Acero de forja, forjado y cigüeñal.

Un acero forjado que consiste en:

de un 0,15 a un 0,75 % en masa de C,

de un 0,1 a un 0,6 % en masa de Si,

de un 0,3 a un 1,4 % en masa de Mn,

de un 0,1 a un 2 % en masa de Ni,

de un 0,5 a un 2,5 % en masa de Cr,

10 de un 0,1 a un 0,5 % en masa de Mo,

de un 0,01 a un 0,2 % en masa de V,

de un 0,015 a un 0,04 % en masa de Al,

de un 0,0002 a un 0,002 % en masa de S,

de un 0,0002 a un 0,003 % en masa de Ti, y opcionalmente uno o más de Ca, B, W, Nb, Ta, Cu, Ce, Zr, y Te, en una cantidad total de un 0,1 % en masa o inferior, y

el resto Fe e impurezas inevitables;

donde las respectivas densidades numéricas de las partículas de inclusión que contienen S que tienen un contenido de S de un 20 % en masa o superior, y de las partículas de inclusión que contienen Ti que tienen un contenido de Ti de un 50 % en masa o superior entre las partículas de inclusión superiores a 5 μm de longitud presentes en un área de observación de una sección transversal del acero forjado son 100 partículas/cm2 o inferior, y 30 partículas/cm2 o inferior, respectivamente, y donde

las respectivas densidades numéricas de las partículas de inclusión que tienen un contenido de S de un 20 % en masa o superior, y de las partículas de inclusión que tienen un contenido de Ti de un 50 % en masa entre las partículas de inclusión entre 1 y 5 μm de longitud presentes en la sección transversal del acero forjado son 10 partículas/cm2 o superior y 5 partículas/cm2 o superior, respectivamente.

Acero de forja, forjado y cigüeñal

La presente invención se refiere a un acero de forja, a un forjado hecho del acero de forja, y un cigüeñal hecho del acero de forja. Más particularmente, la presente invención se refiere a un acero de forja que tiene un contenido de inclusión de S controlado y un contenido de inclusión de Ti controlado. Los forjados de la presente invención se usan amplia y eficazmente en los campos industriales de máquinas, navíos y generadores de energía. El acero de forja de la presente invención es particularmente adecuado para formar partes que se requiere que tengan alta resistencia a la fatiga, tales como partes giratorias.

Se requiere que un forjado de acero hecho mediante forja de un acero de forja, tal como un gran cigüeñal, en concreto, un miembro de transmisión de una máquina de impulsión naval, sea resistente a la fractura por fatiga en condiciones de trabajo exigentes y tenga una excelente característica de resistencia a la fatiga.

Se mencionan estudios de la mejora de la característica de resistencia a la fatiga de aceros de baja aleación para formar cigüeñales para motores marinos en "Study of Fatigue Strength of High-Strength Materials for Crankshafts", Jour. of the JIME, Vol. 36, Nº 6, pág. 385 a 390 (2001) (Referencia citada 1) . En la Referencia citada 1 se menciona que (i) existe la tendencia de que las inclusiones pueden ser fácilmente puntos de comienzo de fractura por fatiga y esta tendencia se vuelve más notable con el aumento de la resistencia de los aceros, (ii) cuanto mayor es el tamaño de las inclusiones, menor es la característica de resistencia a la fatiga, y (iii) la resistencia a la fatiga de los aceros que contienen inclusiones elongadas tiende a ser anisotrópica. En la Referencia citada 1 también se menciona que para mejorar la característica de resistencia a la fatiga de materiales de forja es eficaz esferoidizar las inclusiones y formar las mismas en tamaños pequeños.

El acero de forja de alta resistencia mencionado en el documento de Patente JP-A 2004-211206 (Referencia citada 2) se puede fabricar con un bajo coste manteniendo en bajas cantidades elementos costosos de la aleación (especialmente Ni) , tiene una alta resistencia y es un material útil para formar grandes cigüeñales. La resistencia a la fatiga es una propiedad importante de los aceros para formar cigüeñales y, como se ha mencionado anteriormente, las inclusiones son puntos de partida de fracturas por fatiga. Dado que la composición y la forma de las inclusiones no se pueden controlar únicamente mediante los componentes principales de un acero, el acero no puede tener una proporción límite de resistencia satisfactoria expresada por: (resistencia a la fatiga (MPa) ) / (resistencia a la tracción (MPa) ) .

En los documentos de Patente JP-A H7-188853 (Referencia citada 3) y JP-A H7-238342 (Referencia citada 4) se mencionan técnicas para controlar la forma de las inclusiones contenidas en los aceros. En las Referencias citadas 3 y 4, se menciona la generación de inclusiones de óxido de coagulación dura, tales como MgO y MgO·Al2O3. Las Referencias citadas 3 y 4 dilucidan la supresión de la capacidad de expansión de las inclusiones y la reducción de la anisotropía de la resistencia mecánica convirtiendo parte del MnS, es decir, un sulfuro, en (Mn·Mg) S.

En el documento de Patente JP-A 2000-87179 (Referencia citada 5) se divulga un acero para uso estructural en maquinaria que es superior en maquinabilidad a los aceros de corte libre. Se añaden al acero sulfuros que incluyen MnS, CaS, MgS, (Ca, Mn) S, y (Ca, Mg, Mn) S para mejorar la maquinabilidad del acero. La Referencia citada 5 dilucida que se puede suprimir la anisotropía de las propiedades mecánicas y el acero es superior en maquinabilidad

a aceros de corte libre cuando la forma de los sulfuros se controla por adición de REM, Ca y Mg al acero. Sin embargo, esta técnica para controlar la forma de las inclusiones no está destinada a forjados que se usan en condiciones de trabajo exigentes, tales como miembros de transmisión de máquinas de impulsión navales.

Para aumentar la característica de resistencia a la fatiga del acero, se divulga una técnica para esferoidizar y micronizar inclusiones en el documento de Patente JP-A 2004-225128 (Referencia citada 6) . Esta técnica genera óxidos de coagulación dura que pueden ser núcleos de inclusiones, tales como MgO y MgO·Al2O3, y precipita (Mg, Ca, Mn) S, que presenta mayor dificultad para la deformación que MnS, alrededor de los óxidos para esferoidizar y micronizar las inclusiones. Sin embargo, la Referencia citada 6 especifica una concentración de S de 10 ppm y no especifica concentración de Ti. Aunque esta técnica pretende micronizar inclusiones, se agregan S y Ti en el acero 55 mientras que el acero solidifica y las concentraciones de S y de Ti aumentan si las concentraciones de S y de Ti son mayores de un valor fijo. Por lo tanto, se generan inclusiones gruesas de S y Ti que deterioran la característica de resistencia a la fatiga del acero.

Una técnica divulgada en el documento de Patente JP-A S62-63651 (Referencia citada 7) proporciona un acero que tiene una vida nominal y una vida promedio mayores que las de los aceros convencionales limitando el contenido de O y el contenido de Ti a un 0, 0008 % o inferior y un 0, 0025 % o inferior, respectivamente, reduciendo los elementos que son perjudiciales para la vida útil, maquinabilidad y forjabilidad en frío en el mayor grado posible, y reduciendo el contenido de S a un 0, 008 % o inferior que es inferior al de los aceros convencionales.

El agrietamiento por hidrógeno puede surgir fácilmente a medida que aumenta la limpieza y la resistencia a la fatiga. Se han tomado medidas tanto respecto a las técnicas de refinado de acero, como respecto a la composición y la

estructura de los aceros para enfrentarse al problema. Las medidas respecto a las técnicas de refinado del acero especifican un límite superior del contenido de hidrógeno de un acero fundido durante el refinado, y someten el acero fundido a un proceso de deshidrogenación cuando el contenido de hidrógeno del acero excede el límite superior. Estas medidas se aplican al trabajo de refinado práctico.

Un método de retirada de inclusiones propuesto en el documento de Patente JP-A 2003-183722 (Referencia citada 8) reduce las inclusiones por refinado secundario, y retira las inclusiones haciendo circular el acero fundido entre la cuchara de colada y el tanque de desgasificación durante el proceso de desgasificación al vacío RH.

Un método que mejora la resistencia al agrietamiento por hidrógeno propuesto en el documento de Patente JP-A 2003-268438 (Referencia citada 9) evita la concentración de hidrógeno aumentando el contenido de S de un acero para producir una inclusión de MnS en el acero.

El documento de Patente JP-A 2006-336092 (Referencia citada 10) aumenta el contenido de Ti, Zr, Hf y Nb de un acero y especifica la densidad (que significa la densidad de impurezas en número de impurezas por unidad de área, denominada en lo sucesivo en el presente documento densidad numérica) y la circularidad de las inclusiones de diámetros no inferiores a 20 μm, y la densidad numérica de las inclusiones de diámetros entre el 1 y 10 μm. La concentración de hidrógeno se evita por adición de compuestos de Ti, Zr, Hf y Nb al acero para mejorar la resistencia al agrietamiento por hidrógeno.

El efecto del proceso de deshidrogenación en la reducción de hidrógeno está limitado por el tiempo y el coste necesarios para el proceso de deshidrogenación. Por lo general, la fabricación de acero se controla para limitar el contenido de hidrógeno del acero a valores en el orden de una a varias partes por millón. Sin embargo, el agrietamiento por hidrógeno no se puede prevenir completamente limitando el contenido de hidrógeno por debajo de tal nivel debido a que una cantidad muy pequeña de hidrógeno puede causar agrietamiento por hidrógeno. El método que aumenta el contenido de S del acero y el método que aumenta el contenido de Ti, Zr, Hf y Nb del acero puede mejorar indudablemente la resistencia al agrietamiento por hidrógeno, y el último método puede mantener la resistencia a la fatiga especificando el límite superior de la densidad numérica de inclusiones de diámetros no inferiores a 20 μm. Sin embargo, el aumento en los contenidos tiende a perjudicar la limpieza, propiedades mecánicas y resistencia a la fatiga del acero, e incluso las inclusiones menores de 20 μm pueden causar fracturas por fatiga. Por lo tanto, el método no puede cumplir con las exigencias para una mayor limpieza y una mayor resistencia a la fatiga.

Los métodos de supresión de la fragilidad... [Seguir leyendo]

1. Un acero forjado que consiste en:

de un 0, 15 a un 0, 75 % en masa de C, de un 0, 1 a un 0, 6%en masa deSi, de un 0, 3 a un 1, 4%en masa deMn, de un 0, 1 a un 2%en masa deNi, de un 0, 5 a un 2, 5%en masa deCr,

de un 0, 1a un 0, 5%en masa deMo, de un 0, 01 a un 0, 2%en masa deV, de un 0, 015 a un 0, 04 % en masa de Al, de un 0, 0002 a un 0, 002 % en masa de S, de un 0, 0002 a un 0, 003 % en masa de Ti, y opcionalmente uno o más de Ca, B, W, Nb, Ta, Cu, Ce, Zr, y Te, en una cantidad total de un 0, 1 % en masa o inferior, y el resto Fe e impurezas inevitables; donde las respectivas densidades numéricas de las partículas de inclusión que contienen S que tienen un contenido de S de un 20 % en masa o superior, y de las partículas de inclusión que contienen Ti que tienen un contenido de Ti de un 50 % en masa o superior entre las partículas de inclusión superiores a 5 μm de longitud

presentes en un área de observación de una sección transversal del acero forjado son 100 partículas/cm2 o inferior, y 30 partículas/cm2 o inferior, respectivamente, y donde las respectivas densidades numéricas de las partículas de inclusión que tienen un contenido de S de un 20 % en masa o superior, y de las partículas de inclusión que tienen un contenido de Ti de un 50 % en masa entre las 25 partículas de inclusión entre 1 y 5 μm de longitud presentes en la sección transversal del acero forjado son 10 partículas/cm2 o superior y 5 partículas/cm2 o superior, respectivamente.

2. Un cigüeñal fabricado con el acero forjado de acuerdo con la reivindicación 1.

3. El cigüeñal de acuerdo con la reivindicación 2, donde el cigüeñal tiene apoyos de bancada de 200 mm o superior de diámetro.

4. Uso del cigüeñal de acuerdo con la reivindicación 2 o 3 como componente de un motor diesel para generación de energía o para un navío. 35