ES2867028T3

ES2867028T3 - Composiciones de aleación a base de hierro resistentes al desgaste que comprenden cromo

Info

Publication number: ES2867028T3
Application number: ES18181105T
Authority: ES
Inventors: Barbara Maroli; Robert Frykholm; Sven Bengtsson; Karin Frisk
Original assignee: Hoganas AB
Current assignee: Hoganas AB
Priority date: 2018-07-02
Filing date: 2018-07-02
Publication date: 2021-10-20
Anticipated expiration: 2038-07-02
Also published as: BR112020025304B1; EP3590642A1; AU2019296943A8; ZA202100170B; EP3590642B1; PL3590642T3; US12465999B2; US20230091911A1; CA3104944A1; CN112334260B; AU2019296943B2; US11370198B2; JP7212076B2; DK3590642T3; RU2759943C1; WO2020007654A1; JP2021530614A; CA3104944C; CN112334260A; US20210197524A1

Abstract

Una composición de aleación a base de hierro que comprende boro (B): 1,6-2,4 % en peso; carbono (C): 2,2-3,0 % en peso; cromo (Cr): 3,5-5,0 % en peso; manganeso (Mn): inferior a 0,8 % en peso; molibdeno (Mo): 16,0-19,5 % en peso; níquel (Ni): 1,0-2,0 % en peso; silicio (Si): 0,2-2,0 % en peso; vanadio (V): 10,8-13,2 % en peso; y siendo el resto hierro (Fe).

Description

DESCRIPCIÓN

Composiciones de aleación a base de hierro resistentes al desgaste que comprenden cromo

La presente invención se refiere, en un aspecto, a una composición de aleación a base de hierro para aplicaciones de revestimiento duro. En otro aspecto, la invención se refiere a un recubrimiento de revestimiento duro producido a partir de una composición de aleación a base de hierro. En aún otro aspecto, la invención se refiere a un método para el revestimiento duro de un artículo usando una composición de aleación a base de hierro como material de recubrimiento. Además, en un aspecto, la invención se refiere a revestimiento duro mediante soldadura de recargue usando una composición de aleación a base de hierro como material de recubrimiento. En un aspecto particular, la invención se refiere a revestimiento duro mediante deposición por láser usando una composición de aleación a base de hierro como material de recubrimiento. En otro aspecto particular, la invención se refiere a revestimiento duro mediante soldadura de plasma arc transfer (arco transferido por plasma - PTA) usando una composición de aleación a base de hierro como material de recubrimiento.

Antecedentes de la invención

El revestimiento duro es una técnica metalúrgica para extender la vida útil de las herramientas y otras partes destinadas a usarse en condiciones de funcionamiento muy rigurosas al proporcionar a las porciones más expuestas de tales artículos una capa de recubrimiento resistente al desgaste. Por ejemplo, el recubrimiento puede aplicarse en regiones de superficie seleccionadas como una capa protectora en la producción de nuevas piezas o puede aplicarse para restaurar las superficies desgastadas en un proceso de reparación. Normalmente, un recubrimiento de revestimiento duro se aplica como una capa de soldadura de recargue unida de manera metalúrgica a una porción de sustrato de un artículo.

Los materiales de revestimiento duro son aleaciones complejas que normalmente están diseñadas para aplicaciones particulares con el fin de proporcionar protección frente a mecanismos de deterioro, tales como el desgaste abrasivo, desgaste por impacto y erosión. Las aplicaciones típicas pueden incluir, aunque no se limitan a, extracción de petróleo y gas, minería, producción de cemento, maquinaria agrícola y de movimiento de tierras, herramientas de moldeo y componentes de turbinas, p. ej., aeroespaciales y de generación de energía. Sin embargo, muchos de los materiales de revestimiento duro de mejor rendimiento conocidos tienen varios inconvenientes, entre los que se incluyen escenarios de alto coste, impacto ambiental y resistencia muy limitada cuando se combinan escenarios de desgaste, en los que diferentes tipos de mecanismos de desgaste contribuyen en combinación al deterioro del artículo en condiciones de funcionamiento realistas.

Existen diferentes técnicas para aplicar un recubrimiento de revestimiento duro a un sustrato. Uno de los retos en este contexto es que cada técnica tiene características específicas del tipo de proceso que ejercen una influencia sobre las propiedades del recubrimiento obtenido y, por tanto, la resistencia al desgaste lograda realmente. Por ejemplo, los procesos de deposición por láser tienen la ventaja de una aplicación rápida con una zona afectada por calor relativamente pequeña y un bajo grado de dilución de sustrato en comparación con otros tipos de técnicas de soldadura de recargue. Sin embargo, estas características están vinculadas a una velocidad de enfriamiento relativamente rápida del baño de fusión por soldadura y conllevan una mayor tendencia a la formación de grietas y/o porosidad que se producen en el recubrimiento. Una mayor tendencia a la formación de grietas y la porosidad puede llevar a un desgaste excesivo en comparación, p. ej., con el proceso por medio del uso de una técnica de plasma transferred arc (soldadura de arco transferido por plasma - PTA) más lenta. Por otra parte, la técnica de PTA puede conducir a una mayor zona afectada por calor, mayor dilución del sustrato y riesgo de distorsión de la pieza que va a recubrirse. Por lo tanto, existe una necesidad de composiciones de aleación que puedan adaptarse fácilmente o incluso optimizarse para una técnica de revestimiento duro particular con el fin de lograr recubrimientos con resistencia combinada al desgaste abrasivo y por impacto, buena soldabilidad, lo que significa una tendencia reducida a la formación de poros y grietas, y coste más bajo.

Algunos de los problemas mencionados anteriormente se han abordado en estudios previos que han sido publicados por los inventores, véase p. ej.: Maroli y col, en “ Effect of Type and Amount of Tungsten Carbides on the Abrasive Wear of Laser Cladded Nickel Based Coatings” , Int. Thermal Spray Conf. - ITSC 2015, Long Beach, CA, EE. UU.; Bengtsson y col., en “ New Hardfacing Material with High Impact Wear Resistance” , Int. Thermal Spray Conf. - ITSC 2016, Shanghai; Maroli y col., en “ Iron Based Hardfacing Alloys for Abrasive and Impact Wear” , Int. Thermal Spray Conf. -ITSC 2017, Düsseldorf, Alemania; y Maroli y col., en “Cost Effective Iron Based Alloys for Abrasive Wear” Int. Thermal Spray Conf. - ITSC 2018, Orlando, EE. UU. Estos estudios presentan, entre otras cosas, mediciones que cuantifican las propiedades de determinadas aleaciones a base de hierro y su utilidad en aplicaciones de revestimiento duro rentables. Otros estudios se han centrado en evitar completamente el cromo como componente en aleaciones de revestimiento duro; véase, p. ej., Eibl, documento WO 2017/040775, que se refiere a “Chromium Free and Low-Chromium Wear Resistant Alloys” (Aleaciones resistentes al desgaste libres de cromo y con bajo contenido en cromo). Sin embargo, incluso estas composiciones de aleación mejoradas pueden seguir enfrentándose a algunas de las limitaciones mencionadas anteriormente. Por tanto, persiste la necesidad de encontrar alternativas y, preferiblemente, aleaciones mejoradas para el revestimiento duro, que superen o mejoren al menos algunos de los problemas mencionados anteriormente.

Además, se ha descubierto que las que producen mejores resultados entre las aleaciones de revestimiento duro conocidas pueden ser bastante sensibles a la elección de la técnica de soldadura y a los parámetros de proceso usados para aplicar la aleación de revestimiento duro como recubrimiento a una porción de sustrato. Al mismo tiempo, los equipos disponibles para el revestimiento duro pueden determinar el tipo de procesamiento y los parámetros de procesamiento pueden estar sujetos a restricciones externas dictadas por la complejidad de una tarea de revestimiento duro específica. Una falta de tolerancia con respecto a los parámetros de procesamiento cambiantes puede representar otro reto para diseñar un proceso de revestimiento duro con el resultado deseado en términos de calidad y resistencia al desgaste del recubrimiento. Por tanto, es deseable, además, proporcionar una aleación de revestimiento duro y un método que sea susceptible de soportar estos factores, proporcionando sin embargo una alta resistencia al desgaste, en particular en un escenario de tipo de desgaste combinado.

Resumen de la invención

Un primer aspecto de la invención se refiere a una composición de aleación a base de hierro que comprende: boro (B): 1,6-2,4 % en peso; carbono (C): 2,2-3,0 % en peso; cromo (Cr): 3,5-5,0 % en peso; manganeso (Mn): inferior a 0,8 % en peso; molibdeno (Mo): 16,0-19,5 % en peso; níquel (Ni): 1,0-2,0 % en peso; silicio (Si): 0,2 2,0 % en peso; vanadio (V): 10,8-13,2 % en peso; y siendo el resto hierro (Fe).

La composición de aleación a base de hierro está destinada al revestimiento duro de un sustrato por medio de técnicas de revestimiento duro conocidas, tales como soldadura de recargue usando, p. ej., técnicas de soldadura de plasma transfer arc (arco transferido por plasma - PTA) o deposición por láser. La aleación puede proporcionarse en cualquier forma adecuada para alimentarse y procesarse por el aparato de revestimiento duro empleado para dar un recubrimiento de revestimiento duro. Los sustratos típicos son materiales de acero de baja aleación, tales como los usados habitualmente para herramientas en cualquiera de los campos de aplicación mencionados anteriormente.

La composición de aleación a base de hierro está diseñada para que sea fácil de soldar con pocas o ninguna grieta y sin porosidad perjudicial, al menos para determinadas técnicas de soldadura, tales como soldadura por arco de transferencia de plasma típica o técnicas de soldadura de recargue similares que tienen una dependencia de tiempo comparable del enfriamiento del baño de fusión. La composición de la aleación a base de hierro está diseñada además para proporcionar una alta dureza, tal como muy por encima de 60 HRC, alta resistencia al desgaste abrasivo, tal como por debajo de 15 mm3, según la norma ASTM G65, procedimiento A, y buena resistencia al impacto, así como para un control estable de la microestructura.

Con adiciones de Cr en el intervalo que se especifica en la presente descripción, los recubrimientos producidos usando la composición de aleación muestran una combinación sorprendente de alta dureza, resistencia al desgaste abrasivo y resistencia al desgaste por impacto. A niveles demasiado bajos de Cr, en particular, la resistencia al desgaste por impacto observada para los recubrimientos producidos usando tales aleaciones disminuye, especialmente a bajas energías de impacto por debajo de 15 J. A niveles demasiado altos de Cr, tanto la dureza como la resistencia al desgaste abrasivo disminuyen. Dentro del intervalo sugerido se obtiene una buena combinación de dureza, resistencia al desgaste abrasivo y resistencia al desgaste por impacto. La composición de aleación también es fácil de aplicar sin grietas, p. ej. utilizando procedimientos de soldadura PTA u otras técnicas de soldadura de recargue con una dependencia del tiempo del enfriamiento del baño de fusión que es comparable a la que se encuentra normalmente en los procedimientos de soldadura PTA.

El contenido de Si se optimiza para el equilibrio entre fases duras y estructura eutéctica. De hecho, un beneficio particular de la presente invención reside en la conclusión de que el Si puede usarse de manera sorprendentemente eficiente y fiable para controlar la formación de boruros. El límite superior se fija para asegurar una formación suficiente de la estructura eutéctica, lo que es necesario para una dureza y resistencia al desgaste suficientes.

Las ventajas de añadir cromo y silicio en combinación, con los intervalos particulares seleccionados para el contenido de cromo y silicio, incluyen una versatilidad mejorada del sistema de recubrimiento en comparación con las aleaciones de revestimiento duro conocidas, debido a una resistencia al desgaste combinada sorprendentemente eficaz donde entran en juego diferentes tipos de mecanismos de desgaste así como la calidad del recubrimiento, tal como se observa p. ej. en análisis de la dureza, la resistencia al desgaste abrasivo, la resistencia al desgaste por impacto y similares, para muestras de recubrimiento de revestimiento duro producidas usando la composición de aleación a base de hierro según realizaciones de la invención. Aparentemente, la adición de Si mejora de manera sinérgica el efecto de la adición de Cr y proporciona, entre otras cosas, una capacidad de ajuste mejorada de las propiedades del recubrimiento relacionadas con el desgaste en comparación con las composiciones conocidas. Se observa un mecanismo de ajuste sorprendentemente sencillo dentro de los intervalos de contenido de Cr y Si según realizaciones de la invención tal como se describe en la presente descripción, proporcionando así un control sorprendentemente eficaz de las propiedades de recubrimiento. Por ejemplo, este mecanismo de ajuste permite una adaptación bien controlada del sistema de aleación de recubrimiento a requisitos específicos de un proceso de recubrimiento particular que va a usarse en una aplicación dada, sin comprometer la capacidad global de resistencia al desgaste de tal recubrimiento en un escenario de mecanismos de desgaste combinados. Esto permite que un experto que usa el sistema de aleación de recubrimiento descrito diseñe una composición de aleación de recubrimiento según una resistencia al desgaste deseada, p. ej., estableciendo un contenido de Cr deseado dentro del intervalo dado, y simplemente variando el contenido de Si para un contenido de Cr dado para optimizar el contenido de Si para el escenario de desgaste combinado de una aplicación dada. Por ejemplo, el recubrimiento puede optimizarse para una dureza y resistencia al desgaste abrasivo máximas con contenidos de Si más bajos.

Además, según algunas realizaciones de la composición de aleación a base de hierro, la cantidad de silicio es de 0,2-1,5 % en peso, preferiblemente de 0,5-1 % en peso. Este intervalo de contenido de Si, y en particular el intervalo preferido de contenido de Si entre 0,5-1 % en peso, soporta una resistencia al desgaste combinada sorprendentemente buena con alta dureza y muy buen rendimiento de resistencia al desgaste abrasivo, mientras que al menos mantiene una buena resistencia al desgaste por impacto.

Un contenido mínimo de Si de aproximadamente 0,2 % en peso, o al menos 0,3 % en peso, es beneficioso para un comportamiento mejorado del material de aleación en la producción de polvo, en particular cuando se usan técnicas de atomización, tales como atomización de gas o atomización de agua, y durante la soldadura de recargue.

De forma ventajosa, según algunas realizaciones de la composición de aleación a base de hierro, la cantidad de silicio es de 1,5 % en peso o inferior, preferiblemente de 1 % en peso o inferior. De ese modo, se obtiene una respuesta de ajuste mejorada para variar el contenido de Si, lo que permite un buen control de la microestructura de la composición de aleación cuando se procesa para dar un recubrimiento de revestimiento duro. Tal como se mencionó anteriormente, la adición de Si en cantidades seleccionadas aparentemente proporciona, en sinergia con los intervalos seleccionados anteriormente para el contenido Cr, una composición de aleación para recubrimientos de revestimiento duro con una combinación sorprendente de altos valores de dureza, resistencia al desgaste abrasivo y/o resistencia al desgaste por impacto, que puede producirse de manera estable, debido a un buen control de la microestructura en la aleación procesada.

Tal como se comenta con mayor detalle a continuación, una conclusión importante subyacente a la presente invención se basa en un análisis de la microestructura de las aleaciones procesadas. El análisis de la microestructura revela que el experto puede usar la presente invención para diseñar una composición de aleación optimizada para una aplicación particular estableciendo el contenido de cromo de la composición de aleación a base de hierro y añadiendo adicionalmente silicio dentro de intervalos seleccionados cuidadosamente que permiten el ajuste de la distribución de diferentes fases en la microestructura del material procesado, con el fin de lograr las propiedades deseadas de resistencia al desgaste combinada, incluidas combinaciones de dureza, desgaste abrasivo y/o desgaste por impacto. Particularmente, se encontró que el silicio afecta a la cantidad de partículas de fase dura primarias formadas en las aleaciones a base de hierro con adiciones de Cr, más particularmente a la cantidad de partículas de boruro primario. Se encontró que se produce un intervalo particularmente ventajoso para el contenido de silicio para el ajuste de las propiedades de la aleación por debajo de 1,5 % en peso, o por debajo de 1,4 % en peso, o por debajo de 1,3 % en peso, o por debajo de 1,2 % en peso, o por debajo de 1,1 % en peso, o por debajo de 1 % en peso, y por encima de 0,2 % en peso, o por encima de 0,3 % en peso, o por encima de 0,4 % en peso, o por encima de 0,5 % en peso.

Además, según algunas realizaciones de la composición de aleación a base de hierro, la cantidad de boro es de 1,8-2,3 % en peso. De forma ventajosa, según algunas realizaciones, la cantidad de boro es de 1,8-2,2 % en peso.

Además, según algunas realizaciones de la composición de aleación a base de hierro, la cantidad de cromo es de 3,5-4,5 % en peso.

De forma ventajosa, según algunas realizaciones de la composición de aleación a base de hierro, la cantidad de cromo es de al menos 3,3 % en peso, al menos 3,4 % en peso, o al menos 3,5 % en peso. Además, según algunas realizaciones de la composición de aleación a base de hierro, la cantidad de cromo es de hasta 4,8 % en peso, hasta 4,6 % en peso, hasta 4,4 % en peso o hasta 4,2 % en peso. Además, según algunas realizaciones, la cantidad de cromo está dentro de cualquier combinación de una cantidad mínima de cromo y una cantidad máxima de cromo, en donde la cantidad mínima de cromo es una de 3,3 % en peso, 3,4 % en peso y 3,5 % en peso, y en donde la cantidad máxima de cromo es una de 4,2 % en peso, 4,4 % en peso, 4,6 % en peso y 4,8 % en peso.

De ese modo, se logra tanto una dureza muy alta como la resistencia al desgaste abrasivo de un recubrimiento de revestimiento duro producido a partir de la composición de aleación a base de hierro sin comprometer otros parámetros de rendimiento de la resistencia al desgaste, tales como la resistencia al desgaste por impacto. Esto permite procesos de revestimiento duro fiables con un resultado de procesamiento estable que también es más robusto frente a variaciones intencionadas o no intencionadas en los parámetros de procesamiento. Se logra una mejora sinérgica en todos estos aspectos para los intervalos seleccionados del contenido de Cr en combinación con la adición de Si según las cantidades ventajosas mencionadas anteriormente de hasta 1,5 % en peso, hasta 1,4 % en peso, hasta 1,3 % en peso, hasta 1,2 % en peso, hasta 1,1 % en peso, o preferiblemente hasta 1 % en peso.

De forma ventajosa, según algunas realizaciones de la composición de aleación a base de hierro, la cantidad de carbono es de 2,4-2,9 % en peso. Por tanto, todavía se garantiza una cantidad mínima suficiente de carbono para la formación adecuada de carburos primarios y martensita.

Además, según algunas realizaciones, la composición de aleación a base de hierro comprende impurezas, en donde la cantidad total de impurezas en la composición de aleación a base de hierro es inferior a 1 % en peso. Cuando se produce una aleación en lotes grandes a escala industrial, las partes restantes de impurezas normalmente son inevitables, pero la cantidad total de impurezas en la composición de aleación a base de hierro puede mantenerse, normalmente, inferior a 1 % en peso, o incluso inferior a 0,5 % en peso. Generalmente, las impurezas son componentes adicionales diferentes a los especificados como elementos de aleación que conforman la composición de aleación. En el presente caso, cualquier elemento distinto de los elementos de aleación B, C, Cr, Mn, Mo, Ni, Si, V y Fe se consideran impurezas en la composición de aleación a base de hierro. Las impurezas típicas incluyen una o más de N, O, S, Cu, Co. Las impurezas pueden ser componentes adicionales inevitables o añadidos intencionadamente. La cantidad total de impurezas, por lo general, no superará los intervalos mencionados anteriormente.

Además, según algunas realizaciones de la composición de aleación a base de hierro, la composición de aleación es una composición en polvo. De ese modo, la composición de aleación a base de hierro es adecuada para su uso en técnicas de recubrimiento de revestimiento duro a base de polvo. Esto incluye, p. ej., la compatibilidad con el aparato usado para aplicar un recubrimiento de revestimiento duro a un sustrato, tal como un aparato para la soldadura de recargue PTA a base de polvo o para la deposición por láser a base de polvo. El polvo puede prepararse, por ejemplo, mediante cualquier técnica conocida adecuada; tal como atomización de gas o atomización de agua. Pueden prepararse cortes de tamaño de partícula especificado usando técnicas convencionales conocidas en la técnica, tales como usar cualquier técnica de tamizado adecuada conocida, según las especificaciones predefinidas para el tamaño de partícula compatible con el sistema de alimentación de polvo del equipo de revestimiento duro seleccionado.

Además, según algunas realizaciones de la composición de aleación a base de hierro, al menos 95 % en peso de la composición en polvo tiene un tamaño de partícula de hasta 300 pm, o hasta 250 pm, o hasta 200 pm, o hasta 150 pm, y/o en donde al menos 95 % en peso de la composición en polvo tiene un tamaño de partícula de al menos 5 pm, o al menos 10 pm, o al menos 20 pm, o al menos 30 pm, o al menos 40 pm, o al menos 50 pm, es decir, según algunas realizaciones, al menos 95 % en peso de la composición en polvo tiene un tamaño de partícula de hasta 300 pm, o hasta 250 pm, o hasta 200 pm, o hasta 150 pm; además, según algunas realizaciones, al menos 95 % en peso de la composición en polvo tiene un tamaño de partícula de al menos 5 pm, o al menos 10 pm, o al menos 20 pm, o al menos 30 pm, o al menos 40 pm, o al menos 50 pm; además, según algunas realizaciones, al menos 95 % en peso de la composición en polvo tiene un tamaño de partícula dentro de cualquier combinación de un tamaño de partícula mínimo especificado y un tamaño de partícula máximo especificado, en donde el tamaño de partícula mínimo es uno de 5 pm, 10 pm, 20 pm, 30 pm, 40 pm y 50 pm, y en donde el tamaño de partícula máximo es uno de 150 pm, 200 pm, 250 pm y 300 pm. Todos los tamaños de partícula, tal como se especifica en la presente descripción, se determinan mediante tamizado en seco según la norma europea EN 24497:1993, aprobada por el Comité Europeo de Normalización (CEN) el 2 de abril de 1993, en donde e N 24497:1993 respalda la norma ISO 4497:1983.

Tal como se mencionó anteriormente, un corte de tamaño de partícula se adapta de forma ventajosa según las especificaciones de compatibilidad con los dispositivos de alimentación de polvo del equipo de recubrimiento que va a usarse para aplicar el recubrimiento de revestimiento duro.

La idoneidad para un equipo de revestimiento duro a base de polvo puede implicar además un tamaño de partícula máximo general que no debe superarse, que puede encontrarse por encima del límite superior para el intervalo especificado de tamaño de partícula, pero donde, por lo demás, al menos el 95 % en peso se encuentra dentro del intervalo especificado de tamaños de partícula. De forma ventajosa, según algunas realizaciones de la composición de aleación a base de hierro, al menos 97 % en peso, o al menos 98 % en peso, o al menos 99 % en peso, o al menos 99,9 % en peso de todas las partículas se encuentran dentro del intervalo especificado de tamaños de partícula. El tamaño de partícula máximo global que no debe superarse dependerá de la especificación real del aparato/mecanismo de alimentación de polvo que vaya a usarse, y puede ser, por ejemplo, de hasta 350 pm, hasta 300 pm, hasta 250 pm, o hasta aproximadamente 200 pm. El corte del tamaño de partícula puede prepararse mediante cualquier método adecuado conocido en la técnica de la preparación de polvo, tal como tamizado, usando telas de tamices con diferentes tamaños de malla. Tal como ya se mencionó anteriormente, todos los tamaños de partícula indicados en esta solicitud se determinan mediante tamizado en seco según la norma europea EN 24 497:1993, aprobada por el Comité Europeo de Normalización (CEN) el 2 de abril de 1993, en donde EN 24497:1993 respalda la norma ISO 4497:1983.

Otro aspecto de la invención se refiere a un recubrimiento producido mediante una técnica de revestimiento duro, tal como una soldadura de recargue, usando cualquiera de las composiciones de aleación descritas en la presente descripción. Otro aspecto de la invención se refiere a un artículo recubierto, comprendiendo el artículo un recubrimiento unido a una porción de sustrato del mismo, en donde el recubrimiento se produce mediante una técnica de revestimiento duro, tal como una soldadura de recargue, usando cualquiera de las composiciones de aleación descritas en la presente descripción.

Según algunas realizaciones, un artículo comprende una porción de sustrato y un recubrimiento unido a la porción de sustrato, en donde el recubrimiento se produce usando una composición de aleación a base de hierro según una cualquiera de las realizaciones descritas en la presente descripción. El recubrimiento está destinado al revestimiento duro de la porción de sustrato. Preferiblemente, el recubrimiento se produce mediante un proceso de soldadura de recargue.

Además, según algunas realizaciones del artículo recubierto, el recubrimiento se aplica mediante un proceso de soldadura de recargue, tal como un proceso de soldadura de plasma transfer arc (arco transferido por plasma - PTA) o un proceso de deposición por láser. Tal como se mencionó anteriormente, las diferentes técnicas de revestimiento duro pueden tener características específicas del tipo de proceso que ejercen una influencia sobre las propiedades de resistencia al desgaste del recubrimiento obtenido. Una ventaja particular de las composiciones de aleación a base de hierro según realizaciones de la invención surge cuando se adaptan a o incluso se optimizan para una técnica de revestimiento duro. Se ha demostrado que tanto las técnicas de soldadura PTA como las técnicas de deposición por láser funcionan particularmente bien para formar recubrimientos de revestimiento duro usando realizaciones de la composición de aleación a base de hierro de la invención, en donde la soldadura PTA y, de manera equivalente, otras técnicas de soldadura de recargue con dependencia de tiempo de la formación y/o el enfriamiento del baño de fusión que es comparable a los procedimientos típicos de soldadura PTA son particularmente ventajosas para la formación de recubrimientos libres de grietas.

Además, el mecanismo de ajuste sencillo mencionado anteriormente puede usarse eficazmente para una adaptación bien controlada del sistema de aleación de recubrimiento a requisitos específicos del proceso de recubrimiento particular que va a usarse, sin tener que embarcarse en una gran investigación de la influencia de numerosos componentes adicionales contenidos en la aleación.

Además, según algunas realizaciones del artículo recubierto, la dilución del material de sustrato es inferior al 20 %, o inferior al 15 %, inferior al 10 %, o inferior al 5 % o inferior al 1 %.

Además, según algunas realizaciones del artículo recubierto, el recubrimiento tiene una dureza Rockwel1HRC de al menos 60, al menos 63 o al menos 65. Además, según algunas realizaciones del artículo recubierto, el recubrimiento puede tener una dureza Rockwell HRC de aproximadamente 67.

Además, según algunas realizaciones del artículo recubierto, el recubrimiento tiene una resistencia al desgaste abrasivo tal como se determina según la norma ASTM G65, procedimiento A, inferior a 15 mm3, inferior a 12 mm3 o inferior a 10 mm3. Además, según algunas realizaciones del artículo recubierto, el recubrimiento puede tener una resistencia al desgaste abrasivo tal como se determina según la norma ASTM G65, procedimiento A, de aproximadamente 8 mm3. Esta resistencia al desgaste abrasivo es comparable a la de los recubrimientos NiSiB que contienen 50-60 % en peso de carburos de tungsteno.

Además, según algunas realizaciones del artículo recubierto, el recubrimiento tiene un desgaste por impacto tal como se determina según el método de ensayo de desgaste por impacto de bola de aproximadamente o más de 5 golpes para una energía de impacto por golpe de 15 J, más de 15 golpes para una energía de impacto por golpe de 10 J.

Además, según algunas realizaciones del artículo recubierto, el recubrimiento tiene una microestructura que comprende boruro primario y material de matriz eutéctica, en donde una razón de una cantidad de boruro primario en volumen con respecto a una cantidad de material de matriz eutéctica en volumen es inferior a 0,3, o inferior a 0,25. Además, según algunas realizaciones del artículo recubierto, el recubrimiento tiene una microestructura que comprende boruro primario y material de matriz eutéctica, en donde una razón de una cantidad de boruro primario en volumen con respecto a una cantidad de material de matriz eutéctica en volumen es de al menos 0,01, o al menos 0,03.

Tal como se mencionó anteriormente, el material de revestimiento duro se aplica, normalmente, como recubrimiento a una porción de sustrato de un artículo. Los sustratos típicos son materiales de acero, tales como los usados para herramientas en cualquiera de las aplicaciones mencionadas anteriormente, por ejemplo, acero de baja aleación. Los materiales de revestimiento duro a base de hierro son materiales compuestos con una microestructura compuesta por las denominadas partículas de fase dura que están incluidas en una matriz de otra fase dura. El material de revestimiento duro se forma en un proceso de fundir en primer lugar una composición de aleación a base de hierro, tal como una composición de aleación a base de hierro según realizaciones de la presente invención, que luego se deja enfriar para que se solidifique en la forma deseada, p. ej., como recubrimiento de revestimiento duro. Durante el enfriamiento, las partículas de fase dura se forman antes de que el material de matriz, es decir, las partículas de fase dura se formen por solidificación a mayores temperaturas que el material de matriz. Por tanto, las partículas de fase dura también se denominan fases duras “primarias” . Cuando se analizan las cantidades relativas de las diferentes fases duras y de los materiales de matriz, las cantidades se determinan en porcentaje en volumen con el uso de técnicas metalúrgicas convencionales basadas en análisis de imagen.

En los materiales de revestimiento duro que se forman usando la composición de aleación a base de hierro según realizaciones de la invención, las partículas de fase dura son carburos primarios y boruros primarios, en donde el análisis elemental realizado por los inventores señala una formación predominante de partículas de carburo ricas en vanadio por un lado y partículas de boruro ricas en molibdeno por otro lado. El análisis elemental realizado por los inventores indica además que el material de matriz formado posteriormente se solidifica como una estructura eutéctica de boruro rico en molibdeno intercalado con martensita. Sin embargo, el análisis de imagen metalúrgica de micrografías mantenidas junto con datos de análisis elemental revela también que el material de matriz tiende además a comprender islas agotadas en molibdeno, que coinciden con las regiones de agotamiento de boro. Por tanto, estas islas pueden distinguirse de las regiones de la estructura eutéctica mediante un análisis elemental del material de recubrimiento mediante energy dispersive spectroscopy (espectroscopía dispersiva de energía - EDS). Las regiones de isla aparecerán como regiones con una señal muy baja para el molibdeno y el boro. El análisis mediante EDS se realiza, normalmente, en una región que es representativa del recubrimiento tal como, normalmente, dentro de una región de volumen del recubrimiento, mediante el uso de técnicas de análisis de imagen metalúrgica convencionales.

Sin limitarse a la teoría, estas islas pueden atribuirse a la formación de martensita, que parece ocurrir como consecuencia de que el molibdeno y el boro se consumen por la formación de las partículas de boruro primario, antes de la solidificación del material de matriz. Más aún, la conclusión proporcionada por los inventores sugiere que la adición de silicio afecta directamente a la cantidad de boruros primarios formados en los materiales de revestimiento duro a partir del procesamiento de la composición de aleación a base de hierro según realizaciones de la invención y, por tanto, que el control del contenido de Si es crítico para determinar la microestructura final de un material de revestimiento duro. Como consecuencia, el control del contenido de Si es crítico para determinar las propiedades finales de un recubrimiento. Por tanto, una conclusión importante de la presente invención es que la variación del contenido de silicio dentro de los intervalos seleccionados cuidadosamente afecta directamente a la cantidad de boruros primarios formados a expensas de la cantidad de material de matriz eutéctica, lo que proporciona un manejo directo para adaptar las propiedades de un recubrimiento formado a partir de la composición de aleación según realizaciones de la invención, p. ej., con respecto al desgaste abrasivo. Por ejemplo, proporcionar un primer recubrimiento que tiene una primera razón de la cantidad de boruros con respecto a la cantidad de estructura eutéctica, y un segundo recubrimiento que tiene una segunda razón de la cantidad de boruros con respecto a la cantidad de estructura eutéctica que es diferente en comparación con la primera razón, tendrán diferentes propiedades de desgaste abrasivo. Según realizaciones de la presente invención, la razón de la cantidad de boruros con respecto a la cantidad de estructura eutéctica y, por tanto, las propiedades del recubrimiento, pueden controlarse variando el contenido de silicio, en donde el aumento (disminución) del contenido de silicio disminuye (aumenta) la resistencia al desgaste abrasivo ligeramente, pero de manera reproducible. Si, p. ej., la primera razón es mayor que la segunda razón, la resistencia al desgaste abrasivo del primer recubrimiento será menor (mayor valor de desgaste abrasivo cuando se mide usando el ensayo de la norma ASTm G65, procedimiento A) en comparación con el segundo recubrimiento, y viceversa.

Un aspecto adicional de la invención se refiere a un método de revestimiento duro de un sustrato, comprendiendo el método las etapas de: proporcionar un sustrato; y aplicar un recubrimiento al sustrato usando una composición de aleación a base de hierro según una cualquiera de las realizaciones descritas en la presente descripción como material de recubrimiento. De forma ventajosa, el recubrimiento se aplica mediante un proceso de soldadura de recargue. De ese modo, se logran las mismas ventajas de manera análoga, tal como se comenta en la presente descripción con respecto a la composición de aleación a base de hierro y con respecto a los recubrimientos de revestimiento duro y artículos recubiertos producidos usando la composición de aleación a base de hierro según cualquiera de las realizaciones descritas en la presente descripción. Los sustratos típicos son materiales de acero, tales como los usados para herramientas en cualquiera de las aplicaciones mencionadas anteriormente, por ejemplo, acero de baja aleación.

Además, según algunas realizaciones del método, el proceso de soldadura de recargue es un proceso de soldadura de plasma transfer arc (arco transferido por plasma - PTA) o un proceso de deposición por láser. De este modo, se logran las mismas ventajas de manera análoga, tal como se comentó anteriormente.

Breve descripción de las figuras

La invención se describirá con más detalle en lo siguiente haciendo referencia a ejemplos y a los dibujos adjuntos, en donde los dibujos muestran en

la Fig. 1 un gráfico que muestra la dureza de los recubrimientos producidos por PTA y deposición por láser usando diferentes composiciones de aleación;

la Fig. 2 un gráfico que representa la energía de impacto en función del número de golpes para conseguir la primera grieta, para la composición de aleación Aleación 11 y la aleación de referencia REF;

las Figs. 3a-c micrografías de SEM que muestran la microestructura de tres aleaciones diferentes procesadas para dar muestras de lingote;

las Figs. 4a-b micrografías de SEM que muestran la microestructura de dos aleaciones diferentes procesadas para dar muestras de lingote;

la Fig. 5 un gráfico que muestra la influencia de la adición de Si en la microestructura de aleaciones procesadas; la Fig. 6 micrografías que muestran la microestructura de dos aleaciones diferentes procesadas para dar recubrimientos mediante soldadura PTA.

la Fig. 7 micrografías de SEM de energía dispersiva que muestran el mapeo elemental de V, Mo, Cr, Fe, Si, C y B para un ejemplo de una aleación; y en

la Fig. 8, esquemáticamente, una disposición para someter a ensayo la resistencia al desgaste por impacto según el método de caída de bola.

Descripción detallada

Como se mencionó anteriormente, un inconveniente de los recubrimientos soldados por PTA y con deposición por láser preparados usando mezclas de NiSiB o composiciones de aleación a base de hierro conocidas con carburos de tungsteno es un rendimiento insatisfactorio de resistencia al desgaste en escenarios de una combinación de diferentes mecanismos de desgaste. Esto se debe a un efecto combinado de microestructura y soldabilidad deficiente que da como resultado la formación de poros y grietas en el caso de recubrimientos a base de hierro y grietas, hundimiento y disolución de los carburos de tungsteno en el caso del recubrimiento NiSiB con carburos de tungsteno. Al optimizar la cantidad de silicio en las composiciones de aleación a base de hierro que contienen cantidades seleccionadas de cromo, puede lograrse una dureza y una resistencia sorprendentemente altas tanto al desgaste abrasivo como al desgaste por impacto.

A continuación, la invención se describe mediante referencia a ejemplos de composiciones de aleación con contenidos de cromo (Cr) y silicio (Si) variados sistemáticamente. Los detalles de las composiciones de aleación se facilitan en la sección MATERIAL. En la sección PROCESO se proporcionan detalles de los procedimientos de soldadura de recargue mediante soldadura de plasma transfer arc (arco transferido por plasma - PTA) y deposición por láser. Las técnicas de análisis para caracterizar las propiedades de las aleaciones procesadas se describen en la sección EVALUACIÓN. Los resultados del análisis se presentan en la sección RESULTADOS, incluido un comentario sobre la influencia de la adición de Cr y Si a las composiciones de aleación a base de hierro según realizaciones de la presente invención.

Ejemplos

Material

Se investigaron los polvos de aleación REF y 11 a 15 con la composición química indicada en la Tabla 1. Se atomizaron por gas las aleaciones y se tamizaron entre 53-150 pm para su compatibilidad con los dispositivos de alimentación de polvo del equipo de soldadura de recargue.

Tabla 1: Composición química de las aleaciones investigadas

Proceso

a) Soldadura de PTA

Se depositaron las aleaciones 1-15 en la Tabla 1 sobre chapas de acero estructural dulce EN S235JR usando una unidad de PTA comercial (Commersald 300l). Se realizaron depósitos de una capa y vía única sobre un sustrato con un tamaño de 125x40x20 [mm] por medio del uso de los parámetros de soldadura en la Tabla 2. Se usó una mezcla de argón y 5 % de H2 con una velocidad de flujo de 16,5 l/min, como gas de protección para proteger el baño de fusión frente a la oxidación. Se usó argón con un flujo de 2,0 l/min para transportar el polvo de la tolva hasta el baño de fusión. El gas piloto fue a 2,0 l/min. Se usaron las muestras recubiertas con los parámetros de la Tabla 2 para las mediciones de dureza, dilución y microestructura del recubrimiento.

Tabla 2: Parámetros de soldadura de PTA para el recubrimiento de sustratos de 125x40x20 mm, una capa, vía única

Se realizaron depósitos que consistían en dos vías superpuestas sobre un sustrato con un tamaño de 220x60x30 [mm]. El solapamiento entre los dos depósitos adyacentes fue de 3 mm y la oscilación del soplete de PTA de 10 mm. Se realizaron los depósitos por medio del uso de los parámetros de soldadura en la Tabla 3 sobre sustratos a temperatura ambiente. Se enfriaron las muestras recubiertas en vermiculato. Se usó una mezcla de argón y 5 % de H2 con una velocidad de flujo de 16,5 l/min, como protección. Se usó argón, flujo de 2,0 l/min, como gas de transporte. El gas piloto fue a 2,0 l/min. Se recortaron preformas con un tamaño requerido por la norma ASTM 65 de estas muestras, se someten a esmerilado plano y se someten a ensayo para determinar la resistencia al desgaste abrasivo.

Tabla 3: Parámetros de soldadura de PTA para el recubrimiento de sustratos de 220x60x30 mm, una capa, dos vías superpuestas

b) Deposición por láser

Se realizó la deposición por láser con el uso de un láser de diodo de fibra acoplada IPG de 6 kW con una boquilla de alimentación de polvo Coax 8 y un punto redondo de 5 mm. Normalmente se determinó la ventana de proceso mediante el uso de dos velocidades de desplazamiento de láser, 16 y 8 mm/s. Se diseñó la velocidad de alimentación de polvo para proporcionar recubrimientos de aproximadamente 1 mm de grosor. La potencia del láser varió entre 1000 y 2500 W. Se usó argón, 15 l/min, como gas de protección. Se usó argón, 6 l/min, como gas de transporte para el polvo. Se depositaron los polvos sobre sustratos de acero dulce EN S235JR con un tamaño de 100x35x10 mm precalentados a 200 0C. Se depositaron seis vías con 50 % de solapamiento. Los parámetros de soldadura investigados se resumen en la Tabla 4. Se verificó la sección transversal de las muestras depositadas para determinar el grado de unión al sustrato, la porosidad de la interfase y la dilución del sustrato usando microscopía óptica. Se seleccionaron las muestras con buena unión al sustrato y una dilución <10 % para la evaluación de las propiedades del recubrimiento.

Tabla 4. Parámetros de deposición por láser usados para recubrimiento del sustrato EN S235JR de 100x35x10 mm, 6 vías solapadas

Se recubrieron discos con un tamaño de 80x80x30 mm para la producción de muestras de ensayo de desgaste abrasivo según la norma ASTM G65, procedimiento A. Se cortaron dos muestras con un tamaño de 58x25x30 mm de cada disco. Luego se sometieron las muestras a esmerilado plano para cumplir con los requisitos del ensayo de desgaste abrasivo.

Tabla 5. Parámetros de deposición por láser usados para recubrimiento del sustrato EN S235JR de 80x80x30 mm

Evaluación

Se investigaron los depósitos para determinar la presencia de grietas y otras irregularidades de la superficie. Se limpiaron (CRC Crick 110) y luego se recubrieron con un colorante rojo (CRC Crick 120) que penetra en las grietas o los defectos en la superficie a través de fuerzas capilares. Después de 10 minutos, se retiró el exceso de colorante de la superficie y se aplicó un revelador de color blanco (CRC Crick 130). El revelador extrajo el penetrante de las fisuras, grietas u otras imperfecciones huecas que se comunicaban con la superficie y las coloreó de rojo.

Se midió la dureza Rockwell HRC mediante el uso de una máquina de ensayo de dureza Wolpert Universal. Se esmerilaron los recubrimientos. Se realizaron siete indentaciones de dureza en la superficie plana y se calculó el promedio.

Para medir la dilución del sustrato, se cortaron en sección las muestras recubiertas en perpendicular a la dirección del recubrimiento y luego se esmerilaron sobre papel de SiC. Se examinó la sección transversal mediante el uso de un estereomicroscopio y se determinó la dilución geométricamente. Antes de la medición, se sometieron las muestras a ataque químico en Nital a 1 % para atacar el material de sustrato y, de esta manera, facilitar la detección del recubrimiento. Se fotografió la sección transversal de recubrimiento así esmerilado con el uso de un estereomicroscopio de Leica. Se midieron el área de recubrimiento total (A ^{recubr¡m¡ento} + A ^sustrato ) y el área del recubrimiento que era el sustrato antes de la soldadura de recargue (A ^sustrato ) mediante análisis de imagen. Por tanto, se calculó la dilución del material de sustrato por área de sección transversal según se define en la siguiente ecuación:

Dilución en %—((A ^sustrato )/ (A ^{recubrimiento} + A ^sustrato )) x 100

Para el análisis de la calidad y la microestructura de los recubrimientos y en algunos casos, la medición de la dilución geométrica del sustrato, las muestras se moldearon entonces en baquelita, se molieron y se pulieron usando procedimientos convencionales para la preparación de muestras metalográficas. Se usó el pulido de óxido con SiÜ2 coloidal como la etapa final de la preparación de muestras metalográficas. Se examinó la sección transversal de los recubrimientos mediante el uso de un microscopio óptico de luz (Leica DM 6000) y un microscopio FEGSEM (Hitachi FU6600) equipado con un detector de deriva de silicio (SDD) para análisis mediante EDS (Quantax 800 Bruker). Se usaron mapas de EDS para Mo y V para evaluar la fracción volumétrica de fases presentes en los recubrimientos mediante análisis de imagen.

Los ensayos de desgaste abrasivo de baja tensión se realizaron de conformidad con la norma ASTM G65 (ASTM 65: método de ensayo convencional para medir la abrasión usando el aparato de rueda de caucho/arena seca, 2010), procedimiento A, usando un tribómetro de abrasión comercial de rueda/arena de multiplexación (Phoenix tribology TE 65). Se sometieron a ensayo cinco réplicas de muestra por material.

Se realizaron ensayos de desgaste por impacto usando un aparato de ensayo construido de manera interna. En la Fig. 8 se muestra un esquema de la configuración. Se dejan caer bolas de rodamiento de acero convencionales de masa m desde alturas predefinidas sobre la muestra de ensayo recubierta. La energía potencial (Ep) de cada bola es Ep—m h g, en donde m es la masa de la bola, h es la altura de caída y g es la constante de gravitación. Al variar la masa de las bolas de acero y la altura desde la que se dejan caer, se simulan diferentes energías potenciales, es decir, energías de impacto. Un punto de datos corresponde al número total de golpes de bola para una altura predefinida, es decir, energía de impacto, hasta que se produce una primera grieta circular alrededor de la marca de impacto. Este tipo de ensayos de desgaste por impacto modelo es adecuado para clasificar por rangos la resistencia al desgaste por impacto de materiales expuestos a sobrecargas de impacto a velocidades de impacto relativamente bajas. Las condiciones de funcionamiento más próximas al modelado en estos ensayos pueden ejemplificarse por un primer contacto de los dientes del cucharón de una excavadora con el terreno; mediante el llenado de los cucharones de excavadoras por el material extraído; mediante el envío del material extraído a la plataforma de un camión, etc. Se retira el desgaste abrasivo de estos ensayos a diferencia de ensayos de desgaste por impacto abrasivo combinados.

Resultados

En la Tabla 6 se resumen la dilución, la resistencia al abrasive wear (desgaste abrasivo - AW) y la dureza HRC de las aleaciones 11-15 procesadas para dar un recubrimiento de revestimiento duro mediante soldadura PTA y deposición por láser.

Tabla 6. Dilución, resistencia al desgaste abrasivo y HRC de las aleaciones 11-15 soldadas por PTA y depositadas por láser

En la Aleación 11-14 con de 3,5 a 5 % en peso de cromo, la resistencia al desgaste abrasivo es menor de 12 mm3 y la dureza HRC es mayor de 65 unidades. Este nivel de resistencia al desgaste abrasivo es comparable al de mezclas de NiSiB con carburos de tungsteno, que son aleaciones del estado de la técnica en aplicaciones expuestas a un desgaste abrasivo severo, pero se logra con un coste de material más bajo. Este nivel de resistencia al desgaste abrasivo también es comparable con el de la aleación de referencia (REF). Cuando se incrementa la cantidad de Cr a 6 %, disminuyen tanto la dureza como la resistencia al desgaste abrasivo.

Mediante adiciones adecuadas de cromo y silicio según las realizaciones de la presente invención, se consigue una combinación sorprendente de alta dureza, resistencia al desgaste abrasivo y resistencia al impacto cuando las composiciones de aleación a base de hierro se procesan para dar un recubrimiento de revestimiento duro. Esto se muestra, p. ej., mediante los datos de dureza y resistencia al desgaste abrasivo para las aleaciones en la Tabla 6 y el gráfico de la Fig. 1, que muestra la dureza de los recubrimientos soldados por PTA compuestos por composiciones de aleación a base de hierro con diferentes contenidos de cromo. En particular, las aleaciones con un contenido de cromo entre 3,5 % en peso y aproximadamente 5 % en peso y un contenido de silicio por encima de 0,2 % en peso, tal como por encima de 0,5 % en peso, tal como por encima de 0,6 % en peso, muestran una buena combinación de dureza y desgaste abrasivo combinados con una resistencia al impacto mejorada significativamente tal como se ilustra en la Fig. 2. Si bien las muestras de la aleación de referencia (REF) sin o con bajo contenido de cromo y un contenido de Si correspondiente muestran una menor resistencia al desgaste, especialmente a bajas energías de impacto por debajo de 15 J, la adición combinada de tanto cromo como silicio en cantidades seleccionadas proporciona la sorprendente combinación mencionada anteriormente de propiedades de resistencia al desgaste.

En la Fig. 2 se muestran los datos de resistencia al impacto. La Fig. 2 muestra la energía de impacto por golpe en función del número de golpes necesarios para lograr la primera grieta en el recubrimiento. El gráfico muestra datos para la composición de aleación a base de hierro Aleación 11 y la aleación de referencia REF. Cada una de las líneas representadas gráficamente es una regresión lineal para las mediciones obtenidas en al menos dos muestras de la aleación respectiva, en donde se han recogido puntos de medición para energías por golpe de 30 J, 25 J, 20 J, 15 J y 10 J. Los datos de regresión correspondientes se proporcionan en la Tabla 8 a continuación. Las muestras con mejor rendimiento pueden mostrar un denominado comportamiento de desviación, donde a las menores energías de impacto por golpe no se observa la formación de grietas, o al menos no se observa de manera reproducible, dentro de un gran número de golpes de hasta 100 golpes. Los puntos de datos que muestran este comportamiento de desviación no se incluyeron en la regresión lineal. El diagrama muestra que hacia energías de impacto inferiores por golpe de los recubrimientos obtenidos usando la aleación de la composición de aleación Aleación 11 pueden soportar una energía de impacto acumulada considerablemente mayor, expresada en número de golpes antes de que se forme la primera grieta cuando se compara con la aleación de referencia (REF) sin cromo. Para una energía de impacto de 10 J, se necesitan aproximadamente 15 golpes para formar la primera grieta en la aleación de referencia (REF), mientras que se necesitan más de 25 golpes o incluso 30 golpes para la composición de aleación Aleación 11.

Una conclusión importante que subyace a la presente invención se basa en un análisis de la microestructura de las aleaciones cuando se procesan mediante fusión y enfriamiento posterior para formar un recubrimiento (re)solidificado, tal como se explica adicionalmente a modo de ejemplo a continuación. El análisis de la microestructura revela que el experto puede usar la presente invención para diseñar una composición de aleación optimizada para una aplicación particular estableciendo el contenido de cromo de la composición de aleación a base de hierro y añadiendo adicionalmente silicio dentro de intervalos seleccionados cuidadosamente que permiten el ajuste de la distribución de las diferentes fases en la microestructura del material procesado, con el fin de lograr las propiedades deseadas de resistencia al desgaste combinada incluidas combinaciones de dureza, desgaste abrasivo, desgaste por impacto y/o calidad del recubrimiento. En particular, se encontró que el silicio afecta a la cantidad de partículas de fase dura primarias formadas en las composiciones de aleación a base de hierro con la adición de Cr, más particularmente, a la cantidad de partículas de boruro primario, tal como se observa mejor en la Fig. 5. Se encontró que se produce un intervalo particularmente ventajoso para el contenido de silicio para el ajuste de las propiedades de la aleación siendo inferior a 1,5 % en peso, o inferior a 1,4 % en peso, o inferior a 1,3 % en peso, o inferior a 1,2 % en peso, o inferior a 1,1 % en peso, o inferior a 1 % en peso, y superior a 0,2 % en peso, o superior a 0,3 % en peso, o superior a 0,4 % en peso, o superior a 0,5 % en peso, o superior a 0,6 % en peso.

Para una implementación sistemática, el experto que diseña una composición de aleación según las propiedades deseadas de resistencia al desgaste puede desarrollar información sobre las propiedades de formación de fases de la composición de aleación produciendo una muestra de aleación procesada y analizando la microestructura de la muestra con respecto a su composición de fases y de forma ventajosa con respecto a las fracciones de partículas de boruro primarias y de material de matriz eutéctica en el material de aleación procesada. Con el fin de analizar diferentes composiciones de aleación en una implementación sistemática de la invención, el experto en la técnica puede preparar, p. ej., muestras fundiendo las composiciones a base de hierro correspondientes y colándolas en lingotes que se pulen para un análisis de la microestructura según técnicas de análisis metalúrgicas conocidas.

A continuación se proporciona un ejemplo de tal análisis de la microestructura. Se fundieron aleaciones con un contenido de Cr de 4 % en peso y un contenido de Si que varía entre 0,2 % en peso y 2 % en peso en un horno de inducción y luego se vertieron en un molde de cobre. Además, se prepararon de la misma manera lingotes con un contenido de Cr de 1,9 % en peso y 5,7 % en peso, y con un contenido de Si de 0,5 % en peso y 0,7 % en peso, respectivamente. Se analizó la composición química de los lingotes producidos y los resultados se indican en la Tabla 1 como las aleaciones 26, 27, 28, 29 y 30. Se investigó la microestructura con el uso de un SEM equipado con un detector de EDS para espectroscopía de rayos X dispersiva de energía. En las Figs. 3a-c se observan ejemplos de micrografías de SEM para las composiciones de aleación Aleación 26, 27 y 28, y en las Figs.4a y b para las composiciones de aleación Aleación 29 y 30, respectivamente.

La Fig. 3 muestra la microestructura de los lingotes de las composiciones de aleación 26-28 con 4 % en peso de Cr, tal como se observa en micrografías de SEM BSE (retrodispersión), en donde la composición de aleación 26 tiene 0,2 % en peso de Si (Fig. 3a); la composición de aleación 27 tiene 1 % en peso de Si (Fig. 3b); y la composición de aleación 28 tiene 2 % en peso de Si (Fig. 3c). La Fig. 4 muestra la microestructura de los lingotes de las composiciones de aleación 29-30 tal como se observa en micrografías de SEM BSE (retrodispersión), en donde la composición de aleación 29 tiene 1,9 % en peso de Cr y 0,5 % en peso de Si (Fig. 4a); y la composición de aleación 30 tiene 5,7 % en peso de Cr y 0,7 % en peso de Si (Fig. 4b).

La Fig. 6 muestra la microestructura de los recubrimientos obtenidos mediante soldadura PTA usando las composiciones de aleación Aleación 11 y Aleación 13, tal como se observa en las micrografías de SEM BSE (retrodispersión), en donde la composición de aleación 11 tiene 3,7 % en peso de Cr y 0,7 % en peso de Si; y la composición de aleación 13 tiene 3,9 % en peso de Cr y 1,4 % en peso de Si.

La microestructura consiste en carburos primarios (PC, gris oscuro), boruros primarios (PB, partículas blancas/gris claro), estructura eutéctica que consiste en boruros ricos en molibdeno y martensita así como islas martensíticas. En la Fig. 7 se muestra un ejemplo de mapeo elemental de V, Mo, Cr, Fe, Si, C y B usando EDS para la composición de aleación 11.

Las variaciones en la cantidad de boruros primarios (PB, círculos abiertos), carburos primarios (PC, rombos sólidos) y estructura eutéctica (Eutéctica, cuadrados sólidos) con un mayor contenido de Si se muestran en la Fig. 5 para muestras de lingotes fabricadas a partir de las composiciones de aleación 26-28. La fracción volumétrica de carburo primario es similar para las cuatro aleaciones y de aproximadamente 17 % en volumen. El diagrama muestra que al aumentar la cantidad de Si, aumenta la fracción volumétrica de los primary borides (boruros primarios - PB), mientras que disminuye la cantidad de estructura eutéctica (Eutéctica). Más particularmente, se encontró que el silicio influye sobre la cantidad de partículas primarias de fase dura formadas en la composición de aleación a base de hierro con adiciones de Cr cuando se varía dentro de los intervalos por debajo de 2 % en peso de Si, con intervalos ventajosos tal como se indicó anteriormente. Se observa una respuesta especialmente pronunciada en el intervalo de alrededor e inferior a 1 % en peso de Si. La cantidad de primary borides (boruros primarios - PB) en comparación con la cantidad de estructura eutéctica (Eutéctica) afecta a la resistencia al desgaste abrasivo de un depósito. Por tanto, el control del contenido de Si es una herramienta muy útil para determinar la microestructura final de una aleación y, como consecuencia, las propiedades finales de un depósito.

Se obtuvieron resultados similares en recubrimientos de soldadura PTA usando las composiciones de aleación 11 y 13, tal como se resume en la Tabla 7.

Tabla 7. Fracción volumétrica de las fases presentes en las aleaciones soldadas con PTA con diferente contenido de Si y resistencia al abrasive wear (desgaste abrasivo - AW)

Tabla 8: Datos de regresión lineal para mediciones de desgaste por impacto mediante el uso del método de caída de bola

Claims

REIVINDICACIONES

i . Una composición de aleación a base de hierro que comprende

boro (B): 1,6-2,4 % en peso;

carbono (C): 2,2-3,0 % en peso;

cromo (Cr): 3,5-5,0 % en peso;

manganeso (Mn): inferior a 0,8 % en peso;

molibdeno (Mo): 16.0- 19,5 % en peso;

níquel (Ni): 1.0- 2,0 % en peso;

silicio (Si): 0,2-2,0 % en peso;

vanadio (V): 10,8-13,2 % en peso;

y siendo el resto hierro (Fe).
2. La composición de aleación a base de hierro según la reivindicación 1, en donde la cantidad de silicio es de 0,2-1,5 % en peso, preferiblemente 0,5-1 % en peso.
3. La composición de aleación a base de hierro según las reivindicaciones 1 o 2, en donde la cantidad de boro es de 1,8-2,3 % en peso.
4. La composición de aleación a base de hierro según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la cantidad de cromo es de 3,5-4,5 % en peso.
5. La composición de aleación a base de hierro según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde una cantidad total de impurezas en la composición de aleación a base de hierro es inferior a 1 % en peso.
6. La composición de aleación a base de hierro según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde la composición de aleación es una composición en polvo.
7. La composición de aleación a base de hierro según la reivindicación 6, en donde al menos 95 % en peso de la composición en polvo tiene un tamaño de partícula de hasta 300 pm, o hasta 250 pm, o hasta 200 pm, o hasta 150 pm y/o en donde al menos 95 % en peso de la composición en polvo tiene un tamaño de partícula de al menos 5 pm, o al menos 10 pm, o al menos 20 pm, o al menos 30 pm, o al menos 40 pm, o al menos 50 pm.
8. Un artículo que comprende una porción de sustrato y un recubrimiento unido a la porción de sustrato, en donde el recubrimiento se produce usando una composición de aleación a base de hierro según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 como un material de recubrimiento.
9. El artículo según la reivindicación 8, en donde el recubrimiento se aplica mediante un proceso de soldadura de recargue, tal como un proceso de soldadura de plasma transfer arc (arco transferido por plasma - PTA) o un proceso de deposición por láser.
10. El artículo según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 9, en donde una dilución del material de sustrato es inferior a 20 %, o inferior a 15 %, inferior a 10 %, o inferior a 5 %, o inferior a 1 %.
11. El artículo según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en donde el recubrimiento tiene una dureza Rockwell HRC de al menos 60, al menos 63, o al menos 65.
12. El artículo según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, en donde el recubrimiento tiene una resistencia al desgaste abrasivo tal como se determina según la norma ASTM G65, procedimiento A, de, inferior a 15 mm3, inferior a 12 mm3, o inferior a 10 mm3.
13. El artículo según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, en donde el recubrimiento tiene un desgaste por impacto tal como se determina según el método de ensayo de desgaste por impacto de bola de más de 5 golpes para una energía de impacto por golpe de 15 J, más de 15 golpes para una energía de impacto por golpe de 10 J.
14. El artículo según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 13, en donde el recubrimiento tiene una microestructura que comprende boruro primario y matriz eutéctica, en donde una razón de una cantidad de boruro primario en volumen con respecto a una cantidad de matriz eutéctica en volumen es inferior a 0,3, o inferior a 0,25.
15. Método de revestimiento duro de un sustrato, comprendiendo el método las etapas de:

- proporcionar un sustrato;

- aplicar un recubrimiento al sustrato usando una composición de aleación a base de hierro según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 como material de recubrimiento.
16. Método según la reivindicación 15, en donde el recubrimiento se aplica mediante un proceso de soldadura de recargue, tal como un proceso de soldadura de arco transferido por plasma o un proceso de deposición por láser.