Un acero, en particular un acero para herramientas de trabajo en caliente,

con la composición siguiente, estando todos los porcentajes indicados en porcentajes de peso:

consistiendo el resto en hierro e impurezas inevitables, donde:

%Ceq ≥ %C + 0.86 * %N + 1.2 * %B,

caracterizado porque:

20 %Mo + ½ · %W >1,2, a condición de que el W no esté ausente.

Acero de herramientas de trabajo en caliente con una tenacidad y conductividad térmica extraordinarias

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un acero para herramientas de trabajos en caliente con una conductividad térmica muy alta y baja sensibilidad a la entalla que le confiere una extraordinaria resistencia a la fatiga térmica y al choque térmico. El acero para herramientas presenta también una templabilidad muy alta.

Resumen

Los aceros para trabajos en caliente usados en muchos procesos de fabricación suelen estar sometidos a altas cargas termomecánicas. Estas cargas conllevan frecuentemente al choque térmico o a la fatiga térmica. Para la mayoría de estas herramientas, el principal mecanismo de fallo es la fatiga térmica y/o el choque térmico, a menudo en combinación con alguna otra degradación mecánica como la fatiga mecánica, desgaste (abrasivo, adhesivo, erosivo o incluso cavitativo) , fractura, hundimiento u otras formas de deformación plástica, para mencionar las más relevantes. Además de las herramientas arriba indicadas, estos materiales se utilizan en otras muchas aplicaciones que requieren también una alta resistencia a la fatiga térmica a menudo en combinación con resistencia a otros mecanismos de fallo.

Los gradientes térmicos son los causantes del choque térmico y la fatiga térmica. En muchas aplicaciones no se consiguen regímenes de transmisión estacionarios debido a bajos tiempos de exposición o a cantidades de energía limitadas de la fuente que provoca una caída de temperatura. La magnitud del gradiente térmico en los materiales para herramientas es también una función de su conductividad térmica (proporcionalidad inversa se aplica para todos los casos con un número de Biot suficientemente pequeño) .

En tal escenario, en una aplicación determinada con una función de densidad de flujo térmico determinada, un material con una conductividad térmica superior está sometido a una carga superficial menor, ya que el gradiente térmico resultante es menor.

Tradicionalmente, en muchas aplicaciones en las que la fatiga térmica es el principal mecanismo de fallo, como en muchos casos de fundición a alta presión, la medición de la tenacidad para evaluar los diferentes materiales para herramientas más habitual es la prueba de resiliencia Charpy V (CVN – Charpy V-notch) . Se pueden utilizar también otros tipos de medición, incluso más representativos para algunas aplicaciones, como la tenacidad a la fractura o la deformación elástica, deformación y fractura, ... Estas mediciones, junto con las mediciones sobre la resistencia mecánica (como son el límite de elasticidad, resistencia mecánica o límite de fatiga) , mediciones relacionadas con el desgaste (por regla general peso K perdido en alguna prueba tribométrica) se pueden usar como indicadores del comportamiento de los materiales para propósitos comparativos entre diferentes candidatos a materiales para herramientas.

Por consiguiente, un índice de Merit para comparar la resistencia teórica de diferentes materiales para una aplicación determinada puede ser:

Me.Nr= CVN·k / (E·α) Donde: CVN- Charpy V-notched k – conductividad térmica E – módulo de elasticidad α – coeficiente de expansión térmica

En la mayoría de la literatura científica el término CVN se reemplazaría por KIC, resistencia a la fatiga mecánica o límite elástico a la temperatura de trabajo. Sin embargo, el ejemplo arriba indicado del índice de Merit es probablemente el más intuitivo entre los especialistas industriales.

Así pues está claro, que para aumentar la resistencia a la fatiga térmica, se debería intentar aumentar al mismo tiempo la conductividad y la tenacidad térmicas y reducir el módulo de elasticidad y el coeficiente de expansión térmica.

En muchas aplicaciones se utilizan herramientas gruesas, sobre todo cuando se requiere una resistencia mecánica suficiente como para implicar un tratamiento térmico. En este caso es además conveniente tener una buena templabilidad. La templabilidad es también muy interesante para aceros para trabajos en caliente, porque es mucho más fácil de conseguir una alta tenacidad con una microestructura de martensita templada que con una de bainita templada. Así, a mayor templabilidad menor es la brusquedad requerida en el enfriamiento del temple. Un

enfriamiento brusco es más difícil de conseguir, y además más costoso y dado que las formas de las herramientas y componentes fabricados suelen ser complejas, puede conllevar a la rotura de las partes tratadas térmicamente.

La resistencia al desgaste y la resistencia mecánica suelen ser proporcionalmente inversas a la tenacidad. Así pues, no es fácil conseguir un aumento simultáneo de ambas propiedades. La conductividad térmica sirve de ayuda en este caso, ya que permite un gran aumento de la resistencia a la fatiga térmica, incluso si se ha reducido ligeramente el CVN para aumentar la resistencia al desgaste o la resistencia mecánica.

Existen otras muchas propiedades deseables, cuando no necesarias, para un acero de trabajo en caliente que no necesariamente influyen en la longevidad de la herramienta, pero sí en sus costes de producción, como: facilidad de mecanizado, de soldadura o de reparación en general, soporte proporcionado al recubrimiento, costes, ...

En la presente invención se ha desarrollado una familia de materiales para herramientas con una mayor resistencia a la fatiga térmica y al choque térmico, que se pueden combinar con una mayor resistencia al colapso mecánico o al desgaste. Estos aceros presentan también una mayor templabilidad y mayor CVN con respecto a otros aceros para herramientas de alta conductividad térmica y características mecánicas (WO/2008/017341) .

Los autores han descubierto que el problema de obtener simultáneamente una elevada conductividad térmica, templabilidad, tenacidad y características mecánicas altas se puede solucionar aplicando ciertas normas de composición y tratamientos termo-mecánicos dentro del rango composicional siguiente:

%Ceq= 0, 20 – 1, 2 %C=0, 20 – 1, 2 %N=0-1 %B=0-1 %Cr < 1, 5 %Ni= 1, 0 -9 %Si < 0, 4 %Mn= 0 -3 %Al=0– 2, 5 %Mo= 0 - 10 %W= 0 - 15 %Ti= 0 -3 %Ta = 0 -3 %Zr = 0 -3 %Hf = 0 - 3, %V= 0 -4 %Nb = 0 -3 %Cu = 0 -4 %Co = 0 - 6, %S= 0 -1 %Se = 0 -1 %Te = 0 -1 %Bi = 0 -1 %As= 0 -1 %Sb = 0 - 1 %Ca = 0 - 1,

el resto consiste en hierro e impurezas inevitables, en donde: %Ceq = %C + 0.86 * %N + 1.2 * %B, que se caracteriza por %Mo + ½ · %W > 1, 2, a condición de que el W no esté ausente.

Cuanto más restrictivo se pueda ser con el %Si y %Cr mayor será la conductividad térmica pero más costosa es la solución (además, algunas propiedades, que podrían ser importantes para ciertas aplicaciones, y por tanto sería deseable mantenerlas, podrían empeorar con la reducción de estos elementos por debajo de ciertos niveles como, por ejemplo, la tenacidad por inclusiones de óxido atrapado en caso de que se utilicen Al, Ti, Si (y cualquier otro desoxidante) en cantidades insuficientes, o algunos casos de resistencia a la corrosión si el %Cr o el %Si son demasiado bajos) . Por tanto, a menudo hay que buscar un compromiso entre el aumento de los costes, la reducción de la tenacidad, la resistencia a la corrosión u otras características relevantes para ciertas aplicaciones, y el beneficio de una mayor conductividad térmica. La conductividad térmica máxima se puede obtener únicamente si los niveles de %Si y % Cr se encuentran por debajo del 0, 1% o mejor incluso si están por debajo del 0, 05%. También los niveles de todos los demás elementos además del %C, %Mo, %W, %Mn y %Ni tienen que ser lo más bajos posibles (por debajo de 0, 05 es técnicamente posible con un coste asumible para la mayoría de las aplicaciones, aunque un máximo de 0, 1 es naturalmente menos costoso) . Para algunas aplicaciones en las que la tenacidad es especialmente importante se tienen que adoptar niveles menos restrictivos de %Si (es el menos perjudicial para la conductividad térmica de todos los elementos desoxidantes de hierro) , y por tanto renunciar a una cierta conductividad térmica, para asegurar que el nivel de inclusiones no sea demasiado elevado. Según los niveles de %C, %Mo, y %W usados, la templabilidad puede ser suficiente, especialmente en la zona perlítica.... [Seguir leyendo]

REIVINDICACIONES:

1. Un acero, en particular un acero para herramientas de trabajo en caliente, con la composición siguiente, estando todos los porcentajes indicados en porcentajes de peso:

%Ceq= 0, 20 – 1, 2 %C=0, 20 – 1, 2 %N=0-1 %B=0-1 %Cr < 1, 5 %Ni= 1, 0 -9 %Si < 0, 4 %Mn= 0 -3 %Al= 0 – 2, 5 %Mo= 0 -10 %W= 0 -15 %Ti= 0 -3 %Ta = 0 -3 %Zr = 0 -3 %Hf = 0 - 3, %V= 0 -4 %Nb = 0 -3 %Cu = 0 -4 %Co = 0 - 6, %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, donde:

%Ceq = %C + 0.86 * %N + 1.2 * %B,

caracterizado porque:

%Mo + ½ · %W > 1, 2, a condición de que el W no esté ausente.

2. Un acero según la reivindicación 1, donde al menos el 80% en peso de los carburos son carburos principalmente de Fe, Mo o W, solos o en combinación.

3. Un acero según la reivindicación 2, donde ningún otro único elemento metálico está presente en disolución sólida dentro de los carburos de Fe, Mo y/o W en una concentración superior al 10% en peso.

4. Un acero según cualquiera de las reivindicaciones 2 ó 3, donde el %C en los carburos esta al menos parcialmente reemplazado por %N y/o %B.

5. Un acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde ningún único elemento está presente en disolución sólida dentro de la matriz metálica de Fe que embebe a los carburos en una concentración superior al 0, 5% exceptuando al %Ni y/o %Mn.

6. Un acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde ningún único elemento está presente en disolución sólida dentro de la matriz metálica de Fe que embebe a los carburos en una concentración superior al 0, 1% exceptuando al %Ni.

7. Un acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado porque: 0, 03 < xCeq– AC · [xMo / (3· AMo) + xW / (3· AW) + xV / AV] > 0, 165 donde:

xCeq – porcentaje en peso carbono; xMo – porcentaje en peso molibdeno; xW – porcentaje en peso wolframio; xV – porcentaje en peso vanadio; AC – masa atómica carbono (12, 0107 u) ; AMo – masa atómica molibdeno (95, 94 u) ; AW – masa atómica wolframio (183, 84 u) ; AV – masa atómica vanadio (50, 9415 u) .

8. Un acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 donde: %Ni+9*%Mn+5*%Si < 8

9. Un acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 donde: %Ceq= 0, 26– 0, 55 %C= 0, 20 – 0, 55 %N=0– 0, 6 y %B=0– 0, 45

10. Un acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 donde: %Cr < 0, 2, %Si < 0, 2 y %Ni > 2, 99

11. Un acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 donde %Cr < 0, 1.

12. Un acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11 donde %Si < 0, 1.

13. Un acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 donde %Cr < 0, 05 y %Si<0, 05.

14. Un acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 donde %Mo= 2 – 10, caracterizado porque 3 < %Mo + ½ · %W < 11

15. Un acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14 donde:

%Ceq= 0, 26 –0, 4 % C=0, 26 –0, 4 %N=0 –0, 45 %B=0 –0, 3 %Cr < 0, 5 %Ni= 2, 99 -6 %Si < 0, 3 %Mo= 2, 5 -8 %W= 0 – 5.

16. Un acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15 donde: %Ceq= 0, 28 –0, 36 % C=0, 28 –0, 36 %N=0 –0, 4 %B=0 –0, 25 %Cr < 0, 3 %Ni= 2, 99 -5 %Si < 0, 25 %Mo= 3 – 6, 5 %W= 1 – 4.

17. Un acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16 caracterizado porque: xCeq* (xMo+0, 5*xW) / (xCr+xV+xNb) > 8 donde: xCeq – porcentaje de peso carbono; xMo – porcentaje de peso molibdeno;

xW – porcentaje de peso wolframio; xV – porcentaje de peso vanadio; xNb – porcentaje de peso niobio; donde xCr, xV y xNb son los porcentajes de peso reales, incluso si sólo están presentes en concentraciones inferiores a 0, 05%.

18. Una matriz, herramienta o pieza que comprende al menos un acero según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17.