Procedimiento para la fabricacion de objetos de acero para herramientas mediante la metalurgia de polvos.

Procedimiento para la fabricación, mediante metalurgia de los polvos,

de objetos densos, deformados o no deformados, de acero para herramientas de alta pureza con un valor K0 según DIN 50 062 que es esencialmente de 3 como máximo, en el cual se introduce una masa fundida en un recipiente metalúrgico y se la acondiciona dentro del mismo, mejorando el grado de pureza de óxidos de la misma y ajustando la temperatura a un valor superior a la temperatura de formación de precipitaciones primarias en la aleación, fabricándose a partir de dicha masa fundida, con una temperatura que se mantiene fundamentalmente constante, un polvo con un diámetro granular medio de 50 hasta 70 mum, mediante un proceso de atomización realizado con ayuda de, al menos, tres chorros de gas sucesivos utilizando nitrógeno con un grado de pureza del 99,999% N dentro de una cámara de atomización, desintegrándola en la corriente de nitrógeno y, manteniendo la atmósfera de nitrógeno, clasificando, recogiendo y mezclando el polvo con un diámetro máximo de los granos de 500 mum, introduciéndolo en un recipiente con un diámetro o un espesor de más de 300 mm y una longitud de más de 1000 mm, compactándolo dentro del mismo mediante sacudidas mecánicas y cerrando herméticamente el recipiente al paso del gas, introduciendo a continuación el recipiente lleno de polvo o la cápsula en estado frío en el dispositivo HIP y ajustando los parámetros en un ciclo de presión isostática en caliente para el recipiente o la cápsula, de forma tal que se aumenten en el proceso de calentamiento la temperatura y la presión, aplicándose en el cuerpo de polvo del recipiente o de la cápsula una presión por todos los lados de 1 hasta 40 MPa como mínimo, y realizando a continuación una operación de compresión isostática con una temperatura de 1100ºC como mínimo y de 1180ºC como máximo, con una presión isostática de 90 MPa como mínimo durante un período de tiempo de tres horas como mínimo, procediéndose finalmente a enfriar el cuerpo compactado HIP y, en caso dado, a la conformación posterior en caliente de dicho cuerpo compactado.

La invención se refiere a un procedimiento para la fabricación mediante metalurgia de polvos de objetos de acero para herramientas con una homogeneidad mejorada, mayor pureza y mejores propiedades.

Los aceros de herramientas con elevadas concentraciones de carbono y elevados contenidos de elementos formadores de carburos se utilizan para piezas de corte y componentes con una elevada resistencia al desgaste. Como en una solidificación de aleaciones de este tipo dentro de moldes de fundición se forman inhomogeneidades así como carburos eutécticos y primarios bastos, que dan lugar a problemas de fabricación y a unas malas propiedades mecánicas de las herramientas o componentes fabricados a partir de ellas, resulta ventajosa la fabricación de tales piezas mediante metalurgia de polvos. [0003] Una fabricación pulvimetalúrgica comprende fundamentalmente una atomización de una masa fundida de acero para herramientas para la obtención de polvo metálico, una introducción y compactación del polvo metálico en un recipiente o una cápsula, un cerrado hermético de la cápsula y un calentamiento y prensado isostático en caliente del polvo dentro de la cápsula para obtener un material homogéneamente denso. [0004] Al efectuar una atomización del metal fundido, que se realiza ventajosamente con nitrógeno según el estado actual de la técnica, se forman dentro de la corriente de gas unas pequeñas gotitas metálicas con una elevada relación de superficie respecto del volumen, lo que da lugar a una elevada velocidad de enfriamiento y solidificación del metal líquido y, consiguientemente, de pequeñas partículas de carburo en los granos de polvo. Tal y como se ha mencionado anteriormente, se conforma a continuación el polvo, compactado en la mayoría de los casos mediante sacudidas dentro de la cápsula, dentro de ésta mediante prensado isostático en caliente a temperaturas superiores a 1080 º C por regla general, aplicando una presión de más de 85 MPa, para obtener un cuerpo metálico completamente denso. Este cuerpo metálico as-HIPed, que puede ser sometido todavía a una conformación en caliente, presenta, con un elevado contenido de carburo, un tamaño ventajosamente pequeño del carburo que viene a ser por término medio de 1-3 um, y unas buenas propiedades mecánicas del material, en comparación con una fabricación metalúrgica por fusión. [0005] Los objetos de acero para herramientas fabricados mediante metalurgia de polvos muestran ciertamente una estructura muy ventajosa con fases finamente distribuidas de carburos; no obstante, y debido a una isotropía incompleta del material y a un mal grado de pureza, no se puede alcanzar el elevado potencial de calidad que se puede alcanzar en materiales PM. [0006] La invención se ha propuesto aportar remedio a esta situación, y se ha fijado como meta el eliminar la falta de calidad de los objetos PM de acero para herramientas fabricados con arreglo al estado actual de la técnica, y presentar un procedimiento del tipo mencionado al principio, con el que se pueda fabricar un cuerpo metálico compactado isostáticamente con una isotropía máxima del material y un contenido mínimo de inclusiones oxídicas.

Con el procedimiento al que se refiere la invención se obtiene un objeto de acero para herramientas con unas propiedades mejoradas de mecanizado y utilización, junto con un período de duración mayor. [0008] Este objetivo se consigue gracias al procedimiento de la reivindicación 1. [0009] Las ventajas que se obtienen con el procedimiento al que se refiere la invención se deben fundamentalmente a que se mejora en primer lugar sinergéticamente de forma decisiva mediante un trabajo metalúrgico el grado de pureza de óxidos de una masa fundida introducida en un recipiente metalúrgico y se ajusta su temperatura homogéneamente a un valor de sobrecalentamiento ventajoso, realizándose a continuación una atomización del metal líquido de tal forma que el diámetro medio de los granos es de 50 hasta 70 ï?­m. De este modo se consigue que, por un lado, sea asombrosamente pequeño el contenido de oxígeno en el polvo y, por otro lado, aumente también sustancialmente la proporción de granulación fina con vistas a la consecución de una elevada compactación mediante sacudidas y vibración dentro de la cápsula. Si se procede a continuación, tal y como se ha previsto en la invención, a clasificar el polvo metálico, manteniendo la atmósfera de nitrógeno, a reunirlo, introducirlo en un recipiente, compactarlo dentro del mismo y a cerrar herméticamente el recipiente, no se podrá producir ningún tipo de oxidación o fisisorción de oxígeno en la superficie del grano de polvo. [0010] La distribución, según la invención, de los diámetros de los granos con un valor medio en torno a 50 hasta 70 ï?­m permite alcanzar una densidad inesperadamente alta del polvo dentro de la cápsula de manera que, por un lado, resulta pequeña la medida de contracción durante el prensado isostático en caliente y, por otro lado, se consigue una isotropía en gran medida completa del cuerpo metálico denso compactado. Estas ventajas se consiguen también con recipientes cuyas dimensiones presenten un diámetro o un grosor de más de 300 mm y una longitud de más de 1000 mm. [0011] Los parámetros para el ciclo de prensado o compactado isostático en caliente comprenden un calentamiento del polvo dentro del recipiente con un aumento fundamentalmente igual de la temperatura y la presión, por lo que ya durante esta fase se alcanza, tal y como se ha indicado, un aumento de la densidad y homogeneidad del material. La operación posterior de prensado se realiza dentro de una gama de temperaturas de 1100 º C hasta 1180 º C con una presión de 90 MPa o superior, con un tiempo de duración de tres horas como mínimo, seguido por un enfriamiento lento del cuerpo compactado. Unas temperaturas de prensado por debajo de los 1100 º C y unas presiones inferiores a 90 Mpa, así como unos tiempos inferiores de prensado o compactado pueden provocar la presencia de defectos en el material. [0012] El cuerpo compactado muestra, tras el HIP, una estructura del material completamente densa, por lo que se puede mecanizar en este estado, o tras un tratamiento térmico, para la fabricación de una herramienta. [0013] Para la elevada calidad del objeto de acero para herramientas fabricado mediante metalurgia de polvos con el procedimiento al que se hace referencia en la invención resulta determinante su bajo contenido de inclusiones así como el pequeño tamaño de las mismas. El

elevado grado oxídico de pureza, que se documenta con un valor K0 según DIN 50 602 que es fundamentalmente de 3 como máximo, no solo da lugar a unas propiedades mecánicas fuertemente mejoradas del material en todas las direcciones de solicitaciones, especialmente cuando las temperaturas de utilización son elevadas, sino que mejora también en gran medida sus propiedades de utilización, preferentemente la dureza del filo de herramientas de corte fino. [0014] Según la invención se ha previsto que la masa fundida acondicionada pase a través del cuerpo de una tobera del recipiente metalúrgico, introduciéndose con un diámetro de la corriente de masa fundida de 4, 0 hasta 10, 0 mm en una cámara de atomización, y siendo sometida en ésta a la acción de tres chorros de gas sucesivos como mínimo constituidos por nitrógeno, con un grado de pureza del nitrógeno del 99, 999% como mínimo, siempre y cuando el último impacto del chorro de gas sobre la corriente de masa fundida se vea realizado por un chorro que presente una velocidad que sea, al menos parcialmente, mayor que la velocidad del sonido. Un mantenimiento del diámetro de la corriente de masa fundida y la elevada energía cinética de la acción del gas sobre la corriente de metal fundido provocan una distribución favorable de los granos y la finura deseada del polvo metálico preparado. El acondicionamiento y el ajuste de la temperatura del metal líquido dentro del recipiente metalúrgico, así como el grado de pureza del gas de atomización constituido por nitrógeno explican también el grado de pureza asombrosamente elevado o la pequeña proporción de oxígeno en el polvo y, consiguientemente, en el bloque compactado o prensado isostáticamente en caliente.

Un aumento especialmente relevante de la calidad del objeto se consigue, realizando su fabricación con arreglo al procedimiento al que hace referencia la invención, si la masa fundida se halla formada por una aleación a base de hierro que contenga en % de peso:

Carbono (C) 0, 52 hasta 3, 74

Manganeso (Mn) hasta 2, 9

Cromo (Cr) hasta 21, 0

Molibdeno (Mo) hasta 10, 0

Níquel (Ni) eventualmente hasta 1, 0

Cobalto (Co) hasta 20, 8

Vanadio (V) hasta 14, 9

Niobio (Nb) Tántalo (Ta) aislado o adicionado... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la fabricación, mediante metalurgia de los polvos, de objetos densos, conformados o no conformados, de acero para herramientas de alta pureza con un valor K0 según DIN 50 062 que es esencialmente de 3 como máximo, en el cual se introduce una masa fundida en un recipiente metalúrgico y se la acondiciona dentro del mismo, mejorando el grado de pureza de óxidos de la misma y ajustando la temperatura a un valor superior a la temperatura de formación de precipitaciones primarias en la aleación, fabricándose a partir de dicha masa fundida, con una temperatura que se mantiene fundamentalmente constante, un polvo con un diámetro granular medio de 50 hasta 70 ï?­m, mediante un proceso de atomización realizado con ayuda de, al menos, tres chorros de gas sucesivos utilizando nitrógeno con un grado de pureza del 99, 999% N dentro de una cámara de atomización, habiéndose previsto que la masa fundida acondicionada pase a través del cuerpo de una tobera del recipiente metalúrgico, introduciéndose con un diámetro de la corriente de masa fundida de 4, 0 hasta 10, 0 mm en una cámara de atomización, y siendo sometida en ésta a la acción de tres chorros de gas sucesivos como mínimo constituidos por nitrógeno, siempre y cuando el último impacto del chorro de gas sobre la corriente de masa fundida se vea realizado por un chorro que presente una velocidad que sea, al menos parcialmente, mayor que la velocidad del sonido, desintegrándola en la corriente de nitrógeno y, manteniendo la atmósfera de nitrógeno, clasificando, recogiendo y mezclando el polvo con un diámetro máximo de los granos de 500 ï?­m, introduciéndolo en un recipiente con un diámetro o un espesor de más de 300 mm y una longitud de más de 1000 mm, compactándolo dentro del mismo mediante sacudidas mecánicas y cerrando herméticamente el recipiente al paso del gas, introduciendo a continuación el recipiente lleno de polvo o la cápsula en estado frío en el dispositivo HIP y ajustando los parámetros en un ciclo de presión isostática en caliente para el recipiente o la cápsula, de forma tal que se aumenten en el proceso de calentamiento la temperatura y la presión, aplicándose en el cuerpo de polvo del recipiente o de la cápsula una presión por todos los lados de 1 hasta 40 MPa como mínimo, y realizando a continuación una operación de compresión isostática con una temperatura de 1100º C como mínimo y de 1180º C como máximo, con una presión isostática de 90 MPa como mínimo durante un período de tiempo de tres horas como mínimo, procediéndose finalmente a enfriar el cuerpo compactado HIP y, en caso dado, a la conformación posterior en caliente de dicho cuerpo compactado.

2. Procedimiento según la reivindicación 1 en el que la masa fundida está constituida por una aleación a base de hierro que contiene en % de peso:

Carbono (C) 0, 52 hasta 3, 74 Manganeso (Mn) hasta 2, 9

Cromo (Cr) hasta 21, 0 Molibdeno (Mo) hasta 10, 0 Níquel (Ni) eventualmente hasta 1, 0 Cobalto (Co) hasta 20, 8 Vanadio (V) hasta 14, 9 Niobio (Nb) Tántalo (Ta) aislado o adicionado hasta 2, 0 Wolframio (W) hasta 20, 0 Azufre (S) hasta 0, 5

así como oligoelementos hasta una concentración total de 4, 8, estando constituido el resto por impurezas y hierro.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, en el que se realiza un acondicionamiento de la masa fundida dentro del recipiente metalúrgico en una corriente turbulenta, inducida, preferentemente con ayuda de medios electromagnéticos, y con un recubrimiento completo del baño metálico con escoria líquida que se calienta especialmente mediante el paso directo de una corriente durante un período de tiempo de 15 minutos como mínimo.

4. Procedimiento según alguna de las reivindicaciones 1 hasta 3, en el que el diámetro de los granos de polvo se ajusta o clasifica, por medio de una técnica de atomización, a un valor máximo de 500 ï?­m.

5. Procedimiento según alguna de las reivindicaciones 1 hasta 4, en el que el polvo recogido en un espacio de preparación se fluidiza y mezcla por medio del nitrógeno y se introduce, manteniendo la atmósfera de nitrógeno, en un recipiente o en una cápsula con un peso total de más de 0, 5 t, se compacta por medio de sacudidas mecánicas y se cierra de manera estanca al paso de gas.

6. Procedimiento según alguna de las reivindicaciones 1 hasta 5 en el que el polvo se introduce en un recipiente o una cápsula con un diámetro o un espesor igual o mayor de 400 mm y una longitud de 1500 mm como mínimo.

7. Procedimiento según alguna de las reivindicaciones 1 hasta 6, en el que el calentamiento y/o la operación de compresión del polvo se realiza aplicando una temperatura constante, que varíe eventualmente de forma regular, oscilando en torno a un valor medio, y la operación de compresión se realiza a una temperatura de 1140º C como mínimo y de 1170º C como máximo.

8. Procedimiento según alguna de las reivindicaciones 1 hasta 7, en el que el bloque fabricado mediante metalurgia de polvos se utiliza en el estado AS HIPed o, con una

conformación muy pequeña que haya de realizarse por razones económicas, como material previo para herramientas o partes de herramientas.