ES2243078T3

ES2243078T3 - Compactacion en caliente de polvos de acero.

Info

Publication number: ES2243078T3
Application number: ES99951336T
Authority: ES
Inventors: Anders Bergkvist
Original assignee: Hoganas AB
Current assignee: Hoganas AB
Priority date: 1998-09-18
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2019-09-17
Also published as: KR20010079834A; JP2002526650A; ATE296700T1; PL190995B1; EP1117499A1; AU6379599A; CN1180903C; WO2000016934A1; EP1117499B1; US6365095B1; PL346612A1; BR9913840A; AU737459C; TW494028B; DE69925615D1; CA2343540A1; ZA200101630B; RU2228820C2; DE69925615T2; CN1318002A

Abstract

Un procedimiento de preparación de cuerpos sinterizados de alta densidad y compactados en caliente, de un polvo de acero inoxidable, consistiendo dicho procedimiento en las etapas de: - proporcionar una mezcla de un polvo de acero inoxidable pulverizado con agua, pre-aleado y recocido, que comprende: - 10-30 % de cromo - 0-5 % de molibdeno - 0-15 % de níquel - 0-1, 5 % de manganeso - 0-2 % de niobio - 0-2 % de titanio - 0-2 % de vanadio - 0, 1-0, 3 % de silicio - menos de 0, 20 % de oxígeno - menos de 0, 03 % de carbono - menos de 0, 3 % de impurezas inevitables, siendo el resto hierro y dichas impurezas inevitables; - mezclar el polvo con un lubricante para altas temperaturas; hasta 0, 4%, en peso de grafito y hasta 5%, en peso de Fe3P, - compactar la mezcla a una temperatura elevada; y - Sinterizar la mezcla compactada sin necesidad de volver a compactar, de volver a sinterizar y/o de sinterizar en atmósfera inerte o en vacío.

Description

Compactación en caliente de polvos de acero.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento para compactar en caliente composiciones de polvos de acero. Específicamente la invención se refiere a la compactación en caliente de composiciones de polvos de acero inoxidable.

Fundamento de la técnica

Desde el comienzo del uso industrial de procedimientos metalúrgicos de polvos, es decir, compresión y sinterización de polvos de metales, grandes esfuerzos de han realizado con el fin de mejorar las propiedades mecánicas de componentes de P/M y mejorar las tolerancias de las piezas acabadas con el fin de extender el mercado y lograr los más bajos costes totales.

Recientemente se ha prestado mucha atención a la compactación en caliente como una forma prometedora de mejorar las propiedades de componentes de material en polvo (en lo sucesivo designados M/P). El procedimiento de compactación en caliente da la oportunidad de incrementar el nivel de densidad, es decir disminuir el nivel de porosidad en piezas acabadas. El procedimiento de compactación en caliente es aplicable a la mayoría de los sistemas de M/P. Normalmente el procedimiento de compactación en caliente conduce a una resistencia mecánica más alta y mejores tolerancias dimensionales. Una posibilidad de maquinado en crudo, es decir, maquinado en el estado "acabado de comprimir", se obtiene también por este procedimiento.

La compactación en caliente se considera que se define como la compactación de un material en forma de partículas, que principalmente consiste en polvo metálico, por encima de aproximadamente 100ºC hasta aproximadamente 150ºC de acuerdo con las tecnologías de polvos corrientemente disponibles, tales como Densmix, Ancorbond o Flow-Met.

Una descripción detallada del procedimiento de compactación en caliente se describe en, por ejemplo, un trabajo presentado en PM TEC 96 World Congress, Washington, June 1996. Tipos específicos de lubricantes usados para la compactación en caliente de polvos de hierro se describen en, por ejemplo, las patentes de EE.UU. 5.154.881 (EP-A-555578) y 5.744.433 (WO-A-95/33589),

Sin embargo, en el caso de polvos de acero inoxidable se ha encontrado, ahora, que las ventajas generales con la compactación en caliente han sido insignificantes cuando solamente se han demostrado diferencias de poca importancia en, por ejemplo, la densidad y la rigidez en estado crudo. Problemas adicionales y más importantes encontrados cuando se compactan polvos de acero inoxidable son las altas fuerzas de extracción y la alta fricción interna durante la compactación.

Los polvos de acero inoxidable se pueden someter a temperaturas elevadas en, por ejemplo, procesos de moldeo por inyección descritos en EP 378702. El moldeo por inyección, sin embargo, difiere de la compresión con matriz convencional usada de acuerdo con la presente invención, en varios aspectos. Así, al contrario de la comprensión con matriz convencional, el moldeo por inyección requiere grandes cantidades de aglutinantes. El proceso de moldeo por inyección de acuerdo con la patente EP requiere, también, la sinterización en dos etapas.

Sumario de la invención

Inesperadamente, se ha descubierto ahora que estos problemas se pueden eliminar y que un incremento sustancial en la rigidez en estado crudo y de la densidad se puede conseguir siempre que el polvo de acero inoxidable se distinga por muy bajos contenidos de oxígeno, y bajos contenidos de silicio y carbono, tal como se define en las reivindicaciones 1 ó 9. Más específicamente, el contenido de oxígeno deberá ser inferior a 0,20, preferiblemente inferior a 0,15 y lo más preferiblemente inferior a 0,10 y el contenido de carbono deberá ser inferior a 0,03, preferiblemente inferior a 0,02 y los más preferiblemente inferior a 0,01%, en peso. Los experimentos demuestran, también, que el contenido de silicio es un factor importante y que el contenido de silicio deberá ser inferior a 0,3% y lo más preferiblemente inferior a 0,2% en peso, con el fin de eliminar los problemas descubiertos cuando polvos de acero inoxidable se compactan en caliente. Otro descubrimiento es que la compactación en caliente de este polvo de acero inoxidable es lo más eficaz a altas presiones de compactación, es decir, que las diferencias de densidad de los cuerpos compactados en caliente y los cuerpos compactados en frío de este polvo aumentan al aumentar las presiones de compactación, lo cual es bastante contrario al comportamiento de polvos de hierro o de acero convencionales.

Descripción detallada de la invención

Los polvos sometidos a la compactación en caliente son polvos pre-aleados pulverizados con agua que incluyen, en tanto por ciento en peso, 10 - 30% de cromo, 0 - 5% de molibdeno, 0 -15% de níquel, 0,1 - 0,3% de silicio, 0 - 1,5% de manganeso, 0 - 2% de niobio, 0 - 2% de titanio, 0 - 2% de vanadio, 0 - 5% de Fe_{3}P, 0 - 0,4% de grafito y como máximo 0,3% de impurezas inevitables y lo más preferiblemente 10 - 20% de cromo, 0 - 3% de molibdeno, 0,1 - 0,3% de silicio, 0,1 - 0,4% de manganeso. 0 - 0,5% de niobio, 0 - 0,5% de titanio, 0 - 0,5% de vanadio, 0 - 0,2% de grafito y esencialmente nada de níquel o, alternativamente, 7 - 10% de níquel, siendo el resto hierro e impurezas inevitables. La preparación de tales polvos se describe en la solicitud de patente PCT SE98/01189 (WO-A-98/58093).

El lubricante puede ser de cualquier tipo con tal de que sea compatible con el procedimiento de compactación en caliente. Más específicamente, el lubricante deberá ser un lubricante para altas temperaturas elegido en el grupo que consiste en estearatos metálicos, parafinas, ceras, y derivados de grasas naturales y sintéticas. También se pueden usar poliamidas del tipo descrito en, por ejemplo, en las patentes de EE.UU. 5.154.881 y 5.744.433, que se han citado más arriba. El lubricante se usa, normalmente, en cantidades entre 0,1 y 2,0%, en peso de la composición total.

De acuerdo con una realización, la mezcla que incluye el polvo de hierro y lubricante para altas temperaturas puede incluir, también, un agente aglutinante. Este agente se puede seleccionar, por ejemplo, a partir de ésteres de celulosa. Si está presente, el agente aglutinante se usa normalmente en una cantidad de 0,01 - 0,40%, en peso de la composición.

Opcionalmente, pero no necesariamente, la mezcla de polvo, que incluye el lubricante y un agente aglutinante, se calienta a una temperatura de 80 - 150ºC, y preferiblemente 100 - 120ºC. La mezcla caliente se compacta, luego, en un útil calentado a 80 - 130ºC y preferiblemente a 100 - 120ºC.

Las piezas en crudo obtenidas se sinterizan, luego, de la misma forma que los materiales estándar, es decir, a temperaturas entre 1.100ºC y 1.300ºC, obteniéndose las ventajas más notables cuando la sinterización se realiza entre 1.120 y 1.170ºC, ya que en este intervalo de temperaturas, el material compactado en caliente mantendrá significativamente densidades más altas, en comparación con el material estándar. Además, la sinterización se realiza, preferiblemente, en atmósfera estándar no oxidativa, durante períodos entre 15 y 90, y preferiblemente entre 20 y 60 minutos. Las altas densidades de acuerdo con la invención se obtienen si necesidad de volver as compactar, volver a sinterizar y/o sinterizar en atmósfera inerte o a vacío.

La invención se ilustra mediante los siguientes ejemplos no limitativos.

Ejemplos Ejemplo 1

Este experimento se realizó con un material estándar 434 LHC, disponible de Coldstream, Bélgica, como referencia, y polvos pulverizados con agua que tenían contenidos bajos de oxígeno, bajos de silicio y bajos de carbono (designados polvos A y polvos B, respectivamente) preparados de acuerdo con la solicitud de patente PCT SE 98/01189, citada más arriba. Seis mezclas de acero inoxidable que tenían la composición presentada en la Tabla 1 se prepararon de acuerdo con la Tabla 2. La compactación se realizó sobre muestras de 50 g a 400, 600 y 800 MPa y se calculó la densidad en crudo de cada muestra. La compactación en caliente se realizó con 0,6%, en peso de un lubricante de tipo de poliamida y la compactación en frío se realizó con un lubricante estándar de etilen-bis-estearamida (Hoechst AG, Germany). Los resultados se presentan en la Tabla 3.

TABLA 1

Polvo	% Cr	% Mo	% Mn	% Si	% C	% O	% N	% Fe
434L LHC	16,9	1,02	0,16	0,76	0,016	0,219	0,0085	Resto
Polvo A	17,6	1,06	0,10	0,14	0,010	0,078	0,0009	Resto
Polvo B	11,6	0,01	0,11	0,1	0,005	0,079	0,0004	Resto

TABLA 2

Polvo de base	Temperatura del polvo (ºC)	Temperatura del útil (ºC)
434 LHC	Temperatura ambiente	Temperatura ambiente110ºC
434 LHC	110ºC	110ºC
Polvo A	Temperatura ambiente	Temperatura ambiente
Polvo A	110ºC	110ºC
Polvo B	Temperatura ambiente	Temperatura ambiente
Polvo B	110ºC	110ºC

TABLA 3

\vskip1.000000\baselineskip

	Compactación convencional	Compactación en caliente
Presión de compactación, (MPa)	400	600	800	400	600	800
434 LHC – Densidad en crudo (g/cm^{3})	5,85	6,38	6,62	5,90*	6,43*	6,67*
Polvo A – Densidad en crudo (g/cm^{3})	6,17	6,66	6,91	6,24	6,74	7,08
Polvo B – Densidad en crudo (g/cm^{3})	6,34	6,8	7,01	6,41	6,93	7,23
* Sólo se compactaron dos cilindros debido a daño en la pared de la matriz.

Este ejemplo demuestra que la compactación en caliente de polvos estándar de referencia 434 LHC no funciona adecuadamente debido a la alta fricción durante la extracción. También demuestra que la compresibilidad (densidad en crudo) del polvo de acero inoxidable con bajo contenido de oxígeno/carbono, que tiene un bajo contenido de silicio de acuerdo con la presente invención, se incrementa a elevada temperatura y que este efecto es especialmente pronunciado a altas presiones de compactación.

Ejemplo 2

El propósito de esta investigación fue verificar que la compactación en caliente de polvo de acero inoxidable es posible, también, bajo condiciones típicas de la producción. Se mezclaron 30 kg de cada uno de los polvos de más arriba. El polvo de 434 LHC estándar se mezcló con un lubricante de etilen-bisestearamida y el polvo de compactación en caliente se mezcló con un lubricante para altas temperaturas, del tipo de poliamida.

500 partes de cada muestra de polvo se comprimieron en una prensa mecánica Dorso de 45 toneladas, equipada con un calentador para calentamiento del polvo y el calentamiento eléctrico del útil. El polvo se calentó a 110ºC y subsiguientemente se comprimió en forma de anillos en útiles calentados a 110ºC. Los anillos se comprimieron a una presión de compactación de 700 MPa y se sinterizaron a 1.120ºC en atmósfera de hidrógeno durante 30 minutos. En estas piezas sinterizadas se midieron las dimensiones, densidad y la resistencia a la compresión
radial.

Losa resultados de los experimentos de compactación y sinterización en una prensa automática dio los resultados dados en la Tabla 4.

TABLA 4

\vskip1.000000\baselineskip

	Compactación	Compactación en	Compactación en
	convencional	caliente	caliente
	Polvo 434 LHC	Polvo 434 LHC*	Polvo A
Densidad en estado crudo	6,56	6,59	6,90
Presión de extracción, MPa	31	No estable 40 – 50	35
Deformación residual, %	0,29	N/D	0,25
Rigidez en estado crudo, MPa	16	N/D	21
Cambio dimensional, %	- 0,124	N/D	- 0, 093
Resistencia a compresión radial, MPa	457	N/D	823
Densidad sinterizada, g/cm^{3}	6,59	N/D	6,91
Dispersión de altura sinterizada, %	0,34	N/D	0,35
* \begin{minipage}[t]{155mm} Sólo 4 anillos se pudieron prensar antes de que el útil hubo de ser pulido. Por tanto, no se realizó la sinterización y se obtuvieron valores.\end{minipage}

Los anillos compactados en caliente presentaban menos deformación residual comparados con los anillos compactados estándar. La resistencia en estado crudo aumentó en 30%, desde 16 a 21 MPa. La resistencia la compresión radial incrementó un 80% después de sinterización, que está fuertemente relacionada con la densidad sinterizada de 6,59 g/cm^{3} para compactado estándar y 6,91 g/cm^{3} para compactado en caliente. La dispersión de altura disminuyó durante la sinterización para ambas series de compactación. La dispersión en la altura para la compactación estándar fue 0,34% para material compactado en frío y 0,35% para material compactado en caliente. Este resultado demuestra que las tolerancias después de sinterización son las mismas para material compactado en caliente que para la compactación estándar. Los resultados indican, también, que la compactación en caliente del polvo 434 LHC no es posible.

Claims

1. Un procedimiento de preparación de cuerpos sinterizados de alta densidad y compactados en caliente, de un polvo de acero inoxidable, consistiendo dicho procedimiento en las etapas de:

-: proporcionar una mezcla de un polvo de acero inoxidable pulverizado con agua, pre-aleado y recocido, que comprende:

-: 10 - 30% de cromo

-: 0 - 5% de molibdeno

-: 0 - 15% de níquel

-: 0 - 1,5% de manganeso

-: 0 - 2% de niobio

-: 0 - 2% de titanio

-: 0 - 2% de vanadio

-: 0,1 - 0,3% de silicio

-: menos de 0,20% de oxígeno

-: menos de 0,03% de carbono

-: menos de 0,3% de impurezas inevitables,

: siendo el resto hierro y dichas impurezas inevitables;

-: mezclar el polvo con un lubricante para altas temperaturas; hasta 0,4%, en peso de grafito y hasta 5%, en peso de Fe_{3}P,

-: compactar la mezcla a una temperatura elevada; y

-: Sinterizar la mezcla compactada sin necesidad de volver a compactar, de volver a sinterizar y/o de sinterizar en atmósfera inerte o en vacío.

2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el contenido de oxígeno del polvo de acero inoxidable es inferior a 0,15, y preferiblemente inferior a 0,10% en peso, el contenido de silicio es inferior a 0,3, y preferiblemente inferior a 0,2%, en peso y el contenido de carbono es inferior a 0,02 y preferiblemente inferior a 0,01%, en peso.

3. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el lubricante se elige en el grupo que consiste en estearatos metálicos, tales como estearato de litio, parafinas, ceras, derivados de grasas naturales o sintéticas y poliamidas.

4. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque la cantidad de lubricante es entre 0,1 y 2,0% de la composición total.

5. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque el polvo se precalienta a una temperatura entre 80 y 130ºC antes de compactar.

6. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque el polvo se compacta en una matriz precalentada a una temperatura entre 80 y 150ºC.

7. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado porque el polvo se compacta a una presión entre 400 y 1.000 MPa.

8. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que incluye además las etapas de sinterizar los cuerpos en crudo obtenidos a temperaturas entre 1.100ºC y 1.300ºC, y preferiblemente entre 1.120 y 1.170ºC, durante períodos entre 15 y 90, y preferiblemente entre 20 y 60 minutos.

9. Una composición de polvo para compactación en caliente, que comprende un polvo de acero inoxidable pulverizado en agua, pre-aleado y recocido, que comprende:

- 10 - 30% de cromo

- 0 - 5% de molibdeno

- 0 - 15% de níquel

- 0 - 1,5% de manganeso

- 0 - 2% de niobio

- 0 - 2% de titanio

- 0 - 2% de vanadio

- 0,1 - 0,3% de silicio

- menos de 0,20% de oxígeno

- menos de 0,03% de carbono

- menos de 0,3% de impurezas inevitables,

siendo el resto hierro y 0,1 - 2,0%, en peso de un lubricante para altas temperaturas, hasta 0,4%, en peso de grafito y hasta 5%, en peso de Fe_{3}P.

10. La composición en polvo de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque el lubricante para altas temperaturas se elige en el grupo que consiste en estearatos metálicos, tales como estearatos de litio, parafinas, ceras, derivados de grasas naturales y sintéticas y poliamidas.