ES2331539T3 - Acero para muelles, y procedimiento de fabricacion de un muelle en el que se emplea dicho acero, y muelle hecho con este acero. - Google Patents
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Abstract
Acero para muelles de resistencia a la fatiga elevada al aire y bajo corrosión y de alta resistencia a la deformación cíclica, de composición, en porcentajes ponderados: C = 0.45 - 0,70% Si = 1,65 - 2,60% Mn = 0,20 - 0,75% Cr = 0,60 - 2% Ni = 0,15-1% Mo = trazas inferiores a 1% V = 0,003 - 0,8% Cu = 0,10 - 1% Ti = 0,020 - 0,2% Nb = trazas - 0,2% Al = 0,002 - 0,050% P = trazas - 0,015% S = trazas - 0,015% 0 = trazas - 0,0020% N = 0,0020 - 0,0110% Siendo el resto hierro e impurezas resultantes de la elaboración, y cuya proporción en carbono equivalente Ceq, que se calcula según la fórmula, Ceq%=[C%]+0,12[Si%]+0,17[Mn%]-0,1[Ni%]+0,13[Cr%]-0,24[V%] está comprendida entre 0,80 y 1,00%, y cuya dureza, después del temple y del revenido, es superior o igual a 55HRC, siendo el tamaño máximo de los nitruros o carbonitruros de Ti observados a 1,5 ± 0,5 mm de la superficie de una barra, o de un hilo de máquina, de un pedazo o de un muelle de 100 mm 2 de la superficie de la sección inferior o igual a 20 µm, siendo dicho tamaño la raíz cuadrada de la superficie de las inclusiones consideradas como cuadrados.
Description
Acero para muelles, y procedimiento de
fabricación de un muelle en el que se emplea dicho acero, y muelle
hecho con este acero.
La invención se refiere a la siderurgia y, más
concretamente, al sector de los aceros para muelles.
De manera general, con el incremento de las
solicitaciones de fatiga aplicadas a los muelles, la dureza y la
resistencia a la tracción exigidas para los muelles no para de
crecer. Consecuentemente, la sensibilidad a la ruptura iniciada en
defectos, tales como inclusiones o defectos de superficie generados
durante la fabricación de los muelles, aumenta, y la resistencia a
la fatiga tiende a volverse limitada. Por otro lado, los muelles
utilizados en un entorno fuertemente corrosivo, tales como los
muelles de suspensión, deben presentar propiedades de fatiga bajo
corrosión al menos equivalentes e incluso superiores porque utilizan
aceros que presentan una dureza y una resistencia a la tracción
superiores. Así, estos muelles tienden a romperse al nivel de los
defectos, inmediatamente durante ciclos de fatiga al aire, y más
tarde durante ciclos de fatiga en medio corrosivo. En particular,
para la fatiga bajo corrosión, se pueden iniciar defectos en
picaduras de corrosión. Además, con el aumento de las restricciones
aplicadas, es más difícil mejorar la duración de vida en fatiga bajo
corrosión o de mantenerla a un nivel equivalente, debido a los
efectos de la concentración de tensiones en las picaduras de
corrosión, en los defectos de superficie de los muelles
eventualmente generados durante el devanado del muelle o de otras
etapas de su fabricación, o en las inclusiones no metálicas, que se
vuelven más critiques cuando la dureza del muelle aumenta.
Según el estado de la técnica conocido, los
documentos FR-A-2 740 476 y
JP-A-3 474 373 (EP 0943697 A1)
describen una clase de acero para muelles que presenta una buena
resistencia a la fragilización por el hidrógeno y una buena
resistencia a la fatiga, en el cual las inclusiones de
carbonitrosulfuros que comprenden al menos un elemento de entre el
titanio, el niobio, el zirconio, el tántalo o el hafnio, son
controladas para tener un tamaño medio reducido, inferior a 5
\mum en diámetro, y a ser muy numerosas (10 000 o más en una
sección de la sección).
Además, JP 09324219 A divulga una clase de acero
para muelles que contiene Cr, Ni, V, Cu, Ti y Nb y que presenta una
resistencia a la fragilización por el hidrógeno, una resistencia
superior 2000 MPa así como una dureza superior a 50 HRC.
Sin embargo, este tipo de aceros conduce, tras
un temple y un revenido según el procedimiento industrial de
fabricación de los muelles, a un nivel de dureza de solamente 50HRC
o un poco más, correspondiente a una resistencia a la tracción de
1700 MPa o un poco más, pero no muy superior a 1900 MPa,
correspondiente a una dureza de 53,5 HRC. A causa de este nivel de
dureza moderado, este acero apenas presenta una resistencia a la
deformación moderada, siendo necesario un acero que presente una
resistencia a la tracción más elevada para mejorar la resistencia a
la deformación. Así, un tal acero no garantiza un excelente
compromiso entre una resistencia elevada, que sería superior a 2100
MPa, una dureza que sería superior a 55HRC, una resistencia a la
fatiga elevada en el aire y una resistencia a la fatiga bajo
corrosión al menos equivalente, e incluso superior, a la necesaria
para los muelles.
El objetivo de la invención es el de proponer
medios para realizar simultáneamente, con respecto a los aceros
para muelles conocidos, un aumento de la dureza y de la resistencia
a la tracción de los muelles, unas propiedades de fatiga superiores
en el aire, unas propiedades en fatiga bajo corrosión al menos
equivalentes e incluso superiores, una resistencia a la deformación
del muelle superior y una menor sensibilidad a los defectos de
superficie que se pueden generar durante el retorcido del
muelle.
A tal efecto, la invención tiene por objeto un
acero para muelles de resistencia a la fatiga elevada al aire y
bajo corrosión y de alta resistencia a la deformación cíclica, de
composición, en porcentajes ponderados:
- C
- = 0,45 - 0,70%
- Si
- = 1,65-2,50%
- Mn
- = 0,20-0,75%
- Cr
- = 0,60 - 2%
- Ni
- = 0,15-1%
- Mo
- = trazas -1%
- V
- = 0,003-0,8%
- Cu
- = 0,10 - 1%
- Ti
- = 0,020 - 0,2%
- Nb
- = trazas - 0,2%
- Al
- = 0,002 - 0,050%
- P
- = trazas - 0,015%
- S
- = trazas - 0,015%
- O
- = trazas - 0,0020%
- N
- = 0,0020 - 0,0110%
\vskip1.000000\baselineskip
siendo el resto hierro e impurezas resultantes
de la elaboración, y cuya proporción en carbono equivalente Ceq,
calculada según la fórmula
Ceq%=[C%]+0,12[Si%]+0,17[Mn%]-0,1[Ni%]+0,13[Cr%]-0,24[V%]
está comprendida entre 0,80 y
1,00%, y cuya dureza, después del temple y del revenido, es superior
o igual a
55HRC.
El tamaño máximo de los nitruros o carbonitruros
de Ti observados a 1,5\pm0,5 mm de la superficie de una barra, o
de un hilo de máquina, de un pedazo o de un muelle en 100 mm^{2}
de la superficie de la sección es preferentemente inferior o igual
a 20 \mum, siendo dicho tamaño la raíz cuadrada de la superficie
de las inclusiones consideradas como cuadrados.
Preferentemente, la composición del acero
es:
- C
- = 0,45 - 0,65%
- Si
- = 1,65 - 2,20%
- Mn
- = 0,20 - 0,65%
- Cr
- = 0,80 -1,7%
- Ni
- = 0,15 - 0,80%
- Mo
- = trazas - 0,80%
- V
- = 0,003 - 0,5%
- Cu
- = 0,10 - 0,90%
- Ti
- = 0,020 - 0,15%
- Nb
- = trazas - 0,15%
- Al
- = 0,002 - 0,050%
- P
- = trazas - 0,010%
- S
- = trazas - 0,010%
- O
- = trazas - 0,0020%
- N
- = 0,0020 - 0,0110%
siendo el resto hierro e impurezas resultantes
de la elaboración.
\vskip1.000000\baselineskip
La invención también tiene por objeto un
procedimiento de fabricación de un acero para muelles de resistencia
a la fatiga elevada al aire y bajo corrosión y de alta resistencia
a la deformación cíclica, según el cual se elabora un acero líquido
en un convertidor o un horno eléctrico, se ajusta su composición, se
cuela en forma de blooms o de rodillos de colada continua o de
lingotes que se dejan enfriar a temperatura ambiente, se lamina en
forma de barras, de hilos máquina o de pedazos y se transforma en
muelles, caracterizado por el hecho de que:
- el acero es del tipo como el descrito
antes;
- se impone a los blooms, rodillos o lingotes
durante o tras su solidificación, una velocidad de refrigeración
media mínima de 0,3ºC/s entre 1450 y 1300ºC;
- se laminan dichos blooms, rodillos o lingotes
entre 1200 y 800ºC en uno o dos ciclos de recalefacción y
laminado;
- y se realiza en las barras, los hilos máquina
o los pedazos, o en los muelles resultantes, una austenización
entre 850 y 1000ºC, seguida de un temple al agua, un temple con
polímero o un temple con aceite, y de un revenido a
300-550ºC, para conferir al acero una dureza
superior o igual a 55HRC.
La invención también tiene objeto muelles hechos
de este acero, y muelles de un acero obtenido mediante el
procedimiento anterior.
De manera inesperada, los inventores se han dado
cuenta de que un acero que presenta las características de
composición y de morfología de las inclusiones precitadas permitía
asegurar, tras la elaboración, colada, laminado, temple y revenido
realizados en condiciones específicas, una dureza superior a 55HRC,
consiguiendo un excelente compromiso entre una larga duración de
vida en fatiga en el aire y en fatiga bajo corrosión, una
resistencia a la deformación cíclica elevada y una reducida
sensibilidad a los defectos de superficie que sobrevienen durante
la fabricación del muelle.
La invención se entenderá mejor con la lectura
de la descripción que sigue, hecha con referencia a las figuras
adjuntas siguientes:
- la figura 1 muestra los resultados de ensayos
de dureza y de deformación cíclica para aceros según la invención y
para aceros de referencia;
- la figura 2 muestra los resultados de ensayos
de fatiga en el aire en función de la dureza del acero, para aceros
según la invención y para aceros de referencia;
- la figura 3 muestra los resultados de ensayos
de resiliencia Charpy en función de la dureza del acero, para
aceros según la invención y para aceros de referencia;
- la figura 4 muestra los resultados de ensayos
de fatiga bajo corrosión en función de la dureza del acero para
aceros según la invención y para aceros de referencia.
La composición del acero según la invención debe
responder a las exigencias siguientes.
La proporción en carbono debe estar comprendida
entre 0,45 y 0,7%. El carbono permite, tras el temple y el
revenido, aumentar la resistencia a la tracción y la dureza del
acero. Si la proporción en carbono es inferior a 0,45%, en el
intervalo de temperaturas habitualmente utilizado para la
fabricación de los muelles, ningún tratamiento de temple y de
revenido conduce a una alta resistencia y a una alta dureza del
acero descrito en la invención. Por otro lado, si la proporción en
carbono excede de 0,7%, incluso de 0,65%, pueden quedar carburos
bastos y muy duros, combinados con cromo, molibdeno y vanadio, en el
estado no disuelto durante la austenización realizada antes del
temple, y pueden afectar significativamente a la duración de vida en
fatiga en el aire, a la resistencia a la fatiga bajo corrosión y
también a la tenacidad. Consecuentemente, se deben excluir
proporciones en carbono por encima de 0,7%. Preferentemente, no
deben sobrepasar 0,65%.
La proporción en silicio está comprendida entre
1,65 y 2,5%. El silicio es un elemento importante que permite
asegurar, gracias a su presencia en solución sólida, altos niveles
de resistencia y de dureza, así como des valores de carbono
equivalente Ceq y de resistencia a la deformación elevados. Para
obtener los valores de resistencia a la tracción y de dureza del
acero según la invención, la proporción en silicio no debe ser
inferior a 1,65%. Además, el silicio contribuye al menos
parcialmente a la desoxidación del acero. Si su proporción excede
de 2,5%, incluso de 2,2%, la proporción en oxígeno del acero puede
ser, por reacción termodinámica, superior a 0,0020 o incluso a
0,0025%. Esto se traduce en la formación de óxidos de diversas
composiciones que son perjudiciales para la resistencia a la fatiga
en el aire. Además, para proporciones en silicio superiores a 2,5%,
pueden sobrevenir segregaciones de diferentes elementos combinados
tales como el manganeso, el cromo u otros, durante la
solidificación, tras la colada. Estas segregaciones son muy
perjudiciales para el comportamiento en fatiga en el aire y a la
resistencia a la fatiga bajo corrosión. Finalmente, para una
proporción en silicio superior a 2,5%, la descarburación en la
superficie de las barras o de los hilos destinados a formar los
muelles se vuelve demasiado importante para las propiedades en
servicio del muelle. Es por ello que la proporción en silicio no
debe exceder de 2,5%, y preferentemente de 2,2%.
La proporción en manganeso está comprendida
entre 0,20 y 0,75%. El manganeso, en combinación con el azufre
residual comprendido entre trazas y 0,015%, debe añadirse a una
proporción al menos superior a diez veces la proporción en azufre
para evitar la formación de sulfuros de hierro extremadamente
perjudiciales para la laminabilidad del acero. Consecuentemente, es
necesaria una proporción mínima de manganeso de 0,20%. Además, el
manganeso contribuye al endurecimiento en solución sólida durante el
temple del acero, al mismo nivel que el níquel, el cromo, el
molibdeno y el vanadio, lo cual permite obtener los valores de
resistencia a la tracción y de dureza elevados y los valores de
carbono equivalente Ceq del acero según la invención. Para
proporciones en manganeso superiores a 0,75% incluso 0,65%, pueden
sobrevenir segregaciones, en combinación con el silicio, durante la
fase de solidificación tras la elaboración y la colada del acero.
Estas segregaciones son perjudiciales para las propiedades en
servicio del acero y para la homogeneidad del acero. Es por ello
que la proporción en manganeso del acero no debe exceder de 0,75%, o
incluso de 0,65%.
La proporción en cromo debe estar comprendida
entre 0,60 y 2%, y preferentemente entre 0,80 y 1,70%. El cromo se
añade para obtener, en solución sólida tras la austenización, el
temple y el revenido, valores de resistencia a la tracción y de
dureza elevados, y para contribuir a la obtención del valor del
carbono equivalente Ceq, y también para aumentar la resistencia a
la fatiga bajo corrosión. Para asegurar estas propiedades, la
proporción en cromo debe ser de al menos 0,60%, y preferentemente de
al menos 0,80%. Por encima de 2%, incluso de 1,7%, pueden subsistir
carburos de cromo particulares, bastos y muy duros, en combinación
con vanadio y molibdeno, tras el tratamiento de austenización
realizado antes del temple. Estos carburos afectan mucho a la
resistencia a la fatiga en el aire. Es por ello que la proporción en
cromo no debe exceder de 2%.
La proporción de níquel está comprendida entre
0,15 y 1%. El níquel se añade para aumentar la templabilidad del
acero, así como la resistencia a la tracción y la dureza después del
temple y del revenido. Como no forma carburos, el níquel contribuye
al endurecimiento del acero, igual que el cromo, el molibdeno y el
vanadio, sin formación de carburos particulares bastos y duros que
no se disolverían durante la austenización realizada antes del
temple y podrían ser perjudiciales para la resistencia a la fatiga
en el aire. También permite ajustar el carbono equivalente entre
0,8 y 1% en el acero según la invención tal como es necesaria. Como
elemento no oxidable, el níquel mejora la resistencia a la fatiga
bajo corrosión. Para asegurarse de que estos efectos sean
significativos, la proporción en níquel no debe ser inferior a
0,15%. al contrario, por encima de 1% incluso 0,80%, el níquel
puede conducir a una proporción en austenita residual demasiado
elevada, cuya presencia es muy perjudicial para la resistencia a la
fatiga bajo corrosión. Además, proporciones elevadas de níquel
aumentan significativamente el coste del acero. Por todas estas
razones, la proporción de níquel no debe sobrepasar 1%, o incluso
0,80%
La proporción de molibdeno debe estar
comprendida entre trazas y 1%. Como el cromo, el molibdeno
incrementa la templabilidad del acero, así como su resistencia.
Además tiene un potencial de oxidación reducido. Por estas razones,
el molibdeno es favorable a la resistencia a la fatiga en el aire y
bajo corrosión. Pero para proporciones superiores a 1%, incluso
0,80%, pueden subsistir carburos de molibdeno bastos y muy duros,
eventualmente combinados con vanadio y cromo, tras la austenización
que precede al temple. Estos carburos particulares son muy
perjudiciales para la resistencia a la fatiga en el aire.
finalmente, una adición de molibdeno que sobrepasa el 1% incrementa
inútilmente el coste del acero. Es por ello que la proporción en
molibdeno no debe sobrepasar 1%, mejor 0,80%.
La proporción en vanadio debe estar comprendida
entre 0,003 y 0,8%. El vanadio es un elemento que permite aumentar
la templabilidad, la resistencia a la tracción y la dureza después
del temple y del revenido. Además, en combinación con el nitrógeno,
el vanadio permite formar un elevado número de nitruros de vanadio
finos o de vanadio y de titanio submicroscópicos que permiten
afinar el grano y aumentar los niveles de resistencia a la tracción
y de dureza, gracias a un endurecimiento estructural. Para obtener
la formación de nitruros submicroscópicos de V y de Ti para el
afinamiento del grano, el vanadio debe estar presente en una
proporción mínima de 0,003%. Pero este elemento es costoso y se
debe mantener cercano a este límite inferior si se busca un
compromiso entre el coste de la elaboración y el afinamiento del
grano. El vanadio no debe sobrepasar 0,8% y, preferentemente, 0,5%,
porque más allá de este valor, puede quedar en el estado no disuelto
una precipitación de carburos que contiene vanadios bastos y muy
duros, combinados con cromo y molibdeno, durante la austenización
que ocurre antes del temple. Esto puede ser muy desfavorable para la
resistencia a la fatiga al aire, para los elevados valores de
resistencia y de dureza del acero según la invención. Y una adición
de vanadio más allá de 0,8% aumenta inútilmente el coste del
acero.
La proporción en cobre debe estar comprendida
entre 0,10 y 1%. El cobre es un elemento que endurece el acero
cuando está en solución sólida tras el tratamiento de temple y de
revenido. Así, puede ser añadido con otros elementos contribuyendo
así a aumentar la resistencia y la dureza del acero. Como no se
combina con el carbono, proporciona un endurecimiento al acero sin
formación de carburos duros y bastos perjudiciales para la
resistencia a la fatiga en el aire. Desde el punto de vista
electroquímico, su potencial de pasivación es más elevado que el
hierro y, consecuentemente, es favorable a la resistencia a la
fatiga bajo corrosión del acero. Para asegurarse de que sus efectos
son significativos, la proporción de cobre no debe ser inferior a
0,10%. Al contrario, para proporciones superiores a 1% incluso
0,90%, el cobre tiene una influencia muy perjudicial en el
comportamiento en el laminado en caliente. Es por ello que las
proporciones de cobre no deben exceder 1%, mejor 0,90%.
La proporción de titanio debe estar comprendida
entre 0,020 y 0,2%. El titanio se añade para formar, en combinación
con el nitrógeno, incluso también el carbono y/o el vanadio,
nitruros finos o carbonitruros submicroscópicos que permiten afinar
el grano austenítico durante el tratamiento de austenización que
ocurre antes del temple. Así, se aumenta la superficie de las
uniones de los granos en el acero, que llevan así a una reducción
de la cantidad de impurezas inevitables segregadas en las uniones de
los granos, tal como el fósforo. Estas segregaciones
intergranulares serían muy perjudiciales para la tenacidad y para la
resistencia a la fatiga en el aire si estuvieran presentes en
concentraciones por unidad de superficie elevadas al nivel de las
uniones de los granos. Además, combinado con el carbono y con el
nitrógeno, incluso con el vanadio y el niobio, el titanio conduce a
la formación de otros nitruros o carbonitruros finos que producen un
efecto de entrampamiento irreversible de determinados elementos,
tales como el hidrógeno formado durante las reacciones de
corrosión, y que pueden ser extremadamente perjudiciales para la
resistencia a la fatiga bajo corrosión. Para una buena eficacia, la
proporción en titanio no debe ser inferior a 0,020%. Al contrario,
por encima de 0,2% incluso 0,15%, el titanio puede conducir a la
formación de nitruros o de carbonitruros bastos y duros, muy
perjudiciales para la resistencia a la fatiga en el aire. Este
último efecto es aún más perjudicial para los altos niveles de
resistencia a la tracción y de dureza del acero según la invención.
Por estas razones la proporción en titanio no debe exceder de 0,2%,
incluso de 0,15%.
La proporción de niobio debe estar comprendida
entre trazas y 0,2%. El niobio se añade para formar, en combinación
con el carbono y el nitrógeno, precipitados submicroscópicos
extremadamente finos de nitruros y/o de carburos y/o de
carbonitruros que permiten, en particular cuando la proporción de
aluminio es baja (0,002% por ejemplo), finalizar el afinamiento del
grano austenítico durante el tratamiento de austenización realizado
antes del temple. Así, el niobio aumenta la superficie de las
uniones de los granos en el acero, y contribuye al mismo efecto
favorable que el titanio por el hecho de que afecta a la
fragilización de las uniones de los granos mediante unas impurezas
inevitables tales como el fósforo, cuyo efecto es muy perjudicial a
la tenacidad y a la resistencia a la fatiga bajo corrosión. Además,
unos precipitados extremadamente finos de nitruros o carbonitruros
de niobio contribuyen al endurecimiento del acero por endurecimiento
estructural. Sin embargo, la proporción en niobio no debe exceder
de 0,2% incluso de 0,15%, de manera que los nitruros o los
carbonitruros sigan siendo muy finos, para asegurar el afinamiento
del grano austenítico y evitar la formación de fisuras o de grietas
durante el laminado en caliente. Por estas razones, la proporción en
niobio no debe exceder de 0,2%, incluso de 0,15%.
La proporción de aluminio debe estar comprendida
entre 0,002 y 0,050%. El aluminio puede ser añadido para finalizar
la desoxidación del acero y obtener proporciones en oxígeno lo más
bajas posibles, y en cualquier caso inferiores a 0,0020% en el
acero según la invención. Además, combinado con el nitrógeno, el
aluminio contribuye al afinamiento del grano mediante la formación
de nitruros submicroscópicos. Para asegurar estas dos funciones, se
exige una proporción de aluminio no inferior a 0,002%. Al contrario,
una proporción de aluminio que exceda 0,05% puede conducir a la
presencia de inclusiones aisladas gordas o a unos aluminatos más
finos, pero duros y angulosos, en forma de largas ristras,
perjudiciales para la duración de vida en fatiga en el aire y para
la limpieza del acero. Es por ello que la proporción de aluminio no
debe exceder de 0,05%.
La proporción en fósforo debe estar comprendida
entre trazas y 0,015%. El fósforo es una impureza inevitable en el
acero. Durante un tratamiento de temple y de revenido, se
co-segrega con elementos tales como el cromo o el
manganeso en las anteriores uniones entre granos austeníticos. De
ello resulta una reducción de la cohesión de las uniones de los
granos y una fragilización intergranular muy perjudicial para la
tenacidad y para la resistencia a la fatiga en el aire. Estos
efectos son incluso aún más perjudiciales para las altas
resistencias a la tracción y dureza exigidas para los aceros según
la invención. Con la finalidad de obtener simultáneamente una alta
resistencia a la tracción y una alta dureza del acero para muelles y
una buena resistencia a la fatiga en el aire y a la fatiga bajo
corrosión, la proporción en fósforo debe ser lo más baja posible y
no debe exceder de 0,015%, preferentemente de 0,010%.
La proporción en azufre está comprendida entre
trazas y 0,015%. El azufre es una impureza inevitable en los
aceros. Su proporción debe ser lo más baja posible, entre trazas y
0,015%, y preferentemente un máximo de 0,010%. De este modo se
pretende evitar la presencia de sulfuros desfavorables para la
resistencia a la fatiga bajo corrosión y para la resistencia a la
fatiga en el aire, para los altos valores de resistencia y de
dureza del acero según la invención.
La proporción en oxígeno debe estar comprendida
entre trazas y 0,0020%. El oxígeno es también una impureza
inevitable en los aceros. Combinado con elementos desoxidantes, el
oxígeno puede conducir a la aparición de inclusiones bastas,
aisladas, muy duras y angulosas, o a inclusiones más finas pero en
forma de largas ristras que son muy perjudiciales para la
resistencia a la fatiga en el aire. Estos efectos son incluso más
perjudiciales para los valores elevados de resistencia a la
tracción y de dureza de los aceros según la invención. Por estas
razones, con la finalidad de asegurar un buen compromiso entre altas
resistencia a la tracción y dureza y altas resistencias a la fatiga
en el aire y a la fatiga bajo corrosión para el acero según la
invención, la proporción en oxígeno no debe exceder de 0,0020%.
La proporción de nitrógeno debe estar
comprendida entre 0,0020 y 0,0110%. El nitrógeno debe ser controlado
en este rango para formar, en combinación con el titanio, el
niobio, el aluminio o el vanadio nitruros muy finos, carburos o
carbonitruros submicroscópicos en número suficiente, que permitan un
afinamiento del grano. Así, a tal efecto, la proporción mínima de
nitrógeno debe ser de 0,0020%. Su proporción no debe exceder de
0,0110% para evitar la formación de nitruros o carbonitruros de
titanio bastos y duros más grandes que 20 \mum, observados a 1,5
mm 0,5 mm de la superficie de las barras o de los hilos máquina
utilizados para la fabricación de los muelles. Este emplazamiento
es el lugar más crítico por el hecho de que afecta a la solicitación
en fatiga de los muelles. De hecho, estos nitruros o carbonitruros
de gran tamaño son muy desfavorables a la resistencia a la fatiga
en el aire para los valores elevados de resistencia y de dureza de
los aceros según la invención, teniendo en cuenta que durante los
ensayos de fatiga en el aire, la ruptura de los muelles sobreviene
en el emplazamiento de estas inclusiones bastas precisamente
situadas en la vecindad de la superficie de los muelles tal como se
ha mencionado, cuando estas inclusiones están presentes.
Para estimar el tamaño de los nitruros y
carbonitruros de titanio, se considera a las inclusiones como
cuadrados y se establece que su tamaño es igual a la raíz cuadrada
de su superficie.
A continuación se va a presentar un
procedimiento de fabricación de muelles según la invención.
Un ejemplo no limitativo de procedimiento de
elaboración de un acero según la invención es el siguiente. El
acero líquido se produce o bien en un convertidor, o en un horno
eléctrico, y luego se somete a un tratamiento de metalúrgico en
recinto durante el cual se realizan las adiciones de elementos de
aleación y la desoxidación, y en general todas las operaciones de
metalurgia secundaria que permiten obtener un acero con la
composición según la invención y evitando la formación de sulfuros
complejos o de "carbonitrosulfuros" de elementos tales como el
titanio y/o el niobio y/o el vanadio. Para evitar la formación de
tales precipitados bastos durante la elaboración, los inventores
han descubierto, de manera inesperada, que las proporciones de los
diferentes elementos, en particular las del titanio, del nitrógeno,
del vanadio y del azufre, deben ser cuidadosamente controladas en
los limites precitados. Tras la elaboración que se acaba de
describir, el acero es a continuación colado, por colada continua
en forma de blooms o de rodillos, o en forma de lingotes. Pero para
evitar completamente o tanto como sea posible la formación de
nitruros o carbonitruros de titanio bastos durante y tras la
solidificación de estos productos, se ha descubierto que la
velocidad de refrigeración media de estos productos (blooms,
rodillos o lingotes) debe ajustarse para que sea igual a 0,3ºC/s o
más entre 1450 y 1300ºC. Cuando se opera en estas condiciones
durante la etapa de solidificación y de refrigeración, se observa
de manera inesperada que el tamaño de los nitruros o carbonitruros
de Ti más grandes observados en los muelles es siempre inferior a
20 \mum. Se hablará más adelante de la situación y del tamaño de
estos precipitados de titanio.
Tras su paso a temperatura ambiente, los
productos que tienen la composición precisa según la invención
(blooms, rodillos o lingotes) son a continuación recalentados y
laminados entre 1200 y 800ºC en forma de hilos máquina, o de barras
en una secuencia única o doble de calefacción y de laminado. Para
obtener las propiedades del acero específicas de la invención, las
barras, hilos, pedazos, o incluso los muelles producidos a partir
de estas barras o hilos de máquinas, son a continuación sometidos a
un tratamiento de temple al agua, de temple con polímero o de
temple con aceite tras una austenización en un intervalo de
temperaturas de 850 a 1000ºC, para obtener un grano austenítico
fino de modo que no haya granos más bastos que 9 en la escala ASTM
de tamaño de grano. A este tratamiento de temple le sigue un
tratamiento de revenido realizado específicamente entre 300 y
550ºC, que permite obtener los altos niveles de resistencia a la
tracción y de dureza del acero exigidos, y evitar por un lado una
microestructura que conduciría a una fragilidad en el revenido, y
por otro lado una presencia demasiado elevada de austenita
residual. Se ha descubierto que una fragilización al revenido y una
presencia demasiado fuerte de austenita residual son extremadamente
perjudiciales para la resistencia a la fatiga bajo corrosión del
acero según la invención. En el caso en que los muelles se fabrican
a partir de barras no tratadas térmicamente o a partir de hilos
máquina o de pedazos provenientes de tales barras, los tratamientos
antes mencionados (temple y revenido) deben ser realizados en los
propios muelles en las condiciones mencionadas. En el caso en que
los muelles se fabrican por formación en frío, estos tratamientos
térmicos pueden ser realizados en las barras, o en los hilos
máquina o los pedazos provenientes de estas barras antes de la
fabricación del muelle.
Es bien conocido que la dureza de un acero
depende no solamente de su composición, sino también de la
temperatura del revenido al cual ha sido sometido. Debe entenderse
que para todas los composiciones de la invención, es posible
encontrar temperaturas de revenido en el intervalo industrial de
300-550ºC que permita obtener la dureza mínima de
55HRC que se busca.
Al ser muy duros los nitruros y los
carbonitruros, su tamaño tal como se ha definido anteriormente no
evoluciona prácticamente durante las etapas de la transformación del
acero. Por lo tanto, no importa que se mida en el producto
semi-acabado (barra, hilo de máquina o pedazo) que
servirá para fabricar el muelle o en el propio muelle.
La invención permite obtener aceros para muelles
capaces de conciliar una dureza y una resistencia a la tracción
elevadas y mejoradas con respecto al estado de la técnica, al mismo
tiempo que propiedades de fatiga en el aire y una resistencia a la
deformación mejoradas, propiedades de fatiga bajo corrosión al menos
equivalentes a las de los aceros conocidos para este uso, incluso
aún mejores, y una menor sensibilidad a las concentraciones de
restricciones producidas por los defectos de superficie que pueden
sobrevenir durante la fabricación del muelle, gracias a una adición
de elementos de microaleación, una disminución de los elementos
residuales y un control del análisis y de la hilera de producción de
acero.
La invención se ilustrará a continuación
mediante ejemplos y ejemplos de referencia. La tabla 1 muestra las
composiciones del acero según la invención y de aceros de
referencia. El carbono equivalente Ceq se determina mediante la
fórmula siguiente:
Ceq%=[C%]+0,12[Si%]+0,17[Mn%]-0,1[Ni%]+0,13[Cr%]-0,24[V%]
donde
[C], [Si], [Mn], [Ni], [Cr] y [V] representan la
proporción de cada elemento en porcentajes ponderados.
\newpage
La tabla 2 muestra los valores de dureza
obtenidos para aceros según la invención y los aceros de referencia,
en función de la temperatura de revenido que se les ha
aplicado.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
La tabla 3 muestra el tamaño máximo de las
inclusiones de nitruros o carbonitruros de titanio observadas a 1,5
mm de la superficie de aceros según la invención y de aceros de
referencia, tal como los definidos más arriba. También se indican
las proporciones en titanio de los diferentes aceros.
El tamaño máximo de las inclusiones de nitruros
o carbonitruros de titanio se determina tal como se indica a
continuación. En una sección de barra o de hilo máquina proveniente
de una colada de acero determinada, se examina una superficie de
100 mm^{2} en un emplazamiento situado a 1,5 mm 0,5 mm bajo la
superficie de la barra o del hilo máquina. Tras estas
observaciones, se determina el tamaño de la inclusión de nitruro o
carbonitruro de titanio que tiene la mayor superficie considerando
que las inclusiones son unos cuadrados y que el tamaño de cada una
de estas inclusiones, incluyendo la inclusión de mayor superficie,
es igual a la raíz cuadrada de esta superficie. Todas las
inclusiones son observadas en una sección de barra o de hilo máquina
para muelles, siendo las observaciones realizadas en 100 mm^{2}
de esta sección. La colada de acero es conforme a la invención
cuando el tamaño máximo de las inclusiones antes mencionadas
observadas en 100 mm^{2} a 1,5 mm\pm0,5 mm bajo la superficie
es inferior a 20 \mum. Los resultados correspondientes obtenidos
en aceros según la invención y en aceros de referencia se presentan
en la
tabla 3.
tabla 3.
Por lo que respecta a los ensayos de referencia
1 y 3, su proporción en titanio es prácticamente nula y el tamaño
de los nitruros y carbonitruros observados no tiene importancia.
\vskip1.000000\baselineskip
No se ha medido el tamaño de las inclusiones de
los aceros de referencia 1 y 3, porque su proporción en Ti era
reducida y no-conforme a la invención: el resultado
no habría tenido significado.
Se han recogido muestras para ensayos de fatiga
en barras, siendo el diámetro final de las muestras de las probetas
de 11 mm. La preparación de las muestras de ensayos de fatiga
comprende un mecanizado basto, una austenización, un temple con
aceite, un revenido, un molido y un granallado. Estas muestras se
han ensayado en fatiga a torsión en el aire. La tensión de
cizallamiento aplicada era de 856 494MPA y se contó el número de
ciclos hasta la ruptura. Los ensayos se pararon tras 2.10^{6}
ciclos si las muestras no se rompían.
Se extrajeron las muestras para ensayo de fatiga
bajo corrosión de las barras, siendo el diámetro final de las
probetas de 11 mm. La preparación de las muestras para ensayos de
fatiga comprende un mecanizado basto, una austenización, un temple
con aceite, un revenido, un molido y un granallado. Estas muestras
se ensayaron en fatiga bajo corrosión, es decir que se aplicó una
corrosión al mismo tiempo que una carga en fatiga. La carga en
fatiga es una tensión de cizallamiento igual a 856 \pm 300 MPa. La
corrosión aplicada era una corrosión cíclica en dos etapas
alternadas:
- siendo una de las etapas una etapa húmeda con
la pulverización de una solución salina que contiene 5% de NaCl
durante 5 minutes a 35ºC;
- siendo la otra etapa una etapa en seco sin
pulverización, de 30 minutes de duración a una temperatura mantenida
a 35ºC.
Se consideró el número de ciclos hasta la
ruptura como la duración de vida en fatiga bajo corrosión.
Se determinó la resistencia a la deformación
utilizando un ensayo de compresión cíclica en muestras cilíndricas.
El diámetro de las muestras era de 7 mm y su altura de 12 mm. Se
habían extraído de las barras de acero.
La fabricación de las muestras de ensayos de
deformación comportaba un mecanizado basto, una austenización, un
temple con aceite, un revenido y un molido final fino. La altura de
la muestra se midió con precisión antes del inicio del test
utilizando un comparador de una precisión de 1 \mum. Se aplicó una
precarga para simular el pretensado de los muelles, siendo este
pretensado una tensión de compresión de 2200 MPa.
A continuación se aplicó el ciclo de carga en
fatiga. Esta tensión era de 1270 \pm 730 MPa. Se midió la
pérdida de altura de la muestra durante la ejecución de un
determinado número de ciclos, hasta 1 millón. Al final del ensayo,
se determinó la deformación total mediante una medida precisa de la
altura subsistente comparada con la altura inicial, siendo la
resistencia a la deformación tanto mayor cuanto menor era la altura,
en porcentaje de la altura inicial.
Los resultados de los ensayos de fatiga, de
fatiga bajo corrosión y de deformación en los aceros de la
invención y los aceros de referencia se ofrecen en la tabla 4.
\vskip1.000000\baselineskip
De estas tablas, resulta que los diferentes
aceros de referencia no son satisfactorios, en especial por las
razones siguientes.
El acero de referencia 1 tiene, en especial, una
proporción de azufre demasiado elevada para lograr un buen
compromiso entre la resistencia a la fatiga en el aire y la
proporción en fatiga bajo corrosión. Además, su proporción en
manganeso es demasiado elevada, lo cual origina segregaciones
perjudiciales para la homogeneidad del acero y la resistencia a la
fatiga en el aire.
El acero de referencia 2 tiene una proporción de
carbono y un carbono equivalente demasiado bajo para asegurar una
dureza elevada. su resistencia a la tracción es demasiado baja para
una buena resistencia a la fatiga en el aire.
El acero de referencia 3 tiene, en especial, una
proporción de silicio demasiado baja para asegurar una buena
resistencia a la deformación, y también una buena resistencia a la
fatiga en el aire.
La resistencia a la deformación es más elevada
para los aceros de la invención que para los aceros de referencia,
tal como lo muestra la figura 1, donde queda claro que, según las
medidas de deformación mencionadas más arriba, los valores de
deformación son de al menos 32% inferiores en el peor de los casos
de los aceros de la invención (acero de la invención 1) con
respecto al mejor caso de los aceros de referencia (acero de
referencia 1).
La duración de vida en fatiga en el aire es
claramente más elevada en los aceros de la invención con respecto a
los aceros de referencia. Esto es debido al aumento de la dureza,
tal como lo muestra la figura 2. Pero un aumento de la dureza no es
suficiente. De hecho, de manera general, aceros de dureza elevada
tanto más sensibles a los defectos, tales como las inclusiones y
los defectos de superficie, cuanto más elevada es la dureza. Así,
los aceros según la invención son menos sensibles a los defectos, en
particular a las inclusiones grandes tales como los nitruros o
carbonitruros de titanio, teniendo en cuenta que la invención evita
la aparición de estas inclusiones de tamaño demasiado grande. Tal
como lo muestra la tabla 3, las inclusiones más grandes halladas en
los aceros según la invención no exceden el tamaño de 14,1 \mum,
mientras que en el acero de referencia 2 hay inclusiones mayores de
20 \mum. Además, la menor sensibilidad a los defectos de
superficie tales como los que pueden sobrevenir durante la
fabricación del muelle o en otras operaciones cuando se utilizan
aceros de la invención se puede ilustrar mediante ensayos de
resiliencia realizados en los aceros de la invención y habiendo los
aceros de referencia padecido un tratamiento térmico y que tienen
unas durezas de 55HRC o mayores, ver la figura 3. Los valores
medidos durante ensayos de resiliencia Charpy en los aceros de la
invención (donde la hendidura de la probeta simula una
concentración de esfuerzos así como otras concentraciones de
esfuerzos que se puedan dar en defectos de superficie producidos
durante la fabricación del muelle o de otras operaciones) son más
elevados que los medidos en los aceros de referencia. Esto muestra
que los aceros según la invención son menos sensibles a las
concentraciones de restricciones en los defectos que los aceros de
referencia del estado de la técnica.
Se sabe que un aumento de la dureza reduce la
resistencia a la fatiga bajo corrosión. Así, resulta que los aceros
según la invención tienen la ventaja de que su resistencia a la
fatiga bajo corrosión es más elevada que la de los aceros de
referencia según el estado de la técnica, y en particular para
durezas superiores a 55HRC tal como lo muestra la figura 4.
De este modo, la invención permite obtener una
dureza más elevada con un buen compromiso entre la duración de vida
en fatiga en el aire y una resistencia a la deformación que aumentan
fuertemente, y una duración de vida en fatiga bajo corrosión que es
mejor que la de los aceros de referencia según el estado de la
técnica. Además, también se obtiene una menor sensibilidad a
posibles defectos de superficie, en particular aquellos generados
durante la fabricación del muelle o de otras operaciones.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante está prevista únicamente para ayudar al lector y no
forma parte del documento de patente europea. Aunque se ha puesto
el máximo cuidado en su realización, no se pueden excluir errores u
omisiones y la OEP declina cualquier responsabilidad en este
respecto.
\bullet FR 2740476 A [0003]
\bullet JP 3474373 A [0003]
\bullet EP 0943697 A1 [0003]
\bullet JP 09324219 A [0004]
Claims (5)
1. Acero para muelles de resistencia a la fatiga
elevada al aire y bajo corrosión y de alta resistencia a la
deformación cíclica, de composición, en porcentajes ponderados:
- C
- = 0.45 - 0,70%
- Si
- = 1,65 - 2,60%
- Mn
- = 0,20 - 0,75%
- Cr
- = 0,60 - 2%
- Ni
- = 0,15-1%
- Mo
- = trazas inferiores a 1%
- V
- = 0,003 - 0,8%
- Cu
- = 0,10 - 1%
- Ti
- = 0,020 - 0,2%
- Nb
- = trazas - 0,2%
- Al
- = 0,002 - 0,050%
- P
- = trazas - 0,015%
- S
- = trazas - 0,015%
- 0
- = trazas - 0,0020%
- N
- = 0,0020 - 0,0110%
Siendo el resto hierro e impurezas resultantes
de la elaboración, y cuya proporción en carbono equivalente Ceq,
que se calcula según la fórmula,
Ceq%=[C%]+0,12[Si%]+0,17[Mn%]-0,1[Ni%]+0,13[Cr%]-0,24[V%]
está comprendida entre 0,80 y
1,00%, y cuya dureza, después del temple y del revenido, es superior
o igual a 55HRC, siendo el tamaño máximo de los nitruros o
carbonitruros de Ti observados a 1,5 \pm 0,5 mm de la superficie
de una barra, o de un hilo de máquina, de un pedazo o de un muelle
de 100 mm^{2} de la superficie de la sección inferior o igual a
20 \mum, siendo dicho tamaño la raíz cuadrada de la superficie de
las inclusiones consideradas como
cuadrados.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Acero para muelles según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que su composición es:
- C
- = 0,45 - 0,65%
- Si
- = 1,65 - 2,20%
- Mn
- = 0,20 - 0,65%
- Cr
- = 0,80 - 1,7%
- Ni
- = 0,15-0,80%
- Mo
- = trazas - 0,80%
- V
- = 0,003 - 0.5%
- Cu
- = 0,10 - 0,90%
- Ti
- = 0,020 - 0,15%
\newpage
- Nb
- = trazas - 0,15%
- Al
- = 0,002 - 0,050%
- P
- = trazas - 0,010%
- S
- = trazas - 0,010%
- O
- = trazas - 0,0020%
- N
- = 0,0020 - 0,0110%
Y siendo el resto hierro e impurezas resultantes
de la elaboración.
3. Procedimiento de fabricación de un acero para
muelles de resistencia a la fatiga elevada al aire y bajo corrosión
y a alta resistencia a la deformación cíclica, según el cual se
elabora un acero líquido en un convertidor o un horno eléctrico, se
ajusta su composición, se cuela en forma de blooms o de rodillos de
colada continua o de lingotes que se dejan enfriar a la temperatura
ambiente, se lamina en forma de barras, de hilos de máquinas o de
pedazos y se transforma en muelles, caracterizado por el
hecho de que:
- el acero es del tipo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 ó 2;
- se impone a los blooms, rodillos o lingotes
durante o tras su solidificación, una velocidad de refrigeración
media mínima de 0,3ºC/s entre 1450 y 1300ºC;
- se laminan dichos blooms, rodillos o lingotes
entre 1200 y 800ºC en uno o dos ciclos de recalefacción y
laminado;
- y se realiza en las barras, los hilos de
máquinas o los pedazos, o en los muelles resultantes, una
austenización, entre 850 y 1000ºC, seguida de un temple al agua, un
temple polímero o un temple con aceite, y un revenido a
300-550ºC, para conferir al acero una dureza
superior o igual a 55HRC.
4. Muelle, caracterizado por el hecho de
que es de un acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó
2.
5. Muelle según la reivindicación 4,
caracterizado por el hecho de que es de un acero obtenido
mediante el procedimiento según la reivindicación 3.
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