ES2302935T3 - Composicion de acero y piezas forjadas en matriz fabricadas a partir de ella. - Google Patents

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ES2302935T3 ES03747975T ES03747975T ES2302935T3 ES 2302935 T3 ES2302935 T3 ES 2302935T3 ES 03747975 T ES03747975 T ES 03747975T ES 03747975 T ES03747975 T ES 03747975T ES 2302935 T3 ES2302935 T3 ES 2302935T3
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Abstract

Composición de acero que comprende los siguientes componentes en porcentaje en peso: C:0,12-0,45 Si:0,10-1,00 Mn:0,50-1,95 S:0,005-0,060 Al:0,004-0,050 Ti:0,004-0,050 Cr:0-0,60 Ni:0-0,60 Co:0-0,60 W:0-0,60 B:0-0,01 Mo:0-0,60 Cu:0-0,60 Nb:0-0,050 V:0,10-0,40 N:0,015-0,040 Resto: Fe e impurezas inevitables, con las condiciones: 1)% en peso de V x % en peso de N = 0,0021 a 0,0120 2)1,6 x % en peso de S + 1,5 x % en peso de Al + 2,4 x % en peso de Nb + 1,2 x % en peso de Ti = 0,040 a 0,080 3)1,2 x % en peso de Mn + 1,4 x % en peso de Cr + 1,0 x % en peso de Ni + 1,1 x % en peso de Cu + 1,8 x % en peso de Mo = 1,00 a 3,50.

Description

Composición de acero y piezas forjadas en matriz fabricadas a partir de ella.
La presente invención se refiere a una nueva composición de acero, a piezas forjadas en matriz fabricadas a partir de ella, a un procedimiento para la fabricación de las piezas forjadas en matriz y a su uso como piezas de chasis para turismos y vehículos industriales.
Los componentes forjados del chasis para automóviles son piezas importantes para la seguridad que, además de una elevada resistencia, deben presentar también una elevada tenacidad (caracterizada, por ejemplo, por los valores característicos de alargamiento a la rotura, estricción de rotura, resiliencia). Por esta razón, hasta los años 80 estos componentes se sometían casi sin excepción a un costoso tratamiento térmico final (bonificado) después de la conformación en caliente. En los años 80 se desarrollaron los "aceros ferrítico-perlíticos endurecibles por precipitación" (aceros FPP), en los que los valores característicos de resistencia se alcanzan sin tratamiento térmico final mediante precipitaciones de carbonitruros en la matriz de acero ferrítico-perlítico. El uso de estos aceros es habitual hoy en día en los componentes de acero forjados para piezas del chasis de turismos. Durante el procesamiento de estos aceros es importante ajustar la conducción de la temperatura de tal manera que la transformación del acero y la precipitación de los carbonitruros estén coordinadas de forma óptima.
En el caso de los vehículos industriales (VI), los componentes del chasis importantes para la seguridad, como, por ejemplo, el muñón del eje, se han fabricado hasta ahora casi exclusivamente a partir de aceros bonificados, es decir, sometidos al costoso tratamiento térmico final. Cabe mencionar las siguientes razones para ello:
Una mayor solicitación de las piezas de los VI y, por lo tanto, una mayor resistencia especificada, exigiéndose al mismo tiempo una mayor tenacidad del material. En particular se exige con frecuencia el cumplimiento de especificaciones que incluyen unos valores de resiliencia que deben garantizarse. Esto no es posible con los aceros FPP de resistencia equivalente disponibles actualmente en el mercado.
Debido a su masa considerablemente mayor, las piezas para VI difieren claramente de las piezas para turismos en el enfriamiento desde la temperatura de conformación en caliente. Puesto que la conducción de la temperatura influye decisivamente en los valores característicos mecánicos que se pueden alcanzar (véase anteriormente), generalmente no se pueden realizar con los aceros FPP actualmente disponibles en las piezas para VI ni siquiera los valores característicos mecánicos más bajos habituales en las piezas para turismos.
Una tendencia de desarrollo de la técnica de materiales en el campo de los chasis para VI seguida en los últimos años tenía el objetivo de ajustar una estructura bainítica inferior mediante un bonificado directo de aceros de baja carbonización con el calor de conformación y sin revenido siguiente, y de ahorrar de este modo el costoso bonificado final (véanse los documentos DE-PS 3628264 A1, DE-PS 4124704 A1, US-PS 5,660,648). El problema de esta tecnología es, sin embargo, la baja relación de límite elástico/resistencia a la tracción, la relativamente reducida resistencia a la fatiga y la poca homogeneidad de las propiedades, así como la mayor tendencia a la deformación. No se ha impuesto en el campo de las piezas de chasis para VI importantes para la seguridad.
En el campo de los aceros FPP con estructura ferrítica-perlítica se han realizado algunos trabajos de desarrollo con el objetivo de mejorar la tenacidad para poder usar este grupo de aceros también en el campo de los chasis para VI (véanse Hertogs, J.A.; Ravenshorst, H.; Richter, K.E.; Wolff, J.: Neuere Anwendungen der ausscheidungshärtenden ferritisch-perlitischen Stähle für geschmiedete Bauteile im Motor und Fahrwerk. Conferencia "Stahl im Automobilbau", Würzburg, 24-26/09/1990; y Huchtemann, B.; Schüler, V.: Entwicklungsstand der ausscheidungshärtenden ferritisch-perlitischen (AFP-) Stähle mit Vanadium. Stahl 2/1992, pág. 36-41). Se lograron pequeñas mejoras, por ejemplo bajando la temperatura de conformación. Sin embargo, puesto que el comportamiento de llenado del molde es claramente peor a temperaturas de conformación reducidas y, además, el desgaste del útil aumenta drásticamente, esta variante no era adecuada para el uso industrial.
Otra variante apostó por la adición de aleaciones de titanio para afinar el grano y, en consecuencia, mejorar la tenacidad. El problema residía en que el afinado del grano se alcanzaba mediante nitruros de titanio. De este modo se fijaba el nitrógeno necesario para aumentar la resistencia. Como consecuencia se obtenía una resistencia muy inferior a la de los aceros bonificados.
El documento JP-A-07157824 describe asimismo una composición de acero que contiene entre 0,15 y 0,50% en peso de C; entre 0,005 y 2,00% en peso de Si; entre 0,40 y 2,00% en peso de Mn; entre 0,01 y 0,10% en peso de S; entre 0,0005 y 0,05% en peso de Al; entre 0,003 y 0,05% en peso de Ti; entre 0,0020 y 0,0200% en peso de N y entre 0,20 y 0,70% en peso de V. Además puede estar contenido entre 0,02 y 1,50% en peso de Cr y/o entre 0,02 y 1,00% en peso de Mo; entre 0,001 y 0,2% en peso de Nb o entre 0,05 y 0,30% en peso de Pb y/o entre 0,0005 y 0,01% en peso de Ca. La composición de acero se forja a una temperatura de 750 a 900ºC y después se enfría. Se puede conseguir una buena procesabilidad generando una microestructura que comprende \geq 90% de ferrita y perlita. La ferrita se consolida además mediante carburo de V realizando un tratamiento térmico final entre 200 y 700ºC.
El objetivo que se propone la invención consiste, por lo tanto, en proporcionar una composición de acero para aceros FPP para la fabricación de piezas forjadas en matriz que en estos elementos de construcción muestre, sin tratamiento térmico adicional, una elevada resistencia y al mismo tiempo una elevada tenacidad, de manera que éstos se puedan usar también como piezas de chasis para VI.
El objetivo se alcanza mediante una composición de acero que comprende los siguientes componentes en porcentaje en peso:
\global\parskip0.900000\baselineskip
C:
0,12-0,45
Si:
0,10-1,00
Mn:
0,50-1,95
S:
0,005-0,060
Al:
0,004-0,050
Ti:
0,004-0,050
Cr:
0-0,60
Ni:
0-0,60
Co:
0-0,60
W:
0-0,60
B:
0-0,01
Mo:
0-0,60
Cu:
0-0,60
Nb:
0-0,050
V:
0,10-0,40
N:
0,015-0,040
Resto: Fe e impurezas inevitables,
con las condiciones:
1)
% en peso de V x % en peso de N = 0,0021 a 0,0120
2)
1,6 x % en peso de S + 1,5 x % en peso de Al + 2,4 x % en peso de Nb + 1,2 x % en peso de Ti = 0,040 a 0,080
3)
1,2 x % en peso de Mn + 1,4 x % en peso de Cr + 1,0 x % en peso de Ni + 1,1 x % en peso de Cu + 1,8 x % en peso de Mo = 1,00 a 3,50.
Un punto central de la invención consiste en que la mejora necesaria de la tenacidad se alcanza reduciendo el contenido de carbono en el acero en comparación con las concentraciones habituales hoy en día para un nivel de resistencia dado. La pérdida de resistencia que cabe esperar con esta medida según el estado de la técnica no sólo se elimina por completo de acuerdo con la invención mediante la combinación especial de los demás componentes, sino que incluso se sobrecompensa. Los factores esenciales que son responsables de la alta resistencia pese a la disminución del contenido de carbono son en particular:
-
\vtcortauna Un contenido de vanadio de 0,10% en peso a 0,40% en peso y un contenido de nitrógeno de 0,015% en peso de 0,040% en peso, debiéndose cumplir de acuerdo con la invención especialmente la siguiente condición:
% en peso de V x % en peso de N = 0,0021 a 0,0120;
preferentemente % en peso de V x % en peso de N = 0,0028 a 0,0060.
-
\vtcortauna Una relación equilibrada de los elementos de microaleación Ti, Al y Nb con el azufre, debiéndose cumplir de acuerdo con la invención la siguiente condición:
1,6 x % en peso de S + 1,5 x % en peso de Al + 2,4 x % en peso de Nb + 1,2 x % en peso de Ti = 0,040 a 0,080.
-
\vtcortauna Una relación equilibrada de los elementos de aleación que endurecen la solución sólida, debiéndose cumplir de acuerdo con la invención la siguiente condición:
\global\parskip1.000000\baselineskip
1,2 x % en peso de Mn + 1,4 x % en peso de Cr + 1,0 x % en peso de Ni + 1,1 x % en peso de Cu + 1,8 x % en peso de Mo = 1,00 a 3,50;
preferentemente 1,2 x % en peso de Mn + 1,4 x % en peso de Cr + 1,0 x % en peso de Ni + 1,1 x % en peso de Cu + 1,8 x % en peso de Mo = 1,65 a 2,80.
La composición de acero antes descrita es excelentemente adecuada para la fabricación de piezas forjadas en matriz que se pueden usar como piezas de chasis, por ejemplo como muñón del eje, para turismos o vehículos industriales.
Las piezas forjadas en matriz de acuerdo con la invención se fabrican según un procedimiento que comprende las siguientes etapas:
(a)
Calentamiento del material de partida formado por una composición de acero como se ha definido anteriormente a una temperatura de 1.000 a 1.300ºC;
(b)
conformación del material de partida de la etapa (a) por forjado;
(c)
enfriamiento de la pieza forjada en matriz obtenida en la etapa (b) a temperatura ambiente, ascendiendo la velocidad de enfriamiento a al menos 0,2ºC/s en el intervalo de temperaturas de hasta 580ºC.
El procedimiento de fabricación de acuerdo con la invención se describe a continuación con más detalle en relación con las etapas de fabricación individuales.
En primer lugar se calienta en una etapa (a) un material de partida fabricado a partir de la composición de acero de acuerdo con la invención en una geometría comercial, por ejemplo acero largo, a entre 1.000 y 1.300ºC. El material se mantiene en este intervalo de temperaturas al menos hasta que se haya formado una estructura austenítica homogénea. Generalmente la duración asciende a entre 5 y 10 min. Si la pieza forjada en matriz ha de usarse como pieza de chasis para vehículos industriales, se prefiere que el material de partida presente una masa superior a 15 kg. Para las piezas forjadas en matriz que se usan como piezas de chasis en turismos se usa habitualmente un material de partida con una masa de 5 a 14 kg.
En la etapa (b), el material de partida se conforma por forjado según un proceso de conformación habitual de una o varias etapas de conformación dándole la forma deseada. El proceso de conformación de la etapa (b) preferentemente se realiza inmediatamente después de calentar el material de partida en la etapa (a), de manera que el material de partida presenta durante su conformación una temperatura comprendida en el intervalo de 950 a 1.250ºC.
En la etapa (c) se enfría la pieza forjada en matriz obtenida en la etapa (b) a temperatura ambiente. La velocidad de enfriamiento asciende a al menos 0,2ºC/s hasta una temperatura de 580ºC.
La velocidad de enfriamiento permite ajustar las propiedades mecánicas de la pieza forjada en matriz de forma definida y en función de los requisitos.
En el caso del enfriamiento de las piezas forjadas en matriz compuestas por el acero de acuerdo con la invención a 580ºC, la velocidad de enfriamiento se elige preferentemente en el intervalo de 0,2 a 6ºC/s. Se prefiere más aún una velocidad de enfriamiento comprendida en el intervalo de 0,2 a 0,6ºC/s. Esto corresponde al enfriamiento de piezas pesadas para VI bajo aire estático. La ventaja reside en que la pieza forjada en matriz para VI de la etapa (b) se puede enfriar simplemente dejándola en reposo al aire.
En cuanto a la obtención de valores de resistencia y tenacidad especialmente elevados, como los que se exigen en las piezas de chasis para vehículos industriales, se prefiere especialmente una velocidad de enfriamiento de 0,7ºC/s a 6ºC/s hasta los 580ºC. Para las piezas para VI con una masa superior a 15 kg, el ajuste de una velocidad de enfriamiento en este intervalo se lleva a cabo, por ejemplo, mediante un trayecto de enfriamiento por agua que es flexible en cuanto al número de toberas de agua activas y a su orientación, así como respecto a la presión y el caudal.
Para las piezas más ligeras de turismos compuestas por el acero de acuerdo con la invención son válidas las mismas relaciones entre velocidad de enfriamiento y propiedades. Debido a la menor masa de las piezas para turismos y a diferencia de las piezas para VI, sólo se requiere un enfriamiento acelerado para ajustar la velocidad de enfriamiento cuando la velocidad de enfriamiento debe encontrarse en la mitad superior del intervalo indicado. En el caso del enfriamiento bajo aire estático se ajustan automáticamente unas velocidades de enfriamiento de aproximadamente 0,7 a aproximadamente 2,0ºC/s.
La velocidad de enfriamiento por debajo de los 580ºC se puede elegir a voluntad y no influye en la resistencia ni en la tenacidad de la pieza forjada en matriz obtenida.
La pieza forjada en matriz fabricada de acuerdo con la invención presenta, una vez enfriada desde el calor de conformación, las siguientes propiedades mecánicas:
\global\parskip0.900000\baselineskip
-
\vtcortauna Ensayo de tracción según la norma DIN EN 10002 a temperatura ambiente:
\quad
Límite elástico: Rp_{0,2} \geq 540 MPa, preferentemente de 540 a 850 MPa
\quad
Resistencia a la tracción: Rm \geq 700 MPa, preferentemente de 700 a 1.100 MPa
\quad
Alargamiento a la rotura: A5 \geq 10%, preferentemente de 10 a 16%
\quad
Estricción de rotura: Z \geq 20%, preferentemente de 20 a 50%
\vskip1.000000\baselineskip
-
\vtcortauna Ensayo de flexión por choque en probetas ISO-U conforme a la norma DIN EN 50115:
\quad
Energía absorbida durante el choque: Av(TA) \geq 30 J, preferentemente de 30 a 70 J
\quad
Energía absorbida durante el choque: Av(-20ºC) \geq 10 J, preferentemente de 10 a 25 J
\vskip1.000000\baselineskip
Una pieza forjada en matriz fabricada según el procedimiento especialmente preferido puede presentar, dependiendo de la velocidad de enfriamiento seleccionada, los siguientes datos característicos mecánicos:
\quad
Rp_{0,2} = 580-680 MPa
\quad
Rm = 800-900 MPa
\quad
A5 = 14-16%
\quad
Z = 35-50%
\quad
Av(TA) = 30-40 J
\quad
Av(-20ºC) = 10-20 J.
\vskip1.000000\baselineskip
Asimismo se pueden fabricar según el procedimiento especialmente preferido piezas forjadas en matriz con las siguientes propiedades:
\quad
Rp_{0,2} = 800-850 MPa
\quad
Rm = 1.050-1.100 MPa
\quad
A5 = 10-12%
\quad
Z = 20-30%
\vskip1.000000\baselineskip
Las propiedades anteriores demuestran que las piezas forjadas en matriz de acuerdo con la invención, una vez enfriadas desde el calor de conformación, presentan una elevada resistencia y al mismo tiempo una elevada tenacidad en comparación con el estado de la técnica. Por lo tanto, las piezas forjadas en matriz de acuerdo con la invención se pueden usar como componentes de chasis importantes para la seguridad, por ejemplo como muñón del eje, para turismos e incluso para vehículos industriales.
\vskip1.000000\baselineskip
La invención se explica con más detalle mediante los siguientes ejemplos.
Ejemplo 1
(No de acuerdo con la invención)
Uso de un acero con la siguiente composición química:
C:
0,14% en peso
Si:
0,40% en peso
Mn:
1,00% en peso
S:
0,020% en peso
Al:
0,035% en peso
Ti:
0,015% en peso
Nb:
0,005% en peso
\global\parskip1.000000\baselineskip
\newpage
Cr:
0,45% en peso
Ni:
0,10% en peso
Cu:
0,15% en peso
Mo:
0,10% en peso
V:
0,25% en peso
N:
0,030% en peso
Calentamiento inductivo del acero en barras con una sección transversal de 140 mm^{2} a 1.250ºC y mantenimiento del acero a esta temperatura durante 10 minutos.
Forjado del material de sección cuadrada para dar un muñón del eje con una masa de 30 kg en una operación de recalcado previo, 2 operaciones de conformación de acabado y una operación de desbarbado. La temperatura del muñón del eje asciende al final del proceso de conformación a 1.100ºC.
Enfriamiento del muñón del eje de 1.100ºC a 580ºC en un trayecto de enfriamiento a una velocidad de enfriamiento de 3,9ºC/s.
El muñón del eje muestra las siguientes propiedades mecánicas determinadas conforme a las normas DIN EN 10002 a temperatura ambiente y DIN EN 50115:
Rp_{0,2} = 580 MPa
Rm = 750 MPa
A5 = 16%
Z = 55%
Av(temperatura ambiente) = 50 J
Av(-20ºC) = 20 J
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo 2
(No de acuerdo con la invención)
Uso de un acero con la siguiente composición química:
\global\parskip0.930000\baselineskip
C:
0,37% en peso
Si:
0,40% en peso
Mn:
0,90% en peso
S:
0,035% en peso
Al:
0,015% en peso
Ti:
0,035% en peso
Nb:
0,010% en peso
Cr:
0,10% en peso
Ni:
0,50% en peso
Cu:
0,20% en peso
Mo:
0,10% en peso
V:
0,28% en peso
N:
0,032% en peso
\global\parskip1.000000\baselineskip
Calentamiento inductivo del acero en barras con una sección transversal de 140 mm^{2} a 1.250ºC y mantenimiento del acero a esta temperatura durante 10 minutos.
Forjado del material de sección cuadrada para dar un muñón del eje con una masa de 38 kg en una operación de recalcado previo, 2 operaciones de conformación de acabado y una operación de desbarbado. La temperatura del muñón del eje asciende al final del proceso de conformación a 1.150ºC.
Enfriamiento del muñón del eje de 1.150ºC a 580ºC bajo aire estático a una velocidad de enfriamiento de 0,5ºC/s.
El muñón del eje muestra las siguientes propiedades mecánicas determinadas conforme a la norma DIN EN 10002 a temperatura ambiente:
Rp_{0,2} = 700 MPa
Rm = 1.000 MPa
A5 = 12%
Z = 30%
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo 3
(No de acuerdo con la invención)
Uso de un acero de acuerdo con el ejemplo 2.
Calentamiento y conformación de un muñón del eje de 38 kg de acuerdo con el ejemplo 2.
Enfriamiento del muñón del eje de 1.150ºC a 580ºC en un trayecto de enfriamiento a una velocidad de enfriamiento de 1,8ºC/s.
El muñón del eje muestra las siguientes propiedades mecánicas determinadas conforme a la norma DIN EN 10002 a temperatura ambiente:
Rp_{0,2} = 820 MPa
Rm = 1.080 MPa
A5 = 10%
Z = 20%.

Claims (7)

1. Composición de acero que comprende los siguientes componentes en porcentaje en peso:
C:
0,12-0,45
Si:
0,10-1,00
Mn:
0,50-1,95
S:
0,005-0,060
Al:
0,004-0,050
Ti:
0,004-0,050
Cr:
0-0,60
Ni:
0-0,60
Co:
0-0,60
W:
0-0,60
B:
0-0,01
Mo:
0-0,60
Cu:
0-0,60
Nb:
0-0,050
V:
0,10-0,40
N:
0,015-0,040
Resto: Fe e impurezas inevitables,
con las condiciones:
1)
% en peso de V x % en peso de N = 0,0021 a 0,0120
2)
1,6 x % en peso de S + 1,5 x % en peso de Al + 2,4 x % en peso de Nb + 1,2 x % en peso de Ti = 0,040 a 0,080
3)
1,2 x % en peso de Mn + 1,4 x % en peso de Cr + 1,0 x % en peso de Ni + 1,1 x % en peso de Cu + 1,8 x % en peso de Mo = 1,00 a 3,50.
2. Pieza de acero forjada en matriz, en la que el acero posee una composición según la reivindicación 1.
3. Procedimiento para la fabricación de una pieza forjada en matriz según la reivindicación 2, que comprende las etapas
(a)
calentamiento del material de partida formado por una composición de acero según la reivindicación 1 a una temperatura de 1.000 a 1.300ºC;
(b)
conformación del material de partida de la etapa (a) por forjado;
(c)
enfriamiento de la pieza forjada en matriz obtenida en la etapa (b) a temperatura ambiente, ascendiendo la velocidad de enfriamiento a al menos 0,2ºC/s en el intervalo de temperaturas de hasta 580ºC.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que el enfriamiento en la etapa (c) se realiza a una velocidad de enfriamiento de 0,2ºC/s a 0,6ºC/s hasta una temperatura de 580ºC.
5. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que el enfriamiento en la etapa (c) se realiza a una velocidad de enfriamiento de 0,7ºC/s a 6ºC/s hasta una temperatura de 580ºC.
6. Uso de la pieza forjada en matriz, obtenible mediante el procedimiento según una de las reivindicaciones 3 a 5, como pieza de chasis para vehículos industriales.
7. Uso de la pieza forjada en matriz obtenible mediante el procedimiento según la reivindicación 5 como pieza de chasis para turismos.
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