ES2344832T3 - Procedimiento de tratamiento de piezas de aleacion ferrosa para mejorar sus propiedades frotantes, sin perdida de su dureza ni deformacion. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de obtención de una pieza de aleación ferrosa que consiste en depositar por sulfuración sobre dicha pieza un revestimiento de sulfuro de hierro que tiene una relación Fe/S entre 0,69 y 0,85, caracterizado porque se selecciona el revestimiento entre aquellos que tienen un espesor suficiente y que tienen una superficie cuya dimensión fractal es al menos igual a 2,6.
Description
Procedimiento de tratamiento de piezas de
aleación ferrosa para mejorar sus propiedades frotantes, sin pérdida
de su dureza ni deformación.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de tratamiento de piezas de aleación ferrosa para
mejorar sus propiedades frotantes, principalmente su resistencia al
gripado y al pegado, sin riesgo de pérdida de su dureza ni de
deformación.
La invención se aplica a las piezas de acero o
en fundición de altas características mecánicas, es decir, cuya
temperatura de revenida es inferior a 200ºC.
El experto en la técnica sabe que dos piezas de
acero frotando, una contra la otra, en ausencia de lubricante van a
gripar muy rápidamente. El experto en la técnica sabe también que el
papel de los lubricantes consiste en separar las superficies en
contacto por una película que favorece el deslizamiento y la
eliminación de las calorías. La película de lubricante permite
prevenir la aparición de las micro-soldaduras
responsables del gripado y de la transferencia de materia.
Para ser eficaz, la película de lubricante debe
tener un espesor superior a la altura de las rugosidades de
superficie. El espesor de la película depende en gran parte de las
propiedades físico-químicas superficiales y de la
morfología de las superficies a escala microscópica. Sin embargo, el
acero bruto de fabricación tiene características de superficie de
tal modo que el espesor de las películas de lubricante sea
generalmente insuficiente para asegurar una lubricación continua
cuando las cargas o las velocidades se vuelven importantes.
Se pusieron a punto algunos tratamientos de la
superficie de los aceros con el fin de mejorar bien sea la
absorción del lubricante o bien las características
anti-soldadura o también las dos a la vez.
Se utilizan hoy en día dos categorías de
tratamiento en la industria mecánica para mejorar la retención de
lubricante: la fosfatación y la sulfuración a baja temperatura. La
fosfatación está destinada principalmente a aumentar la resistencia
al gripado de los contactos lubricados, la sulfuración confiere
además propiedades de inhibición de soldadura a la superficie
gracias a la formación de sulfuro de hierro (FeS hexagonal), y las
propiedades anti-gripado son entonces superiores a
las obtenidas con la fosfatación.
Las propiedades físico-químicas
de compuestos tal como el fosfato de hierro o el sulfuro de hierro
son la causa del mejor fondeo de los lubricantes, siendo la energía
superficial de estos constituyentes bien superior a la del acero.
Estos constituyentes presentan por otro lado una baja resistencia al
cizallamiento así como una excelente aptitud a la acomodación, lo
que le permite mejorar las condiciones de rodaje y la resistencia
al desgaste de los contactos sometidos a la fatiga de
superficie.
La sulfuración electrolítica en sales fundidas
en una salmuera se enseña en la solicitud de patente francesa nº
1.406.530.
La sulfuración a baja temperatura se realiza en
una mezcla de sales fundidas a una temperatura en torno a 200ºC con
la asistencia de una electrólisis anódica que conduce a la formación
de sulfuro de hierro hexagonal FeS. Este último procedimiento se
enseña en la solicitud de patente de la firma solicitante nº
FR-A-2.050.754.
Sin embargo, las piezas que incluyen un
revestimiento según el estado de la técnica anterior no responden
ya a las nuevas exigencias, en particular en lo que se refiere a los
mecanismos empleados en las nuevas generaciones de motores de
inyección directa.
Un objeto de la invención es obtener piezas de
aleación ferrosa que tienen propiedades frotantes mejoradas en
condiciones extremas de presión y de velocidad, principalmente su
resistencia al gripado y al pegado sin pérdida de su dureza ni
deformación.
Este objeto, así como otros que aparecerán en la
lectura de la siguiente descripción, se satisface por el
procedimiento de la presente invención.
La firma solicitante constató de manera
sorprendente que para piezas de aleación ferrosa que incluyen un
revestimiento de sulfuro de hierro, la dimensión fractal de la
superficie del revestimiento de sulfuro de hierro desempeñaba un
papel preponderante, y en cualquier caso mucho más influyente que el
de la estequiometría, de la estructura cristalina o también de la
pureza.
Por lo tanto, la firma solicitante puso a punto
un procedimiento de obtención de una pieza de aleación ferrosa que
soporta una carga de gripado muy elevada con una dispersión muy baja
así como un elevado número de ciclos, que consiste en depositar
sobre dicha pieza un revestimiento de sulfuro de hierro que tiene un
espesor y una relación Fe/S apropiados, caracterizado porque se
selecciona el revestimiento entre los que la superficie tenga una
dimensión fractal al menos igual a 2,6.
Por ejemplo, las piezas obtenidas según el
procedimiento de la presente invención soportan una carga de gripado
según el ensayo con máquina FAVILLE LEVALLY según la norma
ASTM-D-2670 al menos igual a
aproximadamente 3000 daN con una tolerancia a lo sumo igual a
aproximadamente 5% y un número de ciclos según el ensayo de Hamsler
al menos igual a aproximadamente 300.
El experto en la técnica determinará fácilmente
el espesor y la relación Fe/S apropiados. Tal como lo muestran los
siguientes ejemplos, un espesor demasiado bajo es insuficiente para
garantizar la resistencia al gripado a pesar de una dimensión
fractal de al menos igual a 2,6, y un espesor demasiado elevado
impide obtener una dimensión fractal de al menos igual a 2,6. Estos
parámetros se deberán ajustar experimentalmente, caso por caso.
Ventajosamente, se selecciona el revestimiento
entre aquellos cuya superficie tiene una dimensión fractal
comprendida entre 2,65 y 2,75.
En un modo de realización preferido de la
invención, se selecciona el revestimiento entre los que tienen una
estequiometría que corresponde a una relación Fe/S comprendida entre
0,69 y 0,85.
Favorablemente el revestimiento también se
seleccionará entre los que tendrán un espesor inferior a
aproximadamente 15 \mum, mejor aún, inferior a aproximadamente 6
\mum.
La dimensión fractal se obtiene a partir de un
rugosímetro, por ejemplo un rugosímetro 3D de tipo confocal sin
contacto cuyas características son las siguientes:
- Resolución lateral
- 300 nm
- Resolución vertical
- 30 nm
- Barrido vertical
- 1 mm
Los datos obtenidos con la ayuda del rugosímetro
se introducen a continuación en un algoritmo de cálculo específico
que extrae los valores matemáticos necesarios para la obtención de
la dimensión fractal.
Hay que señalar que el uso de un rugosímetro de
gran resolución es esencial para garantizar una medida precisa de
la dimensión fractal. Es también importante utilizar un rugosímetro
sin contacto para garantizar que ninguna modificación de la
morfología de superficie se produjo durante la medida de los
perfiles de rugosidad.
Los revestimientos de sulfuro de hierro de las
piezas de aleación ferrosa se obtienen por tratamientos conocidos
por el experto en la técnica, por ejemplo por sulfuración
electrolítica en baño de sales fundidas según la solicitud de
patente francesa nº 1.406.530, o bien sulfuración en una salmuera o
también sulfuración en baño de sales tal como la firma solicitante
lo demostró en sus experimentaciones.
\vskip1.000000\baselineskip
Los Ejemplos siguientes ilustran la invención de
manera no limitativa.
Probetas cilíndricas (cilindros) de diámetro
6,35 mm y de altura 40 mm de acero 16 NC6 cementado templado
rectificado se han tratado en las condiciones siguientes:
Condición
1
\newpage
Condición
2
Condición
3
Después del tratamiento, las probetas incluyen
un revestimiento de sulfuro de hierro. Las probetas se engrasan a
continuación luego se someten al ensayo en máquina FAVILLE LEVALLY
(según ASTM-D-2670) haciendo girar
el cilindro tratado entre dos trozos de acero 16NC6 cementado y
templado sin tratamiento suplementario. El ensayo consiste en hacer
crecer la carga aplicada sobre el cilindro hasta la aparición del
gripado. Se determinan entonces la carga de gripado, los ensayos
han sido reproducidos 5 veces con el fin de evaluar la carga media
de gripado así como la dispersión de medida.
Se caracteriza cada cilindro antes de los
ensayos con el fin de determinar el tamaño fractal de la superficie
del revestimiento después del tratamiento. La dimensión fractal se
obtiene a partir de un rugosímetro 3D de tipo confocal sin contacto
cuyas características son las siguientes:
- Resolución lateral
- 300 nm
- Resolución vertical
- 30 nm
- Barrido vertical
- 1 mm
Los datos obtenidos con la ayuda del rugosímetro
se introducen a continuación en un algoritmo de cálculo específico
que extrae los valores matemáticos necesarios para la obtención de
la dimensión fractal.
Según la invención, se seleccionan los
revestimientos cuya superficie tiene una dimensión fractal al menos
igual a 2,6.
Los resultados obtenidos se agrupan en la tabla
I siguiente y se compara, en las mismas condiciones de ensayo. Con
carácter comparativo, probetas no tratadas se gripan a partir del
comienzo del ensayo.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Las piezas (cilindros) conformes a la invención
presentan una carga de gripado según el ensayo con máquina FAVILLE
LEVALLY según la norma ASTM-D-2670
al menos igual a aproximadamente 3.000 daN.
Se observa por otro lado que los cilindros
revestidos de sulfuro de hierro conforme a la invención tienen una
carga de gripado de aproximadamente 3 veces superior a los mejores
resultados obtenidos hasta entonces con sulfuro de hierro poco
fractal.
Por otra parte, la dispersión de los resultados
es 4 veces mayor cuando el sulfuro de hierro tiene un valor
(dimensión) fractal superior a 2,6.
\vskip1.000000\baselineskip
Se condujeron algunas pruebas según la norma DIN
51350 (piezas 1 a 5) en máquina denominada "máquina de 4
bolas" para completar las ensayos de gripado y verificar la
influencia de le relación Fe/S y del espesor de la capa de sulfuro
de hierro.
\newpage
Se trataron discos de acero 15 CrMo_{4}
cementado templado para HRC 60 de diámetro 60 mm y de espesor 10 mm
en las condiciones 1, 2 y 3 descritas en el ejemplo 1 y una
condición suplementaria descrita a continuación:
Condición
4
Después del tratamiento, las piezas incluyen un
revestimiento de sulfuro de hierro.
Los ensayos se conducen en un baño de
hidrocarburo puro a 60ºC. Las cargas medias de gripado y las
dispersiones obtenidas con 5 ensayos se agrupan en la tabla
siguiente. La dimensión fractal de la superficie del revestimiento
se midió con ayuda del mismo dispositivo que el describe en el
Ejemplo 1. Los resultados se presentan en la tabla II.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Según la invención, se seleccionan los
revestimientos entre aquellos cuya superficie tiene una dimensión
fractal al menos igual a 2,6.
Se constata que seleccionando, por otro lado,
piezas que tienen un revestimiento cuya relación Fe/S esté en la
meseta 0,69 a 0,85 la carga de gripado y la dispersión no se ven
afectadas. Lo mismo ocurre con espesores del revestimiento
comprendidos entre 1,5 y 15 \mum. En cambio, un espesor de 0,5
\mum es insuficiente para garantizar una resistencia al gripado,
y, para un espesor de 20 \mum no es posible obtener sulfuro de
hierro de dimensión fractal al menos igual a 2,6.
\vskip1.000000\baselineskip
Para caracterizar la pertinencia de la selección
de las piezas que tienen un revestimiento de sulfuro de hierro
fractal para soportar condiciones difíciles de contactos con
lubricación aleatoria, se condujo un ensayo de simulación haciendo
deslizar dos cilindros de diámetro idéntico uno contra el otro a una
velocidad de 5 m.s^{-1} bajo una presión de 1200 MPa. Se abastece
el contacto de aceite 600 NS a 80ºC (16 cSt) durante la fase de
rodaje de 1 hora luego se detiene la lubricación. Se vuelve a poner
la lubricación en servicio en cuanto el coeficiente de fricción
alcance el valor crítico de 0,085 (fricción en lubricación límite)
luego se para de nuevo cuando éste alcanza un valor estabilizado en
torno a 0,04. Se repite la operación a continuación y se
contabiliza el número de ciclos antes del gripado irreversible.
Se trataron los cilindros y se seleccionaron y
en las condiciones 1, 2 y 3 descritas anteriormente. Se midió la
dimen-
sión fractal de la superficie del revestimiento de cada cilindro con la ayuda del dispositivo descrito en el Ejemplo 1.
sión fractal de la superficie del revestimiento de cada cilindro con la ayuda del dispositivo descrito en el Ejemplo 1.
Los resultados obtenidos se recogen en la tabla
III.
Según la invención, se seleccionan los
revestimientos entre aquellos cuya superficie tiene una dimensión
fractal al menos igual a 2,6.
Claims (4)
1. Procedimiento de obtención de una pieza de
aleación ferrosa que consiste en depositar por sulfuración sobre
dicha pieza un revestimiento de sulfuro de hierro que tiene una
relación Fe/S entre 0,69 y 0,85, caracterizado porque se
selecciona el revestimiento entre aquellos que tienen un espesor
suficiente y que tienen una superficie cuya dimensión fractal es al
menos igual a 2,6.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se selecciona el revestimiento entre
aquellos cuya superficie tiene una dimensión fractal comprendida
entre 2,65 y 2,75.
3. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque se selecciona el
revestimiento entre aquellos que tienen un espesor inferior a 15
\mum.
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque se selecciona el revestimiento entre
aquellos que tienen un espesor inferior a 6 \mum.
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