ES2328365T3 - HIGH STRENGTH STEEL FOR A LARGE SCALE FORGE SPECIALLY FOR CRANKSHAFT. - Google Patents
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Abstract
Un proceso para producir un cigüeñal que tiene un diámetro de muñón de al menos 150 mm forjando un acero de alta resistencia, donde dicho acero se produce sometiendo el acero austenitizado a enfriamiento rápido a menos de 200ºC, y posteriormente templándolo, donde el acero consta, en masa (expresándose el contenido de los componentes siguientes en porcentaje en masa de la misma manera), de: C: de 0,30 a 0,50%, Si: más de 0,15%, pero no más de 0,40%, Mn: de 0,80 a 1,20%, Ni: de 0,80 a 2,5%, Cr: de 1,0 a 3,0%, Mo: de 0,35 a 0,70%, V: de 0,10 a 0,25%, y Equilibrio: Fe e impurezas inevitables, donde un tamaño de grano de una estructura metálica del acero es un número de tamaño de grano ASTM del orden de 2 a 6, y donde la microestructura es controlada de manera que conste solamente de bainita y martensita.A process for producing a crankshaft having a stump diameter of at least 150 mm forging a high strength steel, where said steel is produced by subjecting the austenitized steel to rapid cooling to less than 200 ° C, and subsequently tempering it, where the steel consists, in mass (expressing the content of the following components in mass percentage in the same way), of: C: from 0.30 to 0.50%, Si: more than 0.15%, but not more than 0.40 %, Mn: from 0.80 to 1.20%, Ni: from 0.80 to 2.5%, Cr: from 1.0 to 3.0%, Mo: from 0.35 to 0.70%, V: from 0.10 to 0.25%, and Balance: Faith and unavoidable impurities, where a grain size of a steel metal structure is an ASTM grain size number of the order of 2 to 6, and where the microstructure It is controlled so that it consists only of bainite and martensite.
Description
Acero de alta resistencia para una forja a gran escala especialmente para cigüeñales.High strength steel for a large forge Scale especially for crankshafts.
La presente invención se refiere a un proceso para producir un cigüeñal de grandes dimensiones que es adecuado para uso en un motor diesel o análogos usado en un barco o generador.The present invention relates to a process to produce a large crankshaft that is suitable for use in a diesel engine or the like used on a ship or generator.
Para mejorar la potencia de salida de motores diesel de barcos o generadores, y para lograr reducir el tamaño de estos motores, hay que reforzar los aceros que se han de usar para sus componentes. Tales componentes se producen por lo general con aceros forjados. Este tipo de acero para cigüeñales tiene una resistencia máxima a la tracción de aproximadamente 950 N/mm^{2}, mientras que se precisan aceros para cigüeñales que tienen la resistencia de 1000 N/mm^{2} o más para cumplir dicho requisito.To improve the output power of motors diesel from ships or generators, and to reduce the size of these engines, you have to reinforce the steels that are to be used to it's components. Such components are usually produced with forged steels. This type of crankshaft steel has a maximum tensile strength of approximately 950 N / mm2, while crankshaft steels are needed that have the resistance of 1000 N / mm2 or more to meet said requirement.
Como el acero para forjas a gran escala con la resistencia de 1000 N/mm^{2} o más, se conoce acero 3,5NiCrMo o análogos que se usa en rotores (véase, por ejemplo, "Tetsu to Hagane", vol. 89 (2003) número 6). Este acero tiene una muy excelente resistencia, tenacidad, y análogos, y se usa como un rotor (eje rotativo) para un generador sometido a carga alta.As the steel for large-scale forging with the resistance of 1000 N / mm2 or more, 3.5NiCrMo steel or analogs used in rotors (see, for example, "Tetsu to Hagane ", vol. 89 (2003) number 6). This steel has a very excellent strength, toughness, and the like, and is used as a rotor (rotary axis) for a generator under high load.
Sin embargo, el tipo anterior de acero contiene gran cantidad de Ni, que es muy caro, como un elemento de aleación para reforzar y dar resistencia al acero, y se somete preferiblemente a un proceso de temple de dos etapas para asegurar la tenacidad, o a un proceso de preendurecimiento específico para minimizar el tamaño de grano, dando lugar al problema de alto costo.However, the previous type of steel contains large amount of Ni, which is very expensive, as an alloy element to reinforce and give strength to steel, and submits preferably to a two stage tempering process to ensure tenacity, or a specific pre-hardening process for minimize grain size, leading to high problem cost.
Por otra parte, los aceros Cr-Mo, notablemente 34CrNiMo6 como el definido en una especificación DIN, 32CrMo12 como el definido en la misma, 42CrMo4 como el definido en una especificación ISO, se han usado hasta ahora como aceros para cigüeñales a gran escala, que se usan para partes de un motor y un mecanismo de transmisión en los barcos o análogos. Estos tipos de aceros tienen la ventaja de un costo relativamente bajo porque tienen menos contenido de Ni en comparación con dicho acero 3,5NiCrMo. Sin embargo, de hecho, estos aceros no cumplen los recientes requisitos en términos de resistencia y tenacidad, en comparación con el tipo anterior de acero. GB 2.302.334 describe un acero adecuado para cigüeñales.On the other hand, steels Cr-Mo, notably 34CrNiMo6 as defined in a DIN specification, 32CrMo12 as defined in it, 42CrMo4 as defined in an ISO specification, have been used so far as steels for large-scale crankshafts, which are used for parts of an engine and a transmission mechanism on ships or analogues. These types of steels have the advantage of a cost relatively low because they have less Ni content in comparison with said 3.5NiCrMo steel. However, in fact, these steels do not meet the recent requirements in terms of strength and toughness, compared to the previous type of steel. GB 2,302,334 describes a steel suitable for crankshafts.
La presente invención se ha realizado en vista de dichos problemas, y un objeto de la invención es proporcionar un proceso para producir un cigüeñal a gran escala y bajo costo con excelente resistencia y tenacidad.The present invention has been realized in view of said problems, and an object of the invention is to provide a process to produce a large-scale and low-cost crankshaft with Excellent strength and toughness.
Este objeto se logra con el proceso definido en la reivindicación.This object is achieved with the process defined in the reinvidication.
Un acero de alta resistencia para una forja a gran escala usado en la invención tiene el principio de que el acero consta, en masa (expresándose el contenido de los componentes siguientes en porcentaje en masa de la misma manera), de C: de 0,30 a 0,50%, Si: más de 0,15%, pero no más de 0,40%, Mn: de 0,80 a 1,20%, Ni: de 0,80 a 2,5%, Cr: de 1,0 a 3,0%, Mo: de 0,35 a 0,70%, V: de 0,10 a 0,25%, y equilibrio: Fe e impurezas inevitables.A high strength steel forging a large scale used in the invention has the principle that the steel consists, in mass (expressing the content of the components following mass percentage in the same way), from C: from 0.30 at 0.50%, Si: more than 0.15%, but not more than 0.40%, Mn: from 0.80 to 1.20%, Ni: from 0.80 to 2.5%, Cr: from 1.0 to 3.0%, Mo: from 0.35 to 0.70%, V: from 0.10 to 0.25%, and balance: Faith and inevitable impurities.
En el acero de alta resistencia para una forja a gran escala usado en la invención, un tamaño de grano en una estructura metálica del acero es un número de tamaño de grano ASTM del orden de 2 a 6. Además, el acero de alta resistencia para una forja a gran escala usado en la invención se produce por enfriamiento rápido por debajo de 200ºC de la temperatura austenitizante y temple posterior.In high strength steel for a forge to large scale used in the invention, a grain size in a Steel wireframe is an ASTM grain size number on the order of 2 to 6. In addition, high strength steel for a large-scale forging used in the invention is produced by rapid cooling below 200 ° C of the temperature austenitizing and subsequent tempering.
Forjando dicho acero de alta resistencia para una forja a gran escala se obtiene un cigüeñal a gran escala con propiedades deseadas. Tal cigüeñal es útil como un cigüeñal para un motor diesel usado en un barco o generador.Forging said high strength steel to a large-scale forge you get a large-scale crankshaft with desired properties Such a crankshaft is useful as a crankshaft for a Diesel engine used in a boat or generator.
En el acero de alta resistencia para una forja a gran escala usado en la invención, el contenido de Ni es reducido en comparación al del acero 3,5NiCrMo que se ha propuesto como acero para una forja de Ni-Cr-Mo de alta resistencia, dando lugar a una reducción del costo, mientras que tiene un contenido predeterminado de Si, Mn, Cr, y análogos, mejorando la resistencia, dando lugar a un acero para forjas de alta calidad a bajo costo. Además, este acero para forjas tiene muy excelente templabilidad (capacidad de enfriamiento rápido). Es decir, este acero tiene una excelente propiedad de que la microestructura puede ser controlada a la que consta solamente de bainita y martensita. Usando la excelente templabilidad, el acero puede ser utilizado efectivamente como material para productos forjados a gran escala. En particular, el acero es sumamente útil como material para cigüeñales a gran escala, incluyendo un cigüeñal para un motor diesel usado en un barco o generador.In high strength steel for a forge to Large scale used in the invention, Ni content is reduced compared to 3.5NiCrMo steel that has been proposed as steel for a high Ni-Cr-Mo forge resistance, leading to a reduction in cost, while has a default content of Si, Mn, Cr, and the like, improving resistance, resulting in a high forging steel Quality at low cost. In addition, this forging steel has very excellent hardenability (rapid cooling capacity). Is say, this steel has an excellent property that the microstructure can be controlled to which it consists only of Bainite and martensite. Using the excellent hardenability, the steel can be used effectively as material for products Forged on a large scale. In particular, steel is extremely useful as a material for large-scale crankshafts, including a crankshaft for a diesel engine used in a boat or generator.
La figura 1 es un gráfico que representa una relación entre la energía absorbida en la resistencia de 1000 N/mm^{2}, a la que se convierte la energía absorbida determinada, y el contenido de Ni.Figure 1 is a graph that represents a ratio between the energy absorbed in the resistance of 1000 N / mm2, to which the determined absorbed energy is converted, and the content of Ni.
La figura 2 es un gráfico que representa una relación entre el contenido de Ni y el número de tamaño de grano.Figure 2 is a graph that represents a relationship between the Ni content and the size number of grain.
La figura 3 es un gráfico que representa una relación entre la temperatura de inicio del temple y la resistencia a la tracción TS.Figure 3 is a graph that represents a relationship between tempering start temperature and resistance to traction TS.
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La figura 4 es un gráfico que representa una relación entre la temperatura de inicio del temple y el valor de impacto (energía absorbida).Figure 4 is a graph that represents a relationship between the tempering start temperature and the value of impact (absorbed energy).
Teniendo presentes estos problemas, los inventores se han dedicado a estudiar el desarrollo de acero para forjas en que la cantidad de contenido de Ni como un elemento de aleación es reducida en comparación, en particular, con el acero 3,5NiCrMo conocido como el acero de alta resistencia para forjas, dando lugar a una reducción del costo, y que también tiene la resistencia y tenacidad equivalentes a las del acero conocido, siendo al mismo tiempo capaz de exhibir excelente templabilidad, que es importante al fabricar las forjas de alta resistencia a gran escala.With these problems in mind, inventors have dedicated themselves to study the development of steel for forges in which the amount of Ni content as an element of alloy is reduced compared, in particular, with steel 3.5NiCrMo known as high strength forging steel, leading to a reduction in cost, and that also has the strength and toughness equivalent to those of known steel, while being able to exhibit excellent hardenability, which is important when manufacturing high strength to high strength forges scale.
Como resultado, los inventores han hallado que la cantidad de Ni que sirve como un elemento de refuerzo en dicho acero para aceros a base de Ni-Cr-Mo se deberá reducir todo lo posible, mientras que los elementos incluyendo Si, Mn, Cr, y análogos se deberán añadir en cantidades apropiadas, obteniendo por ello el acero para forjas con templabilidad sumamente excelente y con mejor resistencia y tenacidad para compensar la escasez de resistencia producida por la menor cantidad de Ni.As a result, the inventors have found that the amount of Ni that serves as a reinforcing element in said steel for steels based on Ni-Cr-Mo should be reduced as much as possible while the elements including Si, Mn, Cr, and the like should be added in quantities appropriate, thereby obtaining the forging steel with extremely excellent hardenability with better resistance and tenacity to compensate for the shortage of resistance produced by the lower amount of Ni.
Es decir, Ni es un elemento muy útil para mejorar la resistencia y tenacidad del acero a base de Cr-Mo, que se ha usado como el acero para forjas para aplicaciones multiuso como se ha mencionado anteriormente, y para mejorar la templabilidad. Por esta razón, Ni es el elemento sumamente útil para el acero de alto nivel a base de Cr-Mo para forjas. Sin embargo, dado que el Ni es el elemento caro, un aumento excesivo del contenido de Ni daría lugar a un aumento del costo del acero, por lo que no se cumplen los requisitos del consumidor relativos a los precios. Consiguientemente, la invención tiene las siguientes finalidades importantes: reducir el contenido de Ni todo lo posible, y poder asegurar las propiedades de resistencia y enfriamiento rápido equivalentes a las del acero convencional para aceros a base de Ni-Cr-Mo. Para lograr el objeto de reducir el costo disminuyendo la cantidad de Ni, el contenido de Ni se reduce deseablemente a no más de 2,5%.That is, Ni is a very useful element for improve the strength and toughness of steel based Cr-Mo, which has been used as forging steel for multipurpose applications as mentioned above, and to improve hardenability. For this reason, Ni is the element extremely useful for high level steel based on Cr-Mo for forges. However, since Ni is the expensive element, an excessive increase in Ni content would result to an increase in the cost of steel, so the consumer requirements regarding prices. Accordingly, the invention has the following purposes important: reduce Ni content as much as possible, and be able ensure fast cooling and resistance properties equivalent to those of conventional steel for steels based on Ni-Cr-Mo. To achieve the object of reduce the cost by decreasing the amount of Ni, the content of Ni It is desirably reduced to no more than 2.5%.
El acero para forjas usado en la invención se caracteriza porque el contenido de Ni se limita como se ha mencionado anteriormente, y porque, en cambio, los elementos de aleación incluyendo Si, Mn, Cr, y análogos se añaden en cantidades apropiadas. Las razones de la restricción de una composición de componentes químicos definida por la invención, incluyendo dichos elementos, son las siguientes:The forging steel used in the invention is characterized in that Ni content is limited as it has been mentioned above, and because, instead, the elements of alloy including Si, Mn, Cr, and the like are added in amounts appropriate. The reasons for restricting a composition of chemical components defined by the invention, including said elements are the following:
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C: de 0,30 a 0,50%C: from 0.30 to 0.50%
C es un elemento que contribuye a la mejora de la templabilidad y a la mejora de la resistencia. Para asegurar una suficiente resistencia y templabilidad, el contenido de C tiene que ser una cantidad de 0. 30% o más. Sin embargo, el excesivo contenido de C disminuye sumamente la tenacidad, mientras que mejora la formación de una segregación en V inversa en un lingote a gran escala. Consiguientemente, el contenido de C se reduce preferiblemente a no más de 0,50%.C is an element that contributes to the improvement of Temperability and resistance improvement. To ensure a sufficient strength and hardenability, the C content has to be an amount of 0.30% or more. However, the excessive C content greatly decreases toughness, while improving the formation of a reverse V segregation in a large ingot scale. Consequently, the content of C is reduced preferably not more than 0.50%.
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Si: más de 0,15%, pero no más de 0,40%Yes: more than 0.15%, but not more than 0.40%
El elemento Si actúa como un elemento mejorador de resistencia, y se tiene que contener en una cantidad superior a 0,15% para asegurar una resistencia suficiente. Sin embargo, una cantidad excesiva de Si da lugar a la formación de significativa segregación en V inversa, haciendo difícil obtener lingotes limpios. Consiguientemente, el contenido de Si no deberá ser superior a 0,40%.The element If it acts as an improving element of resistance, and must be contained in an amount greater than 0.15% to ensure sufficient strength. However, a excessive amount of Si results in the formation of significant reverse V segregation, making it difficult to obtain clean ingots. Consequently, the content of Si should not exceed 0.40%
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Mn: de 0,80 a 1,20%Mn: from 0.80 to 1.20%
El elemento Mn es un elemento que contribuye a la mejora de la templabilidad y a la mejora de la resistencia. Para asegurar una suficiente resistencia y templabilidad, el Mn se tiene que contener en una cantidad de 0,80% o más. Sin embargo, el contenido excesivo de Mn mejora la acritud del temple. Consiguientemente, el contenido de Mn no tiene que ser superior a 1,20%.The element Mn is an element that contributes to the improvement of the hardenability and the improvement of the resistance. For ensure sufficient strength and hardenability, the Mn has to contain in an amount of 0.80% or more. However the excessive content of Mn improves the acidity of the temper. Consequently, the content of Mn does not have to be greater than 1.20%
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Cr: 1,0 a 3,0%Cr: 1.0 to 3.0%
El elemento Cr es un elemento que es útil para la mejora de la templabilidad y la mejora de la tenacidad. Con el fin de exhibir suficientemente estos efectos, el contenido de Cr tiene que ser una cantidad de 1,0% o más. Sin embargo, el contenido excesivo de Cr forma solidificación no homogénea, haciendo difícil fabricar el acero limpio. Consiguientemente, el contenido de Cr no tiene que ser superior a 3,0%.The Cr element is an element that is useful for the improvement of the hardenability and the improvement of the tenacity. With the In order to sufficiently exhibit these effects, the Cr content It has to be an amount of 1.0% or more. However, the content excessive Cr form non-homogeneous solidification, making difficult manufacture the clean steel. Consequently, Cr content does not It must be greater than 3.0%.
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Mo: de 0,35 a 0,70%Mo: from 0.35 to 0.70%
El elemento Mo es un elemento que sirve efectivamente para mejorar la templabilidad, resistencia y tenacidad. Para exhibir suficientemente estos efectos, el contenido de Mo tiene que ser una cantidad de 0,35% o más. Si el contenido de Mo es menos de dicha cantidad, se forma segregación en V inversa, lo que no es deseable. En contraposición, dado que el excesivo contenido de Mo promueve la microsegregación en los lingotes, y el Mo es un elemento pesado, tiende a producirse segregación por gravedad. Consiguientemente, el contenido de Mo no tiene que ser superior a 0,70%.The Mo element is an element that serves effectively to improve hardenability, resistance and tenacity. To sufficiently exhibit these effects, the content Mo has to be an amount of 0.35% or more. If the content of Mo is less than that amount, inverse V segregation is formed, what That is not desirable. In contrast, since the excessive Mo content promotes microsegregation in ingots, and the Mo is a heavy element, segregation tends to occur by gravity. Consequently, Mo content does not have to be greater than 0.70%.
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V: de 0,10 a 0,25%V: from 0.10 to 0.25%
El elemento V es un elemento que sirve efectivamente para mejorar la templabilidad y resistencia incluso en una pequeña cantidad. Para exhibir estos efectos, el V se tiene que contener en una cantidad de 0,10% o más. Sin embargo, dado que el elemento V tiene un bajo coeficiente de distribución de equilibrio, el excesivo contenido de V tiende a producir la microsegregación (segregación normal). Consiguientemente, el contenido de V no tiene que ser superior a 0,25%.Element V is an element that serves effectively to improve hardenability and resistance even in a small quantity. To exhibit these effects, the V must be contain in an amount of 0.10% or more. However, since the element V has a low equilibrium distribution coefficient, excessive V content tends to produce microsegregation (normal segregation). Consequently, the content of V does not have than be greater than 0.25%.
En el acero para forjas usado en la invención, los componentes básicos preferibles son los mencionados anteriormente. El equilibrio consta esencialmente de Fe, pero se pueden contener diminutas cantidades de impurezas inevitables (incluyendo, por ejemplo, P, O, N, Al, o análogos) en los aceros.In the forging steel used in the invention, the preferable basic components are those mentioned previously. The balance consists essentially of Faith, but it may contain tiny amounts of unavoidable impurities (including, for example, P, O, N, Al, or the like) in the steels
Es bien conocido que minimizar el tamaño de grano mejora la tenacidad del material de acero. Para minimizar el tamaño de grano, hay que realizar un proceso de austenitización como una precondición. Es decir, el proceso de austenitización se lleva a cabo para afinar y uniformar el tamaño de grano, antes del enfriamiento rápido. En el proceso de austenitización de la forja a gran escala, un tiempo de mantenimiento es largo de modo que pueda tener lugar la transformación de austenita dentro del acero. Así, cuanto más grande es el producto, mayor tiende a ser la diferencia del tamaño de grano entre dentro y fuera, donde a menudo se lleva a cabo un proceso especial, tal como un proceso de austenitización polietápico, a saber, de dos o más etapas, para minimizar el tamaño de grano.It is well known to minimize the size of Grain improves the toughness of the steel material. To minimize the grain size, you must perform an austenitization process such as A precondition That is, the austenitization process takes out to refine and standardize the grain size, before fast cooling In the process of austenitization of the forge to large scale, a maintenance time is long so that you can take place the transformation of austenite inside the steel. So, The bigger the product, the bigger the difference tends to be of the size of grain between inside and outside, where it often leads to carry out a special process, such as an austenitization process multi-stage, namely two or more stages, to minimize size grain.
Por otra parte, es bien conocido que la inclusión del elemento Ni es efectiva para mejorar la tenacidad del acero. Sin embargo, el excesivo contenido de Ni tiende a aumentar el tamaño de grano, y la austenita tiende a permanecer en el enfriamiento rápido. Si hay gran cantidad de austenita restante en el enfriamiento rápido, entonces se transforma en martensita al temple, dando lugar a una estructura dura y quebradiza mezclada, dando lugar así a deterioro de la tenacidad. Esto exige templar de nuevo la martensita ya producida en el primer proceso de temple, en un caso donde se requiere estrictamente cierta tenacidad. Ésta es la razón por la que a menudo se realiza el proceso de temple de dos etapas.On the other hand, it is well known that the Inclusion of the Ni element is effective in improving the toughness of the steel. However, the excessive Ni content tends to increase the grain size, and austenite tends to remain in the fast cooling If there is a large amount of austenite remaining in the rapid cooling, then it becomes martensite at quenching, giving rise to a hard and brittle structure mixed, thus leading to deterioration of tenacity. This requires tuning of again the martensite already produced in the first tempering process, in a case where a certain tenacity is strictly required. This is the reason why the tempering process of two is often performed stages
Desde este punto de vista, los inventores han considerado plenamente desarrollar acero que pueda asegurar suficiente tenacidad incluso en granos bastos, y que suprima la formación de la austenita restante en enfriamiento rápido, sin necesitar el proceso especial, tal como el proceso de temple de dos etapas, al objeto de asegurar la tenacidad. Como resultado, se ha hallado claramente que el acero de alta resistencia para forjas con la composición química anterior asegura suficiente tenacidad incluso en la estructura metálica que tiene el tamaño de grano del tamaño de grano ASTM número 6 o menos, y solamente se tiene que someter a un proceso de temple único. Obsérvese que en el acero con el número de tamaño de grano ASTM inferior a dos, el tamaño de grano se incrementa significativamente, dando lugar a la degradación de la tenacidad del acero forjado. Consiguientemente, el número de tamaño de grano ASTM es al menos dos.From this point of view, the inventors have fully considered developing steel that can ensure enough tenacity even in coarse grains, and that suppresses the formation of the remaining austenite in rapid cooling, without need the special process, such as the two tempering process stages, in order to ensure tenacity. As a result, it has clearly found that high strength steel forging with the previous chemical composition ensures sufficient toughness even in the metal structure that has the grain size of the ASTM grain size number 6 or less, and you only have to subject to a unique tempering process. Note that in steel with ASTM grain size number less than two, grain size increases significantly, leading to the degradation of the toughness of the forged steel. Consequently, the number of ASTM grain size is at least two.
Un cigüeñal para un motor diesel usado en un barco o generador tiene un diámetro de muñón de al menos aproximadamente 150 mm, que es sumamente grande en comparación con el del vehículo (por ejemplo, aproximadamente 15 mm). Dado que el enfriamiento rápido con agua origina un peligro de fisuración y rotura al fabricar la forja a gran escala, el enfriamiento rápido del cigüeñal a gran escala se lleva a cabo generalmente por enfriamiento rápido con aceite, enfriamiento rápido con polímero, enfriamiento por aire o análogos. Al fabricar el cigüeñal a gran escala de interés en la invención, aunque la tasa de enfriamiento en el enfriamiento rápido depende de un diámetro del cigüeñal, no es superior a 50ºC/min en el enfriamiento rápido con aceite. Más específicamente, para un cigüeñal con un diámetro de 500 mm, la tasa de enfriamiento es aproximadamente 20ºC/min. Para un cigüeñal con un diámetro mayor que éste (por ejemplo, 1000 mm), la tasa de enfriamiento es muy inferior.A crankshaft for a diesel engine used in a ship or generator has a stump diameter of at least approximately 150 mm, which is extremely large compared to that of the vehicle (for example, approximately 15 mm). Since the rapid cooling with water creates a danger of cracking and breakage when manufacturing the forging on a large scale, rapid cooling The large-scale crankshaft is usually carried out by rapid cooling with oil, rapid cooling with polymer, air cooling or the like. When manufacturing the crankshaft to large scale of interest in the invention, although the cooling rate in fast cooling depends on a crankshaft diameter, it is not higher than 50ºC / min in rapid cooling with oil. Plus specifically, for a crankshaft with a diameter of 500 mm, the cooling rate is approximately 20 ° C / min. For a crankshaft with a diameter greater than this (for example, 1000 mm), the rate of cooling is much lower.
Para obtener el acero de alta resistencia para forjas a gran escala con excelente resistencia y tenacidad, la microestructura es controlada de manera que conste de bainita y martensita. Como resultado de estudiar una condición en que dicha estructura se logra incluso a una tasa de enfriamiento rápido de aproximadamente 20ºC/min (en el caso de enfriamiento rápido con aceite) con el fin de aplicar el acero al cigüeñal a gran escala con un diámetro de 150 mm o más, los inventores han hallado dicha composición química.To obtain high strength steel for large-scale forges with excellent strength and toughness, the microstructure is controlled so that it consists of bainite and martensite As a result of studying a condition in which said structure is achieved even at a rapid cooling rate of approximately 20 ° C / min (in the case of rapid cooling with oil) in order to apply the steel to the crankshaft on a large scale with a diameter of 150 mm or more, the inventors have found said chemical composition.
Obsérvese que dado que, para un cigüeñal con un diámetro mucho mayor, a menudo no se logra la tasa de enfriamiento deseada (20ºC/min) en el enfriamiento rápido con aceite, se recomienda realizar en este caso el "enfriamiento rápido con polímero" anterior. Este enfriamiento rápido con polímero implica enfriar el acero mediante la utilización de solución de enfriamiento que se produce disolviendo solvente orgánico, tal como glicoles (por ejemplo, dietilen glicol, polietilen glicol, o análogos), en agua. Tal enfriamiento rápido con polímero es capaz de lograr una tasa de enfriamiento más alta que en el enfriamiento rápido con aceite. Por lo tanto, el enfriamiento rápido con polímero es un sistema de refrigeración útil para prevención de fisuras, que se podrían producir en el enfriamiento rápido con agua, y para lograr la tasa de enfriamiento más alta, por ejemplo, la tasa de enfriamiento de más de 20ºC/min para las forjas relativamente a gran escala.Note that since, for a crankshaft with a much larger diameter, often the cooling rate is not achieved desired (20ºC / min) in rapid cooling with oil, recommends in this case "fast cooling with polymer "above. This rapid cooling with polymer implies cool the steel by using solution of cooling that occurs by dissolving organic solvent, such as glycols (for example, diethylene glycol, polyethylene glycol, or analogues), in water. Such rapid cooling with polymer is capable of achieving a higher cooling rate than in cooling Fast with oil. Therefore, rapid cooling with polymer is a refrigeration system useful for preventing fissures, which could occur in rapid cooling with water, and to achieve the highest cooling rate, for example, the cooling rate of more than 20ºC / min for the forges relatively large scale.
En el enfriamiento rápido, el acero austenitizado se somete a enfriamiento rápido a menos de 200ºC, y posteriormente se templa desde un punto de vista de terminación de la transformación. Si la temperatura de enfriamiento rápido (a saber, temperatura de inicio del temple) excede de 200ºC, permanece parcialmente austenita sin transformación a bainita y martensita, lo que produce variaciones de las propiedades.In rapid cooling, the steel austenitized undergoes rapid cooling to less than 200 ° C, and subsequently it is tempered from a termination point of view of The transformation. If the rapid cooling temperature (a know, temper start temperature) exceeds 200 ° C, remains partially austenite without transformation to bainite and martensite, which produces variations of the properties.
Un método de fabricar el acero para la forja según la invención no está limitado en particular. El acero solamente tiene que ser ajustado a composiciones químicas predeterminadas, y entonces se fundirá usando un horno de fundición de alta frecuencia, un horno eléctrico, un convertidor, o análogos de forma normal. También es efectivo realizar un proceso de vacío después del ajuste de las composiciones. En el caso del acero para la forja a gran escala, se emplea principalmente colada en lingotera.A method of manufacturing steel forging according to the invention it is not limited in particular. The steel it only has to be adjusted to chemical compositions predetermined, and then it will be melted using a smelting furnace high frequency, an electric oven, a converter, or the like in a normal way It is also effective to perform a vacuum process after adjustment of the compositions. In the case of steel for large-scale forging, is mainly used casting in ingot
Aparte de las características definidas en la reivindicación, un método de fabricar un cigüeñal usando el acero para forjas no está limitado en particular. Por ejemplo, el método puede incluir los pasos siguientes de: fundir acero con una composición predeterminada en el horno eléctrico; quitar un elemento impureza, tal como S, y un componente gas, tal como O, por afino al vacío; formación de lingotes; forja en barra después de calentar el lingote; calentar la barra forjada después de una inspección intermedia y forja en forma de cigüeñal; y maquinado de acabado.Apart from the characteristics defined in the claim, a method of manufacturing a crankshaft using steel For forging is not limited in particular. For example, the method It can include the following steps of: melting steel with a predetermined composition in the electric oven; remove an item impurity, such as S, and a gas component, such as O, by refining the empty; ingot formation; bar forging after heating the ingot; heat the forged bar after an inspection intermediate and crankshaft forging; and machining of finish.
Se deberá indicar que un método de forja libre (que implica forjar un brazo de manivela y un botón de manivela en un bloque, y acabar el bloque forjado a la forma de cigüeñal por corte con gas y maquinado), y métodos de forja RR y TR (que implican realizar procesado de forja de tal manera que el centro eje de un lingote esté alineado con un eje central de un cigüeñal) se ejemplifican como un método de procesado de forja para forjar el material al cigüeñal. En particular, esto último es más preferible porque se puede obtener un alto nivel de limpieza sin segregación cerca de la región superficial donde en la operación se ejerce un alto esfuerzo, obteniendo fácilmente el cigüeñal con excelente propiedad de resistencia y fatiga. El cigüeñal así obtenido es muy útil como un cigüeñal para un motor diesel usado en un barco o generador.It should be indicated that a free forging method (which involves forging a crank arm and a crank button on a block, and finish the block forged to the crankshaft shape by gas cutting and machining), and forging methods RR and TR (which involve forging processing in such a way that the center axis of an ingot is aligned with a central axis of a crankshaft) exemplify as a method of forging processing to forge the material to the crankshaft. In particular, the latter is more preferable. because a high level of cleanliness can be obtained without segregation near the surface region where in the operation a high effort, easily obtaining the crankshaft with excellent property of resistance and fatigue. The crankshaft thus obtained is very useful as a crankshaft for a diesel engine used on a ship or generator.
Ahora se describirán a continuación más específicamente los efectos y ventajas de la invención a modo de ejemplo 2. Se entiende que la invención no se ha de limitar al ejemplo específico 2 siguiente, y que se puede idear y realizar varias modificaciones apropiadas dentro del alcance aplicable de la invención mencionado anteriormente y más adelante, y se ha previsto que queden incluidas en el alcance técnico de la invención.Now they will be described below more specifically the effects and advantages of the invention by way of Example 2. It is understood that the invention should not be limited to specific example 2 below, and that can be devised and performed various appropriate modifications within the applicable scope of the invention mentioned above and below, and is provided that are included in the technical scope of the invention.
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(Que no forma parte de la invención)(That is not part of the invention)
Se fundieron aceros con las composiciones
químicas expuestas en la tabla 1 siguiente usando un horno de
fundición de alta frecuencia, y posteriormente se fundieron en
lingotes (40 kg) teniendo cada uno un diámetro de 132 a
158
mm y una longitud de 323 mm. Se cortó una parte de zona de mazarota
de cada uno de los lingotes obtenidos, y posteriormente el lingote
se calentó a 1230ºC durante cinco a diez horas. A continuación, el
lingote se comprimió a un segundo en altura usando una prensa de
forja de troquel abierto, y estiró a 90 mm x 90 mm x 600 mm después
de cambiar la dirección de la forja a la dirección transversal
contra la línea central del lingote. El tocho así obtenido se
enfrió en aire.Steels were melted with the chemical compositions set forth in Table 1 below using a high frequency smelting furnace, and subsequently melted into ingots (40 kg) each having a diameter of 132 to
158 mm and a length of 323 mm. A portion of the mazarot zone of each of the obtained ingots was cut, and subsequently the ingot was heated at 1230 ° C for five to ten hours. Next, the ingot was compressed at a second height using an open die forging press, and stretched at 90 mm x 90 mm x 600 mm after changing the direction of the forge to the transverse direction against the center line of the ingot . The billet thus obtained was cooled in air.
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Tabla 1Table one
Después de enfriar el acero a temperatura ambiente, se llevó a cabo un proceso de enfriamiento rápido que simuló respectivas tasas de calentamiento y enfriamiento en un punto situado a 50 mm (que es una décima del diámetro) por debajo de la superficie del cigüeñal que tiene el diámetro de 500 mm. Más específicamente, el acero se calentó hasta 870ºC a una tasa de aumento de temperatura de 40ºC/h usando un horno simulado a pequeña escala, y se mantuvo a la temperatura durante una hora (proceso de austenitización). El acero se enfrió posteriormente a una tasa de enfriamiento media de 20ºC/min a una temperatura del orden de 500 a 870ºC para realizar un proceso de enfriamiento rápido. Se llevó a cabo un proceso de temple a una temperatura del orden de 580 a 630ºC durante 13 horas, y el enfriamiento se llevó a cabo mediante enfriamiento del horno. A continuación, se evaluaron las propiedades mecánicas de cada uno de los aceros así obtenidos de la siguiente manera. El tamaño de grano del acero se midió en base a ASTM (número de tamaño de grano).After cooling the steel to temperature environment, a rapid cooling process was carried out that simulated respective heating and cooling rates at one point located 50 mm (which is one tenth of the diameter) below the surface of the crankshaft that has the diameter of 500 mm. Plus specifically, the steel was heated to 870 ° C at a rate of temperature rise of 40ºC / h using a simulated small oven scale, and kept at the temperature for one hour (process of austenitization). The steel was subsequently cooled at a rate of average cooling of 20ºC / min at a temperature of the order of 500 to 870 ° C to perform a rapid cooling process. It took carry out a quenching process at a temperature of the order of 580 to 630 ° C for 13 hours, and cooling was carried out by oven cooling. Next, the mechanical properties of each of the steels thus obtained from the Following way. The grain size of the steel was measured based on ASTM (grain size number).
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(A) Se realizaron pruebas de tracción para cada uno de los aceros en base a JIS Z2241, donde la forma de una pieza de prueba, que es el espécimen JIS Z2201 número 14, es \Phi6 x G.30. Se midieron las propiedades mecánicas [tensión de fluencia (YS), esfuerzo de tracción (TS), elongación (EL), reducción de área (RA)] del acero.(A) Tensile tests were performed for each one of the steels based on JIS Z2241, where the shape of a piece test, which is the JIS Z2201 number 14 specimen, is \ Phi6 x G.30. Mechanical properties were measured [creep stress (YS), tensile stress (TS), elongation (EL), area reduction (RA)] of steel.
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(B) Se realizó una prueba de impacto Charpy para el tipo de acero con una resistencia a la tracción TS de no menos de 1000 N/mm^{2}. La prueba de impacto Charpy se realizó en base a JIS Z2242 para medir su energía absorbida vE, donde la forma de una pieza de prueba empleada es una ranura en V de 2 mm en base a JIS Z2202. Con el fin de evaluar la tenacidad a la misma resistencia, la energía absorbida vEat (1000 N/mm^{2}) a la resistencia de 1000 N/mm^{2} se calculó con el método de cálculo siguiente para evaluar la tenacidad.(B) A Charpy impact test was performed to the type of steel with a tensile strength TS of not less 1000 N / mm2. The Charpy impact test was performed based on JIS Z2242 to measure its absorbed energy vE, where the shape of a test piece used is a 2 mm V groove based on JIS Z2202. In order to evaluate the toughness at the same resistance, the absorbed energy vEat (1000 N / mm2) at the resistance of 1000 N / mm2 was calculated with the following calculation method for Evaluate the tenacity.
Las energías absorbidas a temperaturas de temple que produjeron la resistencia de alrededor de 1000 N/mm^{2} se designan Eu y Ed, y las respectivas resistencias de tracción Su y Sd.The absorbed energies at tempering temperatures which produced the resistance of about 1000 N / mm2 were designate Eu and Ed, and the respective tensile strengths Su and Sd.
Eu: energía absorbida a una temperatura de temple (Td) en que se obtuvo la resistencia de no menos de 1000 N/mm^{2}Eu: energy absorbed at a temperature of tempering (Td) in which the resistance of not less than 1000 was obtained N / mm2
Su: resistencia a la tracción en la condición anteriorSu: tensile strength in the condition previous
Ed: energía absorbida a una temperatura de temple (Td) en que se obtuvo la resistencia de no más de 1000 N/mm^{2}Ed: energy absorbed at a temperature of temper (Td) in which the resistance of no more than 1000 was obtained N / mm2
Sd: resistencia a la tracción en la condición anteriorSd: tensile strength in condition previous
VEat(1000 \ N/mm^{2}) = Eu + (Ed - Eu) / (Su - Sd) x (Su - 1000)VEat (1000 \ N / mm2) = Eu + (Ed - Eu) / (Su - Sd) x (Su - 1000)
Estos resultados se exponen en la tabla 2 siguiente, conjuntamente con las temperaturas de enfriamiento rápido y temple. A partir de los resultados se puede mostrar lo siguiente. Primero: se ha demostrado que en las muestras de pruebas números 1 a 3, 13, y 14, cualquiera de sus componentes químicos se desvía de un rango especificado por la invención, y que la resistencia a la tracción TS de cada una de estas muestras no llega a 1000 N/mm^{2} (resistencia inalcanzable).These results are shown in table 2 next, in conjunction with fast cooling temperatures and tempering From the results the following can be shown. First: it has been shown that in test samples numbers 1 at 3, 13, and 14, any of its chemical components deviates from a range specified by the invention, and that the resistance to TS traction of each of these samples does not reach 1000 N / mm2 (unreachable resistance).
En contraposición, se ha demostrado que las muestras de pruebas número 4 a 12, que cumplen el rango especificado por la invención, tienen una resistencia a la tracción de no menos de 1000 N/mm^{2}. Además, se ha hallado que una energía Charpy absorbida de cada una de estas muestras vE tiende a depender del contenido de Ni.In contrast, it has been shown that test samples number 4 to 12, which meet the specified range by the invention, they have a tensile strength of not less 1000 N / mm2. In addition, it has been found that a Charpy energy absorbed from each of these samples vE tends to depend on the Ni content.
Obsérvese que, después de los procesos de austenitización, enfriamiento rápido y temple, una sección transversal de cada muestra fue atacada por natal, y posteriormente se fotografiaron dos o más vistas de la misma con un microscopio óptico con 100 aumentos. A partir de las fotografías se determinaron fracciones de respectivas zonas clasificadas en ferrita y perlita con el fin de examinar la estructura metálica de cada muestra. Se ha hallado que las fracciones de zona de ferrita y perlita en cada muestra son sustancialmente cero, y su estructura consta esencialmente de bainita y martensita.Note that, after the processes of austenitization, rapid cooling and quenching, a section cross section of each sample was attacked by natal, and subsequently two or more views of it were photographed with a microscope optical with 100 magnifications. From the photographs were determined fractions of respective zones classified in ferrite and perlite in order to examine the metal structure of each sample. Be has found that the ferrite and perlite zone fractions in each Sample are substantially zero, and its structure consists essentially bainite and martensite.
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Tabla 2Table 2
En base a tales resultados, en la figura 1 se representa una relación entre una energía absorbida a la resistencia de 1000 N/mm^{2}, a que se convierte la energía absorbida determinada, y el contenido de Ni. Además, en la figura 2 se representa una relación entre el contenido de Ni y el número de tamaño de grano. La figura 1 representa claramente que el acero con el contenido de Ni de no menos de 0,80 y no más de 2,5% tiene buena propiedad de impacto. Es conocido en general que el aumento del contenido de Ni mejora la tenacidad del acero. Es decir, se ha demostrado que el efecto de Ni no se exhibe marcadamente hasta que el contenido de Ni llega a 0,80% o más. En contraposición, se ha demostrado que cuando el contenido de Ni es más de 2,5%, la tenacidad disminuye. Esto indica, como se representa en la figura 2, que el tamaño de grano aumenta con el aumento del contenido de Ni, y que tal aumento del tamaño de grano disminuye la tenacidad. Además, como se puede ver en las figuras 1 y 2, el acero con el número de tamaño de grano de dos o más puede asegurar una buena tenacidad. En un acero para forja en general, la tenacidad mejora de forma monótona cuando aumenta el contenido de Ni. Sin embargo, en una combinación de una composición y condiciones de tratamiento de calor, hay un rango adecuado de contenidos de Ni con el fin de mantener una tenacidad alta, como se muestra en este ejemplo. Y el límite superior del rango de contenidos de Ni 2,5% es igual casualmente a dicho límite superior de contenidos de Ni a considerar en términos de costo.Based on these results, Figure 1 shows represents a relationship between an energy absorbed to the resistance 1000 N / mm2, to which the absorbed energy is converted determined, and the content of Ni. In addition, in figure 2 it represents a relationship between the content of Ni and the number of grain size. Figure 1 clearly represents that the steel with Ni content of not less than 0.80 and not more than 2.5% has good impact property. It is generally known that the increase in Ni content improves the toughness of steel. That is, it has demonstrated that the Ni effect is not exhibited markedly until Ni content reaches 0.80% or more. In contrast, it has demonstrated that when the Ni content is more than 2.5%, the tenacity decreases. This indicates, as depicted in the figure. 2, that the grain size increases with increasing content of Nor, and that such an increase in grain size decreases the toughness. In addition, as can be seen in Figures 1 and 2, the steel with the grain size number of two or more can ensure a good tenacity. In a forging steel in general, the toughness improves monotonously when the Ni content increases. But nevertheless, in a combination of a composition and treatment conditions of heat, there is an adequate range of Ni contents in order to maintain high toughness, as shown in this example. And the upper limit of the content range of Ni 2.5% is equal coincidentally to said upper limit of Ni content to Consider in terms of cost.
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Generalmente, al fabricar una forja a gran escala, el acero se enfría no a temperatura ambiente, sino a una temperatura del orden de 200 a 300ºC, y posteriormente se lleva a cabo sucesivamente un proceso de temple, desde el punto de vista de evitar la fisuración, que podría ser producida por esfuerzos de fluencia y térmicos en los procesos de enfriamiento rápido y temple.Generally, when making a large forge scale, the steel cools not at room temperature, but at a temperature of the order of 200 to 300 ° C, and subsequently carried to successively carry out a tempering process, from the point of view of avoid cracking, which could be produced by efforts of creep and thermal in rapid cooling processes and quenching.
Desde este punto de vista, en las muestras de
las pruebas números 1 y 9 expuestas en la tabla 2 (los aceros de
los tipos A e I como se expone en la tabla 1), se examinaron
influencias de la temperatura de inicio del temple (temperatura
final del enfriamiento rápido) en las propiedades mecánicas
[resistencia a la tracción (TS), prueba resistencia 0,2% (0,2PS),
elongación (EL), reducción de área (RA), energía absorbida (vE)]
(siendo otras condiciones idénticas a las de los ejemplos
novedosos). Los resultados se muestran en la tabla 3 siguiente.
Además, en base a los resultados, una relación entre la temperatura
de inicio del temple y la resistencia a la tracción TS se
representa en la figura 3, y una relación entre la temperatura de
inicio del temple y el valor de impacto (energía absorbida) se
representa en la
figura 4.From this point of view, in the samples of tests numbers 1 and 9 shown in table 2 (steels of types A and I as shown in table 1), influences of the tempering start temperature were examined ( final temperature of rapid cooling) in the mechanical properties [tensile strength (TS), resistance test 0.2% (0.2PS), elongation (EL), area reduction (RA), absorbed energy (vE)] ( other conditions being identical to those of the novel examples). The results are shown in table 3 below. Furthermore, based on the results, a relationship between the tempering start temperature and the tensile strength TS is shown in Figure 3, and a relationship between the tempering start temperature and the impact value (absorbed energy) is represented in the
figure 4.
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Tabla 3Table 3
A partir de estos resultados queda demostrado lo siguiente. En la muestra de la prueba número 1, la temperatura de inicio del temple no tiene tanta influencia en las propiedades mecánicas, mientras que en la muestra de la prueba número 9, la temperatura de inicio del temple tiene influencia significativa en las propiedades. Tales resultados han demostrado que poner la temperatura de inicio del temple (temperatura final del enfriamiento rápido) a no más de 200ºC puede asegurar la resistencia estabilizada sin degradación de la tenacidad.From these results it is demonstrated what next. In the sample of test number 1, the temperature of beginning of tempering does not have as much influence on the properties mechanical, while in test sample number 9, the quench start temperature has significant influence on the properties Such results have shown that putting the tempering start temperature (final cooling temperature fast) at no more than 200 ° C can ensure stabilized resistance No degradation of toughness.
No se conoce claramente la causa de la influencia de la temperatura de inicio del temple en la resistencia a la tracción en las composiciones químicas especificadas por la invención, pero se considera que las composiciones químicas limitadas dentro de un rango especificado por la invención forman una estructura martensítica parcial, y no una estructura bainítica completa, y que la temperatura de inicio del temple influye en la formación de dicha estructura transformada.The cause of the influence of the tempering start temperature on the resistance tensile in the chemical compositions specified by the invention, but chemical compositions are considered limited within a range specified by the invention form a partial martensitic structure, and not a bainitic structure complete, and that the tempering start temperature influences the formation of said transformed structure.
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