Un acero de herramientas para trabajo en frío según la siguiente composición,

siendo todos los porcentajes en peso: %Ceq= 0.25 - 2.5 % C = 0.25 - 2.5 %N= 0 - 2 %B= 0 - 2 %Cr= 0.1 - 10 %Ni= 3 - 12 %Si= 0.01 - 2 %Mn= 0.08 - 3 %A1= 0.5 - 5 %Mo= 0 - 10 %W= 0 - 15 %Ti= 0 - 3 %Ta= 0 - 2 %Zr= 0 - 2 %Hf= 0 - 2, %V= 0 - 12 %Nb= 0 - 2 %Cu= 0 - 4 %Co= 0 - 8, %S= 0 - 1 %Se= 0 - 1 %Te= 0 - 1 %Bi= 0 - 1 %As= 0 - 1 %Sb= 0 - 1 %Ca = 0 - 1, Consistiendo el resto en hierro e impurezas inevitables, en donde %Ceq = %C + 0.86 * %N + 1.2 * %B, caracterizado porque %Cr + %V + %Mo + %W > 3 y %Al + %Mo + %Ti > 1.5, con la condición de que cuando %Ceq=0.45 - 2.5, entonces %V= 0.6 - 12; o cuando %Ceq=0.25 - 0.45, entonces %V= 0.85 - 4; o cuando %Ceq=0.25 - 0.45, entonces %Ti + %Hf + %Zr + %Ta = 0.1 - 4, y en que el acero es al menos parcialmente martensítico

Campo de la invención

La presente invención está relacionada con un acero de herramientas martensítico, o al menos parcialmente martensítico, para trabajo en frío con una soldabilidad excepcional y con altos niveles de dureza. El acero muestra una combinación excelente de las propiedades más relevantes del acero de herramientas para trabajo en frío: dureza tenacidad - resistencia al desgaste.

Resumen

Los aceros de herramientas para trabajo en frío para el conformado de chapas (corte, recorte, punzonado, doblado, estampación, trefilado o embutido) acuñado, estampación, forja, cuchillas para molinos de triturar plástico, cizallado o incluso rodillos de laminar rosca, etc., los cuales a menudo necesitan ser soldados. Incluso antes de que el acero trabaje, durante el proceso de mecanizado de la herramienta en estado recocido, es necesario soldarlo: para corregir fallos de mecanizado, para cambios en el diseño de la pieza a obtener o para modificaciones de la geometría de la matriz para evitar la recuperación elástica y ser capaz de obtener la forma deseada de la pieza.

Cuando la herramienta se ha templado y trabaja, a menudo se suelda para reparar desgastes, desportillado o roturas debido al uso normal de la matriz o debido a un accidente. A veces la reparación mediante soldadura se puede hacer de manera apropiada calentando el segmento de la herramienta, utilizando las distintas capas base necesarias y haciendo un post-tratamiento térmico de la soldadura a la matriz (normalmente consistiendo en un ciclo de revenido entero) después de haber completado la soldadura. Otras veces, el tiempo disponible para reparar es escaso con lo cual es deseable la soldadura con un solo electrodo sin calentar la pieza y sin posterior tratamiento térmico.

Hay varias técnicas de reparación mediante soldadura: soldadura por arco (electrodo recubierto, TIG, MIG, MAG), láser, plasma, bombardeo electrónico… Se distinguen en la concentración de energía aportada y con eso en el tamaño de la zona fundida del material base y del ZAT (zona afectada térmicamente). Las técnicas más aplicadas son la del electrodo consumible recubierto y TIG, donde un material exógeno aportado se funde con el material base. Se han desarrollado miles de composiciones para los materiales de aportación para las distintas aplicaciones y materiales base (el material de la herramienta).

La capacidad de un material para ser soldado depende de varios factores que pueden ser clasificados en las siguientes categorías: física, metalúrgica y mecánica. El objetivo principal de la presente invención es el de proveer una familia de aceros de herramientas para trabajo en frío con una alta capacidad de ser soldados.

Se puede considerar que un material tiene una mayor capacidad para ser soldado cuando ocurre lo siguiente:

 El material acepta una gama más amplia de materiales de aportación sin agrietarse.

 No se agrieta cuando las condiciones utilizadas no son óptimas: sin calentamiento previo de la pieza, sin martilleo del cordón, sin destensionado o revenido después del proceso.

 Las propiedades mecánicas de la soldadura son mejoradas en todas las capas: material de aportación fundido, zona de fusión de mezcla, material base fundido y ZAT.

Entre los elementos de la composición hay algunos que afectan seriamente la soldabilidad física y por tanto deben ser evitados si se requiere una buena soldabilidad, lo que se persigue en el presente invento. Todos los aditivos para facilitar el mecanizado requieren una mención especial, entre los cuales el más utilizado es el azufre.

El carbono es uno de los elementos que tienen un impacto más determinante en la soldabilidad mecánica y metalúrgica (y por extensión cualquier otro elemento intersticial empleado como nitrógeno o boro). Por tanto, un acero de herramienta con nivel bajo de C+N+B es deseable.

Para aplicaciones de trabajo en frío, los requerimientos son altos, con lo cual un buen compromiso entre la dureza y la resistencia de desgaste es deseado a un elevado nivel de dureza: para muchas aplicaciones se requiere una dureza superior a 58 HRc con una buena resistencia de desgaste. Una manera económica de obtener una dureza y resistencia al desgaste elevadas es a través de carburos, pero la presencia de carburos implica contenidos altos de carbono con lo cual la soldabilidad es menor. Los carburos pueden ser reemplazados por nitruros o boruros, pero su efecto negativo en la soldabilidad no es inferior al del carbono.

Uno de los aceros de herramientas para trabajo en frío más utilizado es el AISI D2 (W.Nr. 1.2379), es un acero ledeburítico rico en cromo con un 1.55% C. Con el fin de poder hacer comparaciones y para dar un significado a los términos comparativos utilizados a continuación (como por ejemplo buen comportamiento, pobre resultado…) podemos considerar a este acero como estándar presentando una tenacidad media y una resistencia de desgaste media en el nivel de dureza de uso normal (56 - 62 HRc). La soldabilidad de este acero estándar será considerada muy baja puesto que esta es la propiedad que ha sido drásticamente mejorada con el acero de la presente invención.

Para obtener los niveles de dureza exigidos sin utilizar los elementos intersticiales como carbono, nitrógeno o boro, otros mecanismos de endurecimiento deberían ser empleados como solución sólida sustitucional, afino del tamaño de grano, solución sólida intersticial y endurecimiento por partículas (pero en vez de carburos secundarios se pueden utilizar precipitados coherentes intermetálicos).

Una solución semejante fue desarrollada hace más de cincuenta años, los llamados aceros “maraging” con contenidos de carbono y de otros elementos intersticiales a nivel de impurezas manteniendo su contenido lo más bajo posible en valores del orden de ppm. Obtienen su dureza mediante solución sólida sustitucional sobretodo de Co, y precipitación, normalmente de: Ni3Ti, Ni3Mo y Ni3Al como precipitados intermetálicos. Algunos grados pueden llegar a 62 HRc después de un tratamiento térmico de precipitación adecuado. Su soldabilidad es excelente, pero su resistencia al desgaste es baja para la mayoría de aplicaciones de trabajo en frío. A veces esta falta de resistencia al desgaste se puede superar mediante un recubrimiento duro, pero el soporte que proveen para el recubrimiento es pobre y después de recubrir muchas veces la soldabilidad es más baja. La baja resistencia al desgaste, cuando esta se compara con un acero de herramienta para trabajo en frío, se puede relacionar directamente con la falta de partículas duras de segunda fase como carburos, boruros o nitruros. Esta misma razón es la causa para un menor rendimiento incluso cuando un recubrimiento es empleado.

Para los aceros de herramientas de la presente invención, además de C, N y B como elementos de solución sólida intersticial (serán además usados como formadores de carburos), otros elementos típicos de una solución sólida sustitucional pueden ser empleados, la mayoría de ellos estarán presentes todos modos, ya que se utilizan como formadores de carburos, como puede ser el caso de V, Mo, W, V y, en menor medida, de fuertes formadores de carburos con un menor producto de solubilidad, incluso con un bajo porcentaje de C, N y/o B. Otros elementos de solución sólida sustitucional, que no son formadores de carburos, pueden ser usados para endurecer la aleación, como el Cu (hasta un 4%) y el Co (hasta un 8% ). A menudo también se utiliza Co como factor de precipitación para la precipitación de intermetálicos de Ni. La conveniencia de la presencia de estos elementos es específica para cada aplicación, es decir, aleaciones diferentes a la presente invención tendrán diferentes cantidades de estos elementos de endurecimiento por solución sólida, siendo la presencia de todos ellos, obviamente, no obligatoria, por lo que algunas de las aleaciones de la presente invención sólo pueden tener C como elemento de solución sólida intersticial y V y Cr como elementos de solución sólida sustitucional.

Como ya se ha explicado anteriormente, el contenido de carbono podría ser reemplazado parcialmente o completamente por nitrógeno o boro, debido al efecto semejante de los carburos, boruros y nitruros respecto a las propiedades más relevantes e interesantes en este contexto: soldabilidad, resistencia al desgaste, tenacidad y dureza. Por esta razón vamos a emplear un concepto de carbono equivalente (Ceq) donde, en este caso: %Ceq = %C... [Seguir leyendo]

1. Un acero de herramientas para trabajo en frío según la siguiente composición, siendo todos los porcentajes en peso:

Consistiendo el resto en hierro e impurezas inevitables, en donde %Ceq = %C + 0.86 * %N + 1.2 * %B,

5 caracterizado porque

%Cr + %V + %Mo + %W > 3y %Al + %Mo + %Ti > 1.5, con la condición de que cuando %Ceq=0.45 - 2.5, entonces %V= 0.6 - 12; o cuando %Ceq=0.25 - 0.45, entonces %V= 0.85 - 4; o cuando %Ceq=0.25 - 0.45, entonces %Ti + %Hf + %Zr + %Ta = 0.1 - 4, y en que el acero es al menos parcialmente martensítico.

2. Un acero según la reivindicación 1, en el que, cuando %Ceq=0.45 -2.5 y %Cr < 2.5, entonces el %V= 0.6 - 12 es reemplazado por %Mo + %W= 1.5 – 17.

3. Un acero según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en el que %Al = 1 – 5.

4. Un acero según las reivindicaciones 1 o 3, en el que:

5. Un acero según las reivindicaciones 1 o 3, en el que: %Ceq= 0.25 - 0.43 %V= 0.85 - 4 %Cr= 0.1 - 8 %Ni= 4 - 10 %Si= 0.05 - 1.5 %Mn= 0.08 - 3 %M= 1 - 3 %Mo= 0.3 - 5 %W= 0 - 5 %Ti= 0.1 - 3 %Co= 0 - 8 %Cu= 0 - 4, y %Ti+%Zr+%Hf=0.1-4. %Ceq= 0.25 - 0.43 %V= 0.85 - 4 %Cr=1 - 4 %Ni= 4 - 9 %Si= 0.01 - 1.5 %Mn= 0.08 - 0.5 %Al=1.5 - 2.5 %Mo= 0.8 - 1.5 %W= 0 - 2 %Ti= 0.3 - 1.2 %Co= 0 - 8 %Cu= 0 - 4, y %Ti + %Zr + %Hf= 0.3 - 4.

6. Un acero según las reivindicaciones 1 o 3, en el que:

7. Un acero según las reivindicaciones 1 o 3, en el que:

8. Un acero según las reivindicaciones 1 o 3, en el que:

9. Un acero según las reivindicaciones 1 o 3, en el que: %Ceq= 0.25 - 0.43 %V= 0.85 - 4 %Cr= 0.1 - 4 %Ni= 5 - 12 %Si= 0.01 - 1 %Mn= 0.08 - 3 %Al= 1.5 - 5 %Mo= 1 - 5 %W= 0 - 2 %Ti= 0.5 - 3 %Cu= 0 - 2 %Co= 1.5 - 3.2, y %Ti + %Zr + %Hf= 0.5 - 4. %Ceq= 0.45 - 0.55 %Cr= 1 - 4 %V= 0.6 - 3 %Ni= 4 - 9 %Si= 0.05 - 1.5 %Mn= 0.08 - 0.5 %Al= 1.5 - 2.5 %Mo= 0.8 - 1.5 %W= 0 - 2 %Ti= 0.1 - 1.2 %Co= 0 - 8 %Cu= 0 - 4, y %Hf + %Zr + %Ta + %Nb = 0 - 2. %Ceq= 0.45 - 0.6 %Cr = 2 - 8 %V= 1 - 3.5 %Si= 0.01 - 1.4 %Mn= 0.2 - 3 %Al= 1.5 - 4 %Mo= 1 - 3 %W= 0.5 - 2 %Ti= 0.2 - 2 %Co= 1 - 6 %Cu= 0 - 2 %Ni= 6 - 12, y %Hf + %Zr + %Ta + %Nb = 0 - 1.

10. Un acero según las reivindicaciones 1 o 3, en el que:

donde %Hf+ %Zr+ %a+ %Nb= 0 - 2 y %Ti + %Hf + %Zr + %Ta+ %Nb > 0.7.

11. Un acero según las reivindicaciones 1 o 3, en el que:

12. Un acero según las reivindicaciones 1 o 3, en el que: %Ceq= 0.45 - 1.2 %Cr= 0.1 - 8 %V= 0.6 - 4 %Ni= 4 - 10 %Si= 0.05 - 1.5 %Mn= 0.08 - 3 %Al= 1 - 3 %Mo= 0.3 - 5 %W= 0 - 5 %Ti= 0.1 - 3 %Co= 0 - 8 %Cu= 0 - 4 y %Hf+ %Zr+ %Ta+ %Nb = 0 - 2. %Ceq= 1.25 - 2.5 %Cr= 2 - 8 %V= 3 - 6 %Ni= 5 - 8 %Si= 0.05 - 1.2 %Mn= 0.08 - 3 %Al= 1.5 - 3 %Mo= 2 - 4 %W= 1 - 15 %Ti= 0.3 - 3 %Co= 0 - 7 %Cu= 0 - 4, y %Hf + %Zr + %Ta + %Nb = 0 - 2.

13. Un acero según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que: 10 %Ceq = %C, sin adición intencionada de B o N.

14. Un acero según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que el nivel de dureza es como mínimo de 58 HRc.

15. Un molde, herramienta o pieza que comprende al menos parcialmente un acero de herramientas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14.