Un método de producir un material metálico duro, que comprende:

proporcionar una mezcla de elementos, donde la mezcla consiste en una composición seleccionada del grupo que consiste de Fe63B17C3Si3, (Fe0 . 8Cr0 . 2)79B17W2C2, Fe63B17C3Si5, Fe63B17W2C2, Fe63B17C8, Fe63B17C5, (Fe0 . 8Cr0 . 2)78Mo2W2B12C5Si1, Fe63B17C5W5, Fe63B17C5Si5, (Fe0 . 8Cr0 . 2)76Mo2W2B14C5Si1, (Fe0 . 8Cr0 . 2)73Mo2W2B16C4Si1Mn2, Fe63Cr8Mo2B17C5, (Fe0 . 8Cr0 . 2)75Mo2B17C5Si1, (Fe0 . 8Cr0 . 2)75W2B17C5Si1, Fe63B17C5i1, (Fe0 . 8Cr0 . 2)73Mo2W2B17C5Si1, (Fe0 . 8Cr0 . 2)72Mo2W2B17C5Si1Gd1, (Fe0 . 8Cr0 . 2)71Mo2W2B17C5Si1Gd2, y (Fe0 . 8Cr0 . 2)74Mo2W2B17C4Si1 fundir la mezcla para formar la mezcla en una aleación; y enfriar la aleación desde una temperatura a la que se formó a una velocidad inferior a 5000 K por segundo para formar un material metálico que tiene una dureza superior a 9,2 GPa

Materiales metálicos duros, recubrimientos metálicos duros, métodos de tratamiento de materiales metálicos y métodos de producción de recubrimientos metálicos.

Origen contractual de la invención

Esta invención se realizó con el apoyo del Gobierno de los Estados Unidos con el número de contrato DE-AC07-99ID13727 y número de contrato DE-AC07-05ID14517, otorgado por el Departamento de Energía de Estados Unidos. El Gobierno de los Estados Unidos tiene ciertos derechos en la invención.

Campo técnico

La invención se refiere a materiales metálicos duros y métodos de formación de materiales metálicos duros.

Antecedentes de la invención

El acero es una aleación metálica que puede tener características de resistencia excepcionales, y que en consecuencia es comúnmente utilizado en las estructuras donde la resistencia es necesaria o ventajosa. El acero puede ser utilizado, por ejemplo, en el los soportes principales de las estructuras de construcción, herramientas, componentes de motores y blindaje de protección de los armamentos modernos.

La composición del acero varía en función de la aplicación de la aleación. A los efectos de la interpretación de esta divulgación y las reivindicaciones que siguen, "acero" se define como cualquier aleación a base de hierro en la que ningún otro elemento único (además de hierro) está presente en más de 30 por ciento en peso, y para la que, los contenidos de hierro suponen al menos un 55 por ciento en peso y el carbono se limita a un máximo de 2 por ciento en peso. Además de hierro, las aleaciones de acero pueden incorporar, por ejemplo, manganeso, níquel, cromo, molibdeno, y/o vanadio. Adecuadamente, el acero contiene normalmente pequeñas cantidades de fósforo, carbono, azufre y silicio.

El acero comprende disposiciones regulares de átomos, con disposiciones de apilamiento periódicas formando retículas en 3 dimensiones que definen la estructura interna de acero. La estructura interna (a veces llamada "microestructura") de aleaciones de acero convencionales siempre es metálica y policristalina (compuesta de muchos granos cristalinos). Tanto la composición y métodos de procesamiento son factores importantes que afectan a la estructura y propiedades de un material de acero. En procesamiento convencional de acero, un aumento de dureza puede ser acompañado por una correspondiente disminución de tenacidad. Material de acero producido por métodos convencionales que aumentan la dureza de la composición puede resultar en un material de acero que es muy frágil.

El acero es normalmente formado por enfriamiento de una aleación fundida. Para las aleaciones de acero convencionales, la velocidad de enfriamiento determinará si la aleación se enfría para formar una estructura interna que comprende principalmente granos cristalinos, o, en raras ocasiones una estructura que es predominantemente amorfa (un llamado cristal metálico). En general, se comprueba que si la refrigeración tiene lugar lentamente (es decir, a un ritmo menor que alrededor de 10⁴ K/s), se producen granos de gran tamaño, mientras que si la refrigeración tiene lugar rápidamente (es decir, a una velocidad mayor o igual a alrededor de 10⁴ K/s) se forman estructuras internas de granos microcristalinos, o, en determinados casos raros no encontrados en las composiciones convencionales de aleaciones de acero, se forma un cristal metálico amorfo. La composición particular de una aleación fundida determina en general si la aleación se solidifica para formar estructuras de grano microcristalinas o un cristal amorfo cuando la aleación se enfría rápidamente.

Ambas estructuras internos de granos microcristalinos y estructuras internas de granos metálicos puedan tener propiedades que son deseables en aplicaciones específicas para el acero. En algunos usos, el carácter amorfo de cristal metálico puede proporcionar propiedades deseadas. Por ejemplo, algunos cristales pueden tener resistencia y dureza excepcionalmente altas. En otras aplicaciones, se prefieren las particulares propiedades de las estructuras de grano microcristalino. Con frecuencia, si se prefieren las propiedades de una estructura de grano, tales propiedades se mejoran al disminuir el tamaño de grano. Por ejemplo, con frecuencia se pueden mejorar propiedades deseadas de granos microcristalinos (es decir, granos con un tamaño del orden de 10^-6 metros) reduciendo el tamaño de grano al de los granos nanocristalinos (es decir, granos con un tamaño del orden de 10^-9 metros). Es en general más problemático, y no es posible en general utilizando los métodos convencionales, formar granos de tamaño de grano nanocristalino que formar granos de tamaño de grano microcristalino.

Es deseable desarrollar mejores métodos para la formación de materiales de acero de tamaño nanocristalino de grano. Además, es deseable desarrollar métodos de procesamiento de acero que puedan lograr una mayor dureza sin una correspondiente pérdida de tenacidad.

Resumen de la invención

En un aspecto, la invención incluye un método para producir un material duro metálico de conformidad con la reivindicación 1 de las reivindicaciones adjuntas. Una mezcla de elementos se forma en una aleación y la aleación se enfría a una velocidad de menos que unos 5.000 K/s para formar un material metálico que tiene una dureza de más de aproximadamente 92 GPa. El material de preferencia tiene una composición total de elementos de menos de once elementos, con exclusión de las impurezas, tiene una temperatura de fusión entre alrededor de 1100ºC y cerca de 1250ºC y tiene una dureza de más de aproximadamente 9,2 GPa.

Material metálico que tiene la composición Fe₆₃Cr₈Mo₂B₁₇C₅Si₁Al₄ ha sido divulgado por el solicitante en la US-A-6,258,185. Por lo tanto, todas las partes de la presente especificación concernientes a este material conocido no pertenecen a la presente invención.

Breve descripción de los dibujos

Realizaciones preferidas de la invención se describen a continuación con referencia a los siguientes dibujos acompañantes.

Fig. 1 es una vista de un diagrama de flujo de bloques de un método comprendido por la presente invención.

Fig. 2 es una vista de un diagrama de flujo de bloques de un método de procesamiento comprendido por la presente invención.

Fig. 3 es una micrografía SEM de un polvo metálico producido por métodos de la presente invención.

Fig. 4 es una vista fragmentaria esquemática en sección transversal de un material metálico en un paso preliminar de procesamiento de un método de la presente invención.

Fig. 5 es una vista del material metálico de la fig. 4 mostrado en un paso de proceso posterior al de la fig. 4.

Fig. 6 es una vista fragmentaria esquemática en sección transversal de un sustrato de material metálico en una etapa de tratamiento de un proceso comprendido por la presente invención.

Fig. 7 muestra ejemplos de recubrimientos que comprenden Fe₆₃Cr₈Mo₂B₁₇C₅Si₁Al₄ formados por deposición de oxígeno-gas combustible a alta velocidad en acero de aleación 4340, acero inoxidable 13-8 y sustratos de aluminio 7075.

Fig. 8 muestra una sección transversal indicativa de una porosidad de un recubrimiento de Fe₆₃Cr₈Mo₂B₁₇C₅Si₁Al₄ de la fig. 7.

Fig. 9 muestra secciones transversales que demuestran porosidades de recubrimientos que comprenden (Fe_{0 . 8}aCr_{0 . 2})₇₃Mo₂W₂B₁₆C₄Si₁Mn₂ depositados por deposición de plasma (Panel A), alta velocidad de deposición de oxígeno-gas combustible (Panel B), y deposición por arco con electrodo (Panel C).

Fig. 10 ilustra un barrido por difracción de rayos X de una superficie libre de 330 micras de espesor recubrimiento depositado con oxígeno-gas combustible de alta velocidad que comprende Fe₆₃Cr₈Mo₂B₁₇C₅Si₁Al₄.

Fig. 11 ilustra unos barridos por difracción de rayos X de una superficie libre (Panel A) y una superficie substrato-interfaz (planeta B) de un recubrimiento rociado por plasma de 1650 micras de espesor que comprende Fe₆₃Cr₈Mo₂B₁₇C₅Si₁Al₄.

1. Un método de producir un material metálico duro, que comprende:

proporcionar una mezcla de elementos, donde la mezcla consiste en una composición seleccionada del grupo que consiste de Fe₆₃B₁₇C₃Si₃, (Fe_{0 . 8}Cr_{0 . 2})₇₉B₁₇W₂C₂, Fe₆₃B₁₇C₃Si₅, Fe₆₃B₁₇W₂C₂, Fe₆₃B₁₇C₈, Fe₆₃B₁₇C₅, (Fe_{0 . 8}Cr_{0 . 2})₇₈Mo₂W₂B₁₂C₅Si₁, Fe₆₃B₁₇C₅W₅, Fe₆₃B₁₇C₅Si₅, (Fe_{0 . 8}Cr_{0 . 2})₇₆Mo₂W₂B₁₄C₅Si₁, (Fe_{0 . 8}Cr_{0 . 2})₇₃Mo₂W₂B₁₆C₄Si₁Mn₂, Fe₆₃Cr₈Mo₂B₁₇C₅, (Fe_{0 . 8}Cr_{0 . 2})₇₅Mo₂B₁₇C₅Si₁, (Fe_{0 . 8}Cr_{0 . 2})₇₅W₂B₁₇C₅Si₁, Fe₆₃B₁₇C₅i₁, (Fe_{0 . 8}Cr_{0 . 2})₇₃Mo₂W₂B₁₇C₅Si₁, (Fe_{0 . 8}Cr_{0 . 2})₇₂Mo₂W₂B₁₇C₅Si₁Gd₁, (Fe_{0 . 8}Cr_{0 . 2})₇₁Mo₂W₂B₁₇C₅Si₁Gd₂, y (Fe_{0 . 8}Cr_{0 . 2})₇₄Mo₂W₂B₁₇C₄Si₁

fundir la mezcla para formar la mezcla en una aleación; y

enfriar la aleación desde una temperatura a la que se formó a una velocidad inferior a 5000 K por segundo para formar un material metálico que tiene una dureza superior a 9,2 GPa.

2. El método de la reivindicación 1 en donde el material metálico está en forma de lingote.

3. El método de la reivindicación 1 en donde la aleación exhibe una temperatura de fusión de desde 1100ºC a 1550ºC.

4. Un material metálico producido de acuerdo con el método de la reivindicación 1 que muestra una temperatura de fusión de desde 1100ºC a 1250ºC.

5. El material metálico de la reivindicación 4 en donde el material es un material fundido.

6. Un método de formar una superficie endurecida en un substrato, comprendiendo:

proporcionar una masa sólida que exhibe una primera dureza, la masa sólida estando formada por el método de la reivindicación 1;

procesar la masa sólida para formar un polvo;

aplicar el polvo a una superficie de un substrato para formar inicialmente una capa teniendo una segunda dureza, por lo menos algo de la capa comprendiendo cristal metálico; y

convertir por lo menos algo del cristal metálico a un material cristalino que tiene un tamaño de grano nanocristalino, el convertir endureciendo la capa para formar una capa endurecida que tiene una tercera dureza que es mayor que la primera dureza y mayor que la segunda dureza.

7. El método de la reivindicación 6 en donde el polvo comprende una estructura amorfa.

8. El método de la reivindicación 6 en donde la conversión comprende el calentamiento de la capa a una temperatura entre 600ºC y una temperatura de fusión del cristal metálico.

9. El método de la reivindicación 6 en donde la capa endurecida comprende una microestructura de nanocompuesto teniendo un tamaño de grano de 75 nm a 125 nm y teniendo precipitados de segunda fase de alrededor de 20 nm en los límites de grano.

10. El método de la reivindicación 6 en donde la capa se forma en la superficie de un sustrato en la ausencia de una capa interfacial.

11. El método de la reivindicación 6 en donde la aplicación del polvo a la superficie comprende al menos uno de una deposición térmica por rociado de plasma, deposición térmica por chorro de diamante y deposición térmica de oxígeno-gas combustible a alta velocidad.

12. El método de la reivindicación 6 comprendiendo además:

antes de la aplicación del polvo a la superficie, combinar el polvo con una banda de metal para formar un alambre, el alambre teniendo una composición final comprendiendo al menos 55% de hierro en peso y por lo menos un elemento seleccionado del grupo que consiste de Si, C, P y B, y

en donde la aplicación del polvo de la superficie comprende por lo menos uno de deposición por arco-electrodo de doble rodillo, deposición por arco-electrodo de simple rodillo y deposición por arco-electrodo de alta velocidad.

13. Un método de protección de una superficie, que comprende:

proporcionar una superficie, y

aplicar una capa inicialmente formada de un material formado por el método de la reivindicación 1; en la superficie, la capa inicialmente formada exhibiendo una dureza inicial de al menos 9,2 GPa y un alargamiento a tracción de 0,5% a 60%.

14. El método de la reivindicación 13 en donde la superficie es una superficie metálica.

15. El método de la reivindicación 13 en donde la capa formada inicialmente comprende una estructura amorfa.

16. El método de la reivindicación 13 comprendiendo además:

convertir la capa inicialmente formada en una capa endurecida que comprende una dureza aumentada, la dureza aumentada siendo mayor que la dureza inicial.

17. El método de la reivindicación 16 en donde la capa endurecida comprende una microestructura de nanocompuestos teniendo un tamaño de grano de 75 nm a 125 nm, y teniendo precipitados de segunda fase de 20 nm en los límites de grano.

18. Un material de recubrimiento duro que comprende un material metálico producido por el método de la reivindicación 1 y que tiene por lo menos alguna estructura desvitrificada que comprende un tamaño de grano nanocristalino, el material de recubrimiento duro teniendo un alargamiento de tracción de 5% a 180%.

19. El material de recubrimiento duro de la reivindicación 18 que comprende una porosidad inferior o igual a 5%.

20. El material de recubrimiento duro de la reivindicación 18 que comprende una porosidad inferior o igual a 1%.