ES2211012T3 - Procedimiento para la fabricacion de herramientas para forja en caliente y herramientas obtenidas por dicho procedimiento. - Google Patents
Procedimiento para la fabricacion de herramientas para forja en caliente y herramientas obtenidas por dicho procedimiento.Info
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Abstract
SEGUN LA PRESENTE INVENCION, SE REALIZA UNA HERRAMIENTA DE FORJADO EN CALIENTE MEDIANTE DEPOSITO POR FUSION DE ALEACION(ES) METALICA(S) CON ALTA RESISTENCIA EN CALIENTE (8) SOBRE UN SUBSTRATO (10), MEDIANTE UN LASER POTENTE. SE PUEDEN USAR VENTAJOSAMENTE SUPERALEACIONES A BASE DE COBALTO O DE NIQUEL. LA HERRAMIENTA DE FORJADO EN CALIENTE REALIZADA DE ESTA MANERA TIENE UNA DURACION DE VIDA BASTANTE SUPERIOR A LA DE LA HERRAMIENTA REALIZADA POR LOS PROCEDIMIENTOS DE RECARGA TRADICIONALES.
Description
Procedimiento para la fabricación de herramientas
para forja en caliente y herramientas obtenidas por dicho
procedimiento.
La presente invención se refiere a las
herramientas para forja en caliente, y de modo correspondiente a un
procedimiento para la fabricación de dichas herramientas, según lo
indicado en la parte introductoria de las reivindicaciones 8 o bien
1, en especial matrices y punzones para forja en caliente utilizados
para formar una pieza metálica por deformación plástica en caliente
del material a forjar. La deformación plástica del material se lleva
a cabo, generalmente, mediante la utilización sucesiva de
herramientas de conformación, de desbaste y de acabado.
Las herramientas para forja en caliente están
expuestas a fuertes solicitaciones mecánicas, térmicas y
tribológicas, que pueden degradar rápidamente las mismas. Las
solicitaciones mecánicas son inducidas por el proceso de
deformación plástica del material a forjar, y pueden ser del orden
de 600 a 800 MPa en el estampado. Las solicitaciones térmicas se
caracterizan, generalmente, por un fuerte choque térmico en el
momento en el que la herramienta entra en contacto con el metal a
forjar. En el estampado, el pico de temperatura puede alcanzar, en
la superficie, de 650º hasta 750ºC, e incluso más en el caso de una
forja difícil. Las solicitaciones tribológicas son provocadas por
el desplazamiento bajo presión del metal forjado sobre las
superficies activas de la herramienta.
Estas solicitaciones provocan, generalmente, una
deformación plástica de la misma herramienta, en la superficie o en
la masa, un desgaste y una fatiga térmica, que se traducen, en
particular, en agrietamientos o fisuras. Dichas alteraciones de las
herramientas afectan principalmente a las superficies activas de
las mismas, que soportan temperaturas elevadas al tiempo que están
sometidas a fuertes solicitaciones mecánicas. Estas alteraciones
constituyen las causas más frecuentes de la puesta fuera de
servicio de las herramientas.
Para aumentar la resistencia de la herramienta
frente a las distintas solicitaciones, se puede intentar utilizar
una aleación que presenta cualidades superiores para la fabricación
de la herramienta. Sin embargo, la fabricación de herramientas
macizas de aleaciones de alta resistencia mecánica en caliente
presenta el inconveniente de un coste elevado. Además, el suministro
de la materia prima en forma de lingotes o palanquillas de
dimensiones adecuadas constituye un problema espinoso.
Una solución descrita por el documento US 4 628
178 A, que presenta el estado más pertinente de la técnica, consiste
en soldar sobre un cuerpo de acero una pieza de carburo cementado
que contiene granos de carburo de tungsteno en una aleación de
níquel, hierro o cobalto. La soldadura se lleva a cabo mediante un
rayo láser que funde una capa metálica intermedia, la cual está
interpuesta entre el cuerpo de acero y la pieza de carburo
cementado. Es conveniente resolver el problema que presenta la
soldadura de dos materiales (acero, carburo), que tienen
propiedades físicas muy distintas. Además, la pieza de carburo
cementado ha de tener previamente la forma de la superficie de la
herramienta a fabricar. Este procedimiento no es adecuado para la
fabricación de herramientas cuyas superficies de trabajo presenten
formas complejas, lo cual se da frecuentemente en la práctica.
En el documento DE 35 05 251 A se describe la
realización de una cabeza esférica en el extremo de una varilla, por
fusión del extremo de la varilla y de un metal de aportación
mediante un rayo láser, seguido del moldeo del metal fundido en un
molde. Este procedimiento requiere un molde que presente la forma
de la superficie a realizar, y, por lo tanto, no es económico para
la realización de herramientas cuyas superficies de trabajo tienen
formas complejas.
En el documento JP 57 067 117 A se da a conocer
un tratamiento térmico de una parte, que presenta ángulos, de un
molde metálico por calentamiento mediante rayo láser. El
calentamiento reblandece el metal sin fundirlo. Ello no permite
realizar una capa superficial de un material distinto del
substrato.
Para paliar dichos inconvenientes, es posible
realizar una capa superficial de la herramienta con aleaciones
metálicas altamente resistentes al calor, sobre todo con
superaleaciones como las que se utilizan para la fabricación de
piezas metálicas refractarias. Naturalmente, son preferibles las
técnicas de recarga más sencillas, que permiten realizar un depósito
por fusión de aleaciones metálicas sobre un substrato al menor
coste. Estos procedimientos clásicos de recarga metálica consisten
en hacer fundir un cordón o una varita de material de aportación
mediante un soplete oxiacetilénico, o arco eléctrico, o por
procedimientos de arco eléctrico conocidos bajo las siglas TIG o
MIG. Estos procedimientos son manuales, desplazando el usuario
manualmente el punto de recarga para cubrir progresivamente la
superficie a recargar. Los procedimientos de este tipo son, a
priori, muy adecuados para la fabricación de herramientas para
forja en caliente, que son piezas relativamente rústicas y
macizas.
Si se utilizan herramientas para forja en
caliente con capas superficiales constituidas por superaleaciones
depositadas por medio de los procedimientos tradicionales de
soldadura de barra por soplete oxiacetilénico o por arco eléctrico,
o por medio de procedimientos conocidos bajo las siglas TIG o MIG,
se constata que su vida útil es 4 a 5 veces superior a la de una
herramienta homogénea realizada en acero nitrurado, sea cual sea el
procedimiento clásico de depósito de superaleaciones que se utilice.
Esta mejora resulta de las propiedades de las superaleaciones
utilizadas.
De todos modos, en un contexto de competencia
cada vez más severa, los forjadores se ven obligados a bajar su
coste de fabricación, sobre todo reduciendo la partida de
herramientas o utillaje en el precio de coste de las piezas
forjadas. A tal efecto, un aumento de la vida útil de las
herramientas sigue siendo un problema esencial. Otro problema lo
constituye la reducción del coste de fabricación de las
herramientas.
La presente invención resulta de la observación
de un efecto inesperado cuando las herramientas para forja en
caliente son fabricadas por fusión de aleaciones metálicas
altamente resistentes al calor sobre un substrato por medio de un
láser de potencia. Se puede constatar, efectivamente, que la vida
útil de este tipo de herramientas para forja en caliente se puede
ver aumentada en más del 30% con respeto a la vida útil de las
mismas herramientas en las que las mismas aleaciones metálicas
altamente resistentes al calor son depositadas por medio de
procedimientos tradicionales de soldadura.
Para aumentar la vida útil de las
herramientas
para forja en caliente, la presente invención ha previsto un procedimiento de fabricación de herramientas para forja, según la reivindicación 1.
para forja en caliente, la presente invención ha previsto un procedimiento de fabricación de herramientas para forja, según la reivindicación 1.
A priori, nada dejó entrever que un
procedimiento de recarga por láser de aleación metálica altamente
resistente al calor pudiera presentar algún interés para la
fabricación de una herramienta para forja en caliente. En efecto,
un procedimiento de aportación metálica por fusión mediante un láser
de potencia es, a priori, menos adecuado que los procedimientos de
recarga clásicos para la fabricación de piezas macizas y rústicas
como las herramientas para forja en caliente, debido a su
complejidad, su coste de aplicación y el elevado costo de todo
equipo que cuenta con un láser de potencia. A pesar de ello y de
manera sorprendente, se muestra que la invención permite un ahorro
sustancial, ya que el sensible aumento de la vida útil de las
herramientas para forja en caliente compensa ampliamente el coste
adicional de fabricación de estas herramientas, que resulta del
procedimiento de fusión por láser.
Resultados excelentes se han obtenido cuando la
aleación o aleaciones metálicas altamente resistentes al calor son
de tipo de superaleaciones basadas en cobalto o níquel.
De forma ventajosa, se podrá elegir la
superaleación o superaleaciones dentro de la familia de
super-
aleaciones basadas en níquel, incluyendo las superaleaciones conocidas bajo las marcas INCONEL 718 o ASTROLOY.
aleaciones basadas en níquel, incluyendo las superaleaciones conocidas bajo las marcas INCONEL 718 o ASTROLOY.
También se podrán elegir la aleación o aleaciones
dentro de la familia de las superaleaciones basadas en cobalto,
incluyendo las superaleaciones conocidas con los nombres GRADE 21 o
GRADE 6.
Se obtienen resultados excelentes, sobre todo,
con la superaleación de cobalto conocida con el nombre GRADE
21.
La herramienta para forja en caliente, según la
invención, comprende una capa superficial de una o varias aleaciones
metálicas altamente resistentes al calor sobre un substrato
metálico, y está caracterizada, por lo tanto, porque la capa
superficial de aleación o aleaciones metálicas altamente resistentes
al calor presenta una estructura cristalográfica particular, que
resulta de un depósito en estado fundido de dicha aleación o de
dichas aleaciones metálicas altamente resistentes al calor,
realizado mediante fusión por láser de potencia, y porque la misma
está unida al substrato por un enlace metalúrgico. Se piensa que la
mejora de las propiedades de las herramientas para forja en caliente
se debe a una estructura cristalográfica más fina, que resulta del
enfriamiento más rápido de la superaleación.
La capa superficial de aleación o aleaciones
metálicas altamente resistentes al calor puede ser, de forma
ventajosa, de superaleación basada en níquel, que se conoce bajo
las marcas INCONEL 718 o ASTROLOY, o de superaleación de cobalto,
conocida con los nombres GRADE 21 o GRADE 6 ("CALIDAD 21 o CALIDAD
6").
Otros objetivos, características y ventajas de la
presente invención resultarán de la siguiente descripción de algunos
modos de realización particulares, la cual se acompaña de los
dibujos adjuntos, que muestran:
en la figura 1, de forma esquemática, una sección
transversal de una estructura de una herramienta para forja en
caliente, según una realización particular de la invención;
en la figura 2, un dispositivo de recarga por
láser para la fabricación de herramientas para forja en caliente,
según la invención; y,
en la figura 3, de forma esquemática y a escala
aumentada, una tobera coaxial de proyección de polvo metálico y de
haz de láser sobre una zona de impacto, según el dispositivo de
recarga por láser de la figura 2.
En el modo de realización, que queda ilustrado
esquemáticamente en la figura 1, una herramienta para forja en
caliente, según la invención, comprende un punzón (1) y una matriz
(2), destinados a ser desplazados entre sí en una dirección de
desplazamiento (3) durante el proceso de forjado de una masa
metálica (4) a forjar. La superficie activa (5) del punzón (1),
destinada a estar en contacto con la masa metálica (4) a forjar, es
la superficie externa de una capa de aleación o aleaciones
metálicas altamente resistentes al calor (6). Asimismo, la
superficie activa (7) de la matriz (2) es la superficie exterior de
una capa de aleación o aleaciones metálicas altamente resistentes al
calor (8).
De acuerdo con la invención, las capas de
aleación o aleaciones metálicas altamente resistentes al calor (6)
y (8) están conformadas mediante depósito por fusión de una o
varias aleaciones metálicas altamente resistentes al calor sobre un
substrato metálico (9) o (10) respectivamente, siendo la fusión de
la aleación o las aleaciones metálicas altamente resistentes al
calor para su depósito realizada mediante un láser de potencia, que
asegura simultáneamente el enlace metalúrgico entre la aleación o
las aleaciones de la capa superficial y el metal del substrato. De
esta forma, la capa superficial de aleación o aleaciones metálicas
altamente resistentes al calor (6) o (8) presenta una estructura
cristalográfica fina, característica de un depósito realizado
mediante fusión por láser de potencia.
La aleación o las aleaciones metálicas altamente
resistentes al calor pueden comprender, ventajosamente,
superaleaciones basadas en cobalto o níquel, ventajosamente,
superaleaciones de níquel conocidas bajo las marcas INCONEL 718 o
ASTROLOY, o una superaleación de cobalto conocida con los nombres
GRADE 21 o GRADE 6.
Para fabricar una herramienta para forja en
caliente, según la invención, tal como un punzón (1) o una matriz
(2), se parte de un substrato (9) o (10), por ejemplo, de acero y
que presenta sensiblemente la forma de la herramienta definitiva, y
se realiza una recarga por láser de la superficie activa (5) o (7)
mediante un generador de haz láser que barre la superficie a
recargar y, asociado a una tobera de proyección de polvo, proyecta
un polvo basado en una o varias aleaciones metálicas altamente
resistentes al calor sobra la zona de impacto del haz de láser.
En la figura 2 se muestra esquemáticamente un
equipo de recarga por láser, que puede ser utilizado de acuerdo con
la invención. Dicho equipo comprende un láser de potencia (20) que
genera un haz (21) de luz coherente y monocromática. El haz de
láser (21) se propaga homogéneamente en una sola dirección, y
presenta una sola longitud de onda. La divergencia del haz es muy
pequeña.
Un juego de espejos (22) y (23) permite
transportar el haz de láser (21) hasta una cabeza de enfoque (24).
Dicha cabeza de enfoque (24) devuelve el haz de láser (21) a la
superficie a recargar del substrato (10) de una herramienta como,
por ejemplo, una matriz para forja en caliente. La cabeza de
enfoque (24) está adaptada para focalizar el haz de láser (21) de
tal manera que éste toque el substrato (10) en una zona de impacto
(25) de poca superficie, por ejemplo una superficie que presenta un
diámetro comprendido entre 0,5 y 5 mm aproximadamente.
Un distribuidor de polvo (26) sirve como depósito
que contiene un polvo de aleación o aleaciones metálicas altamente
resistentes al calor, el cual servirá para recargar el substrato
(10) de la matriz. El distribuidor de polvo (26) está adaptado para
fluidificar el polvo con la ayuda de un gas neutro como, por
ejemplo, el argón o el helio, y para transportarlo por medios
neumáticos a través de canales de alimentación de polvo (28) hasta
una tobera de proyección (27). Dicha tobera de proyección (27) está
adaptada para dar forma al chorro de polvo fluidificado cuando
sale de la tobera, para generar un chorro de polvo convergente que
toca la misma zona de impacto (25) del substrato (10). Al salir por
la tobera, el chorro de polvo fluidificado debe mezclarse en la
medida de la posible con la forma del haz de láser (21) en la zona
de impacto (25). Preferentemente, el chorro de polvo fluidificado
es coaxial con el haz de láser (21) en el momento de su llegada a
la zona de impacto (25).
El distribuidor de polvo (26) está conformado de
tal manera que permite controlar con precisión el caudal másico de
polvo metálico con tal de obtener una excelente reproductibilidad y
una perfecta regularidad del caudal, teniendo estos parámetros una
influencia directa sobre la regularidad y la calidad de las
recargas obtenidas. La regularidad de la recarga permite disminuir
sensiblemente el tiempo y el coste de elaboración finales de la
superficie activa de la herramienta. Esta regularidad permite
también reproducir el espesor de la recarga y, por lo tanto, la
cantidad de material a utilizar.
El haz de láser está orientado de manera que está
cerca de la vertical de la superficie del substrato (10) a
recargar. El orificio de salida de la tobera de proyección (27) se
mantiene a una distancia constante de la superficie a recargar, a
aproximadamente 10 mm. Se coloca el substrato (10) sobre una mesa
(29), que es desplazada en un plano horizontal, según las dos
direcciones X y Y por medios de arrastre controlados por un mando
numérico (30). Debido a este desplazamiento, la zona de impacto
(25) del haz de láser y del polvo, que sale de la tobera de
proyección (27), es desplazada regular y progresivamente sobre la
superficie del substrato (10) a recargar.
En la zona de impacto (25), el haz de láser (21)
provoca la fusión del polvo de aleación o aleaciones metálicas,
quedando el mismo soldado sobre el substrato metálico (10) y
formando progresivamente, una vez enfriado, la capa de aleación o
aleaciones metálicas altamente resistentes al calor (8), cuya
superficie externa constituye la superficie activa (7) de la
herramienta para forja en caliente.
En la figura 3 se muestra la recarga progresiva
por desplazamiento del substrato (10) en la dirección (31). En la
zona de impacto (25), el haz de láser (21) provoca la fusión del
polvo de aleación o aleaciones metálicas, quedando el mismo soldado
sobre el substrato (10) y formando progresivamente, una vez
enfriado, un cordón de depósito (32). Mediante el desplazamiento
transversal del substrato (10), se realiza, a continuación, un
segundo cordón paralelo y adyacente, y así sucesivamente hasta que
toda la superficie activa queda completamente recargada.
El láser de potencia (20) puede ser un láser de
CO_{2} continuo de 5 kW de potencia, asociado a una tobera de
proyección (27) coaxial, en la cual el polvo fluidificado de metal
es conducido al haz de láser según un movimiento helicoidal
coaxial. El substrato (10) puede, de forma ventajosa, apoyarse sobre
un soporte de piezas de máquina con mando numérico de cuatro ejes,
que permite los desplazamientos horizontales X e Y, los
desplazamientos verticales Z con respecto a la tobera de proyección
(27), así como una rotación según un eje horizontal.
De esta manera, según la invención, la fusión de
la o de las aleaciones metálicas altamente resistentes al calor,
para su depósito por fusión sobre un substrato (10) de una
herramienta para forja en caliente se realiza por medio de un láser
de potencia (20). Las aleaciones metálicas altamente resistentes al
calor son proyectadas en forma de polvo sobre el substrato (10) en
la zona de impacto (25) del haz (21) procedente del láser de
potencia (20). La proyección de las aleaciones metálicas altamente
resistentes al calor en forma de polvo se realiza por medio de una
tobera de proyección (27) coaxial alrededor del haz de láser
(21).
Es importante desplazar la zona de impacto (25)
del haz de láser (21) sobre el substrato (10) a una velocidad de
barrido constante y controlada.
La aleación o las aleaciones metálicas altamente
resistentes al calor pueden, ventajosamente, ser de tipo de
superaleación basada en cobalto o níquel.
La superaleación o las superaleaciones pueden ser
elegidas entre la familia de las superaleaciones basadas en níquel,
que comprende las superaleaciones conocidas bajo las marcas
INCONEL 718 o ASTROLOY.
La composición de la aleación INCONEL 718, en
porcentaje en peso, es la siguiente: carbono 0,038; cromo 18,50;
molibdeno 3,00; titanio 0,95; aluminio 0,55; niobio 5,25; hierro
18,00; el resto de níquel.
La composición de la aleación ASTROLOY, en
porcentaje en peso, es la siguiente: carbono 0,025; cromo 15,00;
molibdeno 5,00; cobalto 18,00; titanio 3,50; aluminio 4,00; boro
0,025; zirconio 0,050; el resto de níquel.
Se han obtenido excelentes resultados utilizando
una superaleación basada en cobalto, conocida con el nombre GRADE
21, cuya composición, en porcentaje en peso, es la siguiente:
carbono 0,25; cromo 27,00; molibdeno de 3,00 a 5,50; níquel 3,00;
el resto de cobalto.
Alternativa o complementariamente se puede
utilizar de forma ventajosa una superaleación basada en cobalto,
conocida con el nombre de GRADE 6, cuya composición, en porcentaje
en peso, es la siguiente: carbono 1,00; cromo 28,00; tungsteno
4,00; el resto de cobalto.
A título de ejemplo y de comparación, se ha
valorado la vida útil de matrices para forja en caliente realizadas
según distintas técnicas: el número de piezas forjadas por la
matriz antes de desecharla fue de 30.000 piezas en el caso de una
matriz de acero nitrurado de referencia X 38 Cr Mo V 5 nitrurado, de
120.000 piezas en el caso de una matriz recargada de superaleación
basada en cobalto GRADE 21 mediante un procedimiento de soldadura
por arco, y de 160.000 piezas en el caso de una matriz recargada de
superaleación basada en cobalto GRADE 21 mediante un láser de
potencia. De esta forma, se pudo constatar un aumento de más del
30% de la vida útil, si la recarga se llevaba a cabo mediante láser
de potencia.
La presente invención no queda limitada a los
modos de realización que han sido descritos explícitamente, sino
que incluye las diversas variantes y generalizaciones contenidas en
el ámbito de las reivindicaciones que se indican a
continuación.
Claims (10)
1. Procedimiento para la fabricación de
herramientas para forja en caliente, que presentan una capa
superficial de una o varias aleaciones metálicas altamente
resistentes al calor sobre un substrato metálico (10),
caracterizado porque la capa superficial se constituye por
depósito, en estado fundido, de dichas aleación o aleaciones
metálicas altamente resistentes al calor y la fusión de las mismas
para su depósito se lleva a cabo mediante un láser de potencia
(20), que asegura simultáneamente el enlace metalúrgico entre la
aleación o las aleaciones metálicas de la capa superficial y el
metal del substrato (10).
2. Procedimiento, según la reivindicación 1,
caracterizado porque la aleación o las aleaciones metálicas
altamente resistentes al calor son proyectadas enforma de polvo
sobre el substrato (10) en la zona de impacto (25) del haz
(21)procedente del láser de potencia (20).
3. Procedimiento, según la reivindicación 2,
caracterizado porque la aleación o las aleaciones metálicas
altamente resistentes al calor son proyectadas en forma de polvo
alrededor del haz de láser (21) por medio de una tobera de
proyección (27) coaxial.
4. Procedimiento, según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la zona de
impacto (25) del haz de láser (21) es desplazada sobre el
substrato (10) a una velocidad de barrido constante y
controlada.
5. Procedimiento, según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la aleación o
las aleaciones metálicas altamente resistentes al calor son de tipo
de superaleación basada en cobalto o níquel.
6. Procedimiento, según la reivindicación 5,
caracterizado porque la superaleación o las superaleaciones
son seleccionadas entre la familia de las superaleaciones basadas
en níquel, que comprende las superaleaciones conocidas bajo las
marcas INCONEL 718 o ASTROLOY.
7. Procedimiento, según la reivindicación 5,
caracterizado porque la superaleación o las superaleaciones
son seleccionadas entre la familia de las superaleaciones basadas
en cobalto, que comprende las superaleaciones conocidas con los
nombres GRADE 21 o GRADE 6.
8. Herramienta para forja en caliente, que
comprende una capa superficial (8) constituida por una o varias
aleaciones metálicas altamente resistentes al calor sobre un
substrato (10) metálico, caracterizada porque la capa
superficial de aleación o aleaciones metálicas altamente resistentes
al calor (8) presenta una estructura cristalográfica de un
depósito, en estado fundido, de dicha o dichas aleaciones metálicas
altamente resistentes al calor, realizado mediante fusión por láser
de potencia, y porque la capa superficial (8) y el substrato (10)
están unidos por un enlace metalúrgico.
9. Herramienta, según la reivindicación 8,
caracterizada porque la aleación o las aleaciones metálicas
altamente resistentes al calor comprenden superaleaciones basadas en
cobalto o níquel.
10. Herramienta, según la reivindicación 9,
caracterizada porque la capa superficial de aleación o
aleaciones metálicas altamente resistentes al calor (8) está
constituida por superaleación basada en níquel, conocida bajo las
marcas INCONEL 718 o ASTROLOY, o por superaleación de cobalto,
conocida con los nombres GRADE 21 o GRADE 6.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| FR9806981A FR2779074B1 (fr) | 1998-05-26 | 1998-05-26 | Procede de fabrication d'outils de forgeage a chaud, et outils obtenus par ce procede |
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|---|---|
| ES2211012T3 true ES2211012T3 (es) | 2004-07-01 |
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Family Applications (1)
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