Material multifásico metálico y métodos de fabricación para el mismo.

Material multifásico metálico que comprende:

una matriz metálica;

carburos incorporados en dicha matriz metálica;

siendo un tamaño máximo de dichos carburos inferior a 20 m;

teniendo dicho material multifásico metálico un contenido en carbono en el intervalo del 0,8% en peso al 3,5% en peso, caracterizado porque

dicho material multifásico metálico tiene un contenido en oxígeno inferior a 30 ppm en peso.

Material multifásico metálico y métodos de fabricación para el mismo.

Campo técnico

La presente invención se refiere en general a materiales multifásicos metálicos y a métodos de fabricación para los mismos y en particular a materiales tales que tienen carburos en una matriz metálica.

Antecedentes Se usan materiales duros y multifásicos, tales como carburo cementado, acero rápido, satélites o similares en un gran número de aplicaciones tales como herramientas y piezas de desgaste. Las propiedades de tales materiales normalmente se definen por una alta dureza y un alto contenido en fase dura y por tanto una alta resistencia al desgaste. La fase dura normalmente está representada en estos materiales por un alto contenido en carburos y esta fase dura está rodeada por un material de matriz tal como Fe, Co, Ni, etc., y aleaciones y fases de los mismos. El material de matriz normalmente también es duro, pero normalmente se produce para lograr un equilibrio deseado con otras propiedades importantes tales como resistencia a la corrosión y tenacidad a la fractura.

En estos tipos de materiales, las propiedades se establecen por los elementos constituyentes, la microestructura y los tamaños y el nivel de carburos. Además, algunas propiedades también están determinadas por el contenido en materia extraña, por las denominadas inclusiones no metálicas. El nivel de inclusiones no metálicas normalmente es bajo, pero la naturaleza quebradiza de estos materiales duros todavía conduce al hecho de que algunas propiedades (especialmente tenacidad a la fractura, tenacidad a los impactos y resistencia a la fatiga) de estos materiales sean muy sensibles a estas inclusiones no metálicas. Normalmente, un componente podría tener una dureza y un límite de elasticidad muy altos, pero en el uso práctico, la inclusión mayor establece el límite para la tenacidad a los impactos y la fatiga. Es decir, los materiales de alta calidad actuales encuentran su límite en la cantidad de inclusiones pequeñas, pero todavía existentes, por materia extraña. Las inclusiones actúan como concentraciones de tensión debido a la diferente naturaleza de unión de las inclusiones y el material de microestructura circundante, especialmente si tienen un tamaño que es mayor que otras variaciones de microestructura.

Los carburos en estos materiales multifásicos, tal como se mencionó anteriormente, son muy importantes para la resistencia al desgaste, y el tamaño de los carburos en la microestructura es determinante del nivel de resistencia al desgaste. En primer lugar, un alto nivel de carburos en el material produce una alta resistencia al desgaste. En segundo lugar, cuanto más gruesos son los carburos en el material, mayor es la resistencia al desgaste lograda. Sin embargo, un alto nivel de carburos grandes (gruesos) en la composición también es perjudicial para la tenacidad a la fractura del material. Esto se debe al hecho de que la tenacidad a la fractura máxima de un material se obtiene cuando la microestructura es completamente homogénea, y de que los carburos gruesos en una estructura de este tipo actuarán como una concentración de tensión y por tanto también como un punto de inicio para la fractura. Éste es exactamente el mismo efecto de concentración de tensión que se mencionó anteriormente, cuando las inclusiones eran el problema. Por tanto, se desea producir un material con alto contenido en carburo pero con tamaño de carburo fino, para lograr un material resistente al desgaste que también tenga una tenacidad a la fractura suficientemente alta. Esto es importante tanto con carburos finos, como incluso más importante con un pequeño tamaño del carburo más grande que se encuentra en toda la estructura del componente.

Estos materiales duros y multifásicos descritos anteriormente podrían fabricarse principalmente mediante una ruta convencional, mediante una ruta de fabricación en polvo (PM) o mediante una técnica de sinterización.

En resumen, la manera convencional de producir materiales metálicos es fundir composiciones de elementos entre sí y llenar con ellos lingotes, donde se solidifican. Los lingotes se forjan entonces y se laminan hasta obtener la forma geométrica deseada tal como varillas, barras, láminas, etc. La ruta de PM (ruta de fabricación en polvo (Powder Manufacturing) ) es un desarrollo de la antigua ruta convencional para producir materiales. En la ruta de PM, el metal fundido de composición deseada se “atomiza” en primer lugar dando lugar a un polvo metálico. Con este polvo metálico se llenan entonces recipientes, que a su vez se están consolidando mediante alta presión y temperatura. Los recipientes consolidados se forjan después y se laminan hasta obtener la forma deseada de la misma manera que un lingote convencional. Puesto que un material de PM es un resultado de lingotes de tamaño de polvo pequeño que se han consolidado dando lugar a un nuevo material, la microestructura del material de PM es más fina, también con un tamaño de carburo más fino. Esto da como resultado un material con mejores propiedades en general, debido a la homogeneidad, a granos y carburos más finos y también es posible producir materiales con la ruta de PM que no pueden producirse mediante la manera convencional.

Se han usado técnicas de sinterización durante mucho tiempo, en las que el objetivo es fabricar componentes de materiales duros. En la sinterización ordinaria, se prensa junto un polvo de material (y a menudo un aglutinante) para formar una “pieza en verde”. Esta pieza en verde se coloca entonces en un horno y se realiza un tratamiento térmico (con una temperatura inferior a la temperatura de fusión del material, la temperatura de sólidus) .

Un material muy común producido mediante la técnica de sinterización es carburo cementado (hartmetalle, hårdmetall (metales duros) ) , en la que se muele una mezcla de polvo de WC y Co junto con el aglutinante propilenglicol (PEG) . Tras esta molienda, se seca por pulverización la mezcla dando lugar a un polvo de aglomerados. Este polvo se prensa dando lugar a piezas en verde y entonces se sinterizan (se tratan térmicamente) dando lugar al material final. El resultado es un material con granos duros de WC unidos entre sí en una matriz de Co. La ventaja de este tipo de material de WC/Co es que tiene una combinación única e dureza y tenacidad, pero las desventajas también son obvias: es necesario un procedimiento de fabricación muy complicado y se necesita una serie de producción muy grande para lograr un precio de componentes bajo. Además, este procedimiento no permite geometrías avanzadas sin un extenso tratamiento posterior, y pese a la tenacidad bastante alta, la tenacidad todavía es demasiado baja para un gran número de aplicaciones.

Las inclusiones en un material son los resultados del procedimiento de producción, la ruta convencional, la ruta de PM o la sinterización. Normalmente, las inclusiones podrían ser residuos pequeños de elementos no deseados procedentes de desechos usados en la fusión del material de partida, partículas procedentes de las paredes del horno que se liberan durante el proceso de fusión, o en particular la oxidación siempre existente de material fundido o caliente durante el procesamiento, o procedente de otras partes del procedimiento de producción.

Las técnicas de sinterización típicas según la técnica anterior tienen todas en común que dan como resultado malas propiedades del material tales como baja pureza, alta porosidad, patrones de solidificación (segregaciones) , carburos y nitruros gruesos y microestructura gruesa. Este procedimiento de sinterización normalmente da como resultado un material poroso con contenido en carbono incontrolado, y a menudo también residuos del aglutinante. También es posible realizar la sinterización a temperaturas superiores a la temperatura de sólidus para lograr un material con porosidad inferior, pero en cambio se logra una microestructura más gruesa, debido al largo tiempo de solidificación, y por tanto también carburos y/o nitruros gruesos.

Además, para producir componentes en estos materiales multifásicos duros, los métodos de mecanizado actuales llevan mucho tiempo y consumen mucha energía, y los métodos dan como resultado un gran desgaste de las herramientas usadas. Además, estas operaciones también tienen un inconveniente principal, que es la necesidad de eliminar gran parte del material de calidad total mediante el mecanizado, antes de lograr la conformación final del componente. Es decir, resulta difícil producir un componente en estos materiales, y cuanto más complicada sea la geometría necesaria, más difícil es.

La única manera según la técnica anterior de producir componentes con... [Seguir leyendo]

1. Material multifásico metálico que comprende:

una matriz metálica;

carburos incorporados en dicha matriz metálica;

siendo un tamaño máximo de dichos carburos inferior a 20

teniendo dicho material multifásico metálico un contenido en carbono en el intervalo del 0, 8% en peso al 3, 5% en peso, caracterizado porque dicho material multifásico metálico tiene un contenido en oxígeno inferior a 30 ppm en peso.

2. Material multifásico metálico según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha matriz metálica es a base de al menos uno de Fe, Co y Ni.

3. Material multifásico metálico según la reivindicación 2, caracterizado porque dicha matriz metálica es a base de Fe.

4. Material multifásico metálico según la reivindicación 2, caracterizado porque dicha matriz metálica es a base de Co.

5. Material multifásico metálico según la reivindicación 2, caracterizado porque dicha matriz metálica es a base de Ni.

6. Material multifásico metálico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por un contenido en carbono en el intervalo del 0, 9% en peso al 2, 5% en peso.

7. Método para fabricar un material multifásico metálico, que comprende la etapa de: proporcionar (210) un polvo de un material multifásico metálico inicial; comprendiendo dicho material multifásico metálico inicial una matriz metálica en la que están incorporados

carburos;

teniendo dicho material multifásico metálico inicial un contenido en carbono en el intervalo del 0, 8% en peso al 3, 5% en peso, caracterizado por las etapas adicionales de:

colocar (220) dicho polvo de dicho material multifásico metálico inicial en un entorno libre de oxígeno;

fundir (230) dicho polvo de dicho material multifásico metálico inicial localmente en una primera parte exponiendo dicha primera parte de dicho polvo de dicho material multifásico metálico inicial a un haz de energía durante un primer periodo de tiempo;

comprendiendo a su vez dicha fusión local la etapa de reducir el contenido en oxígeno de un material multifásico metálico final en dicha primera parte a menos de 30 ppm en peso permitiendo que al menos una parte del contenido en oxígeno de dicho material multifásico metálico inicial fundido reaccione con carbono de dicho material multifásico metálico inicial fundido dando lugar a óxidos de carbono;

solidificar (240) dicho material multifásico metálico final para dar a dicho material multifásico metálico final un tamaño máximo de dichos carburos inferior a 20

8. Método según la reivindicación 7, caracterizado porque dicho haz de energía es al menos uno de un haz de electrones y un haz de láser.

9. Método según la reivindicación 7 u 8, caracterizado por la etapa adicional de repetir (250) dicha etapa de fundir (230) y dicha etapa de solidificar (240) para partes adicionales de dicho material multifásico metálico inicial.

10. Método para fabricar un objeto de un material multifásico metálico fabricado según la reivindicación 9, caracterizado porque

dicha etapa de colocar (220) dicho polvo de dicho material multifásico metálico inicial en un entorno libre de oxígeno comprende proporcionar (221) una capa delgada de dicho material multifásico metálico inicial; y

dicha etapa de repetir (250) dicha etapa de fundir y dicha etapa de solidificar comprende mover (251) dicho haz de energía sobre una zona de dicha capa delgada fundiendo y solidificando dicho material multifásico metálico inicial en dicha zona dando lugar a un cuerpo común.

11. Método según la reivindicación 10, caracterizado por reiterar dicha etapa de colocar (220) dicho polvo y dicha etapa de repetir (250) , en el que dicho polvo de dicho material multifásico metálico inicial se coloca sobre dicho cuerpo común, formando de ese modo un objeto tridimensional.

12. Método según la reivindicación 11, caracterizado porque una primera de dicha etapa de colocar (220) dicho polvo comprende colocar dicho polvo encima de un objeto de soporte sólido, en el que dicho cuerpo común llega a unirse a dicho objeto de soporte.

13. Método según la reivindicación 11, caracterizado porque dicha zona sobre la que se mueve dicho haz de energía para una iteración cubre partes horizontales que no se cubren en una zona correspondiente por una iteración previa.

14. Método según la reivindicación 13, caracterizado por crear canales para transportar medios de enfriamiento

o calentamiento en dicho objeto.