ES2222157T3 - Procedimiento de tratamiento termico de una rueda dentada de acero. - Google Patents
Procedimiento de tratamiento termico de una rueda dentada de acero.Info
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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.
Applications Claiming Priority (2)
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| FR9902067 | 1999-02-19 | ||
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2000
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