ES2333274T3 - Procedimiento para la conformacion de discos estampados de aceros de resistencia elevada y muy elevada. - Google Patents
Procedimiento para la conformacion de discos estampados de aceros de resistencia elevada y muy elevada. Download PDFInfo
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Abstract
Procedimiento para el templado en prensa y la conformación a temperatura regulada de discos estampados de aceros de resistencia elevada y/o muy elevada, en el que el disco estampado se calienta antes de la conformación al menos a la temperatura de austenitización y se conforma a continuación en caliente en una herramienta de conformación, presentando la herramienta de conformación medios para la regulación de la temperatura, caracterizado porque el disco estampado se conforma mediante las superficies de contacto de elementos de la herramienta de conformación previstos en la herramienta de conformación para la conformación, estando asignadas las superficies de contacto al menos en parte a una pluralidad de zonas de temperatura previstas en la herramienta de conformación y regulándose la temperatura de una pluralidad de zonas de temperatura de la herramienta de conformación mediante medios para la regulación de la temperatura durante la conformación a valores de temperatura respectivamente predefinidos.
Description
Procedimiento para la conformación de discos
estampados de aceros de resistencia elevada y muy elevada.
La invención se refiere a un procedimiento para
el templado en prensa y la conformación a temperatura regulada de
discos estampados de aceros de resistencia elevada y/o muy elevada,
en el que el disco estampado se calienta antes de la conformación y
se conforma a continuación en caliente en una herramienta de
conformación, presentando la herramienta de conformación medios
para la regulación de la temperatura.
Debido a los requisitos cada vez más estrictos
de las propiedades de resistencia de componentes estructurales de
acero o una aleación de acero en la construcción de automóviles, se
usan cada vez más conformaciones en caliente en la fabricación en
serie para poder conformar aceros de resistencia elevada y/o
resistencia muy elevada. En la conformación en caliente se calienta
en primer lugar un disco estampado. Esto se realiza habitualmente
en un horno. A continuación, se retira el disco estampado calentado
del horno y se inserta en una herramienta de conformación en la que
el disco estampado se conforma en caliente. Durante la conformación
con templado en prensa, el disco estampado se calienta, por
ejemplo, al menos a la temperatura de austenitización. A
continuación, se produce un rápido enfriamiento de el disco
estampado, de modo que la estructura austenítica del disco estampado
se transforma en una estructura martensítica. Partiendo de buenas
propiedades de conformación al presentarse una estructura
austenítica, durante la transformación se produce, por lo tanto, un
claro aumento de los valores de resistencia y, por lo tanto, un
empeoramiento de las propiedades de conformación del disco
estampado. Por la publicación alemana para información de solicitud
de patente DE 10 2005 018 974 A1 se conoce un dispositivo con el
que los discos estampados procedentes del horno pueden insertarse en
una herramienta de conformación de temperatura regulada, pudiendo
mantenerse los discos estampados mediante elementos de contacto por
medio de conducción de corriente a la temperatura durante la
retirada del horno y la inserción en la herramienta de
conformación. De este modo debe conseguirse que los discos
estampados se conformen también a las temperaturas previstas para
la conformación en caliente. Además, se conoce una herramienta de
corte de precisión por la publicación alemana para información de
solicitud de patente
DE 198 34 510 A1, en la que en la placa de corte y en la placa guía está dispuesta respectivamente una placa calentadora con elementos calentadores y un sensor de temperatura para el control de las placas calentadoras. Con la herramienta de corte de precisión conocida deben procesarse aceros de herramientas para trabajos en caliente tanto a temperatura ambiente como a temperatura semicaliente.
DE 198 34 510 A1, en la que en la placa de corte y en la placa guía está dispuesta respectivamente una placa calentadora con elementos calentadores y un sensor de temperatura para el control de las placas calentadoras. Con la herramienta de corte de precisión conocida deben procesarse aceros de herramientas para trabajos en caliente tanto a temperatura ambiente como a temperatura semicaliente.
En las herramientas de conformación conocidas
por el estado de la técnica es problemático que, si bien permiten
una regulación de la temperatura de la herramienta de conformación,
no puede realizarse en cambio un control preciso de la temperatura
del disco estampado durante la conformación.
Partiendo de ello, la presente invención tiene
el objetivo de proponer una herramienta de conformación para el
templado en prensa y la conformación a temperatura regulada, así
como un procedimiento para el templado en prensa y la conformación
a temperatura regulada que permita un control de la temperatura
exactamente definido del disco estampado durante la
conformación.
Según la doctrina de la presente invención, el
objetivo arriba indicado se consigue mediante un procedimiento
según la reivindicación 1.
Se ha mostrado que para mantener las buenas
propiedades de conformación de aceros de resistencia elevada o de
resistencia muy elevada calentados es necesario controlar
exactamente la temperatura de las superficies de contacto de los
elementos de la herramienta de conformación con el disco estampado.
Aquí no sólo es posible reducir a un mínimo el desgaste en la
herramienta de conformación en las superficies de contacto de los
elementos de la herramienta de conformación con el disco estampado,
puesto que mediante el control de la temperatura pueden ajustarse
parámetros óptimos para el proceso, en particular temperaturas
óptimas del disco estampado para el proceso. Además, es posible
influir en la estructura del disco estampado ajustándose las
velocidades de enfriamiento del disco estampado durante la
conformación en las distintas zonas de temperatura mediante la
diferencia de la temperatura con la temperatura del disco estampado.
Gracias a ello, con la herramienta de conformación según la
invención pueden ajustarse distintas propiedades de material en el
disco estampado. Por ejemplo, gracias a las zonas de temperatura
reguladas puede realizarse un recocido de eliminación de tensiones
tras la conformación.
Como ya se ha explicado anteriormente, un
control exacto de las temperaturas del disco estampado durante la
conformación en el templado en prensa y la conformación a
temperatura regulada de discos estampados de aceros de resistencia
elevada y/o de resistencia muy elevada tiene especial importancia,
puesto que no sólo pueden controlarse bien las propiedades de
conformación en caliente sino que además de ello puede influirse en
la estructura mediante las velocidades de enfriamiento. Según la
invención, esto se consigue mediante las zonas de temperatura que
pueden regularse individualmente que están asignadas a las
superficies de contacto de los elementos de la herramienta de
conformación.
Las zonas de temperatura en la herramienta de
conformación presentan preferiblemente temperaturas uniformes o
diferentes durante la conformación. Según la necesidad, puede
ajustarse con ello un perfil de temperaturas durante la
conformación en el interior del disco estampado o una temperatura
constante en las zonas conformadas del disco estampado.
Como ya se ha explicado anteriormente, según
otra forma de realización perfeccionada del procedimiento según la
invención pueden usarse herramientas de conformación más económicas
porque la temperatura de las distintas zonas de temperatura en la
herramienta de conformación no supera durante la conformación una
temperatura de un máximo de 650ºC. En este caso, pueden usarse los
aceros de herramientas para trabajos en caliente económicos para la
fabricación de las herramientas de conformación.
Si la temperatura de al menos una zona de
temperatura en la herramienta de conformación es superior a 200ºC,
la estructura del disco estampado templada en prensa puede ajustarse
en esta zona de temperatura a un mejor alargamiento de rotura con
valores reducidos del límite elástico y de la resistencia a la
tracción. Además, gracias a una mayor temperatura de la herramienta
se reducen las variaciones de la estructura debido a presiones
superficiales variables. Se supone que la razón de ello es que se
reduce la variación de las velocidades de enfriamiento a pesar de
haber presiones superficiales diferentes cuando las temperaturas de
las herramientas son más elevadas.
Si la temperatura de al menos una zona de
temperatura en la herramienta de conformación no supera 200ºC, en
esta zona se consiguen límites elásticos y resistencias a la
tracción máximos con un alargamiento de rotura menor.
Otro parámetro para influir en la estructura del
disco estampado durante la conformación puede conseguirse porque el
comportamiento de enfriamiento del disco estampado se ajusta al
menos en parte mediante las presiones superficiales de la
herramienta de conformación. En particular, en las zonas de
temperaturas bajas en la herramienta de conformación, es decir, en
zonas con una temperatura inferior a 200ºC, una variación de la
presión superficial conduce a velocidades de enfriamiento
claramente diferentes, de modo que la estructura del disco estampado
es variable mediante la presión superficial, en particular en estas
zonas de temperatura.
Unos valores de resistencia mecánica
especialmente elevados pueden conseguirse con el procedimiento según
la invención porque se usa, por ejemplo, un acero de
manganeso-boro, en particular un acero de
manganeso-boro del tipo de aleación 22MnB5. Con el
tipo de acero indicado pueden conseguirse resistencias a la tracción
superiores a 1500 MPa y límites elásticos de más de 1000 MPa,
siendo el alargamiento de rotura A80 de aprox. un 5%.
Para impedir durante el templado en prensa y la
conformación a temperatura regulada de acuerdo con el procedimiento
según la invención una formación de óxidos en la superficie del
disco estampado, los discos estampados presentan según la invención
un recubrimiento superficial para la protección contra la formación
de óxidos, Puede proporcionarse, por ejemplo, una protección
correspondiente contra la formación de óxidos en las superficies del
disco estampado mediante un recubrimiento de
aluminio-silicio.
Finalmente, con el procedimiento según la
invención puede ajustarse de forma selectiva una estructura porque
se ajusta una diferencia de temperatura entre el disco estampado
calentado y las superficies de contacto de la herramienta de
temperatura regulada entre 50 y 650ºC, preferiblemente entre 100 y
350ºC. Por temperatura del disco estampado se entiende aquí la
temperatura del núcleo del disco estampado. Con una diferencia de
temperaturas entre 50ºC y 650ºC pueden conseguirse casi todas las
estructuras durante la conformación, por ejemplo una matriz base
ferrítica con diferencias de temperaturas pequeñas de
aproximadamente 50ºC. Cuando hay diferencias de temperaturas más
grandes, entre 100ºC y 300ºC, se generan sustancialmente estructuras
bainíticas mediante la conformación en el disco estampado, que
tienen un efecto positivo en el comportamiento de dilatación del
disco estampado conformada. En el caso de diferencias de
temperaturas más grandes de más de 300ºC, se aumenta
sustancialmente la parte de estructura martensítica que, por un
lado, mejora la resistencia pero que, por otro lado, reduce la
capacidad de dilatación del disco estampado conformada.
Ahora hay una pluralidad de posibilidades de
mejorar y configurar el procedimiento según la invención para el
templado en prensa y la conformación a temperatura regulada. Para
ello se remite, por un lado, a las reivindicaciones subordinadas a
la reivindicación 1 y, por otro lado, a la descripción de una
herramienta de conformación para la realización del procedimiento
según la invención en relación con el dibujo.
En el dibujo, la única figura muestra en una
vista en corte transversal en perspectiva un ejemplo de realización
de una herramienta de conformación para el templado en prensa y la
conformación a temperatura regulada de un disco estampado de aceros
de resistencia elevada y/o de resistencia muy elevada. El ejemplo de
realización representado en la única figura de una herramienta de
conformación para el templado en prensa y la conformación a
temperatura regulada presenta en primer lugar como elemento de la
herramienta de conformación un anillo de embutición 1, un punzón 2,
así como un sujetador de chapa 3. En el alojamiento 4 para el anillo
de embutición 1 están dispuestos alambres de calefacción 5, que
regulan la temperatura del anillo de embutición 1 como primera zona
de temperatura. El punzón 2 presenta una espiral de calefacción 6,
de modo que también puede regularse la temperatura de éste.
Finalmente, el alojamiento 7 del sujetador de chapa presenta
alambres de calefacción 8, que regulan la temperatura del sujetador
de chapa 3. Las distintas zonas de temperatura, que están formadas
por las superficies de contacto del anillo de embutición 1, del
punzón 2 y del sujetador de chapa 3 con el disco estampado son
aisladas al igual que los distintos alambres de calefacción mediante
material aislante 9 para impedir pérdidas de calor, por ejemplo en
el alojamiento de la herramienta 13. En el presente ejemplo de
realización de la herramienta de conformación, los distintos
elementos de la herramienta de conformación 1, 2, 3, que forman las
distintas zonas de temperatura, no son aislados térmicamente uno
respecto al otro. No obstante, gracias a la disposición de los
termoelementos 10, 11, 12 muy cerca de las superficies de contacto
de los elementos de la herramienta de conformación 1, 2, 3 con el
disco estampado queda garantizado que pueda conseguirse una
regulación de la temperatura exacta de las zonas correspondientes
del disco estampado. Como puede verse en la figura, el anillo de
embutición 1, así como el sujetador de chapa 3 y el punzón 2 son
aislados térmicamente respecto al alojamiento de la herramienta, de
modo que se impide un escape de calor no controlado al alojamiento
de la herramienta 13.
Las tres zonas de temperatura del anillo de
embutición 1, del punzón 2 y del sujetador de chapa 3 pueden
ajustarse una independiente de la otra a distintas temperaturas,
desde la temperatura ambiente hasta por ejemplo un máximo de 650ºC,
preferiblemente entre 200 y 650ºC, en particular entre 400ºC y
650ºC. Según la invención, de este modo pueden conseguirse también
perfiles de temperaturas en la herramienta de conformación para
conseguir en los sitios correspondientes del disco estampado
conformada un cambio de la estructura, por ejemplo gracias a
distintas velocidades de enfriamiento del disco estampado en estas
zonas. Para mayor facilidad, en la única figura no están
representados medios para la variación de la presión superficial ni
tampoco los medios para el mando de los distintos alambres de
calefacción de las zonas de temperatura.
Al realizar ensayos con discos estampados, por
ejemplo de acero de manganeso-boro del tipo de
aleación 22MnB5 se han ajustado temperaturas diferentes en toda la
herramienta. Para mayor facilidad, en los ensayos se han ajustado
respectivamente temperaturas idénticas en el anillo de embutición 1,
el punzón 2 y el sujetador de chapa 3. Debido a la posición de los
termoelementos 10, 11, 12 se garantiza de este modo que la
temperatura ajustada se presente también en las superficies de
contacto con el disco estampado correspondiendo, por lo tanto, a la
temperatura de conformación. En los ensayos, se mostró que con
temperaturas de herramienta bajas, es decir, inferiores a 200ºC, se
pudieron conseguir los valores de resistencia más elevados con un
alargamiento de rotura A80 de aprox. un 5%. Los valores de medición
para el límite elástico R_{P0,2} eran superiores a 1050 MPa y
para la resistencia a la tracción R_{m} superiores a 1500 MPa. Con
temperaturas de herramienta más elevadas superiores a 200ºC, los
valores para el límite elástico R_{P0,2} bajaron a valores por
debajo de 1000 MPa. Al mismo tiempo, los valores para la
resistencia a la tracción eran inferiores a 1500 MPa. No obstante,
aumentó el alargamiento de rotura A80 a aprox. un 5,8%. Con una
temperatura de la herramienta de 400ºC, la resistencia a la
tracción bajó, por ejemplo, a R_{m} = 820 MPa, el límite elástico
a R_{P0,2} = 610 MPa. El alargamiento de rotura aumentó, en
cambio, a A80 = 10%. Se supone que el motivo para los cambios de
los valores de resistencia está en el hecho de que a una temperatura
más elevada de la herramienta de conformación sigue habiendo partes
de austenita en la estructura. Para conseguir una estructura con
valores del alargamiento de rotura más elevados, por lo tanto es
preferible usar temperaturas de la herramienta de conformación de
por ejemplo 400ºC a 650ºC. Con temperaturas de la herramienta de
conformación inferiores a 200ºC, la estructura está formada, por lo
contrario, ya sólo por martensita y se consigue una resistencia
máxima con un menor alargamiento de rotura.
Además, se mostró que con una temperatura de
herramienta más elevada, las distintas presiones superficiales ya
influyeron sólo poco en la formación de la estructura. Se supone que
esto se debe a que las distintas presiones superficiales, que
variaron en un intervalo de 0,15 MPa 3,83 MPa, sólo provocaron
pequeñas diferentes en la velocidad de enfriamiento para el
intervalo de temperatura de 790ºC a 390ºC. Las velocidades de
enfriamiento medidas para este intervalo de temperatura estaban
entre 80 y 115 K/s. Si la herramienta de conformación se regula, no
obstante, a una temperatura inferior a 200ºC, debido a la gran
diferencia de temperatura entre el disco estampado y la herramienta
de conformación es claramente mayor la influencia de la presión
superficial en la velocidad de enfriamiento y, por lo tanto, la
influencia de la misma en la formación de la estructura. Se mostró
que a temperaturas bajas de la herramienta, es decir, inferiores a
200ºC, pudieron medirse distintas velocidades de enfriamiento de 80
K/s a 480 K/s debido a la presión superficial. Esto tenía como
consecuencia que a las velocidades de enfriamiento extremadamente
elevadas se había formado una estructura martensítica muy gruesa. A
velocidades de enfriamiento de 80 K/s a 130 K/s se obtenía, por lo
contrario, una estructura martensítica finamente granulada, que se
considera ventajosa en todos los aspectos. Los valores medidos para
el límite elástico y la resistencia a la tracción no cambiaron por
las distintas formaciones de estructuras. Para conseguir valores de
resistencia máximos en el templado en prensa y la conformación a
temperatura regulada de aceros de resistencia elevada y/o de
resistencia muy elevada debe cumplirse, por lo tanto, con mucha
precisión el control de temperatura en la herramienta de
conformación o en el disco estampado que ha de ser conformada. El
ejemplo de realización descrito de la herramienta de conformación
para el templado en prensa y la conformación a temperatura regulada
es especialmente adecuado para ello.
Además, se calentaron otras dos muestras de una
aleación de acero 22MnB5 con un recubrimiento de
aluminio-silicio (AlSi) durante aprox. 6 minutos a
950ºC. La muestra a) se conformó en una herramienta regulada a una
temperatura de 410ºC con una presión de 80 bar y la muestra b) en
una herramienta enfriada a temperatura ambiente con una presión de
80 bar.
Unas micrografías de las muestras a) y b)
muestran distintas formaciones de estructuras. La muestra a)
presentó una estructura de bainita con efectos de revenido. A
diferencia de ello, en la muestra b) pudo detectarse una estructura
martensítica, bainítica.
Otra muestra del tipo arriba indicado fue
recocida a 900ºC y se pasó en aprox. 6 s a una prensa, mientras la
temperatura del núcleo de la chapa era aún de aprox. 750ºC. La
temperatura de la prensa era 600ºC y el tiempo de cierre era de
aprox. 1,5 s. A continuación de la conformación a temperatura
regulada se realizó un enfriamiento brusco a temperatura ambiente.
El análisis de la muestra mostró una matriz base ferrítica con
perlita dispuesta en forma de células, detectándose adicionalmente
distintas islas de martensita y partes de bainita. En un ensayo de
corrosión por apriete posterior pudieron detectarse pequeñas partes
de austenita residual. Mediante los ensayos pudo mostrarse que
mediante la conformación a temperatura regulada pueden ajustarse de
forma selectiva martensita, bainita y/o perlita, así como austenita
residual en la chapa.
Claims (9)
1. Procedimiento para el templado en prensa y la
conformación a temperatura regulada de discos estampados de aceros
de resistencia elevada y/o muy elevada, en el que el disco estampado
se calienta antes de la conformación al menos a la temperatura de
austenitización y se conforma a continuación en caliente en una
herramienta de conformación, presentando la herramienta de
conformación medios para la regulación de la temperatura,
caracterizado porque el disco estampado se conforma mediante
las superficies de contacto de elementos de la herramienta de
conformación previstos en la herramienta de conformación para la
conformación, estando asignadas las superficies de contacto al
menos en parte a una pluralidad de zonas de temperatura previstas en
la herramienta de conformación y regulándose la temperatura de una
pluralidad de zonas de temperatura de la herramienta de conformación
mediante medios para la regulación de la temperatura durante la
conformación a valores de temperatura respectivamente
predefinidos.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque las zonas de temperatura en la
herramienta de conformación presentan durante la conformación
temperaturas uniformes o diferentes.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque la temperatura de las distintas zonas
de temperatura en la herramienta de conformación no supera durante
la conformación una temperatura de un máximo
de 650ºC.
de 650ºC.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la temperatura
de al menos una zona de temperatura es superior a 200ºC.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la temperatura
de al menos una zona de temperatura no supera 200ºC.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el
comportamiento de enfriamiento del disco estampado se ajusta al
menos en parte mediante las presiones superficiales de la
herramienta de conformación.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se usa un acero
de manganeso-boro, en particular un acero de
manganeso-boro del tipo de aleación 22MnB5.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el disco
estampado presenta un recubrimiento superficial para la protección
contra la formación de óxidos.
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque se ajusta una
diferencia de temperatura entre el disco estampado calentado y las
superficies de contacto de la herramienta de temperatura regulada
entre 50 y 650ºC, preferiblemente entre 100 y 350ºC.
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