,1 °C (70 °F)) en la orientación transversal (resistencia al impacto transversal) se ha medido mediante el método de muescas en V Charpy (ASTM E23) en la totalidad de los catorce bloques. Se sometieron a ensayo seis barras Charpy individuales en cada bloque. Todos los ensayos se localizaron a 2,54 cm (1 pulgada) por debajo de la superficie. La resistencia al impacto transversal promedio de los catorce bloques es de 32,5 julios (24 pies-libra fuerza).

Se seccionaron dos bloques para someter a ensayo la uniformidad de la dureza a lo largo del espesor y el ancho del bloque (uniformidad de la capacidad de endurecimiento o dureza en sección transversal). Las mediciones de dureza del núcleo para este estudio se realizaron mediante el método Leeb (ASTM A956) y hallaron lo siguiente:

Bloque 1

Dimensiones de acabado: 66,04 cm x 195,6 cm x 477,5 cm (26 pulgadas x 77 pulgadas x 188 pulgadas) Dureza superficial: 401-415 HBW

El plano de ensayo fue una sección transversal de 101,6 cm (40 pulgadas) del extremo del bloque.

Bloque 2:

Dimensiones de acabado: 66,04 cm x 170,2 cm x 477,5 cm (26 pulgadas x 67 pulgadas x 188 pulgadas) Dureza superficial: 363-375 HBW

El plano de ensayo fue una sección transversal de 50,8 cm (20 pulgadas) del extremo del bloque.

La variabilidad química afecta directamente a la variabilidad de la profundidad de dureza (capacidad de endurecimiento) de un bloque. Se seccionaron dos bloques para someter a ensayo la uniformidad de la composición química a lo largo del espesor y ancho del bloque. Las dimensiones del bloque fueron de 66,04 cm x 195,6 cm x 477,5 cm (26 pulgadas x 77 pulgadas x 188 pulgadas) y 66,04 cm x 170,2 cm x 477,5 cm (26 pulgadas x 67 pulgadas x 188 pulgadas). Los ensayos químicos mostraron muy poca variación desde el centro de los dos bloques, en comparación con la química en las localizaciones de superficie del punto intermedio del ancho, la esquina, y el punto intermedio del espesor de los dos bloques.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una composición de aleación de acero, que comprende:

del 0,36 % al 0,60 % en peso de carbono;

del 0,30 % al 0,70 % en peso de manganeso;

del 0,001 % al 0,017 % en peso de fósforo;

del 0,15 % al 0,60 % en peso de silicio;

del 1,40 % al 2,25 % en peso de níquel;

del 0,85 % al 1,60 % en peso de cromo;

del 0,70 % al 1,10 % en peso de molibdeno;

del 0,010 % al 0,030 % en peso de aluminio;

del 0,001 % al 0,050 % en peso de zirconio;

del 0,0040 % al 0,0090 % en peso de nitrógeno;

del 0,02 % al 0,10 % en peso de vanadio, en donde la composición de aleación de acero comprende, opcionalmente, del 0,001 % al 0,012 % en peso de fósforo; o

en donde la composición de aleación de acero comprende, opcionalmente, del 0,001 % al 0,005 % en peso de fósforo; o

en donde la composición de aleación de acero comprende, opcionalmente, un máximo del 0,025 % en peso de azufre; o

en donde la composición de aleación de acero comprende, opcionalmente, un máximo del 0,025 % en peso de azufre y un máximo del 0,35 % en peso de cobre; o

en donde la composición de aleación de acero comprende, opcionalmente, un máximo del 0,025 % en peso de azufre, un máximo del 0,35 % en peso de cobre y un máximo del 0,020 % en peso de titanio; y un resto de hierro.

2. La composición de aleación de acero de la reivindicación 1, en donde la composición de aleación de acero comprende del 0,001 % al 0,012 % en peso de fósforo.

3. La composición de aleación de acero de la reivindicación 1, en donde la composición de aleación de acero comprende del 0,001 % al 0,005 % en peso de fósforo.

4. La composición de aleación de acero de la reivindicación 1, que comprende un máximo del 0,025 % en peso de azufre.

5. La composición de aleación de acero de la reivindicación 4, que comprende un máximo del 0,35 % en peso de cobre.

6. La composición de aleación de acero de la reivindicación 5, que comprende un máximo del 0,020 % en peso de titanio.

7. Un artículo fabricado a partir de la composición de aleación de acero de la reivindicación 1.

8. Una composición de aleación de acero de acuerdo con la reivindicación 1 para un artículo que tiene un espesor en sección transversal de 50,8 cm (20 pulgadas) o más, que comprende:

del 0,36 % al 0,46 % en peso de carbono;

del 0,30 % al 0,50 % en peso de manganeso;

del 0,001 % al 0,012 % en peso de fósforo;

del 0,15 % al 0,30 % en peso de silicio;

del 1,75 % al 2,25 % en peso de níquel;

del 1,40 % al 1,60 % en peso de cromo;

del 0,90 % al 1,10 % en peso de molibdeno;

del 0,015 % al 0,025 % en peso de aluminio;

del 0,001 % al 0,050 % en peso de zirconio;

en donde la composición de aleación de acero comprende, opcionalmente, un máximo del 0,003 % en peso de azufre; o

en donde la composición de aleación de acero comprende, opcionalmente, un máximo del 0,003 % en peso de azufre y del 0,02 % al 0,07 % en peso de vanadio; o

en donde la composición de aleación de acero comprende, opcionalmente, un máximo del 0,003 % en peso de azufre, del 0,02 % al 0,07 % en peso de vanadio y un máximo del 0,35 % en peso de cobre; o

en donde la composición de aleación de acero comprende, opcionalmente, un máximo del 0,003 % en peso de azufre, del 0,02 % al 0,07 % en peso de vanadio, un máximo del 0,35 % en peso de cobre, comprendiendo un máximo del 0,020 % en peso de titanio; y un resto de hierro.

9. La composición de aleación de acero de la reivindicación 8, que comprende un máximo del 0,003 % en peso de azufre.

10. La composición de aleación de acero de la reivindicación 9, que comprende del 0,02 % al 0,07 % en peso de vanadio.

11. La composición de aleación de acero de la reivindicación 10, que comprende un máximo del 0,35 % en peso de cobre.

12. La composición de aleación de acero de la reivindicación 11, que comprende un máximo del 0,020 % en peso de titanio.

13. El artículo que tiene un espesor en sección transversal de 50,8 cm (20 pulgadas) o más fabricado a partir de la composición de aleación de acero de la reivindicación 8.

14. Una composición de aleación de acero de acuerdo con la reivindicación 1 para un artículo que tiene un espesor en sección transversal de 50,8 cm (20 pulgadas) o menos, que comprende:

del 0,50 % al 0,60 % en peso de carbono;

del 0,50 % al 0,70 % en peso de manganeso;

del 0,001 % al 0,017 % en peso de fósforo;

del 0,40 % al 0,60 % en peso de silicio;

del 1,40 % al 1,75 % en peso de níquel;

del 0,85 % al 1,15 % en peso de cromo;

del 0,70 % al 0,90 % en peso de molibdeno;

del 0,010 % al 0,030 % en peso de aluminio;

del 0,001 % al 0,050 % en peso de zirconio;

en donde la composición de aleación de acero comprende, opcionalmente, un máximo del 0,025 % en peso de azufre y del 0,02 % al 0,10 % en peso de vanadio; o

en donde la composición de aleación de acero comprende, opcionalmente, un máximo del 0,025 % en peso de azufre, del 0,02 % al 0,10 % en peso de vanadio y un máximo del 0,35 % en peso de cobre; o

en donde la composición de aleación de acero comprende, opcionalmente, un máximo del 0,025 % en peso de azufre, del 0,02 % al 0,10 % en peso de vanadio, un máximo del 0,35 % en peso de cobre y un máximo del 0,020 % en peso de titanio; y

un resto de hierro.

15. La composición de aleación de acero de la reivindicación 14, que comprende un máximo del 0,025 % en peso de azufre.

16. La composición de aleación de acero de la reivindicación 15, que comprende un máximo del 0,35 % en peso de cobre.

17. La composición de aleación de acero de la reivindicación 16, que comprende un máximo del 0,020 % en peso de titanio.

18. El artículo que tiene un espesor en sección transversal de 50,8 cm (20 pulgadas) o menos fabricado a partir de la composición de aleación de acero de la reivindicación 14.