ES2296931T3

ES2296931T3 - Acero para trabajo en frio.

Info

Publication number: ES2296931T3
Application number: ES02733698T
Authority: ES
Inventors: Odd Sandberg; Magnus Tidesten; Lennart Jonsson
Original assignee: Uddeholms AB
Current assignee: Uddeholms AB
Priority date: 2001-06-21
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2008-05-01
Anticipated expiration: 2022-05-17
Also published as: ATE383451T1; BR0210339B1; DE60224528T2; KR100909922B1; DE60224528D1; BR0210339A; EP1397524B1; UA77178C2; RU2290452C2; TW574379B; JP4056468B2; SE0102233D0; EP1397524A1; CA2448799A1; CN1537176A; RU2290452C9; JP2004530794A; PL364435A1; US20040134568A1; RU2003133976A

Abstract

Acero para trabajo en frío, caracterizado porque tiene la siguiente composición química en % en peso: 1, 25% a 1, 75% de (C+N), con un 0, 12% máx. de N 0, 1% a 1, 5% de Si 0, 1% a 1, 5% de Mn 4, 5% a 5, 5% de Cr 3, 0% a 4, 5% de (Mo+W/2), con un 0, 5% máx. de W 3, 0% a 4, 5% de (V+Nb/2), con un 0, 5% máx. de Nb 0, 3% máx. de S hierro de equilibrio e impurezas inevitables; y una microestructura que en el estado templado y revenido del acero contiene desde un 6% hasta un 13% en volumen de carburos y/o de carbonitruros de tipo MX ricos en vanadio que están distribuidos uniformemente en la matriz del acero, donde X es carbono y/o nitrógeno, teniendo al menos el 90% en volumen de dichos carburos y/o carbonitruros un diámetro equivalente, Deq, que es inferior a 3, 0 µm; y en total un 1% en volumen de otros carburos, nitruros y carbonitruros posiblemente existentes.

Description

Acero para trabajo en frío.

Ámbito técnico

La invención se refiere a un acero para trabajo en frío, es decir, un acero destinado a usarse para trabajar un material en el estado frío del material. Ejemplos típicos del uso del acero son herramientas de cizallamiento (corte) y punzonado (estampación), roscado, por ejemplo, para cojinetes de roscar laminados y machos de roscar; herramental de extrusión en frío, prensado de polvo, embutición profunda y cuchillas para máquinas. La invención también se refiere al uso del acero para la fabricación de herramientas para trabajo en frío, la fabricación del acero y de herramientas hechas de acero.

Antecedentes de la invención

Han surgido diversas demandas de acero para trabajo en frío de alta calidad, que incluyen una dureza apropiada para la aplicación, una alta resistencia al desgaste y una alta tenacidad. Para un rendimiento óptimo de la herramienta son esenciales tanto una alta resistencia al desgaste como una buena tenacidad. VANADIS® es un acero para trabajo en frío metalúrgico en polvo fabricado y comercializado por el solicitante, que ofrece una combinación sumamente buena de resistencia al desgaste y tenacidad para herramientas de alto rendimiento. El acero tiene la siguiente composición nominal en % en peso: 1,5 de C, 1,0 de Si, 0,4 de Mn, 8,0 de Cr, 1,5 de Mo, 4,0 de V, hierro de equilibrio e impurezas inevitables. El acero es especialmente adecuado para aplicaciones en las que el desgaste adhesivo y/o el desbardado son los problemas dominantes, es decir, materiales de trabajo blandos o adherentes tal como acero inoxidable austenítico, acero bajo en carbono, aluminio, cobre, etc. y también con materiales de trabajo más densos. Ejemplos típicos de herramientas para trabajo en frío en las que el acero puede usarse son aquellas que se han mencionado en el anterior preámbulo. De manera general, VANADIS® 4, que es el asunto de la patente sueca nº 457 356, se caracteriza por buena resistencia al desgaste, alta resistencia a la presión, buena templabilidad, muy buena tenacidad, muy buena estabilidad dimensional cuando se somete a tratamiento térmico y buena resistencia al revenido; todas dichas características siendo importantes características de un acero para trabajo en frío de alto rendimiento.

El solicitante también ha diseñado un acero WO 01/25499 que tiene la siguiente composición química en % en peso: 1,0 a 1,9 de C, 0,5 a 2,0 de Si, 0,1 a 1,5 de Mn, 4,0 a 5,5 de Cr, 2,5 a 4,0 de (Mo+W/2), con 1,0 máx. de W, 2,0 a 4,5 de (V+Ni/2), con 1,0 máx. de Ni, hierro de equilibrio e impurezas y que tiene una microestructura, que en el estado templado y revenido del acero contiene del 5 al 12% en volumen de carburos de tipo MC, de los que al menos el 50% en volumen tiene un tamaño que es superior a 3 \mum pero inferior a 25 \mum. Esta microestructura se obtiene conformando mediante pulverización un lingote. La composición y microestructura permite las características del acero que son adecuadas para cilindros para la laminación en frío, incluyendo tenacidad y resistencia al desgaste adecuadas. Además, un acero rápido fabricado de una manera convencional mediante colada en lingote se desvela en el documento EP 0 630 984 A1.Según un ejemplo descrito, el acero contenía 0,69 de C, 0,80 de Si, 0,30 de Mn, 5,07 de Cr, 4,03 de Mo, 0,98 de V, 0,041 de N, hierro de equilibrio. Ese acero, cuya microestructura también se conoce en el documento de la patente, después del temple y el revenido contenía en total un 0,3% en volumen de carburos de tipo M_{2}C y M_{6}C y un 0,8% en volumen de carburos de tipo MC. Los últimos tenían una forma esencialmente esférica y los grandes tamaños que son típicos de aceros altos en vanadio fabricados de una manera convencional que comprende colada en lingote. Se dice que el acero es adecuado para "trabajo plástico". El documento WO 98 40180 A1 (D1) muestra un acero fabricado mediante metalurgia de polvos para herramientas con funciones de conformación y/o de corte, que tiene una composición que contiene 1,4 a 1,6 de (C+N), 0,6 máx. de Mn, 1,2 máx. de Si, 3,5 a 4,3 de Cr, 1,5 a 3 de Mo, 1,5 a 3 de W, en donde 6 < W_{eq} < 9 y Weq = %W + 2 x %Mo, 3,5 a 4,5 de V, 0,3 máx. de S, 0,3 máx. de Cu, 1 máx. de Co, una cantidad total de 1,0 máx. de Nb + Ta + Ti + Zr + Al, una cantidad total de 0,5 de otros elementos, incluyendo impurezas y elementos adicionales en cantidades normales, hierro de equilibrio. El acero tiene una microestructura que consiste sustancialmente en una matriz martensítica y en la matriz del 2% al 15% en volumen, preferiblemente del 5% al 10% en volumen, de carburos y/o carbonitruros de tipo MX que tienen un tamaño de partícula de 0,1 \mum a 3 \mum y una cantidad funcional de productos duros precipitados en la matriz martensítica después del temple y el revenido.

Es un objeto de la invención mejorar los aceros existentes.

El acero según la invención presenta las características de la reivindicación 1.

Descripción de la invención

Los objetivos anteriores pueden conseguirse mediante un acero que tiene la siguiente composición química en % en peso: 1,25 a 1,75 de (C+N), con 0,5 máx. de C, 0,1% a 1,5% de Si, 0,1% a 1,5% de Mn, 4,0 a 5,5 de Cr, 2,5% a 4,5% de (Mo + W/2), con 0,5% máx. de W, 3,0% a 4,5% de (V + Nb/2), con 0,5% máx. de Nb, 0,3% máx. de S, hierro de equilibrio e impurezas inevitables, y una microestructura que, en el estado templado y revenido del acero, contiene del 6% al 13% en volumen de carburos, nitruros, y/o carbonitruros de tipo MX altos en vanadio que están distribuidos uniformemente en la matriz del acero, donde X es carbono y/o nitrógeno, al menos un 90% en volumen, de dichos carburos, nitruros y/o carbonitruros que tienen un diámetro equivalente, D_{eq}, que es inferior a 3,0 \mum, y preferiblemente inferior a 2,5 \mum en una sección estudiada del acero; y en total un 1% en volumen máx. de otros carburos, nitruros o carbonitruros posiblemente existentes. Los carburos tienen una forma predominantemente redonda o redondeada pero pueden aparecer carburos individuales más largos. El diámetro equivalente, D_{eq}, se define en este contexto como D_{eq} = 2\surdA/\pi, donde A es la superficie de la partícula de carburo en la sección estudiada. Normalmente, al menos el 98% en volumen de los carburos, nitruros y carbonitruros de tipo MX tienen un D_{eq} < 3,0 \mum. Normalmente, los carburos/nitruros/carbonitruros también tienen una forma esferoidal a un grado tan alto que ningún carburo tiene una longitud real en la sección estudiada que supere 3,0 \mum.

En el estado templado, la matriz consiste esencialmente sólo en martensita, que contiene del 0,3% al 0,7%, preferiblemente del 0,4% al 0,6%, de C en disolución sólida. El acero tiene una dureza de 54 a 66 HRC después del temple y el revenido.

En el estado recocido blando, el acero tiene una matriz ferrítica que contiene del 8% al 15% en volumen de carburos, nitruros y/o carburos de tipo MX altos en vanadio, de los que al menos el 90% en volumen tiene un diámetro equivalente inferior a 3,0 \mum y además preferiblemente inferior a 2,5 \mum, y un 3% en volumen máx. de otros carburos, nitruros y/o carbonitruros.

Si no se indica lo contrario, % en peso siempre se refiere a la composición química, y % en volumen se refiere a la composición estructural del acero.

En lo que se refiere a los elementos de aleación individuales y sus mutuas relaciones, a la estructura del acero y a su tratamiento térmico, se aplica lo siguiente.

Habrá carbono en una cantidad suficiente en el acero, en el estado templado y revenido del acero, para formar, en combinación con nitrógeno, vanadio y posiblemente niobio existente, y también hasta cierto punto otros metales, del 6% al 13% en volumen, preferiblemente del 7% al 11% en volumen, de carburos, nitruros o carbonitruros de tipo MX y también existen en disolución sólida en la matriz del acero en el estado templado del acero en una cantidad del 0,3% al 0,7%, preferiblemente del 0,4% al 0,6% en peso. Adecuadamente, el contenido de carbono disuelto en la matriz del acero es aproximadamente del 0,53%. La cantidad total de carbono y nitrógeno en el acero, incluyendo carbono que está disuelto en la matriz del acero más el carbono que está ligado a carburos, nitruros o carbonitruros, es decir, % de (C+N), será de al menos el 1,25%, preferiblemente de al menos el 1,35%, mientras que el contenido máximo de C+N puede ascender al 1,75%, preferiblemente al 1,60% máx.

Según una realización preferida de la invención, el acero no contiene más nitrógeno del que habrá inevitablemente en el acero debido a la compensación del entorno y/o a través de materias primas suministradas, es decir, aproximadamente un 0,12% máx., de manera preferible aproximadamente un 0,10% máx.

Hay silicio presente como residuo debido a la fabricación del acero en una cantidad de al menos un 0,1%, normalmente en una cantidad de al menos un 0,2%. El silicio aumenta la actividad del carbono en el acero y por lo tanto contribuye a permitir una dureza adecuada del acero. Si el contenido de silicio es demasiado alto, pueden surgir problemas de resquebrajamiento debido al endurecimiento de la disolución, por lo que el contenido de silicio máximo del acero es del 1,5%, preferiblemente del 1,2% máx., adecuadamente del 0,9% máx.

Habrá manganeso, cromo y molibdeno en el acero en una cantidad suficiente con el fin de permitir una templabilidad adecuada del acero. El manganeso también tiene la función de ligar esas cantidades de sulfuro que pueden existir en el acero para formar sulfuros de manganeso. Por lo tanto, habrá manganeso en una cantidad del 0,1% al 1,5%, preferiblemente en una cantidad del 0,1% al 1,2%, adecuadamente del 0,1% al 0,9%.

Habrá cromo en una cantidad de al menos el 4,0%, preferiblemente de al menos el 4,5%, con el fin de dar al acero una templabilidad deseada en combinación con, en primer lugar, molibdeno pero también con manganeso. Sin embargo, el contenido de cromo no debe superar el 5,5%, preferiblemente no superará el 5,2%, con el fin de que no se formen carburos de cromo no deseados en el acero.

Habrá molibdeno en una cantidad de al menos el 2,5% con el fin permitir una templabilidad deseada del acero a pesar del contenido limitado de manganeso y de cromo que caracteriza al acero. Preferiblemente, el acero debería contener un 2,8%, adecuadamente al menos un 3,0%, de molibdeno. Como máximo, el acero puede contener un 4,5%, preferiblemente un 4,0% máx., de molibdeno con el fin de que el acero no contenga carburos de tipo M_{6}C no deseados en lugar de la cantidad deseada de carburos de tipo MC. Cantidades superiores de molibdeno pueden aumentar además la pérdida no deseada de molibdeno debido a la oxidación en relación con la fabricación del acero. En principio, el molibdeno puede reemplazase completa o parcialmente por tungsteno, pero para esto se requiere hasta dos veces la cantidad de tungsteno comparado con el molibdeno, lo que es una desventaja. Además, cualquier desecho que pueda producirse en relación con la fabricación del acero o en relación con la fabricación de artículos hechos de acero, será de menor valor para el reciclaje si el acero contiene cantidades significativas de tungsteno. Por lo tanto, no debería haber una cantidad de tungsteno superior al 0,5% máx., preferiblemente al 0,3 máx., adecuadamente al 0,1% máx. De manera más conveniente, el acero no debería contener tungsteno añadido intencionadamente, lo que según la realización más preferida no debería tolerarse más que como una impureza en la forma de un elemento residual a partir de las materias primas que se usan en relación con la fabricación del acero.

Habrá vanadio en el acero en una cantidad de al menos el 3,0% pero no más del 4,5%, preferiblemente al menos un 3,4% y un 4,0% máx., con el fin de formar, junto con el carbono y nitrógeno, dichos carburos, nitruros y/o carburos de tipo MX en una cantidad total del 6% al 13%, preferiblemente del 7% al 11% en volumen, en el estado de uso templado y revenido del acero. En principio, el vanadio puede sustituirse por niobio, pero esto requiere hasta dos veces la cantidad de niobio comparado con el vanadio, lo que es una desventaja. Además, el niobio puede tener el efecto de que los carburos, nitruros y/o carbonitruros puedan adoptar una forma más aguda y sean mayores que los carburos, nitruros y carbonitruros de vanadio puro, lo que puede originar roturas o grietas y por lo tanto reducir la tenacidad del material. Por lo tanto, no debe haber una cantidad de niobio que supere el 0,5%, preferiblemente el 0,3% máx. y adecuadamente el 0,1% máx. De manera más conveniente, el acero no debería contener niobio añadido intencionadamente. Por lo tanto, en la realización más preferida del acero, solo se toleraría niobio como una impureza inevitable en la forma de un elemento residual a partir de las materias primas que se usan en relación con la fabricación del acero.

Según la realización preferida, puede haber sulfuro como una impureza en una cantidad no superior al 0,03%. Sin embargo, con el fin de mejorar la maquinabilidad del acero, puede concebirse que el acero, según una realización, contenga sulfuro añadido intencionadamente en una cantidad de hasta el 0,3% máx., preferiblemente el
0,15% máx.

En la fabricación del acero, primero se prepara una cantidad de acero fundido que contiene contenidos previstos de carbono, silicio, manganeso, cromo, molibdeno, posiblemente tungsteno, vanadio, posiblemente niobio, posiblemente sulfuro por encima del nivel de impureza, nitrógeno en un grado inevitable, hierro de equilibrio e impurezas. A partir de este material fundido, se fabrica polvo mediante el empleo de atomización de gas de nitrógeno. Las gotas que se forman en la atomización de gas se enfrían muy rápidamente, de manera que los carburos de vanadio formados y/o los carburos de vanadio y niobio mezclados no tienen tiempo suficiente para crecer sino que permanecen extremadamente delgados con espesores de sólo una fracción de un micrómetro, y adoptan una forma pronunciadamente irregular, lo que se debe al hecho de que los carburos se precipitan en regiones restantes que contienen material fundido en las redes de las dendritas en las gotitas que se solidifican rápidamente, antes de que las gotitas se solidifiquen completamente para formar granos de polvo.

Después del cribado, el polvo se llena en cápsulas que se vacían, se cierran y se someten a un prensado isostático en caliente, operación HIP, de un modo que es conocido per se, a alta temperatura y alta presión; de 950ºC a 1200ºC y de 90 Mpa a 150 MPa; por lo general a aproximadamente 1150ºC y 100 MPa, de manera que el polvo se consolide para formar un cuerpo completamente denso.

A través de la operación HIP, los carburos/nitruros/carbonitruros adquieren una forma mucho más regular que en polvo. La gran mayoría, con referencia al volumen, tiene un tamaño máximo de aproximadamente 1,5 \mum y una forma redondeada. Las partículas individuales son todavía alargadas y algo más largas, aproximadamente de 2,5 \mum máx. La transformación probablemente se atribuye a una combinación de, por un lado, desintegración de las partículas muy delgadas en el polvo y, por otro lado, coalescencia.

El acero puede usarse como en el estado de la operación HIP. Sin embargo, normalmente, el acero se trabaja en caliente después de la operación HIP a través de forja y /o laminación en caliente. Esto se realiza a una temperatura de inicio entre 1050ºC y 1150ºC, de manera preferible a aproximadamente 1100ºC. Esto provoca una coalescencia adicional y, sobre todo, globularización (esferificación) de los carburos/nitruros/carbonitruros. Al menos el 90% en volumen de los carburos tiene un tamaño máximo de 2,5 \mum, preferiblemente de 2,0 \mum máx., después de la forja y/o laminación en caliente.

Con el fin de que el acero pueda mecanizarse mediante herramientas de corte, primero debe estar en estado recocido blando. Esto se lleva a cabo a una temperatura por debajo de 950ºC, de manera preferible a aproximadamente 900ºC, con el fin de inhibir el crecimiento de los carburos/nitruros/carbonitruros. Por lo tanto, el material recocido blando se caracteriza por una distribución muy finamente dispersada de partículas de tipo MX en una matriz ferrítica que contiene del 8% al 15% en volumen de carburos, nitruros y/o carbonitruros de tipo MX de los cuales al menos el 90% en volumen tiene un diámetro equivalente que es inferior a 3,0 \mum y que preferiblemente además es inferior a 2,5 \mum, y un 3% en volumen máx. de otros carburos, nitruros y/o carbonitruros.

La herramienta está templada y revenida cuando tiene su forma final a través de una mecanización de tipo corte. La austenitización se lleva a cabo a una temperatura entre 940ºC y 1150ºC, preferiblemente a una temperatura por debajo de 1100ºC, con el fin de evitar una gran disolución no deseada de carburos, nitruros y carbonitruros de tipo MX. Una temperatura de austenitización adecuada es de 1000ºC a 1040ºC. El revenido puede realizarse a una temperatura entre 200ºC y 560ºC, o bien como un revenido a baja temperatura a una temperatura entre 200ºC y 250ºC, o bien como un revenido a alta temperatura a una temperatura entre 500ºC y 560ºC. Los carburos/nitruros/carbonitruros de tipo MX se disuelven hasta cierto punto en la austenitización de manera que puedan precipitarse por segunda vez en relación con el revenido. El resultado final es la microestructura que es típica para la invención, concretamente una estructura que consiste en martensita revenida y, en la martensita revenida del 6% al 13% en volumen, preferiblemente del 7% al 11% en volumen, de carburos, nitruros y/o carbonitruros de tipo MX donde M consiste esencialmente en vanadio y X consiste en carbono y nitrógeno, de manera preferible en carbono sustancialmente, cuyos carburos, nitruros y/o carbonitruros de al menos el 90% en volumen tienen un diámetro equivalente de 2,5 \mum máx., preferiblemente de 2,0 \mum máx., y en total un 1% en volumen máx. de otros tipos de carburos, nitruros o carbonitruros posiblemente existentes en la martensita revenida. Antes del revenido, la martensita contiene del 0,3% al 0,7%, preferiblemente del 0,4% al 0,6%, de carbono en disolución sólida.

Características y aspectos adicionales de la invención son evidentes a partir de las reivindicaciones de patente adjuntas y a partir de la siguiente descripción de experimentos realizados.

Breve descripción de los dibujos

En la siguiente descripción de pruebas realizadas, se hará referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la fig. 1 muestra la microestructura a un gran aumento de un polvo metálico del tipo que se usa para la fabricación del acero según la invención;

la fig. 2 muestra la microestructura del mismo material de acero después de una operación HIP, aunque a un aumento más pequeño;

la fig. 3 muestra el mismo material de acero de la figura 2 después de la forja;

la fig. 4 muestra la microestructura de una material de referencia después de la operación HIP y de la forja;

la fig. 5 muestra la microestructura del acero según la invención después del temple y el revenido;

la fig. 6 muestra la microestructura del material de referencia después del temple y el revenido;

la fig. 7 es un diagrama que muestra la dureza de un acero según la invención y la dureza de un material de referencia frente a la temperatura de austenitización;

la fig. 8 muestra la dureza del acero según la invención y del material de referencia, respectivamente, frente la temperatura de revenido, y;

la fig. 9 muestra las curvas de templabilidad de un acero de la invención y para un acero de referencia;

Descripción de las pruebas realizadas

La composición química de los aceros probados se indica en la tabla 1. En la tabla, el contenido de tungsteno se indica para algunos de los aceros, contenido que existe en el acero como un residuo a partir de las materias primas que se usaron para la fabricación del acero y por tanto es una impureza inevitable. El sulfuro, que se indica para algunos de los aceros es también una impureza. El acero contiene también otras impurezas que no superan los niveles de impureza normales y que no se indican en la tabla. El equilibrio es hierro. En la tabla 1, los aceros B y C tienen una composición química según la invención. Los aceros A, D, E y F son materiales de referencia; más particularmente del tipo VANADIS® 4.

TABLA 1 Composición química en % en peso de aceros probados

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Cantidades de acero fundido con las composiciones químicas de los aceros A a F según la tabla 1 se prepararon según una técnica metalúrgica de fusión convencional. Los polvos de metal se fabricaron del material fundido mediante atomización de gas de nitrógeno de un flujo de metal fundido. Las gotitas formadas se enfriaron muy rápidamente. Se examinó la microestructura del acero B. La estructura se muestra en la figura 1. Como es evidente a partir de esta figura, el acero contiene carburos muy delgados con una forma muy irregular que se han precipitado en las regiones restantes que contienen metal fundido en la red de las dendritas.

El material sometido a la operación HIP también se produjo a una pequeña escala de polvos de los aceros A y B. Se llenaron 10 kilos de polvo de cada uno de los aceros A y B en cápsulas de acero metálicas que se cerraron, vaciaron y calentaron aproximadamente a 1150ºC y se prensaron de manera isostática en caliente (se sometieron a la operación HIP) aproximadamente a 1150ºC y a una presión de 100 MPa. En la operación HIP, la estructura de carburo del polvo originalmente obtenida se descompuso al mismo tiempo que se fundieron los carburos. El resultado que se obtuvo para el acero B sometido a la operación HIP es evidente a partir de la figura 2. Los carburos en el estado HIP del acero tienen una forma más regular que es más parecida a la forma esferoidal. Todavía son muy pequeños. La gran mayoría, más del 90% en volumen, tienen un diámetro equivalente de 2 \mum máx., de manera preferible de aproximadamente 2,0 \mum máx.

Después, las cápsulas se forjaron a una temperatura de 1100ºC a una dimensión de 50 x 50 mm. La estructura del material de la invención, acero B, y del material de referencia, acero A, después de la forja, es evidente a partir de la figura 3 y de la figura 4, respectivamente. En el material de la invención, las carburos con forma de carburos de tipo MC esencialmente esferoidales (globulares) fueron muy pequeños, todavía de un tamaño de aproximadamente 2,0 \mum máx., en cuanto a diámetro equivalente. Sólo algunos carburos de otros tipos, más específicamente carburos ricos en molibdeno, probablemente de tipo M_{6}C, pudieron detectarse en el acero de la invención. La cantidad total de estos carburos fue inferior al 1% en volumen. Por otro lado, en el material de referencia, acero A, figura 4, las fracciones de volumen de carburos de tipo MC y carburos ricos en cromo de tipo M_{7}C_{3} fueron igualmente grandes de manera aproximada. Además, los tamaños de los carburos fueron esencialmente mayores que en el acero de la invención.

Después se realizaron pruebas a escala completa. Se produjeron polvos a partir de aceros que tenían composiciones químicas según la tabla 1, aceros C a F, de la misma manera que se ha descrito anteriormente. Las piezas en bruto que tenían un masa de 2 toneladas se produjeron a partir del acero C de la invención mediante la operación HIP de un modo que se conoce per se. Por tanto, el polvo se llenó en cápsulas que se cerraron, vaciaron y calentaron a aproximadamente 150ºC y se prensaron de manera isostática en caliente a esa temperatura a una presión de aproximadamente 100 MPa. De los aceros de referencia C, E y F se produjeron piezas en bruto sometidas a la operación HIP según la práctica de fabricación del solicitante para el acero de tipo VANADIS® 4. Las piezas en bruto se forjaron y laminaron aproximadamente a 1100ºC a las siguientes dimensiones; acero C: 200 x 80 mm, acero D: 152 x 102 mm y acero E: \diameter 125 mm.

Las muestras se tomaron a partir de los materiales después de un recocido blando aproximadamente a 900ºC. El tratamiento térmico en relación al temple y al revenido se indica en la tabla 2. Las microestructuras de los aceros C y F se examinaron en el estado templado y revenido de los aceros y se muestran en la figura 5 y en la figura 6. El acero de la invención, figura 5, contenía un 9,5% en volumen de carburos de tipo MC en la matriz que consistía en martensita revenida. Algunos carburos y/o carbonitruros de otro tipo diferente a los carburos de tipo MC fueron difíciles de detectar. De todos modos, la cantidad de tales otros carburos posibles, por ejemplo, carburos de tipo M_{7}C_{3}, fue de todos modos inferior al 1% en volumen. Carburos ocasionales que tenían un diámetro equivalente superior a 2,0 \mum pudieron detectarse en el acero de la invención en el estado templado y revenido del acero, pero ninguno superior a 2,5 \mum.

El material de referencia, acero F, figura 6, contenía en total aproximadamente un 13% en volumen de carburos, aproximadamente un 6,5% en volumen de carburos de tipo MC y aproximadamente un 6,5% en volumen de carburos de tipo M_{7}C_{3} de los mismos, en el estado templado y revenido del acero.

La dureza obtenida después del tratamiento térmico indicado en la tabla 2 también se indica en la tabla 2. El acero C según la invención consiguió una dureza de 59,8 HRC en el estado templado y revenido, mientras que los aceros de referencia D y E obtuvieron una dureza de 58,5 y 61,7 HRC, respectivamente.

También se investigaron las durezas de los aceros C y D que pudieron conseguirse después de temperaturas de austenitización y temperaturas de revenido diferentes. Los resultados son evidentes a partir de las curvas en la figura 7 y en la figura 8. El acero C de la invención, figura 7, tuvo una dureza que apenas dependía de la temperatura de austenitización. Esto es ventajoso porque permite una temperatura de austenitización relativamente baja. La temperatura de austenitización más adecuada resultó ser 1020ºC, mientras que el acero de referencia tuvo que calentarse aproximadamente de 1060ºC a 1070ºC con el fin de conseguir una máxima dureza.

Como resulta evidente a partir de la figura 8, el acero C de la invención también tenía una resistencia al revenido esencialmente mejor que el acero de referencia D. Se consiguió un temple secundario acusado mediante revenido a una temperatura de entre 500ºC a 550ºC. El acero también da la posibilidad de revenido a baja temperatura de aproximadamente 200ºC a 250ºC.

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Se examinó la tenacidad de impacto de los aceros C y D. La energía de impacto absorbida (J) en la dirección LT2 fue de 102 J para el acero C según la invención, es decir, una mejora sumamente importante comparada con los 60 J de dureza que se obtuvieron para el material de referencia, el acero D. Los especímenes de prueba consistían en barras de prueba fresadas y macizas, sin entalladuras, que tenían una dimensión de 7 x 10 mm y una longitud de 55 mm; templadas a una dureza según la tabla 2.

Durante las pruebas de desgaste se usaron especímenes de prueba que tenían una dimensión de \diameter 15 mm y una longitud de 20 mm. La prueba se realizó a través de una prueba de espiga a espiga usando SiO_{2} como agente de desgaste abrasivo. El acero C de la invención tenía una tasa de desgaste inferior, 8,3 mg/min, que el material de referencia, acero E, para el que la tasa de desgaste fue superior, 10,8 mg/min, es decir, la resistencia al desgaste de ese material fue inferior.

TABLA 2

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Se examinó la templabilidad del acero C de la invención y de un acero de tipo VANADIS® 4 fabricado en producción a escala completa. La temperatura de austenitización, TA, en ambos casos fue de 1020ºC. Las muestras se enfriaron a diferentes velocidades de enfriamiento, que se controlaron mediante enfriamiento más o menos intenso mediante gas de nitrógeno desde la temperatura de austenitización, TA = 1020ºC, hasta temperatura ambiente. Se midieron los periodos requeridos para el enfriamiento desde 800ºC hasta 500ºC así como la dureza de los especímenes que se habían sometido a diversas velocidades de enfriamiento. Los resultados se indican en la tabla 3. La figura 9 muestra la dureza frente al tiempo para el enfriamiento desde 800ºC hasta 500ºC. Como resulta evidente a partir de esta figura, que muestra las curvas de templabilidad para los aceros examinados, la curva para el acero C de la invención está a un nivel significativamente superior que la curva para el acero de referencia, lo que significa que el acero de la invención tiene una templabilidad esencialmente mejor que el acero de referencia.

TABLA 3 Medición de templabilidad; TA = 1020ºC

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Referencias citadas en la descripción

Esta lista de referencias citadas por el solicitante es sólo para la comodidad del usuario. No forma parte del documento de patente europea. Aunque se ha tenido gran cuidado al recopilar las referencias, no pueden descartarse errores u omisiones y la OEP niega toda responsabilidad a este respecto.

Documentos de patente citados en la descripción

SE 457356 [0002]: EP 0630984 A1 [0003]

WO 0125499 A [0003]: WO 9840180 A1 [0003].

Claims

1. Acero para trabajo en frío, caracterizado porque tiene la siguiente composición química en % en peso:

1,25% a 1,75% de (C+N), con un 0,12% máx. de N

0,1% a 1,5% de Si

0,1% a 1,5% de Mn

4,5% a 5,5% de Cr

3,0% a 4,5% de (Mo+W/2), con un 0,5% máx. de W

3,0% a 4,5% de (V+Nb/2), con un 0,5% máx. de Nb

0,3% máx. de S

hierro de equilibrio e impurezas inevitables;

y una microestructura que en el estado templado y revenido del acero contiene desde un 6% hasta un 13% en volumen de carburos y/o de carbonitruros de tipo MX ricos en vanadio que están distribuidos uniformemente en la matriz del acero, donde X es carbono y/o nitrógeno, teniendo al menos el 90% en volumen de dichos carburos y/o carbonitruros un diámetro equivalente, Deq, que es inferior a 3,0 \mum; y en total un 1% en volumen de otros carburos, nitruros y carbonitruros posiblemente existentes.

2. Acero según la reivindicación 1, caracterizado porque la matriz del acero en el estado templado de acero sólo consiste esencialmente en martensita, que contiene desde un 0,3% hasta un 0,7%, preferiblemente desde un 0,4% hasta un 0,6%, de C en disolución sólida.

3. Acero según la reivindicación 1, caracterizado porque al menos el 98% en volumen de dichos carburos y/o carbonitruros de tipo MX tienen un diámetro equivalente, D_{eq}, que es inferior a 3,0 \mum y además preferiblemente inferior a 2,5 \mum.

4. Acero según la reivindicación 2, caracterizado porque después del temple y el revenido tiene una dureza de 54 a 66 HRC, preferiblemente de 58 a 63 HRC.

5. Acero según la reivindicación 4, caracterizado porque después del temple y revenido tiene una dureza de 60 a 63 HRC.

6. Acero según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque contiene desde un 7% hasta un 11% en volumen de carburos y/o carbonitruros de tipo MX, donde M consiste sustancialmente en vanadio.

7. Acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque contiene desde un 1,35% hasta un 1,6% de (C+N).

8. Acero según la reivindicación 7, caracterizado porque contiene desde un 1,45% hasta un 1,50% de (C+N).

9. Acero según la reivindicación 8, caracterizado porque contiene un 0,10% máx. de N.

10. Acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque contiene desde un 0,1% hasta un 1,2%, preferiblemente desde un 0,2% hasta un 0,9%, de Si.

11. Acero según la reivindicación 10, caracterizado porque contiene desde un 0,1% hasta un 1,3%, preferiblemente desde un 0,1% hasta un 0,9%, de Mn.

12. Acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque contiene desde un 4,5% hasta un 5,2% de Cr.

13. Acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque contiene desde un 3,0% hasta un 4,0% de (Mo+W/2).

14. Acero según la reivindicación 13, caracterizado porque contiene un 0,3% máx. de W, preferiblemente un 0,1% máx. de W.

15. Acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque contiene de un 3,4% hasta un 4,0% de (V+Nb/2).

16. Acero según la reivindicación 15, caracterizado porque contiene un 0,3% máx. de Nb, preferiblemente un 0,1% máx. de Nb.

17. Acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque contiene un 0,15% máx. de S.

18. Acero según la reivindicación 17, caracterizado porque contiene un 0,02% máx. de S.

19. Acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizado porque está fabricado mediante la metalurgia de polvos, que comprende la fabricación de polvo de un metal fundido y el prensado isostático en caliente del polvo en un cuerpo consolidado.

20. Acero según la reivindicación 19, caracterizado porque el prensado isostático en caliente se realiza a una temperatura entre 950ºC y 1200ºC y a una presión entre 90 MPa y 150 MPa.

21. Acero según cualquiera de las reivindicaciones 19 y 20, caracterizado porque, después del prensado isostático en caliente, se ha trabajado en caliente partiendo de una temperatura inicial entre 1050ºC y 1150ºC.

22. Acero según cualquiera de las reivindicaciones 20 y 21, caracterizado porque está templado a partir de una temperatura entre 940ºC y 1150ºC y revenido a una temperatura entre 200ºC y 250ºC o a una temperatura entre 500ºC y 560ºC.

23. Acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 22, caracterizado porque al menos el 90% en volumen de los carburos y/o carbonitruros de tipo MX tienen una extensión máxima de 2,0 \mum después del prensado isostático en caliente, trabajo en caliente, recocido blando, temple y revenido del acero.

24. Acero para trabajo en frío, caracterizado porque tiene una composición química según cualquiera de las reivindicaciones anteriores y porque en el estado de recocido blando tiene una matriz ferrítica que contiene desde un 8% hasta un 15% en volumen de carburos y/o carbonitruros de tipo MX, de los que al menos el 90% en volumen tiene un diámetro equivalente que es inferior a 3,0 \mum y además preferiblemente inferior a 2,5 \mum, y un 3% en volumen máx. de otros carburos, nitruros y/o carbonitruros.

25. Uso del acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 24, para la fabricación de herramientas para trabajos de cizallamiento, corte y/o punzonado (estampación) de material de trabajo metálico en el estado frío del material o para el prensado de polvo metálico.