ES2264507T3 - Fundicion esferoidal particularmente para segmentos de piston y metodo para esa produccion. - Google Patents

Fundicion esferoidal particularmente para segmentos de piston y metodo para esa produccion.

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ES2264507T3 ES03016555T ES03016555T ES2264507T3 ES 2264507 T3 ES2264507 T3 ES 2264507T3 ES 03016555 T ES03016555 T ES 03016555T ES 03016555 T ES03016555 T ES 03016555T ES 2264507 T3 ES2264507 T3 ES 2264507T3
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Abstract

Fundición esferoidal particularmente adecuada para segmentos de pistones, comprendiendo en porcentaje de peso, 3, 20 ¿ 4, 20 carbono, 2, 00 ¿ 4, 00 silicio, hasta 0, 10 fósforo, hasta 0, 10 azufre, hasta 0, 20 manganeso, hasta 1, 30 cobre, hasta 0, 50 cromo, 1, 7 a 5, 00 níquel y metales de tierras raras, 0, 10 a 2, 00 molibdeno, 0, 1 a 2, 0 titanio más vanadio más niobio, hasta 0, 20 cobalto y hasta 1, 00 boro y calcio el balance siendo hierro e impurezas inevitables, la matriz teniendo una estructura bainítica-austenítica con un porcentaje de austenita de entre 20 y 40% en peso.

Description

Fundición esferoidal particularmente para segmentos de pistón y método para esa producción.
La presente invención hace referencia a una fundición esferoidal que puede ser utilizada por ejemplo para producir segmentos de pistón para pistones que trabajan dentro de cilindros de motores, y a un método para obtener dicha fundición esferoidal.
Es conocido que la fundición esferoidal se utiliza en muchos campos, tales como raíles para trenes, bancadas, guías deslizantes, cilindros de motor, engranajes, etcétera.
En estos campos, los requisitos generales de la fundición son mayormente tener una elevada dureza y por lo tanto una elevada resistencia a la tracción, buena resistencia al desgaste y un bajo coeficiente de expansión térmica.
Por ejemplo, una fundición esferoidal austemperada es conocida de la solicitud de patente Europea 0144907 que es utilizada para producir partes mecánicas y es adecuada para producir partes delgadas así como detalles que tienen una pared de sección transversal gruesa; esta patente también describe que al producir este tipo de fundición esferoidal hay inevitables impurezas o porosidades en la fundición.
Por esta razón, este tipo de fundición no puede ser capaz de tratar con los problemas de elasticidad y fuerza que caracterizan el uso por ejemplo en el campo de los segmentos de pistones para pistones, puesto que no es producida según un proceso de derretido que permita su uso para segmentos de pistón. Los segmentos de pistón son de hecho provistos a partir de fundidos delgados y de modo acorde una fundición que tiene porosidades, a pesar de tener excelentes cualidades mecánicas, no puede cumplir las necesarias condiciones de elasticidad, deformabilidad, fuerza mecánica y resistencia a la fatiga que se requieren para el uso y fiabilidad de los segmentos de pistón.
Un uso de fundición esferoidal que es específicamente adecuado para el campo de los segmentos de pistón está ya conocido de la patente GB 840490; esta patente introdujo la posibilidad de proveer segmentos de pistón para motores hechos de fundición esferoidal teniendo una matriz completamente bainítica. Esta patente de hecho describe la capacidad de realizar fundidos de fundición esferoidal para segmentos de pistón que son subsiguientemente tratados por calor hasta que se provee una matriz metalúrgica completamente bainítica; debe conocerse que las estructuras metalúrgicas tales como la bainita y la martensita, a pesar de tener elevadas características de resistencia a la rotura por tracción, tienen una baja tenacidad y por lo tanto una baja resistencia al impacto.
DE-A-4305 027 muestra una fundición SG adecuada para segmentos de pistón que comprende, por ejemplo, 0,54 coeficiente % de níquel, y tiene una microestructura de, por ejemplo, perlita, ferrita, bainita o martensita templada.
Debe conocerse que los segmentos de pistón de motores de combustión interna están actualmente divididos en dos tipos: segmentos de pistón de fundición y segmentos de pistón de acero.
Los segmentos de pistón de fundición, que a su vez pueden estar hechos de fundición laminar de grafito o fundición esferoidal, se obtienen a partir de fundidos que subsiguientemente son trabajados en máquinas-herramienta. La trabajabilidad particular de la fundición de hecho permite obtener segmentos de pistón que tienen formas geométricas complejas que pueden adaptarse de modo óptimo a la forma interna del cilindro y a la forma del pistón, consiguiendo una excelente estanqueidad al aceite, limitando los gases de soplado en motores de cuatro tiempos, facilitando el deslizamiento y por lo tanto permitiendo conseguir velocidades de deslizamiento muy elevadas y un desgaste limitado, todo esto con relación a las particulares expansiones térmicas del cilindro, que trabajan en contraste con el pistón, y a las reducidas penetraciones del segmento de pistón en los orificios de paso de motores de dos tiempos.
Otra característica sustancial de los segmentos de pistón de fundición es que la estructura grafítica de la fundición permite tener excelentes características tribológicas y una elevada conductividad térmica, tal como para permitir una capacidad excelente de autolubricación, de este modo proveyendo un mejor deslizamiento, un bajo coeficiente de fricción y de modo acorde menos desgaste en la operación que lo que se puede conseguir con los segmentos de pistón de acero.
Debe considerarse que los elementos de pistón de fundición esferoidal, al igual que todos los componentes hechos de fundiciones esferoidales, tienen características mecánicas y de fuerza que en cualquier caso son mejores que las de los segmentos de pistón hechos de fundiciones laminares de grafito, puesto que en las láminas de grafito los vértices de las láminas producen una serie de efectos de intensificación de tensión local que tensionan y debilitan dicha estructura.
Los segmentos de pistón de acero tienen mucha más resistencia a la rotura por tracción, fuerza de alargamiento, fuerza de impacto y tenacidad que los segmentos de pistón de fundición, y de modo acorde pueden utilizarse sin problemas incluso en condiciones de tensión física y mecánica muy intensa, que no pueden soportar los segmentos de pistón hechos de fundiciones esferoidales actualmente utilizados en este sector. Por otra parte, los segmentos de pistón de acero no son fáciles de trabajar y a la vista de su microestructura no tienen características autolubricantes: por esta razón requieren el uso de revestimientos de superficie antifricción con el fin de utilizarse sin problema dentro de los motores.
El objetivo de la presente invención es proveer una fundición esferoidal que pueda utilizarse particularmente por ejemplo en la producción de segmentos de pistón y que sea capaz de eliminar o sustancialmente reducir los inconvenientes de la técnica conocida.
Dentro del ámbito de este objetivo, un objeto de la invención es proveer una fundición esferoidal que pueda utilizarse en particular por ejemplo para proveer segmentos de pistón y que sea capaz de eliminar o sustancialmente reducir las diferencias respecto de los aceros utilizados actualmente en el sector específico en términos de fuerza mecánica manteniendo las ventajas típicas citadas anteriormente de la fundición esferoidal respecto del acero.
Dentro del ámbito de este objetivo, un objeto de la invención es proveer una fundición esferoidal que permita producir segmentos de pistón para pistones cuyas características mecánicas sean sustancialmente igual a las de los segmentos de pistones hechos de acero y posiblemente tengan secciones transversales resistentes reducidas con respecto a los de los segmentos de pistones de fundición actuales, y tenga un coeficiente de expansión térmica que sea comparable al coeficiente del acero (\lambda=12 x 10^{-6}/°C).
Un objeto de la invención es de hecho proveer una fundición esferoidal que pueda utilizarse para fabricar elementos elásticos que puedan obtenerse en virtud de fundidos específicos para partes fundidas que sean pequeñas y tengan una sección transversal estrecha, formadas como un anillo cerrado, mediante un único fundido cluster o fundido centrifugado, por ejemplo con el fin de proveer segmentos de pistones para pistones que trabajen dentro de cilindros para motores.
Otro objeto de la invención es proveer una fundición esferoidal que permita conseguir un módulo de elasticidad normal elevado.
Otro objeto de la invención es proveer una fundición esferoidal que permita producir elementos que tengan una dureza uniforme y homogénea a lo largo de toda la extensión periférica del fundido.
Otro objeto de la invención es proveer una fundición que deba tener una elevada resistencia a la rotura por tracción; el segmento de pistón, por ejemplo, está de hecho sometido a intensas tensiones dinámicas de alta frecuencia, y por lo tanto con el fin de ser capaz de trabajar sin romperse, la fundición debe tener una elevada resistencia a la tracción y fuerza de alargamiento. En particular, la fundición esferoidal según la invención es adecuada para fabricar segmentos de pistones para motores de combustión interna modernos con un muy elevado rendimiento y una baja contaminación, y por lo tanto el tratamiento de austemperado ha determinado valores precisos de austenita y bainita que son adecuados para este tipo de uso, con valores UTS de 1300 N/mm^{2} y Rp_{0.2} de 1100/Nmm^{2}.
Otro objeto de la invención es proveer una fundición que sea capaz de soportar el uso a elevada temperatura sin templado.
Otro objeto de la invención es proveer una fundición que sea capaz de una elevada resistencia al desgaste.
Otro objeto de la invención es proveer una fundición que tenga una elevada resistencia a la fatiga.
Otro objeto de la invención es proveer una fundición que tenga una elevada fuerza de impacto.
Otro objeto de la invención es proveer un proceso de derretido particular que permita una excelente uniformidad microestructural en todos los fundidos y permita eliminar porosidades e inducciones de inclusiones a lo largo de toda la región periférica del segmento del fundido.
Este objetivo y este y otros objetos que resultarán aparentes de mejor modo a continuación se consiguen mediante una fundición esferoidal austemperada según la reivindicación 1.
Este objetivo y estos y otros objetos también se consiguen mediante una fundición esferoidal austemperada obtenida mediante un proceso según la reivindicación 3.
Otras características y ventajas de la invención resultarán aparentes de mejor modo a partir de la descripción.
La fundición esferoidal según la invención tiene la siguiente composición química, en la que los elementos individuales son expresados como un porcentaje por peso, mientras que el porcentaje restante está constituido por hierro Fe: 3,20 - 4,20% C, 2,00 -4,00% Si, hasta 0,10% P, hasta 0,10% S, hasta 0,20% Mn, hasta 1,30% Cu, hasta 0,50% Cr, 1,7% a 5,00% Ni+RE, hasta 2,00% Mo, 0,1% a 2,0% Ti+V+Nb, hasta 0,20% Co. Opcionalmente, la composición de la fundición según la invención puede también comprender B, Ca y otros elementos hasta un máximo global de 1,00%.
La fundición esferoidal particularmente para producir segmentos de pistón según la invención tiene una matriz bainítica austenítica, elevada fuerza de impacto, elevado módulo normal de elasticidad, elevada fuerza mecánica y valores muy precisos de medición de los esferoides de grafito y bajos valores de redondez y rugosidad de esferoides y un coeficiente de expansión térmica que puede compararse con el del acero.
Con el fin de permitir utilizar un cierto tipo de fundición por ejemplo para producir segmentos de pistón para motores, dicha fundición debe de hecho tener una serie de características fundamentales necesarias, bajo pena de no funcionalidad de dichos segmentos de pistón.
La presente invención por lo tanto hace referencia a una fundición esferoidal, que está particularmente optimizada para la producción de elementos mecánicos que deben tener características de elasticidad, buena resistencia a la fatiga y al desgaste, tal y como se requiere por ejemplo para segmentos de pistón de motores de combustión interna, y además tiene importantes propiedades de fuerza de impacto y tenacidad: de hecho, en la actualidad no se conocen fundiciones esferoidales con una matriz no ferrita, incluso no específicamente para segmentos de pistón, que consigan valores apreciables de fuerza de impacto.
Para hacer dicha fundición esferoidal adecuada para el uso, por ejemplo, para segmentos de pistón, además de tener una composición química específica tal y como se ha citado anteriormente, antes que nada las materias primas deben ser seleccionadas según especificaciones muy precisas, y dichas materias han de estar libres de impurezas o elementos que puedan causar la degeneración de la estructura final del fundido.
La estructura que debe ser obtenida para su uso por ejemplo en segmentos de pistón debe de hecho tener un grafito esferoidal con distribución uniforme a través de la sección transversal del fundido y con tamaños esferoidales de 5 a 8 (según el estándar ISO 945 "Fundición; Designación de la microestructura del grafito").
La matriz del fundido que debe obtenerse en los fundidos para segmentos de pistón debe ser predominantemente perlítica, con áreas ferritas, con el fin de tener un óptimo tratamiento subsiguiente de austemperado.
Las características mecánicas citadas anteriormente se consiguen mediante la fundición esferoidal según la invención tanto controlando su composición química como identificando óptimos procesos de derretido y austemperado.
En la producción de segmentos de pistón, por ejemplo, el elevado módulo normal de elasticidad del segmento de pistón es fundamental de forma que aplique una presión de contacto (fuerza tangencial) contra las paredes del cilindro en el que está instalado, dicha presión de contacto siendo requerida con el fin de asegurar la estanqueidad al gas de la cámara de combustión. Además, un elevado módulo elástico es requerido para que el segmento del pistón no permanezca permanentemente (plásticamente) deformado siguiendo las deformaciones extensivas requeridas para la inserción en la ranura del pistón. El módulo normal de elasticidad E de la fundición según la invención puede oscilar entre 150.000 y 200.000 N/mm^{2}.
Con el fin de obtener este valor del módulo normal de elasticidad E, se han determinado tiempos de austemperado muy específicos que varían de 30 a 150 minutos, puesto que tiempos cortos conllevarían una elevada elasticidad pero también una elevada fragilidad, mientras que los tiempos largos conllevan una elevada tenacidad pero un bajo módulo de elasticidad.
Con el fin de obtener las características mecánicas y físicas pretendidas para la fundición esferoidal según la invención, es fundamentalmente importante proveer un proceso de derretido que permita una excelente uniformidad microestructural en todos los fundidos y la eliminación de porosidades e inducciones de inclusiones en toda la región periférica del anillo del fundido. Además, tal y como se ha mencionado, los segmentos de pistón producidos con la fundición esferoidal según la invención deben tener una dureza uniforme y homogénea a lo largo de toda la extensión periférica del fundido.
Por estas razones, un proceso de fundido particular y claramente definido ha sido identificado que permite tener en anillos de fundido único o en anillos centrifugados un enfriamiento y microporosidad uniformes en toda la región periférica del anillo, para obtener una dureza uniforme e igualada a lo largo de toda la distribución periférica del segmento de pistón incluso después del tratamiento de austemperado, con valores de dureza comprendidos entre 103 y 115 HRB (250 - 600 HV_{0.1} en la escala Vickers). Un proceso particular de fundido ha sido estudiado y optimizado con el fin de minimizar las segregaciones de carbono, manganeso, silicio y molibdeno, para evitar la formación de "austenita en bloques", cuya presencia da fragilidad a la estructura, puesto que son macroformaciones de austenita residual inestable que tienden a convertirse en martensita bajo tensión.
Por esta razón, la ferrita en una cantidad que exceda al 1% no debe estar presente en la matriz metalográfica del material.
La elevada resistencia a la rotura por tracción requerida para la fundición según la invención se consigue a través del control de la composición química de la fundición pero también a través del control del tratamiento por calor. En particular, se señala que es necesario asegurar que una cantidad de austenita residual mayor del 20% y menor del 40% está presente dentro de la matriz del material.
Las otras características mecánicas requeridas de la fundición según la invención son, tal y como se ha mencionado, una elevada resistencia al desgaste, elevada resistencia a la fatiga, y una elevada fuerza de impacto.
En cuanto a la resistencia al desgaste, es de hecho aconsejable señalar que el anillo del pistón debe tener una elevada resistencia al desgaste, que es adecuado para asegurar la durabilidad del rendimiento y de la fiabilidad del motor en la que se utiliza; por esta razón, una composición química particular de la fundición según la invención ha sido identificada, con elementos de aleación tales como Ti, V y Nb, que son capaces de controlar el tamaño submicroscópico de los carburos primarios y su distribución uniforme en la estructura de solidificación primaria.
La fundición esferoidal según la invención está caracterizada por una composición química específica que es optimizada con el fin de proveer, en combinación con el tratamiento de calor, una precipitación submicroscópica de carburos primarios MC, que están distribuidos uniformemente en la estructura de solidificación primaria, que compensa el efecto de reducir la resistencia al desgaste, causada por la presencia de la austenita dentro de la estructura y debido al hecho de que el coeficiente de desgaste de la austenita es mayor que el de la bainita y martensita.
Esto requiere la presencia, en la composición química, de cantidades particulares de elementos específicos tales como Ti, V y Nb, que forman estos carburos.
Por esta razón, una distribución particular de los esferoides dentro de la matriz metalográfica ha sido provista, con una concentración de entre 6 y 12%, para asegurar una elevada capacidad autolubricante, y una composición química particular ha sido identificada con elementos de aleación tales como Ti, V y Nb y Mo, que permiten una elevada resistencia al desgaste incluso con uso permanente a elevada temperatura.
En cuanto a la resistencia a la fatiga, se señala que los segmentos de pistón deben tener una elevada resistencia a la fatiga debido a las tensiones extremadamente intensas que las elevadas velocidades de rotación (rpm) de los motores producen (hasta aproximadamente 24.000 rpm en motores modernos de dos tiempos y aproximadamente 18.000 rpm para motores modernos de cuatro tiempos), para asegurar la durabilidad y fiabilidad del motor en el que el segmento del pistón es utilizado.
Por esta razón, una particular distribución de esferoides dentro de la matriz metalográfica ha sido provista con el fin de aumentar la resistencia a la fatiga de los segmentos de pistones obtenidos con la fundición esferoidal según la invención.
Tal y como se ha mencionado, una composición química particular ha sido identificada, con elementos de aleación tales como Ni, Ti, V y Nb capaces de controlar el tamaño submicroscópico de los carburos primarios; además, un proceso particular y claramente definido de derretido y fundido ha sido identificado que es capaz de proveer esferoides de grafito de redondez controlada, expresada en términos de ovalización (Dmax/Dmin), entre 1,0 y 1,4, de este modo asegurando un bajo coeficiente de intensificación de tensión. Otro parámetro para caracterizar los esferoides de grafito es la rugosidad, expresada como Rugosidad = (Perímetro)^{2}/(4 \cdot \pi \cdot Area), que en este caso debe estar comprendido entre 1,0 y 1,3 con el fin de asegurar un bajo coeficiente de intensificación de tensión.
Otro objeto de la invención es proveer una fundición esferoidal con una elevada fuerza de impacto. Para una fundición austenítica-bainítica convencional, los valores de fuerza de impacto mayores de 15 julios generalmente no son observables.
Con la presente invención, un nuevo tipo de fundición ha sido buscada que tuviera elevados valores de fuerza de impacto, para ser capaz de producir segmentos de pistón para soportar las tensiones muy intensas que las elevadas velocidades de rotación (rpm) de los motores causan durante el paso de dicho segmento de pistón en los orificios de paso en motores de dos tiempos y de soportar vibración de alta frecuencia dentro de la ranura del pistón en modernos motores de cuatro tiempos, para asegurar la durabilidad y fiabilidad del motor en el que el segmento de pistón es utilizado.
Se ha demostrado que la fundición según la presente invención tiene una resistencia al impacto Charpy de 80 a 165 julios.
Para conseguir este resultado, una composición química particular ha sido identificada, con elementos de aleación que son adecuados para endurecer la estructura, y un proceso particular y claramente definido de derretido y fundido ha sido identificado que es capaz de proveer secciones transversales de los fundidos sin porosidades, picaduras o impurezas.
Por esta razón, los elementos fragilizantes tales como Mn, Cu, Al, Pn y W han sido mantenidos dentro de márgenes estrechos y al mismo tiempo dentro de la matriz metalográfica del material debe haber, de acuerdo con lo que se ha señalado anteriormente, una cantidad de austenita residual que sea mayor del 20% e inferior del 40%.
Además, también con el fin de conseguir estos valores de fuerza de impacto es importante mantener bajo control los parámetros de forma de los esferoides de grafito, es decir, la ovalización y rugosidad mencionadas anteriormente, que deben mantenerse dentro de los valores citados con el fin de asegurar un bajo coeficiente de intensificación de tensión.
Tal y como se ha mencionado anteriormente, la fundición según la invención, debe ser capaz de soportar el uso a elevadas temperaturas sin templado. El segmento de pistón, por ejemplo, es de hecho utilizado en motores de combustión interna a elevadas temperaturas, y es claramente necesario para el segmento de pistón no perder sus características de elasticidad y fuerza mecánica durante el uso. Uno de los aspectos débiles de la fundición austemperada es la elevada sensibilidad al templado, puesto que a elevada temperatura la estructura austenítica-bainítica tiende a convertirse según la curva TTT en estructuras bainíticas-sorbíticas mezcladas.
Por esta razón, una gama específica de temperatura y tiempo de austemperado ha sido determinada con el fin de evitar templar dicho segmento de pistón debido a mantener temperaturas elevadas (250-400ºC).
Además, la particular composición química que ha sido identificada, que incluye elementos de aleación tales como Ni, Mo, Ti, V y Nb, y el particular proceso de derretido son muy importantes para este objeto también, permitiendo conseguir una elevada fuerza mecánica de los segmentos de pistón durante el uso a elevada temperatura, y así su gran insensibilidad al templado, combinado con una elevada resistencia al desgaste.
La fundición esferoidal según la presente invención ha sido diseñada con un proceso de producción en el que los rellenos y todos aquellos refinados que son indispensables para conseguir, después del derretido, las características físicas y químicas descritas anteriormente, han sido estudiados específicamente; las características mecánicas son en su lugar conseguidas después de un tratamiento por calor, diseñado exclusivamente con el fin de optimizar las estructuras y características mecánicas de fundidos de tamaño pequeño y de sección pequeña.
Un ejemplo de realización preferido pero no exclusivo del proceso para derretir la fundición esferoidal según la invención es descrito a continuación y es ilustrado mediante ejemplo no limitador.
La fundición esferoidal según la presente invención ha sido diseñada para tener en cuenta que los fundidos a ser realizados con dicha fundición son fundidos cluster individuales o fundidos centrifugados con secciones transversales que varían de 2 mm^{2} a 50 mm^{2}, diseñados para hacer segmentos de compresión para todos los motores de combustión interna.
El relleno utilizado para obtener estas estructuras ha sido concebido tomando en cuenta algunas consideraciones importantes en cuanto a la producción de fundición esferoidal, tales como: composición de la aleación básica, pretratamiento de globulización, porcentaje de aleación añadido, inoculación, composición química final de la fundición esferoidal, microestructura, propiedades mecánicas.
En particular, el análisis químico ha sido verificado cuidadosamente, asegurándose de que en la fundición básica no hubiera elementos que pudieran dañar la globulización del grafito, puesto que una distribución del grafito que no sea uniforme o perfectamente regular en la forma o dimensiones de los esferoides podría conllevar una degradación de las características mecánicas del segmento de pistón producido a partir de dicha fundición básica.
Además, la inducción de mezcla arenosa u otras impurezas en el fundido, causada por ejemplo por gradientes inadecuados de enfriamiento y por lo tanto por movimientos de vértice o apenas fluidos del metal líquido, conllevarían en el fundido, y por lo tanto en el segmento de pistón, regiones de elevada fragilidad con riesgo de rotura una vez que dichos segmentos de pistón se someten a tensiones externas durante su uso.
La determinación de la aleación master básica para obtener la fundición esferoidal es por lo tanto particularmente importante: algunos elementos químicos son de hecho distintivamente peligrosos en una fundición para segmentos de pistón, y si exceden un valor límite de concentración en la fundición master impiden la nodulización del grafito.
Los valores límite de estos elementos son considerados como contenidos de:
Pb <0,1% Sb <0,1% Al <0,2% S <0,2%
Bi <0,1% P <0,1%
Para otras impurezas, su suma total no debe exceder de 0,2%.
Durante la preparación y la realización del derretido de la fundición básica, se toman muestras periódicamente con el fin de comprobar su composición y por lo tanto el cumplimiento con el análisis químico preestablecido.
Los elementos químicos pretendidos son entonces añadidos.
Con el fin de obtener la fundición esferoidal según la invención, con las características microestructurales específicas descritas anteriormente, teniendo esferoides de grafito con tamaño, forma y rugosidad claramente definidas tal y como se ha descrito, después de la adición de los elementos químicos pretendidos en el metal derretido, se realizan dos sucesivas inoculaciones de otros elementos según los métodos conocidos para la persona experta en la técnica.
Estos elementos están constituidos, en el caso específico, por una combinación de una mezcla de metales que pertenecen al grupo lantanida, conocida en metalurgia como "mischmetall", con muchos otros elementos metálicos en forma de óxidos. La combinación de esta mezcla de lantanidas con óxidos de otros metales forma las llamadas tierras raras (RE).
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En el proceso de obtener la fundición según la presente invención, dicha mezcla de tierras raras, que es utilizada en metalurgia para producir aleaciones y superaleaciones, es utilizada como inoculante, y sus propiedades particulares para control y purificación de las microimpurezas contenidas en la fundición básica son utilizadas.
En particular el proceso de derretido ha sido optimizado proveyendo dos sucesivas inoculaciones que tienen las composiciones especificadas a continuación meramente mediante ejemplo no limitador:
- - en la primera inoculación, los agentes globulizantes utilizados están constituidos por una base de silicio con Mg, Ca, Ce, Ta y RE;
- - en la segunda inoculación, hay de nuevo una base de silicio con Sr, Ca, y Al.
Los porcentajes por peso de estos elementos, en el ejemplo considerado, eran mediante indicación los siguientes: Mg\cong3,2%, Ca\cong0,6%, Ce+Ta+RE\cong2,0%, Sr\cong0,8%, Ca<0,5%, Al<0,5%.
Después de las dos inoculaciones descritas, el material derretido es solidificado con un tiempo de solidificación comprendido entre 50 y 400 segundos, dependiendo de la sección transversal de la fundición.
Para concluir el proceso descrito de este modo, el análisis final en el fundido de la fundición resultante debería mostrar la presencia de los varios elementos según los valores descritos anteriormente y resumidos en la siguiente tabla:
Fundición C Si P S Mn Cu Cr Mo Ni+RE Ti+V+Nb Co
Mínimo 3,2 2,0 0 0 0 0 0 0,1 1,7 0,1 0
Máximo 4,2 4,0 0,1 0,1 0,2 1,3 0,5 2,0 5,0 2,0 0,2
Se ha encontrado que la fundición esferoidal teniendo la composición química indicada, obtenida en virtud del proceso descrito anteriormente y sometida al tratamiento por calor descrito, consigue el objetivo y los objetos pretendidos.
En particular, con este proceso de producción se ha encontrado que una grafitización abundante es obtenida en el fundido con una distribución uniforme y con tamaño de esferoide de 5 a 8 (según el estándar ISO 945) y una matriz predominantemente perlítica con un halo regular de ferrita alrededor de los esferoides.
Los diversos elementos que componen la fundición según la invención han sido elegidos para permitir una mejor templabilidad del material y por lo tanto elevar el umbral de transformación bainítica, y también para obtener características mecánicas, tales como la resistencia a la tracción (UTS y R_{p0.2}), porcentaje de alargamiento (A%), tenacidad, fuerza de impacto y resistencia a la fatiga que son mejores que en las fundiciones esferoidales para segmentos de pistón actualmente en uso.
Las gamas de variación de los elementos que componen la fundición según la invención han sido determinadas mediante tests repetidos con el fin de optimizar las características mecánicas del material sin exceder valores que pudieran comprometer la colabilidad, globulización, trabajabilidad y/o fragilidad de dicha fundición.
Debe señalarse que el equilibrado de la composición química entre elementos formadores de carburos y elementos grafitizantes de la fundación esferoidal para segmentos de pistones según la invención es extremadamente crítico y particular; la dosificación exacta debe de hecho asegurarse y realizarse específicamente para cada fundido, variando las cantidades de elementos añadidos también dependiendo de la composición química de la materia prima utilizada.
Esta razón particular justifica la necesidad de adoptar gamas extendidas de los elementos individuales en la composición química de la invención.
En particular, la gama de variación de carbono ha sido determinada con el fin de tener una estructura grafítica óptima, para conseguir tenacidad y fuerza elevada al mismo tiempo que asegurando una buena formación y distribución grafítica esferoidal.
El contenido de níquel ha sido limitado a los valores citados anteriormente con el fin de evitar comprometer la colabilidad y trabajabilidad de la fundición.
El contenido de molibdeno se limitó al valor indicado anteriormente con el fin de evitar comprometer las características mecánicas de la fundición debido a la formación de estructuras complejas de cementita libre y debido a la segregación.
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El contenido de cromo, manganeso y tungsteno se limitó a los valores indicados anteriormente con el fin de evitar la formación de carburos complejos, que reducirían considerablemente la trabajabilidad y aumentarían considerablemente la fragilidad.
El tratamiento de calor a la que la fundición es sometida en fundidos según la invención comprende un tratamiento de austenitización, con mantenimiento de la fundición hasta 120 minutos a una temperatura de 840-1000ºC y un tratamiento de endurecimiento isotérmico (austemperado), con mantenimiento de la fundición durante 5 a 100 minutos a una temperatura de 250-450ºC.
Opcionalmente, el tratamiento por calor puede ser completado por un tratamiento aliviador de tensión a una temperatura que sea mayor que la temperatura de endurecimiento isotérmico.
Aunque el austemperado es un tratamiento por calor ya conocido para fundiciones esferoidales en general, en el caso en consideración dicho tratamiento ha sido optimizado con el fin de equilibrar, en el caso específico de la producción de segmentos de pistones para motores de combustión interna, una elevada fuerza mecánica (UTS y R_{p0.2)} con elevada resistencia a la fatiga y elevada fuerza de impacto y tenacidad.
Generalmente, a medida que la austenita residual aumenta, la resistencia a la fatiga de hecho aumenta pero la resistencia a la tracción disminuye.
Para un segmento de pistón, sin embargo, es necesario tener tanto una elevada resistencia a la tracción como una elevada resistencia a la fatiga, con el fin de asegurar una buena operación elastomecánica para la fiabilidad del componente y por lo tanto del motor en el que los segmentos de pistón se colocan.
El tratamiento de calor óptimo para la fundición según la invención se determinó realizando tests experimentales repetidos y comparando los resultados, en términos de fuerza mecánica, con aquellos de segmentos de pistones hechos de acero, para tener claramente definidos los objetivos cuantitativos a conseguir.
En términos de resultados, la fundición esferoidal según la invención es una fundición esferoidal con una distribución grafítica uniforme tipo VI, con esferoides de grafito de tamaño 5 a 8 (según el estándar ISO 945 "Fundición: Designación de la microestructura del grafito"). La concentración de los esferoides de grafito respecto de la matriz está comprendida entre 6 y 12%, asegurando una autolubricación óptima.
La redondez de los esferoides de grafito, expresada en términos de ovalización (D_{max}/D_{min}), está comprendida entre 1,0 y 1,4, asegurando un bajo coeficiente de intensificación de tensión.
La rugosidad de los esferoides de grafito está comprendida entre 1 y 1,3 y asegura una resistencia a la fatiga óptima.
La fundición según la invención tiene una estructura de matriz de tipo bainítico-austenítico, con porcentajes de austenita que pueden variar entre 20 y 40%.
Además, la fundición según la invención tiene una dureza uniforme y homogénea a lo largo de toda la distribución periférica del fundido, con valores de dureza comprendidos entre 103 HRB y 115 HRB (250-600 HV0.1 en la escala de Vickers).
El gradiente de enfriamiento de la fundición, durante el tratamiento de calor, es mantenido lo más uniforme y homogéneo posible con el fin de evitar variaciones en la dureza, en una misma, de más de 4 puntos HRB, que podría comprometer significativamente el comportamiento elástico del segmento de pistón en contacto con el cilindro del motor durante la operación.
La fundición según la invención tiene una resistencia a la tracción excelente (R_{m}>1100 N/mm^{2}), elevada fuerza y tenacidad [fuerza de impacto en probetas no entalladas (Energía de Impacto) KC> 80 Julios] y un elevado porcentaje de alargamiento (A%>2,5%).
Meramente a modo de indicación no limitadora, a continuación se relacionan los resultados de los tests realizados en dos tipos de fundición (fundición TIPO 1 y fundición TIPO 2) según la invención y los resultados de tests realizados en un acero (X90 CrMoV18) de un tipo conocido utilizado para producir segmentos de pistones para pistones.
Los tests se realizaron en probetas del tipo mostrado en las figuras que acompañan, en las que:
La Figura 1 es una vista de una probeta de tensión redonda (según el estándar ASTM E8M);
La Figura 2 es una vista de una probeta de impacto Charpy (según el estándar ASTM E23).
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La composición química de las dos fundiciones según la invención se relaciona en la Tabla 1.
TABLA 1
Fundición C Si P S Mn Cu Cr Ni+RE Mo Ti+V+Nb Co
Tipo 1 3,7 2,9 0,03 0,02 0,08 0,0 0,05 2,1 0,1 0,3 0,05
Tipo 2 3,6 2,4 0,07 0,03 0,07 1,3 0,02 0,5 0,1 0,6 0,2
La composición química del acero se ofrece en la Tabla 2.
TABLA 2
Tipo de acero C Si P S Mn Cu Cr Ni Mo V W Co
X90 CrMoV18 0,92 0,51 0,024 0,022 0,74 - 17,25 - 0,97 0,09 - -
(W. Nr 1.14112)
Fundición Tipo 1
Siete tipos diferentes de tratamiento de calor se realizaron para este tipo de fundición según la invención, cuya composición química se da en la Tabla 1.
En todos los tests relacionados a continuación, probetas de tensión redonda (Figura 1) y probetas de impacto Charpy (Figura 2) preparadas específicamente y sometidas a diferentes tratamientos de calor se utilizaron con el fin de evaluar las características mecánicas.
Cinco probetas de tensión redondas y cinco probetas de impacto Charpy se utilizaron para cada test; los resultados reflejados son la media de los resultados obtenidos en los cinco tests, cuyos valores medios relacionados a cada test se ofrecen en la Tabla 3.
TABLA 3
Fundición Austenitización Austemperado UTS [Mpa] Rp0.2 [Mpa] \varepsilon_{r %} Energía de Impacto (J)
Tipo 1
Test núm. 1 930ºC x 30 min 300ºC x 60 min 1355 1053 2,42 86,63
Test núm. 2 930ºC x 30 min 300ºC x 120 min 1358 1093 2,32 101,39
Test núm. 3 930ºC x 30 min 330ºC x 60 min 1066 772 4,17 150,73
Test núm. 4 930ºC x 30 min 330ºC x 120 min 1249 978 3,38 108,88
Test núm. 5 930ºC x 30 min 360ºC x 60 min 1035 771 4,62 165,17
Test núm. 6 930ºC x 30 min 360ºC x 90 min 1007 777 4,05 144,94
Test núm. 7 930ºC x 30 min 360ºC x 120 min 1044 786 5,88 122,8
Fundición Tipo 2
Siete tipos diferentes de tratamiento de calor se realizaron para este tipo de fundición según la invención, cuya composición química se ofrece en la Tabla 1; en todos los tests relacionados a continuación, probetas de tensión redonda (Figura 1) y probetas de impacto Charpy (Figura 2) preparadas específicamente y sometidas a diferentes tratamientos de austemperado se utilizaron con el fin de evaluar las características mecánicas. Cinco probetas de tensión redonda y cinco probetas de impacto Charpy se utilizaron para cada test; los resultados relacionados son la media de los resultados obtenidos en los cinco tests, cuyos valores medios relacionados a cada test se ofrecen en la Tabla 4.
TABLA 4
Fundición Austenitización Austemperado UTS [Mpa] Rp0.2 [Mpa] \varepsilon_{r %} Energía de Impacto (J)
Tipo 2
Test núm. 1 930ºC x 30 min 300ºC x 60 min 1359 1118 1,97 68,63
Test núm. 2 930ºC x 30 min 300ºC x 120 min 1357 1130 1,97 81,09
Test núm. 3 930ºC x 30 min 330ºC x 60 min 1266 1019 2,99 104,32
Test núm. 4 930ºC x 30 min 330ºC x 120 min 1219 978 3,15 105,10
Test núm. 5 930ºC x 30 min 360ºC x 60 min 1231 995 3,51 103,40
Test núm. 6 930ºC x 30 min 360ºC x 90 min 999 785 4,45 105,90
Test núm. 7 930ºC x 30 min 360ºC x 120 min 1071 840 5,84 116,52 
\vskip1.000000\baselineskip
X90 CrMoV18 acero (W. Nr. 1.4112)
Para este tipo de acero, cuya composición química está relacionada en la Tabla 2, se realizaron cinco tests; probetas de tensión redonda (Figura 1) y probetas de impacto Charpy (Figura 2) preparadas específicamente y sometidas a diferentes tratamientos de calor se utilizaron en todos los tests relacionados a continuación con el fin de evaluar las características mecánicas. Los resultados de estos tests están relacionados en la Tabla 5.
\vskip1.000000\baselineskip
TABLA 5
Tests Apagado Templado UTS Rp0.2 \varepsilon_{r %} Energía de
[Mpa] [Mpa] Impacto (J)
Test núm. 1 1050ºC y endurecimiento en 600ºC X 120 min 1354 1191 1,17 68,42
aceite
Test núm. 2 1050ºC y endurecimiento en 600ºC X 120 min 1338 1226 1,08 79,49
aceite
Test núm. 3 1050ºC y endurecimiento en 600ºC X 120 min 1295 1196 0,97 58,44
aceite
Test núm. 4 1050ºC y endurecimiento en 600ºC X 120 min 1303 1204 1,00 72,59
aceite
Test núm. 5 1050ºC y endurecimiento en 600ºC X 120 min 1295 1181 0,94 74,81
aceite 
\vskip1.000000\baselineskip
En la práctica la fundición esferoidal según la invención consigue por completo el objetivo y los objetos pretendidos, puesto que permite producir segmentos de pistones con características de fuerza mecánica que son comparables a las de los segmentos de pistones hechos de acero mientras que se preserva todas las ventajas que son típicas de las fundiciones esferoidales.
Aunque la fundición según la invención ha sido concebida en particular para la producción de segmentos de pistones de motores de combustión interna, también puede utilizarse ventajosamente para producir segmentos de pistones para unidades de compresor o para la producción de segmentos de unidades hidráulicas o neumáticas o para otros usos.
La fundición esferoidal concebida de este modo y el proceso de derretido descrito son susceptibles de numerosas modificaciones y variaciones, todas ellas estando dentro del ámbito del concepto inventivo.
\newpage
Leyenda de símbolos
UTS =
Resistencia a la rotura por tracción (en Newton/mm^{2})
R_{po.2} =
Tensión de fluencia: tensión de desviación de la proporcionalidad de 0,2% (Newton/mm^{2})
E =
Módulo de elasticidad o módulo de Young (Newton/mm^{2})
\quad
Cociente entre la fuerza normal y la correspondiente de formación longitudinal en cuanto a la ley de Hooke: E = \sigma/\varepsilon
\varepsilon_{r =}
Deformación longitudinal calculada como:
\varepsilon_{r} = \frac{\Delta L}{L_{0}} = \frac{L-L_{0}}{L_{0}}
\quad
con:
L_{0} (mm) =
Longitud inicial
\DeltaL_{0} = L - L_{0} (mm) =
Variación en la longitud consiguiente a la aplicación de la carga.
A% =
Alargamiento a la rotura: deformación longitudinal expresada como porcentaje de la longitud inicial L_{0}:
A = 100. \frac{L_{u}- L_{0}}{L_{0}}
\quad
con:
L_{u} (mm) =
valor último de longitud a la rotura
\lambda =
Coeficiente de expansión térmica lineal (ºC^{-1})
\quad
expresado como:
\lambda = \frac{l}{l} \cdot \frac{dl}{dT}
M_{pa} = Mega Pascal = 10^{6} Pascales
1Mpa = \frac{L \ Newton}{mm^{2}}

Claims (6)

1. Fundición esferoidal particularmente adecuada para segmentos de pistones, comprendiendo en porcentaje de peso, 3,20 - 4,20 carbono, 2,00 - 4,00 silicio, hasta 0,10 fósforo, hasta 0,10 azufre, hasta 0,20 manganeso, hasta 1,30 cobre, hasta 0,50 cromo, 1,7 a 5,00 níquel y metales de tierras raras, 0,10 a 2,00 molibdeno, 0,1 a 2,0 titanio más vanadio más niobio, hasta 0,20 cobalto y hasta 1,00 boro y calcio el balance siendo hierro e impurezas inevitables, la matriz teniendo una estructura bainítica-austenítica con un porcentaje de austenita de entre 20 y 40% en peso.
2. La fundición según la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que está sometida a un tratamiento de calor, conocido como austemperado, que comprende un tratamiento de austenitización seguido por un tratamiento de endurecimiento isotérmico.
3. Un proceso para la fabricación de la fundición esferoidal según la reivindicación 1, comprendiendo los pasos de:
proveer una fundición básica convencional, derritiendo el hierro, comprobando la composición del hierro tomando muestras, añadiendo elementos a la materia fundida de modo que las cantidades de carbono, fósforo, azufre, manganeso, cobre, molibdeno, cromo, níquel, titanio, vanadio, niobio y cobalto correspondan a los dados en la reivindicación 1, e
inocular en dos pasos sucesivos agentes globulizantes en el metal derretido, dichos agentes estando constituidos por una base de silicio que comprende metales de tierras raras con la adición de al menos uno de los elementos elegidos de la clase que comprende, magnesio, calcio, tántalo, estroncio, aluminio.
4. El proceso para obtener una fundición esferoidal según la reivindicación 3, caracterizado por el hecho de que comprende un tratamiento de austenitización con un tiempo de mantenimiento de hasta 120 minutos a una temperatura de 840-1000ºC y un tratamiento de endurecimiento isotérmico (austemperado) con mantenimiento de la fundición durante 5 a 100 minutos a una temperatura de 250-450ºC.
5. El proceso para obtener una fundición esferoidal según la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que dicho tratamiento de austenitización comprende también un tratamiento de alivio de tensión térmica a una temperatura que es mayor que la temperatura de dicho tratamiento de endurecimiento isotérmico.
6. Un segmento de pistón, particularmente para pistones de motores de combustión interna, caracterizado por el hecho de que está hecho de una fundición esferoidal austemperada según una o más de las anteriores reivindicaciones.
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