ACERO PARA CONSTRUCCIÓN MECÁNICA, MÉTODO DE FORMACIÓN EN CALIENTE DE UNA PIEZA DE ESTE ACERO Y PIEZA ASÍ OBTENIDA DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención es concerniente con siderurgia y más precisamente, la fabricación de piezas de acero que pueden ser en particular utilizadas en la construcción mecánica y formadas mediante el método denominado "tixoforjado" . El tixoforjado pertenece a la categoría de métodos de formación de metales en estado semisólido. Este método consiste en realizar una deformación importante en un trozo caliente entre sólido y liquido. Los aceros utilizados para este método son aquellos clásicamente utilizados para el forjado en caliente a los cuales, si es necesario, se hace previamente sufrir una operación metalúrgica consistente en globulizar la estructura primaria clásicamente dendritica. En efecto, esta estructura primaria dendritica no está adaptada a las operaciones de tixoforjado. En el curso de calentamiento de hasta a temperaturas comprendidas entre el sólido y el líquido, la micro-segregación existente entre las dendritas y los espacios inter-dendríticos va a ocasionar la fusión del acero preferiblemente en estos espacios inter-dendríticos. Durante la operación de formación de este enredo de líquido y de sólido, la fase líquida va en un primer tiempo a ser Ref.: 152484 expulsada al principio de la aplicación del esfuerzo. Faltarla deformar la fase sólida y un residuo de liquido en gran parte separado de la fase sólida, lo que ocasionarla un aumento de esfuerzos. Para una operación de deformación en esas condiciones, el resultado obtenido es malo: segregaciones importantes, defectos internos. En cambio, cuando el tixoforjado es efectuado sobre un acero de estructura globular, llevado a estado semisólido mediante un calentamiento a una temperatura comprendida entre el liquido y el sólido, las partículas globulares sólidas son repartidas de manera uniforme en la fase líquida. Al optimizar la elección de la proporción de sólido/líquido, se puede obtener un material que presenta una velocidad de deformación elevada bajo el efecto de una importante restricción de corte. Presenta así, una deformabilidad muy alta . Es no obstante posible, en ciertos casos, obtener la estructura globular deseada durante- el calentamiento previo al tixoforjado, sin tener que recurrir a una operación de globulización de la estructura primaria separada. Este es el caso, en particular, cuando se opera bajo trozos procedentes de barras laminadas procedentes de florecimientos de moldeo continuo ó de lingotes. Los múltiples recalentamientos y las deformaciones importantes sufridas por el acero han entonces conducido a una estructura muy intrincada y difusa en donde una estructura primaria es prácticamente imposible de revelar. Permite obtener una estructura globular de la fase sólida durante el calentamiento previo al tixoforjado. El tixoforjado permite, en relación a los métodos clásicos de forjado en caliente, realizar en una sola operación de deformación piezas de geometría compleja que pueden presentar paredes delgadas (1 mm ó menos) y esto con muy débiles esfuerzos de formación. En efecto, bajo la acción de esfuerzos extremos, los aceros adaptados para una operación de tixoforjado se comportan como fluidos viscosos. Para los aceros de construcción mecánica, en donde el contenido de carbono puede varias de 0.2% a 1.1%, la temperatura de calentamiento necesaria para la deformación mediante el método de tixoforjado es, por ejemplo de 1,430°C + 50°C = 1,480°C para un matiz C38 (temperatura de sólidos medida + 50 °C para obtener la buena proporción de fase liquida/fase sólida necesaria para la deformación) y de 1,315°C + 50°C = 1,365°C para un matiz 100Cr6. La temperatura de calentamiento y la cantidad de fase sólida formada son parámetros importantes del método de tixoforjado. La facilidad de la obtención de la "buena" temperatura y el intervalo de dispersión contemplable alrededor de esa temperatura para limitar variaciones de la fase liquida dependen del intervalo de solidificación.
Mientras más grande es este intervalo, más fácil es regular los parámetros de calentamiento. Por ejemplo, este intervalo de solidificación medido es de 110 °C para un matiz C38 y de 172 °C para el matiz-100Cr6. Es así bastante más fácil trabajar con este último matiz que presenta, además, una temperatura de sólido baja: 1,315°C. Las temperaturas de formación muy elevadas y las velocidades de deformación importantes que son utilizadas en el método de tixoforjado, conducen a impulsar ó someter a tensión térmicamente las herramientas de deformación en condiciones frecuentemente extremas. Esto conduce a utilizar para estar herramientas aleaciones que tienen muy altas características mecánicas en caliente ó materiales cerámicos. Las dificultades de realización de ciertas geometrías ó de herramientas (insertos) de volumen importantes y los costos de realización de estos pueden frenar el desarrollo del método de tixoforjado. El objeto de la invención es proponer nuevos matices de acero mejores adaptados al tixoforjado que aquellos clásicamente utilizados, en que permiten abatir la temperatura de formación, así proporcionar un menor impulso térmico de las herramientas de formación y que mejoran el comportamiento del acero durante el tixoforjado. Estos nuevos matices no deberían de degradas por otra parte las propiedades mecánicas de las piezas obtenidas. Para este efecto, la invención tiene por objeto un acero para construcción mecánica, caracterizado porque su composición es, en porcentajes ponderales: 0.35% < C < 2.5% 0.10% < Mn < 2.5% 0.60% < Si < 3.0% trazas < Cr < 4.5% trazas < Mo < 2.0% trazas < Mi < 4.5% trazas < V < 0.5% trazas < Cu < 4% con Cu < Ni% + 0.6 Si%, si Cu >
0.5% trazas < Al < 0.060% trazas < Ca < 0.050% trazas < B < 0.01% trazas < S < 0.200% trazas < Te < 0.020% trazas = Se < 0.040% trazas < Pb < 0.070% trazas Nb < 0.050% trazas < Ti < 0.050% el resto consiste de hierro e impurezas resultantes de la elaboración. De preferencia, la proporción Mn%/Si% es mayor ó igual a 0.4. El acero puede contener igualmente trazas < P% < 0.200%, trazas < Bi < 0.200%, trazas < Sn < 0.150%, trazas < As < 0.200%, trazas < Sb < 0.150% con P% + Si% + As% + Sb% < 0.200%. La invención tiene igualmente por objeto un método de formación en caliente de una pieza de acero, caracterizado porque : -se proporciona un trozo de acero de la composición precedente; -se aplica luego eventualmente un tratamiento térmico que le proporciona una estructura primaria globular; se le calienta a una temperatura intermedia entre su temperatura de sólido y su temperatura de liquido, en condiciones tales que la fracción sólida presenta una estructura globular; -se realiza un tixoforjado del trozo para obtener la pieza y -se efectúa un enfriamiento de la pieza. El tixoforjado tiene lugar de preferencia, en una zona de temperaturas en donde la fracción de materia liquida presente en el trozo está comprendida entre 10 y 40%. El enfriamiento es de preferencia efectuado en aire calmado ó a una velocidad menor a aquella que proporciona un enfriamiento natural con aire. Como se comprenderá, la invención consiste esencialmente de aumentar sustancialmente el contenido de silicio de los matices de acero abitualmente utilizados para fabricar piezas mediante tixoforjado. En efecto, esta adición de silicio permite abatir la temperatura del sólido y en una menor medida, la temperatura del liquido. En consecuencia, se disminuye la temperatura a la cual el tixoforjado de acero puede ser realizado, a fracción liquida igual. Además, se incrementa la amplitud del intervalo de solidificación, lo que va en el sentido de una facilidad muy grande para la realización del tixoforjado debido a que la precisión sobre la temperatura de operación se vuelve menos critica. Por otra parte, el silicio tiene la propiedad de mejorar la fluidez del metal. De preferencia, se hace respetar una proporción Mn%/Si% mayor ó igual a 0.4. En efecto, si la fluidez es elevada a causa de un fuerte contenido de silicio (por ejemplo 1% ó más), un contenido de manganeso muy reducido proporciona al metal propiedades mecánicas insuficientes durante el enfriamiento luego del vaciado continuo, en donde se tiene el riesgo de aparición de fisuras. Tales fisuras pueden igualmente aparecer, por las mismas razones, durante el enfriamiento siguiente al tixoforjado, más aún que las fuertes variaciones de espesor de la pieza que conducen a desviaciones notables en las velocidades de enfriamiento locales. Se crean asi tensiones susceptibles de favorecer la aparición de fisuras si las propiedades mecánicas del acero son insuficientes. De acuerdo con una variante de la invención, esta adición de silicio se conjuga a la adición de otros elementos que, como el silicio, pueden segregar a las juntas de granos: fósforo, bismuto, estaño, arsénico, antimonio. La invención será mejor descrita en la lectura de la descripción que sigue, dada con referencia a las figuras anexas siguientes : La figura 1 que muestra la proporción de fase liquida en función de la temperatura en un primer acero de referencia y en un primer acero de acuerdo con la invención que se deriva; La figura 2 que muestra la proporción de fase liquida en función de la temperatura en un segundo acero de referencia y en un segundo acero de acuerdo con la invención que se deriva. Para disminuir las tensiones de las herramientas durante el tixoforjado y la producción de ellos fácil, el experimentado en la técnica dispone de una primera solución que consiste, como se ha mencionado, de abatir las temperaturas de trabajo gracias a una adición de carbono.
Esta solución permite abatir las temperaturas del liquido y del sólido. Presentan no obstante el inconveniente de influir sustancialmente en las propiedades mecánicas del acero. Se ha imaginado que un efecto sobre las tensiones de las herramientas de forjado podría ser obtenido mediante la adición de elementos que presentan una fuerte tendencia a la segregación en las juntas de granos: silicio, fósforo, bismuto, estaño, arsénico y antimonio. Esta fuerte segregación no es habitualmente buscada. En efecto, la fusión de tales zonas agregadas a una temperatura más baja que el sólido, en general llamada temperatura de quemadura, es nefasta a las operaciones de formación en caliente clásicas, laminado y forjado. Para una temperatura de forjado ó de laminado dada, menor a la temperatura del sólido para la materia de metal a deformar, la presencia de zonas líquidas debidas a elementos segregantes de bajo punto de fusión, asimismo como volúmenes muy reducidos (algunos %) , a las juntas de granos sólidos va a conducir a la desgregación de la materia formada. Es la parte sólida que conduce los. mecanismos de deformación para estos métodos de formación y los esfuerzos necesarios a la formación conduce a rupturas de materia (total ó parciales) nefastas para la realización del producto y para sus propiedades. En el caso en donde la fase líquida es mayor de 10%, lo que es el caso en el tixoforj ado, el material es bifásico, lo que ocasiona un comportamiento muy diferente durante la deformación: las partículas sólidas están incluidas en el líquido y si existen, contactos (llamados puente) entre ais partículas sólidas, los esfuerzos muy reducidos necesarios para su ruptura no son causas de ruina del material. En el caso del tixoforjado en donde la temperatura de quemadura es extensamente rebasada, la fusión de zonas segregadas crea bolsas líquidas que favorecen y aceleran la formación de la base líquida en el seno del acero. Se tiene interés de favorecerla. Gracias a la invención se puede así obtener la cantidad de fase líquida necesaria al buen desarrollo del tixoforjado a una temperatura menor a aquella habitualmente necesaria cuando no se procede más que a la adición de por lo menos uno de los elementos citados anteriormente y en particular silicio. El contenido de carbono de los aceros de acuerdo con la invención puede variar entre 0.35 y 2.5%. ? esta condición, se pueden obtener estructuras metálicas, propiedades mecánicas y propiedades de uso deseables para piezas de acero tixoforjadas utilizables en construcción mecánica. El contenido de carbono debe ser escogido en función del uso contemplado.
El contenido de silicio de los aceros de la invención puede variar entre 0.60 y 3%. Como el carbono, el silicio permite abatir las temperaturas del sólido y del liquido y ampliar el intervalo de solidificación. Tiene también un efecto sinergético sobre la segregación de los otros elementos. Permite igualmente mejorar la fluidez del metal. Por las razones que se han mencionado, es preferible que la proporción Mn%/Si% sea menor ó igual a 0.4. El contenido de manganeso puede estar comprendido entre 0.10 y 2.5%. Debe ser ajustado en función de las propiedades mecánicas requeridas, en enlace con los contenidos de carbono y silicio. Influye relativamente poco sobre" las temperaturas del liquido y del sólido. La obtención de una proporción Mn%/Si% óptima puede conducir a deber aumentar sustancialmente el contenido de manganeso conjuntamente al contenido de silicio en relación a los aceros de referencia, todos escogidos son iguales por otra parte. El contenido de cromo puede estar comprendido entre trazas y .5% El contenido de molibdeno puede estar comprendido entre trazas y 4.5%. El contenido de níquel puede estar comprendido entre trazas y 4.5%. La regulación de los contenidos de cromo, molibdeno y níquel permite asegurar la propiedades mecánicas de las piezas realizadas: resistencia a la ruptura, límite de elasticidad y resiliencia. El contenido de vanadio está comprendido entre trazas y 0.5%. Para ciertas aplicaciones en donde la resiliencia no- es importante, este elemento permite obtener aceros de muy altas características mecánicas que pueden sustituir aceros ricos en cromo y/o molibdeno y/o níquel, más costosos . El contenido de cobre puede estar comprendido entre trazas y 4.0%. Este elemento permite aumentar las características mecánicas, mejorar la resistencia a la corrosión y abatir la temperatura del sólido. Se notará que sí el cobre está presente en cantidades elevadas (0.5% y más) , falta que el níquel y/o el silicio estén presentes en cantidades suficientes para evitar problemas en el laminado en caliente ó el forjado. Se considera que si Cu% > 0.5%, falta que Cu% < Ni% + 0.6 Si%. Los contenidos de aluminio y calcio, elementos desoxidantes están comprendidos entre trazas y respectivamente 0.060% para el aluminio y 0.050% para calcio. El boro, elemento de temple tiene su contenido comprendido entre trazas y 0.010%. El contenido de azufre está comprendido entre trazas y 0.200%. ün contenido elevado favorece a la capacidad de fabricación del metal, en particular si se le adjuntan elementos tales como telurio (hasta 0.020%), selenio (hasta 0.040%) y plomo (hasta 0.070%). Estos elementos de fabricación no tienen más que poca influencia en las temperaturas del sólido y el liquido. Cuando se agrega azufre en cantidad notable, es bueno tener una proporción Mn%/S% de por lo menos 4 para que el laminado en caliente se efectúe sin formación de defectos. El niobio y el titanio, cuando son agregados, permiten ajusfar el tamaño de los granos. Sus contenidos máximos admisibles son de 0.050%. En lo que concierne a los elementos segregantes además del silicio en donde la presencia puede ser aconsejada, estos elementos pueden estar presentes solos ó en combinación. Si están solos (es decir que los .otros elementos de la lista no están presentes más que en trazas) , para que un efecto significativo sea obtenido, debe tener ahi por lo menos 0.050% de fósforo ó 0.050% de bismuto ó 0.050% de estaño ó 0.050% de arsénico ó 0.050% de antimonio. La suma de los elementos de fósforo, bismuto, estaño, arsénico y antimonio debe ser de preferencia mayor de 0.050% y no debe rebasar de 0.200% para evitar los problemas citados durante el laminado en caliente ó del forjado que permite obtener el trozo destinad a sufrir el tixoforjado. Por supuesto, en cada caso de adición de arsénico durante la elaboración del metal liquido, todas las precauciones necesarias deben ser tomadas para evitar que los vapores tóxicos desprendidos sean captados a manera de no intoxicar al personal de la acerería. En los hechos, la presencia de arsénico resulta más frecuentemente de la adición de cobre ó de estaño, que el arsénico acompaña el literal como impureza. Como el arsénico es un elemento muy fuertemente segregante, es necesario tomarlo en cuenta para asegurarse que en conjugación excesiva con los otros elementos segregantes, no conduce a efectos .nefastos a la transformación en caliente que han sido citadas. La tabla 1 muestra las composiciones de un primer par formado por un acero de referencia y un acero de acuerdo con la invención que se deriva.
Tabla 1 : composición de un acero de referencia y de un acero de acuerdo con la invención (en % ponderal)
En relación al acero de referencia, se ve que además de la adición muy importante de silicio, el contenido de manganeso ha sido sustancialmente aumentado para restablecer una proporción Mn%/Si% de acuerdo a las exigencias preferenciales de la invención.
La figura 1 muestra la proporción de fase liquida en función de la temperatura en estos dos aceros. Las temperaturas de sólidas medidas son de 1,315°C para el acero de referencia y 1,278°C para el acero de la invención. Las temperatura ¦ de liquido medidas son respectivamente de 1,487°C y 1,460°C. Los intervalos de solidificación para estos dos aceros son asi grandes respectivos de 172 °C y 182°C. Por otra parte, el intervalo de temperaturas en la cual la fracción liquida del acero está comprendida entre 10 y 40% y que es habitualmente considerada como la más favorable en el tixoforjado es: -para el acero de referencia de 1,370 a 1,422°C; -para el acero de la invención, de 1,328 a 1,388°C. Se observa asi un abatimiento del orden de 30 a
40 °C de este intervalo y una amplificación de 8°C de su amplitud, todas las elecciones que van en el sentido de una menor aplicación de esfuerzo o tensiones de las herramientas durante el tixoforjado y de una facilidad de obtención más grande de condiciones favorables al buen desarrollo de la operación. Este efecto seria acentuado si se agregan igualmente otros elementos segregantes que el silicio en los limites que han sido dados. La tabla 2 muestra las composiciones de un segundo par formado por un acero de referencia y otro acero de acuerdo con la invención que se deriva.
Tabla 2 : composición de un acero de referencia y de un acero de acuerdo con la invención (en % ponderal)
En relación al acero de referencia, mientras más es aumento el contenido de manganeso en el acero de acuerdo con la invención y por las mismas razones que el ejemplo precedente, pero en proporciones menores puesto que el contenido de silicio de este acero se sitúa en lo bajo del intervalo exigido por la invención. La figura 2 muestra la proporción de fase liquida en función de la temperatura en estos dos aceros. las temperaturas de los sólidos medidas son de 1, 430°C para el acero de referencia y 1,415°C para el acero de la invención. Las temperatura de los líquidos medidas son respectivamente de 1,528°C y 1,515°C. Los intervalos de solidificación para estos dos aceros tienen así longitudes respectivas de 98 °C y 100 °C. Por otra parte, el intervalo de temperatura en la cual la fracción líquida del acero está comprendida entre 10 y 40% es: -para el acero de referencia de 1,470 a 1,494°C; -para el acero de la invención, de 1,437 a 1,469°C. El abatimiento de este intervalo es del orden de 30°C y su amplitud es ampliada de 8°C, lo que es favorable a un menor impulso ó tensión de las herramientas durante el tixoforjado. Todavía, este efecto podría ser acentuado (en particular por una ampliación de este intervalo) con una adición complementaria de elementos segregantes además del silicio . A propósito de la determinación de las temperaturas del sólido y del líquido a tomar en cuenta para la aplicación de la invención, falta remarcar que puede no siempre coincidir con aquellos que se calcula a partir de la composición de acero con ayuda de fórmulas disponibles clásicamente en la literatura. En efecto, estas fórmulas son valiosas en el caso de un pasaje de acero líquido en acero sólido durante una solidificación y de un enfriamiento de acero y para velocidades de enfriamiento de algunos grados/minutos . En el caso de medidas efectuadas en vista de una aplicación altixoforjado las medidas deben ser efectuadas partiendo del acero sólido y yendo hacia el acero líquido, es decir, en el caso de un calentamiento luego de una fusión del acero. Los ensayos son igualmente realizados con condiciones de aumento de la temperatura del orden de varias decenas de grado/minuto, correspondientes a las condiciones de calentamiento previas a la operación de tixoforjado. La realización de la operación de tixoforjado en los aceros de la invención debe ser precedida de un tratamiento térmico de globulización de la estructura primaria del trozo si tal estructura globular no está ya presente ó si no puede ser obtenida durante el calentamiento gue proporciona que la pieza debe cubrir el tixoforjado a temperatura adecuada. Como se ha mencionado, la necesidad ó no de proceder para tal tratamiento térmico previo depende en particular de la historia del trozo, en particular de las deformaciones y tratamientos térmicos que ha sufrido. La obtención de tal estructura globular antes del tixoforjado, para un acero de composición y de historia dados, puede ser verificada si se enfria puntualmente el trozo antes de haber procedido a su tixoforjado. Se observa entonces la estructura tal que tenia antes del enfriamiento. En lo que concierne a la operación de enfriamiento de la pieza enseguida de su tixoforjado, este enfriamiento debe ser efectuado en aire calmado y no de manera forzada, en el caso frecuente para este género de piezas cuando la pieza presenta variaciones de sección muy importantes, por ejemplo cuando paredes finas (1 a 2 mm) son empalmadas a zonas espesas (5 a 10 mm ó más} el uso de aire insuflado es en este caso a proscribir puesto que pone en riesgo entonces de introducir tensiones residuales muy importantes entre las paredes finas y zonas espesas. Daría como resultado defectos de superficie que degradan las propiedades de la pieza tixoforjada. En ciertos casos, puede ser necesario hacer lento el enfriamiento de las piezas para favorecer la homogeneidad estructural de las diferentes partes de la pieza. Se puede, en efecto, hacer pasar la pieza a un túnel regulado a una temperatura en el intervalo de 200-700 °C por ejemplo. Sin embargo, si la pieza tixoforjada no presenta tales variaciones de sección importantes, puede ser tolerable realizar un enfriamiento en aire insuflado. Tal enfriamiento puede ser favorable para la obtención de una estructura metalúrgica homogénea en la sección de la pieza y buenas características mecánicas. 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.