ES2170041T3 - Alambre estirado en frio y metodo para la fabricacion de dicho alambre. - Google Patents

Alambre estirado en frio y metodo para la fabricacion de dicho alambre.

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ES2170041T3 ES98963686T ES98963686T ES2170041T3 ES 2170041 T3 ES2170041 T3 ES 2170041T3 ES 98963686 T ES98963686 T ES 98963686T ES 98963686 T ES98963686 T ES 98963686T ES 2170041 T3 ES2170041 T3 ES 2170041T3
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Abstract

Un procedimiento para la fabricación de un alambre estirado en frío de un acero inoxidable endurecible por precipitación, que consta de los siguientes pasos: -preparación de una masa de metal fundido, el cual además de hierro contiene en % en peso: 0,065-0,11 %C de trazas a máx. 1,2 %Si 0,2-1,3 Mn 15,8-18,2 %Cr 6,0-7,9 %Ni 0,5-1,5 Al en total como máx. 2,0% de otros elementos de aleación posiblemente presentes; -moldeo del metal fundido preparado en forma de lingotes, o, preferiblemente en un cable el cual se corta en pedazos; -electro afinado de escoria, llamado refusión ESR, de dicho lingote o cable cortado, preferiblemente tras trabajado en caliente en forma de electrodos, para la formación de lingotes ESR, suministrando aluminio a la balsa de metal fundido para reponer la pérdida de aluminio durante la operación de refusión ESR, de tal forma que el lingote ESR obtenido tras la refusión ESR contenga 0,5-1,5 % Al; -trabajado en caliente de dichos lingotes ESR, acabándose dicho trabajado en caliente mediante enrollado de alambre, seguido de decapado, para la obtención de un alambre enrollado decapado, el cual no contiene inclusiones de escoria mayores que 30 mm, preferiblemente no mayores que 20 mm, en una capa superficial del mismo hasta una profundidad de 1 mm contado desde la superficie, en una sección central longitudinal a través del alambre; y -estirado en frío de dicho alambre con al menos 30% de reducción de área.

Description

Alambre estirado en frío y método para la fabricación de dicho alambre.
Campo técnico
La invención se refiere a un método para la fabricación de un alambre estirado en frío de un acero inoxidable endurecible por precipitación. La invención se refiere también al alambre estirado en frío y a los muelles endurecidos por precipitación fabricados con el alambre estirado en frío. Típicamente, el acero inoxidable de los muelles consiste en el acero llamado 17-7 PH.
Antecedentes de la invención
El acero inoxidable de precipitación que contiene aproximadamente 17% de Cr, aproximadamente 7% de Ni, y cualquier elemento endurecedor por precipitación, normalmente Al, fue desarrollado durante la década de 1940. Fue descrito en un artículo publicado en Iron Age, marzo 1950, pp 79-83. Ya en este artículo se sugirió la idoneidad del acero como material para muelles. Las buenas características de resorte en combinación con una buena resistencia a la corrosión han hecho que el acero se use profusamente como material para muelles en entornos corrosivos. Un entorno de este tipo es las bombas de inyección para motores diesel, más particularmente los motores turbo-diesel. Los muelles que se usan para este propósito han de tener una buena resistencia a la corrosión, que tienen los aceros 17-7 PH (ASM Speciality Handbook, Stainless Steels, Ed. por J.R. Davis 1994, p 34, 46), en combinación con una resistencia muy elevada de los muelles a la fatiga. Esta última condición ha sido, sin embargo, difícil de conseguir. Es conocido desde hace tiempo que la alta resistencia a la fatiga depende en alto grado de la superficie del alambre del muelle. Con el fin de que el muelle tenga una alta resistencia a la fatiga, el alambre no debe tener defecto visible alguno que pueda iniciar fallos por fatiga. Tampoco deberá contener en la capa superficial grandes inclusiones de escoria o grandes zonas que contengan importantes acumulaciones de inclusiones de escoria más pequeñas, que puedan iniciar también fallos. Estas condiciones, en lo que respecta a la imagen de la escoria, han sido difíciles de satisfacer y han causado un importante rechazo de alambre que no cumple los requisitos de calidad estipulados. Esto tiene a su vez por efecto que el material de alambre que ha sido aprobado en el control de calidad exhaustivo se vuelve necesariamente muy costoso. No obstante, no se puede decir que el material satisfaga las máximas demandas en lo que respecta a su resistencia a la fatiga.
US-A- 4.589.916 describe alambre ultrafino de acero inoxidable austenítico SUS 304 que tiene el más bajo contenido de Al, cuyo alambre fue fabricado por aplicación de los pasos de proceso de la presente invención incluida la fusión ESR y en el que están ausentes inclusiones de escorias >10 \mum.
Breve descripción de la invención
Es un propósito de la invención proporcionar una solución a los problemas antes mencionados. Esta invención se base en la observación de que grandes inclusiones de escoria y zonas del tipo mencionado en la capa superficial del alambre laminado pueden evitarse o reducirse considerablemente si el acero es refinado con electroescoria, es decir, sometido al tratamiento que es conocido bajo el nombre abreviado de ESR (=Refino de Electroescoria, también llamado Refusión de Electroescoria). En el tratamiento ESR puede usarse una mezcla de escoria convencional que se usa de acuerdo con la técnica conocida y que en el proceso de refusión ESR forma una masa fundida, en la que el electrodo que hay que refundir se funde gota a gota, de manera que las gotas caerán a través de la mezcla de escoria a una balsa subyacente de metal fundido, que se solidifica sucesivamente para formar un nuevo lingote. Por ejemplo, se puede usar una mezcla de escoria, que es en sí conocida, y que contiene aproximadamente 30% de cada uno de CaF_{2}, CaO, y Al_{2}O_{3} y normalmente una cierta cantidad de MgO en fracción de cal así como uno o un pequeño porcentaje de SiO_{2}. En el caso de que el electrodo de fusión, como de acuerdo con la invención, consiste en un acero 17-7 PH inoxidable, que contiene inclusiones de escoria de tamaños variables, el lingote refundido conseguirá una imagen de escoria diferente a la de antes de la operación de refusión. Se ve que la escoria ESR funciona como una pantalla para las partículas de escorias más grandes que existen en el acero antes de la operación de refusión. Al menos parece ser cierto para las escorias que han demostrado tener un efecto perjudicial en la resistencia a la fatiga del alambre para muelles, es decir, escorias del tipo CaO, Al_{2}O_{3}, y MgO. Aunque las inclusiones de escorias más pequeñas se distribuyen más uniformemente y las posibles zonas de acumulaciones de escorias se vuelven más pequeñas y por tanto menos nocivas, la cantidad de inclusiones de escorias de este tipo en el material refundido sólo se ve influenciada en un bajo grado. Las pruebas de fatiga que se han ejecutado con materiales convencionales y con materiales de acuerdo con la invención demuestran que el límite de tamaño crítico de la escoria se sitúa entre 20 y 30 \mum. Por consiguiente, debería evitarse las inclusiones de escoria mayores que 30 \mum. Con preferencia, los alambre no deberían contener partículas de escoria más grandes que 25 \mum.
El acero que se usa de acuerdo con la invención puede tener una composición química que es bien conocida en la especialidad, y que, en efecto está estandarizada desde hace mucho tiempo (SIS 2388).
El método de la invención para la fabricación de un alambre estirado en frío de un acero inoxidable endurecible por precipitación comprende los pasos siguientes:
-
preparación de una masa fundida, que además de hierro contiene en % en peso
0,065-0,11% de C
de trazas hasta 1,2% máximo de Si
0,2-1,3 Mn
15,8-18,2% de Cr
6,0-7,9% de Ni
0,5-1,5% de Al
máximo total 2% de otros elementos de aleación, posiblemente existentes;
-
colada de la masa fundida preparada para formar lingotes o, preferiblemente, una barra, que se corta en secciones;
-
refinación con electroescoria de dicho lingote o barra cortada, posiblemente después de la forja y/o laminación a la forma de electrodos apropiados para la refinación de electroescoria, para formar lingotes ESR;
-
trabajo en caliente de dichos lingotes ESR, acabándose dicho trabajo en caliente por la laminación de alambre, seguida por el decapado para la formación de un alambre laminado y decapado, que en una capa superficial del mismo, a la profundidad de 1 mm contado desde la superficie, en una sección central longitudinal a través del alambre, no contiene inclusiones de escoria mayores que 30 \mum, con preferencia 25 \mum como máximo; y
-
estirado en frío del alambre con una reducción de por lo menos el 30%.
Se añade alambre en una operación subsiguiente, cuando el metal fundido ha obtenido su composición básica perseguida a través de la práctica convencional de fabricación del acero, convenientemente en un proceso de tratamiento en cuchara que sigue inmediatamente a la descarburización en un convertidor. Durante la operación de refusión ESR, puede perderse una cierta cantidad del aluminio que se ha añadido en relación con la preparación inicial del metal fundido. Por consiguiente en relación con la operación de refusión ESR, debería suministrarse más aluminio a la balsa de fusión para reemplazar las eventuales pérdidas, de forma que el lingote ESR obtenido después de la operación de redifusión ESR contenga 0,5-1,5 de Al.
Más específicamente, la invención se refiere a la fabricación de un acero inoxidable endurecible por precipitación de acuerdo con el método descrito en lo que precede, acero que además de hierro contiene en % en peso:
0,3-0,1, preferiblemente máx. 0,09 de C
0,1-0,8, preferiblemente 0,2-0,7 de Si
0,5-1,1, preferiblemente 0,7-1,0 de Mn
máx. 0,05, preferiblemente máx. 0,03 de P
máx. 0,04, preferiblemente máx. 0,02 de S
16,0-17,4, preferiblemente 16,5-17,0 de Cr
6,8-7,8, preferiblemente 7,0-7,75 de Ni
0,6-1,3, preferiblemente 0,75-1,0 de Al
máx. 0,5 de Mo
máx. 0,5 de Co
máx. 0,5 de Cu
máx. 0,1, preferiblemente máx. 0,05 de N
máx. 0,2, preferiblemente máx. 0,01 de Ti.
Se hila muelles helicoidales en un modo convencional del alambre estirado en frío de acuerdo con la invención. Los muelles son endurecidos por precipitación mediante tratamiento térmico a una temperatura de 450-500ºC durante 0,5-2h, convenientemente a 480ºC aproximadamente durante 1 h, seguido por enfriamiento al aire. La estructura del material en los muelles terminados consiste en 50-70% en volumen de martensita templada conteniendo fases precipitadas de aluminio y níquel en la martensita, preferiblemente AlNi_{3}, la austenita restante y un máximo del 5% de ferrita \delta.
Realizaciones y experimentos realizados
Por la práctica metalúrgica por fusión convencional, comprendiendo la fusión de las materias primas en un horno de arco eléctrico, descarburización de la masa fundida en un convertidor, tratamiento de desoxidación, y ajuste final de la composición de aleación en una cuchara, comprendiendo dicho ajuste la adición de aluminio y titanio, se obtuvo un volumen de metal fundido (carga número 370326) que tenía la siguiente composición en % en peso:
C Si Mn P S Cr Ni Mo Co Cu N Al Ti Resto
0,078 0,25 0,83 0,022 0,001 16,47 7,72 0,27 0,14 0,25 0,018 1,00 0,052 Fe
Esta masa fundida fue colada a la forma de una barra que tenía una sección transversal de 300x400 mm. La barra fue cortada en desbastes. Un cierto número de estos desbastes fueron laminados al tamaño de 265-300 mm y fueron usados como electrodos para la refusión ESR subsiguiente. Los desbastes restantes fueron laminados en caliente para formar varillas con una sección cuadrada de 150 mm, cuyas varillas fueron amoladas en superficie, laminadas en caliente a la forma de alambre con \diameter de 5,5 mm, y decapadas.
La fusión ESR fue llevada a cabo de un modo convencional en una masa de escoria conteniendo aproximadamente 30% de cada uno de CaF_{2}, CaO, y Al_{2}O_{3}. También estaba presente una cierta cantidad de MgO en la fracción de cal. La escoria contenía también una pequeña cantidad de SiO_{2}. Por refusión de los electrodos en esta escoria, se formó un lingote ESR (carga ESR 14.484) con la siguiente composición en % en peso:
C Si Mn P S Cr Ni Mo Co Cu N Al Ti Resto
0,080 0,27 0,81 0,025 0,001 16,40 7,68 0,27 0,13 0,26 0,015 0,91 0,050 Fe
Durante la refusión ESR la composición del acero fue influenciada en cierto grado. Esto afectó particularmente al contenido de aluminio, que se redujo de manera significativa, lo que indica que se debería añadir aluminio en relación con la refusión ESR con el fin de compensar las pérdidas. Se puede llevar esto a cabo por medio de un alambre de aluminio, del que se provoca la fusión en la balsa fundida por debajo de la capa de escoria.
Se fabricaron varillas con 150 mm de sección cuadrada trabajando en caliente el lingote ESR. Las varillas fueron amoladas y laminadas en caliente en alambres con un tamaño de \diameter 5,5 mm. Los alambre laminados fueron decapados y se cogieron muestras para examinar la escoria.
Para el examen de la escoria, se cogieron secciones de 500 mm de largo del alambre laminado que había sido fabricado a partir del material que no fue refundido ESR y también del material refundido ESR. Las muestras fueron cortadas en trozos más pequeños de 20 mm de largo, que se colocaron en cuerpos de plástico colado y curado. En estos cuerpos, los trozos de muestra fueron amolados a la mitad de su espesor, obteniéndose superficies cortadas en la dirección longitudinal de los trozos de muestra, coincidiendo las superficies cortadas con un plano central de los trozos de muestra. Las zonas de los bordes longitudinales fueron examinadas a una profundidad de 1 mm de la superficie original del alambre por medio de un microscopio de luz óptico. Se examinaron de este modo todos los trozos de muestra. La superficie total, que fue examinada para cada longitud de muestra, cuya longitud total fue de 500 mm, fue por tanto de 1000 mm^{2}. Se notificaron inclusiones de escoria de óxido (partículas) que se pudieron descubrir en el microscopio de luz óptico así como la existencia de toda banda o zona conteniendo mayores acumulaciones inclusiones de escoria. Las inclusiones de escoria fueron clasificadas en tres grupos de tamaños, A, B y C, para pequeñas inclusiones de escoria (5-10 \mum), inclusiones de escoria de tamaño medio (> 10-15 \mum), y grandes inclusiones de escoria (más de 15 \mum). Se notificaron además el número de zonas de inclusiones de escoria, la longitud de tales zonas, y el tipo de tamaño de las inclusiones de escoria en estas zonas. Los resultados están indicados en la tabla 1, donde el material 1a_{w} es un material de alambre laminado fabricado del modo convencional a partir de la carga número 370-326 antes mencionada sin refusión ESR, y el material 1b_{w} es un material de alambre laminado, que de acuerdo con la invención ha sido refundido ESR, carga 14484-ESR. Ninguno de los materiales 1a_{w} ó 1b_{w}contenía grandes inclusiones de escoria en la capa superficial. Sin embargo, el material 1a_{w} contenía hasta 17 zonas de escoria que tenían longitudes variables entre 25 y 450 \mum. Estas zonas contenían inclusiones de escoria de tamaño pequeño y medio. El material 1b_{w}, que fue fabricado de acuerdo con la invención, contenía solamente una zona de escoria observable, que tenía una longitud de 63 \mum y que contenía solamente pequeñas inclusiones de escoria. Este material puede considerarse como aceptable desde el punto de vista de la inclusión de escoria.
Se produjo entonces más material con la misma composición básica que antes. La fabricación y los exámenes de escoria fueron realizados del mismo modo que se han descrito más arriba. Los resultados conseguidos con estos materiales de prueba están indicados también en la tabla 1, en la que los materiales 2a_{w} y 3a_{w} consisten en alambres laminados hechos con materiales que no han sido refundidos ESR, mientras que los materiales 2b_{w} y 3b_{w} fueron sometidos a refusión ESR de acuerdo con la invención. Los materiales 2a_{w} y 3a_{w} contenían grandes partículas de escoria y también grandes bandas de escoria o zonas de longitud considerable conteniendo acumulaciones de inclusiones de escoria, conteniendo el material 3a_{w} zonas de escoria con inclusiones de escoria de tamaño tanto pequeño como medio. Por consiguiente, los materiales 2a_{w} y 3a_{w} no pudieron ser aprobado como material para muelles de bombas de inyección para motores diesel a diferencia de los materiales 2b_{w} y 3b_{w}, que no contenían grandes inclusiones de escoria en las capas superficiales y no tenían o solamente tenían alguna pequeña zona conteniendo pequeñas acumulaciones de inclusiones de escoria pequeñas.
Todas las inclusiones de escoria que se ha discutido anteriormente consistían en CaO, Al_{2}O_{3} y MgO. También se observaron nitruro de Ti pero no entraron en los protocolos de escoria. Estos nitruros de Ti emanan de una práctica durante el proceso de fabricación del acero, en el que se añade titanio con el fin de impedir la formación de grandes inclusiones de óxido. Los pequeños nitruros de Ti, que se forman debido a esta práctica, han sido considerados inocuos. Sin embargo, tienen una forma pronunciadamente angular y hay un riesgo potencial de que puedan iniciar fallos por fatiga. Por consiguiente, no se debería añadir titanio a la masa fundida, especialmente dado que se ha demostrado que las grandes inclusiones de escoria han sido eliminadas eficazmente por el refino ESR. Por consiguiente, se debería preparar preferiblemente un volumen de metal fundido que no contenga titanio en cantidades superiores al nivel de impurezas.
TABLA 1
1
Estos alambres laminados, de los que se formaron muestras, que se analizaron con referencia a la imagen de escoria en las capas superficiales fueron entonces estirados en frío a tamaños \sim3,3mm \diameter. Mediante endurecimiento con deformación, la estructura sustancialmente austenítica del alambre laminado fue transformada a una estructura mixta consistente en 50-70% de martensítica, siendo el resto principalmente austeníta con alguna pequeña porción de ferrita \delta. Se hilaron muelles con forma helicoidal convencional con el material estirado en frío. Los muelles fueron endurecidos entonces por precipitación durante el tratamiento a 480ºC durante 1 h, seguido por el enfriamiento al aire. Durante la operación de calentamiento se precipitaron fases intermetálicas de aluminio y níquel, típicamente AlNi_{3}, en la martensita de un modo que es típico de los aceros 17-7 PH, haciendo aumentar la resistencia a la tracción en 380-400 MPa.
Los muelles endurecidos fueron sometidos entonces a ensayo de fatiga. Este se llevó a cabo apretando los muelles con una tensión inferior de 100 MPa y comprimiéndolos entonces con una tensión de 900 MPa. Esta compresión y liberación fueron repetidas a una alta frecuencia 20 millones de veces para cada muelle o hasta que se produjo la rotura. Se ensayaron 20 muelles de cada uno de los materiales. Los resultados están contenidos en la tabla 2, en la que los muelles 1a_{s}, 2a_{s} y 3a_{s} son fabricados con alambre producidos convencionalmente mientras que los muelles 1b_{s}, 2b_{s} y 3b_{s} son fabricados con alambres estirados en frío producidos de acuerdo con la invención. La tabla muestra que los muelles de la invención no se fatigaron en ningún caso a la fractura, mientras que un 20%, 90% y 75%, respectivamente de los muelles de referencia se fatigaron a la fractura antes de haber ejecutado 20 millones de oscilaciones.
TABLA 2
Ensayo de fatiga
Materiales; 20 muelles ensayados a la fatiga;
muelles fabricados con alambre endurecido % muelles que fallaron antes de 20 millones
por precipitación y estirado en frío de movimientos de compresión/retorno
1a_{s} 20
1b_{s} 0
2a_{s} 90
2b_{s} 0
3a_{s} 75
3b_{s} 0
Los experimentos que se han referenciado en lo que precede, se refieren a la fabricación de alambres para muelles estirados en frío que tienen sección circular. No obstante, la invención no se limita únicamente a los alambres que tienen tal sección, sino que puede aplicarse también para alambres que tengan otras formas, es decir, alambres que tengan sección ovalada, que pueden dar una distribución de tensión más favorable en los muelles terminados que son hilados en forma helicoidal.

Claims (8)

1. Método de fabricación de un alambre estirado en frío de un acero inoxidable endurecible por precipitación que comprende los pasos siguientes:
-
preparación de un volumen de metal fundido, que además de hierro contiene en % en peso
0,065-0,11% de C
de trazas hasta 1,2% máximo de Si
0,2-1,3 Mn
15,8-18,2% de Cr
6,0-7,9% de Ni
0,5-1,5% de Al
máximo total 2% de otros elementos de aleación, posiblemente presentes;
-
colada del metal fundido preparado para formar lingotes o, preferiblemente, una barra, que se corta en secciones;
-
refinación con electroescoria, la llamada refusión ESR, de dicho lingote o barra cortada, preferiblemente después de trabajarla en caliente en forma de electrodos, para la formación de lingotes ESR;
-
trabajo en caliente de dichos lingotes ESR, acabándose dicho trabajo en caliente por la laminación de alambre, seguida por el decapado para la formación de un alambre laminado y decapado, que en una capa superficial del mismo, a la profundidad de 1 mm contado desde la superficie, en una sección central longitudinal a través del alambre, no contiene inclusiones de escoria mayores que 30 \mum, con preferencia no mayores que 20 \mum; y
-
estirado en frío de dicho alambre con una reducción superficial de por lo menos el 30%.
2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque se suministra el aluminio a la balsa de metal fundido con el fin de reemplazar la perdida de aluminio durante la operación de refino ESR, de manera que el lingote ESR obtenido después de la refusión ESR contenga 0,5-1,5% de Al.
3. Método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el acero inoxidable endurecible por precipitación además de hierro contiene en % en peso:
0,3-0,1, preferiblemente 0,075-0,09 de C
0,1-0,8, preferiblemente 0,2-0,7 de Si
0,5-1,1, preferiblemente 0,7-1,0 de Mn
máx. 0,05, preferiblemente máx. 0,03 de P
máx. 0,04, preferiblemente máx. 0,02 de S
16,0-17,4, preferiblemente 16,5-17,0 de Cr
6,8-7,8, preferiblemente 7,0-7,75 de Ni
0,6-1,3, preferiblemente 0,75-1,0 de Al
máx. 0,5 de Mo
máx. 0,5 de Co
máx. 0,5 de Cu
máx. 0,1, preferiblemente máx. 0,05 de N
máx. 0,2, preferiblemente máx. 0,01 de Ti.
4. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque la escoria que se usa para la refinación con electroescoria consiste en una mezcla en fusión de escorias que consiste predominantemente en dos o más de CaF_{2}, CaO, Al_{2}O_{3} y MgO.
5. Método de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque la escoria que se usa para la refusión ESR contiene aproximadamente 30% de cada uno de CaF_{2}, CaO, y Al_{2}O_{3} y al menos una cantidad inferior de MgO.
6. Alambre estirado en frío de un acero inoxidable endurecible por precipitación con una composición química, que además de hierro contiene en % en peso
0,065-0,11% de C
de trazas hasta un máximo de 1,2% de Si
0,2-1,3 Mn
15,8-18,2% de Cr
6,0-7,9% de Ni
0,5-1,5% de Al
máximo total 2% de otros elementos de aleación, posiblemente existentes, estando desprovisto dicho alambre estirado en frío, en una capa superficial de una profundidad de 1 mm, de inclusiones de escoria del tipo CaO, Al_{2}O_{3} y MgO mayores que 30 \mum, preferiblemente no mayores que 25 \mum, que se puede obtener por refusión ESR del material de acero antes del laminado en caliente y del laminado en frío a la forma del alambre.
7. Alambre estirado en frío de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque en dicha capa superficial está desprovisto de concentraciones de pequeñas inclusiones de escoria del citado tipo en zonas mayores que 100 \mum.
8. Muelle que es fabricado hilando un alambre estirado en frío de acuerdo con cualquier de las reivindicaciones 6 y 7, y que después ha sido endurecido por precipitación mediante el tratamiento a una temperatura de 450-500ºC durante 0,5-2 h.
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