ES2232809T3 - Acero mecanizado en frio con alta resistencia al desgaste. - Google Patents

Acero mecanizado en frio con alta resistencia al desgaste.

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ES2232809T3 ES03450155T ES03450155T ES2232809T3 ES 2232809 T3 ES2232809 T3 ES 2232809T3 ES 03450155 T ES03450155 T ES 03450155T ES 03450155 T ES03450155 T ES 03450155T ES 2232809 T3 ES2232809 T3 ES 2232809T3
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Abstract

Acero mecanizado en frío con alta resistencia al desgaste para piezas y útiles fabricadas pulvimetalúrgicamente con alta tenacidad y dureza, que contiene los elementos de aleación en % en peso siguiente: **(Cuadro-tabla)** así como los elementos suplementarios: **(Cuadro-Tabla)** las impurezas: **(Cuadro-TAbla)** y el elemento base: **(Cuadro-TAbla)**.

Description

Acero mecanizado en frío con alta resistencia al desgaste.
La invención concierne un acero mecanizado en frío con alta resistencia al desgaste para piezas y útiles fabricados pulvimetalúrgicamente con alta tenacidad y alta resistencia.
Con arreglo a los desarrollos futuros de la tecnología las piezas y los útiles para aplicaciones de mecanizado en frío se exponen a esfuerzos cada vez más altos y al mismo tiempo universales. Para poder alcanzar independientemente de las orientaciones del desarrollo altas calidades de material se puede elegir su fabricación pulvimetalúrgica. En este caso una composición química de la aleación ajustada a este tipo de fabricación con tiempos mínimos de solidificación de los granos permite otro aumento de calidad de la pieza de acero.
Aceros mecanizados en frío con alta resistencia al desgaste poseen en su estructura una parte de alta dureza incorporada en una matriz, especialmente carburos, que justifican la alta resistencia a la abrasión. Con respecto a una alta tenacidad y dureza del material sin embargo tienen importancia la formación de carburos y la calidad de la matriz, especialmente su alta resistencia.
En la patente austriaca Nº 587/2001 se describe una aleación de acero mecanizado en frío para la fabricación pulvimetalúrgica de piezas, y especialmente útiles con alta tenacidad y dureza, así como alta resistencia al desgaste y fatiga del material. Un material así compuesto químicamente bajo todo punto de vista puede tener características mecánicas de alta calidad. Sin embargo muchas veces y en el caso del endurecimiento total de grandes piezas, especialmente con temperaturas bajas de endurecimiento se observa una concentración de mezclas de carburos con contenidos de cromo en los límites de grano, por lo que no se puede agotar sin reserva el potencial de tenacidad de la aleación. Muchas veces también se desea una mayor tenacidad del material del producto y una tecnología de tratamiento térmico más sencilla para éste.
Partiendo de este estado de la técnica, la invención tiene como objetivo fabricar un acero mecanizado en frío con alta resistencia al desgaste par piezas y útiles pulvimetalúrgicamente fabricados con alta tenacidad y resistencia, el cual consigue la alta calidad deseada también con un tratamiento térmico bonificado y/ o a una temperatura más baja de endurecimiento.
Este objetivo se alcanza con un acero que contiene los elementos de aleación en % en peso siguientes:
carbono (C) 2,21 a 2,64
silicio (Si) 0,08 a 1,1
manganeso (Mn) 0,05 a 1,1
cromo (Cr) 3,71 a 4,69
molibdeno (Mo) 3,1 a 4,4
níquel (Ni) 0,14 a 0,3
vanadio (V) 8,45 a 9,5
wolframio (W) 0,5 a 1,5
cobalto (Co) 1,1 a 4,9
así como los elementos suplementarios:
azufre (S) hasta 0,3
niobio (Nb) hasta 0,1
nitrógeno (N) hasta 0,1
aluminio (Al) hasta 0,06
titanio (Ti) hasta 0,01
las impurezas:
fósforo (P) 0,029 máx
oxígeno (O) 0,03 máx
y el elemento base:
hierro (Fe) como resto
Las ventajas de la invención consisten sobre todo en el hecho que mediante técnicas de aleación y mediante un aprovechamiento de la interacción de los elementos que dirigen la transformación de la estructura y los que forman los carburos se ha logrado por una parte aumentar el endurecimiento total del material y por otra parte conseguir un endurecimiento del cristal mixto, reduciendo también con temperaturas bajas de endurecimiento una segregación de carburo preutéctica, especialmente en los límites de grano.
En el sentido de una alta resistencia al desgaste y al mismo tiempo con una mejora de la tenacidad y especialmente superior resistencia a la flexión, hay que considerar los elementos formantes de carburo del grupo 5 de la tabla periódica en interacción con los del grupo 6. Se ha comprobado que con contenidos de niobio de 0,1% en peso y más bajo en los contenidos de vanadio de la invención se forman monocarburos globulíticos y carburos mixtos con wolframio y molibdeno en las gamas de concentración indicados en las gamas de concentración indicados de estos elementos, asegurando los monocarburos más o menos esféricos de sobre todo vanadio una alta resistencia al desgaste del material. Condicionado por la actividad no se pueden producir monocarburos de wolframio o molibdeno altamente estables, sin embargo se pueden formar carburos mixtos con contenido de vanadio ricos en wolframio y molibdeno. Estos carburos mixtos en la bonificación térmica sirven para el endurecimiento de la matriz, tienen la ventaja de una temperatura de segregación baja y en el momento de la austenitación se pueden integrar más fácilmente en una solución sólida. Estas configuraciones de carburo esencialmente libres de niobio están en la cinética química estrechamente relacionadas con una baja concentración de cromo, pudiendo garantizar una resistencia muy alta a la ruptura por flexión y a la flexión por golpes en el material bonificado gracias a una solución más ligera de los carburos mixtos.
Por una parte, y en particular el cromo puede formar al menos tres formaciones de carburo con diferentes concentraciones de carbono y se puede introducir fácilmente como componente metálico mediante substitución en carburos mixtos, por otra parte el contenido de cromo influye esencialmente en el comportamiento a la dureza como aumento de la dureza, templado completo, templado secundario del material. En principio contenidos más elevados de cromo retrasan la transformación de la estructura en el momento de templar y aumentan la profundidad del temple penetrado y reaccionan así de la misma forma, especialmente con níquel y manganeso. En cambio, partes de cobalto en la aleación aumentan el coeficiente de difusión para carbono, lo que por una parte puede llevar a menores profundidades de dureza, por otra parte el cobalto oprime en alto grado una segregación de carburo preeutéctica, especialmente en los límites de grano, por lo que se pueden conseguir mejoras considerables de la tenacidad del material bonificado.
Con respecto a la calidad deseada del acero mecanizado en frío, que también se desarrolla con bajas temperaturas de endurecimiento y penetra profundamente en la pieza, los elementos cromo, manganeso, níquel y cobalto se deben ajustar a los límites de concentración según la invención, originando las gamas preferentes de contenido un aumento de los valores mecánicos del material y una garantía de calidad en el material.
Como arriba mencionado, la formación de monocarburo y las funciones de los elementos vanadio, molibdeno y wolframio son importantes con respecto a una presentación de carburo mixto y un endurecimiento de la matriz para la obtención de calidades óptimas del acero mecanizado en frío según la invención. Se ha mostrado que en los estrechos intervalos de concentración de los elementos con una proporción según la fórmula:
\frac{V}{Mo + W} =1.5 \ hasta \ 2.2
se pueden conseguir calidades mecánicas superiores de la pieza de acero con un bonificado a temperaturas de endurecimiento bajas en comparación de por ejemplo 1030ºC a 1050ºC, habiendo una mayor profundidad de temple con estructura interior de grano fino.
Tanto respecto a un aumento de la resistencia al desgaste como para el mayor aumento de la tenacidad y del temple del acero mecanizado en frío de la invención es ventajoso, cuando uno o más elementos tienen concentraciones en % en peso como sigue:
\newpage
carbono (C) 2,3 a 2,6, preferentemente 2,4 a 2,55
silicio (Si) 0,3 a 0,8 preferentemente 0,42 a 0,68
manganeso (Mn) 0,15 a 0,8 preferentemente 0,3 a 0,55
cromo (Cr) 3,85 a 4,58 preferentemente 4,0 a 4,45
molibdeno (Mo) 3,31 a 4,18 preferentemente 3,55 a 3,98
níquel (Ni) 0,16 a 0,25
vanadio (V) 8,61 a 9,34 preferentemente 8,81 a 9,2
wolframio (W) 0,7 a 1,3 preferentemente 0,75 a 1,25
cobalto (Co) 1,4 a 3,82 preferentemente 1,61 a 2,42
Sobre todo para conseguir una mayor tenacidad del material resulta ventajoso cuando uno o más elementos suplementarios presentan los siguientes valores de concentración en % en peso:
azufre (S) hasta 0,03, preferentemente hasta 0,025
niobio (Nb) hasta 0,01, preferentemente hasta 0,006
nitrógeno (N) hasta 0,09, preferentemente hasta 0,08
aluminio (Al) hasta 0,05, preferentemente hasta 0,04
y/o más de una impureza presenta los siguientes valores de concentración en % en peso:
fósforo (P) 0,025 máx
oxígeno (O) 0,009 máx
Para una pieza de acero mecanizado en frío fabricado pulvimetalúrgicamente con una composición química según uno de los materiales arriba indicados, con respecto a mayor tenacidad y dureza del material, también en caso de empleo de temperaturas estándar de temple convencionales para el bonificado, es decir también en caso de tratamiento térmico sencillo, es importante un alto grado de pureza del acero según un valor KO de menor/igual a 3,0 según DIN 50602. Valores KO superiores pueden llevar a un empeoramiento considerable de las propiedades al uso de la
pieza.
A base de resultados de estudios comparativos la invención se explicará más detalladamente.
Muestran:
Tab. 1 una presentación de la composición química del acero mecanizado en frío de la invención y de las aleaciones de comparación.
Tab. 2 los valores de medición de resistencia a la rotura por flexión, de resistencia a la flexión por choque y de resistencia al desgaste de los aceros bonificados.
Fig. 1 una disposición de medición para averiguar la resistencia a la rotura por flexión.
Fig. 2 un prototipo para comprobar la resistencia a la flexión por choque.
Fig. 3 un esquema del dispositivo para la medición de la resistencia al desgaste.
Fig. 4 un diagrama comparativo de la resistencia a la rotura por flexión de las aleaciones de acero.
Fig. 5 un diagrama comparativo de la flexión por choque.
Fig. 6 una comparación de la resistencia al desgaste de los aceros mecanizados en frío.
La tab. 1 presenta la composición química de una aleación de acero mecanizado en frío según la invención con la denominación Leg.K y las de aleaciones de comparación con las denominaciones Leg.A a Leg.J.
Con las mismas denominaciones la tab. 2 presenta los resultados de pruebas, y precisamente la resistencia a la rotura por flexión, la flexión por choque y la resistencia al desgaste, estando las piezas a probar bonificadas a la misma dureza de 61 HRC-.
La resistencia a la rotura por flexión de las aleaciones de acero mecanizado en frío se comprobó en probetas redondas (RD= 5,0 mm) en una instalación representada en figural. La fuerza preliminar Fr era de 200 N, la velocidad hasta la fuerza preliminar completa era de 2 mm/min y la velocidad de prueba era de 5 mm/min.
Las pruebas de la resistencia a la flexión por choque del material se realizaron con un útil según figura 2.
En la figura 3 se presenta esquemáticamente la instalación para averiguar la resistencia al desgaste de los materiales.
La figura 1 muestra en el diagrama la óptima resistencia a la rotura por flexión de la Leg.K de la invención, teniendo los materiales d comparación A a J correspondientes al momento actual de la técnica altos valores de resistencia a la rotura por flexión.
En una comparación de la flexión por choque según el diagrama de la figura 5 se muestra la óptima tenacidad del material de la invención.
En el diagrama de la figura 6 la comparación de los valores de resistencia al desgaste de los distintos aceros de mecanizado en frío, se muestra que la aleación de la invención está dentro de la gama de los mejores materiales de esta clase de esfuerzo.
Los resultados de las pruebas demuestran que el acero mecanizado en frío de la invención posee óptimas calidades respecto a tenacidad y dureza y que presenta una resistencia al desgaste comparable a las mejores aleaciones del momento actual de la técnica.
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(Tabla pasa a página siguiente)
1
2

Claims (7)

1. Acero mecanizado en frío con alta resistencia al desgaste para piezas y útiles fabricadas pulvimetalúrgicamente con alta tenacidad y dureza, que contiene los elementos de aleación en % en peso siguiente:
cromo (Cr) 3,71 a 4,69 molibdeno (Mo) 3,1 a 4,4 níquel (Ni) 0,14 a 0,3 vanadio (V) 8,45 a 9,5 wolframio (W) 0,5 a 1,5 cobalto (Co) 1,1 a 4,9
así como los elementos suplementarios:
azufre (S) hasta 0,3 niobio (Nb) hasta 0,1 nitrógeno (N) hasta 0,1 aluminio (Al) hasta 0,06 titanio (Ti) hasta 0,01
las impurezas:
fósforo (P) 0,029 máx oxígeno (O) 0,03 máx
y el elemento base:
hierro (Fe) como resto
2. Acero mecanizado en frío según reivindicación 1, con la reserva de que la proporción vanadio a molibdeno más wolframio sea de 1,5 a 2,2:
\frac{V}{Mo+W} =1.5 \ hasta \ 2.2
3. Acero mecanizado en frío según reivindicación 1 ó 2, con la reserva de que la proporción de cromo más manganeso más níquel a cobalto sea de 2,05 a 2,95:
\frac{Cr + Mn + Ni}{Co} = 2.05 \ a \ 2.95
4. Acero mecanizado en frío según una de las reivindicaciones, presentando uno o más elementos los siguientes valores de concentración en % en peso:
\newpage
carbono (C) 2,3 a 2,6, preferentemente 2,4 a 2,55 silicio (Si) 0,3 a 0,8 preferentemente 0,42 a 0,68 manganeso (Mn) 0,15 a 0,8 preferentemente 0,3 a 0,55 cromo (Cr) 3,85 a 4,58 preferentemente 4,0 a 4,45 molibdeno (Mo) 3,31 a 4,18 preferentemente 3,55 a 3,98 níquel (Ni) 0,16 a 0,25 vanadio (V) 8,61 a 9,34 preferentemente 8,81 a 9,2 wolframio (W) 0,7 a 1,3 preferentemente 0,75 a 1,25 cobalto (Co) 1,4 a 3,82 preferentemente 1,61 a 2,42
5. Acero mecanizado en frío según una de las reivindicaciones 1 a 4, teniendo uno o más elementos suplementarios los siguientes valores de concentración en % en peso:
azufre (S) hasta 0,03, preferentemente hasta 0,025 niobio (Nb) hasta 0,01, preferentemente hasta 0,006 nitrógeno (N) hasta 0,09, preferentemente hasta 0,08 aluminio (Al) hasta 0,05, preferentemente hasta 0,04
6. Acero mecanizado en frío según una de las reivindicaciones 1 a 5, teniendo una y/ o más de una impureza los siguientes valores de concentración en % en peso:
fósforo (P) 0,025 máx oxígeno (O) 0,009 máx
7. Pieza de acero mecanizado en frío fabricada pulvimetalúrgicamente con una composición química según una de las reivindicaciones ante res y con un grado de pureza correspondiente a un valor 0 de menor/igual 3,0 según DIN 50602.
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