ES2222157T3 - Procedimiento de tratamiento termico de una rueda dentada de acero. - Google Patents

Procedimiento de tratamiento termico de una rueda dentada de acero.

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Abstract

Procedimiento de tratamiento térmico mediante inducción con arreglo a dos frecuencias, media (f1) y alta (f2), de una rueda dentada (10) de acero, en especial una rueda o un piñón de una caja de velocidades de vehículo automóvil, del tipo en el que la rueda (10) dentada se somete a una primera operación (I) de calentamiento mediante inducción a media frecuencia (f1) y, luego, a una segunda operación (III) de calentamiento mediante inducción a alta frecuencia (f2), y del tipo en el que la rueda dentada (10) se somete a una operación (IV) de enfriamiento rápido para llevar a cabo un temple superficial de los fondos (12) y los costados (22) de los dientes (14) de la rueda (10), caracterizado porque - la primera operación (I) de calentamiento está destinada a realizar una operación de transformación en austenita de los fondos (12) de los dientes de la rueda dentada (10), - entre la operaciones de calentamiento primera (I) y segunda (III), la rueda dentada (10) se somete a una operación intermedia (II) de enfriamiento para permitir que el calor se difunda hacia el centro (16) de cada diente (18) del dentado (14) y disminuir las tensiones de deformación de la rueda dentada (10), - la segunda operación (III) de calentamiento está destinada a realizar una operación de transformación en austenita de los costados (22) de los dientes (14) de la rueda dentada (10), y a realizar una segunda operación de transformación en austenita de los fondos (12) de los dientes (14) de la rueda dentada (10).

Description

Procedimiento de tratamiento térmico de una rueda dentada de acero.
La presente invención se refiere a un procedimiento de tratamiento térmico mediante inducción con arreglo a dos frecuencias, media y alta, de una rueda dentada de acero.
La invención se refiere, más concretamente, a un procedimiento de tratamiento térmico mediante inducción con arreglo a dos frecuencias, media y alta, de una rueda dentada de acero, en particular de una rueda o de un piñón de una caja de velocidades de vehículo automóvil, del tipo en el que la rueda dentada se somete a una primera operación de calentamiento mediante inducción a media frecuencia, para endurecer los fondos de los dientes de la rueda dentada, del tipo en el que la rueda dentada se somete a una segunda operación de calentamiento mediante inducción a alta frecuencia, para endurecer los costados de los dientes de la rueda dentada, y del tipo en el que la rueda dentada se somete a una operación de enfriamiento rápido, para llevar a cabo un temple superficial de los fondos y costados de los dientes de la rueda dentada.
Se conocen numerosos ejemplos de procedimientos de tratamientos térmicos, mediante inducción, para ruedas dentadas de acero.
El tratamiento térmico mediante inducción, con arreglo a dos frecuencias, de los contornos de una rueda dentada, en una sola capa, es conocido desde hace tiempo. La utilización de un inductor de frecuencia elevada permite asegurar, durante el calentamiento, la formación de austenita en los costados de los dientes del dentado, mientras que la utilización simultánea de un inductor de frecuencia media permite asegurar, durante el calentamiento, la formación de austenita en los fondos de los dientes. Un temple ulterior en agua permite transformar la austenita en martensita.
Se plantea un problema al nivel de las zonas de conexión entre los costados de los dientes y los fondos de los dientes. Se ha constatado, en efecto, que estas zonas presentaban una formación incompleta de austenita. Efectivamente, en este caso, una parte de la ferrita constitutiva del material inicial no se transforma en austenita con el calentamiento. En consecuencia, durante el temple, esta ferrita residual no puede transformarse en martensita, y los dientes de la rueda se encuentran debilitados precisamente en esta zona.
Para remediar este inconveniente, se ha propuesto realizar un calentamiento de la rueda dentada mediante inducción, con arreglo a dos frecuencias, de manera que se obtenga una rueda dentada que presente dos capas de martensita.
Este procedimiento de tratamiento térmico se describe y representa, en especial, en el documento FR-A-2.687.169.
Este documento describe y representa un procedimiento de tratamiento térmico que consiste en realizar, en primer lugar, una operación de calentamiento, mediante inducción a media frecuencia, de la capa superficial visible de la rueda dentada y de la sub-capa situada justo debajo. Esta operación permite obtener dos capas de martensita de grano fino con durezas diferentes.
Esta operación es seguida de un temple que prepara la capa y la sub-capa para un revenido. Este revenido se obtiene mediante una operación de calentamiento a media frecuencia que actúe sobre la capa superficial y sobre la sub-capa, mientras que una operación simultánea de calentamiento a alta frecuencia, que solamente actúe sobre la capa superficial, provoca una segunda austenización de esta capa. A continuación, viene un segundo temple.
Se obtiene, así, una rueda dentada que comprende, de fuera a dentro, tres capas con durezas decrecientes, que son la capa superficial, la sub-capa y el núcleo.
Este procedimiento de tratamiento térmico resuelve el problema de las conexiones entre fondo de dentado y costado de dientes, pero es, por una parte, largo, y, por otra, puede dar lugar a deformaciones de los dientes que precisen de correcciones antes del mecanizado, y que dependen, en particular, de los lotes de material utilizado.
Para remediar estos inconvenientes, la invención propone un procedimiento de tratamiento térmico, rápido, que permita reducir las tensiones internas a las que se somete el material de la rueda dentada.
Con este fin, la invención propone un procedimiento de tratamiento térmico del tipo anteriormente descrito, caracterizado porque la primera operación de calentamiento está destinada a llevar a cabo una operación de transformación en austenita de los fondos de los dientes de la rueda dentada, sometiéndose la rueda, entre las operaciones de calentamiento primera y segunda, a una operación intermedia de enfriamiento, para dejar que el calor se difunda hacia el centro de cada diente del dentado y disminuyan las tensiones de deformación de la rueda dentada, estando destinada la segunda operación de calentamiento a producir una operación de transformación en austenita de los costados de los dientes de la rueda dentada y a lograr una segunda operación de transformación en austenita de los fondos de los dientes de la rueda dentada.
Según otras características de la invención:
- la primera operación de calentamiento es una operación de calentamiento con duración inferior a un segundo y con elevada densidad de potencia superficial, proporcionada por un primer inductor a la superficie del diente,
- la duración de la primera operación de calentamiento y la potencia superficial de la superficie del diente, proporcionada por el primer inductor, se escogen de modo que la temperatura de los fondos de los dientes de la rueda dentada alcance, aproximadamente, 1000ºC,
- la operación intermedia de enfriamiento se obtiene por transferencia de la rueda dentada desde un primer inductor, que realiza la primera operación de calentamiento, a un segundo inductor, que realiza la segunda operación de calentamiento,
- la duración de la transferencia se escoge de modo que la temperatura en el centro del diente suba a 400ºC, y de modo que la temperatura de los fondos de los dientes de la rueda dentada baje a 600ºC,
- la segunda operación de calentamiento es una operación de calentamiento con una duración inferior o igual a 0,5 segundos y con densidad de potencia superficial muy alta, proporcionada por un segundo inductor a la superficie del diente,
- la duración de la segunda operación de calentamiento, y la potencia superficial, proporcionada por el segundo inductor a la superficie del diente, se escogen de modo que la temperatura de los fondos de los dientes de la rueda alcance un valor superior a, aproximadamente, 1000ºC, permaneciendo la temperatura del centro del diente a, aproximadamente, 400ºC,
- la duración de la aplicación de potencia del segundo inductor es inferior a 0,05 segundos,
- la tercera operación de enfriamiento rápido es una operación de temple, en agua, que permite la formación de martensita en los costados y los fondos de los dientes de la rueda dentada,
- la rueda dentada es una rueda dentada cilíndrica con dientes helicoidales,
- los inductores son inductores cuyos ramales son eventualmente perpendiculares al perfil helicoidal del dentado, conforme a la solicitud de patente FR9603575 presentada por la solicitante.
Otras características y ventajas de la invención se manifestarán a partir de la lectura de la descripción detallada que sigue, para la comprensión de la cual se hará referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
- la figura 1 es una vista esquemática, desde arriba, de una rueda dentada, después de la primera operación de calentamiento;
- la figura 2 es una vista, desde arriba, de la rueda dentada, después de la operación intermedia de enfriamiento;
- la figura 3 es una vista, desde arriba, de la rueda dentada, después de la segunda operación de calentamiento;
- la figura 4 es un diagrama que muestra la variación de la temperatura de los fondos de los dientes de la rueda dentada, en función del tiempo, durante estas tres operaciones.
En la descripción que sigue, los números de referencia idénticos designan elementos idénticos o que tengan funciones similares.
En la figura 4 se han representado las diferentes etapas de un ciclo de calentamiento realizado mediante un procedimiento de tratamiento por inducción según la invención con arreglo a dos frecuencias f_{1} y f_{2}.
El diagrama de la figura 4 muestra la temperatura T de los fondos de los dientes 12 de una rueda dentada 10, representada en las figuras 1 a 3, en función del tiempo t transcurrido desde el principio de la puesta en práctica del procedimiento. La rueda dentada 10 es, en el modo de realización preferido de la invención, una rueda dentada 10 con dientes helicoidales, del tipo de las utilizadas generalmente en las cajas de velocidades de vehículos automóviles. El dentado 14 comprende dientes 18, cada uno con costados 22, que comprenden un extremo 20 y un centro 16. Los dientes 18 están separados entre sí por fondos 12 de dentado.
Como muestra la figura 4, la rueda dentada 10 representada en las figuras 1 a 3 se somete, en primer lugar, a una primera operación I de calentamiento, que es, de manera conocida, una operación de calentamiento por inducción a media frecuencia f_{1}. Esta primera operación I de calentamiento se realiza mediante un primer inductor (no representado) que se ajusta al tipo de dientes 14 de la rueda dentada 10 a tratar. En el modo de realización preferido de la invención, el primer inductor es un inductor anular cuyos ramales son perpendiculares al perfil helicoidal del dentado 14 de la rueda 10.
A título de ejemplo, y de manera no limitativa de la invención, para una rueda dentada 10 que comprenda un módulo de dentado del orden de 2,5, la frecuencia f_{1} utilizada por el primer inductor es del orden de 2,5 kHz.
De acuerdo con la invención, esta primera operación I de calentamiento se realiza con una potencia P_{1} elevada, y tiene una duración \Deltat_{1} muy corta, inferior a un segundo. Así, a título de ejemplo, y de manera no limitativa de la invención, esta primera operación I de calentamiento es realizada por el primer inductor con una densidad de potencia P_{1} real del orden de 6 kW/cm^{2}, y dura un segundo, como muestra el diagrama de la figura 4.
Es sabido que la duración de una operación de calentamiento y la potencia real proporcionada por un inductor son inversamente proporcionales. En el caso presente, estos parámetros se escogen de modo que la temperatura T_{1} de la superficie de los fondos 12 de los dientes 14 de la rueda dentada 10 alcance 1000ºC al final de la primera operación I de calentamiento. Ello se obtiene debido a que la frecuencia media f_{1} de 2,5 kHz del primer inductor solamente permite un calentamiento elevado de las superficies que estén alejadas del primer inductor, y, en particular, de los fondos 12 de los dientes 14.
En consecuencia, esta primera operación I de calentamiento permite, en los fondos 12 de los dientes, al superar una temperatura T_{a} de austenización de 750ºC, que se representa en el diagrama de la figura 4, austenizar una primera vez dichos fondos 12 de los dientes 14 de la rueda dentada 10 en un espesor de, aproximadamente, 1 mm.
Conforme a la invención, la rueda dentada 10 se somete a continuación a una primera operación II de enfriamiento, que es una operación intermedia entre la primera operación I de calentamiento y una segunda operación III ulterior de calentamiento, a fin de difundir el calor en el centro 16 de cada diente 18.
Esta primera operación II de enfriamiento se realiza, ventajosamente, mediante la simple transferencia de la rueda dentada 10 desde el primer inductor de media frecuencia f_{1}a un segundo inductor de alta frecuencia f_{2}, que será utilizado durante la segunda operación III de calentamiento. Esta primera operación II de enfriamiento es de duración \Deltat_{2} muy corta, es decir, inferior a 0,5 segundos. Así, a título de ejemplo, y de manera no limitativa de la invención, la primera operación II intermedia de enfriamiento ilustrada en la figura 4 tiene una duración \Deltat_{2} de 0,3 segundos.
Al final de esta primera operación intermedia II de enfriamiento, la temperatura T de los fondos 12 de los dientes 14 de la rueda dentada 10 vuelve a estar por debajo de la temperatura T_{a} de austenización de 750ºC, a fin de permitir, ulteriormente, una re-austenización de la ferrita residual que contienen los fondos 12 de los dientes. Así, por ejemplo, durante esta primera operación II de enfriamiento, la temperatura T de los fondos 12 de los dientes 14 vuelve a bajar a una temperatura T_{2} del orden de 600ºC, mientras que el calor se difunde hacia el centro 16 de cada diente 18, lo que permite que la temperatura del centro 16 de cada diente 18 alcance, aproximadamente, 400ºC.
Se notará que al final de esta primera operación intermedia II de enfriamiento, los extremos 20 de los dientes 18 del dentado 14 que no hayan sido casi afectados por el calentamiento a media frecuencia f_{1} de la primera operación I de calentamiento, permanecen a una temperatura muy inferior a las temperaturas respectivas del centro 16 de cada diente 18 y T_{2} del fondo 12 de los dientes del dentado 14.
A continuación, con ayuda del segundo inductor, se lleva a cabo la segunda operación III de calentamiento, mediante inducción a alta frecuencia f_{2}. De manera conocida, para una rueda dentada 10 que tenga, por ejemplo, un módulo de dentado de 2,5, esta operación de calentamiento por inducción a alta frecuencia f_{2} se realiza a una frecuencia f_{2} de 120 kHz, con objeto de provocar la transformación de la ferrita en austenita solamente en la superficie de la rueda dentada 10, y en una capa muy fina.
En efecto, la alta frecuencia f_{2} de esta segunda operación III de calentamiento permite alcanzar, solamente, la superficie o "piel" del dentado 14. Esta segunda operación III de calentamiento se realiza en un tiempo \Deltat_{3} muy corto, es decir, inferior a 0,3 segundos, como muestra la figura 4, y el tiempo de la aplicación de potencia del segundo inductor es muy corto, del orden de 0,05 segundos.
De ese modo, el segundo inductor proporciona una densidad de potencia P_{2} muy elevada, del orden de 10 kW/cm^{2}, lo que contribuye a la obtención del "efecto de piel", penetrando el calor menos en el centro 16 de cada diente 18, permaneciendo dicho centro a la temperatura de precalentamiento, del orden de 400ºC. Se produce así una austenización de los extremos 20 y de los costados 22 de los dientes 18, y una segunda austenización de los fondos 12 de los dientes 14. Esta segunda austenización de los fondos 12 de los dientes presenta la ventaja de afinar el tamaño del grano austenítico al nivel de los fondos 12, lo que contribuye a aumentar la resistencia a la fatiga de los dientes 14.
Al final de esta segunda operación III de calentamiento, la temperatura T de los fondos 12 de los dientes supera los 1000ºC. Ello corresponde, en la práctica, a una temperatura T_{3} de 1150ºC, como se muestra, por ejemplo, en la figura 4.
Como la frecuencia f_{2} proporcionada por el segundo inductor es mucho más elevada que la frecuencia f_{1} proporcionada por el primer inductor, la cantidad de ferrita transformada en austenita durante esta segunda operación III de calentamiento es, proporcionalmente, mayor en los costados 22 y en los extremos 20 de los dientes 18 que en los fondos 12 del dentado 14, pero como los fondos 12 del dentado 14 ya han sido austenizados previamente por la primera operación I de calentamiento, el resultado global en la superficie de la "piel" de los dientes 14 de la rueda dentada 10 es que, al final de la segunda operación III de calentamiento, la austenización del material de la rueda dentada 10 es uniforme en los extremos 20, los costados 22 y los fondos 12 de los dientes 14, y ello en un espesor de, aproximadamente, 1 mm.
En lo que se refiere al centro 16 de cada diente 18, dicho centro no resulta afectado, prácticamente, por el calentamiento mediante inducción del segundo inductor y permanece a la temperatura de precalentamiento de 400ºC.
Por último, como muestra la figura 4, al final de estas tres operaciones se lleva a cabo una operación IV de temple rápido durante un intervalo \Deltat_{4} muy corto. Dicha operación tiene por objeto hacer caer de modo brutal la temperatura T de los fondos 12 de la rueda dentada 10 y producir la transformación de la austenita formada en la capa uniforme de 1 mm, representada en la figura 3, en una capa uniforme de martensita de gran dureza. Ventajosamente, este temple es un temple con agua a presión.
Así, el procedimiento de tratamiento térmico según la invención permite obtener una rueda dentada 10 que presente en toda su superficie periférica una capa martensítica uniforme poco profunda, de aproximadamente 1 mm, y de gran dureza, necesitando la ejecución de este procedimiento tiempos de operación muy cortos, lo que representa una reducción de costes apreciable para la fabricación en serie.

Claims (10)

1. Procedimiento de tratamiento térmico mediante inducción con arreglo a dos frecuencias, media (f_{1}) y alta (f_{2}), de una rueda dentada (10) de acero, en especial una rueda o un piñón de una caja de velocidades de vehículo automóvil, del tipo en el que la rueda (10) dentada se somete a una primera operación (I) de calentamiento mediante inducción a media frecuencia (f_{1}) y, luego, a una segunda operación (III) de calentamiento mediante inducción a alta frecuencia (f_{2}), y del tipo en el que la rueda dentada (10) se somete a una operación (IV) de enfriamiento rápido para llevar a cabo un temple superficial de los fondos (12) y los costados (22) de los dientes (14) de la rueda (10), caracterizado porque
-
la primera operación (I) de calentamiento está destinada a realizar una operación de transformación en austenita de los fondos (12) de los dientes de la rueda dentada (10),
-
entre la operaciones de calentamiento primera (I) y segunda (III), la rueda dentada (10) se somete a una operación intermedia (II) de enfriamiento para permitir que el calor se difunda hacia el centro (16) de cada diente (18) del dentado (14) y disminuir las tensiones de deformación de la rueda dentada (10),
-
la segunda operación (III) de calentamiento está destinada a realizar una operación de transformación en austenita de los costados (22) de los dientes (14) de la rueda dentada (10), y a realizar una segunda operación de transformación en austenita de los fondos (12) de los dientes (14) de la rueda dentada (10).
2. Procedimiento de tratamiento térmico según la reivindicación 1, caracterizado porque la primera operación (I) de calentamiento es una operación de calentamiento de duración (\Deltat_{1}) inferior a un segundo y de alta densidad de potencia superficial (P_{1}), proporcionada por un primer inductor a la superficie del diente (18).
3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la duración (\Deltat_{1}) de la primera operación de calentamiento y la potencia superficial (P_{1}) proporcionada por el primer inductor a la superficie del diente (18) se escogen de modo que la temperatura (T_{1}) de los fondos (12) de los dientes (14) de la rueda dentada (10) alcance, aproximadamente, 1000ºC.
4. Procedimiento de tratamiento según la reivindicación 3, caracterizado porque la operación intermedia (II) de enfriamiento se obtiene por transferencia de la rueda dentada (10) desde el primer inductor, que realiza la primera operación (I) de calentamiento, a un segundo inductor, que realiza la segunda operación (III) de calentamiento.
5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque la duración (\Deltat_{2}) de la transferencia se escoge de modo que la temperatura del centro del diente suba a 400ºC, y de modo que la temperatura (T) de los fondos (12) de los dientes (14) de la rueda dentada (10) baje a 600ºC.
6. Procedimiento de tratamiento térmico según una cualquiera de las reivindicaciones 4 ó 5, caracterizado porque la segunda operación (III) de calentamiento es una operación de calentamiento de una duración (\Deltat_{3}) inferior a 0,5 segundos y de muy alta densidad de potencia (P_{2}) superficial, proporcionada por un segundo inductor a la superficie del diente (18).
7. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque la duración (\Deltat_{3}) de la segunda operación (III) de calentamiento, y la potencia (P_{2}) superficial, proporcionada por el segundo inductor a la superficie del diente (18) se escogen de modo que la temperatura (T) de los fondos (12) de los dientes (14) de la rueda dentada (10) alcance un valor superior a, aproximadamente, 1000ºC, permaneciendo la temperatura del centro del diente a, aproximadamente, 400ºC.
8. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 6 ó 7, tomada en combinación con una cualquiera de las reivindicaciones 4 ó 5, caracterizado porque la duración de la aplicación de potencia del segundo inductor es inferior a 0,05 segundos.
9. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la operación (IV) de enfriamiento rápido es una operación de temple en agua que permite la formación de martensita en los costados (22) y los fondos (12) de los dientes (14) de la rueda dentada (10).
10. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la rueda dentada es una rueda dentada con dientes helicoidales, y los inductores son inductores cuyos ramales son perpendiculares al perfil helicoidal del dentado.
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