ACERO MARTENSÍTICO ENDURECIDO CON BAJO O NULO CONTENIDO DE COBALTO, PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓN DE UNA PIEZA A PARTIR DE ESTE ACERO Y PIEZA ASÍ OBTENIDA.

Acero caracterizado porque su composición es, en porcentajes ponderales:

- C = 0,20-0.30% - Co = trazas - 1% - Cr = 2-5% - Al = 1-2% - Mo + W/2 = 1-4% - V = trazas - 0,3% - Nb = trazas - 0,1% - B = trazas - 30 ppm - Ni = 11-16% con Ni ≥q 7 +3,5 Al - Si = trazas - 1,0% - Mn = trazas - 2,0% - Ca = trazas - 20 ppm - Tierras raras = trazas - 100 ppm - Si N ≤q 10 ppm, Ti + Zr/2 = trazas - 100 ppm con Ti + Zr /2 ≤q 10N - Si 10 ppm < N ≤q 20 ppm, Ti + Zr /2 = trazas - 150 ppm - O = trazas - 50 ppm - N = trazas - 20 ppm - S = trazas - 20 ppm - Cu = trazas - 1% - P = trazas - 200 ppm siendo el resto hierro y unas impurezas inevitables que resultan de la elaboración

Acero martensítico endurecido con bajo o nulo contenido de cobalto, procedimiento de fabricación de una pieza a partir de este acero y pieza así obtenida.

La presente invención se refiere a un acero martensítico endurecido por un sistema dúplex, es decir por una precipitación de compuestos intermetálicos y de carburos obtenida gracias a una composición del acero y un tratamiento térmico de envejecimiento apropiados.

Este acero propone:

- una resistencia mecánica muy alta, pero al mismo tiempo una tenacidad y una ductilidad elevadas, dicho de otro modo, una baja sensibilidad a la rotura frágil; esta resistencia muy alta subsiste en caliente, hasta unas temperaturas del orden de 400ºC;

- buenas propiedades en fatiga, lo cual implica en particular la ausencia de inclusiones nocivas tales como unos nitruros y unos óxidos; esta característica se debe obtener mediante una composición apropiada y unas condiciones de elaboración del metal líquido cuidadosas.

Además, es cementable, nitrurable o carbonitrurable, de manera que se pueda endurecer su superficie para conferirle una buena resistencia a la abrasión y en rozamiento lubrificado.

Las aplicaciones previsibles de este acero interesan a todos los campos de la mecánica donde se requieren unas piezas de estructura o de transmisión que deben combinar cargas muy grandes, bajo solicitaciones dinámicas y en presencia de calentamiento inducido o circundante. Se citará, de manera no exhaustiva, los árboles de transmisión, los árboles de caja de velocidades, los ejes de rodamientos, etc.

La demanda de una excelente resistencia mecánica en caliente impide utilizar, en ciertas aplicaciones, los aceros al carbono o los aceros denominados "débilmente aleados" cuya resistencia se degrada a partir de 200ºC. Además, la tenacidad de estos aceros ya no es generalmente satisfactoria cuando son tratados para unos niveles de resistencia mecánica superiores a 2.000 MPa, y, de manera general, su límite elástico "verdadero" es muy inferior a su resistencia máxima medida en el ensayo de tracción: el límite elástico es por tanto un criterio dimensionante que resulta penalizante en este caso. Se pueden entonces utilizar los aceros maraging, cuyo límite elástico está notablemente más próximo a su valor máximo de resistencia a la tracción, que tienen una resistencia satisfactoria hasta 350-400ºC, y que ofrecen también una buena tenacidad para los niveles muy altos de resistencia mecánica. Pero estos aceros maraging contienen bastante sistemáticamente unos contenidos elevados de níquel, cobalto y molibdeno, elementos que son costosos y que están sujetos a unas variaciones notables de su coste en el mercado de las materias primas. Contienen también titanio, utilizado por su alta contribución al endurecimiento secundario, pero que está principalmente en cuestión en el descenso del comportamiento en fatiga de los aceros maraging debido al nitruro TiN, del cual es casi imposible evitar la formación cuando tiene lugar la elaboración de aceros que contienen incluso solamente algunas décimas de porcentaje.

Se ha propuesto en el documento US-A-5.393.388 una composición de acero con endurecimiento secundario sin adición de titanio, que prevé mejorar el comportamiento en caliente y sobre todo mejorar las propiedades en fatiga, la ductilidad y la tenacidad. Esta composición adolece del inconveniente de exigir un contenido de Co elevado (8 a 16%), lo cual hace el acero muy costoso. (NB: en el presente texto, todos los contenidos de los diferentes elementos están expresados en % ponderales).

En el documento WO-A-2006/114499, se ha propuesto una composición de acero martensítico endurecido y una sucesión de tratamientos térmicos optimizada adaptada a esta composición que, con respecto a la técnica anterior, representada por el documento US-A-5.393.488, presentaba la ventaja de exigir sólo un contenido más reducido de cobalto, o sea entre 5 y 7%. Ajustando los contenidos de los otros elementos y los parámetros de los tratamientos térmicos en consecuencia, ha sido posible obtener unas piezas que proponen un conjunto de propiedades mecánicas muy satisfactorias, en particular para las aplicaciones aeronáuticas. Éstas son, en particular, una resistencia a la tracción en frío comprendida entre 2.200 MPa y 2.350 MPa, una ductilidad y una resiliencia por lo menos iguales a las de los mejores aceros de alta resistencia, y en caliente (400ºC) una resistencia a la tracción del orden de 1.800 Mpa, así como unas propiedades de fatiga óptimas.

Este acero se denomina "de endurecimiento dúplex", puesto que su endurecimiento se obtiene por la precipitación endurecedora simultánea de compuestos intermetálicos y de carburos del tipo M₂C.

Sin embargo, este acero contiene siempre unas cantidades de cobalto relativamente importantes. Siendo este elemento de todas maneras oneroso y siendo su precio susceptible de sufrir fluctuaciones importantes en el mercado de las materias primas, sería importante encontrar unos medios de reducir aún más sustancialmente su presencia, en particular en los materiales destinados unas aplicaciones mecánicas más corrientes que las aplicaciones aeronáuticas.

El objetivo de la invención es proponer un acero susceptible de ser utilizado, en particular, para fabricar unas piezas mecánicas tales como unos árboles de transmisión, o unos elementos de estructura, que presentan una resistencia mecánica en caliente aún mejorada pero también unas propiedades en fatiga y una fragilidad siempre adaptadas a estos usos. Este acero debería también tener un coste de producción más bajo que los aceros más rentables conocidos actualmente para estos usos, gracias, en particular, a un contenido de cobalto significativamente más reducido.

Con este fin, la invención tiene por objeto un acero caracterizado porque su composición es, en porcentajes ponderales:

- C = 0,20-0,30%

- Co = trazas - 1%

- Cr = 2-5%

- Al = 1-2%

- Mo + W/2 = 1-4%

- V = trazas - 0,3%

- Nb = trazas - 0,1%

- B = trazas - 30 ppm

- Ni = 11-16% con Ni ≥q 7 +3,5 Al

- Si = trazas - 1,0%

- Mn = trazas - 2,0%

- Ca = trazas - 20 ppm

- Tierras raras = trazas - 100 ppm

- si N ≤q 10 ppm, Ti + Zr/2 = trazas - 100 ppm con Ti + Zr/2 ≤q 10N

- si 10 ppm < N ≤q 20 ppm, Ti + Zr /2 - trazas - 150 ppm

- O = trazas - 50 ppm

- N = trazas - 20 ppm

- S = trazas - 20 ppm

- Cu = trazas - 1%

- P = trazas - 200 ppm

siendo el resto hierro y unas impurezas inevitables que resultan de la elaboración.

Contiene preferentemente C = 0,20-0,25%

Contiene preferentemente Cr = 2-4%

Contiene preferentemente Al = 1-1,6%, mejor 1,4-1,6%

Contiene preferentemente Mo ≥q 1%

Contiene preferentemente Mo + W/2 = 1-2%

Contiene preferentemente V = 0,2-0,3%

Contiene preferentemente Ni = 12-14% con Ni≥q 7 + 3,5 Al

Contiene preferentemente Nb = trazas - 0,05%

Contiene preferentemente Si = trazas - 0,25% mejor trazas - 0,10%

Contiene preferentemente O = trazas - 10 ppm

Contiene preferentemente N = trazas - 10 ppm

Contiene preferentemente S = trazas - 10 ppm mejor trazas - 5 ppm

Contiene preferentemente P = trazas - 100 ppm

Su temperatura de transformación martensítica Ms medida es preferentemente superior o igual a 100ºC.

Su temperatura de transformación martensítica Ms medida puede ser superior o igual a 140ºC.

La invención tiene asimismo por objeto un procedimiento de fabricación de una pieza de acero, caracterizado porque comprende las etapas siguientes que preceden al acabado de la pieza que le proporciona su forma definitiva:

- la preparación de un acero que tiene la composición anterior;

- por lo menos una operación de conformado de este acero;

- un revenido de ablandado a 600-675ºC durante 4 a 20 h seguido de un enfriado al aire;

- una puesta en solución a 900-1.000ºC...

1. Acero caracterizado porque su composición es, en porcentajes ponderales:

- C = 0,20-0.30%

- Co = trazas - 1%

- Cr = 2-5%

- Al = 1-2%

- Mo + W/2 = 1-4%

- V = trazas - 0,3%

- Nb = trazas - 0,1%

- B = trazas - 30 ppm

- Ni = 11-16% con Ni ≥q 7 +3,5 Al

- Si = trazas - 1,0%

- Mn = trazas - 2,0%

- Ca = trazas - 20 ppm

- Tierras raras = trazas - 100 ppm

- Si N ≤q 10 ppm, Ti + Zr/2 = trazas - 100 ppm con Ti + Zr /2 ≤q 10N

- Si 10 ppm < N ≤q 20 ppm, Ti + Zr /2 = trazas - 150 ppm

- O = trazas - 50 ppm

- N = trazas - 20 ppm

- S = trazas - 20 ppm

- Cu = trazas - 1%

- P = trazas - 200 ppm

siendo el resto hierro y unas impurezas inevitables que resultan de la elaboración.

2. Acero según la reivindicación 1, caracterizado porque contiene C= 0,20-0,25%.

3. Acero según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque contiene Cr = 2-4%.

4. Acero según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque contiene Al = 1-1,6%, preferentemente 1,4-1,6%.

5. Acero según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque contiene Mo ≥q 1%.

6. Acero según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque contiene Mo + W/2 = 1-2%.

7. Acero según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque contiene V = 0,2-0,3%.

8. Acero según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque contiene Ni = 12-14%, siendo Ni ≥q 7 + 3,5 Al.

9. Acero según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque contiene Nb = trazas - 0,05%.

10. Acero según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque contiene Si = trazas - 0,25%, preferentemente trazas - 0,10%.

11. Acero según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque contiene O = trazas - 10 ppm.

12. Acero según una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque contiene N = trazas - 10 ppm

13. Acero según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque contiene S = trazas - 10 ppm, preferentemente trazas - 5 ppm.

14. Acero según una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque contiene P = trazas - 100 ppm.

15. Acero según una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque su temperatura de transformación martensítica Ms medida es superior o igual a 100ºC.

16. Acero según la reivindicación 15, caracterizado porque su temperatura de transformación martensítica Ms medida es superior o igual a 140ºC.

17. Procedimiento de fabricación de una pieza de acero martensítico, caracterizado porque comprende las etapas siguientes que preceden al acabado de la pieza que le proporciona su forma definitiva:

- la preparación de un acero que tiene la composición según una de las reivindicaciones 1 a 16;

- por lo menos una operación de conformado de este acero;

- un revenido de ablandado a 600-675ºC durante 4 a 20 h seguido de un enfriado al aire;

- una puesta en solución a 900-1.000ºC durante por lo menos 1 h, seguida de un enfriado en aceite o al aire suficientemente rápido para evitar la precipitación de carburos intergranulares en la matriz austenítica;

- un envejecimiento de endurecimiento a 475-600ºC, preferentemente a 490-525ºC durante 5-20 h.

18. Procedimiento de fabricación de una pieza de acero según la reivindicación 17, caracterizado porque comprende además un tratamiento criogénico a -50ºC o más bajo, preferentemente a -80ºC o más bajo antes del tratamiento de envejecimiento, para transformar toda la austenita en martensita, siendo la temperatura inferior en 150ºC o más a Ms medida, durando por lo menos uno de dichos tratamientos por lo menos 4 h y como máximo 50 h.

19. Procedimiento de fabricación de una pieza de acero según una de las reivindicaciones 17 ó 18, caracterizado porque comprende además un tratamiento de ablandado de la martensita bruta de temple efectuado a 150-250ºC durante 4-16 h, seguido por un enfriado al aire tranquilo.

20. Procedimiento de fabricación de una pieza de acero según una de las reivindicaciones 17 a 19, caracterizado porque la pieza sufre también una cementación o una nitruración o una carbonitruración.

21. Procedimiento de fabricación de una pieza de acero según la reivindicación 20, caracterizado porque la nitruración se efectúa cuando tiene lugar un ciclo de envejecimiento.

22. Procedimiento de fabricación de una pieza de acero según la reivindicación 21, caracterizado porque la nitruración se efectúa entre 490 y 525ºC durante 5 a 100 h.

23. Procedimiento de fabricación de una pieza de acero según una de las reivindicaciones 20 a 22, caracterizado porque dicha nitruración o cementación se efectúa cuando tiene lugar un ciclo térmico previamente o simultáneamente con dicha puesta en solución.

24. Pieza mecánica o pieza para elemento de estructura, caracterizada porque se fabrica mediante el procedimiento según una de las reivindicaciones 17 a 23.

25. Pieza mecánica según la reivindicación 24, caracterizada porque se trata de un árbol de transmisión de motor, o de un dispositivo de suspensión de motor, o de un elemento de tren de aterrizaje, o de un elemento de caja de velocidades, o de un eje de rodamiento.