MXPA06015244A - Polvo de acero inoxidable. - Google Patents

Abstract

La invencion involucra un polvo de acero inoxidable y una composicion que comprende por lo menos 10% en peso de cromo; el vanadio esta presente en una cantidad de por lo menos cuatro veces la cantidad de carbono y nitrogeno; el polvo de acero comprende 10-30% cromo, 0.1-1.0 vanadio, 0.5-1.5% silicio, menos de 0.1% carbono y menos de 0.07% nitrogeno; tambien se reivindican un procedimiento para preparar una parte sinterizada y una parte sinterizada.

Description

POLVO DE ACERO INOXIDABLE CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención involucra un nuevo polvo de acero inoxidable y composiciones de polvo de acero inoxidable que incluyen este nuevo polvo. Específicamente la invención involucra composiciones de polvo de acero inoxidable para fabricar partes metalúrgicas con polvo sinterizado que tienen altas densidades.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Un objetivo principal en la metalurgia en polvo es lograr una alta densidad de cuerpos compactos y sinterizados. Existen varios métodos para mejorar la densidad, uno de estos métodos es la compactación en tibio que mejora el carácter de compresión del polvo generando un cuerpo crudo con una mayor densidad en crudo. Al aplicar lubricación de pared en dado, lo cual posibilita reducir al mínimo la cantidad de lubricantes internos usados, la densidad en crudo también puede aumentarse. El uso de elevadas presiones de compactación en combinación con bajas cantidades de lubricantes también genera mayores densidades en crudo. El recocido suave de un polvo de acero inoxidable, en donde el material es liberado de deformación y recristalizado, también mejora el carácter de compresión. Después de la compactación del cuerpo crudo es sometido a una operación de sinterizado para lograr un cuerpo sinterizado. Altas temperaturas en el sinterizado, por ejemplo, por encima de alrededor de 1180-1200°C desembocan en un mayor encogimiento durante el sinterizado y mayor densidad del cuerpo. Sin embargo, un sinterizado a altas temperaturas requiere hornos de sinterizado con equipo especial. Adicionalmente, el consumo de energía aumentará. Se enfrentan problemas especiales cuando partes de PM de acero inoxidable de alta densidad se fabrican debido a la presencia de cromo, el cual hace al acero resistente a la corrosión. Los aceros inoxidables tienen aproximadamente por encima de 10% de cromo. Muy frecuentemente el carbono está presente en aceros y ocasionará la formación de carburos de cromo. La formación de carburos de cromo disminuye el contenido de cromo en la matriz, lo cual a su vez disminuye la resistencia a la corrosión. Para evitar esto se reduce el contenido de cromo en la matriz, y se utilizan frecuentemente estabilizadores formadores de carburo, como niobio. De esta manera la formación de carburos de cromo puede evitarse y se forman a su vez carburos de niobio, un resultado del cual es que la resistencia a la corrosión se puede mantener. Sin embargo, un problema con el uso de niobio es que las elevadas temperaturas de sinterización son necesarias para obtener elevadas densidades sinterizadas y el consumo de energía es considerable. Se ha encontrado ahora que, al utilizar el nuevo polvo de conformidad con la presente invención, se pueden reducir los costos de energía para producir partes PM de acero inoxidable sinterizado. Otra ventaja importante de utilizar el nuevo polvo es que se puede obtener una densidad sinterizada comparativamente mayor. Las partes sinterizadas fabricadas al utilizar el nuevo polvo son de interés en particular dentro de la industria automotriz en donde las exigencias en costo y desempeño de las partes son elevadas. El nuevo polvo también puede utilizarse para partes sinterizadas en sistemas de escape, y en especial para bridas en sistemas de escape. La presente invención involucra polvo de acero inoxidable, composiciones de polvo de acero inoxidable así como las partes compactadas y sinterizadas obtenidas a partir de éste que tienen altas densidades.

Específicamente la invención involucra composiciones de polvo de acero inoxidable para fabricar partes metalúrgicas del polvo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Se ha descubierto ahora sorprendentemente que, al añadir vanadio al estabilizador a un polvo de acero inoxidable, la temperatura e sinterizado y en consecuencia el consumo de energía se puede reducir, mientras que la densidad de sinterizado es similar o incluso aumenta en comparación con el estabilizador de niobio que se utiliza en la actualidad. Adicionalmente, se ha encontrado que el vanadio debe estar presente en una cantidad de por lo menos cuatro veces las cantidades combinadas de carbono y nitrógeno, con lo cual la cantidad de nitrógeno debe ser menor a 0.07% en peso y la cantidad de carbono debe ser menor a 0.1 % en peso. La cantidad de vanadio debe estar en la escala de 0.1-1 % en peso. Se describen composiciones de acero inoxidable incluyendo vanadio en la publicación WO 03/106077 y en la patente de E.U.A. 5 856 625. En WO 03/106077 no se describe efecto alguno o ejemplos concretos de polvos que incluyen vanadio. De conformidad con la patente de E.U.A. 5 856 625 el polvo de acero inoxidable preferiblemente comprende 1.5 -2.5% de vanadio. Este polvo de acero inoxidable conocido es pretendido para materiales con una alta resistencia al desgaste y es necesario un alto contenido de carbono para lograr una cantidad apropiada de carburos duros en la matriz que se forman principalmente a partir de elementos formadores de carburo fuerte como Mo, V y W. También, la publicación de patente JP 59-47358 describe un polvo de acero que comprende cromo, silicio, carbono y nitrógeno. Este polvo puede además contener níquel y/o cobre y vanadio. El propósito del polvo de acero de conformidad con JP 59-47358 es fabricar por ejemplo una superficie de deslizamiento.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Específicamente, el polvo de acero inoxidable de conformidad con la invención comprende 10-30% cromo, 0.1-1 % vanadio, 0.5-1.5% silicio, menos de 0.1 % carbono y menos de 0.07% nitrógeno. Preferiblemente, el polvo de acero inoxidable comprende 10-20% cromo, 0.15-0.8% vanadio, 0.7-1.2% silicio, menos de 0.05% carbono y menos de 0.05% nitrógeno. Ya que a la resistencia la corrosión en aceros inoxidables es de gran interés el contenido de vanadio debe elegirse para que los carburos y nitruros de vanadio se formen en vez de carburos y nitruros de cromo. Preferiblemente el contenido de vanadio se elegirá en relación con el contenido real de carbono y nitrógeno en el componente sinterizado para poder forman carburos y nitruros de vanadio. Se cree que los carburos y nitruros de vanadio son de tipo VC y NC y de conformidad con nuestro conocimiento actual el contenido de vanadio debe ser preferiblemente menor a 4 veces el contenido de carbono y nitrógeno del polvo. El contenido de carbono y nitrógeno real en el componente sinterizado puede ser mayor que el contenido de los elementos en el polvo debido a la absorción durante la deslubricación. La cantidad de silicio debe estar entre 0.5% y 1.5%. El silicio es un elemento importante ya que crea una capa de óxido coherente y delgada durante la atomización de la fundición de acero inoxidable, es decir el contenido de silicio debe ser de 0.5% en peso o mayor. La capa de óxido evita la oxidación adicional. Un nivel de silicio demasiado elevado llevará una disminución en la capacidad de compresión, por ende, el contenido de silicio debe ser de 1.5% o menor. La cantidad de nitrógeno debe ser tan baja como sea posible ya que el nitrógeno puede tener la misma influencia que el carbono, es decir sensibilizar el material a través de la formación de nitruros de cromo o carbonitruros de cromo. El nitrógeno también tiene un efecto endurecedor de precipitación lo cual disminuirá la capacidad de conversión. Por ello, el contenido de nitrógeno no debe superar 0.07%, preferiblemente no 0.05% en peso. En la práctica es difícil obtener contenidos de nitrógeno menores a 0.001 %. Se añaden otros elementos formadores de aleaciones para potenciar ciertas propiedades, como la resistencia, dureza, etc. Los elementos formadores de aleaciones se seleccionan de grupos que consisten en molibdeno, cobre, manganeso y níquel. De conformidad con la presente invención se prefieren aceros inoxidables ferríticos. Los aceros inoxidables ferríticos son menos costosos que los aceros inoxidables austeníticos los cuales se forman en aleación con níquel. En comparación con una matriz austenínica una matriz ferrítica tiene un menor coeficiente de expansión térmica, los cual es benéfico por ejemplo en bridas en un sistema de escape de acero inoxidable. Por ello, una modalidad preferida del acero inoxidable de conformidad con la invención está esencialmente libre de níquel. Específicamente el acero inoxidable ferrítico puede comprender 10-20% en peso de cromo, 0-5% en peso de molibdeno, menos de 1 % en peso de níquel, menos de 0.2% en peso de manganeso. Otros aditivos posibles son agentes de flujo, agentes mejoradores de maquinado como fluoruro de calcio, sulfuro de manganeso, nitruro de boro o combinaciones de éstos.

El polvo de acero inoxidable puede ser un polvo preformado en aleación atomizado con gas o agua que tiene un tamaño de partícula promedio por encima de alrededor de 20 µm, dependiendo del método de consolidación del polvo. Normalmente el tamaño de partícula promedio está por encima de alrededor de 50 µm. Muy frecuentemente se añade un lubricante previo a la compactación para potenciar la capacidad de compresión del polvo y facilitar la expulsión del componente crudo. La cantidad de lubricante típicamente es de 0.1 % y 2%, preferiblemente entre 0.3% y 1.5%. Los lubricantes pueden elegirse del grupo que consiste en estearatos metálicos, como estearato de zinc o litio, Kenolube®, polímeros de amida u oligómeros de amida, etilen bistearamida, derivados de ácido graso u otras sustancias adecuadas con un efecto lubricante. La lubricación de pared de dado únicamente o en combinación con lubricantes internos también puede utilizarse. Después de un recocido opcional el polvo de acero inoxidable se mezcla con un lubricante y otros aditivos opcionales. La mezcla de polvo se compacta a 400-1200 MPa y se sinteriza a 1150-1350°C durante 5 minutos a una hora para obtener una densidad de por lo menos 7.20 g/cm3. Sin embargo, el polvo de conformidad con la invención puede utilizarse para producir partes que tienen menor densidad sinterizada para reducir los costos de procesamiento. El paso de compactación podría realizarse como una compactación en frío o compactación en tibio.

La densidad sinterizada elevada se obtiene mediante un mayor encogimiento durante el sinterizado y sin estar ligado a una teoría en específico, se cree que este encogimiento es una consecuencia de una promoción de difusión de volumen. Los carburos de vanadio que se forman en presencia de carbono se disolverán a temperaturas elevadas en especial a temperaturas de sinterizado, pero también a menores temperaturas como un recocido de polvo de metal. Normalmente la temperatura de sinterización para polvos de acero inoxidable es de alrededor de 1150-1300°C.

EJEMPLO 1 Se produjeron tres diferentes fundidos que tienen una composición química de conformidad con el cuadro 1 y que contenían niobio y vanadio como elementos formadores de carburo. Se prepararon varias mezclas para compactación en frío y tibio de conformidad con el cuadro 2 y 3. Para propósitos de compactación en frío y en tibio se utilizaron lubricantes. Como agente de flujo en compactación en tibio se utilizó Aerosil A-200 de Degussa®.

CUADRO 1 Análisis químico de polvos no recocidos CUADRO 2 Mezcla para compactación en frío =* Composición de acuerdo con la invención CUADRO 3 Mezcla para compactación en tibio =* Composición de acuerdo con la invención Las mezclas de polvo de conformidad con el cuadro 2 y 3 se compactaron y se determinaron las propiedades en crudo para varias presiones de compresión. Los resultados se presentan en el cuadro 4. Los cuerpos se sinterizaron a 1250°C en una atmósfera de hidrógeno durante 45 minutos y se determinaron las densidades sinterizadas y propiedades mecánicas. Los resultados se muestran en el cuadro 5.

CUADRO 4 =* Composición de acuerdo con la invención CUADRO 5 =* Composición de acuerdo con la invención A partir del cuadro 4 y cuadro 5 se puede identificar claramente que las densidades sinterizadas de las muestras producidas a partir del material de conformidad con la invención se mejoran, mientas que las densidades en crudo del material de conformidad con la invención son similares a los materiales comparados. Las propiedades mecánicas de los componentes sinterizados también mejoran con el material de conformidad con la invención en comparación con materiales conocidos.

EJEMPLO 2 Para evaluar la influencia de temperaturas de sinterizados y tiempos de sinterizado, las mezclas de polvo 4, 5 y 6 se compactaron en muestras de prueba de tensión de conformidad con ISO 2740 en un movimiento de compactación uniaxial a una temperatura ambiente a 600 MPa. Las muestras en crudo obtenidas se sinterizaron a 1200°C, 1250°C y 1300°C en una atmósfera de hidrógeno durante 20 minutos y 45 minutos, respectivamente. Después del sinterizado la densidad sinterizada de las muestras sinterizadas se midió de conformidad con ISO 3369. Los resultados se muestran en el cuadro 6. A partir del cuadro 6 se puede concluir que las densidades sinterizadas por encima de 7.2 g/cm3 pueden obtenerse para un polvo de acero inoxidable ferrítico con la condición que se añada vanadio, incluso en una temperatura de sinterizado tan baja como 1200°C. Un tiempo de sinterizado de 20 minutos a una temperatura de sinterizado de 1250°C genera una densidad de sinterizado de 7.35 g/cm3, mientras que la densidad correspondiente para el polvo para acero inoxidable ferrítico estabilizado con niobio es de 7.15 g/cm3 y 7.03 g/cm3, respectivamente, dependiendo de la cantidad de niobio añadido. El ejemplo revela un impacto sorprendente mayor en el encogimiento durante el sinterizado en un cuerpo crudo producida a partir de polvo de acero inoxidable ferrítico de conformidad con la invención.

CUADRO 6 Composición de conformidad con la reivindicación EJEMPLO 3 Para evaluar la influencia del contenido de nitrógeno del polvo de acero inoxidable se atomizó un fundido y se prepararon muestras de polvo que tenían diferente contenido de nitrógeno a partir del polvo atomizado al recocer en una atmósfera que contenía nitrógeno. Como material de referencia se utilizó polvo recocido en una atmósfera de 100% de hidrógeno. Las muestras de polvo se mezclaron con 1 % lubricante y las composiciones obtenidas se compactaron en frío a diferentes presiones en especímenes. Los especímenes se sinterizaron a 1250°C en una atmósfera de hidrógeno durante 45 minutos. El análisis químico de las diferentes muestras de polvo se presenta en el cuadro 7 excepto el contenido de nitrógeno, que se determinó después del recocido como se presenta en el cuadro 8. En el cuadro 8 la densidad del sinterizado se presenta para diferentes especímenes.

CUADRO 7 CUADRO 8 Puede observarse a partir del ejemplo 3 que un contenido de nitrógeno por encima de 0.07% generará una densidad de sinterizado no deseada.

Claims (22)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un polvo de acero inoxidable preformado en aleación que comprende 10% en peso de cromo, menos de 0.1 % de carbono y menos de 0.07% en peso de nitrógeno, dicho polvo además comprendiendo vanadio en una cantidad de por lo menos 4 veces las cantidades combinadas de carbono y nitrógeno, en donde la cantidad de vanadio es 0.1-1 % en peso.

2.- El polvo de acero inoxidable de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el polvo de acero además comprende 10-30% cromo y 0.5-1.5% silicio.

3.- El polvo de acero inoxidable de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el polvo de acero comprende 10-20% cromo, 0.15-0.8% vanadio, 0.7-1.2% silicio, menos de 0.05% de carbono y menos de 0.05% nitrógeno.

4.- El polvo de acero inoxidable de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque el polvo de acero comprende 10-20% cromo, 0.15-0.8% vanadio, 0.7-1.2% silicio, menos de 0.05% carbono y menos de 0.05% nitrógeno.

5.- El polvo de acero inoxidable de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el polvo de acero está esencialmente libre de níquel.

6.- El polvo de acero inoxidable de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque el polvo de acero está esencialmente libre de níquel.

7.- El polvo de acero inoxidable de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque el polvo de acero está esencialmente libre de níquel.

8.- El polvo de acero inoxidable de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque el polvo de acero está esencialmente libre de níquel.

9.- Una composición metalúrgica en polvo que comprende un polvo de acero inoxidable de conformidad con la reivindicación 1 , que incluye por lo menos un aditivo seleccionado del grupo que consiste en lubricantes, agentes de flujo, agentes mejoradores de maquinado y elementos formadores de aleación.

10.- Una composición metalúrgica en polvo que comprende un polvo de acero inoxidable de conformidad con la reivindicación 2, que incluye por lo menos un aditivo seleccionado del grupo que consiste en lubricantes, agentes de flujo, agentes mejoradores de maquinado y elementos formadores de aleación.

11.- Una composición metalúrgica en polvo que comprende un polvo de acero inoxidable de conformidad con la reivindicación 3, que incluye por lo menos un aditivo seleccionado del grupo que consiste en lubricantes, agentes de flujo, agentes mejoradores de maquinado y elementos formadores de aleación.

12.- Una composición metalúrgica en polvo que comprende un polvo de acero inoxidable de conformidad con la reivindicación 5, que incluye por lo menos un aditivo seleccionado del grupo que consiste en lubricantes, agentes de flujo, agentes mejoradores de maquinado y elementos formadores de aleación.

13.- Un procedimiento para preparar partes compactadas de polvo de acero inoxidable que comprende los pasos de: - someter a un polvo de acero de conformidad con la reivindicación 1 a la compactación, y -sinterizar la parte compactada a una temperatura de 1150-1350°C.

14.- Un procedimiento para preparar partes compactadas de polvo de acero inoxidable que comprende los pasos de: - someter a un polvo de acero de conformidad con la reivindicación 2 a la compactación, y -sinterizar la parte compactada a una temperatura de 1150-1350°C.

15.- Un procedimiento para preparar partes compactadas de polvo de acero inoxidable que comprende los pasos de: - someter a un polvo de acero de conformidad con la reivindicación 3 a la compactación y -sinterizar la parte compactada a una temperatura de 1 150-1350°C.

16.- Un procedimiento para preparar partes compactadas de polvo de acero inoxidable que comprende los pasos de: - someter a un polvo de acero de conformidad con la reivindicación 5 a compactación, y - sinterizar la parte compactada a una temperatura de 1150-1350°C.

17.- El procedimiento de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque dicho polvo de acero inoxidable se mezcla con un lubricante.

18.- El procedimiento de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque el sinterizado se hace a una densidad de por lo menos 7.20 g/cm3.

19.- Una parte sinterizada de polvo de acero inoxidable de conformidad con la reivindicación 1 , que tiene una densidad de sinterizado de por lo menos 7.20 g/cm3.

20.- La parte sinterizada de polvo de acero inoxidable de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada además porque tiene una densidad de sinterizado de por lo menos 7.20 g/cm3.

21.- La parte sinterizada de polvo de acero inoxidable de conformidad con la reivindicación 3, caracterizada además porque tiene una densidad de sinterizado de por lo menos 7.20 g/cm3.

22.- La parte sinterizada de polvo de acero inoxidable de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada además porque tiene una densidad de sinterizado de por lo menos 7.20 g/cm3.