ALEACION RESISTENTE A CORROSION Y DESGASTE
Campo de la invención La invención se refiere a un nuevo acero para herramientas resistente a corrosión y desgaste por metalurgia en polvo, con resistencia a corrosión mejorada en comparación con la de otros aceros para herramientas resistentes a corrosión y desgaste. La invención se basa en un descubrimiento de que al : agregar niobio a un acero para herramientas resistente a corrosión y desgaste da como resultado la formación de carburos primarios ricos en niobio que no disuelven grandes cantidades de cromo. Como resultado de la formación de carburos ricos en niobio, menos carbono está disponible en la matriz para formar carburos ricos en niobio. Por lo tanto, más cromo permanece disuelto en la matriz y contribuye a una mejor resistencia a la corrosión. Una mejora adicional en la resistencia a la corrosión se logró al optimizar el contenido de molibdeno. La aleación se produce mediante prensado isostático en caliente de partículas de polvo prealeadas y atomizadas con nitrógeno. Mediante el prensado isostático en caliente de partículas de polvo prealeadas y atomizadas con nitrógeno se logra una microestructura y composición homogéneas, lo cual es crítico para las características de procesamiento de la aleación y permite propiedades uniformes en cortes transversales más grandes . La microestructura y propiedades
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hacen a la aleación de la invención particularmente útil como un material a partir del cual elaborar componentes de maquinaria que sean expuestos a severo desgaste abrasivo y condiciones corrosivas tales como aquellas, entre muchas otras, en la industria de moldeo por inyección de plástico, la industria alimenticia y para aplicaciones de cojinete avanzadas . Antecedentes de la invención Para desempeñarse satisfactoriamente, las aleaciones que se usan en un número de aplicaciones demandantes tales como tornillos y tambores en la industria de moldeo por inyección de plástico, deben ser resistentes a desgaste y ataque corrosivo. La tendencia en la industria es la de mantener parámetros de procesamiento cada vez más altos (por ejemplo, temperatura y presión) , lo cual a su vez impone demandas siempre en aumento por las aleaciones y su capacidad para soportar exitosamente el ataque corrosivo y desgaste por los materiales que se estén procesando. Además, la corrosividad y abrasividad de esos materiales están constantemente en aumento. Para soportar las tensiones impuestas durante la operación, el acero para herramientas debe poseer también propiedades mecánicas suficientes, tales como dureza, resistencia a la fractura por flexión y dureza. Además el acero para herramientas debe poseer suficiente
trabajabilidad, maquinabilidad y molturabilidad para asegurar que partes con la forma y dimensiones requeridas puedan ser fabricadas . La resistencia a la corrosión de los aceros para herramientas resistentes a desgaste depende principalmente de la cantidad de cromo "libre" en la matriz, es decir, la cantidad de cromo que no es "amarrada" para crear carburos. Debido a la formación de carburos ricos en cromo, la cantidad de cromo "libre" en la matriz no necesariamente es la misma cantidad que aquella en la composición química completa. Para una adecuada resistencia a la corrosión, los aceros para herramientas de endurecimiento pasajero deben contener al menos 12% en peso de cromo "libre" en la matriz martensítica después del tratamiento con calor. La resistencia al desgaste de los aceros para herramientas depende de la cantidad, tipo y distribución de tamaño de los carburos primarios, así como de la dureza total . La función principal de los carburos de aleación primarios, gracias a su alta dureza, es la de proporcionar resistencia al desgaste. De todos los tipos de carburos primarios comúnmente encontrados en aceros para herramientas, los carburos primarios MC ricos en vanadio poseen la dureza más alta. En general, entre más alta sea la fracción en volumen, de carburos primarios, más alta la resistencia al desgasté del acero para herramientas, y más baja su dureza y
trabajabilidad en caliente. Los aceros para herramientas martensiticos resistentes a la corrosión y desgaste también deben contener un nivel relativamente alto de carbono para la formación de carburos primarios y respuesta a tratamiento con calor. Ya que el cromo tiene una alta afinidad por carbono con el cual forma carburos ricos en cromo, los aceros para herramientas resistentes a la corrosión y desgaste deben contener un exceso de cromo sobre la cantidad necesaria para resistencia a corrosión para permitir la formación de carburo. Los aceros para herramientas martensiticos resistentes a la corrosión y desgaste que están disponibles comercialmente incluyen grados tales como 44OC, CPM S90V, M390, Elmax y HTM X235, entre otros. A pesar del hecho de que el contenido de cromo total de algunas de esta aleaciones es tan' alto como de 20% en peso (por ejemplo, M390) , la resistencia a la corrosión no es necesariamente tan buena como se podría esperar. Dependiendo de la composición química total y de los parámetros del tratamiento con calor, una gran cantidad de cromo es jalada fuera de la matriz y amarrada para crear carburos ricos en cromo. Este cromo amarrado no contribuye hacia una resistencia a la corrosión. Una de las prácticas que se han usado para mejorar la combinación de resistencia al desgaste y corrosión, como se ejemplifica por la patente de E.U.A. No. 2,716,077, es la
de agregar vanadio. Esta adición de aleación forma carburos primarios MC ricos en vanadio y duros, y amarra una parte del carbono. Debido al hecho de que la afinidad del vanadio por el carbono es más alta que la del cromo, la presencia de vanadio en aceros para herramientas reduce la cantidad de carburos primarios ricos en cromo, todas las demás condiciones siendo iguales (es decir, el contenido total de cromo y carbono y los parámetros del tratamiento con calor) . La resistencia a la corrosión de los aceros para herramientas se mejora más por la presencia de molibdeno en la matriz martensítica . Un ejemplo es Crucible 154 grado CM, el cual se basa en el sistema Fe-1.05C-14Cr-4Mo . Un objetivo principal de la invención es proporcionar un acero para herramientas por metalurgia en polvo resistente a corrosión y desgaste, con resistencia a corrosión y desgaste mejorada significativamente. En la aleación de la invención, además de vanadio, se usa niobio para incrementar más la cantidad de carburos primarios MC . Esto reduce a su vez la cantidad de carburos primarios ricos en cromo debido al hecho de que el niobio tiene una afinidad todavía más alta hacia carbono que hacia vanadio. Para obtener la combinación deseada de resistencia a desgaste y corrosión en la aleación de la invención, es necesario tener cromo en combinación con niobio, molibdeno y vanadio dentro de las escalas reclamadas. Específicamente,
la presencia de niobio dentro de la escala reclamada reduce la cantidad de cromo que se disuelve en los carburos primarios MC e incrementa entonces la cantidad de cromo "libre" en la matriz. El niobio retrasa la formación de carburos ricos en cromo, haciendo posible que una mayor parte del cromo permanezca en la matriz para lograr la resistencia a la corrosión deseada de la aleación. Así, equilibrar los contenidos de cromo, niobio y vanadio dentro de los límites reclamados permite que el exceso de cromo (sobre aquél que se combina con el carbono para formar carburos) permanezca en la matriz para proporcionar la resistencia a la corrosión deseada. Se añaden vanadio y niobio para lograr directamente resistencia al desgaste, y para mejorar indirectamente la resistencia a la corrosión. Breve descripción de la invención Se ha descubierto que un equilibrio mejorado entre resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión y dureza de la aleación de acero inoxidable martensítico por metalurgia en polvo de alto contenido de cromo y alto contenido de vanadio de la invención, se puede lograr al agregar niobio. La aleación de la invención posee una combinación única de propiedades de resistencia a la corrosión y desgaste que se logran al equilibrar su composición química total así como al seleccionar un tratamiento con calor adecuado.
Se ha descubierto que la adición de niobio reduce la solubilidad del cromo en carburos primarios MC (ricos en niobio y vanadio) , lo cual a su vez incrementa la cantidad de cromo "libre" en la matriz martensítica . Además, cálculos termodinámicos han demostrado que la subretícula de carbono de los carburos primarios MC ricos en niobio y vanadio que se precipitan en la aleación de la invención tiene menos espacios libres (es decir, es más rica en carbono) en comparación con la subretícula de carbono de los carburos primarios MC ricos en vanadio: (V, Nb)C0.83 versus VC0.79, respectivamente. Por lo tanto, con la aleación de la invención se requiere más carbono para la precipitación de los carburos ricos en niobio y vanadio y, a su vez, menos carbono está disponible para la precipitación de carburos ricos en cromo. Para poder obtener la combinación deseada de resistencia al desgaste y corrosión, junto con adecuadas propiedades mecánicas tales como resistencia a fractura por flexión, dureza y molturabilidad, la aleación de la invención se produce mediante atomización con nitrógeno para obtener partículas de polvo prealeadas . Las partículas de polvo prealeadas pueden ser prensadas isostáticamente en caliente en un recipiente para su procesamiento adicional en una forma de barra o los polvos pueden ser sometidos a HlP/revestidos para formar una parte de forma casi neta.
De acuerdo con la invención, se proporciona una aleación resistente a corrosión y desgaste producida mediante prensado isostático en caliente de partículas de polvo prealeadas y atomizadas con gas nitrógeno dentro de los siguientes límites de composición, en por ciento en peso: carbono, 2.0 a 3.5, de preferencia 2.3 a 3.2, muy preferiblemente 2.7 a 3.0; silicio 1.0 máx., de preferencia 0.9 máx., muy preferiblemente 0.70 máx.; manganeso 1.0 máx., de preferencia 0.8 máx., muy preferiblemente 0.50 máx.; cromo 12.5 a 18.0, de preferencia 13.0 a 16.5, muy preferiblemente 13.5 a 14.5; molibdeno 2.0 a 5.0, de preferencia 2.5 a 4.5, muy preferiblemente 3.0 a 4.0; vanadio 6.0 a 11.0, de preferencia 7.0 a 10.5, muy preferiblemente 8.5 a 9.5; niobio 2.6 a 6.0, de preferencia 2.8 a 5.0, muy preferiblemente 3.0 a 4.0; cobalto 1.5 a 5.0, de preferencia 1.5 a 4.0, muy preferiblemente 2.0 a 3.0; nitrógeno 0.11 a 0.30, de preferencia 0.11 a 0.25, muy preferiblemente 0.11 a 0.20, y el resto siendo hierro e impurezas incidentales. Para obtener la resistencia a la corrosión deseada es necesario que el carbono sea equilibrado con cromo, niobio, molibdeno, vanadio y nitrógeno de acuerdo con las siguientes ecuaciones: Cmln = 0.4 ;+ 0.099x(%Cr - 11) + 0.063x%Mo + 0.177x%V + 0.13x% b - 0.85x%N (Ec. 1) Cmax = 0.6 + 0.099x(%Cr - 11) + 0.063x%Mo + 0.177x%V + 0.13x%Nb - 0.85x%N (Ec. 2) en donde:
Cmin Cmax - contenido de carbono mínimo y máximo, respectivamente, de la aleación, en % en peso; %Cr, %Mo, %V, %Nb, %N - contenido en la aleación de cromo, molibdeno, vanadio, niobio y nitrógeno, respectivamente, en % en peso. La aleación exhibe un potencial de picadura por corrosión medido en una solución acuosa de NaCl al 1% de por lo menos 250 mV después del templado a una temperatura de templado más baja de 260°C a 399°C, y mayor que -100 mV después del templado a una temperatura de templado más alta de 524°C a 551°C. Breve descripción de las figuras La figura 1 muestra la microestructura atacada con ácido (ampliación de 500X) de la aleación de la invención (04-099) endurecida a partir de 1,177°C en aceite y templada a 524°c; durante 2h+2h+2h. La figura 2 es un corte vertical del sistema Fe-C-Cr-Mo-V-Nb-Co-N a 14% en peso de Cr, 3.5% en peso de Mo, 9% en peso de V, 3.5% en peso de Nb, 2% en peso de Co y 0.13% en peso dé N. La figura 3 muestra la imagen SE de retrodispersión (ampliación de 1500X) de la aleación de la invenciión (04-099) endurecida a partir de 1,177°C en aceite y templada a 524 °C durante 2h+2h+2h. La figura 4 muestra la imagen SEM de
retrodispersión (ampliación de 1500X) de la aleación A (la aleación de referencia) endurecida a partir de 1,177°C en aceite y templada a 524 °C durante 2h+2h+2h. Descripción detallada de la invención Composiciones químicas probadas La tabla 1 da las composiciones químicas de las aleaciones que fueron examinadas experimentalmente . En la preparación de todas las composiciones examinadas, grados de acero para herramientas prealeados de las diferentes composiciones químicas reportadas fueron fundidos en una atmósfera de nitrógeno, atomizados por gas nitrógeno y prensados isostáticamente en caliente (HIP) a una temperatura de alrededor de 1,177°C (±10°C) . Los compactos sometidos a HIP fueron forjados a una barra de 6.35 cm x 2.22 cm para preparar especímenes para pruebas de corrosión y mecánicas. Con respecto a los diferentes elementos de aleación en el acero para herramientas resistente al desgaste y corrosión, aplica lo siguiente. Carbono está presente en una cantidad de al menos 2.0%, en tanto que el contenido máximo de carbono puede equivaler a 3.5%, y de preferencia en la escala de 2.3-3.2% o muy preferiblemente 2.7-3.0%. Es importante controlar cuidadosamente la cantidad de carbono para de esta manera obtener una combinación deseada de resistencia a corrosión y desgaste, así como para evitar formar ya sea ferrita o
cantidades indebidamente grandes de austenita retenida durante el tratamiento con calor. El carbono en la aleación de la invención debe ser equilibrado con los contenidos de cromo, niobio, molibdeno, vanadio y nitrógeno de la aleación de la invención de acuerdo con las ecuaciones 1 y 2. Nitrógeno está presente en una cantidad de 0.11-0.30%, y de preferencia en la escala de 0.11-0.25% o muy preferiblemente 0.11-0.20%. Los efectos del nitrógeno en la aleación de la invención son bastante similares a los del carbono. En aceros para herramientas, en donde el carbono siempre está presente, el nitrógeno forma carbonitruros con vanadio, niobio, tungsteno y molibdeno. A diferencia del carbono, el nitrógeno mejora la resistencia a la corrosión de la aleación de la invención cuando se disuelve en la matriz martensítica . Silicio puede estar presente en una cantidad de 1% máx. , y de preferencia 0.9% máx. o muy preferiblemente 0.7% máx. El silicio funciona para desoxidar los materiales prealeados durante la fase de fusión del proceso de atomización con gas. Además, el silicio mejora la respuesta de témplado. Cantidades excesivas de silicio son indeseables, no obstante, toda vez que reduce la dureza y promueve la formación de ferrita en la microestructura . Manganeso puede estar presente en una cantidad de 1% máx., y de preferencia 0.8% máx. o muy preferiblemente
0.5% máx. El manganeso funciona para controlar los efectos negativos del azufre en la trabajabilidad en caliente. Esto se logra a través de la precipitación de sulfuros de manganeso. Además, el manganeso mejora la templabilidad e incrementa la solubilidad del nitrógeno en los materiales prealeados líquidos durante la fase de fusión del proceso de atomización con gas. Cantidades excesivas de manganeso son indeseables, no obstante, toda vez que pueden llevar a la formación de cantidades indebidamente grandes de austenita retenida durante el tratamiento con calor. Cromo está presente en una cantidad de 12.5-18.0%, y de preferencia en la escala de 13.0 a 16.5% o muy preferiblemente 13.5-14.5%. El propósito principal del cromo es incrementar la resistencia a la corrosión, y, en un menor grado, incrementar la templabilidad y respuesta de endurecimiento secundaria. Molibdeno está presente en una cantidad de 2.0-5.0%, y de preferencia en la escala de 2.5-4.5% o muy preferiblemente 3.0-4.0%. Al igual que el cromo, el molibdeno incrementa la resistencia a la corrosión, templabilidad y respuesta de endurecimiento secundaria de la aleación de la invención. Sin embargo, cantidades excesivas de molibdeno reducen la trabajabilidad. Vanadio está presente en una cantidad de 6.0-11.0%, y de preferencia en la escala de 7.0-10.5% o muy
preferiblemente 8.5-9.5%. El vanadio es críticamente importante para incrementar la resistencia al desgaste. Esto se logra a través de la formación de carburos primarios tipo MC ricos en vanadio. Niobio está presente en una cantidad de 2.6-6.0%, y de preferencia en la escala de 2.8-5.0% o muy preferiblemente 3.0-4.0%. El niobio y vanadio son elementos equivalentes cuando se trata de la formación de carburos MC. Cada porcentaje de niobio es equivalente a la cantidad de vanadio según se calcula como sigue: % V = (50.9 / 92.9) x % Nb (Ec. 3) en donde 50.9 y 92.9 son los pesos atómicos de vanadio y niobio, respectivamente. Sin embargo, estos dos elementos no tienen el mismo efecto en la resistencia a la corrosión. Se descubrió que la presencia de niobio reduce la solubilidad de cromo en los carburos primarios MC, es decir, los carburos primarios MC ricos en niobio y vanadio contienen una cantidad más pequeña de cromo en comparación con los carburos primarios MC ricos en vanadio. Esto a su vez incrementa la cantidad de cromo "libre" en la matriz, lo cual a su vez incrementa la resistencia a la corrosión. Para ilustrar el efecto del niobio en la aleación de la invención, software Termo-Cale, acoplado con una base de datos termodinámica para acero TCFE3 , se usó para modelar dos aleaciones que tienen la cantidad equivalente de vanadio;
una con niobio (Fe-2.8C-14Cr-3.5Mo-9V-3.5Nb-2Co-0.13N) y la otra sin niobio (Fe-2.8C-14Cr-3.5Mo-llV-2Co-0.13N). Las dos aleaciones tienen la misma equivalencia de vanadio (11% V) . Los cálculos termodinámicos se llevaron a cabo para las siguientes dos temperaturas de austenitización: 1,121°C y 1,177°C. Los resultados se dan en las tablas 2 y 3. Estos cálculos demuestran que el niobio de hecho reduce la solubilidad de cromo en los carburos primarios MC (véase tabla 3) lo cual da como resultado una cantidad más grande de cromo "libre" en la matriz. Cobalto está presente en una cantidad de 1.5-5.0%, y de preferencia en la escala de 1.5-4.0% o 2.0-3.0% para asegurar que la microestructura deseada de la aleación de la invención se logre después del tratamiento con calor. Propiedades de la aleación de la invención La microestructura, resistencia a la corrosión y propiedades mecánicas de la aleación de la invención se comparan con otras aleaciones resistentes a desgaste y corrosión disponibles comercialmente . Las composiciones químicas nominales de las aleaciones comerciales se dan en la tabla 4. Microestructura La figura 1 muestra la microestructura atacada con ácido de una aleación de la invención (aleación número 04-099) . La aleación fue endurecida con aceite a partir de
1,177°C y templada a 524°C durante 2h+2h+2h. Los carburos primarios que son favorecidos para formarse por la termodinámica de la aleación de la invención son del tipo MC y M7C3 (figura 2). Después del ataque ácido con reactivo de Vilella durante 90 segundos, la fracción de volumen total de carburos primarios MC y M7C3 fue medida para ser de al menos 21%. La relación entre carburos primarios MC ricos en vanadio y niobio y M7C3 ricos en cromo es de aproximadamente 2 a 1. La resistencia a la corrosión única de la aleación de la invención en comparación con otras aleaciones PM resistentes a desgaste y corrosión es un efecto indirecto de la presencia de carburos MC primarios ricos en niobio, figura 3. La composición química de carburos primarios MC de la aleación de la invención varía de predominantemente ricos en niobio 1 a predominantemente ricos en vanadio. Para comparación, los carburos MC de la Aleación A sólo son ricos en vanadio (véase figura 4) . La diferencia en la composición química de los carburóte MC primarios en una aleación de la invención y la Aleación A se demuestra en la tabla 5. Los carburos primarios en la Aleación A contienen principalmente vanadio y cantidades más pequeñas de cromo, molibdeno y hierro. El contenido de cromo en estos carburos es de aproximadamente 8.2-9.2,% (sólo se tomaron en cuenta elementos metálicos).
Los carburos MC ricos en niobio en la aleación de la invención contienen una gran cantidad de niobio y una cantidad más pequeña de vanadio, hierro y cromo. El contenido de cromo en estos carburos es sólo de aproximadamente 3.3-3.7%, el cual es significativamente menor que el de los carburos MC en la Aleación A. El contenido de cromo en los carburos MC ricos en niobio y vanadio en la aleación de la invención también es menor que el de los carburos MC en la Aleación A. Resistencia a la corrosión Número Equivalente de Resistencia a Picadura; El número equivalente de resistencia a picadura (PRE) es útil para evaluar la resistencia de aceros inoxidables austeníticos a la corrosión por picadura y cavitación. El PRE se calcula usando la siguiente ecuación: PRE = Cr + 3.3 (Mo + 0.5W) + 13N (Ec.4) Generalmente, el PRE se calcula usando la composición química bruta de aceros inoxidables austeníticos . Sin embargo, la aleación de la invención y las aleaciones resistentes a desgaste y corrosión disponibles comercialmente descritas en la presente son aceros martensíticos que contienen altas cantidades de carburos primarios que agotan la matriz de algunos de los elementos necesarios que se requieren para resistencia a corrosión. Por lo tanto, el PRE de esas aleaciones fue calculado usando una composición de
matriz estimada según se determina por el software Termo-Cale (véase tabla 6) . Con base en la composición de la matriz, la aleación de la invención (04-099) tiene el PRE más alto incluso a pesar de que no tenga el contenido de cromo total más alto. El PRE de la aleación de la invención (04-099) es todavía más alto que el PRE de aquellas aleaciones con contenidos de cromo brutos más altos (por ejemplo, Aleaciones C, D y E) . Esto se debe a que alrededor de 30% del cromo en estas aleaciones de alto contenido de cromo se usa en la formación de los carburos primarios. Sólo aproximadamente 2% del cromo en la aleación de la invención se usa en la formación de los carburos primarios manteniendo por lo tanto a la mayoría del cromo en la matriz para ayudar en la resistencia a la corrosión. El alto contenido de cromo en la matriz en la aleación de la invención es gracias a la presencia de niobio y vanadio, los cuales forman de preferencia carburos tipo C termodinámicamente más estables en comparación con los carburos tipo M7C3 ricos en cromo. Pruebas de Corrosión: Se usaron pruebas potenciodinámicas para evaluar la resistencia a picaduras de la aleación de la invención y de aleaciones resistentes a desgaste y corrosión disponibles comercialmente en una solución de NaCl al 1%. Las pruebas se llevaron a cabo de acuerdo con ASTM G5. La resistencia a picaduras de las
aleaciones se define por el potencial de picadura (EPit) obtenido de una curva potenciodinámica . Entre más positivo el potencial de picadura, más resistente a picaduras es la aleación. También se llevaron a cabo pruebas en una solución ácida de agua regia diluida que contenía 2.5% de H 03 y 0.5% de HC1. Las pruebas se llevaron a cabo de acuerdo con ASTM G59. Los índices de corrosión se calcularon a partir de los datos obtenidos durante la prueba de acuerdo con ASTM G102. En esté caso, entre más bajo el índice de corrosión, más resistente es la aleación a la corrosión general. Dependiendo de la aplicación, se da a las aleaciones resistentes al desgaste y corrosión diferentes tratamientos con calor. Si la resistencia a la corrosión es de suma importancia, la aleación es típicamente templada a o debajo !de 399°C, lo cual permite que más cantidad de cromo permanezca en la matriz al minimizar la precipitación de carburos secundarios. Si la dureza y resistencia al desgaste es la preocupación principal, entonces las aleaciones son típicamente templadas a 510°C y más para permitir que tengan lugar efectos de endurecimiento secundarios. Por lo tanto, cada aleación fue templada a 260°C, 399°C, 524°C y 552°C. Resultados en NaCl al 1%: El potencial de picadura (Epit) para cada aleación a cada temperatura de templado se da en la tabla 7. Los resultados muestran que la aleación de la
invención (04-099) la cual tiene el PRE más alto, tiene también la resistencia a picadura más alta a todas las temperaturas. El Epit para la aleación de la invención es casi 50% más alto que el de la siguiente aleación más cercana, Aleación C, a una temperatura de templado de 260°C. En general, las aleaciones con 18-20% de contenido de cromo bruto, es decir, las Aleaciones C, D y E tienen una resistencia a picaduras mediocre en comparación con la aleación de la invención a todas las temperaturas de templado. La aleación con el contenido de cromo bruto más alto realmente tiene uno de los potenciales de picadura más bajos a las bajas temperaturas de templado. Estos resultados indican que el contenido total de cromo en aceros para herramientas martensiticos no es un buen indicador de su resistencia a al corrosión. Resultados en agua regia diluidas El índice de corrosión para cada aleación en una solución de agua regia diluida para una temperatura de templado dada se da en la tabla 8. De nuevo, los resultados muestran que 04-099 tiene el índice de corrosión más bajo de todas las aleaciones probadas a todas las temperaturas de templado . Incluso al templar 04-099 a 552°C para lograr la mejor combinación de propiedades mecánicas, su índice de corrosión es similar a o más bajo que el de las demás aleaciones templadas a 399°C. La Aleación B es un acero inoxidable martensítico
que se usa comúnmente en aplicaciones que requieren resistencia a desgaste y corrosión. Este acero contiene, entre otros elementos, 1% de C y 17% de Cr. Es importante notar que es necesario tener 17% de Cr en este acero para desplazar el efecto de 1% de C y para lograr resistencia a la corrosión. Se demostró en la tabla 6 que la matriz de este acero contiene sólo 11.6% de Cr, la porción restante siendo amarrada en forma de carburos . La tabla 6 demuestra que la matriz de la aleación de la invención, 04-099, contiene 13.7% de Cr, lo cual contribuye a la superior resistencia a la corrosión de esta aleación, a pesar del contenido total de cromo de aproximadamente 14%. Respuesta al tratamiento con calor Cuando se compara con la Aleación A, la aleación de la invención (04-098 y 04-099) ofrece una respuesta a tratamiento con calor un poco mejor - aproximadamente 1.0-2.0 HRC más alta para el mismo tratamiento con calor. Las respuestas a tratamiento con calor de la aleación de la invención y la Aleación A se dan en la tabla 9. Resistencia al desgaste abrasivo La resistencia a la abrasión se midió en una prueba de desgaste por abrasión con alfileres de acuerdo con ASTM G132. Los resultados se reportan como una pérdida de peso por abrasión con alfileres y se dan en mg. Entre más baja la pérdida de peso por abrasión con alfileres mejor la
resistencia a la abrasión. Los especímenes de desgaste por abrasión con alfileres fueron austenitizados a 1,177°C durante 10 minutos, templados con aceite y recocidos ya sea a 260°C (para máxima resistencia a la corrosión) o 524°C (para máxima respuesta a endurecimiento secundario) durante 2h+2h+2h. Los resultados se dan en la tabla 10. La resistencia al desgaste por abrasión con alfileres de la Aleación A se incluye para comparación. Los resultados muestran que la resistencia al desgaste de la aleación de la invención es mejor que la resistencia al desgaste de la Aleación A. Al equilibrar el contenido de la aleación, particularmente el de carbono y el de los elementos formadores de carburos fuertes tales como vanadio y niobio, la aleación de la invención logró no sólo la mejor resistencia a la corrosión entre los aceros para herramientas martensiticos resistentes a corrosión y desgaste, sino que también^ logró una resistencia al desgaste mejorada.
Tabla 1 Composiciones químicas que fueron examinadas experimentalmente y modeladas con software Termo-Cale [¾ p.]
Tabla 2 Composición química de matriz austenítica a lg121°C y lg177 calculada con Termo-Cale acoplado con base de datos CFE3
Composición Química de Matriz Austenítica [ en
Aleación ra peso] C Cr Mo V Nb Co N Fe
9V-3.; 5Nb 0.4 13.4 2.5 1.2 0.008 2.5 0.004 bal. 1121 llV-ONb 0.4 12.6 2.3 1.4 - 2.5 0.002 bal.
9V-3.5Nb 0.6 13.9 2.6 1.5 0.01 2.5 0.006 bal. 1177 HV-ÓNb 0.6 13.1 2.5 1.8 - 2.4 0.004 bal.
Tabla 3 Composición química de carburos primarios MC a 1,121°C y 1,177 calculada con Termo-Cale acoplado con base de datos TCFE3
Tabla 4 Composiciones químicas de los aceros para herramientas mart nsíticos resistentes a corrosión y desgaste probados
Composición Química de Aleación [% en peso]
Aleación C Cr Mo V W Nb Co N , 2.31 13.94 1.04 8.73 - - - 0.07
B : 1.12 16.12 0.06 - - - - 0.06
C 1.72 18.19 0.95 3.16 0.111
D 1.9 19.68 0.95 4.48 0.6 0.23
E ; 2.3 20 1 4.2 - 1.9 - 0.07
Tabla 5 Composiciones químicas semi-cuantitativas EDS de los carburos primarios en la aleación de la invención (04-099) y Aleación A (sólo elementos metálicos). Ambas aleaciones fueron endurecidas a partir de 1,177°C en aceite y templadas a 524°C durante 2h+2h+2h Análisis químico semi- Tipo de Aleación Carburo cuantitativo EDS [% en peso] Carburo Cr Mo V b Fe
04-099 A NbC 3.7 - 12.1 71.3 12.9
04-099 B NbC 3.3 - 12.4 74.4 9.9
04-0;99 E (V, b)C 7.6 - 33.5 39.0 19.9
04-099 F (V,Nb)C 5.6 - 46.3 45.6 2.5
04-099 G (V,Nb)C 6.5 12.4 48.3 27.9 4.9
04-0.99 H (V,Nb)C 5.8 - 44.3 46.3 3.6
04-099 J (V,Nb)C 6.0 9.3 44.2 38.0 2.5 A D VC 8.2 1.8 86.4 - 3.6 A E VC 8.6 1.5 87.5 - 2.4 A F VC 9.2 5.4 82.4 - 3.0
Tabla 6 Composiciones químicas de matriz calculadas de los aceros para herramientas resistentes a corrosión y desgaste
Tabla 7 Potenciales de picadura (Epit) en solución acuosa de H&Cl al 1%
Epit [mV] vs. SCE Aleación PRE 260°C 399°C 524°C 552°C A; 14.8 59 -17 -176 -183 B; 12.9 -140 -249 -355 -321 c 16.0 213 243 -211 -216 D 18.2 160 -121 -170 -179 E 17.1 97 138 -164 -282
04-099 22.1 403 272 -17 -71
Tabla 8 índices de corrosión para las aleaciones probadas en nana solución acuosa de 2.5¾ HN03 + 0.5¾ HCl
Tabla 9 Respuesta al tratamiento con calor de aleaciones endurecidas a partir de 1,177°C en aceite y templadas durante 2h 2h+2h
Temperatura de templado [°C] No. de Barra 260.00 398.89 523.89 537.78 551.67 565.56 593.33 648.89
04-098 15.28 15.28 16.94 15.83 15.28 14.72 1 1.67 8.06
04-099 15.56 15.83 17.50 16.39 15.83 14.72 1 1.94 8.61
Aleación A 14.72 15.83 16.39 15.83
Tabla 10 Resistencia al desgaste por abrasión con alfileres de aleaciones (endurecidas a partir de lg177°C)
Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.