ES2126546T3 - Procedimiento para la aplicacion de una pieza de acero, cementada o carbonitrurada, y acero para la fabricacion de esta pieza. - Google Patents
Procedimiento para la aplicacion de una pieza de acero, cementada o carbonitrurada, y acero para la fabricacion de esta pieza.Info
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Abstract
LA INVENCION SE REFIERE A UN PROCEDIMIENTO DE FABRICACION DE UNA PIEZA MECANICA EN ACERO. CONSISTE EN FABRICAR UNA PIEZA BRUTA DE ACERO Y EFECTUAR UN TRATAMIENTO DE CEMENTACION O DE CARBONITRURACION A ALTA TEMPERATURA DE AL MENOS UNA PARTE DE SU SUPERFICIE. LA COMPOSICION QUIMICA DEL ACERO CONSTITUTIVO DE LA PIEZA ES, EN PESO: 0,15 % C 0,35 %; 0 % SI 0,6 %; 0% MN + CR + NI + MO < 5 %; 0 % AL 0,1 %; 0 % CU 0,5 %; 0 % TI 0,05 %; 0,004 % N 0,02 %; 0 % S 0,15 %; P 0,03 %; EN SU CASO, HASTA 0,02 % DE TELURIO, HASTA 0,04 % DE SELENIO, HASTA 0,07 % DE PLOMO, HASTA 0,005 % DE CALCIO, SIENDO EL RESTO HIERRO E IMPUREZAS RESULTANTES DE LA ELABORACION; LA COMPOSICION QUIMICA DEBE AJUSTARSE PARA QUE LA CURVA JOMINY DEL ACERO SEA TAL QUE: 45 HRC J SUB,3 50 HRC; 39 HRC J 11 47 HRC; 31 HRC J 25 40 HR C; LOS VALORES MEDIOS J 3M , J 11M Y J 25M DE CINCO ENSAYOS JOMINY SON TALES QUE: J 11M - J 3M X 14/ 22 - J 25 X 8/221 2,5 HRC Y J 3M - J 15M ) HRC. LA INVENCION SE REFIERE ASIMISMO AL ACERO DE CEMENTACION O DE CARBONITRURACION PARA FABRICAR LA PIEZA.
Description
Procedimiento para la aplicación de una pieza de
acero, cementada o carbonitrurada, y acero para la fabricación de
esta pieza.
La presente invención se refiere a la fabricación
de piezas de acero, en la que al menos una parte de la superficie
está endurecida por cementación y carbonitruración, seguido de un
temple al aceite o con gas.
Numerosas piezas mecánicas de acero tales como,
por ejemplo, los engranajes, se endurecen superficialmente por
cementación o carbonitruración. Para ello, las piezas se mantienen
en una atmósfera rica en carbono o en carbono y en nitrógeno a una
temperatura mayor que 900ºC durante algunas horas, con el fin de
enriquecer el acero en carbono o en carbono y en nitrógeno a través
de una cierta profundidad por debajo de la superficie, por difusión
de estos elementos a partir de la superficie y a continuación las
piezas son templadas al aceite frío, templado o caliente, o con gas,
con el fin de endurecer la superficie. La cementación o la
carbonitruración puede efectuarse igualmente a una temperatura mayor
que 1.000ºC, diciéndose entonces que se trata de una cementación o
de una carbonitruración a alta temperatura.
Para fabricar tales piezas se utilizan aceros que
contienen desde un 0,15% hasta un 0,35% de carbono, aleadas con
cromo, o aleadas con cromo y con molibdeno, o también aleadas con
cromo y con manganeso. Esta técnica, que permite obtener una dureza
elevada en la superficie y en las proximidades de la misma, y que
permite, igualmente, obtener buenas características mecánicas en el
núcleo de las piezas, presenta, sin embargo, el inconveniente de
engendrar deformaciones que pueden conducir al rechazo de las piezas
o que necesitan mecanizados suplementarios, costosos.
El objeto de la presente invención consiste en
remediar este inconveniente mediante la proposición de un medio para
fabricar piezas de acero, en las que al menos una parte de la
superficie está endurecida por cementación o por carbonitruración,
principalmente a elevada temperatura.
Con esta finalidad, la invención tiene por objeto
un procedimiento para la fabricación de una pieza mecánica de acero
según el cual se fabrica un desbaste de pieza de acero y se efectúa
un tratamiento de cementación o de carbonitruración principalmente a
alta temperatura de al menos una parte de la superficie del desbaste
de la pieza. Según este procedimiento, la composición química del
acero, del que está constituida la pieza, comprende, en peso:
0,2% \leq C \leq 0,26%
0,05% \leq Si \leq 0,5%
1% \leq Mn \leq 1,6%.
0,4% \leq Cr \leq 1,5%
0,08% \leq Mo \leq 0,27%
0% \leq Ni \leq 0,6%
0,003% \leq Al \leq 0,06%
0% \leq Cu \leq 0,3%
0% \leq S \leq 0,1%
P \leq 0,03%
0% \leq Ti \leq 0,05%,
eventualmente hasta un 0,02% de teluro, hasta un
0,04% de selenio, hasta un 0,07% de plomo, hasta un 0,005% de
calcio, siendo el resto hierro e impurezas resultantes de la
elaboración. Además, la composición química del acero está ajustada
para que la curva JOMINY del acero sea tal que:
45 HRC \leq J3 \leq 50 HRC
39 HRC \leq J11 \leq 47 HRC
31 HRC \leq J25 \leq 40 HRC
y para que los valores medios J_{3m},
J_{11m}, J_{15m} y J_{25m} de cinco ensayos JOMINY sea tal
que:
|J11m - J3m x 14 /22 - J25m x 8 / 22| \leq 2,5
HRC
y,
J3m - J15m \leq 9 HRC, y preferentemente,
\leq 8 HRC.
Preferentemente, la curva JOMINY es tal que se
satisfaga al menos una de las condiciones siguientes:
10 x (J7m - J11m) / (4 x (J15m - J25m)) \leq
2,15
y,
10 x (J7m - J15m) / (8 x (J15m - J25m)) \leq
2.
Preferentemente la composición química del acero
es tal que:
0,21% \leq C \leq 0,25%
0,1% \leq Si \leq 0,45%
1,1% \leq Mn \leq 1,5%
0,9% \leq Cr \leq 1,4%
0,09% \leq Mo \leq 0,26%
0% \leq Ni \leq 0,6%
0,005% \leq Al \leq 0,05%
0% \leq Cu \leq 0,3%
0% \leq Ti \leq 0,05%
P \leq 0,03%.
Preferentemente, el contenido en nitrógeno del
acero está comprendido entre 0,004% y 0,02%.
La invención se refiere, igualmente, a un acero
de cementación, cuya composición química es la que acaba de ser
indicada; este acero de cementación tiene una curva JOMINY tal
que:
45 HRC \leq J3 \leq 50 HRC
39 HRC \leq J11 \leq 47 HRC
31 HRC \leq J25 \leq 40 HRC
y los valores medios J_{3m}, J_{11m},
J_{15m} y J_{25m} de cinco ensayos JOMINY son tales que
|J11m - J3m x 14 /22 - J25m x 8 / 22| \leq 2,5
HRC
y,
J3m - J15m \leq 9 HRC, y preferentemente,
\leq 8 HRC.
Preferentemente, los valores medios J_{7m},
J_{11m}, J_{15m} y J_{25m} de cinco ensayos JOMINY son tales
que se satisfaga al menos una de las condiciones siguientes:
10 x (J7m - J11m) / (4 x (J15m - J25m)) \leq
2,15
y:
10 x (J7m - J15m) / (8 x (J15m - J25m)) \leq
2.
La invención se describirá ahora, con mayor
detalle, pero de forma no limitativa, e ilustrada por ejemplos.
Los inventores han comprobado de manera nueva e
inesperada que las deformaciones engendradas por el temple que es
efectuado al final del tratamiento de cementación o al final de la
carbonitruración, podían atenuarse considerablemente, incluso
suprimirse, a condición de que se utilice, para fabricar la pieza,
un acero cuya curva JOMINY no presente prácticamente puntos de
inflexión, contrariamente a lo que ocurre con las curvas JOMINY de
los aceros utilizados habitualmente para este uso. De una manera mas
precisa, se ha comprobado que debe utilizarse un acero que
contenga
- -
- desde 0,2% hasta 0,26% de carbono para que el acero sea fácilmente mecanizable, y para obtener la tenacidad suficiente en las partes no cementadas o no carbonitruradas de la pieza;
- -
- desde 0,05% hasta 0,5% de silicio para asegurar una desoxidación suficiente del acero;
- -
- elementos de aleación tales como manganeso, cromo, molibdeno y níquel, en contenidos tales como los que se han descrito en la reivindicación 1, con el fin de aportar una aptitud al temple suficiente, ajustar la forma de la curva JOMINY y ajustar las propiedades mecánicas de la pieza tanto en el núcleo como en las zonas cementadas o carbonitruradas;
- -
- desde 0,003 hasta 0,06% de aluminio para completar la desoxidación y controlar el grano;
- -
- menos de un 0,3% de cobre, que es considerado como una impureza que tiende a disminuir la ductilidad y la tenacidad de las zonas no cementadas o no carbonitruradas;
- -
- eventualmente, desde 0% hasta 0,05% de titanio para formar nitruros endurecedores;
- -
- preferentemente, el contenido en nitrógeno, elemento siempre presente y que reacciona con el aluminio o con el titanio para formar nitruros, debe estar comprendido entre 0,04% y 0,02%;
- -
- hasta 0,1% de azufre para mejorar la aptitud al mecanizado;
- -
- menos de 0,03% de fósforo, que es una impureza desfavorable para la ductilidad y para la tenacidad.
El acero puede contener, además, hasta un 0,02%
de teluro, hasta un 0,04% de selenio, hasta un 0,07% de plomo, hasta
un 0,005% de calcio, para mejorar la aptitud al mecanizado. El resto
de la composición es hierro e impurezas que resultan de la
elaboración.
La composición química se ajusta para que la
curva JOMINY del acero sea tal que:
45 HRC \leq J3 \leq 50 HRC
39 HRC \leq J11 \leq 47 HRC
31 HRC \leq J25 \leq 40 HRC
y para que los valores medios J_{3m}, J_{7m},
J_{11m}, J_{15m} y J_{25m}, de cinco ensayos JOMINY sea tal
que:
|J11m - J3m x 14/22 - J25m x 8/22| \leq 2,5
HRC
y,
J3m - J15m \leq 9 HRC, y preferentemente,
\leq 8 HRC.
La curva JOMINY es una curva que caracteriza la
aptitud al temple del acero. Esta se obtiene midiéndose la dureza a
lo largo de una generatriz de una probeta cilíndrica templada por un
chorro de agua que rocía una de las extremidades. La dureza medida a
una distancia de x mm desde la extremidad rociada se denomina
J_{x}. Este ensayo es perfectamente conocido por el técnico en la
materia. Sin embargo presenta la característica de ser,
naturalmente, bastante disperso. Por este motivo la forma de la
curva JOMINY se caracteriza, en este caso, por una parte, por
horquillas de valor para los puntos J_{3}, J_{11} y J_{25}, y
por la relación: |J_{11m} - J_{3m} x 14 /22 – J_{25m} x 8 /
22| \leq 2,5 HRC, que hace intervenir las medias de cinco ensayos
diferentes, efectuados con el mismo acero. De una manera mas
precisa, se efectúan, sucesivamente, 5 ensayos idénticos; para cada
ensayo se miden, al menos, los valores J_{3}, J_{7}, J_{11},
J_{15} y J_{25}, obteniéndose así cinco valores para J_{3},
J_{7}, J_{11}, J_{15} y J_{25}, y se calcula para cada punto
J_{x}, la media J_{xm} de los cinco valores. En esta relación,
las barras verticales son el símbolo conocido en sí del valor
absoluto. La relación, combinada a su vez con la relación
J_{3m}-J_{15m} \leq 9 HRC o \leq 8 HRC,
expresa la curva JOMINY que no presenta inflexión marcada.
La forma deseada para la curva JOMINY puede
afinarse si se hace que esta satisfaga al menos una de las
relaciones siguientes:
10 x (J7m - J11m) / (4 x (J15m - J25m)) \leq
2,15
y:
10 x (J7m - J15m) / (8 x (J15m - J25m)) \leq
2.
Tales curvas JOMINY pueden obtenerse
principalmente con un acero de acuerdo con lo que acaba de ser
definido, cuya composición química comprenda, en peso:
- -
- desde 0,2% hasta 0,26% y, preferentemente, desde 0,21% hasta 0,25% de carbono para tener una dureza que no sea demasiado grande en las piezas antes de la cementación o de la carbonitruración, y para obtener una buena aptitud a la cementación o a la carbonitruración;
- -
- desde 1% hasta 1,6% y, preferentemente, desde 1,1% hasta 1,5% de manganeso, para obtener una buena salud interna, para fijar el azufre y para ajustar, en combinación con el cromo y con el molibdeno, la aptitud al temple con el fin de obtener una curva JOMINY satisfactoria;
- -
- desde 0,05% hasta 0,5% y, preferentemente, desde 0,1% hasta 0,45% de silicio;
- -
- desde 0,04% hasta 1,5% de cromo y, preferentemente, desde 0,9% hasta 1,4% para endurecer la capa cementada o carbonitrurada y, en combinación con el manganeso y con el molibdeno, ajustar la aptitud al temple con el fin de obtener una curva JOMINY satisfactoria;
- -
- desde 0,08 hasta 0,27% y, preferentemente, desde 0,09% hasta 0,26% de molibdeno, para endurecer la capa cementada o carbonitrurada, contribuyendo al aumento de la resistencia a la oxidación y, en combinación con el manganeso y con el cromo, ajustar la aptitud al temple con el fin de obtener una curva JOMINY satisfactoria; el límite inferior corresponde al valor mínimo del contenido en molibdeno para que este elemento tenga un efecto significativo;
- -
- desde 0% hasta 0,6% de níquel para mejorar el comportamiento al choque de la pieza.
El contenido en cobre es menor que el 0,3%, el
contenido en azufre está comprendido, preferentemente entre el 0,02%
y el 0,1%, y es mejor que este permanezca menor que el 0,09% el
contenido en aluminio está comprendido entre el 0,003% y el 0,06%, y
es preferible que esté comprendido entre el 0,005% y el 0,05%.
Como se ha indicado anteriormente, el acero puede
contener, además, uno o varios elementos tomados entre el teluro,
el selenio, el plomo y el calcio.
Para fabricar una pieza según la invención, se
fabrica con un acero según la invención un desbaste de pieza que se
cementa o que se carbonitrura a alta temperatura y que se templa al
aceite o con gas, pudiendo estar el aceite frío, tibio o caliente.
El desbaste de pieza puede fabricarse por ejemplo por forjado y por
mecanizado.
A título de ejemplo, se han realizado piezas con
seis aceros según la invención, cuyas composiciones químicas
eran:
\newpage
Las curvas JOMINY de estos aceros eran tales
que:
Tras cementación a 995ºC durante 10 horas y
temple al aceite tibio a 98ºC, las piezas no presentaban
deformaciones que necesitasen un mecanizado suplementario. Además,
la cementación se caracterizaba por un contenido en carbono del
0,94% a 0,1 mm por debajo de la superficie.
A título comparativo, se han realizado, en las
mismas condiciones, piezas idénticas de acero del tipo 27MC5, 29MC5,
27MC5u, 27MC5r, 27CD4u, 30M5 y 20CD4 de acuerdo con el arte
anterior. Las composiciones de estos aceros eran:
\newpage
y las curvas JOMINY eran tales que:
Tras cementación, las piezas han necesitado un
repaso por mecanizado. Además, el contenido en carbono en la capa
cementada, a 0,1 mm por debajo de la superficie, no era mas que del
0,8%. Este último resultado muestra que, además de la baja
sensibilidad a las deformaciones, el acero según la invención se
cementa mejor que el acero según el arte anterior.
Claims (13)
1. Procedimiento para la fabricación de una pieza
mecánica de acero según la cual se fabrica un desbaste de pieza de
acero y se efectúa un tratamiento de cimentación o de
carbonitruración eventualmente a alta temperatura de al menos una
parte de la superficie del desbaste de la pieza,
caracterizado porque la composición química del acero, con el
que está constituida la pieza, comprende, en peso:
0,2% \leq C \leq 0,26%
0,05% \leq Si \leq 0,5%
1% \leq Mn \leq 1,6%.
0,4% \leq Cr \leq 1,5%
0,08% \leq Mo \leq 0,27%
0% \leq Ni \leq 0,6%
0,003% \leq Al \leq 0,06%
0% \leq Cu \leq 0,3%
0% \leq S \leq 0,1%
P \leq 0,03%
0% \leq Ti \leq 0,05%,
eventualmente hasta 0,02% de teluro, hasta un
0,04% de selenio, hasta un 0,07% de plomo, hasta un 0,005% de
calcio, siendo el resto hierro e impurezas que resultan de la
elaboración, ajustándose la composición química para que la curva
JOMINY del acero sea tal que:
45 HRC \leq J3 \leq 50 HRC
39 HRC \leq J11 \leq 47 HRC
31 HRC \leq J25 \leq 40 HRC
y para que los valores medios J_{3m},
J_{11m}, J_{15m} y J_{25m} de cinco ensayos JOMINY sean tales
que:
|J11m - J3m x 14 /22 - J25m x 8 / 22| \leq 2,5
HRC
y,
J3m - J15m \leq 9 HRC.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el acero es tal que: J3m - J15m \leq
8 HRC.
3. Procedimiento según la reivindicación 1, o la
reivindicación 2, caracterizado porque los valores medios
J_{7m}, J_{11m}, J_{15m} y J_{25m} de cinco ensayos JOMINY
son tales que:
10 x (J7m - J11m) / (4 x (J15m - J25m)) \leq
2,15.
4. Procedimiento según la reivindicación 1, o la
reivindicación 2, o la reivindicación 3, caracterizado porque
los valores medios J_{7m}, J_{11m}, J_{15m} y J_{25m} de
cinco ensayos JOMINY son tales que:
10 x (J7m - J15m) / (8 x (J15m - J25m)) \leq
2.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque:
0,21% \leq C \leq 0,25%
0,1% \leq Si \leq 0,45%
1,1% \leq Mn \leq 1,5%
0,9% \leq Cr \leq 1,4%
0,09% \leq Mo \leq 0,26%
0% \leq Ni \leq 0,6%
0,005% \leq Al \leq 0,05%
0% \leq Cu \leq 0,3%
0,02% \leq S \leq 0,09%
P \leq 0,03%
0% \leq Ti \leq 0,05%.
6. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el contenido en
nitrógeno del acero está comprendido entre 0,004% y 0,02%.
7. Acero de cementación o de carbonitruración
caracterizado porque su composición química comprende, en
peso:
0,2% \leq C \leq 0,26%
0,05% \leq Si \leq 0,5%
1% \leq Mn \leq 1,6%.
0,4% \leq Cr \leq 1,5%
0,08% \leq Mo \leq 0,27%
0% \leq Ni \leq 0,6%
0,003% \leq Al \leq 0,06%
0% \leq Cu \leq 0,3%
0% \leq S \leq 0,1%
P \leq 0,03%
0% \leq Ti \leq 0,05%,
eventualmente hasta un 0,02% de teluro, hasta un
0,04% de selenio, hasta un 0,07% de plomo, hasta un 0,005% de
calcio, siendo el resto hierro e impurezas que resultan de la
elaboración.
8. Acero de cementación o de carbonitruración
según la reivindicación 7, caracterizado porque su
composición química es tal que:
0,21% \leq C \leq 0,25%
0,1% \leq Si \leq 0,45%
1,1% \leq Mn \leq 1,5%
0,9% \leq Cr \leq 1,4%
0,09% \leq Mo \leq 0,26%
0% \leq Ni \leq 0,6%
0,005% \leq Al \leq 0,05%
0% \leq Cu \leq 0,3%
0,02% \leq S \leq 0,09%
P \leq 0,03%
0% \leq Ti \leq 0,05%.
9. Acero de cementación o de carbonitruración
según la reivindicación 7 o la reivindicación 8,
caracterizado porque su curva JOMINY es tal que:
45 HRC \leq J3 \leq 50 HRC
39 HRC \leq J11 \leq 47 HRC
31 HRC \leq J25 \leq 40 HRC
siendo los valores medios J_{3m}, J_{11m},
J_{15m} y J_{25m} de cinco ensayos JOMINY sean tales que:
|J11m - J3m x 14 /22 - J25m x 8 / 22| \leq 2,5
HRC
y,
J3m - J15m \leq 9 HRC.
10. Acero de cementación o de carbonitruración
según la reivindicación 9, caracterizado porque: J3m - J15m
\leq 8 HRC.
11. Acero de cementación o de carbonitruración
según la reivindicación 9, o la reivindicación 10
caracterizado porque los valores medios J_{7m}, J_{11m},
J_{15m} y J_{25m} de cinco ensayos JOMINY son tales que:
(10 x (J7m - J11m) / (4 x (J15m - J25m)) \leq
2,15.
12. Acero de cementación o de carbonitruración
según la reivindicación 9, la reivindicación 10 o la reivindicación
11, caracterizado porque los valores medios J_{7m},
J_{11m}, J_{15m} y J_{25m} de cinco ensayos JOMINY son tales
que:
10 x (J7m - J15m) / (8 x (J15m - J25m)) \leq
2.
13. Acero según una cualquiera de las
reivindicaciones 7 a 12, caracterizado porque su contenido en
nitrógeno está comprendido entre 0,004% y 0,02%.
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