ES2612192T3 - Perno esférico de acero bainítico para turismos y camiones ligeros - Google Patents

Abstract

Perno esférico de un acero con microestructura bainítica con la siguiente composición en porcentaje en peso: - de 0,05 a 0,15 de carbono - de 0,10 a 0,4 de silicio - de 1,0 a 2,5 de manganeso - de 0,0015 (15 ppm) a 0,0120 (120 ppm) de boro - de 0,06 a 0,15 de titanio - en total de 0,06 a 0,30 de los elementos vanadio, niobio, titanio, - hasta 0,08 de molibdeno - hasta 0,25 de cromo - hasta 0,05 de aluminio - hasta 0,25 de níquel - hasta 0,25 de cobre - dado el caso nitrógeno, aunque menos de 0,012 - el resto hierro así como impurezas habituales del acero.

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

DESCRIPCION

Perno esferico de acero baimtico para turismos y camiones ligeros

La invencion se refiere a pernos esfericos de un acero con microestructura baimtica y a un procedimiento para la fabricacion de tales pernos esfericos.

Las articulaciones esfericas son los componentes centrales en ejes de turismos y camiones. Permiten, por ejemplo, la orientacion y la suspension de las ruedas. En relacion con la estructura de articulaciones esfericas vease tambien: Nikolaus Fecht: “Komponenten fur Fahrwerk und Lenkung”, Verlag Moderne Industrie, Band 152. Los pernos esfericos se encuentran, ademas, en varillajes de direccion, diagonales sometidas a traccion y a compresion y bielas de automoviles. Puede obtenerse informacion fundamental sobre pernos esfericos, por ejemplo, en los documentos DE 10 2005 019 559 A1 y DE 100 23 602 C2.

Los pernos esfericos no han de confundirse con tornillos. Los requisitos de los pernos esfericos son totalmente distintos de los de los tornillos. De la idoneidad de un acero para la fabricacion de tornillos no puede concluirse la idoneidad para la fabricacion de pernos esfericos. El perfil de requisitos para tornillos se menciona, por ejemplo, en las normas ISO 898-1 e ISO 898-5. Los tornillos se cargan exclusivamente a traccion. A la carga estatica puede estar superpuesta una carga variable notablemente reducida en cuanto a su valor absoluto, de modo que se obtiene como resultado una carga pulsatil (tension minima con respecto a tension maxima mayor que 0,5). Los tornillos se someten a prueba a temperatura ambiente (RT) o a temperaturas elevadas.

El pliego de condiciones de un perno esferico depende, en cambio, del fabricante y del vehuculo. Una vision general de los requisitos se da, por ejemplo, en “AK-LH 14 Arbeitskreis- Lastenheft fur Fahrwerksgelenke”.

La zona esferica delantera del perno esferico, que sobresale de la fijacion (ojo de palanca), se carga de manera variada de forma estatica, cfclica y dinamica. Las cargas estaticas son cargas a traccion, a compresion y a flexion, las cargas dclicas son igualmente cargas a traccion, a compresion y a flexion, con frecuencia con relaciones de tension variables (tension minima con respecto a tension maxima igual a -1), las cargas dinamicas son golpes fuertes breves, como los que pueden resultar, por ejemplo, al pasar sobre una traviesa o un bordillo. Los fabricantes de turismos someten a prueba estas cargas (OEM), en el caso de los fabricantes de pernos esfericos se efectua una prueba previa en el denominado “ensayo por cafda de martillo”.

El documento EP 1 565 587 da a conocer un acero con microestructura baimtica para pernos esfericos de turismos con un contenido en carbono reducido, que contiene entre otros 0,4-0,10 % en peso de Nb, 0,10-0,35 % en peso de Mo asf como 1.3-2.0 % en peso de Mn.

Los pernos esfericos se someten a prueba en un intervalo de temperaturas desde -40 °C hasta +80 °C, a diferencia de los tornillos. La norma ISO 898 para tornillas solo preve explfcitamente una prueba a temperatura ambiente. Especialmente en el ensayo por cafda de martillo se ha demostrado que la prueba a -40 °C es la prueba cntica y que de unos buenos resultados a temperatura ambiente no puede concluirse la idoneidad a -40 °C. La temperatura de transicion ductil-fragil de los aceros no depende solo de la composicion qrnmica, sino tambien de los parametros de proceso de la fabricacion del acero. Los pernos esfericos segun el estado de la tecnica se componen, por regla general, del acero bonificado 41 Cr4 o 42CrMo4 (con aproximadamente 1 % en peso de Cr o 1 % en peso de Cr y aproximadamente 0,25 % en peso de Mo). En la zona asiatica se fabrican ademas tambien a partir de aceros de cimentacion como por ejemplo 20NiCrMo2-2. El acero se funde y se extrude dando lugar a “tochos”. Los tochos se laminan despues en caliente para dar lugar a alambron (rollos o en ingles “coil”) en el intervalo de diametros desde 10 mm hasta 30 mm. Para que a partir del alambre puedan fabricarse en una prensa estampadora de varias etapas los pernos esfericos, el alambron debe recocerse, de modo que aparezca cementita globular (GKZ). Para ello se decapa el alambron, se recubre en un bano de fosfato, se estira, se recuece con recristalizacion, se vuelve a decapar y se fosfata. A continuacion se produce un estirado del alambre hasta el diametro final con una tolerancia estrecha. En una prensa estampadora de varias etapas se fabrican, a partir del alambre estirado, las piezas brutas estampadas para pernos esfericos. Para un ajuste de la resistencia deseada, las piezas brutas estampadas para pernos esfericos deben bonificarse, para lo que se calientan (se austenizan) a aproximadamente 900 °C, se enfnan bruscamente (se templan) en agua o aceite y se calientan (se someten a revenido) de nuevo a temperaturas de 500 °C a 600 °C. El acero se presenta ahora en una microestructura bonificada (martensita revenida). El mecanizado por arranque de virutas o sin arranque de virutas de los pernos esfericos se produce a continuacion. Los pernos esfericos tambien pueden fabricarse naturalmente de otra manera. Para mas informacion vease tambien: Jochen Kruse: “Spurstangenkomponenten, Werkstoffe und Herstellung im Wandel der Zeit”, Sachsische Fachtagung fur Umformtechnik 2007.

Si los pernos esfericos han de ser a prueba de corrosion, se nitrocarburan tras la fabricacion. A este respecto, se introducen por difusion carbono y nitrogeno a temperaturas entre 450 °C y 600 °C en la capa marginal del perno. De este modo, la zona exterior del acero se vuelve dura y resistente a la corrosion.

Los aceros para cimentacion habituales en la region asiatica se recuecen tras el mecanizado por arranque de virutas durante un tiempo prolongado (de 10 horas a 2 dfas) a temperaturas de 850 °C a 1000 °C en medios que emiten carbono para la carburacion y a continuacion se templan y someten a revenido igualmente de forma brusca en agua

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

o aceite.

En un tipo especial de perno esferico, el perno esferico de vastago largo, como los utilizados como union para bielas, se utiliza desde aproximadamente 10 anos como material de trabajo el 30MnVS6. Este acero se fabrica basicamente tal como se ha descrito anteriormente, pero tras el laminado en caliente se produce un enfriamiento controlado del calor de laminado. A este respecto se eliminan de la microestructura ferntica / perlttica precipitaciones de carburo de vanadio finamente distribuidas. Puede prescindirse de un recocido con GKZ del rollo. Las piezas brutas estampadas a partir de este acero ya no se templan ni se bonifican. La resistencia de los componentes es resultado de la resistencia de base del alambre y de la conformacion en fno durante el estampado.

Resulta desventajoso en las soluciones segun el estado de la tecnica, con el uso de los aceros bonificados, que el recocido con gKz conlleve un coste energetico y de tiempo y que los componentes tengan que bonificarse igualmente con un coste energetico y de tiempo.

Debido al contenido en carbono superior al 0,2 % en peso, los aceros bonificados no pueden soldarse en el estado bonificado, segun las reglas generales de la tecnica de soldadura. Esto limita notablemente la viabilidad de produccion de los pernos esfericos.

Ademas, debido al alto contenido en carbono, la capacidad de conformacion o estampado de los rollos recocidos con GKZ esta notablemente limitada. Asf, durante el estampado pueden producirse de manera repetida agrietamientos especialmente en caso de incorporar superficies de ataque para herramientas, como por ejemplo una entalladura hexagonal o hexagonal de puntas redondeada.

En caso de usar el acero templado por precipitacion 30MnVS6, si bien se ahorra el tratamiento termico del bonificado, la tenacidad del acero, medida como resiliencia segun la norma DIN 50045-1 con muesca en V, es notablemente menor que en los aceros bonificados. Por tanto los aceros se utilizan solo en pernos que estan cargados exclusivamente a traccion/compresion.

El acero 30MnVS6 tampoco puede soldarse, segun las reglas generales de la tecnica de soldadura. Ademas, su capacidad de conformacion o estampado es todavfa menor que la de los aceros bonificados. En este acero no puede estamparse ningun ataque interior (entalladura hexagonal o hexagonal de puntas redondeada).

Otros tipos de aceros denominados generalmente como aceros microaleados tienen siempre una microestructura ferntica / perlftica. Si se reduce el contenido en carbono hasta por debajo del 0,2 % en peso, entonces, si bien los aceros podran soldarse entonces, la resistencia que resulta de la conformacion en fno sera demasiado baja para los pernos esfericos. Ademas tras la nitrocarburacion seran extremadamente debiles.

Los aceros de microestructura baimtica se conocen y se describen muy detalladamente en: “Bainite in steels - Transformations, Microstructure and Properties”, second edition, H. K. D. H. Bhadeshia, IOM Communications Ltd, 1 Carlton House Terrace, London SW1Y 3DB, Book 0735.

Sin embargo, hasta el momento, los aceros con microestructura baimtica se procesaban exclusivamente para dar lugar a chapas y no estaban disponibles comercialmente para la fabricacion de alambre. Una fabricacion de alambres choca, de manera condicionada por la fabricacion, contra lfmites insalvables, ya que las chapas pueden laminarse en caliente mas lentamente (a aproximadamente 40 - 50 km/h) y por tanto se enfnan mas rapido que el alambre, cuya velocidad de laminado maxima se situa a aproximadamente de 150 a 200 km/h. Por lo tanto, el experto en la materia tampoco podfa en el pasado tratar de fabricar pernos esfericos mediante extrusionado en fno.

Una desventaja general de los aceros baimticos, en particular para su uso en la conformacion maciza en fno, era en el pasado la aparicion de cementita (precipitaciones de Fe3c), que aparece por el enfriamiento a partir de la austenita. Esta fase es fragil y puede conducir en particular durante la conformacion maciza en fno a una aparicion de grietas y por tanto a deterioro.

El objetivo de la presente invencion era superar las desventajas mencionadas del estado de la tecnica, en particular fabricar pernos esfericos con una elevada resistencia en combinacion con una buena soldabilidad y buenas tenacidades.

El objetivo planteado se soluciona con las caractensticas de las reivindicaciones independientes.

De manera sorprendente se ha descubierto que los pernos esfericos de un acero con microestructura baimtica superan la desventaja del estado de la tecnica. Un acero de acuerdo con la invencion segun la reivindicacion 1 tiene la siguiente composicion en % en peso:

- hierro, asf como

- de 0,05 a 0,15 de carbono

- de 0,10 a 0,4 de silicio

- de 1,0 a 2,5 de manganeso

- de 0,0015 (15 ppm) a 0,0120 (120 ppm) de boro

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

- en total de 0,06 a 0,30 de los elementos vanadio, niobio, titanio

de 0,06 a 0.15 de titanio, hasta 0,08 de Mo, hasta 0,25 de Cr, hasta 0,25 de Al, hasta 0,25 de Ni, hasta 0,25 de Cu y menos de 0,012 de N2 De acuerdo con la invencion pueden ponerse a disposicion por tanto pernos esfericos cuyo material de trabajo contenga notablemente menos molibdeno y/o cromo, que son caros, que los aceros bonificados clasicos 41Cr4 o 42CrMo4. Ademas puede prescindirse por completo del costoso recocido con GKZ, alcanzandose pese a ello los valores de resistencia requeridos, como si se hubiera aplicado un recocido con GKZ. Una bonificacion del acero puede omitirse igualmente. La fabricacion de los pernos esfericos segun la invencion es por tanto esencialmente mas sencilla y economica que hasta el momento. Ademas, mediante el uso de aceros bainfticos para material en alambre se ha superado un prejuicio existente desde hace mucho.

Ademas resulto sorprendente que mediante el uso de un acero bainftico tambien fuese posible de repente el estampado sin problemas de ataques interiores, lo que era imposible de prever con anterioridad. Aproximadamente un 75% de todos los pernos esfericos tienen ataques interiores, por lo que esto es importante para la realizacion de la ensenanza, ya que los pernos esfericos de acuerdo con la invencion son particularmente adecuados para su uso en la fabricacion de velmculos. En este caso es posible su uso, por ejemplo, en varillajes de direccion, diagonales sometidas a traccion y a compresion, barras de acoplamiento o conexiones de estabilizador, brazos transversales articulados en dos y tres puntos y bielas.

Evidentemente, el acero bainftico puede contener aun mas elementos de aleacion en cantidades mayores o menores. Son ya habituales, de manera condicionada por la fabricacion, otros componentes de aleacion como, por ejemplo, fosforo, azufre, cobre y nitrogeno.

Ademas se exponen configuraciones adicionales de la invencion en las reivindicaciones dependientes.

Un acero con microestructura bainftica de acuerdo con la reivindicacion 1 tiene la siguiente composicion en porcentaje en peso

- hierro, asf como

- de 0,06 a 0,12 de carbono

- de 0,15 a 0,3 de silicio

- de 1,4 a 2,0 de manganeso

- de 0,06 a 0,15 de titanio

- de 0,0015 (15 ppm) a 0,0120 (120 ppm) de boro

- en total de 0,03 a 0,22 de los elementos niobio y vanadio

- hasta 0,012 de nitrogeno (120 ppm).

Sin embargo, conforme a una configuracion ventajosa de la invencion de acuerdo con la reivindicacion 1 tambien es posible que esten contenidos uno o varios de los siguientes elementos (indicados en porcentaje en peso):

- como maximo 0,25 de mquel

- como maximo 0,30 en total de mquel y cobre

- como maximo 0,25 de cromo

- como maximo 0,05 de aluminio

Es un objeto de la invencion ademas un procedimiento para la fabricacion de pernos esfericos a partir de un acero con microestructura bainftica.

El procedimiento comprende al menos las etapas:

- fundir el acero

- colar el acero en colada en lingotes o continua

- laminado en caliente formando un rollo

- enfriamiento controlado tras el laminado en caliente

- estirado en fno del rollo

- extrusionado

El acero se funde, se cuela dando lugar a tochos, se lamina en caliente dando lugar a rollos y, a partir del calor de laminacion, se enfna de manera controlada, con tasas de enfriamiento superiores a 1 K/s, hasta entre 800 y 500°C, de modo que aparece bainita. A este respecto, el acero puede o bien someterse a laminado de normalizacion de manera convencional con una temperatura de laminado final de alrededor de 1000°C, o termomecanicamente con una temperatura de laminado final disminuida de alrededor de 800°C. Para una definicion de los conceptos “normalizacion” y “termomecanicamente” se remite a la norma DIN EN 10025-2.

El rollo laminado en caliente se estira en fno sin recocido intermedio y, a continuacion, se estampan a partir de los mismos en una prensa estampadora de varias etapas las piezas brutas para pernos esfericos. Tras el estampado se realiza, dado el caso, el mecanizado mecanico de las piezas brutas. Las piezas brutas obtienen su resistencia a partir de la resistencia de base del alambre y de la conformacion en fno durante el estampado. Para el ajuste de la

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

resistencia ya no tienen que bonificarse.

Para el experto en la materia ha resultado sorprendente que los pernos esfericos tambien puedan estamparse sin un costoso tratamiento con GKZ del alambre en una prensa estampadora de varias etapas. Puede prescindirse del caro y costoso tratamiento con GKZ. Ademas resulto sorprendente para el experto en la materia que los componentes presentasen tras el estampado la misma alta resistencia que de lo contrario solo presentanan los componentes bonificados. Al usar el aceros de acuerdo con la invencion puede prescindirse por tanto del caro y costoso bonificado.

Preferentemente, la fabricacion de piezas brutas se realiza mediante un procedimiento de conformacion en fno en varias etapas, en el que se estampa la pieza bruta a partir del alambre.

Preferentemente, tras el laminado en caliente se realiza un estirado en fno de mas del 5% para el ajuste de la resistencia nominal.

Sorprendentemente se ha descubierto que un contenido superior, en comparacion, de mas del 0,06 % en peso de un metal M, siendo M = vanadio, niobio o titanio, o una combinacion de estos tres metales con en total mas del 0,06 % en peso, en un acero de la composicion de base anteriormente mencionada, preferentemente en asociacion con laminado termomecanico y enfriamiento acelerado tras el laminado, conduce a una microestructura libre de cementita. Esta se compone predominantemente de una microestructura secundaria baimtica con precipitaciones del tipo MX, siendo X un elemento intersticial como por ejemplo carbono y/o nitrogeno, y presenta un porcentaje de en total menos del 20 por ciento en volumen de zonas martenstticas o austemticas residuales de un tamano de 2 a 3 mm. La precipitacion MX puede ser, por consiguiente, un carburo, nitruro o carbonitruro. En general hay dos tipos de precipitaciones MX: precipitaciones MX primarias (grandes o gruesas) y secundarias (pequenas o finas). Las precipitaciones MX primarias en aceros tienen habitualmente un tamano superior a 50 nm mientras que las precipitaciones MX secundarias son normalmente inferiores a 20 nm. Las condiciones en las que diferentes atomos metalicos forman precipitaciones MX dependen de la composicion qmmica del acero.

Al usar contenidos en vanadio, niobio y/o titanio superiores al 0,06 % en peso puede aumentarse, por medio de endurecimiento por precipitacion con precipitaciones MX finas (por ejemplo TiC) en la estructura baimtica, la resistencia del alambre de manera controlada en hasta 200 MPa, pudiendo mantenerse al mismo tiempo el contenido en carbono en un nivel relativamente bajo. Este contenido en carbono mas bajo favorece propiedades tecnologicas como la conformabilidad en fno, la ductilidad, la tenacidad y la soldabilidad. En particular, la aleacion con contenidos superiores en titanio y/o niobio parece tener, preferentemente en asociacion con el laminado termomecanico y el enfriamiento acelerado tras el laminado, una influencia favorable en la formacion de la microestructura baimtica anteriormente descrita y conduce a un endurecimiento por precipitacion muy eficaz. Para una definicion del concepto “endurecimiento por precipitacion” se remite a la norma DIN eN 10267. Es especialmente necesario el uso de un contenido en titanio en el intervalo desde el 0,06 hasta el 0,15 % en peso.

En particular los elementos titanio y niobio tienen el efecto adicional de que las precipitaciones finas que precipitan durante y tras el laminado retrasan la recristalizacion estatica y dinamica, con lo cual aparece un grano austenftico fino antes de la transformacion de la austenita en bainita, lo que conduce finalmente a una microestructura fina en el producto laminado acabado.

Una microestructura baimtica de este tipo con un contenido en carbono mas reducido, en la que las fragiles precipitaciones de cementita se sustituyen por carburo MX finamente distribuido y por una fase residual ductil finalmente formada (austenita residual/martensita revenida), representara la microestructura ideal para la conformacion maciza en fno sin tratamiento termico (elevada resistencia y, pese a ello, buena ductilidad). La conformacion cntica, que puede conducir a fallos, disminuye con el porcentaje y el tamano de la fase residual (en este caso austenita residual/martensita revenida). Sin cenirnos a la teona, se supone que aparecen menos picos de tension en las superficies lfmite de dos fases debido a diferentes propiedades mecanicas de las fases adyacentes.

Las excelentes propiedades tecnologicas para la conformacion maciza en fno son atribuibles a la microestructura especial.

De manera ventajosa, el laminado se realiza con una temperatura de laminado final alrededor de 800°C y el enfriamiento del alambre tras el laminado en caliente con velocidades de enfriamiento superiores a 1 K/s, en particular superiores a 3 K/s. De ello se desprende que la resiliencia medida a -40 °C en probetas ISO-V, tomadas tras la etapa de procedimiento del enfriamiento controlado y antes de la etapa de procedimiento del estirado en fno, es superior a 60 J.

A continuacion se explicara mas detalladamente la invencion mediante los siguientes ejemplos:

Ejemplo 1

Se preparo una aleacion que tema la siguiente composicion:

- 0,07 % en peso de carbono

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

- 1,86 % en peso de manganeso

- 0,21 % en peso de silicio

- 0,007 % en peso de fosforo

- 0,007 % en peso de azufre

- 0,10 % en peso de mquel

- 0,11 % en peso de cromo

- 0,19 % en peso de cobre

- 0,04 % en peso de vanadio

- 0,08 % en peso de titanio

- 0,010 % en peso de nitrogeno

- 0,03 % en peso de aluminio

- 15 ppm en peso de boro

- resto, hierro

Ejemplo 2

Se preparo una aleacion que tema la siguiente composicion:

- 0,06 % en peso de carbono

- 1,82 % en peso de manganeso

- 0,20 % en peso de silicio

- 0,011 % en peso de fosforo

- 0,012 % en peso de azufre

- 0,15 % en peso de mquel

- 0,15 % en peso de cobre

- 0,10 % en peso de titanio

- 0,008 % en peso de nitrogeno

- 0,025 % en peso de aluminio

- 30 ppm en peso de boro

- resto, hierro

Ejemplo 3

Se preparo una aleacion que tema la siguiente composicion:

- 0,07 % en peso de carbono

- 1,53 % en peso de manganeso

- 0,27 % en peso de silicio

- 0,007 % en peso de fosforo

- 0,006 % en peso de azufre

- 0,02 % en peso de mquel

- 0,02 % en peso de cromo

- 0,01 % en peso de cobre

- 0,12 % en peso de titanio

- 0,003 % en peso de nitrogeno

- 100 ppm en peso de boro

- resto, hierro

La invencion se explicara a continuacion mas detalladamente con ayuda de los dibujos adjuntos. Las representaciones no representan ninguna limitacion a la realizacion mostrada en concreto, sino que sirven unicamente para explicar un principio de la invencion. A este respecto, componentes iguales o de tipo similar se designan como las mismas referencias. Muestra:

la figura 1: la figura 2 la figura 3 la figura 4

la figura 5 la figura 6 la figura 7

un ensamblaje parcial de una articulacion esferica,

una seccion transversal a traves de un perno esferico de acuerdo con la invencion, la microestructura de un perno esferico de acuerdo con la invencion en representacion ampliada, el perfil de microdureza (HV1) a traves de una union de soldadura entre el acero bonificado 23MnB4 y dos masas fundidas diferentes del acero de acuerdo con la invencion, das diagrama de revenido del acero de acuerdo con la invencion,

un perno esferico conformado, pero libre de grietas, a partir del acero de acuerdo con la invencion, un diagrama de resistencia a la fatiga del acero de acuerdo con la invencion.

La figura 1 muestra esquematicamente un ensamblaje parcial 1 de una articulacion esfericas con un perno esferico 2, que comprende una parte de vastago 3 con una rosca 5, una cabeza esferica 4 y un casquete esferico 6.

La figura 2 muestra una seccion transversal a traves de un perno esferico fabricado de acuerdo con la invencion. Pueden observarse claramente aqrn las marcadas lmeas de penetracion 7 del material de trabajo de acero. Ademas, el perno esferico 2 presenta diversos puntos de medicion 8 indicados para mediciones de dureza, en los que pueden

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

efectuarse preferentemente mediciones. En la cabeza esferica 4 se ha practicado una perforacion de centrado 10, habiendose creado en el lado opuesto del perno esferico 2 una entalladura hexagonal 9, que sirve como superficie de ataque para herramientas. Mediante el macrograbado se han hecho visibles las lmeas de penetracion 7. La pieza bruta para perno esferico 2 se ha estampado en este caso mediante un procedimiento de conformacion en fno de varias etapas directamente a partir de un alambre de calibrado. Tras el estampado se realiza el mecanizado por arranque de virutas de la pieza bruta. Tras el estampado, el componente no se ha bonificado ni tratado termicamente. Mediante la conformacion en fno se obtienen en el componente resistencias a la traccion desde 860 MPa hasta 1090 MPa. La distribucion de resistencias a la traccion no es homogenea, debido al procedimiento, a diferencia de en los componentes bonificados. Las resistencias a la traccion se han convertido de valores de dureza, segun la norma DIN EN ISO 18265 tabla A1, estando mostrados aqu diversos puntos de medicion 8 para mediciones de dureza. La resistencia a la traccion del material de trabajo estandar alcanza valores desde 850 MPa hasta 1000 MPa.

La figura 3 muestra la microestructura del acero de acuerdo con la invencion, tal como se definio anteriormente como “ejemplo 1”, en un perno esferico. Se efectuo el rectificado metalografico a partir de un perno esferico. La microestructura se compone de bainita de grano fino con precipitaciones 11 aisladas. Para compara con otras microestructuras, vease: “Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff und die Grundlagen der Warmebehandlung der Eisen-Kohlenstoff-Legierungen”; Verlag Stahleisen; Dusseldorf.

La figura 4 muestra el perfil de microdureza (HV1) a traves de una union de soldadura entre el acero bonificado 23MnB4 (lado izquierdo) y dos masas fundidas diferentes (vease “ejemplo 1” y “ejemplo 2”) del acero de acuerdo con la invencion (lado derecho). La distancia “cero” sobre el eje x es el punto de contacto de ambos materiales.

A partir de los aceros de acuerdo con la invencion se estamparon esparragos roscados pequenos, sobre los que se soldaron despues esferas rectificadas perfectamente redondas. La forma esferica de pernos esfericos “normales” esta achatada en el extremo superior (vease la imagen 1) y no puede producirse, de manera condicionada por la fabricacion, sin achatado. Para una articulacion esferica puede resultar ventajoso que la forma esferica sea perfectamente redonda. Esto solo es posible cuando se suelda una esfera rectificada sobre un esparrago.

La resistencia de base del acero baimtico asciende en este caso a 280HV1 (puntos de medicion a la derecha a una distancia de 5 mm de la zona de soldadura). En direccion a la zona de soldadura, en la zona de influencia termica (WEZ) la dureza disminuye ligeramente hasta 250 HV1, para subir en la zona de soldadura (SZ) a 300HV1 hasta 350HV1. Segun las reglas generales habituales de la tecnica de soldadura, la dureza en las uniones de soldadura no ha de superar el valor de 350 HV, ya que entonces la union de soldadura se considera demasiado fragil. La dureza en la zona de soldadura en el acero bonificado aleado moderadamente con un 0,2 % en peso de carbono sube a mas de 500HV1. Si se suelda el acero bonificado 32CrB4, se obtienen valores de dureza de 550HV1 a 600HV1. En este caso es notable la ventaja del acero baimtico con respecto a los aceros bonificados. Este solo se endurece ligeramente en la zona de soldadura. En el diagrama “QT” significa quench tempered (=bonificado).

La figura 5 muestra el diagrama de revenido del acero de acuerdo con la invencion correspondiente al ejemplo 1. Se recocieron pernos esfericos estampados en intervalos de temperatura desde 400 °C hasta 650 °C durante 1 hora, 4 horas y 14 horas. Mediante el tratamiento termico se modifica la resistencia de los componentes. Solo por encima de 600 °C se produce una cafda de resistencia significativa. Pernos recocidos 14 horas a 600 °C todavfa tienen, a temperatura ambiente, resistencias a la traccion de 880 MPa. El acero bonificado 41Cr4 “solo” tiene todavfa, tras un recocido a 580 °C, una resistencia de 820 MPa. En el diagrama “QP” significa quench polished (=nitrurado)

Puesto que los pernos esfericos son componentes cnticos para la seguridad, solo han de deformarse plasticamente, tambien a -40 °C, en caso de resultar danados y no mostrar grietas. La figura 6 muestra un perno esferico de un acero de acuerdo con la invencion correspondiente al ejemplo 1, deformado dinamicamente a -40 °C con 400 J, pero sin grietas. Los aceros de acuerdo con la invencion son muy ductiles para su uso como material de trabajo para pernos esfericos.

Ademas de la carga estatica y dinamica, los pernos esfericos tambien se cargan dclicamente. La figura 7 muestra el diagrama de resistencia a la fatiga (curva de Wohler) del acero de acuerdo con la invencion correspondiente al ejemplo 1 tras el estampado (en bruto) y tras la nitrocarburacion (nitrurado) en comparacion con las especificaciones teoricas. De manera condicionada por la tension propia a compresion generada durante la nitracion sobre las superficies del componente, las resistencias a la fatiga son en este caso especialmente grandes. No obstante, tambien pernos esfericos no nitrurados cumplen las especificaciones teoricas.

Lista de referencias

1 ensamblaje parcial de articulacion esferica

2 perno esferico

3 parte de vastago

4 cabeza esferica

5 rosca

6 casquete esferico

CD 00 “vl

lmeas de penetracion posibles puntos de medicion entalladura hexagonal 10 perforacion de centrado 5 11 precipitaciones

Claims (15)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   50

   REIVINDICACIONES

   1. Perno esferico de un acero con microestructura bainftica con la siguiente composicion en porcentaje en peso:

   - de 0,05 a 0,15 de carbono

   - de 0,10 a 0,4 de silicio

   - de 1,0 a 2,5 de manganeso

   - de 0,0015 (15 ppm) a 0,0120 (120 ppm) de boro

   - de 0,06 a 0,15 de titanio

   - en total de 0,06 a 0,30 de los elementos vanadio, niobio, titanio,

   - hasta 0,08 de molibdeno

   - hasta 0,25 de cromo

   - hasta 0,05 de aluminio

   - hasta 0,25 de mquel

   - hasta 0,25 de cobre

   - dado el caso nitrogeno, aunque menos de 0,012

   - el resto hierro asf como impurezas habituales del acero.
2. 2. Perno esferico segun la reivindicacion 1, en el que la microestructura baimtica presenta una microestructura libre de cementita, que se compone predominantemente de una microestructura secundaria baimtica con precipitaciones del tipo MX e, incorporados en la misma, un porcentaje de en total menos del 20 por ciento en volumen de zonas martensfticas o austemticas residuales, siendo M = vanadio, niobio y/o titanio y X = carbono o nitrogeno.
3. 3. Perno esferico segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado porque el contenido en carbono se situa en el intervalo desde el 0,06 hasta el 0,12 % en peso.
4. 4. Perno esferico segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el contenido en silicio se situa en el intervalo desde el 0,15 hasta el 0,30 % en peso.
5. 5. Perno esferico segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el contenido en manganeso se situa en el intervalo desde el 1,4 hasta el 2,0 % en peso.
6. 6. Perno esferico segun una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el contenido en niobio es inferior al 0,03 % en peso.
7. 7. Perno esferico segun una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el acero contiene adicionalmente al menos uno de los siguientes elementos en porcentaje en peso:

   - de 0,05 a 0,25 de mquel

   - como mmimo 0,30 en total de mquel y cobre

   - de 0,05 a 0,25 de cromo

   - de 0,005 a 0,05 de aluminio.
8. 8. Procedimiento para la fabricacion de pernos esfericos segun una de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende al menos las etapas de:

   - fundir el acero

   - colar el acero en colada en lingotes o continua

   - laminado en caliente

   - enfriamiento controlado tras el laminado en caliente

   - estirado en fno

   - extruido o extrudido.
9. 9. Procedimiento segun la reivindicacion 8, caracterizado porque tras el laminado en caliente se realiza el enfriamiento a tasas superiores a 1 K/s, para conseguir que en el acero aparezca al menos un 80% de bainita.
10. 10. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 8 o 9, caracterizado porque el acero se somete a un laminado de normalizacion con una temperatura de laminado final alrededor de 1000°C.
11. 11. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 8 o 9, caracterizado porque el acero se somete a un laminado termomecanico con una temperatura de laminado final alrededor de 800°C.
12. 12. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 8 a 11, caracterizado porque las piezas brutas presentan solo mediante solidificacion en fno una resistencia de mas de 850 MPa.
13. 13. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 8 a 12, caracterizado porque tras el laminado en caliente se realiza un estirado en fno de mas del 5% para el ajuste de la resistencia nominal.
14. 14. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 9 a 13, caracterizado porque las tasas de enfriamiento tras el

    laminado en caliente son superiores a 3 K/s, para conseguir que la resiliencia a -40 °C en probetas ISO-V tras el enfriamiento controlado y antes del estirado en fno sea superior a 60 J.
15. 15. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 8 a 14, caracterizado porque el perno esferico se compone de al menos dos piezas, de las que al menos una pieza corresponde al acero con microestructura baimtica, y las piezas 5 se ensamblan mediante un procedimiento de soldadura.