ES2908807T3

ES2908807T3 - Uso de un acero para un procedimiento de fabricación aditivo, procedimiento para la fabricación de una pieza constructiva de acero y pieza constructiva de acero

Info

Publication number: ES2908807T3
Application number: ES18182027T
Authority: ES
Inventors: Soest Frank Van; Krull Hans-Günter Dr
Original assignee: Deutsche Edelstahlwerke Specialty Steel GmbH and Co KG
Current assignee: Deutsche Edelstahlwerke Specialty Steel GmbH and Co KG
Priority date: 2018-07-05
Filing date: 2018-07-05
Publication date: 2022-05-04
Anticipated expiration: 2038-07-05
Also published as: EP3591078B1; US20200009651A1; PT3591078T; EP3591078A1; PL3591078T3

Abstract

Uso de un acero, que está constituido por (en % en peso): C: 0,08 - 0,35 %, Si: 0 - 0,80 %, Mn: 0,20 - 2,00 %, Cr: 0 - 4,00 %, Mo: 0,3 - 3,0 %, N: 0,004 - 0,020 % AI: 0,004 - 0,050 % B: 0 - 0,0025 %, al menos un elemento del grupo "Nb, Ti, V, S" con la condición de que asciende el contenido de Nb a del 0,003 - 0,20 % en peso, el contenido de Ti a del 0,001 - 0,02 % en peso, el contenido de V a del 0,02 - 0,40 % en peso y/o el contenido de S a del 0,001 - 0,4 % en peso, Ni: 0-1,5 % Cu: 0-0,3 % Co: 0-2,0 % el resto hierro e impurezas inevitables, en donde a las impurezas pertenecen hasta el 0,0035 % en peso a P, en donde el contenido de Al %Al, el contenido de Nb %Nb, el contenido de Ti %Ti, el contenido de V %V y el contenido de N %N del acero cumplen la siguiente condición: %AI/27 + %Nb/45 + %Ti/48 + %V/25 > %N/3,5, como polvo de acero para la fabricación de piezas constructivas de acero mediante un procedimiento de fabricación aditivo, en donde los granos del polvo de acero tienen un diámetro promedio de 5 - 150 μm.

Description

DESCRIPCIÓN

Uso de un acero para un procedimiento de fabricación aditivo, procedimiento para la fabricación de una pieza constructiva de acero y pieza constructiva de acero

La invención se refiere al uso de un acero como polvo de acero para la fabricación de piezas constructivas de acero mediante procedimientos de fabricación aditivos, a un procedimiento para la fabricación de una pieza constructiva de acero con la aplicación de un procedimiento de fabricación aditivo y a una pieza constructiva de acero producida mediante el uso de un acero de este tipo mediante aplicación de un procedimiento de fabricación aditivo.

Si a continuación se realizan indicaciones en "%" con respecto a aleaciones o composiciones de acero, entonces éstas se refieren en cada caso al peso, en tanto que no se indique lo contrario de manera expresa.

Todas las propiedades mecánicas indicadas en el presente texto del acero que va a usarse de acuerdo con la invención y de los aceros mencionados dado el caso para la comparación se han determinado, en tanto que no se indique lo contrario, según la norma DIN EN ISO 6892-1.

Por el término "procedimientos de fabricación aditivos" se resumen en este caso todos los procedimientos de fabricación en los que se añade un material para la generación de una pieza constructiva. A este respecto se realiza esta adición por regla general por capas. Los "procedimientos de fabricación aditivos", que se designan en el lenguaje técnico con frecuencia también como "procedimientos generativos" o en general como "impresiones 3D", contrastan con ello con los procedimientos de fabricación substractivos clásicos, tal como los procedimientos con arranque de virutas (por ejemplo, fresado, perforación y torneado), en los que se retira material para conferir a la pieza constructiva que va a producirse en cada caso su forma. También se diferencian los procedimientos aditivos básicamente de los procedimientos de conformación masiva convencionales, tal como forjado y similares, en los que se forma la pieza de acero respectiva con mantenimiento de la masa de un producto de partida o intermedio.

El principio de fabricación aditiva permite producir estructuras geométricamente complejas, que no pueden realizarse o solo de manera costosa con procedimientos de fabricación convencionales, tal como los procedimientos con arranque de virutas ya mencionados o procedimientos de conformación (colada, forjado), (véase, informe del estado VDI "Additive Fertigungsverfahren", septiembre de 2014, editado por Verein Deutscher Ingenieure e.V., Fachbereich Produktionstechnik und Fertigungsverfahren, www.vdi.de/statusadditiv).

Definiciones más detalladas de los procedimientos, que están resumidas en el término genérico "procedimientos aditivos", se encuentran por ejemplo en las directrices de VDI 3404 y 3405.

En la práctica se usan actualmente de manera regular polvo de aleaciones de acero, que, debido a sus contenidos en carbono que se encuentran por debajo del 0,30 % en peso, tienen una idoneidad de soldadura suficiente. El polvo de acero facilitado en cada caso se funde entonces con un chorro de electrones o láser en un vacío y se enfría rápidamente debido a la pequeña cantidad líquida en comparación con la pieza constructiva ya generada. Mediante la alta velocidad de enfriamiento se ajusta con frecuencia un estado de tensión crítico en la pieza constructiva, que puede conducir a grietas en particular con contenidos en carbono elevados.

Para minimizar el riesgo de grietas por tensiones, es habitual actualmente usar un acero que forme con enfriamiento rápido un estado de estructura a ser posible blando. En este caso se ofrecen aceros que forman una estructura que está constituida por martensita blanda o martensita en listones. Ejemplos de tales aceros son los denominados "aceros maraging". Ejemplos típicos de estos aceros están normalizados con los números de material 1.2709, 1.6355, 1.4545 y 1.4542 en la lista de StahlEisen. Como alternativa se usan aceros austeníticos, tal como el acero 316L (número de material 1.4404), como polvo de acero para la fabricación aditiva. Es desventajoso en estos aceros que requieren en altos contenidos partes constituyentes de aleación, que actualmente pueden obtenerse solo en altos costes.

Las piezas constructivas generadas mediante procedimientos aditivos de este tipo se someten regularmente a un tratamiento posterior, para reducir hasta un mínimo la porosidad residual aún existente en estas habitualmente de manera condicionada por la fabricación. Las posibilidades que están a disposición para ello se han descrito en el estado de la técnica de manera suficiente y están resumidas por ejemplo en el documento DE 10039143 C1. El objeto de este documento de patente es un procedimiento para la fabricación de piezas constructivas precisas mediante sinterización por láser de un material en polvo, que está constituido por una mezcla de al menos dos elementos en polvo. El material en polvo está formado por la parte constituyente principal, polvo de hierro, y otros elementos de aleación en polvo, que se encuentran en forma elemental, previamente aleada o parcialmente aleada previamente. Al mismo tiempo está controlado el proceso de sinterización por láser de modo que en el transcurso del proceso de sinterización por láser a partir de las partes constituyentes del polvo se produce una aleación en polvo. En el caso de los elementos de aleación en polvo se trata de carbono, silicio, cobre, estaño, níquel, molibdeno, manganeso, cromo, cobalto, wolframio, vanadio, titanio, fósforo, boro. De manera concreta ascienden los intervalos de contenidos indicados para estas partes constituyentes a: C: 0,01 - 2 % en peso, Si: hasta el 1 % en peso, Cu: hasta el 10 % en peso, Sn: hasta el 2 % en peso, Ni: hasta el 10 % en peso, Mo: hasta el 6 % en peso, Mn: hasta el 2 % en peso o del 10 -13 % en peso, Cr: hasta el 5 % en peso o del 12 -18 % en peso, Co: hasta el 2 % en peso, W: hasta el 5 % en peso, V: hasta el 1 % en peso, Ti: hasta el 0,5 % en peso, P: hasta el 1 % en peso, B: hasta el 1 % en peso.

Además del estado de la técnica explicado anteriormente se conoce por el documento CN 107214336 A una aleación de acero prevista para su uso como polvo para un procedimiento de fabricación aditivo, que está constituida por, en % en peso, el 0,27 % de C, el 0,91 % de Mn, el 0,50 % de Mo, el 0,52 % de Si, el 0,97 % de Cr, el 0,98 % de Ni, el resto Fe e impurezas inevitables. El polvo generado a partir de esta aleación presenta un diámetro de 15 - 53 pm y es adecuado en particular para el procesamiento en el procedimiento de fusión por láser selectivo, que se conoce en la práctica también con la denominación abreviada "SLM".

Ante este fondo ha resultado el objetivo de presentar un acero que como polvo de acero sea especialmente adecuado para su uso para la fabricación de piezas constructivas mediante un procedimiento de fabricación aditiva y a este respecto pueda alearse de manera económica.

Además debía mencionarse un procedimiento que va a aplicarse a un polvo de acero de este tipo, de modo que permita la fabricación eficaz de piezas constructivas mediante aplicación de un procedimiento de fabricación aditivo.

Finalmente debía indicarse también aún una pieza constructiva que está constituida por acero, que puede producirse de manera económica mediante aplicación de un procedimiento aditivo.

Con respecto al uso de un acero como polvo de acero para la fabricación aditiva de piezas constructivas de acero, la invención consigue el objetivo según la condición de la reivindicación 1.

Un procedimiento que consigue de acuerdo con la invención el objetivo mencionado anteriormente se ha indicado en la reivindicación 9.

Finalmente se consigue el objetivo mencionado anteriormente con respecto a la pieza constructiva de acuerdo con la invención debido a que se ha producido una pieza constructiva de este tipo a partir de un polvo de acero creado de acuerdo con la invención y mediante aplicación del procedimiento de acuerdo con la invención.

Configuraciones ventajosas de la invención están indicadas en las reivindicaciones dependientes y se explican, como la idea general de la invención, en detalle a continuación.

La invención parte del conocimiento de que es adecuada una modificación de un acero, que se conoce básicamente por el documento EP 3 168 312 A1 ya para la generación técnica de forjado de piezas constructivas, en medida especial también como material para la fabricación de piezas constructivas de acero mediante aplicación de un procedimiento de fabricación aditivo. Los aceros de martensita blanda usados actualmente de manera habitual para la fabricación aditiva requieren para el ajuste de la dureza de uso altas proporciones de elementos de aleación caros tal como Co, Ni y Mo y un tratamiento térmico posterior. Las soluciones conocidas por la práctica, que se basan en aceros con estructura austenítica están muy limitadas en cuanto a una resistencia que ha de conseguirse como máximo.

La invención propone con respecto a esto para su uso como polvo para la fabricación de una pieza constructiva de acero mediante fabricación aditiva, en la que mediante una pluralidad de repeticiones de las etapas de trabajo "aplicar una capa de un polvo de acero sobre una capa de acero generada previamente", "fundir la capa de polvo de acero aplicada", "enfriar la capa de acero generada mediante la fusión" se genera la pieza constructiva de acero de manera sucesiva a partir de un número correspondiente de capas de acero, una composición de material que abra una gran ventana para la velocidad de enfriamiento para el ajuste de una estructura bainítica menos sólida en comparación con martensita.

Así se usa de acuerdo con la invención un acero en forma de polvo de acero con un diámetro de grano promedio de 5 -150 pm para la fabricación de piezas constructivas de acero en un procedimiento aditivo, que está constituido por (en % en peso) del 0,08 - 0,35 % de C, hasta el 0,80 % de Si, del 0,20 - 2,00 % de Mn, hasta el 4,00 % de Cr, del 0,3 - 3,0 % de Mo, del 0,004 - 0,020 % de N, del 0,004 - 0,050 % de AI, hasta el 0,0025 % de B, al menos un elemento del grupo "Nb, Ti, V, S" con la condición de que ascienda el contenido de Nb a del 0,003 - 0,20 % en peso, el contenido de Ti a del 0,001 - 0,02 % en peso, el contenido de V a del 0,02 - 0,40 % en peso y/o el contenido de S a del 0,001 -0,4 % en peso, hasta el 1,5 % de Ni, hasta el 0,3 % de Cu, hasta el 2,0 % de Co y como resto por hierro e impurezas inevitables, en donde el contenido de Al %Al, el contenido de Nb %Nb, el contenido de Ti %Ti, el contenido de V %V y el contenido de N %N del acero cumplen la siguiente condición: %Al/27 %Nb/45 %Ti/48 %V/25 > %N/3,5. A este respecto pertenecen a las impurezas inevitables causadas por la fabricación todos los elementos que están presentes con respecto a las propiedades interesantes en este caso en cantidades ineficaces desde el punto de vista técnico de aleación y debido a la ruta seleccionada en cada caso del polvo de acero o del material de partida seleccionado en cada caso (chatarra) llegan al acero. En particular pertenecen a las impurezas inevitables también contenidos en P de hasta el 0,0035 % en peso.

La aleación de acero usada de acuerdo con la invención como polvo para la fabricación aditiva está compuesta de modo que como consecuencia del tratamiento térmico intrínseco que acompaña necesariamente a la fabricación aditiva debido a la conducción de calor, que da como resultado capas de polvo aplicadas y fundidas sucesivas a partir de la fusión que se realiza por capas, se producen precipitados que aumentan la resistencia de carburos, tal como carburos especiales, carbonitruros o nitruros. Así, en el caso de la aleación de acero prevista de acuerdo con la invención para su uso como polvo de acero para un procedimiento de fabricación aditivo se produce, con aprovechamiento del aporte de calor inmanente del procedimiento, un aumento de la resistencia mediante formación de precipitados, sin que sea necesario para ello un tratamiento térmico separado. A este respecto forma el acero que va a usarse de acuerdo con la invención una estructura bainítica homogénea, que a pesar de la pérdida de un tratamiento térmico separado garantiza propiedades uniformes por el volumen de la pieza constructiva fabricada de manera aditiva. El estado de estructura homogéneo posibilitado mediante la aleación de acero que va a usarse de acuerdo con la invención garantiza bajas tensiones propias y con ello un bajo riesgo de grietas.

En este sentido, la aleación de acero seleccionada de acuerdo con la invención para su uso como polvo de acero para un procedimiento de fabricación aditivo se muestra como especialmente adecuada también en el sentido de que se minimice en esta la velocidad de enfriamiento crítica para la formación de la estructura bainítica. Es decir, la "nariz de bainita B" que resulta en el diagrama de tiempo-temperatura (véanse las figuras 1 y 2) para el acero que va a usarse de acuerdo con la invención está desplazada hacia tiempos de enfriamiento cortos, tal como son típicos para la fabricación aditiva.

Tal como puede comprenderse a modo de ejemplo por medio de las figuras 1 y 2, esto significa que en el caso de un acero que va a usarse de acuerdo con la invención en un intervalo de tiempo especialmente amplio se llega a la manifestación de una estructura bainítica, cuando el acero se enfría en cada caso fuera del calor, que se introduce durante la fusión de la capa de polvo en cada caso mecanizada en la pieza constructiva estructurada por capas. En este sentido, mediante la aleación del acero que va a usarse de acuerdo con la invención se garantiza que en el transcurso del enfriamiento no se produzcan cantidades de martensita o ferrita o bien perlita en la estructura, que influyan en sus propiedades. Una pieza constructiva de acero generada a partir del acero que va a usarse de acuerdo con la invención se caracteriza por consiguiente por que esta tiene una estructura que está constituida en al menos el 80 % en volumen por bainita, en donde el contenido de partes constituyentes de estructura no bainíticas en piezas constructivas de acero generadas de acuerdo con la invención se ha minimizado mucho de modo que tras concluir la fabricación aditiva se encuentra en estas en el sentido técnico una estructura completamente bainítica.

El acero, que se usa de acuerdo con la invención como polvo de acero para la fabricación aditiva, debe contener hasta el 0,35 % en peso de carbono ("C"), para contribuir mediante la formación de carburos al aumento de la resistencia del material. Así puede provocarse, mediante la adición de en cada caso el 0,01 % en peso, un aumento de resistencia de en cada caso aprox. 70 MPa. Este efecto comienza a partir de un contenido de C del 0,08 % en peso, en particular a partir de un contenido de al menos el 0,09 % en peso de C. Mediante la limitación del contenido de C hasta como máximo el 0,35 % en peso se consigue a este respecto que un acero que va a usarse de acuerdo con la invención tenga a pesar de su resistencia maximizada buenas propiedades de alargamiento y tenacidad. Al mismo tiempo, el contenido de C comparativamente bajo contribuye en un acero que va a usarse de acuerdo con la invención también a la aceleración de la conversión de bainita, de modo que se evita la producción de partes constituyentes de estructura indeseadas. Una acción optimizada de la presencia de C en el acero que va a usarse de acuerdo con la invención puede conseguirse debido a que el contenido de C se ajusta en del 0,08 - 0,25 % en peso, en particular del 0,09 - 0,25 % en peso.

Silicio ("Si") suprime la formación de cementita y desplaza la formación de ferrita a tiempos más cortos. El contenido de Si de un acero que va a usarse de acuerdo con la invención está limitado por tanto a como máximo el 0,80 % en peso, en particular a como máximo el 0,45 % en peso, para dejar desarrollar lo antes posible la transformación de bainita. Al mismo tiempo, los contenidos en Si hasta este límite superior contribuyen al aumento de la resistencia mediante solidificación de cristal mixto.

Molibdeno ("Mo") está presente en el acero que va a usarse de acuerdo con la invención en contenidos del 0,3 - 3,0 % en peso, para retrasar la conversión de la estructura en ferrita o perlita. Esta acción se produce en particular cuando al menos el 0,6 % en peso, en particular más del 0,70 % en peso de Mo, está presente en el acero. Con contenidos de más del 3,0 % en peso ya no se produce en e acero que va a usarse de acuerdo con la invención ningún otro aumento económicamente justificable de la acción positiva de Mo. Además, por encima del 3,0 % en peso de Mo existe el riesgo de formación de una fase de carburo rica en molibdeno, que puede influir de manera negativa en las propiedades de tenacidad. Las acciones óptimas de Mo en el acero que va a usarse de acuerdo con la invención pueden esperarse cuando el contenido de Mo asciende a al menos el 0,7 % en peso.

A este respecto han resultado especialmente eficaz contenidos en Mo de como máximo el 2,0 % en peso, en particular a como máximo el 1,5 % en peso o como máximo el 1,0 % en peso.

Manganeso ("Mn") está presente en contenidos del 0,20 - 2,00 % en peso en el acero que va a usarse de acuerdo con la invención, para ajustar la resistencia a la tracción y el límite de estricción mediante la formación de cristal mixto. Un contenido mínimo del 0,20 % en peso de Mn es necesario, para que se produzca un aumento de la resistencia. Si este efecto debe conseguirse de manera especialmente segura, entonces puede preverse un contenido de Mn de al menos el 0,35 % en peso. Contenidos en Mn demasiado altos conducirían, sin embargo, al retardo de la transformación de bainita y con ello a una transformación predominantemente martensítica. Por tanto, el contenido de Mn está limitado a como máximo el 2,00 % en peso, en particular a como máximo el 1,5 % en peso. Las influencias negativas de la presencia de Mn pueden evitarse de manera especialmente segura limitándose el contenido de Mn en el acero que va a usarse de acuerdo con la invención a como máximo el 1,1 % en peso.

El contenido de azufre ("S") puede ascender en el acero que va a usarse de acuerdo con la invención a hasta el 0,4 % en peso, en particular a como máximo el 0,1 % en peso, para fomentar la capacidad de desprendimiento de virutas del acero. Al mismo tiempo, mediante la presencia de S se reduce la tensión de superficie límite de las gotas durante la atomización, de manera que se obtiene un polvo de acero más fino. Para este fin puede estar previsto un contenido de S de al menos el 0,001 % en peso. En caso de contenidos en S que se encuentran por encima del 0,4 % en peso existe el riesgo de la producción de fragilidad al rojo. Acciones óptimas de la presencia de S en el acero que va a usarse de acuerdo con la invención pueden conseguirse con contenidos del 0,003 - 0,1 % en peso.

El ajuste fino técnico de aleación con respecto a las propiedades mecánicas y la calidad de la estructura de un acero que va a usarse de acuerdo con la invención se realiza según el concepto de aleación que va a usarse de acuerdo con la invención a través de una microaleación combinada de los elementos boro ("B") en contenidos opcionales de hasta el 0,0025 % en peso, en particular al menos el 0,0005 % en peso de B, nitrógeno ("N") en contenidos del 0,004 - 0,020 % en peso, en particular al menos el 0,006 % en peso de N o hasta el 0,0150 % en peso de N, aluminio ("AI") en contenidos del 0,004 - 0,050 % en peso así como niobio ("Nb") en contenidos opcionales de hasta el 0,20 % en peso, en particular al menos el 0,003 % en peso o al menos el 0,005 % en peso de Nb, en donde el contenido de Nb puede estar limitado en particular también a como máximo el 0,05 % en peso de Nb, titanio ("Ti") en contenidos opcionales de hasta el 0,02 % en peso, en particular al menos el 0,001 % en peso o al menos el 0,005 % en peso de Ti, y vanadio ("V") en contenidos opcionales de hasta el 0,40 % en peso, en particular al menos el 0,01 % en peso o al menos el 0,02 % en peso de V.

La presencia de N en los contenidos previstos de acuerdo con la invención permite a este respecto la formación de nitruros y carbonitruros para el aumento de la resistencia y aumento de la estabilidad de grano fino, sin que se llegue a la fragilidad. Así, Al con N forma nitruro de aluminio, que contribuye a la estabilidad de grano fino.

La presencia opcional de B retarda la producción de ferrita o perlita y asegura así la producción de la estructura bainítica pretendida en el acero que va a usarse de acuerdo con la invención. Contenidos en B que se encuentra por encima del 0,0025 % en peso conllevarían el riesgo de una fragilidad. Los elementos de microaleación en cada caso también opcionalmente existentes Nb, Ti y V forman carbonitruros y pueden conseguir así una contribución esencial a la optimización de la estabilidad de grano fino y la resistencia del acero que va a usarse de acuerdo con la invención.

Para aprovechar de manera segura las ventajas de la presencia de los elementos de microaleación y de aluminio, puede ser conveniente ajustar el contenido de Al en al menos el 0,005 % en peso, el contenido de Ti en al menos el 0,001 % en peso, el contenido de V en al menos el 0,02 % en peso o el contenido de Nb en al menos el 0,003 % en peso. A este respecto pueden estar presentes los elementos de microaleación V, Ti, Nb por un lado y Al por otro lado en cada caso en combinación con uno o varios elementos del grupo "Al, V, Ti, Nb" o solos en cantidades que se encuentran por encima de los contenidos mínimos mencionados. Con contenidos de hasta el 0,01 % en peso de Ti, de hasta el 0,025 % en peso de Nb, de hasta el 0,075 % en peso de V o de hasta el 0,040 % en peso de Al pueden aprovecharse de manera especialmente eficaz las acciones de estos elementos en el acero que va a usarse de acuerdo con la invención. También en este caso pueden cumplirse los límites superiores mencionados de los contenidos en Ti, Nb, V o Al en cada caso solos o en combinación entre sí, para conseguir la acción en cada caso óptima del respectivo elemento de aleación. Los contenidos de %AI, %Nb, %Ti, %V y %N en AI, Nb, Ti, V y N están enlazados entre sí a este respecto en el acero que va a usarse de acuerdo con la invención a través de la condición

%AI/27 %Nb/45 %Ti/48 %V/25 > %N/3,5

de modo que el nitrógeno contenido de el acero que va a usarse de acuerdo con la invención a través de los contenidos existentes en cada caso en Al así como los contenidos dado el caso añadidos adicionalmente en Nb, Ti y V se haya aislado completamente y el boro pueda actuar por consiguiente de manera retardante de la transformación. El aislamiento de acuerdo con la invención del N permite además que el boro opcionalmente existente como elemento disuelto en la matriz del acero se vuelva eficaz y suprima la formación de ferrita y o perlita.

Contenidos opcionalmente existentes de cromo ("Cr") de hasta el 4,00 % en peso, en particular de hasta el 3 % en peso o hasta el 2,5 % en peso, contribuyen, mediante la formación de carburos especiales y nitruros de cromo en caso de un tratamiento de nitración realizado dado el caso, a la templabilidad y estabilidad frente a la corrosión del acero que va a usarse de acuerdo con la invención. Para ello pueden estar previstos por ejemplo al menos el 0,5 % en peso o al menos el 0,8 % en peso de Cr. Los contenidos en Cr que se encuentran por encima del 4,00 % en peso favorecerían una formación de martensita indeseada en la estructura del acero que va a usarse de acuerdo con la invención.

Igualmente los contenidos opcionalmente existentes en Ni de hasta el 1,5 % en peso mejoran la tenacidad del acero que va a usarse de acuerdo con la invención. En el caso de que deba aprovecharse este efecto, se produce éste a partir de un contenido de Ni de al menos el 0,1 % en peso, en particular al menos el 0,15 % en peso.

A los elementos de aleación añadidos de manera dirigida o que acceden a través del material de partida al acero que va a usarse de acuerdo con la invención pertenece también Cu, cuyo contenido está limitado para la evitación de influencias negativas en el acero que va a usarse de acuerdo con la invención a como máximo el 0,3 % en peso, en particular a menos del 0,3 % en peso.

El cobalto ("Co") opcionalmente existente en el acero que va a usarse de acuerdo con la invención provoca en contenidos de hasta el 2,0 % en peso un desplazamiento de la formación de bainita a tiempos más cortos. La influencia positiva de Co puede aprovecharse a este respecto en particular con contenidos en Co de al menos el 0,1 % en peso, en particular al menos el 0,5 % en peso.

De manera correspondiente a las explicaciones anteriores, un procedimiento de acuerdo con la invención para la producción de una pieza constructiva de acero comprende las siguientes etapas de trabajo:

a) fundir una masa fundida de acero usado y compuesto según la condición de la invención;

b) generar un polvo de acero a partir de la masa fundida de acero fundida en la etapa de trabajo a), en donde los granos del polvo de acero tienen un diámetro promedio de 5 -150 pm;

c) producir la pieza constructiva mediante aplicación de un procedimiento de fabricación aditivo,

c.1) en el que al menos una porción del polvo de acero se expone por secciones de volumen a un aporte de calor limitado temporalmente con enfriamiento posterior, de modo que las partículas de polvo de acero, que están presentes en la sección de volumen calentada y en cada caso limitan unas con otras, contraen una unión por adherencia de materiales y están solidificadas tras el enfriamiento en al menos una sección de volumen de la pieza constructiva que va a producirse;

c.2) aplicar de nuevo bajo demanda otra porción del polvo de acero sobre la sección de volumen solidificada en la etapa de trabajo c.1) y repetir la etapa de trabajo c.1) con la otra porción del polvo de acero, en donde se repiten las etapas de trabajo c.1) y c.2), hasta que la pieza constructiva que va a producirse se haya formado de manera completamente acabada;

d) opcionalmente mecanizar de manera mecánica, en particular con arranque de virutas, las piezas constructivas;

e) opcionalmente tratar de manera térmica finalmente la pieza constructiva obtenida para la formación de precipitados que aumentan la resistencia en la estructura de la pieza constructiva.

La producción del polvo de acero que está constituido por acero que va a usarse de acuerdo con la invención puede realizarse de manera convencional por ejemplo mediante atomización de gas o cualquier otro procedimiento adecuado. Para ello puede reducirse a polvo una masa fundida de acero fundida según la condición de la invención por ejemplo mediante atomización de gas o agua o una combinación de estos dos procedimientos de atomización para dar el polvo de acero. En caso necesario se seleccionan de las partículas de polvo así obtenidas para el procesamiento posterior de acuerdo con la invención mediante tamizado aquellas que tienen un tamaño de grano adecuado. En este caso han resultado adecuados para los fines de acuerdo con la invención granos con un diámetro promedio de 5 -150 pm.

Tal como se ha explicado, mediante el ajuste de la aleación del acero usado de acuerdo con la invención como polvo de acero se determina la estructura de la pieza constructiva de acero generada de acuerdo con la invención. En este caso se caracteriza una pieza constructiva generada de acuerdo con la invención por que presenta una estructura que está constituida en al menos el 80 % en volumen por bainita, en particular en el sentido técnico completamente bainítica.

El polvo de acero que va a usarse de acuerdo con la invención es adecuado para cualquier procedimiento de fabricación aditivo del tipo explicado anteriormente, conocido por el estado de la técnica, en el que mediante aporte de calor local para fundir las partículas que limitan unas con otras, captadas por el calor aportado y acompañando a esto durante el enfriamiento posterior se llega a la solidificación de la porción de polvo de acero así tratada en la sección que va a reproducirse en cada caso de la pieza constructiva que va a generarse. En particular son adecuados para la generación de piezas constructivas de acuerdo con la invención los procedimientos de fusión por láser y de sinterización por láser conocidos, que permiten un calentamiento preciso limitado, intensivo de las partículas de polvo de acero y una reproducción correspondientemente exacta de la pieza constructiva que va a producirse.

Opcionalmente pueden ajustarse la resistencia y la tenacidad de una pieza constructiva de acero generada de acuerdo con la invención a través de un tratamiento térmico convencional. Este tratamiento térmico puede comprender un ajuste fino de la estructura bainítica de la pieza constructiva de acero generada de acuerdo con la invención, en el que la pieza constructiva de acero se calienta hasta una temperatura de austenización que se encuentra por encima de la temperatura Ac3 y a continuación se enfría desde la temperatura de austenización al aire o en aceite, en donde el enfriamiento se realiza con una velocidad de enfriamiento suficiente para el ajuste de la estructura bainítica a ser posible completa pretendida de al menos 0,5 K/s e inferior a 300 K/s, en particular de 3,0 - 300 K/s. En el caso de este tratamiento térmico resulta en particular ventajoso cuando el acero que va a usarse de acuerdo con la invención presenta un contenido de B del 0,0005 - 0,0025 % en peso. La presencia de contenidos en B de este tipo impide en este caso de manera especialmente eficaz que en el transcurso del enfriamiento se produzca la formación de ferrita o perlita indeseada en la estructura de la pieza constructiva de acero.

Opcionalmente, como alternativa o adicionalmente al ajuste fino de la estructura explicado anteriormente, igualmente realizado de manera opcional, puede realizarse un tratamiento de revenido, en el que se mantiene la pieza constructiva de acero a una temperatura de 450 - 600 °C durante una duración de 0,5 - 6 horas, en donde la duración prevista de manera concreta del tratamiento de revenido puede seleccionarse dependiendo del tamaño y el volumen de la pieza constructiva de acero, para fomentar otra vez de manera dirigida el aumento de la resistencia mencionado ya, que se ajusta ya también en el transcurso de la fabricación aditiva, mediante la formación de carburos especiales.

Las piezas constructivas de acero generadas de acuerdo con la invención presentan ya tras finalizar la fabricación aditiva (etapa de trabajo d), es decir, antes de la etapa de trabajo e), una resistencia a la tracción de al menos 900 MPa, en particular al menos 1145 MPa, un limite de estricción de al menos 560 MPa, en particular al menos 675 MPa, y un alargamiento de rotura A5,65 de al menos el 8 %.

Mediante las etapas de tratamiento térmico realizadas en cada caso de manera opcional (etapa de trabajo e) pueden mejorarse las propiedades mecánicas de una pieza constructiva de acero de acuerdo con la invención en tanto que su resistencia a la tracción ascienda a al menos 1050 MPa, en particular al menos 1230 MPa, su limite de estricción ascienda a al menos 615 MPa, en particular al menos 750 MPa, y su alargamiento de rotura A5,65 ascienda a al menos el 8 %.

A continuación se explica con mayor detalle la invención mediante ejemplos de realización. Muestran:

la figura 1 el diagrama ZTU del acero S1 usado como polvo de acero para la fabricación

aditiva;

la figura 2 el diagrama ZTU del acero S2 usado como polvo de acero para la fabricación

aditiva.

Se han fundido tres masas fundidas de acuerdo con la invención S1, S2, S3 y se han atomizado de manera convencional en el flujo de gas en cada caso para dar un polvo de acero con un tamaño de grano de 5 -150 pm. Las composición de las masas fundidas S1 - S3 está indicada en la tabla 1.

A partir de los polvos de acero obtenidos se han generado mediante aplicación del denominado "Selective Laser Melting" ("impresión 3D/procedimiento SLM") piezas constructivas de acero, en el caso de las cuales se trata de probetas para la determinación de los parámetros óptimos para la fabricación aditiva, concretamente cubos con aprox.

20 mm de longitud de arista, y piezas en bruto para ensayos de tracción y de choque en probeta entallada.

La resistencia a la tracción Rm_V de las piezas constructivas de acero obtenidas tras la fabricación aditiva se ha mencionado en la tabla 2.

Las piezas constructivas de acero así creadas se han sometido a un mecanizado con arranque de virutas, para adaptar estas de manera óptima a la forma final requerida por las mismas en cada caso.

A continuación han recorrido las piezas constructivas en cada caso un tratamiento térmico, en el que se han endurecido por precipitación durante una duración tA a una temperatura TA. También se mencionan en la tabla 2 la respectiva duración de endurecimiento por precipitación tA y la temperatura de endurecimiento por precipitación TA.

Igualmente están mencionadas en la tabla 2 la resistencia a la tracción Rm_N, que presentan las piezas constructivas tras el mecanizado mecánico y el endurecimiento por precipitación.

Adicionalmente están mencionadas en la tabla 2 también la estructura de las piezas constructivas.

De los diagramas ZTU reproducidos en las figuras 1 y 2 para los aceros S1 (figura 1) y S2 (figura 2) es evidente que en el caso de los aceros S1, S2 durante el enfriamiento desde la alta temperatura, que consiguen los polvos de acero generados a partir de los aceros S1 y S2 durante la fusión en el transcurso de la fabricación aditiva, la estructura en primer lugar austenítica se transforma completamente en bainita, en particular en una etapa de transformación bainítica. A este respecto se establece una dureza casi constante en gran parte independientemente de la velocidad de enfriamiento en la zona de bainita.

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Tabla 2

Claims

REIVINDICACIONES

1. Uso de un acero, que está constituido por (en % en peso):

C: 0,08 - 0,35 %,

Si: 0 - 0,80 %,

Mn: 0,20 -2,00 %,

Cr: 0 - 4,00 %,

Mo: 0,3 -3 ,0% ,

N: 0,004 - 0,020 %

AI: 0,004 -0,050 %

B: 0 - 0,0025 %,

al menos un elemento del grupo "Nb, Ti, V, S" con la condición de que asciende

el contenido de Nb a del 0,003 - 0,20 % en peso,

el contenido de Ti a del 0,001 - 0,02 % en peso,

el contenido de V a del 0,02 - 0,40 % en peso y/o

el contenido de S a del 0,001 - 0,4 % en peso,

Ni: 0-1,5 %

Cu: 0-0,3 %

Co: 0-2,0 %

el resto hierro e impurezas inevitables, en donde a las impurezas pertenecen hasta el 0,0035 % en peso a P, en donde el contenido de Al %Al, el contenido de Nb %Nb, el contenido de Ti %Ti, el contenido de V %V y el contenido de N %N del acero cumplen la siguiente condición:

%AI/27 %Nb/45 %Ti/48 %V/25 > %N/3,5,

como polvo de acero para la fabricación de piezas constructivas de acero mediante un procedimiento de fabricación aditivo, en donde los granos del polvo de acero tienen un diámetro promedio de 5 -150 pm.

2. Uso según la reivindicación 1, caracterizado por que el acero usado como polvo de acero tiene un contenido de C de al menos el 0,09 % en peso.

3. Uso según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el acero usado como polvo de acero tiene un contenido de Cr de al menos el 0,5 % en peso.

4. Uso según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el contenido de S del acero usado como polvo de acero asciende a al menos del 0,003 - 0,1 % en peso.

5. Uso según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el acero usado como polvo de acero tiene un contenido de B de al menos el 0,0005 % en peso.

6. Uso según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el acero usado como polvo de acero tiene un contenido de N de al menos el 0,006 % en peso.

7. Uso según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el acero usado como polvo de acero tiene un contenido de Cu de menos del 0,3 % en peso.

8. Uso según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el acero usado como polvo de acero tiene un contenido de Mo de menos del 0,7 % en peso.

9. Procedimiento para la fabricación de una pieza constructiva de acero que comprende las siguientes etapas de trabajo:

a) fundir un acero usado y compuesto según la condición de las reivindicaciones anteriores;

b) generar un polvo de acero a partir del acero fundido en la etapa de trabajo a), en donde los granos del polvo de acero tienen un diámetro promedio de 5 -150 pm;

c) fabricar la pieza constructiva mediante aplicación de un procedimiento de fabricación aditivo,

c.1) en el que al menos una porción del polvo de acero se expone por secciones de volumen a un aporte de calor limitado temporalmente con enfriamiento posterior, de modo que las partículas de polvo de acero, que están presentes en la sección de volumen calentada y en cada una de ellas limitan unas con otras, contraen una unión por adherencia de materiales y están solidificadas tras el enfriamiento en al menos una sección de volumen de la pieza constructiva que va a fabricarse;

c.2) aplicar de nuevo bajo demanda otra porción del polvo de acero sobre la sección de volumen solidificada en la etapa de trabajo c.1) y repetir la etapa de trabajo c.1) con la otra porción del polvo de acero, en donde se repiten las etapas de trabajo c.1) y c.2), hasta que la pieza constructiva que va a fabricarse se haya formado de manera completamente acabada;

d) opcionalmente mecanizar dando forma a las piezas constructivas;

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado por que el tratamiento térmico opcional (etapa de trabajo e)) se realiza como endurecimiento por precipitación, en el que se mantiene la pieza constructiva durante una duración de 0,5 - 6 horas a una temperatura de 450 - 600 °C.

11. Pieza constructiva de acero fabricada a partir de un acero usado de acuerdo con la reivindicación 1 como polvo de acero mediante aplicación de un procedimiento configurado de acuerdo con las reivindicaciones 9 o 10.

12. Pieza constructiva de acero según la reivindicación 11, caracterizada por que la estructura de la pieza constructiva de acero está constituida en al menos el 80 % en volumen por bainita y el resto de la estructura por austenita residual, ferrita, perlita o martensita.

13. Pieza constructiva de acero según las reivindicaciones 11 o 12, caracterizada por que en cada caso antes de la etapa de trabajo e) opcional asciende su resistencia a la tracción a al menos 900 MPa, su límite de estricción a al menos 560 MPa y su alargamiento de rotura A5,65 a al menos el 8 %.

14. Pieza constructiva de acero según una de las reivindicaciones 11 -13, caracterizada por que en cada caso tras la etapa de trabajo e) opcional asciende su resistencia a la tracción a al menos 1050 MPa, su límite de estricción a al menos 615 MPa y su alargamiento de rotura A5,65 a al menos el 8 %.