MXPA06014234A - Partes metalicas sinterizadas y metodo para su fabricacion. - Google Patents

Abstract

La invencion se refiere a un metodo que consiste de pasos para proveer un polvo metalico a base de hierro de pre-aleacion que comprende por lo menos 1.3-3.5% de cromo, 0.15-0.7% de molibdeno, manganeso e impurezas inevitables, mezclar dicho polvo con 0.1-1.0% de grafito, compactar la mezcla obtenida a una presion de por lo menos 600 MPa, sinterizar la parte compactada en un unico paso a una temperatura superior a 1100 grados centigrados, realizar el picado con chorro de perdigones de la parte y, despues de la sinterizacion, endurecer opcionalmente el componente; la invencion se refiere tambien a una parte metalurgica en polvo y al uso de polvo de pre-aleacion de cromo bajo para preparar partes sinterizadas ranuradas, en donde se tiene un limite de fatiga a la flexion de por lo menos 340 MPa a una densidad de sinterizacion de 7.15 g/cm3, de preferencia de por lo menos 400 MPa a una densidad de sinterizacion de 7.3 g/cm3.

Description

PARTES METÁLICAS SINTERIZADAS Y MÉTODO PARA SU FABRICACIÓN CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiera a metalurgia de polvos y, más específicamente, a partes metálicas en polvo de cromo de pre-aleación con propiedades de fatiga mejoradas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN En general, los productos sinterizados hechos con metalurgia de polvos resultan ventajosos en cuanto a costo en comparación con los aceros de lingote obtenidos a través de los pasos de forjado y laminado y tienen una amplia utilidad como partes, v.g., en vehículos automotores. Sin embargo, el producto sinterizado tiene poros que se forman inevitablemente durante el desarrollo de su fabricación. Estos poros remanentes de los materiales sinterizados metalúrgicos de polvos merman las propiedades mecánicas de los materiales, en comparación con los materiales completamente densos. Esto es un resultado de que los poros actúen como concentraciones de tensión y también debido a que los poros reducen el volumen efectivo bajo tensión. Por lo tanto, la fuerza, ductilidad, resistencia a la fatiga, macrodureza, etcétera en los materiales metalúrgicos de polvos a base de hierro se reducen a medida que se incrementa la porosidad. A pesar de su comparativamente baja resistencia a la fatiga, los materiales metalúrgicos de polvos a base de hierro se utilizan, hasta cierto punto, en componentes que requieren de una alta resistencia a la fatiga. Distaloy® HP, disponible con Hóganás AB®, Suecia, es un polvo de acero posible para utilizarse con propósitos de alto desempeño. En este polvo Distaloy®, el polvo base forma una aleación con níquel, que es un elemento de aleación costoso. Por lo tanto, este material de alto desempeño es más bien costoso y existe la necesidad de contar con materiales menos costosos, los cuales tengan por lo menos una resistencia a la fatiga igual de buena. Una vía para mejorar el desempeño de fatiga de los aceros metalúrgicos en polvo son las operaciones secundarias. A través del endurecimiento, endurecimiento superficial o picado con chorro de perdigones (o una combinación de los mismos), son posibles los procedimientos para obtener la resistencia a la fatiga más alta posible de un componente. El picado con chorro de perdigones normalmente se realiza para utilizar la influencia benéfica de las tensiones residuales de compresión en la superficie. Los poros abiertos a la superficie son puntos débiles en los materiales metalúrgicos en polvo. Estos poros son neutralizados por lo menos parcialmente mediante la introducción de tensiones residuales de compresión de superficie. El picado con chorro de perdigones de partes compactadas, se describe, v.g., en la Patente de EUA 6 171 546. De conformidad con esta patente, el picado con chorro de perdigones es seguido por u paso de sinterización final. Un polvo a base de hierro que contiene, por ejemplo, níquel, se utiliza como material de partida. Como se ha indicado anteriormente, existe una creciente demanda de polvos que no contengan níquel, dado que el níquel es costoso. Otras desventajas de los polvos que contienen níquel son los problemas de ensuciamiento que pueden producirse durante el procesamiento del polvo y que pueden provocar reacciones alérgicas incluso en cantidades menores. Por lo tanto, debe evitarse el uso de níquel. Además, la solicitud de Patente de EUA 2004/0177719 se refiere a un método que incluye el picado con chorro de perdigones. Más específicamente, esta solicitud describe un método en donde una porción de la superficie de una parte compactada, se somete a picado con chorro de perdigones después de la sinterización. De conformidad con esta solicitud, un procedimiento de densificación que involucra el forjado o formación de polvo, es necesario para mejorar las propiedades de la parte final compactada. U propósito de la presente invención es proveer un procedimiento efectivo en cuanto a costo para la preparación de componentes metalúrgicos en polvo con una alta resistencia a la fatiga, sin ningún paso para lograr la densificación nuclear. Otro propósito es proveer un procedimiento que involucra materiales en polvo, los cuales se encuentran libres de níquel.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Se ha encontrado inesperadamente que los componentes que tienen una alta resistencia a la fatiga, pueden obtenerse mediante picado con chorro de perdigones de componentes sinterizados preparados a partir de polvos a base de hierro que se distinguen por sus bajos niveles de cromo y molibdeno.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Los polvos utilizados en la presente invención son polvos a base de hierro de pre-aleación que comprenden pocas cantidades de cromo y molibdeno. Una cantidad preferida es 1.3-3.5% en peso de cromo y 0.15-0.7% en peso de molibdeno. El polvo puede contener también pequeñas cantidades, de 0.09 a 0.3% en peso, de manganeso e impurezas inevitables. Dichos polvos son conocidos a partir de la Patente de EUA 6 348 080 y el documento WO 03/106079. El polvo base se mezcla adicionalmente con grafito para obtener la resistencia deseada en el material. La cantidad de grafito que se mezcla con el polvo a base de hierro es 0.1-1.0%, de preferencia 0.15-0.85%. La mezcla de polvo se compacta en un troquel para producir un cuerpo verde. La presión de compactación es de por lo menos 600 MPa, de preferencia de por lo menos 700 MPa y, de mayor preferencia, de 800 MPa. La compactación puede realizase mediante compactación en frío o compactación en calienten. Después de la compactación, la parte verde obtenida se sinteriza a una temperatura de sinterización superior a 1100 °C, de preferencia superior a 1220 °C. La atmósfera de sinterización es, de preferencia, una mezcla de nitrógeno e hidrógeno. Una velocidad de enfriamiento normal en el procedimiento de sinterización es de 0.8 °C/s, una escala entre 0.5 °C/s y 1.0 °C/s siendo preferida. La densidad sinterizada es, de preferencia, superior a 7.15g/cm3, de mayor preferencia superior a 7.3 g/cm3. La microestructura obtenida en el material as-sinterizado es principalmente perlítica fina con un bajo contenido de cromo y molibdeno, así como martensítica o bainítica baja para un contenido ligeramente mayor de cromo y molibdeno. Ahora se ha encontrado inesperadamente que un incremento notable en el límite de fatiga a la flexión puede obtenerse mediante el picado con chorro de perdigones de los materiales en polvo de cromo de baja sinterización. Un incremento especialmente notable se obtiene para las partes ranuradas, en donde un incremento de más del 50% e incluso más del 70% puede obtenerse, como puede observarse a partir de los siguientes ejemplos. El grado de picado con chorro de perdigones según se define por la intensidad de Almen A, es de preferencia de entre 0.20 y 0.37 mm. Las operaciones secundarias, v.g. a través del endurecimiento y endurecimiento superficial, pueden realizarse antes del picado con chorro de perdigones, con el fin de mejorar las propiedades aún más. Por lo tanto, después del endurecimiento seguido por el templado, el material es básicamente martensítico y el límite de fatiga es elevado por el picado con chorro de perdigones. Se piensa que la martensita en la superficie que se forma durante el endurecimiento superficial, forma tensiones de compresión, lo cual es benéfico para el límite de fatiga. El endurecimiento por sinterización es un procedimiento alternativo que se aplica en el procedimiento de sinterización. El endurecimiento por sinterización utiliza enfriamiento forzado al final del procedimiento de sinterización de los componentes, lo que produce una estructura endurecida. Se han realizado pruebas de fatiga en especímenes ranurados con un factor de concentración de tensión, Kt, de 1.38 y en especímenes no ranurados. Las pruebas muestran un mayor incremento en el límite de fatiga a la flexión cuando el picado con chorro de perdigones se realiza en especímenes ranurados que cuando el picado con chorro de perdigones se realiza en especímenes no ranurados. La expresión "ranurado" en este contexto se refiere a un espécimen o componente que tiene un factor de concentración de tensión superior a 1.3. La invención es ilustrada por los siguientes ejemplos no limitativos.

EJEMPLO 1 Dos polvos base de pre-aleación, Astaloy® CrL y Astaloy® CrM, así como un polvo base de aleación de difusión, Distaloy® HP, se incluyen en el estudio. Distaloy® HP forma aleación de difusión con Ni y Cu y pre-aleación con Mo. Los tres materiales incluidos en este estudio se muestran en el cuadro 1.

CUADRO 1 A continuación se proporcionará información detallada sobre los parámetros del procedimiento, niveles de carbono y densidad. En el cuadro 2, el desempeño de la fatiga la flexión de plano de un espécimen no ranurado, se muestra para distintas aleaciones que se sinterizan 30 minutos en 90/10 N2/H2 con una velocidad de enfriamiento de aproximadamente 0.8 °C/segundo. Las pruebas de fatiga en especímenes no ranurados, se realizan utilizando muestras IS03928 de 5 mm con bordes achaflanados. Las pruebas se realizan en una flexión de un plano de cuatro puntos a una proporción de carga de R = -1. El método de escalera se utiliza con 13 - 18 muestras en la escalera y 2 millones de ciclos como límite de operación. La evaluación de la escalera (50% de probabilidad de límite de fatiga y desviación estándar) es realizada de conformidad con la norma MPIF 56. La frecuencia de la prueba es de 27 - 30 Hz.

CUADRO 2 La microestructura de Astaloy CrL con carbono sinterizado por debajo del 0.6% y una velocidad de enfriamiento de aproximadamente 0.8 °C/s es bainita superior. El incremento de carbono por arriba del 0.74% cambia la microestructura a perlita fina. El análisis microestructural de materiales Astaloy CrM sinterizados a 1120 °C y velocidad de enfriamiento de 0.8 °C/s, así como con niveles de carbono sinterizado de entre 0.32% y 0.49%, muestra una microestructura bainítica superior densa. La bainita superior densa tiene las mismas características que la bainita superior regular, es decir, una mezcla irregular de ferrita y cementita. Las diferencia son las distancias más pequeñas entre los carburos y tamaños de los carburos. El incremento del carbono sinterizado cambia la microestructura a una mezcla de martensita y bainita inferior.

El cuadro 3 muestra la influencia de la presión de compactación y nivel de carbono para el Astaloy CrL compactado en frío. Todos los materiales se sinterizaron a 1120 °C durante 30 minutos en 90/10 N2/H2. En el cuadro 3 se presenta un resumen del desempeño de fatiga a la flexión en plano del Astaloy CrL con dos presiones de compactació y dos niveles de grafito adicional. La desviación estándar de < 5 indica que la propagación es pequeña y no puede aplicarse la evaluación de la norma MPIF 56 de la desviación estándar. El espécimen del cuadro 3 es no ranurado.

CUADRO 3 La influencia de la temperatura de sinterización sobre el desempeño de fatiga con un espécimen no ranurado, se muestra en el cuadro 4. Las microestructuras de los materiales del cuadro 4 se caracterizan por bainita superior principalmente (1120 °C 0.58%C) y perlita fina (1 120 °C, 0.77%C y 1250 °C, 0.74%C).

CUADRO 4 EJEMPLO 2 La influencia del picado con chorro de perdigones y la combinación del tratamiento térmico y el picado con chorro de perdigones, ha sido investigada en especímenes de Astaloy CrL con bordes ranurados de 3 mm. La muesca se incluye en la herramienta de prensa y no se realiza fresado alguno. El factor de concentración de tensión a la flexión se obtiene por FEM a Kt = 1.38. La frecuencia de la prueba es de 27-30 Hz. Los materiales se sinterizan a 1280° C durante 30 minutos en H2.

La velocidad de enfriamiento es de 0.8 °C/s. El picado con chorro de perdigones se realiza para obtener una intensidad Almen A de 0.32 mm. El desempeño de fatiga a la flexión de plano estimada de muestras de las sinterizadas y as sinterizadas más picado con chorro de perdigones, se muestra en el cuadro 5.

CUADRO 5 En el cuadro 6 se muestra un desempeño de fatiga a la flexión de plano estimada de muestras templadas endurecidas y con picado con chorro de perdigones. El endurecimiento se realiza a una temperatura de austenitización de 880 °C. La velocidad de enfriamiento después de la austenitización es de 8 C7s. Finalmente, el espécimen se templa a 250 °C durante 1 hora.

CUADRO 6 A partir de los cuadros 5 y 6, puede encontrarse que, mediante el picado con chorro de perdigones de los materiales que contienen cromo y molibdeno, se logra un gran incremento del límite de fatiga a la flexión.

Claims (20)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un método para producir partes metalúrgicas en polvo con una mejor resistencia a la fatiga, que comprende los pasos de: - proveer un polvo metálico a base de hierro de pre-aleación que comprende por lo menos 1.3-3.5% en peso de cromo, 0.15- 0.7% en peso de molibdeno; - mezclar dicho polvo con 0.1 -1.0% en peso de grafito; - compactar la mezcla obtenida a una presión de por lo menos 600 MPa; - sinterizar la parte compactada en un solo paso a una temperatura superior a 1100 °C; - realizar picado con chorro con perdigones en la parte.

2.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el incremento de la resistencia a la fatiga es de por lo menos 50%.

3.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la parte compactada y sinterizada se somete a endurecimiento y templado previamente al picado con chorro de perdigones.

4.- El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque la parte compactada y sinterizada se somete a endurecimiento y templado previamente al picado con chorro de perdigones.

5.- La parte metalúrgica en polvo fabricada de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque tiene una estructura principalmente perlítica.

6.- La parte metalúrgica en polvo fabricada de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada además porque tiene una estructura principalmente perlítica.

7.- La parte metalúrgica en polvo fabricada de conformidad con la reivindicación 3, caracterizada además porque tiene una estructura principalmente perlítica

8.- La parte metalúrgica en polvo fabricada de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque tiene una microestructura principalmente perlítica fina.

9.- La parte metalúrgica en polvo fabricada de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque tiene una microestructura martensítica y bainítica inferior.

10.- La parte metalúrgica en polvo fabricada de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada además porque tiene una microestructura martensítica y bainítica inferior.

11.- La parte metalúrgica en polvo fabricada de conformidad con la reivindicación 3, caracterizada además porque tiene una microestructura martensítica y bainítica inferior.

12.- La parte metalúrgica en polvo fabricada de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque tiene una microestructura principalmente martensítica templada.

13.- La parte metalúrgica en polvo fabricada de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada además porque tiene una microestructura principalmente martensítica templada.

14.- La parte metalúrgica en polvo fabricada de conformidad con la reivindicación 3, caracterizada además porque tiene una microestructura principalmente martensítica templada.

15.- La parte metalúrgica en polvo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque tiene un límite de fatiga a la flexión de por lo menos 340 MPa a una densidad de sinterizacíón de 7.15g/cm3.

16.- La parte metalúrgica en polvo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque tiene un límite de fatiga a la flexión de por lo menos 400 MPa a una densidad de sinterización de 7.3g/cm3.

17.- La parte metalúrgica en polvo de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada además porque tiene un límite de fatiga a la flexión de por lo menos 340 MPa a una densidad de sinterización de 7.15g/cm3.

18.- Un método para preparar partes sinterizadas ranuradas que tienen un límite de fatiga a la flexión de por lo menos 340 MPa a una densidad de sinterización de 7.15 g/cm3, que comprende compactar un polvo de pre- aleación de cromo bajo para formar una parte compactada, sinterizas y, opcionalmente, templar y recocer dicha parte compactada, para posteriormente someter dicha parte compactada a picado con chorro de perdigones.

19.- El método para preparar partes sinterizadas ranuradas de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado además porque dichas partes tienen un límite de fatiga a la flexión de por lo menos 400 MPa a una densidad de sinterización de 7.3 g/cm3.

20.- El método para preparar partes sinterizadas ranuradas de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado además porque dichas partes tienen un factor de concentración de tensión superior a 1.3.