PROCEDIMIENTO PARA FABRICAR PIEZAS SINTERIZADAS

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OFICINA ESPAÑOLA DE
PATENTES Y MARCAS
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kInt. Cl. : C22C 33/02
11 Número de publicación:
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51
ESPAÑA
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2 115 257
B22F 5/08
TRADUCCION DE PATENTE EUROPEA
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kNúmero de solicitud europea: 94926797.5
kFecha de presentación : 09.09.94
kNúmero de publicación de la solicitud: 0 719 349
kFecha de publicación de la solicitud: 03.07.96
T3
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k
54 Tı́tulo: Procedimiento para fabricar piezas sinterizadas.
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30 Prioridad: 16.09.93 DE 43 31 938
09.06.94 DE 9409832 U
Mannesmannufer 2
40213 Düsseldorf, DE
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72 Inventor/es: Dautzenberg, Norbert;
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74 Agente: Elzaburu Márquez, Alberto
45 Fecha de la publicación de la mención BOPI:
16.06.98
45 Fecha de la publicación del folleto de patente:
16.06.98
ES 2 115 257 T3
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73 Titular/es: Mannesmann Aktiengesellschaft
Aviso:
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Lindner, Karl-Heinz y
Vossen, Klaus
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En el plazo de nueve meses a contar desde la fecha de publicación en el Boletı́n europeo de patentes,
de la mención de concesión de la patente europea, cualquier persona podrá oponerse ante la Oficina
Europea de Patentes a la patente concedida. La oposición deberá formularse por escrito y estar
motivada; sólo se considerará como formulada una vez que se haya realizado el pago de la tasa de
oposición (art◦ 99.1 del Convenio sobre concesión de Patentes Europeas).
Venta de fascı́culos: Oficina Española de Patentes y Marcas. C/Panamá, 1 – 28036 Madrid
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DESCRIPCION
La invención se refiere a un procedimiento
para fabricar piezas sinterizadas de acuerdo con
el concepto general de la reivindicación 1.
Frente a la fabricación mediante la conformación con arranque de virutas (por ejemplo torneado, taladrado, fresado), la fabricación de elementos constructivos mecánicos a partir de materiales férreos por la vı́a de la técnica de sinterización tiene la gran ventaja de que la conformación en sı́ tiene lugar en un único paso de trabajo, prácticamente sin originar material de desecho, y por tanto, en el caso de piezas fabricadas
en serie, es posible de manera más rápida y con
costes más favorables. Las piezas son prensadas
en una herramienta moldeadora, por ejemplo en
una prensa hidráulica para polvos metálicos, aplicando una presión de, por ejemplo, 7 t/cm2 para
obtener piezas moldeadas en bruto, y a continuación son sinterizadas en un horno a aproximadamente 1.120-1.150◦C (sinterización normal) o a
aproximadamente 1.250-1.280◦C (sinterización a
alta temperatura), con el fin de obtener una resistencia estática y dinámica suficiente. A causa
de su preparación, las piezas sinterizadas presentan siempre una densidad menor que la del correspondiente material enteramente macizo (densidad teórica), ya que están atravesadas por poros. En el caso de materiales férreos la densidad
real de las piezas sinterizadas se sitúa usualmente,
dependiendo de la presión de prensa aplicada, y
de la forma de la pieza, en aproximadamente 8092% de la densidad teórica. A causa de ello resulta forzosamente una merma de las propiedades
mecánicas, que conduce a que las piezas sinterizadas casi no han sido utilizadas hasta la fecha para
solicitaciones mecánicas especialmente altas, toda
vez que por regla general no puede aceptarse un
mayor dimensionamiento para compensar este inconveniente a causa del incremento de volumen y
de peso que va ligado a ello. A esto se añade el
que los poros contenidos en la pieza sinterizada
pueden actuar como fisuras interiores que pueden
conducir a una drástica disminución de las propiedades de resistencia, en especial de las dinámicas.
Para disminuir el volumen de poros de piezas
sinterizadas es conocido el emplear un polvo de
base férreo con elevado contenido de fósforo. Esto
conduce a una clara contracción durante el proceso de sinterización y con ello a un incremento
de la densidad. La contracción de la pieza sinterizada se tiene en cuenta en la forma geométrica
del molde de prensado mediante el correspondiente sobredimensionamiento y, por tanto, puede
ser compensada en gran medida. La adición de
fósforo, que puede conseguirse o bien mediante
la correspondiente adición y aleación a la masa
fundida empleada en la pulverización del polvo, o
bien mediante adición y mezcla de compuestos de
fósforo al polvo de base férreo, tiene sin embargo
el inconveniente de que puede utilizarse sólo hasta
cierto grado para incrementar la densidad, ya que
elevados contenidos de fósforo provocan una tendencia a la disgregación de la pieza sinterizada y
por tanto puede incrementarse aún más la sensibilidad frente a la acción de fisuras.
Otra manera de conseguir una densidad ele2
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vada, es decir una disminución del volumen de
poros, se halla en la denominada técnica de doble sinterización, en la cual el cuerpo prensado,
después de una primera sinterización, usualmente
a 700-900◦C, es sometido a un nuevo proceso de
prensado y subsiguiente sinterización final. A
causa del doble prensado y sinterización se trata
en este caso de un procedimiento con coste muy
elevado.
A partir del documento WO 91/19582 es conocido un polvo de base férreo que debe garantizar una resistencia al choque comparativamente
elevada. Se prescriben como elementos aleadores obligatoriamente 0,3-0,7% en peso de fósforo
y 0,3-3,5% en peso de molibdeno. La suma de
otros elementos aleadores adicionales eventualmente presentes está limitada a un máximo de
2% en peso. Los contenidos de molibdeno se
sitúan preferentemente en 0,5-2,5% en peso, y los
de fósforo en 0,4-0,6% en peso (adición especialmente en forma de Fe3 P). Para el carbono se recomienda un lı́mite superior de 0,07% en peso. Este
polvo de base férreo es apropiado para las temperaturas normales de sinterización (por debajo de
1.450◦C). Los resultados experimentales presentados en esta memoria muestran que tanto para
el fósforo como para el molibdeno existen proporciones óptimas de cantidades, con las cuales la
resistencia al choque se sitúa en un valor especialmente alto. Ası́, en el caso de un polvo con
0,5% en peso de fósforo, la resistencia al choque
aumenta bruscamente con contenidos de molibdeno de 0-1,0% en peso, alcanza un máximo en
la zona de 1-2% en peso, y desciende al superar
3,5% en peso de molibdeno incluso por debajo de
los valores de partida.
Es conocido además, a partir del documento
DE 29 43 601 C2, un polvo de acero prealeado
para fabricar piezas sinterizadas sumamente resistentes, que contiene 0,35 a 1,50% de Mn, 0,2
a 5,0% de Cr, 0,1 a 7,0% de Mo, 0,01 a 1,0%
de V, como máximo 0,10% de Si, como máximo
0,01% de Al, como máximo 0,05% de C, como
máximo 0,004% de N, como máximo 0,25% de
oxı́geno, el resto hierro y otras impurezas debidas
a la fabricación. El bajo contenido de C es necesario para posibilitar una buena aptitud para
el prensado del polvo de acero, que se produce
por inyección mediante boquilla en agua de una
masa fundida correspondiente y subsiguiente recocido reductor a 1.000◦C. Antes del prensado
para dar piezas moldeadas en bruto se añaden
a este polvo de acero, de manera usual, agentes
lubricantes (por ejemplo 1% de estearato de zinc)
y se mezcla adicionalmente con grafito en polvo,
para poder ajustar el contenido de C deseado en
la pieza sinterizada. Las cantidades de grafito en
polvo añadidas ascienden por regla general a varias décimas de porcentaje (por ejemplo 0,8%),
ya que las piezas sinterizadas son endurecidas en
aceite tras la sinterización, para obtener valores
de resistencia suficientes. La mezcla de polvos
metálicos lista para el prensado debe tener un
contenido de C suficientemente elevado para un
acero para temple y revenido, teniendo en cuenta
las pérdidas por combustión que se pueden esperar en la sinterización. A causa del contenido de
C se produce forzosamente, a lo largo del proceso
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de sinterización, una estructura que, dependiendo
de la velocidad de enfriamiento, se compone de
martensita o bien de martensita o bainita, o bien
de bainita y perlita. Para conseguir una densidad
que se sitúe en la vecindad de la densidad teórica
está previsto someter a las piezas sinterizadas a
un proceso de forja antes del tratamiento térmico.
En el caso de ruedas dentadas, que sufren una
fuerte solicitación mecánica es necesaria en especial, además de la mayor resistencia posible frente
a los cambios de flexión del talón del diente, una
elevada capacidad de aguante de los flancos de los
dientes. Por esta causa usualmente se endurecen
estas ruedas dentadas. Sin embargo, en el caso
de un material con un contenido de fósforo relativamente alto, esto conduce a un agrietamiento
inadmisible de la pieza constructiva.
Es misión de la invención, por tanto, señalar
un procedimiento de tipo general con el cual
puedan fabricarse piezas sinterizadas con elevada densidad, que presenten especialmente, a
la vez que una buena aptitud para el endurecimiento superficial, buenas propiedades de resistencia dinámica, y por tanto puedan ser empleadas, sin la aplicación de la costosa técnica de la
doble sinterización o de un proceso de forjado,
para elementos constructivos que admitan una
carga mecánica especialmente intensa, en especial como ruedas dentadas para cajas de cambio
de automóviles y elementos constructivos que sufran una solicitación similar.
Esta misión se resuelve, en lo que se refiere al
procedimiento, mediante la parte caracterizante
de la reivindicación 1. En las reivindicaciones subordinadas 2 a 14 se indican formas de realización
ventajosas de este procedimiento.
Ha resultado completamente sorprendente que
haya podido hallarse que un polvo de acero preparado, por ejemplo, por inyección mediante boquilla en gas, inyección mediante boquilla en
gas/lı́quido o, preferentemente, por inyección mediante boquilla en agua, de una masa fundida que
contiene molibdeno, y subsiguiente recocido reductor y recocido de ablandamiento a 850-950◦C,
pueda ser elaborado, tras ser mezclado con agentes lubricantes usuales en la metalurgia de polvos (por ejemplo estearato de zinc), para dar elementos constructivos que presentan sólo un volumen de poros extremadamente pequeño, es decir,
una densidad que se sitúa cerca de la máxima
densidad teóricamente posible del material (por
ejemplo de 95 a 98%). En este caso es necesario sólo un prensado sencillo con aplicación de
presión usual, en el intervalo de 6,0 a 8,0 t/cm2 ,
preferentemente 6,5-7,5 t/cm2 . Las temperaturas de sinterización pueden situarse en el intervalo de 1.050-1.350◦C, siendo preferidas las temperaturas más altas. Esto significa hasta aproximadamente 1.150◦C, cuando se emplean hornos de cinta transportadora, y aproximadamente
1.250-1.300◦C (sinterización a alta temperatura)
cuando se emplean hornos de vigas elevadoras.
Gracias a la sinterización a alta temperatura se
puede aumentar aún más la densidad alcanzable,
en comparación con la sinterización normal.
La mezcla de polvos de acuerdo con la invención se caracteriza porque está prácticamente
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exenta de fósforo, es decir, contiene fósforo exclusivamente como una impureza (P < 0,02% en
peso). El contenido de molibdeno mı́nimo requerido en la masa fundida de acero que ha de emplearse para la obtención del polvo depende de
la temperatura de sinterización prevista para la
posterior preparación de la pieza sinterizada. Un
contenido de 4,0% en peso se considera ya suficiente en cualquier caso. Por razones económicas
no debe superarse un lı́mite superior de 5% en
peso, preferentemente incluso sólo de 4,5% en
peso. Para una temperatura de sinterización de
1.120◦C basta 3,8% en peso de molibdeno, y para
1.280◦C basta incluso 2,7% en peso. No obstante,
a causa de las tolerancias de la masa fundida,
que hay que tener en cuenta, se recomienda por
seguridad un incremento, por ejemplo de 0,5%
en peso, de estos valores lı́mites inferiores, hasta
4,3% en peso o, respectivamente 3,2% en peso.
El contenido mı́nimo necesario de molibdeno se
puede determinar en función de la temperatura
de sinterización TS tal como sigue:
TS - 0,7 ( TS )2 - 88,7
Mo (% en peso) = 16,1 100
◦
100◦
La masa fundida de acero para la inyección no
sólo debe estar prácticamente exenta de fósforo,
sino que tampoco debe presentar un contenido
significativo de carbono (C < 0,01% en peso),
con lo cual el polvo queda suficientemente blando
y suficientemente apto para el prensado. Aunque debe evitarse en lo posible, para incrementar la resistencia puede añadirse grafito al polvo
en casos individuales, lo cual debe conducir, sin
embargo, a un contenido de carbono de 0,06%
en peso, como máximo, en la mezcla de polvo.
Se prefiere una limitación del contenido de carbono a 0,04% en peso como máximo, y en especial a 0,02% en peso como máximo. El polvo
puede contener, por lo demás, las impurezas usuales de una masa fundida de acero. No son necesarias otras adiciones aleadoras además del molibdeno, pero por regla general no estorban si no
adquieren valores demasiado elevados. Estos elementos aleadores no deben superar en conjunto
una suma de 1,0% en peso, preferentemente 0,5%
en peso. Para incrementar la resistencia de la
aleación puede ser especialmente conveniente la
adición de cromo (preferentemente sin otros elementos aleadores adicionales) en los lı́mites mencionados.
Durante la elaboración de la mezcla de polvos
de acuerdo con la invención es ventajoso realizar el proceso de sinterización en una atmósfera
reductora, especialmente en una atmósfera que
contiene al menos 10% en volumen, preferentemente 20-40% en volumen de hidrógeno. Con
esto se consigue, por ejemplo, evitar o reducir
al mı́nimo la segregación de nitruros. Es conveniente el uso, por ejemplo, de gas de molderı́a,
es decir, una mezcla de H2 y N2 . Contenidos superiores de H2 tienden a mejorar la densidad que
se puede conseguir al sinterizar, lo que se consigue gracias a que el ajuste de la mezcla de polvos
de acuerdo con la invención se efectúa exclusivamente en la fase alfa, y por tanto se ve muy
favorecida una sinterización densa (sin formación
de una fase lı́quida). El enfriamiento después de
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la sinterización no requiere ninguna medida especial. Las piezas sinterizadas presentan una estructura puramente ferrı́tica a base de cristales
mixtos de FeMo.
Las piezas sinterizadas aún pueden someterse
a continuación a una calibración, que conduce
a una conformación de la zona superficial (nivelación de la rugosidad) y por tanto a una mejor
calidad superficial y conservación de las medidas.
Después de esto puede llevarse a cabo de manera
conocida un endurecimiento por cementación, que
se recomienda especialmente para ruedas dentadas y piezas sometidas a solicitaciones similares,
ya que conduce a un incremento sustancial de la
dureza superficial y a la introducción de tensiones
propias de presión. En el caso de ruedas dentadas es conveniente someter a la zona de los dientes a un rascado blando antes del endurecimiento
por cementación. Después del endurecimiento por
cementación de las ruedas dentadas puede efectuarse el rectificado habitual de perforaciones y
superficies planas.
Las piezas sinterizadas fabricadas de esta manera tienen una densidad que se sitúa cerca del
valor máximo teórico, siendo especialmente notable que los poros remanentes son pequeños, cerrados en sı́ mismos, y redondos, y por tanto no
desarrollan ningún efecto reseñable de fisuración.
De aquı́ resultan excelentes valores de resistencia
dinámica y, después del endurecimiento por cementación, también elevadas durezas superficiales, lo cual tiene una importancia decisiva para la
resistencia al desgaste y, por ejemplo, la capacidad de aguante de los flancos de los dientes.
La invención se explica con mayor detalle por
medio del siguiente ejemplo de realización. Las
Figuras 1 y 2 muestran con distinta ampliación
imágenes de tallas de piezas sinterizadas a base
del material de acuerdo con la invención.
A partir de una masa fundida de acero con (%
en peso)
< 0,01% C,
< 0,02% P,
3,2% Mo,
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y el resto hierro e impurezas usuales (< 0,5%), se
preparó por inyección mediante boquilla en agua
un polvo de acero fino, de poca densidad. Después
de un recocido reductor durante unos 70 minutos a unos 900◦ C se mezcló el polvo, que tenı́a
un contenido de oxı́geno residual inferior a 0,15%
en peso y, tras el tamizado, un tamaño de grano
inferior a 0,2 mm, con 0,8% en peso de microcera Mikrowachs como agente lubricante. En una
prensa hidráulica para polvos metálicos se produjeron a partir de este material, aplicando una
presión de prensa de 7 t/cm2 , probetas de acuerdo
con la norma ISO 2740, que a continuación fueron sinterizadas a una temperatura de 1.280◦C
durante unos 30 minutos, en un horno bajo gas
de molderı́a (80% de N2 , 20% de H2 ). En una
parte de las probetas aún se llevó a cabo a continuación un endurecimiento por cementación a
920-950◦C, en un horno con un potencial de C
de 0,8%, lo que condujo a una profundidad de
endurecimiento de aproximadamente 0,4 mm. El
ensayo de las probetas arrojó los siguientes valores:
Densidad de sinterización: 7,60 ± 0,04 g/cm3
(96-97% de la densidad teórica)
Resistencia a los cambios de flexión a 2 x 106
cambios de carga
después del endurecimiento por cementación aprox. 450 MPa.
sin endurecimiento por cementación aprox.
180 MPa.
Alargamiento de rotura sinterizado A5 > 25%
La porosidad extraordinariamente pequeña se
evidencia en las imágenes de las tallas de las Figuras 1 y 2, siendo claramente reconocible en la
Figura 2 la estructura ventajosamente redonda de
los poros.
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REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para fabricar piezas sinterizadas con elevada tenacidad y densidad mediante
la sinterización de piezas moldeadas en bruto
prensadas, a una temperatura de sinterización TS
que se sitúa en el intervalo de aproximadamente
1.050-1.350◦C, siendo preparadas las piezas moldeadas en bruto a partir de una mezcla de polvos lista para el prensado compuesta de polvo de
acero que ha sido producido por inyección medinate boquilla, en especial inyección mediante boquilla en agua, de una masa fundida de acero al
molibdeno exento de carbono y de fósforo, cuyo
contenido de molibdeno asciende, en función de
la temperatura de sinterización TS , al menos a
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con impurezas usuales, y subsiguiente recocido reductor y de ablandamiento, y se añaden al mismo
agentes lubricantes usuales, y eventualmente se
mezcla con pequeñas cantidades de polvo de grafito para el ajuste de un contenido de carbono,
estando limitado el contenido de carbono de la
mezcla de polvos a un máximo de 0,06% en peso,
y teniendo lugar el recocido reductor en el intervalo de temperatura de 850 a 950◦ C.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el contenido de otros elementos aleadores metálicos en la masa fundida de
acero está limitado a una suma de, como máximo,
1,0% en peso, preferentemente 0,5% en peso.
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque se añade a la masa fundida cromo, en especial cromo sin otros elementos
aleadores.
4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el contenido de molibdeno asciende al menos a 3,2% en
peso para una temperatura de sinterización de
1.280◦C.
5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el contenido de molibdeno asciende al menos a 4,3% en
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peso para una temperatura de sinterización de
1.120◦C.
6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el contenido
de molibdeno está limitado a un máximo de 5,0%
en peso, preferentemente a un máximo de 4,5%
en peso.
7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el contenido de carbono (polvo de grafito) está limitado
a un máximo de 0,04% en peso, preferentemente
a 0,02% en peso.
8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque las piezas moldeadas en bruto son prensadas mediante
la técnica del prensado sencillo con una presión
de prensa de 6,0 a 8,0 t/cm2 , y la sinterización
subsiguiente se efectúa bajo una atmósfera que
contiene al menos 10% en peso de hidrógeno, en
especial una atmósfera de N2 /H2 , y las piezas sinterizadas presentan una estructura ferrı́tica.
9. Procedimiento según la reivindicación 8,
caracterizado porque la proporción de H2 asciende a 20 hasta 40% en volumen.
10. Procedimiento según la reivindicación 9,
caracterizado porque la presión de prensa asciende a 6,5 hasta 7,5 t/cm2 .
11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque la temperatura de sinterización asciende a 1.250 hasta
1.300◦C.
12. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque las piezas
sinterizadas son sometidas a continuación a una
calibración.
13. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque las piezas
sinterizadas y eventualmente calibradas, en especial fabricadas como ruedas dentadas, son sometidas a un endurecimiento por cementación.
14. Procedimiento según la reivindicación 13,
caracterizado porque las ruedas dentadas sinterizadas y calibradas son rascadas en la zona
del dentado antes del endurecimiento por cementación.
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NOTA INFORMATIVA: Conforme a la reserva
del art. 167.2 del Convenio de Patentes Europeas (CPE) y a la Disposición Transitoria del RD
2424/1986, de 10 de octubre, relativo a la aplicación
del Convenio de Patente Europea, las patentes europeas que designen a España y solicitadas antes del
7-10-1992, no producirán ningún efecto en España
en la medida en que confieran protección a productos quı́micos y farmacéuticos como tales.
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Esta información no prejuzga que la patente esté o
no incluı́da en la mencionada reserva.
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