MXPA00004468A - Proceso formador de alta densidad con mezclas en polvo - Google Patents

Abstract

Se proporciona un método para hacer un artículo de metal en polvo de alta densidad. En una modalidad, la composición consiste de polvo a base de fierro, lubricante, grafito y adiciones de aleación ferrosas. Pueden ser logrados también resultados satisfactorios al usar grados totalmente pre aleación de polvos de metal, mezclas de polvo substancialmente puro, mezclas de polvo totalmente de pre aleación, mezclas de polvo parcialmente de pre aleación y lo mezclas de polvo que contienen aleaciones ferrosas. La composición se compacta en herramientas rígidas a temperatura ambiente, sinterizada a una temperatura alta mayor a 1100'C y después se forma en herramientas rígidas a 40 a 90 toneladas por pulgada cuadrada a una densidad mayor a 94%de la teórica. El artículo de alta densidad es entonces recocido. El artículo final demuestra propiedades mecánicas remarcables que son típicas de componentes de metal en polvo y se aproximan a aquellas de acero forjado.

Description

PROCESO FORMADOR DE ALTA DENSIDAD CON MEZCLAS EN POLVO DESCRIPCIÓN DE LA INVENCION La invención está relacionada con métodos para formar compactos sinterizados de una composición de acero de baja aleación a alta densidad a temperatura ambiente. La invención además está relacionada a composiciones especificas de compactos sinterizados de metal de polvo con base de hierro que pueden formarse a alta densidad, incluyendo el uso de mezclas en polvo sustancialmente puras, mezclas en polvo totalmente pre-aleadas, mezclas en polvo parcialmente pre-aleadas y mezclas en polvo que contienen aleaciones ferrosas. Esta invención tiene aplicación -útil en la producción de engranajes . Para aquellos que aprecian la técnica de artículos fabricados en PM, lograr alta densidad es de importancia significante. La alta densidad general y significante mejora las características de resistencia y durabilidad de la fabricada. La cantidad de porosidad residual con relación a los artículos sinterizados de metal de polvo de las composiciones tipo acero aleado bajo tiene una gran influencia en las condiciones de carga que el articulo debe soportar durante su operación. Alto niveles de porosidad residual (es decir, la densidad baja) los artículos fabricados son quebradizos y de baja resistencia a la fatiga. Dichos artículos de baja densidad pueden generalmente sólo utilizarse en aplicaciones donde la carga de servicio es relativamente ligera. El mercado disponible para compactos PM de baja densidad es por lo tanto restringido. A niveles más bajos de porosidad residual (es decir, alta densidad), los artículos fabricados se convierten en dúctiles y con una resistencia a la fatiga significativamente mayor. La fabricación de artículos de PM de baja aleación a una densidad relativamente alta por lo tanto son atractivos debidos a que la participación en el mercado incrementada se puede lograr debido a propiedades mejoradas del articulo. Varios métodos y procedimientos de la técnica anterior tales como forjado en caliente o doble prensado y doble sinterizado por ejemplo, se han desarrollado con e objeto de incrementar la densidad de razones mencionadas anteriormente. Sin embargo, muchos de estos procesos tienen desventajas que obstaculizan su uso para la producción económica de artículos en altos volúmenes. Tales desventajas pueden incluir el requerimiento de usar altas temperaturas durante el formado, lo cual lleva a costos de desgaste de dado mucho más altos, y problemas de exactitud dimensional asociados. Los materiales crudos de altos costos pueden ser usados, como polvos finos. Por ejemplo el proceso de moldeo por inyección de metal (MIM) utiliza hierro de aproximadamente 10 mieras de tamaño el cual se puede utilizar para fabricar artículos de alta densidad; sin embargo, la economía del proceso se ve adversamente afectada debida al alto costo de la materia prima. Los procesos como prensado isostático en caliente (HIP) o sinterizado con ayuda de presión (PAS) son ejemplos, donde altas temperaturas y altas presiones de gas se pueden utilizar durante el sinterizado. Sin embargo, tal equipo tiene limitaciones total y la precisión dimensional es difícil de controlar. Para que un proceso tenga un valor comercial y ofrezca una mejora significativa en la durabilidad de la parte en polvo sinterizada ei método de producir parte de metal en polvo sinterizada de alta densidad deberá cumplir con los siguientes criterios: • uso de materia prima de bajo costo • estar adecuado para relaciones de producción de alto volumen • producir artículos de alta precisión • tener caracteristicas de vida de herramienta aceptable • producir artículos con una densidad en el rango de 94% a 98% teórico de densidad total de hierro forjado (equivalente a un rango de 7.4 a 7.7 g/cc para composiciones de baja aleación) . El uso de polvo pre-aleado es mencionado por Yoshiaki et al en the SAE Technical Paper Series, dada en the International Congress and Exposition en Detroit, Michigan en febrero 27-marzo 3, 1989, titulada "Improvement Of The Rolling Contact Fatigue Strength of Sintered Steel for Transmisssion Component". Sin embargo, Yoshiaki no enseña el uso de metal en polvo de molibdeno pre-aleado o de aleaciones ferrosas o de mezclas substancialmente puras o densificación selectiva adicional para producir partes de metal en polvo que tengan alta densidad y ductibilidad. Es un objeto de esta invención proporcionar un método mejorado para producir partes de metal en polvo que tengan alta densidad y ductibilidad. Es un aspecto de esta invención proporcionar un método para formar artículos de metal en polvo sinterizado a una alta densidad formando el metal en polvo sinterizado en una cavidad de dado cerrada teniendo un libramiento para movimiento del metal en polvo sinterizado para formar una configuración final con una densidad incrementada después de la compresión, en donde la parte de metal en polvo sinterizada formada tiene una longitud comprimida de aproximadamente 3 a 30% menos que la longitud original. Es otro aspecto de esta invención producir un método para formar un articulo de metal en polvo sinterizado mezclando carbón; por lo menos un polvo de aleación ferrosa seleccionado del grupo de ferro cromo, ferro manganeso, ferro molibdeno, y un lubricante, con polvo de hierro para formar una mezcla; prensar la mezcla para formar el articulo; sinterizar el articulo a una temperatura mayor de 1250°C; formar el articulo sinterizado en una cavidad de dado cerrada teniendo un libramiento para producir una parte de metal en polvo sinterizada formada teniendo una longitud comprimida la cual es aproximadamente 3 a 19% menor que la longitud original cuando se somete a una presión entre 40 y 90 toneladas por pulgada cuadrada para incrementar la densidad del articulo sinterizado formado; se recoce el articulo sinterizado a una temperatura mayor de 800°C en una atmósfera carburizante o reductora o vacio. Es otro aspecto de esta invención proporcionar un método para hacer un articulo de metal en polvo sinterizado de alta densidad, que comprende las etapas de mezclar polvo de hierro con aleaciones ferrosas, grafito y lubricante para proveer una composición química seleccionada para el articulo terminado teniendo por lo menos uno de os siguientes: 0 a 0.5% de carbón; 0 a 1.5% de manganeso, 0 a 1.5% de molibdeno y 0 a 1.5% de cromo y el resto de polvo de hierro con impurezas inevitables; compactar la mezcla de polvo de metal en un dado rigido a una densidad de aproximadamente 90% de la densidad total teórica; sinterizar el articulo compactado a una temperatura mayor de 1250°C en una atmósfera reductora o de vacio; formar el articulo sinterizado en herramientas rígidas a una presión en el rango de 40 a 90 toneladas por pulgada cuadrada a una densidad en exceso de 94% de la densidad total teórica mediante compresión axial permitiendo que la expansión radial disminuya la longitud axial del articulo sinterizado aproximadamente de 3 a 30% de la longitud axial original; recocer el articulo de alta densidad a una temperatura mayor de 800°C en una atmósfera carburizadora o reductora o vacio, cuando la composición de aleación total se encuentra entre 0 a 4.0% por peso del peso total del articulo de metal en polvo sinterizado. Es otro aspecto de la invención proveer un método para formar artículos de metal en polvo sinterizado mezclando carbón y lubricante con un polvo de molibdeno pre-aleado, prensando la mezcla para formar el articulo, sinterizado el artículo a una temperatura de por lo menos 1100°C, formando el articulo de metal en polvo sinterizado en una cavidad de dado cerrada que tiene un libramiento para el movimiento del metal en polvo sinterizado para formar una configuración final con densidad incrementada, después de la comprensión en donde el articulo de metal en polvo sinterizado formado tiene una longitud comprimida la cual es de 3 a 30% menos que la longitud original. Un aspecto adicional de esta invención está relacionada a un método para formar artículos de metal en polvo sinterizados a una alta densidad formando el metal en polvo sinterizado en una cavidad de dado teniendo un libramiento para el movimiento del metal en polvo sinterizado para una configuración final con densidad incrementada después de la compactación en donde el artículo de metal en polvo sinterizado formado tiene una longitud comprimida la cual es de aproximadamente 3 a 30% menos que la longitud original . Aún otro aspecto de esta invención se relaciona con un articulo de metal en polvo sinterizado formado que tiene hasta 0.5% por peso de Carbón, hasta 1.5% por peso de Mn con el resto siendo hierro e impurezas inevitables y teniendo aproximadamente 23% de alargamiento y densidad mayor de 7.4 g/cc. Otro aspecto de esta invención está relacionado a un método para formar artículos de metal en polvo sinterizado a alta densidad seleccionando un diámetro critico objetivo para lograrse a través del endurecimiento al enfriar rápidamente la parte sinterizada formada, luego seleccionar la composición en polvo para lograr el diámetro critico objetivo seleccionado y una densidad de entre 7.4 y 7.7 g/cc. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Estos y otros objetos y características de esta invención ahora serán descritas en relación a los siguientes dibujos : La Figura 1 es una vista en corte transversal del proceso de formado. La Figura 2 es una vista en corte transversal del proceso formado para un anillo sinterizado. La Figura 3 es una gráfica de la formación a alta densidad de barras de prueba de Fe- C-Mn. La Figura 4 es una gráfica de la formación a alta densidad de una disco de embrague. La Figura 5 es una gráfica de densidad formada y de anillos de cierre de Fe- C-Cr formados a 60 tsi. La Figura 6 es una gráfica de densidad formada y cierre de anillos de Fe- C-Mo formados a 60 tsi. La Figura 7 es una gráfica de densidad formada y cierre de anillos de Fe- C-Mn formada a 60 tsi. La Figura 8 es una gráfica de resistencia contra porcentaje de aleación en hierro. La Figura 9 es una gráfica de endurecimiento contra porcentaje de aleación en hierro. La Figura 10 es una gráfica de alargamiento de especímenes tensibles de Fe- C-Mn con diferentes tratamientos de calor. La Figura 11 es una gráfica de resistencia a la tensión de especímenes de Fe- C-Mn con diferentes tratamientos de calor. La Figura 12 es una comparación de propiedad de formación de alta densidad. La Figura 13 es una gráfica de la formación de alta densidad de anillos de FeCMo utilizando un polvo de molibdeno pre-aleado como QMP4401 que tiene 0.85 Mo de pre-aleación y adicionando 0.2% de C con el resto siendo esencialmente Fe e impurezas inevitables. La gráfica muestra la relación de densidad formada a una presión de formación de QMP 4401 0.85% de pre-aleación de Mo + 0.2% de C. La Figura 14 es una vista en corte transversal del proceso de formación para un componente de niveles múltiples. La Figura 15 es una gráfica que muestra el efecto de presión de formado sobre la densidad de un artículo de metal en polvo sinterizado teniendo 0.2% de C, 0.9% de Mn, 0.5% de Mo con el resto siendo hierro e impurezas inevitables . La Figura 16 ilustra barras de acero teniendo baja dureza y alta dureza. - La Figura 17 es una gráfica que ilustra la relación entre el diámetro de base y la composición de carbón. La Figura 18 es una gráfica que ilustra el factor multiplicador de endurecimiento. La Figura 19 es una vista de un engranaje de transmisión. La presente invención describe un método para formar compactos de metal en polvo sinterizados a una densidad en el rango de 7.4 a 7.7 g/cc. Las composiciones de los artículos finales tienen una distinción de acero de baja aleación en donde el contenido de carbón es menos de 0.5% y preferiblemente menos de 0.3% en peso del articulo sinterizado y tienen características de formación. La formación se lleva preferiblemente a cabo a temperaturas ambientes (aunque se pueden usar temperaturas elevadas) que proveen vida de herramientas aceptables y características de precisión excelente. En una modalidad, el proceso utiliza polvos de hierro de bajo costo que se mezclan con cantidades calculadas de aleaciones ferrosas, grafito y lubricante de tal manera que la composición química fina deseada se logra y la mezcla de polvo es adecuada para compactarse en dados de compactación rígidos. El proceso generalmente se describe en la Patente Norteamericana 5,476,632. Alternativamente, se ha encontrado que los beneficios de la invención a ser descrita aqui pueden lograrse utilizando metales en polvo de molibdeno pre-aleados en cuyo caso tales materiales se pueden sinterizar a temperaturas de sinterización convencionales de 1100°C a 1150°C, o alternativamente a un sinterizado a alta temperatura de más de 1250°C. Como una alternativa adicional, los beneficios de la invención a ser descritos aquí pueden lograrse utilizando mezclas de polvos de hierro sustancialmente puras o elementales, mezclas de polvo totalmente pre-aleadas, mezclas de polvo parcialmente pre-aleadas, al igual que mezclas de polvo que contienen aleaciones ferrosas. La compactación puede realizarse de una manera regular en donde el polvo mezclado se prensará en un compacto alrededor de 90% de la densidad teórica. La sinterización de las composiciones de aleaciones ferrosas se llevan a cabo a altas temperaturas, generalmente mayores de 1250°C, de tal manera que los óxidos contenidos dentro del compacto se reducen. No ocurre una densificación significativa durante el proceso de sinterización. La densidad del compacto sinterizado aún estará alrededor de 90% del teórico. La formación como se define aquí incluye: (a) dimensionamiento - lo cual se puede definir como el prensado final de un compacto sinterizado para asegurar un tamaño o dimensión deseados; (b) acuñado - lo cual se puede definir como prensar un compacto sinterizado para obtener una configuración de superficie definida; (c) reprensado - lo cual se puede definir como la aplicación de presión a un compacto sinterizado y previamente prensado, usualmente para el propósito de mejorar las propiedades físicas o mecánicas y características dimensionales ; (d) repasado - compactación adicional de un compacto sinterizado.

La formación a alta densidad se lleva a cabo en dados rígidos regulares utilizando prensas convencionales de reprensado/dimensionado/acuñado/repasado/estampado . La formación a alta densidad se logra mediante la selección de la composición del compacto sinterizado, por la selección de presión usada en la operación de formación, y mediante la •selección de la herramienta formadora para proporcionar libramiento en las herramientas para el movimiento del compacto sinterizado a una configuración final. Después de la operación de formado el artículo tendrá una densidad en el rango de 94% a 98% de la teórica. La densidad final actual puede controlarse con precisión controlando la composición del artículo sinterizado y controlando la presión de formación . Después de la etapa de formación, para poder totalmente desarrollar las propiedades mecánicas deseables, el artículo es recocido, a una temperatura elevada, y en una atmósfera adecuada, para poder formar un enlace metalúrgico a través del articulo formado. Las condiciones de recocido utilizadas, como atmósfera, temperatura, tiempo, y velocidad de enfriamiento se pueden seleccionar y variar para adecuarse a la función final especifica del artículo fabricado. Se describe aquí un método para hacer un artículo de metal en polvo sinterizado que tiene alta densidad y ductibilidad con propiedades mecánicas mejoradas. La presente invención emplea composiciones de acero de bajo contenido de carbón que, después del sinterizado, pueden formarse a alta densidad a temperatura ambiente. El carbón utilizando aquí tiene una composición de menos de 0.5% y preferiblemente menos de 0.3% por peso del articulo sinterizado final. Las composiciones de los artículos de metal en polvo que están sujetos a una modalidad de esta invención son del tipo que generalmente no se emplean en la industria de metal en polvo. Las composiciones de la técnica anterior generalmente incluyen el uso de aleaciones que consisten de hierro, carbón, cobre, niquel y molibdeno. En una modalidad de esta invención, las aleaciones de hierro, tal como manganeso, cromo y molibdeno se usan y se agregan como aleaciones ferrosas al polvo con base de hierro como se describe en la Patente Norteamericana 5,476,632, la cual se incorpora aquí para referencia. El carbón también se puede agregar. Los elementos de aleación de ferro manganeso, ferro cromo y ferro molibdeno se pueden usar individualmente con el polvo con base de hierro, o en cualquier combinación, como pueda requerirse para lograr los requerimientos funcionales deseados del articulo fabricado. En otras palabras se pueden usar dos aleaciones ferrosas o tres aleaciones ferrosas se pueden mezclar con el polvo con base de hierro. Ejemplos de tales polvos con base de hierro incluyen Hoeganaes Ancorsteel 1000/1Q00B/1000C, Quebec Metal Powder que se venden bajo las marcar registradas QMP Atomet 29 y Atomet 1001. Estas composiciones en polvo con base de hierro consisten- de polvo de hierro sustancialmente puro comercialmente disponible el cual preferiblemente contiene menos de 1% por peso de impurezas inevitables. Las adiciones de elementos de aleación se hacen para lograr las propiedades deseadas del artículo final. Ejemplos de rangos de composición de elementos de aleación que pueden típicamente usarse incluyen por lo menos uno de los siguientes: 0 a 0.5% de carbón, 0 a 1.5% de manganeso, 0 a 1.5% de cromo y 0 a 1.5% de molibdeno en donde el % se refiere al porcentaje en peso del elemento de aleación al peso total del producto sinterizado y el peso total de los elementos de aleación está entre 0 a 4.0%. Los elementos de aleación Mn, Cr y Mo son agregados como aleaciones ferrosas principalmente FeMn, FeCr, FeMo . El tamaño de partícula del polvo de hierro tendrá una distribución generalmente en el rango de 10 a 350 µm. El tamaño de partícula de las adiciones de aleación generalmente se encontrará dentro del rango de 2 a 20 µm. Para facilitar la compactación del polvo, se adiciona un lubricante a la mezcla de polvo. Tales lubricantes se usan regularmente en la industria de los metales en polvo. Los lubricantes típicos empleados son grados regulares comercialmente disponibles del tipo que incluye, estearato de zinc, ácido esteárico o bistearamida de etileno.

Se puede usar metal en polvo de molibdeno alternativamente pre-aleado con composiciones de molibdeno de 0.5% a 1.5% con el resto siendo hierro e impurezas inevitables. El metal en polvo de molibdeno pre-aleado se puede conseguir de Hoeganaes bajo la designación Ancorsteel 85HP (el cual tiene aproximadamente 0.85% de Mo por peso) o Ancorsteel 150HP (que tiene aproximadamente 1.50% por peso Mo) o Quebec Powder Metal bajo las marcas comerciables QMP en 4401 (que tiene aproximadamente 0.85% por peso de Mo) . El tamaño de partícula del metal de polvo de molibdeno prealeado está generalmente dentro del rango de 45 µm a 250 µm tipicamente. El mismo tipo de lubricantes mencionados anteriormente se pueden usar para facilitar la compactación. El carbón también se puede agregar entre 0 a 0.5% por peso. Como una alternativa adicional, los beneficios de la invención a ser descritos aquí pueden lograrse utilizando mezclas de hierro en polvo sustancialmente puro o elemental, mezclas en polvo totalmente pre-aleadas, mezclas en polvo parcialmente pre-aleadas, así como mezclas en polvo que contienen aleaciones ferrosas. La mezcla formulada del polvo que contiene polvo de hierro, carbón, aleaciones ferrosas y lubricantes y metal en polvo de molibdeno pre-aleado o las otras mezclas a ser descritas aquí se compactarán en la forma de fabricación usual prensándose en dados rígidos en prensas de compactación de metal en polvo regulares. Las presiones de compactación de aproximadamente 40 toneladas por pulgada cuadrada típicamente se emplean, las cuales producen un compacto verde con una densidad de aproximadamente 90% de densidad teórica de hierro forjado. En la etapa de compactación el articulo será sustancialmente formado a su configuración final requerida. Las características dimensionales no llegan hasta sus especificaciones finales debidas a que se permiten cambios dimensionales que pueden ocurrir durante el procesamiento subsecuente. El artículo compactado entonces se sinteriza a alta temperatura, en exceso de 1250°C mientras que se mantiene una atmósfera reductora o un vacío alrededor del articulo. En el caso del metal en polvo pre-aleado, metal en polvo parcialmente pre-aleado o mezclas de polvo elementales tal material se puede sinterizar a temperaturas de sinterización convencionales de 1110°C a 1150°C o a la temperatura más alta de hasta 1350°C. En el proceso de sinterización, los límites de partícula de contacto se unen metalúrgicamente y transfieren resistencia y ductibilidad al articulo sinterizado. En adición, la atmósfera reductora provoca una reducción de óxidos tanto de polvo de hierro como de las adiciones de elementos de aleación. El proceso de reducción químico provee superficies de partículas limpias lo cual mejoran la unión metalúrgica de las partículas, y más importante, permite la difusión uniforme de los elementos de aleación en partículas de hierro. El articulo sinterizado final entonces contendrá una distribución homogénea o casi homogénea de elementos de aleación a través de la microestructura. Un método de sinterización, o elección de aleación que promueva una microestructura no homogénea se considera como indeseable. Una microestructura no homogénea contendrá una mezcla de fases dura y suave, la cual adversamente afectará las características de formación del artículo sinterizado. Generalmente hablando, sólo ocurren pequeños cambios dimensionales con el sinterizado. Típicamente, se ha encontrado que sólo aproximadamente 0.3% de encogimiento ocurre en dimensiones lineales. La extensión precisa de movimiento dimensional dependerá de las condiciones de sinterización empleadas, como temperatura, tiempo y atmósfera, y en las adiciones de aleación especificas que se hacen. El artículo sinterizado tendrá aproximadamente 90% de la densidad teórica y tendrá sustancialmente la misma configuración que el artículo final. Tolerancias de procesamiento adicionales en las dimensiones están presentes y deberán de particularizarse en su totalidad aquí. El artículo sinterizado entonces se somete a la operación de formado en la cual las dimensiones se llevan esencialmente a los requerimientos finales. En otras palabras, se logra el control dimensional en el movido de la parte sinterizada durante la formación. Además, es durante la operación de formación en la cual se transfiere la alta densidad al articulo. La operación de formación muy a menudo se denomina como acuñado, dimensionado, reprensado o repasado. En esencia, todos los procesos se llevan a cabo de manera similar. La característica en común es el prensado en un artículo sinterizado dentro de una cavidad de dado rígida cerrada. En la operación de formación de alta densidad, el artículo sinterizado se prensa dentro de una cavidad de dado cerrada . La cavidad de dado cerrada de la operación de formación se muestra en la Figura 1. La cavidad 10 de dado rígida se define por las paredes 12 y 14 de dado verticales separadas, las paredes 16 de compuerta o de botador inferior y la compuerta 18 o botador superior. La parte sinterizada está representada en 20. Durante la operación de formación, la compuerta 18 o botador superior transfiere una fuerza de compresión a la parte 20 sinterizada. Alternativamente, la fuerza de compresión puede ser transferida por el movimiento relativo entre la pared 16 de compuerta de botador inferior y la parte 18 de compuerta de botador superior. La cavidad de dado cerrada está diseñado con un libramiento 22 para permitir el movimiento del materia sinterizado dúctil en una dirección perpendicular a, o normal a la fuerza de compresión como se muestra en la flecha A. Durante la compresión, la longitud o altura comprimida total del articulo sinterizado se reduce por la dimensión S. El acuñado convencional puede permitir la reducción o el movimiento del material sinterizado en la dirección A de 1 a 3%. La invención descrita aquí permite el movimiento del material sinterizado más allá del 3% de la altura o longitud originales. Es posible como será descrito aqui que la reducción S o el porcentaje de cierre del material sinterizado pueda alcanzar tanto como una reducción de 30% de la dimensión H. Se logran resultados particularmente ventajosos teniendo un cierre que represente un longitud comprimida o altura Ch, la cual está entre 3% a 19%, menos de la longitud no comprimida original. En otras palabras, S representa el cambio en la altura H total de la parte sinterizada a aquella de la altura Ch comprimido. Por otro lado, la compresión de la longitud o altura totales colapsa los poros microestructurales en la parte de metal en polvo sinterizada y con esto densifica la parte sinterizada. Otro ejemplo de la cavidad de dado cerrada se muestra en la Figura 2 donde la cavidad 10 de dado rigido cerrada una vez más se define por las herramientas rígidas principalmente las paredes 12 y 14 de dado verticales separadas respectivamente, la pared 16 de compuerta o de botador inferior y la pared 18 de compuerta y de botador superior y el núcleo 19. El núcleo 19 se mueve en una relación coaxial deslizante dentro de orificios alineados formados en la compuerta o botador superior y la compuerta o botador inferior. En este caso, la parte sinterizada está representada por un anillo 21 que tiene un orificio 23 a través del mismo. Una vez, durante la operación de formación la compuerta o botador superior 18 transfiere una fuerza A de compresión a anillo 21 de sinterizado. Alternativamente, la fuerza de compresión pueda ser transferida por el movimiento relativo entre la pared 16 de compuerta o botador inferior y la compuerta 18 o botador superior. La cavidad de dado cerrada una vez más está diseñada con un libramiento 22 para permitir el movimiento del material sinterizado dúctil en una dirección perpendicular o normal a la fuerza A de compresión. Una vez formado o comprimido el material sinterizado se moverá dentro de la cavidad cerrada desde la posición de las flechas Cv, Ch a Dv y Dh. En otras palabras, el material sinterizado se moverá para rellenar el libramiento 22. Al comprimirse, el orificio 23 tendrá un diámetro interno más pequeño después de la aplicación de la fuerza de compresión. La altura comprimida del anillo 21 sinterizado puede reducirse aproximadamente de 3 a 19% -de la altura no comprimida. En el caso mostrado en la Figura 2, la altura del anillo también representa la altura que está en la dirección axial del anillo. En otras palabras, el articulo sinterizado está formado por la compresión axial permitiendo la expansión radial para disminuir la longitud axial del artículo sinterízado aproximadamente de 3 a 30% de la longitud axial original . El libramiento 22 de herramienta depende de la geometría de la parte sinterizada, y es posible que se pueda tener un diferente libramiento 22 de herramienta en el diámetro exterior de la parte que el libramiento de herramienta en el diámetro interior. La invención descrita aqui puede usarse para producir una variedad de artículos o partes de polvo de metal en polvo sinterizada que tengan niveles múltiples. La Figura 14 es una vista en corte transversal del proceso de formación de un componente de niveles múltiples como por ejemplo, una rueda dentada 50 de transmisión. La rueda dentada 50 de transmisión mostrada en la Figura 14 tiene una configuración cilindrica con la Figura 14 siendo un corte transversal a través de la misma. La rueda dentada tiene una porción 52 de buje, una porción 54 en forma de disco y una porción 56 de diente. Un componente de niveles múltiples está compuesto de polvos de metal en polvo mencionados anteriormente principalmente : (a) mezclando carbón, por lo menos una aleación ferrosa seleccionada del grupo de Ferro Molibdeno, Ferro Cromo y Ferro Manganeso, un lubricante con polvo de hierro e impurezas inevitables como el restante, o (b) en otra modalidad, mezclar Carbón y lubricante con un polvo de molibdeno pre-aleado mencionado anteriormente, o (c) en aún otra modalidad mezclar mezclas en polvo elementales o sustancialmente puras, mezclas en polvo totalmente pre-aleadas, mezclas en polvo parcialmente pre-aleadas los polvos mezclados mencionados anteriormente entonces se compactan y sinterizan como se describe anteriormente. Enseguida, el artículo sinterizado como la rueda dentada 50 de transmisión se coloca en herramientas 58 rígidas, las cuales se encuentran en una prensa (no mostrada) . En particular, las herramientas 58 rígidas incluyen una compuerta 60 o botador inferior que tiene un orificio 62 formado a través de la misma para deslizarse en una relación de tolerancia estrecha con un núcleo 64. Las herramientas 58 rígidas también incluyen un dado 66 que ha formado dentro del mismo un orificio 68 el cual se desliza en una relación de tolerancia estrecha con la compuerta 60 o botador inferior y los botadores superiores que se describirán, más adelante. Los botadores -superiores pueden incluir un número de botadores dependiendo de la configuración de la parte con niveles múltiples y en el ejemplo mostrado en la Figura 4 comprende tres botadores 70, 72 y 74 movibles separados. Los botadores 70, 72 y 74 superiores pueden comprender botadores con una configuración cilindrica que se adapta para el movimiento deslizante con relación entre si en una relación de tolerancia estrecha. Un libramiento 76 se provee entre el buje' 52 y el botador 72 superior con otro libramiento 78 proporcionado entre el dado 66 y la sección 56 de diente. La Figura 14 ilustra que no existe libramiento entre el núcleo 64 y la parte 52 entre el botador 60 inferior y el botador 74 inferior; aunque un libramiento se puede proporcionar en esta área si se requiere. El conjunto 58 de herramienta mostrado en la Figura 14 muestra la parte 50 de niveles múltiples sinterizada en el conjunto 58 de herramienta rígida en una posición cerrada. La parte de metal 50 en polvo sinterizada puede ser introducida en el conjunto 58 de herramienta cuando los botadores 70, 72 y 74 superiores están retractados suficientemente lejos del botador 60 inferior y del núcleo 64 en una posición abierta para permitir la introducción de la parte 50 sinterizada de niveles múltiples dentro del conjunto 58 de herramienta. El dado 66 también se puede retraer en una posición superior con los dados superiores, o en una posición inferior más cercana al botador inferior cuando el conjunto 58 de herramienta está en una posición abierta. Tal dado 66, núcleo 64, botador 60 y botadores 70, 72 y 74 superiores se mueven en una prensa (no mostrada) en una forma bien conocida por aquellos expertos en la técnica tal como aquella que usa cilindros, compuertas o sujetadores de botado. Por consiguiente, una vez que la parte 50 de capas múltiples se introduce en el conjunto 58 de herramienta, el botador 60 inferior, el dado 66, el núcleo 64 y los botadores 70, 72 y 74 superiores se mueven en un movimiento deslizante relativo para presentar una cavidad de dado cerrada mezclada en la Figura 14. La cavidad de dado cerrada tiene un libramiento 76 y 78 para producir una parte 50 de niveles múltiples de metal en polvo sinterizada formada teniendo una longitud Ch comprimida la cual es de aproximadamente 3 a 30% menor que la longitud H original para incrementar la densidad de la parte 50 de capa múltiple sinterizada formada. En el ejemplo mostrado en la Figura 14 el libramiento 76 se localiza en el área 52 de buje mientras que el libramiento 78 está ubicado en el área 56 de diente. Por consiguiente, la distancia H o la longitud axial del buje 52 la distancia H del diente 56 se reducirá después de la compresión entre 3 a 30% de acuerdo con las enseñanzas de esta invención. El porcentaje de acortamiento actual de la longitud del buje 52 y del diente 56 en la dirección 80 axial puede ya sea la misma o tener diferentes porcentajes dependiendo de la cantidad de libramientos 76 y 78. Por otro lado, el espesor o longitud axial del disco 54 puede permanecer la misma antes de la formación y después de la formación en cuyo caso e movimiento relativo del botador 60 inferior y el botador 72 superior permanecerá constante durante la formación. Alternativamente el botador 72 superior y el botador 60 inferior pueden moverse hacia el otro para permitir la reducción de la sección 54 de disco del material sinterizado en la dirección A de 1 a 3 por ciento como en el caso de la formación convencional. La reducción de 3 a 30% también se puede lograr en la sección 54. Al utilizar un grado altamente dúctil de metal de polvo sinterizado, una parte que tiene una alta densidad y una alta ductibilidad se produce mediante la formación como se describe aqui. Durante el paso de formación, los poros microestructurales, se colapsan con esto proporcionando una parte de densidad elevada. Por consiguiente, después del tratamiento de calor, se produce un componente de metal en polvo que proporciona alta ductibilidad. Se logran resultados particularmente buenos utilizando elementos de aleación seleccionados del grupo de manganeso, cromo, molibdeno, en donde el elemento de aleación está en la forma de una aleación ferrosa. En otras palabras, la aleación ferrosa es seleccionada del grupo de ferro manganeso, ferro cromo y ferro molibdeno. Las aleaciones ferrosas seleccionadas entonces se mezclan con carbón y un lubricante con polvo de hierro sustancialmente puro para producir una parte sinterizada que tiene la siguiente composición en peso del peso total de la parte sinterizada donde el contenido de aleación total de la parte sinterizada se encuentra entre 0 a 4.0% por peso y las aleaciones individuales tienen las siguientes composiciones de peso: Mn 0 - - 1 . . 5 % Cr 0 - - 1 . . 5 % Mo 0 - - 1 . . 5 % C 0 - - 0 . . 5 % Fe e impurezas inevitables restante En otra palabras el contenido de aleación total se encuentra entre 0 a 4.0% por peso y el contenido de aleación, individual de Mn, Cr, Mo es de entre 0 a 1.5% cada uno con carbón entre 0 a 0.5% de peso total de la parte sinterizada, con el restante siendo polvo de hierro sustancialmente puro e impurezas inevitables. Los rangos mencionados anteriormente incluyen 0% en peso del contenido de aleación total para incluir el ejemplo de utilizar sustancialmente polvo de hierro puro con sustancialmente ninguna adición de adición (excepto impurezas inevitables) para producir un metal en polvo sinterizado de alta densidad teniendo una densidad de por lo menos 7.4 g/cc cuando se forma de acuerdo con las enseñanzas de esta invención. Tal parte exhibe alta densidad y buenas propiedades magnéticas con alta ductibilidad. En otros ejemplos, por lo menos un elemento de aleación será seleccionado del grupo de FeMn, FeCr, FeMo, y luego se mezclará con carbón y un lubricante y polvo de hierro sustancialmente puro para producir una parte sinterizada que tenga una composición de aleación total (es decir, Mn, Cr, Mo, C) de hasta 4.0s por peso del peso total de la parte sinterizada con los elementos de aleación individuales que tienen la siguiente composición en porcentaje en peso total de la parte sinterizada: Mn 0 - 1.5% Cr 0 - 1.5% Mo 0 - 1.5% C 0 - 0.5% Fe e impurezas inevitables restante Por lo tanto la parte sinterizada se forma como fue descrita Ej emplo-ferro_ aleación El carbón, una aleación ferrosa como ferro manganeso, se mezcla con lubricante y polvo de hierro. Un ejemplo de polvo de hierro usado es Hoeganaes Ancorsteel 1000/1000B/1000C o QMP Atomet 29 o QMP Atomet 1001. Por medio del ejemplo, Mn se puede agregar como FeMn, que contiene 71% de Mn . El tamaño de partícula de FeMn generalmente estará dentro del rango de 2 a 20 µm.

El polvo de hierro es polvo de hierro sustancialmente puro con preferiblemente menos de 1% de impurezas inevitables. El tamaño de partícula del polvo de hierro tendrá un rango de distribución de 10 a 350 µm. El lubricante utilizando puede ser estearato de zinc. La mezcla mezclada se compacta en una prensa con presión de compactación de aproximadamente 40 toneladas por pulgada cuadrada para producir un compacto verde con una densidad de aproximadamente 90% de la teórica. La parte compactada entonces se sinteriza a una temperatura mayor de 1250°C por una durante de tiempo de aproximadamente 20 minutos. La sinterización puede ocurrir a una temperatura entre 1250°C y 1380°C. La cantidad de carbón, ferro manganeso y polvo de hierro se selecciona para producir una parte de metal en polvo sinterizada que tiene la siguiente composición en peso en peso de la parte sinterizada total principalmente: C 0.2% Mn 0.7% Fe e impurezas inevitables siendo el restante La parte sinterizada entonces se forma como se describió previamente en una cavidad de dado cerrada la cual define la parte configurada neta final. La cavidad de dado cerrada tendrá un libramiento diseñado para el movimiento del metal en polvo sinterizado dúctil para colapsar los poros y con esto incrementar la densidad de la parte de metal en polvo sinterizada formada. Ejemplo - Pre-aleación También se han logrado buenos resultados utilizando polvo de molibdeno pre-aleado teniendo un contenido de molibdeno total de entre 0.5% a 1.5.. en peso en la forma pre-aleada como se muestra en la Figura 13. Un ejemplo de polvo de molibdeno pre-aleado el cual está disponible en el mercado se vende bajo el nombre de QMP AT 4401 el cual puede tener las siguientes propiedades físicas y químicas: Densidad aparente 2.92 g/cm3 Flujo 26 segundos/50 g Análisis Químico C 0.003% O 0.08% S 0.007% P 0.01% Mn 0.15% Mo 0.85% Ni 0.07% Si 0.003% Cr 0.05% Cu 0.02% Fe mayor que 98% Otros grados tales como Hoeganaes Ancorsteel 85HP (que tienen aproximadamente 0.85% de Mo por peso) o Ancorsteel 150HP (el cual tiene aproximadamente 1.50% por peso de Mo) y QMP AT 4401 (que tiene aproximadamente 0.85% en peso de Mo) se pueden utilizar. El tamaño de partícula del polvo pre-aleado generalmente caerá dentro del rango de 45 µm a 250 µm, típicamente. El polvo de molibdeno pre-aleado se mezcla con lubricante y 0 a 0.5% en peso de carbono del peso total del metal en polvo sinterizado, y luego se compacta como se describió anteriormente para producir un compacto verde con una densidad de aproximadamente 90% de la densidad teórica del hierro forjado. El artículo compactado entonces se sinteriza ya sea a temperaturas de sinterización convencionales de 1100°C a 1150°C o se puede sinterizar alternativamente a una temperatura más alta de hasta 1350°C durante un tiempo de duración de aproximadamente 20 minutos. La parte sinterizada entonces se forma como se describió previamente. Formado Ejemplos particulares que incluyen el paso de formado ahora serán descritos. La Figura 3 muestra el formado o acuñado de las barras de prueba de metal en polvo sinterizado producidas como se muestra en la Figura 1 teniendo un contenido de manganeso y carbón. La Figura 3 muestra que cuando la barra de prueba se somete a un incremento en la presión de acuñado o de formado de entre 40 y 75 toneladas por pulgada cuadrada, la parte sinterizada formada tendrá un incremento resultante en densidad de aproximadamente 7.25 a justo por encima de los 7.50 g/cm3. En otras palabras, con un incremento en la presión de formado y ocurre en la densidad formada. La densidad de las barras de prueba de Fe-C-Mn se acercarán a la densidad teórica del acero forjado. En los ejemplos delineados aqui, el formado ocurre a temperatura ambiente aunque en otra modalidad el formado también puede ocurrir a una temperatura elevada. La Figura 4 es una gráfica que muestra el impacto de la presión de formado en la densidad formada de una parte sinterizada que comprende Fe-C-Mn. La Figura 4, generalmente ilustra que con un incremento en la presión de formado, se observará un incremento en la densidad formada como se ilustra en la misma. La Figura 5 ilustra densidad y cierres de partes de metal en polvo de Fe- C-Cr que se acuñan a 60 toneladas por pulgada cuadra. La primera gráfica de barra a la izquierda muestra que una parte de metal en polvo sinterizada que tiene 0.48% de cromo y 0.16% de carbón con el restante siendo esencialmente hierro e impurezas inevitables cuando se forma o acuña a 60 toneladas por pulgada cuadrada produce una _ parte sinterizada formada teniendo una densidad de por encima de 7.65 g/cc. El cierre o la cantidad de reducción S de la altura comprimida contra la altura no comprimida del anillo sinterizado se acerca a aproximadamente 30%. En otras palabras, el diámetro interior del anillo 21 fue suficientemente grande y el libramiento diseñado para producir un cierre o reducción de aproximadamente 30% en la altura comprimida contra la altura no comprimida del anillo sinterizado formado. La segunda gráfica de barra ilustra una parte sinterizada que tiene 1.15% de cromo en 0.15% de carbón en el peso total de la parte sinterizada la cual está formada a 60 toneladas por pulgada cuadrada para producir una parte sinterizada formada teniendo una densidad de aproximadamente 7.625 g/cc. El cierre o la reducción en la altura S del anillo 21 con el mismo tamaño es ligeramente más baja a 28%. La tercera gráfica -de barra muestra en la Figura 5 muestra una parte sinterizada teniendo 1.51% de cromo y 0.15% de carbón con el resto siendo hierro e impurezas inevitables la cual se ha formado a 60 toneladas por pulgada cuadrada para producir una parte que tiene una densidad de aproximadamente 7.525 g/cc. El cierre es de aproximadamente 25%. Tres otros resultados también se muestran en la Figura 5. La Figura 6 es otra gráfica que muestra densidad formada y el cierre del metal en polvo de Fe-C-Mo, el cual ha sido acuñado a 60 toneladas por pulgada cuadrada.

Generalmente hablando, concentraciones más altas de molibdeno disminuirán la densidad de la parte formada al igual que proporcionarán un grado más pequeño de cierre. Por ejemplo, una parte sinterizada que tiene 0.41% en peso de molibdeno y 0.09% de carbón con hierro restante una vez formado a 60 toneladas de pulgada cuadra produce la parte que tiene una densidad ligeramente mayor de 7.60 g/cc. El cierre es de aproximadamente 28%. La Figura 7 ilustra la densidad y el cierre formado del metal en polvo Fe-C-Mn formada a 60 toneladas por pulgada cuadrada. Generalmente hablando, concentraciones más altas de manganeso reducen la densidad de la parte sinterizada formada y permiten menos cierre. Lo anterior muestra que al controlar la composición química del articulo sinterizado y al controlar las fuerzas de presión y libramiento y una cavidad de dado cerrada, se puede lograr un incremento sorprendente en la densidad. Las Figuras 3 a 7 muestran las densidades y cierres que se pueden lograr cuando se usan combinaciones singulares de las aleaciones ferrosas principalmente FeMo, FeCr, y FMn con polvo con base de hierro. Por supuesto que es posible, como se describió anteriormente, utilizando más de una aleación ferrosa, es decir, FeMo, FeCr, FeMn con polvo con base de hierro como se desee para lograr requerimientos funcionales del articulo fabricado. Por ejemplo, la Figura 15 muestra que se pueden lograr densidades formadas incrementadas con 0.2% C, 0.9% Mn y 0.5% Mo en peso. En este ejemplo, se agrega FeMn y FeMo y se mezclan con el polvo con base de hierro y carbón para producir una parte sinterizada que tiene 0.2% C, 0.9% Mn y 0.5% por peso del peso total con el restante siendo hierro e impurezas inevitables. En otras palabras, se pueden mezclar aleaciones ferrosas separadas de FeMo, FeCr y FeMn con polvo con base de hierro-. Las Figuras 8 y 9 generalmente muestran el efecto que tiene el porcentaje de los ingredientes aleados de Mn, Mo, Ni y Cr sobre la resistencia y dureza de la parte sinterizada . La Figura 8 muestra que la adición de manganeso tiene un mayor efecto en la resistencia a la tensión de la parte de metal en polvo de metal del molibdeno, cromo o niquel . La Figura 9 generalmente muestra que el manganeso incrementa la dureza de los artículos de metal en polvo sinterizados más que el molibdeno. La adición del molibdeno tiene un_ mayor efecto en la dureza de la parte de metal en polvo sinterizada que el cromo o niquel. Además, se deberá tener cuidado y no agregar demasiado manganeso ya que esto puede obstaculizar la operación de formado ya que el Mn tiene un fuerte efecto en la resistencia. En particular, no más de 1.5% de Mn deberá incluirse en el peso total del artículo de metal en polvo sinterizado. Por ejemplo, se puede usar Cr ya que a una composición de Cr dada no se incrementa la resistencia del artículo sinterizado tanto como el Mn (ver Figura 8), pero si transfiere una alta dureza (ver Figura 9) . Tratamiento de Calor Después de la operación de formado para poder desarrollar las propiedades mecánicas totales del articulo podrían ser necesario someter el articulo a una operación de tratamiento de calor. La operación de tratamiento de calor generalmente se lleva a cabo dentro del rango de temperatura de 800°C a 1300°C. Las figuras 10 y 11 anexas indican el efecto de las condiciones de tratamiento de calor en las propiedades mecánicas finales del artículo. Las condiciones pueden variar dentro del rango anterior para adecuarse a los requerimientos funcionales deseados del articulo especifico. También es preferible utilizar una atmósfera de protección durante el proceso de- recocido. La atmósfera evita la oxidación del artículo durante la exposición a la temperatura elevada del proceso de tratamiento de calor. La atmósfera actual utilizada puede consistir de mezclas dé hidrógeno/nitrógeno, mezclas de nitrógeno/gas exotérmico, mezclas de nitrógeno/gas endotérmico, amonio desasociado o un vacío. En la etapa de tratamiento de calor generalmente se prefiere mantener una atmósfera neutra en términos de potencial de carbón con respecto al contenido de carbón del artículo. En casos especiales, por ejemplo, si el artículo requiere alta resistencia al desgaste, una atmósfera de carburización se puede usar durante el tratamiento de calor. La atmósfera de carburización- puede consistir de metano o propano donde os átomos de carbón migrarán del metano o propano a las capas de superficie del artículo. En tal operación, el carbón será introducido en las capas de superficie del articulo. Si el articulo subsecuentemente se enfría con rapidez, un producto de cubierta endurecida se puede producir con propiedades resistentes al desgaste benéficas . El proceso de tratamiento de calor específicamente provoca el enlace metalúrgico dentro del articulo densificado. Después del formado, no existe un enlace metalúrgico entre las partículas en polvo comprimidas. Tal estructura, mientras que tiene alta densidad, generalmente no demostrará buenas propiedades mecánicas. A la temperatura elevada del proceso de tratamiento de calor, la estructura trabajada en frió se recristalizará y el enlace metalúrgico-ocurre entre las partículas comprimidas . Después de completar el proceso de enlace metalúrgico, el articulo demostrará propiedades de ductibilidad sorprendentes las cuales son inusuales para los artículos PM sinterizados . Después del tratamiento de calor, el artículo está listo para usarse y exhibirá propiedades mecánicas que son generalmente muy similares al acero forjado de la misma composición química. La Figura 12 muestra propiedades mecánicas típicas de un material fabricado por el proceso inventado. La ductibilidad, resistencia al impacto y resistencia de fatiga en cuanto al Índice de resistencia a la tensión sorprendentes son consecuencias .típicas del nuevo proceso. Como se puede ver de la gráfica comparativo para los materiales PM regulares (representados por la designación FC0200) , que se fabrican típicamente alrededor de 90% de densidad teórica, las propiedades mecánicas previamente descritas se mejoran significativamente. Por ejemplo, la Figura 12 muestra las propiedades mecánicas para un material de Fe C Mn (0.2 C y 0.7 Mn) producido por la invención descrita aquí contra las propiedades mecánicas de un material P-i regular tal como FC0200 (teniendo bajo carbón 0-03% C y un material de baja aleación es decir 1.5 a 3.9% en peso de cobre) contra las propiedades mecánicas del acero forjado teniendo la designación AISI 1020. La resistencia de impacto sin rebajo de Fe C Mn a más de 120 pies libras y el alargamiento en 23% son notables. Las propiedades de fatiga fueron" determinadas por el doblez en tres puntos. La alta densidad también produce una mejora significativa en el modulo elástico. El alargamiento logrado depende del contenido de aleación y de la densidad de la parte final. Si se requiere una mejora de propiedad mecánica adicional, por ejemplo, en una rueda de engranaje, rueda dentada o aplicaciones tipo balero, un proceso de densificación selectivo como se describe en la Patente de U.K. G.B. 2,550,227B, 1994 se puede utilizar, la cual consiste en densificar la superficie exterior de los dientes del engrane mediante una máquina laminadora de un solo dado o dado gemelo y puede incluir la laminación de los costados y de la raíz simultánea y/o separada. En cada caso, el dado laminador está en la forma de un engranaje de acoplamiento hecho de acero de herramienta endurecido. Durante el uso, el dado se acopla con la plantilla de engranaje sinterizada, y a medida que las dos giran su eje se une para compactar y laminar las áreas seleccionadas _ de la superficie de la plantilla de engranaje. El proceso como se describe aqui se puede usar para producir un número de productor que incluyen planchas de apoyo de embrague, ruedas dentadas y engranajes de transmisión. Ya que las ruedas dentadas y los engranajes de transmisión generalmente requieren alta resistencia al desgaste y una atmósfera de carburización puede usarse durante el tratamiento de calor. Los engranajes de transmisión generalmente requieren superficies endurecidas y núcleos endurecidos, y por consiguiente, adicionar agentes para incrementar la dureza como cromo o molibdeno.

Método Alternativo para Formar Componentes Sinterizados a Alta Densidad a Temperatura Ambiente El método preferido para fabricar un artículo de alta densidad como se describe aquí implica el uso de: (a) aleaciones ferrosas en polvo combinadas con polvo de hierro sustancialmente puro; (b) metales en polvo de molibdeno pre-aleado. Se ha encontrado que los beneficios de la invención descritos aquí también pueden lograrse por el uso de los métodos, que se describirán más adelante. En consideración con el método de seleccionar qué adiciones de aleación se pueden usar, es necesario considerar los requerimientos de dureza del artículo que será fabricado. Dureza La dureza es la medida de la profundidad a la cual un acero se endurecerá al enfriarse rápidamente. La dureza máxima se controla por el contenido de carbón. La dureza es una función combinada del contenido de carbón, tamaño de grano y contenido de aleación {ejemplos de elementos de aleación tipicamente usados son Mn, Cr, Mo, Ni, Cu, B, Nb, V, Si y otras aleaciones de acero típicas que se pueden usar típicamente) . Significancia de la Dureza En muchos aplicaciones de ingeniería, los componentes se tratan con calor enfriándolo rápidamente y temperándolo para poder desarrollar propiedades mecánicas deseables. Usualmente, es deseable para tales componentes endurecer regiones centrales, en adición de la superficie durante la operación de enfriado rápido. La dureza lograda en las regiones centrales depende de la dureza del material. La Figura 16 muestra cómo la dureza influencia la dureza que podría lograrse después de enfriar rápidamente similarmente dos piezas de acero de diferente dureza. El acero con una baja dureza proporciona baja dureza en su región central dentro del enfriado rápido. Tal condición podria ser indeseable para un articulo fabricado debido a que la baja dureza lleva a una baja resistencia y una resistencia a la fatiga reducida del artículo. Cálculo de la Dureza El cálculo de la dureza es bien conocido en la industria del procesamiento del acero. Un método se basa en el cálculo de un cierto diámetro ideal (Di) que se endurece por templado al enfriarlo rápidamente. Un ejemplo de una ecuación para calcular Di es como sigue: DT. = D x FMn x FNl x FCr FMo x FCu etc . en donde Di = Diámetro ideal D = Diámetro base F = Factor de multiplicación para cada elemento en aleación que está presente en la composición de acero Ej emplo Un acero contiene 0.4% C, 0.8% Mn, 0.2% Si, 1.8% Ni, 0.9% Cr y 0.30% Mo . Tiene un tamaño de grano de 7 (7 hace referencia a una gráfica de comparación disponible en el mercado) . Primero el diámetro base se determina de la gráfica de la Figura 17 del contenido de carbón conocido de 0.4% y de tamaño de grano de 7. El diámetro base, D, se encuentra como 0.213 pulgadas. Enseguida, los factores de multiplicación para cada elemento de aleación se encuentran de la gráfica de la Figura 18. Esto da FMn = 3.667, FSl = 1.14, FNl = 1.68, FCr = 2.944, FMo = 1.9. Al aplicar estos valores a la ecuación nos proporciona lo siguiente: Di = 0.213 x 3.667 x 1.14 x 1.68 x 2.944 x 1.9 = 8.367 pulgadas . De este modo, al enfriar rápidamente el acero anterior en la forma de una barra redonda, el endurecimiento por templado se esperaría que fuera hasta un diámetro de 8.367 pulgadas. A diámetros más grandes el centro de la barra no se endurecerá en su totalidad. Alternativamente, si el articulo fabricado tiene una sección de menos de 8.367 pulgadas, entonces los niveles reductivos de elementos de aleación podrían usarse para reducir el costo.

Relación de Dureza con la Invención Los ejemplos anteriores muestran que cierta dureza deseada podría lograrse con un gran número de combinaciones de elementos de aleación y niveles de adición. El método preferido para fabricar un articulo de alta densidad como se describe aquí es usar aleaciones ferrosas en polvo combinadas con polvo de hierro relativamente puro. Sin embargo, se pueden citar otros polvos que se usan para lograr la dureza útil y deseable del articulo final. Por ejemplo, los polvos de los siguientes grupos, ya sea individuales o en combinación con unos con otros se pueden usar. 1. mezclas en polvo elementales o sustancialmente puras (es decir, que tienen solamente elementos traza o impurezas inevitables, digamos por ejemplo menos de 1% por peso, los cuales están disponibles en el mercado) 2. mezclas en polvo totalmente pre-aleadas 3. mezclas en polvo parcialmente pre-aleadas 4. aleaciones ferrosas que contienen mezclas en polvo . Ej emplo La Figura 15 ilustra el efecto de la presión de formación en la densidad de un material de 0.2C, 0.9Mn, 0.5Mo el cual fue producido a través del uso de las aleaciones ferrosas en polvo combinadas con polvo de hierro sustancialmente puro. Esto formó un compacto sinterizado que exhibió una densidad entre 7.4 y 7.7 g/cc y tuvo una longitud comprimida la cual fue de aproximadamente 3 a 30% menor que su longitud original cuando se formó en una cavidad de dado cerrada teniendo un libramiento. Aunque la parte sinterizada formada teniendo 0.2C, 0.9Mn y 0.5Mo fue producida con polvo de hierro sustancialmente puro y aleaciones ferrosas, se puede lograr el mismo resultado utilizando otros polvos, como se mencionó en los incisos 1, 2, 3, 4 anteriormente. Por ejemplo, los polvos pre-aleados como Atomet 4601 disponibles de QMP que tienen las siguientes características se pueden usar: Densidad aparente g/cm3 2.92 Velocidad de flujo seg/50 g 26 Análisis Químico: Contenido de hierro 97% + Carbón 0.003% Oxígeno 0.10% Azufre 0.009% Fósforo 0.012% Silicio 0.003% Manganeso 0.20% Niquel 1.8% Molibdeno 0.55% Análisis granulométrico : malla US traza +70 10 70/100 17 10.0/140 20 140/200 25 200/325 28 Para poder determinar si se puede usar Atomet 4601 en lugar del polvo de hierro sustancialmente puro y aleaciones ferrosas, se debe determinar el diámetro crítico para el material 0.2C, 0.9Mn, 0.5Mo mencionado en la Figura , el cual por ejemplo, tendrá un tamaño de grano de 7. D = 0.15 (extrapolado de la Figura 17 con tamaño de grano 7, carbón 0.2) FMn = 4.2 (de la Figura 18) FMo = 2.5 (extrapolado de la Figura 18) Di = D x FM? x FMo = 0.15 x 4.2 x 2.5 = 1.58 pulgadas De este modo al enfriar rápidamente el acero anterior en la forma de una barra redonda, se podría esperar un endurecimiento por templado de un diámetro de hasta 1.58 pulgadas . Cuando se forma en una cavidad de dado cerrada tal material (es decir, 0.2C, 0.9Mn, 0.5Mo) tendrá una densidad entre 7.4 a 7.7 g/cc (dependiendo de la presión de formación y un cierre para el movimiento de la parte de metal en polvo sinterizada formada teniendo una longitud comprimida la cual es de aproximadamente 3 a 30% menor que la longitud original) . Se pueden obtener resultados sustancialmente similares con otro material como Atomet 4601 particularizado anteriormente, es decir. C = 0.003 Si = 0.003 Mn = 0.2 Ni = 1.8 Mo = 0.55 con, por ejemplo un tamaño de grano de 7 y agregando carbón en la forma de grafito para producir una parte sinterizada teniendo un contenido de carbón total de 0.2% C. En este caso: D = 0.15 (con 0.2% C, tamaño de grano 7 de la Figura 17) FS? - insignificante (es decir, aproximadamente 1 de la Figura 18) FMn - 1.75 (Figura 18) FNl - 1.7 (Figura 18) FMo - 2.6 (extrapolado de la Figura 18) Di = D x FSl x FMn x FNl x FMo = 0.15 x 1.75 x 1.7 x 2.6 = 1.16 Por consiguiente, del punto de dureza y se usó la pre-aleación de Atomet 4601 como el material inicial, al enfriar rápidamente la parte de metal en polvo sinterizada a través del endurecimiento se podria esperar hasta un diámetro de 1.16 pulgadas. Esto no es realmente equivalente a la dureza de la composición de 0.2C, 0.9Mn, 0.5Mo mencionada en la Figura 15 lo cual quiere decir que una parte sinterizada como un engranaje que tiene un corte de menos de 1.16 pulgadas se requirió que la pre-aleación de Atomet 4601 fuera usada en lugar del polvo de hierro sustancialmente puro con aleaciones ferrosas para producir endurecimiento por templado al enfriarlo rápidamente que concordaría con la composición de 0.2C, 0.9Mn, 0.5Mo . Alternativamente, si un diámetro de 1.58 pulgadas fue requerido para una parte sinterizada como un engranaje, se podría usar la pre-aleación de Atomet 4601 y obtener una dureza sustancialmente similar a la composición de aleación ferrosa de 0.2C, 0.9Mn, 0.5Mo de la Figura 15 adicionando otro elemento de aleación para incrementar Di a 1.58 de 1.16 pulgadas. diámetro crítico requerido = 1.58 diámetro actual = 1.16 factor de multiplicación requerido = x . 1.58 = 1.43 x x = 1.36 En otras palabras, se debe adicionar un elemento de aleación el cual tiene el efecto de incrementar el factor de multiplicación por 1.36. Por ejemplo, haciendo referencia a la Figura 18, se puede incrementar la dureza del Atomet 4061 por un factor de 1.36 si : (a) se adiciona 0.25 de Cr ya sea como una aleación ferrosa en polvo sustancialmente pura o como una pre-aleación siempre y cuando los otros factores de multiplicación no sean afectados; o (b) adicionar otro elemento de aleación como manganeso o Ni o Mo una vez más ya sea en la forma de un polvo sustancialmente puro, aleación ferrosa, o pre-aleación siempre y cuando los otros factores de multiplicación no se vean afectados . Por ejemplo, de la Figura 18 : Factor Factor objetivo pa ra % requendo de del Adición de de ser incrementado por elemento de la Elemento de elemento de Atomet 1.36 Figura 18 Atomet 4601 aleación 4601 F ? 1.75 1.75 x 1.36 = 2.38 0.40% 0.2 0.20 F„. 1.7 1.7 x 1.36 = 2.31 2.80% 1.9 0.90 F-, 2.6 2.6 x 1.36 = 3.53 0.84% 0.55 0.29 Por lo tanto se puede adicional al Atomet 4061 hasta : 0.20% Mn o 0.90% Ni o 0.29% Mo por peso ya sea como polvo sustancialmente puro o una aleación ferrosa o una pre-aleación siempre y cuando los otros factores de multiplicación no cambien o se vean afectados, en cuyo caso la dureza sería sustancialmente la misma que la composición de 0.2C, 0.9Mn, 0.5Mo es decir, el diámetro crítico sería de 1.58 pulgadas. Alternativamente, si la pre-aleación 4601 se usa en lugar de la composición de aleación ferrosa de 0.2.C, 0.9Mn, 0.5Mo, en una parte sinterizada teniendo un corte de 1.16 pulgadas o menos la dureza por templado al enfriar rápidamente los dos materiales sería sustancialmente la misma. En esta situación, el contenido de aleación ferrosa sería ajustado, para reducir ya sea el contenido Mn o Mo para dar un DS de 1.16 pulgadas para reducir los costos. Para poder producir una parte PM, el polvo sería compactado como se describió y luego sinterizado. La sinterización de las pre-aleaciones y las mezclas elementales podria ocurrir a una temperatura de 1100°C o más. Cálculos similares se pueden utilizar para una gama sin fin de composiciones en polvo. El objetivo de tales cálculos es llegar a un diámetro crítico similar a aquel logrado cuando se usa polvo de hierro sustancialmente puro con aleaciones ferrosas y el cual al aplicar el paso de formación produzca una parte sinterizada que tiene una densidad de 7.4 a 7.7 g/cc. Por lo tanto, una etapa adicional en el procedimiento alternativo -implica no solamente considerar la dureza sino lograr la densidad deseada de 7.4 a 7.7 g/cc en la formación. Si uno se fija en el ejemplo anterior, uno podria adicional al Atomet 4601 0.20% Mn o 0.90% Ni o 0.29% Mo como se describió para llegar al diámetro critico de 1.58 el cual es similar a-- la composición de 0.2C, 0.9Mn, 0.5Mo . Sin embargo, al hacer referencia a al Figura 18 Mn tiene un efecto mayor en proporcionar más resistencia al acero que Ni. Para poder determinar si la parte de metal en polvo sinterizada producirá una densidad de entre 7.4 a 7.7 g/cc cuando se forma, barras de prueba se producen y se someten a un incremento en la presión de acuñado o de formado entre 40 a 75 toneladas por pulgadas cuadrada como se describe anteriormente. Las barras de prueba formadas entonces se prueban por densidad para empíricamente determinar si la parte sinterizada formada tiene una densidad entre 7.4 a 7.7 g/cc. Por ejemplo, podría determinarse empíricamente que si se adiciona al 0.20% de Mn al polvo prealeado de Atomet 4601 para un total de .40% de Mn que es la resistencia de la parte sinterizada seria demasiado (ver Figura 8) para producir una parte sinterizada formada teniendo una densidad entre 7.4 a 7.7 g/cc. Alternativamente, en vez de adicionar ya sea 0.20% Mn o 0.90% Ni o 0.29% Mo se puede decidir adicionarse Cr. La Figura 18 muestra que Cr tiene un factor de multiplicación relativamente más grande en cuando a la dureza igual a Mn, sin embargo, Cr tiene mucho menos efecto en la resistencia tensión del acero que Mn como se ilustró en la Figura 8. Por lo tanto, para poder incrementar la dureza de Atomet 4601 a 1.58 una cantidad suficiente de Cr en la forma de una pre-aleación, aleación ferrosa o polvo sustancialmente puro se puede adicionar, para incrementar el factor de multiplicación por 1.36. Al hacer referencia a la Figura 18 se podría adicionar 0.18% de Cr a la pre-aleación de Atomet 4601. Barras de prueba se pueden producir y someter a la presión de formación en un dado cerrado con el cierre como se describió y probó para determinar si la densidad cae dentro del rango de 7.4 a 7.7 g/cc. Otros composiciones se pueden probar de acuerdo con las enseñanzas descritas aqui para empíricamente determinar qué combinaciones de polvo pueden producir densidades entre 7.4 y 7.7 g/cc y si la parte de metal en polvo sinterizada formada tiene una longitud comprimida la cual es de aproximadamente 3 a 30% menor que la longitud original. En la solicitud descrita aquí, el producto sinterizado formado de alta densidad es producido a través del uso de: (a) polvo de hierro sustancialmente puro con la adición de aleaciones ferrosas, o (b) polvo de molibdeno pre-aleado. El uso del polvo de hierro sustancialmente puro mezclado con aleaciones ferrosas se prefiere, ya que los polvos son relativa y altamente comprimible, relativamente baratos en comparación con pre-aleaciones y se pueden fabricar fácilmente en vista del hecho de que se pueden adicionar elementos de aleaciones ferrosas separados. Sin embargo, los resultados de la invención descritos aquí también se pueden lograr como se describe a través del uso de polvos pre-aleados de molibdeno. Como una alternativa adicional, otras mezclas de polvos pueden ser usadas como se describió. Para poder determinar qué otras mezclas de polvo se pueden usar se requieren los siguientes pasos: 1. seleccionar un diámetro crítico objetivo para lograr el endurecimiento por templado al enfriarlo rápidamente de la parte sinterizada formada, y 2. seleccionar una composición en polvo que logre el diámetro crítico objetivo seleccionado; y 3. empíricamente determinar que la parte sinterizada compuesta de la composición seleccionada da como resultado un producto sinterizado formado el cual exhibe densidad de entre 7.4 y 7.7 g/cc. En todos los aspectos de la invención descritos aquí, utilizando las aleaciones ferrosas preferidas, o pre-aleaciones, u otras mezclas descritas aquí que forman alta densidad se logran mediante: (i) seleccionar la composición del compacto sinterizado; (ii) seleccionar la presión utilizada en la operación de formación; (iii) seleccionar la herramienta formadora para proporcionar libramiento en las herramientas para el movimiento del compacto sinterizado a una configuración final . Al controlar la composición química del artículo sinterizado y controlando las fuerzas de presión y libramiento en una cavidad de dado cerrada se puede lograr un incremento sorprendente en la densidad.

Aunque el ejemplo usado en el método alternativo adicional aquí descrito fue en relación a Atomet 4601, otros polvos pre-aleados que generalmente están disponibles también se pueden usar, como por ejemplo, Atomet 4201, el cual generalmente incluye un contenido de hierro de 98% +, carbón 0.04%, manganeso 0.8%, níquel 0.45%, y molibdeno en 0.6%. Otras pre-aleaciones, sin embargo se pueden usar de acuerdo con las enseñanzas de esta invención. Por otro lado, la aleación con más polvos convencionales como níquel y cobre se pueden usar. Por otro lado, los diferentes métodos descritos aquí se pueden usar para producir engranajes como engranajes de transmisión teniendo una alta densidad. En particular, cuando se utiliza el método alternativo adicional descrito aquí para producir engranajes como engranajes de transmisión teniendo alta densidad, la referencia en cuanto al diámetro crítico se relaciona con el diámetro crítico efectivo o los costos críticos del engranaje. Por ejemplo, el corte critico efectivo o el diámetro critico 100 o de diente 102 se ilustra en la Figura 19. De igual manera, el diámetro crítico o el corte 104 critico del buje 106 se ilustra en la Figura 19. Por consiguiente, se pueden producir engranajes como engranajes de transmisión teniendo la densidad requerida de 7.4 a 7.7 g/cc en diferente corte crítico 100 y 104 seleccionado la composición o presión y herramientas de formación para producir densidad de entre 7.4 y 7.7 g/cc. Se pueden usar métodos alternativos que implican el cálculo del diámetro crítico o cortes para diseminar engranajes que tengan densidades de 7.4 a 7.7 g/cc. Tal método implica la determinación de los cortes críticos 100 y 104 en las diferentes porciones del engranaje. El diámetro de corte crítico objetivo puede diseñarse para endurecer por templado la sección más gruesa del engranaje ya que como una consecuencia, las secciones más delgadas también se endurecerían por templado. Se puede entonces diseñar el engranaje con un contenido de carbón particular como 0.2% por ejemplo, y seleccionar el tamaño de grano de 7. Alternativamente, también se podria diseñar un engranaje de metal en polvo el cual tenga buenas características de resistencia en comparación con un engranaje hecho en una manera tradicional de acero forjado teniendo la designación 8620 AISI. Por ejemplo, la designación 8620 AISI, tiene un contenido aproximadamente de: (a) Ni 0.55% (b) Cr 0.50% (c) Mo 0.2% (d) Mn 0.8% (e) C 0.2% Por lo tanto, se pueden seleccionar varios polvos como se describió anteriormente y determinar los cortes críticos como se describió para poder lograr los cortes críticos objetivos. Por lo tanto, varias barras de prueba de la parte sinterizada formada se pueden producir y analizar para determinar las densidades. Enseguida, aquellas composiciones al polvo se seleccionan para producir productos y partes como engranajes que exhiben la densidad requerida de 7.4 a 7.7 g/cc en los cortes críticos. Aunque la modalidad preferida al igual que la operación y el uso han sido específicamente descritos con relación a los dibujos, se deberá entender que variaciones en la modalidad preferida se pueden lograr por aquella persona experimentada en la técnica sin alejarse del espíritu de la invención como se reclama aquí.

Claims (18)

1. REIVINDICACIONES 1. Un método para formar artículos de metal en polvo sinterizado para densificar el artículo sinterizado, caracterizado porque: (a) seleccionar un diámetro critico objetivo para lograr el endurecimiento por templado al enfriado rápidamente de la parte sinterizada; (b) seleccionar una composición en polvo que logre el diámetro crítico objetivo seleccionado; (c) mezclar la composición en polvo; (d) prensar la mezcla mezclada para formar el artículo; (e) sinterizar el compacto a una temperatura de por lo menos 1100°C; (f) enseguida, formar el artículo sinterizado a una densidad entre 7.4 y 7.7 g/cc en una cavidad de dado cerrada teniendo un libramiento para producir una parte de metal en polvo sinterizada formada teniendo una longitud comprimida la cual es de aproximadamente 3 a 19% menor que la longitud original cuando se somete a una presión entre 40 y 90 toneladas por pulgada cuadrada para incrementar la densidad del articulo sinterizado formado.
2. 2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el articulo sinterizado está formado en una cavidad de dado cerrada teniendo un libramiento para producir una parte de metal en polvo sinterizada formada teniendo una longitud comprimida la cual es aproximadamente 3 a 30% menor que la longitud original cuando se somete a una presión entre 617MPa a 1390MPa para incrementar la densidad del artículo sinterizado formado.
3. 3. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la composición en polvo se selecciona de : (a) mezclas de polvo elementales o sustancialmente puras ; (b) mezclas en polvo totalmente pre-aleadas; (c) mezclas en polvo parcialmente pre-aleadas; (d) aleaciones ferrosas que contienen mezclas en polvo
4. 4. El método de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque las mezclas de polvo que contiene aleaciones ferrosas comprenden polvo de hierro sustancialmente puro y por lo menos una aleación ferrosa seleccionada del grupo que consiste de ferro molibdeno, ferro cromo, ferro magnesio y la sinterización ocurre a una temperatura entre 1250°C y 1350°C.
5. 5. El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el metal en polvo mezclado se comprime a aproximadamente 90% de la densidad teórica.
6. 6. El método de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el metal en polvo sinterizado se forma a una densidad de por lo menos 94% de la densidad teórica . 7. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el metal en polvo sinterizado formado tiene una densidad entre 7.4 y
7. 7.7 g/cc.
8. 8. El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el articulo sinterizado formado se recoce a una temperatura mayor de 800°C en una atmósfera de reducción o carburización o vacío.
9. 9. El método para formar artículos de metal en polvo sinterizados formando el metal en polvo sinterizado en una cavidad de dado cerrada teniendo un libramiento para el movimiento del metal en polvo sinterizado a una configuración final con una densidad entre 7.4 y 7.7 g/cc, la parte de metal en polvo tiene una longitud comprimida la cual es aproximadamente 3 a 30% es menor que la longitud original.
10. 10. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el articulo tiene la densidad de superficie incrementada mediante densificación selectiva.
11. 11. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el articulo se somete a proceso de tratamiento de calor para desarrollar propiedades mecánicas seleccionadas .
12. 12. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el polvo comprende polvo de prealeación con elemento de aleación.
13. 13. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además se selecciona: (a) una presión para formar el artículo de metal en polvo sinterizado a una densidad de 7.4 a 7.7 g/cc; (b) una herramienta formadora para proporcionar un libramiento en la herramienta para el movimiento del articulo sinterizado formado a una conformación final con una densidad incrementada de 7.4 a 7.7 g/cc.
14. 14. El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque el diámetro crítico objetivo se determina por: Dx = D x Fi x F2...xFn en donde D1 = diámetro crítico objetivo D = diámetro base F3,F2,Fn = factor de multiplicación para cada elemento de aleación que está presente en la composición de metal de polvo.
15. 15. El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque la composición de metal en polvo comprende : (a) mezclar el polvo con base de hierro con aleaciones ferrosas, grafito y lubricante para proporcionar una composición química seleccionada para el artículo de metal en polvo sinterizado teniendo un por ciento en peso: 0 a 0.5% carbono 0 a 1.5% manganeso 0 a 1.5% molibdeno 0 a 1.5% cromo con el resto siendo hierro e impurezas inevitables .
16. 16. El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque la composición de metal en polvo comprende: (a) mezclar carbón y lubricante con un polvo de molibdeno pre-aleado para proveer una composición química seleccionada para el metal en polvo sinterizado que tiene un porcentaje en peso de: 0.5 a 1.7% de molibdeno con el restante siendo hierro e impurezas inevitables .
17. 17. El método de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque la composición de aleación total comprende de hasta 4.0% del peso total del artículo sinterizado .
18. 18. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la formación ocurre a una presión entre 617MPa a 1390MPa.