ES2214828T3 - Pieza mecanica de friccion y procedimiento para su fabricacion. - Google Patents
Pieza mecanica de friccion y procedimiento para su fabricacion.Info
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Abstract
Pieza mecánica de fricción, realizada por sinterización, destinada a funcionar en un medio lubrificado, hecha de un material constituido por: (A) una matriz formada a partir (i) de partículas a base de hierro y (ii)de 2 a 7% en peso, con relación a la matriz total de partículas de elementos de aleación escogidos entre el cobre, el níquel y el molibdeno, y (iii) eventualmente de carbono. (B) de 2 a 10 partes en volumen por 100 partes en volumen de partículas que constituyen la matriz (A), de partículas de refuerzo, que tienen un tamaño medio comprendido entre 20 y 100 ìm y una dureza superior a la de las partículas de la matriz.
Description
Pieza mecánica de fricción y procedimiento para
su fabricación.
El presente invento se refiere a una pieza
mecánica de fricción, obtenida por sinterización, destinada a
funcionar en un sistema tribológico lubrificado, a un procedimiento
de preparación de tal pieza, así como a su utilización,
especialmente como anillo de sincronizador de caja de cambio de
velocidades.
Ciertas piezas mecánicas, tales como los anillos
de sincronizador, deben trabajar en un medio lubrificado en contacto
con acero de dureza elevada. La función de estas piezas es asegurar
un cambio suave y rápido de las velocidades independientemente de
las condiciones de temperatura, de presión de contacto y de
velocidad de rozamiento. Para esto, es necesario obtener un
coeficiente de rozamiento relativamente elevado y estable, es decir,
independiente de las condiciones de temperatura, de velocidad y de
presión.
El latón, el material más corrientemente
utilizado para esta función, resulta más satisfactorio para la
mayoría de las condiciones de funcionamiento, salvo a baja
temperatura (cambio de velocidades al arrancar) y a presiones
elevadas (cambio de velocidades en reducción).
La utilización de aceros sinterizados para la
fabricación de anillos de sincronizador necesita
- -
- bien el depósito de un revestimiento de molibdeno sobre la parte del piñón loco en contacto con el anillo;
- -
- bien la realización, por sinterizado conjunto, de una capa de fricción sobre la superficie activa del anillo de sincronización.
Estos métodos son, sin embargo, costosos y no
conducen forzosamente a resultados superiores a los del latón.
Otro enfoque más consiste en realizar anillos de
sincronizador sinterizados constituidos, principalmente, por cobre y
por partículas a base de cromo
(FR-A-2.698.808).
Los tres enfoques mencionados, a saber, el
depósito de molibdeno, el sinterizado conjunto y la utilización de
calidades de acero a base de bronce implican costes de fabricación
elevados sin ofrecer una prestación mejorada del comportamiento en
rozamiento para la aplicación que nos interesa.
La DE-A-19817037
describe la mejora de la resistencia al desgaste de anillos de
sincronizador sinterizados en aleación de hierro que contiene Ni,
Mo, Cu y con estructura martensítica y bainítica.
La solicitante ha descubierto actualmente que era
posible mejorar notablemente el comportamiento en rozamiento de
piezas mecánicas que funcionan en medio lubrificado, y sobre todo
obtener piezas con un coeficiente de rozamiento relativamente
elevado e independiente de las condiciones de funcionamiento,
utilizando para la fabricación de tales piezas un material
sinterizado constituido por una matriz relativamente blanda a base
de polvos de hierro y de partículas de elementos de aleación que la
matriz contiene además de partículas de dureza superior.
El presente invento tiene consecuentemente por
objeto una pieza mecánica de fricción tal como se define en la
reivindicación 1 y realizada por sinterización, destinada a
funcionar en un medio lubrificado, cuya pieza está constituida por
una matriz a base de hierro y de elementos de aleación y de
partículas de refuerzo de dureza elevada.
Otro objeto del invento es la utilización, según
la reivindicación 10, de la pieza mecánica sinterizada, definida
anteriormente, sobre todo como anillo de sincronizador de caja de
cambio de velocidades.
Un objeto más del presente invento es un
procedimiento, según la reivindicación 11, que permite fabricar una
pieza mecánica de fricción que tenga las características descritas
anteriormente.
Otros objetos aparecerán por la lectura de la
descripción y de los ejemplos que seguirán.
El material que sirve para fabricar las piezas de
fricción del presente invento comprende, por una parte, una matriz
formada a partir de partículas a base de hierro y de partículas de
elementos de aleación escogidos entre el cobre, el níquel y el
molibdeno y, por otra parte, partículas de refuerzo.
Los polvos utilizables para formar la matriz son
polvos a base de hierro constituidos por partículas que tienen un
tamaño medio comprendido entre 20 y 100 \mum, preferentemente
entre 40 y 50 \mum.
A estos polvos a base de hierro se añaden polvos
de elementos de aleación escogidos entre el cobre, el níquel y el
molibdeno o una combinación de ellos. Estos elementos se añaden en
forma de polvo metálico.
La cantidad de polvo de elementos de aleación
está comprendida entre 2 y 7% en peso y, preferentemente, entre 4 y
6% en peso con relación a la matriz total.
Además, se aconseja añadir a esta mezcla de
polvos que forman la matriz una pequeña cantidad de carbono
destinada a aumentar la dureza de la matriz del producto terminado.
El carbono se añade, habitualmente, en forma de grafito en
cantidades que no superan el 1% en peso, y preferentemente a lo sumo
iguales al 0,5% en peso con relación a la matriz total.
A esta mezcla de polvos que forman la matriz
(polvo a base de hierro asociado a un polvo Cu, Mo y/o Ni y
eventualmente de grafito), se añaden obligatoriamente partículas que
juegan un papel de refuerzo y que tienen una dureza muy superior a
la de las partículas que forman la matriz. La dureza Vickers de las
partículas de refuerzo es, generalmente, por lo menos igual a 2.000
HV.
Estas partículas de refuerzo se escogen entre
partículas de tipo óxido, de tipo nitruro o de tipo carburo. Se
puede indicar, a título de ejemplo de tales partículas de refuerzo,
la alúmina (Al_{2}O_{3}), el carburo de niobio (NbC) o el
nitruro de titanio (TiN).
Igualmente, se pueden utilizar como refuerzo
partículas compuestas, a saber partículas que llevan un
revestimiento de naturaleza química diferente a la del núcleo. Un
ejemplo de tales partículas, que constituye un modo de realización
particular del presente invento, son las partículas de aluminio
revestidas con un depósito de nitruro de titanio que se designarán
en lo que sigue como Al_{2}O_{3}(TiN).
Las partículas de refuerzo tienen un tamaño medio
del mismo orden de magnitud que el de las partículas a base de
hierro que forman la fracción principal de la matriz, a saber un
tamaño comprendido entre 20 y 100 \mum y, preferentemente, entre
40 y 50 \mum.
Se añaden estas partículas a razón de 2 a 10
partes en volumen y, preferentemente, a razón de 5 partes en
volumen, para 100 partes en volumen de partículas que constituyen la
matriz.
El material que forma las piezas mecánicas del
presente invento, constituido por una matriz a base de polvo de
hierro, de partículas de elementos de aleación, eventualmente de
carbono, y de partículas de refuerzo de dureza elevada confiere a
las piezas un comportamiento de fricción excelente y, en especial,
un coeficiente de rozamiento relativamente elevado y que varía muy
poco en función de condiciones de funcionamiento tales como la
temperatura, la presión de contacto y la velocidad de rozamiento.
Este material tiene una ventaja considerable con respecto al latón,
corrientemente utilizado para estas aplicaciones, y cuyo coeficiente
de rozamiento disminuye fuertemente y de forma no deseable a bajas
temperaturas y para velocidades y presiones de rozamiento
importantes.
Gracias a sus propiedades mecánicas descritas
anteriormente, las piezas mecánicas convienen particularmente bien
para su utilización como anillos de sincronizador de cajas de cambio
de velocidades. El presente invento se refiere, pues, igualmente a
la utilización de las piezas mecánicas de fricción como anillos de
sincronizador en las cajas de cambio de velocidades de vehículos
automóviles. En tal utilización en un medio lubrificado en
condiciones de funcionamiento muy variables, estas piezas se
distinguen ventajosamente del latón, material más utilizado en la
técnica anterior, por un comportamiento de fricción muy fiable en
especial a baja temperatura y a presión elevada.
Otra ventaja de las piezas de fricción del
presente invento reside en el hecho de que pueden ser fabricadas
según un procedimiento clásico de compactación en frío seguido de
una sinterización en atmósfera controlada, corrientemente utilizado
en la producción en serie.
El presente invento se refiere, además, a un
procedimiento de fabricación de piezas mecánicas de fricción
utilizables especialmente como anillo de sincronizador. Este
procedimiento consiste en mezclar en seco los diferentes polvos que
forman la matriz y el o los polvos de partículas de refuerzo,
proceder a una compactación en frío de la mezcla de polvos en un
molde con una forma apropiada, después sinterizar las piezas verdes
en una atmósfera controlada a una temperatura del orden de
1.120ºC.
Este procedimiento simple produce piezas macizas,
preparadas para ser montadas, que no necesitan ningún tratamiento
suplementario y que tienen, consecuentemente, un coste de
fabricación relativamente bajo.
La buena realización del procedimiento de
compactación en frío permite, además, obtener productos terminados
con las medidas justas.
El ejemplo siguiente está destinado a ilustrar el
invento sin, por tanto, tener un carácter limitativo.
Se han preparado anillos de sincronizador de
diferentes materiales de acuerdo con el presente invento.
La tabla que viene a continuación expone la
naturaleza y la cantidad de partículas de elementos de aleación y de
partículas de refuerzo añadidas a una base de polvo de hierro. Los
materiales expuestos contienen además 0,5% en peso de grafito
añadido a la matriz en forma de polvo. Los polvos han sido mezclados
en seco, compactados en frío en un molde apropiado, después
sinterizados en una atmósfera controlada a una temperatura de
aproximadamente 1.120ºC.
| a) expresado con relación al peso total de la matriz (polvo de hierro + elementos de aleación + | |
| grafito) |
La Figura 1 expone un ejemplo de una
microestructura obtenida por microscopía óptica. Se trata de la
estructura del material A constituido por polvos de hierro, de
carbono, de cobre, de níquel y de molibdeno. Se aprecia
principalmente la presencia de bainita y de austenita no
transformada.
Estos materiales han sido utilizados para ensayos
tribológicos efectuados en un tribómetro de tipo
pasador-disco. Para diferentes temperaturas de baño
de aceite y de presión de contacto, se ha hecho variar la velocidad
de rozamiento entre 0,1 m/segundo y 2,8 m/segundo. Los materiales A
y B expuestos como ejemplos en la tabla anterior tienen una dureza
del orden de 150-180 HV y están en rozamiento con
una pieza antagonista de acero con una dureza superior a 600 HV.
La Figura 2 muestra la variación, en función de
la velocidad de deslizamiento, del coeficiente de rozamiento de los
materiales A y B y, a título comparativo, del latón.
Estos resultados se han obtenido en una serie de
ensayos a baja temperatura (20ºC) y a una presión de contacto
elevada (56 Mpa), condiciones en las que las prestaciones del latón
son especialmente insatisfactorias.
Se puede constatar que a esta temperatura y a
esta presión el coeficiente de los materiales indicados a título de
ejemplo del presente invento permanece esencialmente estable cuando
la velocidad de rozamiento aumenta cuando, en las mismas
condiciones, el del latón disminuye de manera espectacular.
Claims (11)
1. Pieza mecánica de fricción, realizada por
sinterización, destinada a funcionar en un medio lubrificado, hecha
de un material constituido por:
- (A)
- una matriz formada a partir
- (i)
- de partículas a base de hierro y
- (ii)
- de 2 a 7% en peso, con relación a la matriz total de partículas de elementos de aleación escogidos entre el cobre, el níquel y el molibdeno, y
- (iii)
- eventualmente de carbono.
- (B)
- de 2 a 10 partes en volumen por 100 partes en volumen de partículas que constituyen la matriz (A), de partículas de refuerzo, que tienen un tamaño medio comprendido entre 20 y 100 \mum y una dureza superior a la de las partículas de la matriz.
2. Pieza mecánica según la reivindicación 1,
caracterizada porque las partículas de refuerzo tienen una
dureza Vickers al menos igual a 2.000 HV.
3. Pieza mecánica según cualquiera de las
reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque las partículas
de refuerzo (B) se escogen entre las partículas de tipo óxido,
nitruro o carburo o una combinación de ellas.
4. Pieza mecánica según la reivindicación 3,
caracterizada porque las partículas de refuerzo se escogen
entre el óxido de aluminio, el carburo de niobio y el nitruro de
titanio o una combinación de ellas.
5. Pieza mecánica según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque las partículas
de refuerzo son partículas que llevan un revestimiento de naturaleza
química diferente, tales como las partículas de alúmina
(Al_{2}O_{3}) que llevan un revestimiento de nitruro de titanio
(TiN).
6. Pieza mecánica según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la matriz
(A) contiene de 4 a 6% en peso de partículas de elementos de
aleación (ii).
7. Pieza mecánica según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la
proporción de partículas de refuerzo (B) es igual a 5 partes en
volumen por 100 partes en volumen de partículas que constituyen la
matriz (A).
8. Pieza mecánica según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la matriz
contiene además hasta 1% en peso, preferentemente hasta 0,5% en
peso, de carbono añadido en forma de grafito.
9. Pieza mecánica según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las
partículas de hierro que constituyen la matriz (A) y las partículas
de refuerzo (B) tienen un tamaño medio comprendido en el intervalo
que va de 20 a 100 \mum, preferentemente de 40 a 50 \mum.
10. Utilización de una pieza mecánica según
cualquiera de las reivindicaciones precedentes como anillo de
sincronización para cajas de cambio de velocidades de vehículos
automóviles.
11. Procedimiento de fabricación de piezas
mecánicas de fricción según cualquiera de las reivindicaciones 1 a
9, caracterizado porque se mezcla en seco
- -
- un polvo de partículas a base de hierro
- -
- un polvo de partículas de elementos de aleación escogidos entre Cu, Ni y Mo,
- -
- un polvo de partículas de refuerzo que tienen un tamaño comprendido entre 20 y 100 \mum, y
- -
- eventualmente, un polvo de grafito,
\newpage
en las proporciones apropiadas, hasta la
obtención de una mezcla homogénea, porque se somete esta mezcla de
polvos a una compactación en frío en un molde apropiado, y porque la
pieza así obtenida se densifica por sinterización en una atmósfera
controlada a una temperatura del orden de 1.120ºC.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9815529A FR2787047B1 (fr) | 1998-12-09 | 1998-12-09 | Piece mecanique de friction et son procede de fabrication |
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| ES99403016T Expired - Lifetime ES2214828T3 (es) | 1998-12-09 | 1999-12-03 | Pieza mecanica de friccion y procedimiento para su fabricacion. |
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| ES (1) | ES2214828T3 (es) |
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