MX2008013467A

MX2008013467A - Acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho.

Info

Publication number: MX2008013467A
Application number: MX2008013467A
Authority: MX
Inventors: Celso Antonio Barbosa; Rafael Agnelli Mesquita
Original assignee: Villares Metals Sa
Priority date: 2006-04-24
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2009-02-11
Also published as: CN101426944A; JP2009534536A; BRPI0601679B1; KR20080111101A; RU2008146047A; EP2010688A1; RU2440437C2; ZA200809962B; WO2007121542A1; BRPI0601679A; EP2010688A4; US20090123322A1

Abstract

Se proporciona acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho que presenta una composición de elementos de aleación que consiste, en porcentaje en masa, de carbono entre 0.5 y 1.5; cromo entre 1.0 y 10.0; equivalente de tungsteno proporcionado por la relación 2Mo+W entre 3.0 y 10.0; niobio entre 0.5 y 2.0. El niobio se puede sustituir parcial o completamente con vanadio en una proporción de niobio 2% por cada vanadio 1%; vanadio entre 0.3 y 2.0. El vanadio puede ser sustituido parcial o completamente con niobio en una proporción de niobio 2% por cada vanadio 1%, silicio entre 0.3 y 3.5. El silicio puede ser sustituido parcial o completamente con aluminio en una proporción 1:1; cobalto en una cantidad inferior de 8, el resto sustancialmente Fe e impurezas inevitables al procedimiento de preparación.

Description

ACERO DE ALTA VELOCIDAD PARA CUCHILLAS DE SERRUCHO DESCRIPCION DE LA INVENCION La presente invención se relaciona con una clase de acero para ser utilizado en herramientas cortantes y maquinado de metales y otros materiales. El acero de este documento tiene una composición la cual lo clasifica como un acero de herramienta del tipo de alta velocidad cuya característica principal es el uso de un contenido menor de elementos de aleación de metales nobles tales como vanadio, tungsteno y molibdeno pero con propiedades equivalentes o superiores a las de acero de alta velocidad convencionales con menos aleaciones y ligeramente inferior a la de aceros de alta velocidad convencionales con mayor aleación. La distribución de propiedades obtenido mediante el uso de un elemento de aleación alternativo, niobio, y elemento de aleación de menor costo tales como silicio y aluminio. Las herramientas cortantes se utilizan en una gran cantidad de operaciones de corte y maquinado. Algunos ejemplos son operaciones de corte en cinta, serruchos automáticos o manuales, perforación, torneado, rematado, rebajado, entre otras formas de maquinado de acero, de aleaciones no ferrosas u otros materiales sólidos. Un ejemplo importante de operación para el cual se ha diseñado la presente invención son serruchos, utilizados en máquinas o serruchos para corte Ref . : 196106 manual, ambos se pueden utilizar bajo la forma dura, completamente en acero de alta velocidad o bimetálicos con solo las áreas de los dientes de acero de alta velocidad y las demás partes elaboradas de un acero de construcción mecánico de baja aleación. Otras herramientas de corte típicamente utilizan acero de alta velocidad y se pueden elaborar de acero en la presente invención, entre estos: brocas helicoidales, rebajadoras superiores, herramientas de perfilado, puntos de soldadura, trépanos y brocas especiales para materiales de alta resistencia. Además, las herramientas de corte fino, tales como sangría, troqueles y rectificadoras especiales. Los mismos aceros de alta velocidad utilizados en las herramientas se pueden utilizar como herramientas de conformación. Los ejemplos son perforadoras, herramientas de forjado en frío, troqueles de preforma y corte de placa, troqueles de acuñado, troqueles para conformación de materiales posmetálicos o cerámicos, insertos y otras herramientas para forjado en caliente y en tibio, así como herramientas en otras aplicaciones en la conformación en frío, en tibio o en caliente, en las cuales el material conformado tiene temperaturas que alcanzan hasta los 1300°C. Los aceros utilizados tradicionalmente en herramientas cortantes son aceros de alta velocidad cuya característica principal es su elevada resistencia al desgaste y conformación de la tenacidad a temperaturas altas. Los ejemplos típicos son los aceros de la serie AISI M o AISI T, que son aceros resaltados como AISI M2 , M7 y TI. Se pueden utilizar aceros con una menor aleación para herramientas menos demandantes; los aceros principales son DIN 1.3333 y los aceros AISI M50 y M52. La composición química de los aceros se muestra en la Tabla 1, en la cual se ha establecido énfasis en el tungsteno, molibdeno y vanadio, el cual contribuye en una proporción grande al costo final de la aleación. El efecto de estos elementos en el costo se presenta en la Tabla 2, normalizado por el costo de aleaciones en diciembre del 2005. La ventaja de los aceros con menos aleación con respecto a los aceros convencionales es clara de acuerdo con estas cantidades, en término de costo de aleación. Por lo tanto, los aceros de alta velocidad siempre tienen un fuerte impacto en su costo asociado con los costos de materias primas (elementos de aleación) . No obstante, el incremento reciente en los costos de los aceros y los hierros de aleación los vuelven incluso aún más importantes. En muchas aplicaciones, incluso los aceros con menores aleaciones tienen un fuerte impacto en el costo, lo que aumenta el interés en composiciones con un contenido incluso menor de elementos de aleación. Además, respecto a los aceros convencionales, el requerimiento de aceros con una menor aleación la cual no tenga las pérdidas expresivas de propiedades aumentadas, y como por ejemplo la dureza, son la propiedad principal de los materiales. La dureza mínima en la mayor parte de aplicaciones es 64 HRC y, como se muestra en la Tabla 1, los aceros en M50 y M52 no cumplen con este requerimiento.

Tabla 1: Aceros con V 3% incluidos en Art (ET) . Únicamente se presentan los elementos de aleación principales, en porcentaje en masa y el resto constituido por hierro.

*La suma de (W + Mo + V) se calcula mediante la fórmula 0.7Mo + 0.4V + 0.3W. Estos son los índices relacionados con el costo de cada elemento en diciembre del 2005. De esta manera, es evidente la necesidad de una composición nueva de aceros de alta velocidad capaz de satisfacer los requerimientos de un bajo contenido de elementos de aleación, incluso menor que la que se encuentra en los aceros que existen actualmente y alcanzando la dureza mínima de 64 HRC con una distribución adecuada de carburos no disueltos, mediante la obtención de esta manera de las propiedades requeridas para las aplicaciones. El acero de la presente invención satisface los requerimientos . El objetivo de la invención, en primer lugar, es estudiar la influencia de los elementos silicio, aluminio y niobio, en una composición con un bajo contenido de vanadio, molibdeno y tungsteno. El importante efecto del niobio se identificó en este estudio, no obstante, no lo suficiente para desarrollar dureza hacia los niveles necesarios. Los elementos aluminio y especialmente silicio después se utilizaron en el acero de la presente invención, mostrando un efecto significativo. La definición de los contenidos de estos elementos y sus intervalos de trabajo adecuados promueven, por lo tanto, una reducción de los costos y la obtención de las propiedades que se desean en el material. Los intervalos se describen y se indica en lo siguiente el efecto de cada elemento. Con el fin de satisfacer las condiciones a las que se hace referencia en lo anterior, el acero de la presente invención tiene una composición de elementos de aleación que, el porcentaje en masa consiste de: 0.5 a 1.5 de C, preferiblemente 0.8 a 1.1 de C, de manera típica 0.87 de C; 1.0 a 7.0 de C, preferiblemente 3.0 a 5.0 de C, de manera típica 4.0 de C; 3.0 a 10.0 de Weq (tungsteno equivalente), que es eq proporcionado por la relación Weq = W + 2.0 Mo, de manera preferible 4.0 a 8.0 eq, típicamente, 6.0 Weq; 0.5 a 3.0 de Nb, preferiblemente 0.8-1.8 de Nb, de manera típica 1.2 de Nb y Nb el cual puede ser sustituido parcial o completamente con Zr, Ti, Ta o V, en una relación en la cual 1.0% de Nb corresponde a 0.5% de V o Ti y 1.0 de Nb corresponde a 1.0% de Zr o Ta; 0.3 a 2.0 de V, de manera preferible 0.5-1.0 de V, típicamente 0.7 V y V es sustituido parcial o completamente con Nb, en una proporción en la cual 1.0% de Nb corresponde a 0.5 de V. En el caso de sustitución de V con Nb, el contenido de Nb final en la aleación se debe calcular mediante esta relación y se debe agregar el contenido especificado de antemano para la aleación; 0.3 a 3.5 de Si, de manera preferible 0.7 a 2.0 de V, típicamente 1.0 de Si y el Si se puede sustituir parcial o completamente con Nb, en una proporción 1:1; 0.8% de Co como máximo, preferiblemente 5% de cobalto como máximo, típicamente 2% de Co como máximo. Como se describe en lo siguiente, se puede agregar aluminio al acero de la presente invención, lo que promueve ventajas en propiedades. No obstante, también se pueden utilizar composiciones sin adición de aluminio en el acero de la presente invención, dado que es más sencilla en términos de fabricación de aleación. Por lo tanto, el contenido de aluminio debe dosificarse como sigue: 1.0 de Al como máximo, preferiblemente 0.5 de Al como máximo, típicamente 0.2 de Al como máximo para composiciones con Al como elemento residual. En este caso, Al debe tratarse como impureza; 0.2 a 3.5 de Al, preferiblemente 0.5 a 2.0 de Al, de manera típica 1.0 de Al más el contenido de Si descrito en lo anterior para composiciones las cuales requieren Al para mejorar el desempeño. El resto está constituido de hierro e impurezas metálicas y no metálicas inevitables al procedimiento de rectificado de acero en el cual las impurezas incluyen pero no se limitan a los siguientes elementos, en porcentaje en masa: 1.5 Mn como máximo, preferiblemente 0.8 Mn como máximo, de manera típica 0.5 Mn como máximo; 0.10 de P como máximo, preferiblemente 0.05 de P como máximo, típicamente 0.03 de P como máximo; 0.10 de S como máximo, de manera preferible 0.020 de S como máximo, típicamente 0.008 de S como máximo; 0.1 de N como máximo, de manera preferible 0.05 N como máximo, típicamente 0.5 N como máximo; 0.5 de Ce como máximo u otros elementos de tierras raras. Los elementos de las familias de lantánidos y actinidos de la tabla periódica asi como los elementos La, Ac, Hf y Rf se consideran elementos de tierras raras. El contenido de Ce preferiblemente debe ser menor de 0.1 y típicamente menor de 0.06. Véase en lo siguiente los motivos de la especificación para la composición del material nuevo. Los porcentajes que se muestran se relacionan con el porcentaje en masa. C: el carbón es el responsable principal para la respuesta al tratamiento por calor y la formación de carburos primarios. Su contenido debe ser menor de 1.5%, preferiblemente 1.1% como máximo, de manera que la presencia de austenita retenida no es muy alta después del enfriamiento. Esto es importante en aceros con menor aleación, como el de la presente invención, debido a que el carbono tiende a formar menos carburos de elementos de aleación en forma de materiales primarios y eutecticas; por lo tanto, un contenido mayor de carbono libre se obtiene después del enfriamiento, lo que contribuye a un incremento significativo en la fracción de austenita retenida. No obstante, el contenido de carbono debe ser suficiente para formar carburos primarios, especialmente en combinación con niobio así como carburos secundarios durante el templado y promover el endurecimiento de martensita después del enfriamiento. De esta manera, el contenido de carbono debe ser no menor de 0.5%, y de manera preferible el carbono debe ser más de 0.8%. Cr: el contenido de cromo debe ser mayor de 1%, preferiblemente mayor de 3%, debido a que este elemento contribuye a las características de enfriamiento y precipitación de carburos secundarios durante el templado y recocido. Junto con el carbono, el cromo también determina la formación de carburos primarios tipo M7C3, los cuales no son deseables para acero de alta velocidad dado que reduce la capacidad de rectificación y tenacidad. Así, el contenido de cromo debe limitarse a 10%, de manera preferible menor de 7%. W y Mo : el tungsteno y el molibdeno tienen efectos análogos en aceros de alta velocidad, presentes especialmente en carburos primarios del tipo M2C o M6C y carburos secundarios del mismo tipo, estos últimos formados durante el templado y bajo condiciones de solidificación gruesa. Así, se pueden especificar de manera conjunta a través de una relación de tungsteno equivalentes (Weq) , proporcionado por la suma W + 2Mo, que normaliza las diferencias de peso atómico de ambos elementos. Para la presente invención, el uso de molibdeno y tungsteno se diseña especialmente para la formación de carburos secundarios durante el templado, por lo que de esta manera se promueve la dureza en el templado. Por lo tanto, para un volumen adecuado de precipitación secundaria y dureza después del templado, eq debe ser mayor de 3%, preferiblemetne mayor de 4%. Por otra parte, los elementos contribuyen de manera significativa al costo de la aleación y por lo tanto una reducción en estos elementos es uno de los aspectos principales del acero de la presente invención. De esta manera, el contenido de Weq debe ser menor de 10.0%, preferiblemente menor de 8.0%. V: Para el acero presente, el vanadio debe tener una función equivalente a la descrita para la acción del molibdeno y tungsteno sobre el endurecimiento secundario, formando carburos ligeros en el momento del templado. El vanadio también puede formar carburos primarios, pero no es él propósito principal de su adición al acero en la presente invención. Además, el vanadio también tiene una influencia significativa sobre el control de crecimiento de granos austeniticos durante la austenitización . Para los efectos, el vanadio debe ser mayor de 0.3%, preferiblemente, mayor de 0.5%. Dado que esto también es un agente importante en el costo de aleación, el contenido de vanadio en la presente invención debe ser menor de 2.0%, preferiblemente menor de 1.0%. Nb: El niobio tiene un efecto importante para el acero de la presente invención. Este elemento forma carburos eutécticos altamente duros principalmente de tipo MC y, por lo tanto, son importantes para resistencia al desgaste de las herramientas producidas. Otro efecto interesante del niobio es que los carburos de MC formados disuelven un poco de tungsteno, molibdeno y vanadio, lo que permite que estos elementos estén libres de austenitización y enfriamiento, para precipitación secundaria. De esta manera, el acero de alta velocidad unido al niobio permite el uso de una cantidad menor de molibdeno, tungsteno y vanadio y, por lo tanto, este elemento opera de manera significativa para reducir el costo de la aleación. No obstante, su desempeño se asegura por la fracción de carburos MC ligeros y altamente duros, que se forman por niobio. Por otra parte, el contenido de niobio no puede ser mayor de 3% debido a que forma carburos primarios y gruesos bajo esta situación, difícilmente refinado por el procedimiento de conformado en caliente. Así, un contenido excesivo de niobio puede perjudicar la tenacidad y la capacidad de rectificación de la aleación, además de incrementar su costo. Por lo tanto, el contenido del niobio en el acero de la presente invención debe estar entre 0.5 y 3.0%, de manera preferible entre 0.8 y 1.8%. Si: El silicio es uno de los elementos principales para el acero de la presente invención. Este elemento habitualmente tiene un efecto indeseable en los carburos primarios y secundarios de aceros de alta velocidad con mayor aleación. Entre estos, el incremento en el volumen de los carburos primarios es uno de los efectos principales, poniendo en peligro la capacidad de rectificación y la respuesta al tratamiento con calor y la disminución en la resistencia al templado. Esto se produce por el efecto del silicio sobre el volumen de la ferrita d durante la solidificación y la reducción en el volumen de carburos secundarios de tipo MC y MC2 de alta estabilidad. Asi, si no se agrega más de 0.5% de las composiciones habituales. No obstante, el acero de la presente invención no tiene problemas negativos respecto a la introducción de silicio dado que es un acero con una aleación menor. Por el contrario, este elemento provoca un incremento significativo en la dureza de templado. Este efecto no se explica completamente, pero debe ser el resultado del efecto del silicio sobre la eliminación de cementita precipitada al momento de templar, lo que promueve un incremento a la cantidad de carburos tipo MC y M2C. Asi, pese a la reducción de elementos que promueven el endurecimiento secundario, tales como tungsteno, molibdeno y vanadio, el incremento en el contenido de silicio en el acero de la presente invención promueve la recuperación y elevación de la dureza hasta valores aceptables para aceros de alta velocidad. Para el efecto, el contenido de silicio debe ser mayor de 0.3%, preferiblemente mayor de 0.7%. No obstante, el contenido de este elemento debe ser menor de 3.5% dado que reduce el intervalo de austeniti zación y provoca un endurecimiento perfectible de la ferrita cuando se recoce. El contenido de silicio preferiblemente debe ser menor de 2.0%. Al: La adición de aluminio es opcional para el acero de la presente invención. Se pueden obtener ganancias ligeras en propiedades tales como resistencia al templado con un contenido mayor de 0.3%, preferiblemente de mayor de 0.7%. No obstante, para promover un endurecimiento elevado de ferrita, una alta reactividad en acero liquido y un incremento en temperaturas ACi y AC3, el aluminio debe ser menor de 3.5%, preferiblemente menor de 2.0%. Incluso en un contenido cercano a 1.0%, el aluminio aún provoca estos efectos indeseables. La variación de las temperaturas ACi y AC3 vuelve especialmente difíciles las condiciones de recocido del material, lo que requiere temperaturas significativamente mayores. Además, la reactividad del metal líquido vuelve difíciles los trabajos de rectificado de acero y limpieza en término de inclusiones no metálicas del acero final que se obtiene. Así, el acero de la presente invención también se puede producir con contenidos residuales de aluminio. En este caso, el aluminio debe ser menor de 1.0%, de manera preferible inferior a 0.5%. Sustancias residuales: Otros elementos, tales como manganeso, níquel y cobre y aquellos obtenidos habitualmente como sustancias residuales típicas del procedimiento de preparación de acero líquido deben considerarse como impurezas, relacionadas con el procedimiento de desoxidación del rectificado de acero o inherentes al procedimiento de fabricación. Por lo tanto, el contenido de manganeso, níquel y cobre se limita a 1.5%, preferiblemente menor de 1.0%. Los elementos tales como fósforo y azufre se segregan en los contornos de los granos y otros límites. Así, el fósforo debe ser menor de 0.10%, de manera preferible menor de 0.5% y el azufre debe ser menor de 0.050%, de manera preferible 0.020% como máximo. Como se ha descrito, la aleación se puede elaborar en forma de productos laminados o forjados por procedimientos convencionales especiales tales como metalurgia en polvo, conformación por aspersión o fundición continua, en productos tales como barras de alambre, varillas, cable, placas y tiras. Se hace referencia a las figuras unidas en la siguiente descripción de los experimentos llevados a cabo, en donde: la figura 1 muestra la microestructura gruesa de fusión de la aleación en la técnica, ET1, que muestra mapeados de rayos X de los elementos vanadio, tungsteno y molibdeno, en el mapeado, cuanto mayor es la densidad de los puntos, más elevada es la concentración relativa del elemento químico. La microestructura que se obtiene mediante microscopía electrónica de exploración (SEM) , electrones secundarios; el mapeado por rayox X se obtiene a través de WDS . La figura 2 muestra la microestructura gruesa de fusión de la aleación en la técnica ET2, que muestra los mapeados por rayos X de los elementos vanadio, tungsteno y molibdeno, en el mapeado, cuanto mayor es la densidad de los puntos más alta es la concentración relativa del elemento químico. La microestructura se obtiene mediante microscopía electrónica de exploración (SEM) , electrones secundarios; mapeado por rayos X que se obtiene a través de WDS. La figura 3 muestra la microestructura gruesa de fusión de la aleación en la presente invención, PI1, que muestra los mapeos por rayos X de los elementos vanadio, tungsteno, molibdeno y niobio. En el mapeado, cuanto mayor es la densidad de los puntos mayor es la concentración relativa del elemento químico. La microestructura se obtiene mediante microscopía electrónica de exploración (SEM) , electrones secundarios; el mapeo por rayos X se obtiene por WDS. La figura 4 muestra la microestructura gruesa por fusión de la aleación en la presente invención PI2, que muestra los mapeados por rayos X de los elementos vanadio, tungsteno, molibdeno y niobio. En el mapeo, cuanto mayor es la densidad de los puntos mayor es la concentración relativa del elemento químico. La microestructura se obtiene mediante microscopía electrónica de exploración (SEM) , electrones secundarios; el mapeo por rayos X se obtiene a través de WDS. La figura 5 muestra la microest ructura gruesa por fusión de la aleación en la presente invención PI3, que muestra los mapeados por rayos X de los elementos vanadio, tungsteno, molibdeno y niobio. En el mapeo, cuanto mayor es la densidad de los puntos mayor es la concentración relativa del elemento químico. La microestructura se obtiene mediante microscopía electrónica de exploración (SEM) , electrones secundarios; el mapeo por rayos X se obtiene a través de WDS. La figura 6 muestra las curvas de templado de aleación. Para las aleacionesET2 , PI1, PI2, y PI3, se estudian curvas para dos temperaturas de austenitización identificadas en la esquina superior derecha de cada curva. La aleación ET1 se compara con la austenitización a 1200°C, dado que esta es la temperatura de austenitización habitual. Los resultados para los especímenes de pruebas con aproximadamente 15 mm de succión, enviados por austenitización a la temperatura indicada durante 5 minutos a temperatura, enfriamiento en aceite y templado doble durante 2 horas. Las figuras 7a y 7b comparan las distribuciones de tamaño de los carburos para las aleaciones ET2, PI1, PI2 y PI2 en fig. 7a) valores absolutos y fig. 7b) porcentaje. Los resultados se obtienen con análisis de 12 campos con una ampliación 1000 x, totalizando 0.15 mm2 de área analizada en cada aleación. La figura 8 compara una microestructura que representa cada una de las aleaciones: ET2, PI1, PI2 y PI3, a la condición de enfriamiento y templado en el pico de dureza, después de un ataque con nital 4%. Ampliación 500 x.

Ejemplo 1: Se producen lingotes experimentales de dos aceros de la técnica, denominados ET1 y ET2, para comparación con los lingotes experimentales de la presente invención, denominados PI1, PI2 y PI3. El acero ET1 corresponde a DIN 1,3343, similar a C AISI M2 alto, utilizado ampliamente en herramientas elaboradas con acero de alta velocidad y, por esta razón, se utiliza como referencia para el material de esta invención. Por otra parte, el acero ET2 es un acero de menor aleación, capaz de alcanzar 64 HRC y muy empleado para serruchos, en cuchillas de corte. Las composiciones químicas se muestran en la Tabla 2. La suma de los elementos con costos más elevados tal como el tungsteno, molibdeno y vanadio también se cuantifica, normalizada en cuanto a costos. La Tabla 2 muestra la reducción significativa en los elementos de aleación de acero de la presente invención los cuales se convierten en una aleación de costo menor - en comparación en la Tabla 3, calculado para cantidades de diciembre del 2005. La reducción que se produce a partir del acero de la técnica ET1 o ET2 se puede observar asi como la reducción en la misma proporción de acero ET2, dado que este es un acero con menos aleación, para los aceros de la presente invención. De esta manera, los resultados muestran que el acero de esta invención es una segunda etapa hacia la reducción de costos de aleación, preocupación existente de antemano en aceros con menor aleación tal como el acero ET2. Además, en lo que respecto a ET1, la diferencia en costo de aleación es dos veces el tamaño. La fusión de lingote se realiza en un procedimiento cercano para las cinco aleaciones, en un horno de inducción al vacio y se vierten en moldes de fundición de hierro, lo que resulta en un lingote de 55 kg . Después de solidificación, los lingotes se recocen subcriticamente y las cinco composiciones inicialmente se clasifican tomando en consideración la microestructura gruesa de fusión. En primer lugar, uno puede ver la mayor cantidad de carburos primarios en la aleación ET1, como resultado de su mayor contenido de elementos de aleación. En segundo lugar, la concentración de los elementos vanadio, molibdeno y tungsteno es clara, de acuerdo con la densidad de puntos en la imagen de rayos X, y es significativamente mayor a carburos primarios en las aleaciones ET1 y ET2, con respecto a las aleaciones PI1, PI2 y PI2. Por otra parte, estas últimas tienden a formar elementos de niobio predominantes. Los carburos son de tipo MC y altamente duros; por lo tanto, puede sustituir bien a carburos de elementos con costos superiores, tal como tungsteno, molibdeno y vanadio. Además del efecto, los carburos de niobio tienen una característica interesante: no tienen cantidades perceptibles de otros elementos, especialmente molibdeno, tungsteno y vanadio. Así, proporcionan a estos elementos con mayor libertad para formar carburos secundarios que, durante el templado, son importantes para verificar la elevada dureza necesaria para aplicaciones del material. En breve, las figuras 1 a 5 muestran que los carburos primarios de las aleaciones PI1, PI1 y PI3 son predominantemente de tipo MC y con alta concentración de niobio. Consumen cantidades menores de tungsteno, molibdeno y vanadio en comparación con los carburos primarios de los aceros de la técnica y por lo tanto permiten una reducción en el contenido total de los elementos en la aleación, lo que se toma en consideración a través del acero de la presente invención.

Composiciones químicas de cuatro aceros de la técnica a ET4) y el acero de la presente invención (PI) eq (=W+2Mo) 6.1 0.1 0.0 0.1 0.1 0.7??+0.3W Abs . 0.1 0.6 0.3 0.3 0.3 0.4W* Relat . 00 9.0 7.7 7.7 7.7 *La suma de (W + Mo + V) se calcula a través de la fórmula 0.7Mo + 0.4V + 0.3W. Estos son los índices relacionados con el costo de cada elemento en diciembre del 2005. La suma se presenta en términos absolutos (abs.) y relativos (relat.) normalizada por acero ET2. Además de los carburos primarios, la dureza después del tratamiento con calor es esencial para aceros de alta velocidad. Por lo tanto, se laminaron lingotes experimentales para barras redondas de 34 mm de diámetro y se recocieron con nivel a 850°C para aleaciones ET1, ET2 y ET3 y el nivel de 980°C para la aleación PI3. Posteriormente, se enviaron a tratamiento de enfriamiento con austenitización entre 1185 y 1200°C durante 5 minutos y dos templados, entre 450 y 600°C, durante 2 horas cada uno.

Tabla 3: Costo de la carga metálica, es decir, el metal dealeación contenido en la aleación ET1, ET2, PI1, PI2 y PI3. Valores normalizados por el costo de la carga metálica de aleación ET1 y para ET2. Los cálculos se relacionan con la producción mediante rectificado de acero eléctrico en diciembre del 2005. TI T2 T3 12 13 Costo del metal contenido en la 00 9.2 3.4 3.4 3.6 aleación, normalizado de dos maneras . 69 00 6.4 6.4 6.8 La Tabla 4 muestra la dureza después de enfriamiento y templado de los aceros ET1, ET2 , PI1, PI2 y PI3 los cuales, en forma de un diagrama, se presentan en la figura 6. Los aceros con una aleación menor -ET2, PI1, PI2 y PI3, son ¦ austenitizados a 1185°C y 1200°C. Para el acero con mayor aleación, ET1, únicamente se utiliza la temperatura de austenitización habitual para este material, específicamente 1200°C. Los resultados en la tabla 4 y la figura 6 sugieren que los aceros PI1 y PI2 de la presente invención se manejan par alcanzar durezas superiores a 64 HRC, y por lo tanto son aleaciones interesantes. Para materiales templados a temperaturas cercanas al pico de dureza, que se va a utilizar en las herramientas las cuales operan por debajo de 550°C, la dureza de los aceros PI2 y PI3 son similares. De esta manera, dada la mayor complejidad para preparar aleaciones con alta concentración de aluminio, la composición PI2 parece ser más interesante; y en este caso, la dureza virtualmente coincide con el acero ET2. No obstante, en el caso de herramientas las cuales operan a temperaturas más altas, la aleación PI3 tiende a promover mayor dureza y por lo tanto puede ser más interesante . El incremento a la dureza de las aleaciones PI1 y PI2 para la aleación PI3 es evidente en la figura 6, con respecto al mayor contenido de silicio. Esto sucede debido al efecto de silicio sobre la precipitación secundaria, debido probablemente a la reducción de los carburos secundarios tipo M3C y el incremento en el volumen de los carburos tipo MC y M2C, más refinados. Por otra parte, entre las aleaciones PI2 y PI3, las aleaciones PI3 muestran más dureza a temperaturas de templado superiores -superiores a 550°C. En este caso, el efecto prevalente es uno del contenido de aluminio de la aleación PI3, debido a que este elemento opera al incrementar la actividad de carbono y reducir la difusión de elementos; de esta manera, se obtiene más resistencia a alta temperatura.

Tabla 4 : Respuesta al tratamiento con calor de los aceros de la técnica (ET1 y ET2) y el acero de la presente invención. Los resultados de dureza HRC después de austenitización a 1185 y 1200°C, enfriamiento en aceite y templado doble durante dos horas a la temperatura indicada.

Aleaciones /temperatura Temperatura de Austenitización = 1185°C de templado 50°C 00°C 20°C 40°C 50°C 70°C 00°C TI 0.3 2.3 3.9 4.5 4.3 3.0 1.8 11 8.4 0.7 2.9 3.2 2.8 1.2 8.5 12 0.9 2.8 4.2 4.2 4.1 2.4 9.8 13 1.5 3.5 3.9 4.2 4.1 2.8 0.5 Aleaciones /temperatura Temperatura de Austeniti zación = 1200°C de templado 50°C 00°C 20°C 40°C 50°C 70°C 00°C TI 1.3 3.9 5.5 5.8 5.5 4.1 2.4 T2 9.5 2.2 4.0 4.6 3.9 3.5 2.2 11 8.2 0.9 2.4 3.1 2.5 1.6 9.6 12 0.1 2.7 4.0 4.4 3.5 3.1 9.4 13 0.8 3.6 4.1 4.5 3.8 3.4 1.5 El tamaño de los granos austeníticos para las aleaciones ET2, PI1, PI2 y PI3 también se evalúa para las diferentes temperaturas de a u s t en i t i z a c i ón . Los resultados se muestran en la tabla 5. Los aceros PI1, PI2 y PI3 tienen un tamaño de grano ligeramente mayor que el acero ET2, debido a que tiene un contenido elevado de vanadio - muy eficaz para el control del crecimiento en el tamaño de los granos austeníticos. No obstante, las aleaciones PIl, PI2 y PI3 tienen tamaño de grano a un refinado, especialmente bajo 1185°C y al considerar que el calibre 33 rara es relativamente grande para aceros de alta velocidad. Por lo tanto, su temperatura de au s t en i t i z a c i ón parece ser la más adecuada para el acero de la presente invención .

Tabla 5: Tamaño de granos austeníticos , medido por el método de intercepción de Snyder-Graff para aceros austenitizados entre 1185 y 1200°C. Los índices + indican la desviación estándar de las medidas Los carburos primarios del acero ET2 y del acero de la presente invención -PI1, PI2 y PI3, además de la determinación en la condición gruesa de fusión también se determinaron después de conformación en caliente. Los resultados se obtienen vía análisis de imágenes, computarizadas . Los resultados se muestran en la tabla 6 y en las figuras 7a y 7b. El acero ET2 tiene una fracción volumétrica total de carburos equivalentes a uno de los aceros PI1 y PI3; el acero PI1 tiene una fracción volumétrica ligeramente mayor. Respecto al tamaño, el acero ET2 tiene menos carburos totales, pero tiene un número mayor de carburos gruesos (superiores a 8 ym) . Los aceros PI1, PI2 y PI3 tienen carburos concentrados en intervalos más delgados, ambos en números absolutos y en valores relativos. Respecto a lo obtenido mediante el análisis cuantitati o, los resultados también se pueden observar cualitativamente en la microestructura de los materiales, que se muestran en la figura 8. Para aceros de alta velocidad, la existencia de carburos más delgados es interesante debido a que promueven puntos más grandes de resistencia y desgaste y operan con el fin de incrementar la tenacidad. Los carburos delgados también son importantes para promover una mejor capacidad de maquinado, volviendo al acero de alta velocidad más fácil de ser procesado cuando se fabrican herramientas. Por lo tanto, los carburos más refinados que se obtienen con los aceros PI1, PI2 y PI3 son muy interesantes para aplicación en herramientas de corte. Resultan especialmente de materiales eutécticos de niobio los cuales, después de conformación en caliente, tienen una morfología más delgada que los carburos primarios de la aleación ET2, especialmente aquellos con alta concentración de vanadio .

Tabla 6: Resultados de los análisis cuantitativos de imágenes de microestructuras en los aceros ET2, PI1, PI2 y PI3 en términos de volumen de carburo y tamaño. Los resultados se obtienen del análisis de 12 campos con una ampliación 1000 x, totalizando 0.15 mm2 del área analizada en cada aleación.

Valores Absolutos Intervalo de tamaño (µ?t?) T2 11 12 13 de 0 a 1 111 322 077 418 de 1 a 3 17 965 265 146 de 3 a 5 06 44 82 18 de 5 a 8 8 37 06 7 superior a 8 7 1 8 Total 779 799 748 888 Valores Relativos (porcentaj es ) Intervalo de tamaño (pm) T2 11 12 13 de 0 a 1 2.5% 3.6% 4.8% 2.2% de 1 a 3 3.4% 8.9% 6.6% 9.5% de 3 a 5 0.0% 0.1% 0.9% 0.6% de 5 a 8 0.5% 0.0% 0.2% 0.5% superior a 8 0.6% 0.5% 0.4% 0.2% Por lo tanto, los aceros descritos en la presente invención, especialmente los aceros ET2 y ET3 tienen propiedades muy adecuadas para herramientas de acero de alta velocidad utilizadas en situaciones de poca demanda. Los serruchos manuales o serruchos utilizados en máquinas son ejemplos, además de las herramientas de corte tales como taladros y dispositivos de rectificado utilizados en situaciones con demandas bajas de duración de trabajo. Las propiedades del acero de la presente invención permiten su uso como sustitutos para acero tales como ET2 en la totalidad de las aplicaciones, con propiedades equivalentes y una reducción significativa en los costos (véase tabla 3) . El acero de la presente invención también puede sustituir a aceros con mayores aleaciones, representados en la presente por el acero ET1, probablemente con un desempeño menor pero la reducción en costo es extremadamente significativa.

La combinación de costo y propiedades se obtiene únicamente mediante un diseño de aleación utilizando elementos de menor costo con el propósito de incrementar el efecto de los elementos más nobles-tungsteno, molibdeno y vanadio.

Ejemplo 2 Para determinar el comportamiento en aplicaciones industriales, el acero de la presente invención se prueba en pruebas de desempeño. Se fabrican herramientas de corte del tipo de "serruchos manuales duros" y se llevan a cabo pruebas de corte. Las pruebas se realizan de acuerdo con el estándar BS 1919, en tres cuchillas, de cada una de las aleaciones ET2, PI1, PI2 y PI3. Las aleaciones de la presente invención, PI1, PI2 y PI3 se producen a partir de lingotes experimentales de 55 kg, laminados en caliente a una dimensión de 2.8 x 12 mm2 y, después laminados nuevamente para la dimensión final del serrucho. El acero ET2 se obtiene de un lote industrial para propósitos de referencia. Se selecciona la aleación ET2 para propósitos de comparación debido a que es el material utilizado tradicionalmente en cuchillas de serrucho manual. La prueba consiste de 10 cortes por cuchilla en un conjunto de acero inoxidable UNSS304,00, con dimensiones de 2.60 x 25.00 mm2, dureza 180-HV. La velocidad se mantiene constante, 70 carreras por minuto y las potencias de corte se calibran de antemano por igual para todas las cuchillas de serrucho. Las pruebas se llevan a cabo en una máquina adecuada. Los indicadores de desempeño son: tasa de desgaste promedio y tiempo de corte promedio total. La tasa de desgaste se caracteriza por la evolución del número de desplazamientos que se requieren para realizar cada corte. Se calcula a través de la derivada de primer orden de la carta y respecto al número de desplazamientos por corte tomando en consideración el número de cortes. Una tasa menor de desgaste significa que el serrucho corta con menos desplazamientos, lo cual se percibe por los usuarios como un mejor desempeño. Lo mismo sucede para el tiempo de corte, cuanto más breve mejor es el desempeño de la cuchilla de serrucho. Los resultados obtenidos en la prueba de desempeño se muestran en la tabla 7 para materiales bajo dos condiciones de templado.

Tabla 7: Resultados del desempeño de cuchillas de serrucho elaboradas de aceros ET2, PI1, PI2 y PI3, dividido entre dos condiciones de templado. El mejor desempeño se relaciona con la reducción en la tasa de desgaste y el tiempo de corte. Templado a 540°C T2 11 12 13 Tasa de desgaste 2.4 0.6 0.2 1.5 Tiempo de corte 9.4 9.0 4.0 3.2 Templado a 560 °C T2 11 12 13 Tasa de desgaste 0.0 1.9 2.2 3.2 Tiempo de corte 3.8 1.2 0.4 9.1 La condición más importante es 540°C dado que esta es la utilizada con mayor frecuencia en los serruchos elaborados actualmente. Los resultados que se obtienen son interesantes para las aleaciones de la presente invención, una vez que muestran resultados equivalentes o incluso mayores que los del acero de la técnica (ET2), especialmente para aleaciones PI2 y PI3. Para el templado a 540°C, la aleación con PI3 tiene la tasa de desgaste menor y, al igual que para la aleación PI2, resulta en un tiempo de corte más breve en comparación con la aleación ET2. Por lo tanto, las aleaciones PI2 y PI3 se pueden considerar como interesantes para aplicación, dado que resultan en una reducción significativa en el contenido de elementos de aleación y, no obstante, promueven un desempeño de corte adecuado. El desempeño, como se muestra en la tabla 7, puede ser incluso superior a los aceros de la técnica. Como se expone en el ejemplo 1, esto sucede por medio del desarrollo adecuado de la composición química -especialmente a través de la combinación de los elementos Nb y Si, algo que promueve una alta dureza y carburos refinados, lo que permite la reducción total de los elementos de aleación más costosos, Mo, W y V.

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.

Claims

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones : 1. Acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho, caracterizado porque presenta una composición de elementos de aleación que consisten, en porcentaje en masa, de carbono entre 0.5 y 1.5; cromo entre 1.0 y 10.0; tungsteno equivalente, proporcionado por la relación 2Mo+W entre 3.0 y 10.0; niobio entre 0.5 y 2.0; vanadio entre 0.3 y 2.0, silicio entre 0.3 y 3.5; aluminio menor a 0.5; cobalto menor de 8.0, el resto sustancialmente Fe e impurezas inevitables al procedimiento de preparación; esta aleación se produce por lingotes de fundición, ya sea por fundición convencional o fundición continua, las cuales son forjadas en caliente o laminadas hasta los tamaños de aplicación finales. 2. Acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho, caracterizado porque presenta una composición de elementos de aleación que consisten, en porcentaje en masa, de carbono entre 0.5 y 1.5; cromo entre 1.0 y 10.0; tungsteno equivalente, proporcionado por la relación 2Mo+ entre 3.0 y 10.0; niobio entre 0.5 y 2.0; vanadio entre 0.3 y 2.0, silicio entre 1.0 y 3.5; aluminio menor a 0.5; cobalto menor de 8.0, el resto sustancialmente Fe e impurezas inevitables al procedimiento de preparación; esta aleación se produce por lingotes de fundición, ya sea por fundición convencional o fundición continua, las cuales son forjadas en caliente o laminadas hasta los tamaños de aplicación finales. 3. Acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho, caracterizado porque presenta una composición de elementos de aleación que consisten, en porcentaje en masa, de carbono entre 0.5 y 1.5; cromo entre 1.0 y 5.0; tungsteno equivalente, proporcionado por la relación 2Mo+ entre 3.0 y 10.0; niobio entre 0.5 y 2.0; vanadio entre 0.3 y 2.0, silicio entre 0.7 y 3.5; aluminio menor a 0.5; cobalto menor de 8.0, el resto sustancialmente Fe e impurezas inevitables al procedimiento de preparación; esta aleación se produce por lingotes de fundición, ya sea por fundición convencional o fundición continua, las cuales son forjadas en caliente o laminadas hasta los tamaños de aplicación finales. 4. Acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho, caracterizado porque presenta una composición de elementos de aleación que consisten, en porcentaje en masa, de carbono entre 0.6 y 1.4; cromo entre 3.0 y 5.0; tungsteno equivalente, proporcionado por la relación 2Mo+W entre 4.0 y 8.0; niobio entre 0.8 y 1.6; vanadio entre 0.5 y 1.0, silicio entre 0.7 y 2.0; aluminio menor a 0.5; cobalto menor de 5.0, el resto sustancialmente Fe e impurezas inevitables al procedimiento de preparación; esta aleación se produce por lingotes de fundición, ya sea por fundición convencional o fundición continua, las cuales son forjadas en caliente o laminadas hasta los tamaños de aplicación finales. 5. Acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho, de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque contiene, en porcentaje en masa, sustitución de vanadio por niobio o niobio por vanadio en una proporción de Nb:V = 2:1, pero manteniendo un contenido mínimo de niobio de 0.5. 6. Acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho, de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque contiene, en porcentaje en masa, vanadio equivalente, proporcionado por la relación V + Nb/2, superior a 1.25 pero inferior a 3.0. 7. Acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho, de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque contiene, en porcentaje en masa, un contenido de silicio intercambiado parcialmente por aluminio en una proporción de Si: Al = 1:1, pero el contenido de aluminio es un máximo de 0.5. 8. Acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho, de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque contiene, en porcentaje en masa, aluminio entre 0.5 y
2.0%. 9. Acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho, de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque contiene, en porcentaje en masa, aluminio entre 0.8 y 1.2%. 10. Acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho, de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque contiene, en porcentaje en masa, 1.5 de manganeso como máximo, 1.5 de níquel como máximo y 1.5 de cobre como máximo, 0.10 de fósforo como máximo, 0.10 de azufre como máximo y 0.10 de nitrógeno como máximo. 11. Acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho, de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque contiene, en porcentaje en masa, 1.0 de manganeso como máximo, 1.0 de níquel como máximo y 1.0 de cobre como máximo, 0.5 de aluminio como máximo, 0.08 de fósforo como máximo, 0.01 de azufre como máximo y 0.02 de nitrógeno como máximo. 12. Acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho, de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque contiene, en porcentaje en masa, cobalto inferior a 1.0. 13. Acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho, de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque contiene, en porcentaje en masa, 0.5 de manganeso como máximo, 0.5 de níquel como máximo, 0.5 de cobre como máximo, 0.2 de aluminio como máximo, 0.04 de fósforo como máximo, 0.005 de azufre como máximo y 0.01 de nitrógeno como máximo. 14. Acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho, de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque contiene, en porcentaje en masa, 0.5 de Ce como máximo, u otros elementos de tierras raras; los elementos de las familias de lantánidos y actinidos de la tabla periódica asi como los elementos La, Ac, Hf y Rf se consideran elementos de tierras raras. 15. Acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho, de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque contiene, en porcentaje en masa, elementos de titanio, zirconio y tantalio que sustituyen parcial o completamente a los elementos niobio y vanadio en una proporción en la cual una parte de Ti corresponde a una parte de vanadio o 0.5 partes de niobio; y una parte de Ta o Zr corresponde a 2 partes de vanadio o 1 parte de niobio. 16. Acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho, de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado porque se utiliza en herramientas de corte y en maquinado. 17. Acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho, de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque se utilizan cuchillas de serrucho, en máquinas o serruchos manuales, ya sea formadas por completo de acero de alta velocidad o del tipo bimetálico. Este último consiste de partes cortantes elaboradas de acero de alta velocidad únicamente. 18. Acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho, de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado porque se utiliza en corte giratorio, tal como brocas helicoidales, dispositivos de rebajado, sangrías, troqueles y otras herramientas utilizadas para maquinar materiales metálicos u otros materiales. 19. Acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho, de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizado porque se utiliza en herramientas de maquinado con una baja esperanza de vida de trabajo, por ejemplo herramientas industriales de baja productividad y herramientas de uso casero. 20. Acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho, de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, caracterizado porque se utiliza en herramientas para procedimiento de conformación en frío, conformación en tibio o conformación en caliente, para aceros, aleaciones no ferrosas u otros materiales sólidos. 21. Acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho, de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20, caracterizado porque se produce por fundición convencional o continua, seguida por procedimientos de formación en caliente para producción de los tamaños de producto final tales como alambres, barras, tiras y láminas o la aleación incluso se puede utilizar en su condición como se funde . 22. Acero de alta velocidad para cuchillas de serrucho, de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 21, caracterizado porque contiene, en porcentaje en masa, silicio entre 1.0 y
3.5 y en donde se produce por el procedimiento que involucra fragmentación del liquido y posterior a agregación, tal como metalurgia en polvo o procedimientos de formación por aspersión.