ES2252105T3

ES2252105T3 - Miembro deslizante con resistencia al desgaste y resistencia a la fatiga mejoradas.

Info

Publication number: ES2252105T3
Application number: ES01109886T
Authority: ES
Inventors: Shigeo c/o Kabushiki Kaisha Riken Inoue; Toru c/o Kabushiki Kaisha Riken Onuki
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2000-04-25
Filing date: 2001-04-24
Publication date: 2006-05-16
Anticipated expiration: 2021-04-24
Also published as: AR035332A1; EP1149929A2; CN1328170A; US20010054456A1; US6569266B2; KR20010098883A; EP1149929B1; JP2001303205A; ID29903A; DE60114284T2; KR100499753B1; BR0101560A; CN1134554C; DE60114284D1; EP1149929A3; TW568953B

Abstract

Un miembro deslizante que comprende un acero consistente con un 0, 5 a 1, 0% de C, 1, 0% o menos de Si, entre 0, 3 y 1, 0% de Mn, entre 5, 0 y 12, 0% de Cr, entre 0, 5 y 2, 0% de Mo, entre 0, 1 y 0, 3 % de V, siendo el resto Fe e impurezas inevitables, y una capa de nitruración formada sobre al menos la periferia exterior de la superficie de deslizamiento de dicho acero, en el que dicha capa de nitruración comprende granos de cristal, precipitado de la capa de compuesto a lo largo de los límites de los granos de cristal, y precipitados que constan esencialmente de carbonitruros dispersos dentro de los granos de cristal y que tienen un tamaño inferior a 10 m, y además, el porcentaje del área de los precipitados de tamaño 1 a 10 m es 5% o inferior.

Description

Miembro deslizante con resistencia al desgaste y resistencia a la fatiga mejoradas.

Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención

La presente invención se refiere a un miembro deslizante hecho de un acero con nitruración. Más particularmente, la presente invención se refiere a acero en cuya superficie se realiza nitruración o nitruración blanda. El acero con la nitruración o nitruración blanda presenta grandes resistencia al desgaste y resistencia a la fatiga y es idóneo para el miembro deslizante.

2. Descripción de la técnica relacionada

Hay varias piezas que es necesario que presenten propiedad de deslizamiento y propiedad de resistencia a la fatiga simultáneamente, tal como un muelle, un anillo de pistón y un engranaje. Las propiedades de resistencia al desgaste superficial y de resistencia al desgaste se denominan colectivamente propiedad de deslizamiento. En términos generales, la propiedad de deslizamiento y la propiedad de resistencia a la fatiga son contradictorias entre si por lo siguiente. Un aumento de la dureza da lugar a una mejora de la propiedad de deslizamiento pero produce fragilidad y reducción de la consistencia del material. Dado que la resistencia a la fatiga se reconoce normalmente que es una mitad de la resistencia a la tracción, la reducción de la consistencia da lugar fácilmente a la reducción de la resistencia a la fatiga. Actualmente, se usa el tratamiento de nitruración para resolver la contradicción descrita anteriormente. Es decir, un producto hecho de acero con nitruración, se somete a nitruración en la superficie de deslizamiento del mismo. La dureza superficial del acero se refuerza en gran medida con la nitruración en comparación con la superficie interior del acero. Como consecuencia, la propiedad de deslizamiento tal como la resistencia al desgaste y la resistencia al desgaste superficial mejora en gran medida.

Además del incremento de la dureza, se genera una gran tensión compresiva en la superficie del acero con nitruración. La resistencia a la fatiga mejora en gran medida en comparación con la del acero sin nitruración. Cuando la superficie de acero con nitruración se somete además a granallado o carburación, se superpone una gran tensión compresiva adicional de manera que se obtienen piezas con mayor resistencia a la fatiga.

En cuanto al acero para nitruración, se conoce el uso anterior de un acero inoxidable al Cr 13 martensítico así como un acero hipoaleado con la adición de Al y Cr.

Hasta ahora, casi no ha habido debate o consideración alguna en cuanto la nitruración de una estructura para reforzar la resistencia a la fatiga a un nivel preciso. En otras palabras, si no se atiende a la resistencia a la fatiga por nitruración, el acero con nitruración se somete normalmente a tratamiento de nitruración posterior, tal como el granallado o la carburación. Sin embargo, el tratamiento de nitruración posterior incrementa las etapas del proceso y el coste.

Del documento JP 59 157 261 se conoce un material para piezas de un sistema de válvulas variables de motor, particularmente un material para su uso como balancín. El material de acero conocido contiene, en peso, entre 0,8 y 1,4% de C, un mínimo de 1,5% de Mn, un máximo de 1,0% de Si y entre 6,0 y 9,0% de Cr, siendo el resto Fe e impurezas. Sin embargo, en la práctica se ha observado que el material conocido tiene propiedades de deslizamiento insatisfactorias y, por lo tanto, una resistencia a la fatiga insatisfactoria.

Sumario de la invención

Un objetivo de la presente invención es proveer un miembro deslizante que tenga resistencia a la fatiga satisfactoria sin tratamiento de nitruración posterior tal como granallado y carburación. Este objetivo se cumple mediante un miembro deslizante de acuerdo con la reivindicación 1.

De acuerdo con el miembro deslizante de la presente invención la capa de nitruración comprende granos cristalizados, capas de compuesto (hierro) que precipitan a lo largo de los límites de los granos de cristal, y precipitados que constan esencialmente de carbonitruros dispersos dentro de los granos de cristal y que tienen un tamaño inferior a
10 \mum y, además, el porcentaje del área de los precipitados de tamaño entre 1 y 10 \mum es el 5% o menos,

La resistencia a la fractura de la capa de nitruración del acero de acuerdo con la presente invención es grande. El miembro deslizante con nitruración tiene, por lo tanto, gran resistencia a la fatiga incluso sin tratamiento de nitruración posterior. Seguidamente se describe la presente invención haciendo referencia a la composición.

Descripción de las realizaciones preferidas

Una parte del Cr aleado se sustituye por el entramado de hierro, y el Fe y el Cr forman una solución sólida sustitutiva. El Cr del soluto de la solución sólida sustitutiva promueve la nitruración. La otra parte del Cr reacciona con el C y forma carburo de cromo en el acero. En la capa de nitruración se forman carbonitruros después de la nitruración o nitruración blanda. Como consecuencia, la matriz de la capa de nitruración se endurece moderadamente por los carbonitruros finos. La matriz de la capa de nitruración provee una resistencia contra la propagación de las grietas generadas dentro del material, como se describe con más detalle a continuación. Esta resistencia contra la propagación de grietas y resistencia a la fatiga logradas por la presente invención son mayores que las del miembro de acero que tiene menos del 5% de Cr, o las del miembro de acero sin nitruración. Cuando el contenido de Cr es del 12,0% o superior, dado que casi todos los carburos de Cr se convierten en carbonitruros después de la nitruración, se forman fácilmente carbonitruros gruesos o una estructura aglutinante de carbonitruros finos. Como consecuencia, se reduce la resistencia a la fatiga. El contenido de Cr es, por consiguiente, del 12% o menor. Un contenido de Cr preferible está entre el 7 y el 11%. Cerca de la superficie del acero (capa de nitruración supuesta), donde se va a formar la capa de nitruración, es preferible la siguiente estructura. Es decir, el tamaño del carburo de Cr en la capa superficial (supuesta capa de nitruración) es 10 \mum o inferior, y el porcentaje del área del carburo de Cr de tamaño 1 a 10 \mum es el 5% o menos. El acero de nitruración que tiene dicha estructura de carburo fino se puede producir, por ejemplo, por medio del incremento de la velocidad de enfriamiento de la fundición.

Una parte de C se disuelve en la matriz del acero de nitruración y aumenta la dureza por el endurecimiento de la solución intersticial de endurecimiento, mientras que la otra parte de C reacciona con el Cr y con los demás elementos de formación de carburo y forma carburos. De esta manera se refuerza la resistencia al desgaste. Por consiguiente, el contenido de C debe ser del 0,5% o superior. Por otra parte, cuando el contenido de C es 1,0% o superior, los carburos tienden predominantemente a hacerse grandes lo que impide la nitruración. Un hecho más significativo es que la trabajabilidad en frío se deteriora extremadamente con un contenido de C del 1,0% o superior. El contenido de C no es inferior al 0,5% ni superior al 1,0%. Un contenido de C está preferiblemente entre el 0,7
y el 0,8%.

El Si se añade como agente desoxidante y también se disuelve en la matriz de Fe. Este soluto de Si mejora la resistencia contra la solidificación térmica. Por consiguiente, el Si puede estar contenido en algún grado. Sin embargo, cuando el contenido de Si es superior al 1,0%, se deteriora la trabajabilidad en frío debido a la fragilidad. Por consiguiente, el contenido de Si es del 1,0% o inferior.

También se añade Mn como agente desoxidante como el Si. Un contenido de Mn del 0,3% o superior es necesariamente para desoxidación. Cuando el contenido de Mn es del 1,0% o superior, se deterioran la resistencia a la oxidación así como la trabajabilidad en caliente y la trabajabilidad en frío. Por consiguiente, el contenido de Mn no es inferior al 0,3% ni superior al 1,0%.

El Mo en una cantidad del 0,5% o superior es necesariamente para la supresión del ablandamiento por revenido durante la nitruración. El Mo forma carburos de pequeño tamaño y mejora la dureza. Por consiguiente, el Mo es efectivo para mejorar la resistencia al desgaste. Sin embargo, cuando el Mo, que es un formador de carburo duro, se añade en una cantidad del 2,0% o superior, se forman carburos grandes. Como consecuencia, no se puede obtener una estructura con una gran resistencia a la fatiga. Por consiguiente, el contenido de Mo no es inferior al 0,5% ni superior al 2,0%.

Una pequeña cantidad de V mejora en gran medida la velocidad de nitruración y endurecimiento de la capa de nitruración. Este efecto no se produce cuando el contenido de V es inferior al 0,1%. Por otra parte, cuando el contenido de V es del 0,3% o superior, se forman carburos de vanadio en los límites de los granos y, por lo tanto, disminuye la dureza. Por consiguiente, el contenido de V no es inferior al 0,1% ni superior al 0,3%.

Un miembro deslizante de acuerdo con la presente invención comprende una capa de nitruración con un espesor de entre 5 y 200 \mum, sobre al menos la superficie del acero deslizante periférica exterior. El precipitado contiene principalmente carbonitruros que se dispersan en los granos de cristal de la matriz de la capa de nitruración. Las fases de la matriz son martensita, que contiene soluto de Cr y similares. Otras son carburos y similares. En la presente invención, los precipitados están controlados en tamaño a 10 \mum o menos, para mejorar la propiedad de deslizamiento de la capa de nitruración en sí. Además, el porcentaje del área de los precipitados no inferiores a 1 \mum ni superiores a 10 \mum se controla a menos del 5%, para suprimir la coalescencia mutua de los carbonitruros.

A lo largo de los límites de los granos precipitan compuestos de hierro relativamente grandes. Cuando existen carburos de Cr en la microestructura se cubre con carbonitruros de Cr durante la nitruración. Una parte del carbono de los carburos llega a ser excesiva. Dicho carbono excesivo es expulsado de los carburos hacia los límites de los granos y reacciona con el Fe y el N en los límites de los granos. El compuesto resultante es un compuesto muy duro. El compuesto de límite de grano es continuo tridimensionalmente por las razones expuestas anteriormente. Una grieta originada en el compuesto no metálico que se propaga a través de la capa de nitruración, debe cruzar a través del compuesto de límite de grano. En otras palabras, este compuesto es efectivo para impedir la propagación de las grietas, puesto que este compuesto precipita a lo largo de los límites de los granos de la capa de nitruración. Específicamente, el compuesto precipitado uniformemente constituye una estructura en red. Como consecuencia, la resistencia a la fatiga se refuerza aún más.

Los procedimientos de nitruración que se pueden aplicar al acero de acuerdo con la presente invención, son varios, tales como nitruración por gas, nitruración blanda y nitruración en baño salado.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una gráfica que ilustra la distribución de la tensión en la proximidad de una parte de la superficie de la capa de nitruración.

La figura 2 muestra el espécimen de curvado rotacional de tipo uno.

La figura 3 es una microfotografía (ampliación de 400 veces) de la superficie de fractura del producto A de la invención, que muestra un origen de fractura situado dentro del material.

La figura 4 es una microfotografía (ampliación de 400 veces) de la superficie y de la sección transversal de la capa de nitruración del producto A de la invención.

La figura 5 es una microfotografía (ampliación de 400 veces) de la superficie y de la sección transversal de la capa de nitruración del producto B de la invención.

La figura 6 es una microfotografía (ampliación de 400 veces) de la superficie y de la sección transversal de la capa de nitruración del producto A comparativo.

La figura 7 es una microfotografía (ampliación de 400 veces) de la superficie y de la sección transversal del producto B comparativo.

La figura 8 es un espécimen de la prueba de desgaste.

La figura 9 es una parte de una vista de una de una sección transversal de una máquina de prueba de desgaste a muy alta presión.

La figura 10 es una vista a lo largo de la línea A - A' de la figura 0.

La figura 11 muestra una parte de otra máquina de prueba de desgaste.

A continuación, haciendo referencia a la figura 1, se describe la manera en que la producción de la fractura por fatiga llega a ser improbable en el acero con nitruración de la presente invención. La tensión compresiva residual se genera sobre la superficie de la capa de nitruración. Cuando se aplica tensión externa al acero con la nitruración; la tensión externa es máxima en la superficie y se atenúa en el interior con la distancia desde la superficie. Por consiguiente, la tensión efectiva en el acero es un sumatorio de los vectores de la tensión compresiva residual y de la tensión por tracción externa. La mayor tensión no se genera en la superficie sino en una parte sensiblemente interior de un material (acero). Esto significa que la fractura por fatiga no se inicia en la superficie sino en un aparte sensiblemente interior de un material (acero). Es sabido generalmente que la fractura se genera desde una inclusión
no metálica.

Cuando se genera una grieta desde una inclusión no metálica en la parte sensiblemente interior de un material (acero), la grieta se propaga en dos direcciones. A saber, la grieta se propaga hacia el interior y hacia la superficie. La parte interior del acero no está sometida a nitruración y, por lo tanto, tiene una gran resistencia a la fractura, satisfactoriamente. Por otra parte, la parte de la superficie de nitruración es frágil y tiene muy poca resistencia a la fractura. Por consiguiente, la grieta se propaga fácilmente en la capa de nitruración. Por consiguiente, la propagación de la energía de una grieta está determinada por el valor de la resistencia a la fractura de la capa de nitruración en sí. Cuando una grieta llega a la superficie del acero con nitruración, la tensión compresiva de la capa de nitruración deja de ser efectiva para la prevención de la propagación de la grieta. Puesto que dicha grieta se ha alargado a través de la capa de nitruración, se propaga hacia el interior debido al efecto de mellado. Posteriormente, la velocidad de propagación de la grieta aumenta aceleradamente, lo que conduce finalmente a la fractura por
fatiga.

Como se describe haciendo referencia a la figura 1, con el fin de desarrollar acero de nitruración con una resistencia a la fractura mejorada, la estructura de nitruración del acero debe suprimir la propagación de una grieta generada en la parte interior del acero. Como se mencionó anteriormente, los contenidos ajustados de Cr y C del acero son decisivos para proveer la estructura de nitruración.

A continuación se describe la presente invención hacienda referencia a los ejemplos.

Los aceros inoxidables mertensíticos con la composición que se muestra en la Tabla 1, fueron fundidos en un horno eléctrico y, a continuación, moldeados en lingotes. Los lingotes fueron laminados en bruto en palanquillas. Las palanquillas se redujeron por laminado en caliente formando barras redondas de 15 mm de diámetro. Las barras redondas fueron formateadas para formar especímenes de curvado rotacional de tipo uno, como se muestra en la fi-
gura 1. Los productos A y B comparativos tienen un contenido de Cr inferior y superior, respectivamente, a la de los de la invención.

TABLA 1 Composición Química de las Muestras

	C	Si	Mn	Cr	Mo	V	Fe
Invención	0,79	0,32	0,42	8,04	0,79	0,15	resto
Productos A
Invención	0,78	0,32	0,44	9,93	0,76	0,15	resto
Productos B
Comparativo	0,78	0,32	0,77	4,80	0,99	0,16	Resto
Productos A
Comparativo	0,82	0,42	0,42	17,4	0,12	0,10	resto
Productos B

Posteriormente, se llevó a cabo la nitruración por gas en el sentido preciso en las condiciones de 570º C durante 360 minutos. Después de la nitruración, se eliminó con papel de lija la capa de compuesto superficial (denominada capa blanca) formada en la superficie de las muestras. El terminado de la superficie se realizó usando sucesivamente papeles de lija de los números 180, 320, 360 y 1200. Los especímenes de fatiga preparados de esta manera fueron sometidos a la prueba de fatiga usando el probador de curvado rotacional de tipo uno. El límite de la fatiga (MPa) fue definido por la tensión que no conduce a fractura por fatiga en 107 ciclos. En la Tabla 2 se muestran los límites de la fatiga de los productos de la presente invención y los de los productos comparativos. Además, en la Tabla 2 se muestran también la localización del origen de la fractura y el porcentaje del área de los precipitados de carbonitruro de 1 \mum de tamaño o mayores.

TABLA 2 Límites de fatiga: productos de la presente invención y productos comparativos

	Límite de Fatiga	Localización del	Porcentaje (%) del Área
	(MPa)	Origen de la Fatiga	de Carbonita 1 - 5 \mum
Producto de la Invención A	842	Parte interior	2,4
Producto de la Invención B	853	Parte interior	3,5
Producto Comparativo A	742	Parte interior	2,5
Producto Comparativo B	617	Parte interior	11,9

Aunque los productos de la invención sólo se diferencian de los comparativos en el contenido de Cr, el límite de la fatiga de estos es mayor que la de los primeros aproximadamente en 100 MPa a 230 Mpa. Esto se debe al cambio microestructural de la capa de nitruración.

Haciendo referencia a la figura 3, se muestra la fotografía de un SEM de la superficie fracturada del material A de la invención. La grieta se origina desde la inclusión no metálica que está situada algo dentro del límite de la capa de nitruración (es decir, la capa de difusión de nitrógeno). Este hecho confirmaría el modelo de fractura ilustrado en la figura 1.

En la figura 4 se muestra la sección transversal de la microestructura de la capa de nitruración del producto A de la invención, la figura 5 del producto B de la invención, la figura 6 del producto A comparativo y la figura 7 del producto B comparativo. Como se muestra en las figuras 4 y 5, en los límites de los granos están presentes varias capas de compuesto, y los carbonitruros grandes presentes en los granos de cristal tienen un tamaño de 10 \mum o inferior. Además, como se muestra en la Tabla 2, en los productos A y B de la invención, el porcentaje del área de los carbonitruros no inferiores a 1 \mum ni superiores a 10 \mum es el 5% o menos.

Haciendo referencia a la figura 6, el producto A comparativo satisface el siguiente requisito de la presente invención: en los límites de los granos están presentes capas de compuesto; en los granos de cristal no está presente precipitado grande alguno y el porcentaje del área de los precipitados de tamaño entre 1 y 10 mm es el 5% o menos. Sin embargo, dado que el contenido de Cr del producto A comparativo es inferior al 5%, la matriz de la capa de nitruración es de baja consistencia y, por lo tanto, de baja resistencia a la fatiga. En el producto B comparativo mostrado en la figura 7, están presentes cabonitruros muy grandes y el porcentaje del área de los precipitados es del 11,9%, superior al 5%. La resistencia a la fatiga es baja posiblemente por estas razones.

Prueba de la Propiedad de Deslizamiento Prueba de Resistencia al Desgaste Superficial

Como se muestra en la figura 8, los especímenes para la prueba de resistencia al desgaste superficial fueron preparados usando productos A y B de la invención y productos A y B comparativos. Los especímenes fueron tratados previamente de manera adecuada y, a continuación, fueron sometidos a nitruración por gas a 570º C durante 360 minutos. Seguidamente, se eliminó la capa de compuesto superficial (capa blanca) de la superficie, y la superficie deslizante fue terminada a 20 mm R y una rugosidad de Ra 0,4 \mum o inferior. Se evaluó la resistencia al desgaste superficial de los especímenes tratados de esta manera usando una máquina de prueba como se muestra en las figuras 9 y 10. En las figuras 9 y 110, los numerales de referencia denotan los siguientes miembros: 16 - árbol de transmisión de par torsor; 17 - celda de carga, 18 - amplificador; y 19 - grabadora. Se incrementó gradualmente la carga de contacto y se determinó el momento de incremento brusco de la fuerza de fricción. Se evaluó en este momento la carga de contacto como carga de desgaste superficial. Al mismo tiempo se midió el área de contacto con un microscopio. Con dicha carga de desgaste superficial y dicha área de contacto fue definida la carga de desgaste superficial (carga de desgaste superficial/área de contacto). Las condiciones de la prueba y los resultados fueron los siguientes (Tabla 3):

Condiciones de la Prueba

: Velocidad de deslizamiento: 8 m/s

: Carga de Contacto: Incrementos de 0,2 Pa desde 1,0 Pa

: Aceite Lubricante: motor aceite nº. 20

: Temperatura del Aceite: 80ºC

: Cantidad de Aceite: 5 c^{3}/min.

: Material opuesto: FC250 equivalente (Aspereza de la Superficie Rz 1-2 \mum

TABLA 3

Especimenes	Carga de Desgaste Superficial (MPa)
Producto de la Invención A	354
Producto de la Invención B	353
Material Comparativo A	352
Material Comparativo B	360

La carga de desgaste superficial de los productos A y B de la invención es comparable a la de los productos A y B comparativos. Estas cargas de desgaste superficial son satisfactorias para los miembros deslizantes.

Prueba de Resistencia al Desgaste

La prueba de resistencia al desgaste se llevó a cabo usando una máquina de prueba mostrada en la figura 11. Los 25 especímenes eran de tamaño 5 mm X 5 mm X 20 mm. La superficie deslizante fue terminada como la del espécimen para la prueba de resistencia al desgaste superficial. Es decir, se llevó a cabo la nitruración, eliminación de la capa blanca, y terminado a 20 R de superficie curvada. En la figura 11, los numerales de referencia denotan los siguientes miembros: 21 - material opuesto (FC250 equivalente); 22 - calentador eléctrico; 23 - aceite lubricante; y 24 - soporte de espécimen. Las condiciones de la prueba fueron las siguientes:

: Máquina de prueba: máquina de prueba de desgaste de tambor de clavos

: Velocidad de rozamiento: 0,5 m/s

: Tiempo: 4 horas

: Carga: 490 N

: Temperatura Superficial del Tambor: 180ºC

: Lubricación: motor, aceite nº. 30, a 0,15 c^{3}/min

TABLA 4

Especimenes	Cantidad de Desgaste (\mum)
Invención	4
Producto A
Invención	3
Producto B
Comparativo	15
Material A
Comparativo	3
Material B

La resistencia al desgaste de los productos A y B de la invención es equivalente a la del producto B comparativo y satisfactoriamente alta.

Como se describió anteriormente, el acero de nitruración de acuerdo con la presente invención puede presentar simultáneamente propiedades de gran rendimiento tanto en deslizamiento como en resistencia a la fatiga and, por consiguiente es altamente útil para piezas tales como muelles de automoción, anillos de pistón y piezas resistentes al desgaste en las que ambas propiedades sean necesarias a la vez.

Claims

1. Un miembro deslizante que comprende un acero consistente con un 0,5 a 1,0% de C, 1,0% o menos de Si, entre 0,3 y 1,0% de Mn, entre 5,0 y 12,0% de Cr, entre 0,5 y 2,0% de Mo, entre 0,1 y 0,3 % de V, siendo el resto Fe e impurezas inevitables, y una capa de nitruración formada sobre al menos la periferia exterior de la superficie de deslizamiento de dicho acero, en el que dicha capa de nitruración comprende granos de cristal, precipitado de la capa de compuesto a lo largo de los límites de los granos de cristal, y precipitados que constan esencialmente de carbonitruros dispersos dentro de los granos de cristal y que tienen un tamaño inferior a 10 \mum, y además, el porcentaje del área de los precipitados de tamaño 1 a 10 \mum es 5% o inferior.

2. Un miembro deslizante de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la capa de nitruración no se somete sustancialmente a un tratamiento posterior, tal como granallado y carburación.