ES2820362T3 - Método y dispositivo para producir componentes de acero endurecidos - Google Patents

Abstract

Método para el endurecimiento por presión de componentes de chapa de acero, en donde se separa una pletina de una banda de chapa de acero de una aleación de acero que se puede endurecer y, a continuación, la pletina se austeniza calentándola a una temperatura mayor que AC3 y, a continuación, se introduce en una herramienta de conformación y se conforma en la herramienta de conformación, y al conformarse, se enfría a una velocidad mayor que la velocidad de endurecimiento crítica, caracterizado por que para evitar microgrietas de segundo orden en las pletinas de chapa que se van a conformar durante el proceso de conformación y endurecimiento está presente una reserva de fluido que contiene oxígeno - cerca de los radios positivos y/o bordes de tracción y/o - en otras regiones de contacto fuera de los radios positivos y/o bordes de tracción, donde se alimentan fluidos, u oxígeno o fluidos que contienen oxígeno a los espacios libres desde el lado de la herramienta de conformación.

Description

DESCRIPCIÓN

Método y dispositivo para producir componentes de acero endurecidos

[0001] La invención se refiere a un método y un dispositivo para producir componentes de acero endurecidos.

[0002] Los componentes de acero endurecidos tienen, concretamente en la carrocería de vehículos, la ventaja de que mediante sus destacadas propiedades mecánicas es posible crear un habitáculo de pasajeros especialmente estable, sin tener que utilizar componentes que, con resistencias normales, son mucho más robustos y por tanto más pesados.

[0003] Para producir componentes de acero endurecidos de este tipo se utilizan tipos de acero que se pueden endurecer mediante endurecimiento por temple. Los tipos de acero de este tipo son, por ejemplo, aceros al manganeso y carbono aleados con boro, en donde el más utilizado aquí es el 22MnB5. Sin embargo, también se utilizan otros aceros al manganeso y carbono aleados con boro para este propósito.

[0004] Para producir componentes endurecidos a partir de estos tipos de acero, el material de acero se debe calentar a la temperatura de austenización (>AC3) y esperar hasta que el material de acero se haya austenizado. Según el grado de dureza deseado se pueden efectuar austenizaciones parciales o completas.

[0005] Si un material de acero de este tipo se enfría después de la austenización a una velocidad superior a la velocidad de endurecimiento crítica, la estructura austenítica se transforma en una estructura martensítica muy dura. De esta manera, se pueden lograr resistencias a la tracción Rm de hasta más de 1500 MPa.

[0006] Para producir los componentes de acero actualmente hay dos métodos comunes.

[0007] En el llamado endurecimiento y conformación, se separa, recorta o troquela una pletina de chapa de acero de una banda de acero y, a continuación, se embute mediante un proceso de embutición común de, por ejemplo, cinco etapas, hasta obtener el componente acabado. En este caso, este componente acabado tiene unas dimensiones algo más pequeñas para compensar una dilatación térmica posterior a la austenización.

[0008] A continuación, el componente producido de esta forma se austeniza y entonces se inserta en una herramienta de endurecimiento y conformación en la que se prensa, pero no se conforma o solo mínimamente y, mediante el prensado, el calor fluye desde el componente a la herramienta de prensado a una velocidad superior a la velocidad de endurecimiento crítica.

[0009] El otro método es el llamado endurecimiento por presión, en el que se separa, recorta o troquela una pletina de una banda de chapa de acero, a continuación la pletina se austeniza y la pletina caliente, a una temperatura inferior a los 782 °C, preferiblemente en una sola etapa, se conforma y se enfría simultáneamente a una velocidad superior a la velocidad de endurecimiento crítica.

[0010] En ambos casos, se pueden utilizar pletinas provistas de capas de protección contra la corrosión metálica, por ejemplo, con zinc o una aleación a base de zinc. El endurecimiento y conformación también se denomina proceso indirecto y el endurecimiento por presión, proceso directo. La ventaja del proceso indirecto es que se pueden realizar geometrías más complejas en las piezas de trabajo.

[0011] La ventaja del proceso directo es que se puede conseguir un mayor aprovechamiento del material. Sin embargo, la complejidad alcanzable del componente es menor, especialmente en el proceso de formación de una sola etapa.

[0012] El endurecimiento por presión, sin embargo, tiene la desventaja de que se forman microgrietas en la superficie, particularmente en pletinas de chapa de acero galvanizado.

[0013] En este caso se distingue entre microgrietas de primer orden y microgrietas de segundo orden.

[0014] Las microgrietas de primer orden se atribuyen a la llamada fragilización por metal en estado líquido. Se supone que las fases líquidas de zinc durante la conformación, es decir, durante las tensiones de tracción que se aplican al material, interactúan con las fases de austenita todavía existentes, por lo que se generan microgrietas con profundidades de hasta unos 100 pm en el material.

[0015] La solicitante logró evitarlo mediante un enfriamiento activo o pasivo del material entre la extracción del horno de calentamiento y antes del inicio del proceso de conformación en caliente a temperaturas en las que ya no existen fases líquidas de zinc para impedir estas microgrietas de primer orden. Esto significa que la conformación en caliente tiene lugar a temperaturas por debajo de aproximadamente 750 °C.

[0016] Hasta ahora, las microgrietas de segundo orden no han sido controlables durante la conformación en caliente a pesar del enfriamiento previo, y también surgen a temperaturas de conformación en caliente por debajo de 600 °C. Las profundidades de las grietas, en este caso, llegan a ser de hasta unos 10 |jm.

[0017] Ni las microgrietas de primer orden ni las microgrietas de segundo orden son aceptadas por parte de los usuarios, ya que se trata de una posible fuente de daños.

[0018] Sin embargo, con los métodos utilizados hasta el momento sigue sin asegurarse una producción de componentes sin microgrietas de segundo orden.

[0019] Por DE 102011 055643 A1 se conoce un método y una herramienta de conformación para el endurecimiento por presión y conformación en caliente de piezas de trabajo hechas de chapa de acero, y en particular de piezas de trabajo galvanizadas hechas de chapa de acero. En este caso, la matriz utilizada para la conformación en caliente y el endurecimiento por presión debe recubrirse en forma líquida con un material en su zona del borde de tracción definida por un radio de tracción positivo, o debe estar provista de una pieza de inserción que tenga una conductividad térmica que sea inferior en al menos 10 W/(m * K) a la conductividad térmica de la sección de la matriz adyacente a la zona del borde de tracción que entra en contacto con esta durante la conformación en caliente y el endurecimiento por presión de la pieza de trabajo. La superficie orientada hacia la pieza de trabajo del material aplicado en la zona del borde de tracción o de la pieza de inserción colocada debe tener una dimensión transversal que se extienda sobre el borde de tracción y que esté en el intervalo de 1,6 veces a 10 veces el radio de tracción positivo de la matriz. Por ello, las propiedades de flujo de las piezas de trabajo hechas de chapa de acero deben mejorarse durante la conformación en caliente, y con ello reducirse considerablemente el riesgo de que aparezcan grietas durante la conformación en caliente de piezas de trabajo hechas de chapa de acero, preferiblemente pletinas de acero galvanizado. Sin embargo, las microgrietas de segundo orden no pueden evitarse con una herramienta de este tipo.

[0020] Por DE 102011 052773 A1 se conoce una herramienta para una herramienta de endurecimiento por presión, en donde la superficie conformadora de la herramienta forma una microestructura, zona por zona, mediante dos microdepresiones introducidas en la superficie del molde. Esta medida está destinada a limitar el área de contacto efectiva a las porciones de área ubicadas entre las depresiones para la formación de una pieza bruta entre la superficie del molde y una pieza bruta. Esto hace que deba reducirse el rozamiento.

[0021] Por DE 102004038626 B3 se conoce un método para la fabricación de componentes endurecidos hechos de chapas de acero, en donde antes, durante o después de la conformación de la pieza conformada se realiza un recorte final necesario de la pieza conformada y eventualmente el troquelado necesario o la generación de un patrón de agujeros, y la pieza conformada a continuación se calienta, al menos parcialmente, a una temperatura que permite una austenización del material de acero, y en donde el componente se transfiere a continuación a una herramienta de endurecimiento y conformación, y se lleva a cabo un endurecimiento y conformación en la herramienta de endurecimiento y conformación en la que el componente se enfría y, de este modo, se endurece al colocar y prensar el componente, al menos en parte, en las herramientas de endurecimiento y conformación, en donde el componente es sostenido por la herramienta de endurecimiento y conformación en la zona de los radios positivos y es sujetado preferiblemente por dos pinzas en la zona de los bordes de los recortes y, en zonas en las que el componente no está sujeto, el componente está separado por un espacio de al menos una mitad de la herramienta de conformación. Esta medida sirve para poder sujetar el componente sin deformarlo y establecer diferentes gradientes de dureza mediante diferentes velocidades de endurecimiento.

[0022] Por EP 3072980 A1 se conoce un método y un dispositivo para producir una pieza conformada parcialmente endurecida, donde la producción comprende las siguientes etapas: calentar un producto semiacabado a una temperatura de endurecimiento, conformar en caliente el producto semiacabado calentado en un dispositivo combinado de conformación en caliente y corte para obtener una pieza conformada tridimensional, recortar la pieza conformada en el dispositivo de corte combinado de conformación en caliente y corte y endurecer parcialmente por presión la pieza conformada. Con el método y el dispositivo, las piezas conformadas se pueden conformar en caliente, recortar y endurecer parcialmente en una sola etapa. Se puede omitir el postprocesamiento con una operación de recorte separada en una herramienta de recorte separada. Como resultado, se pueden minimizar los cambios no deseados en la forma y estructura de las piezas conformadas.

[0023] La tarea de la invención es evitar microgrietas de segundo orden en componentes conformados en caliente de forma directa, es decir, endurecidos por presión.

[0024] La tarea se resuelve con un método con las características de la reivindicación 1.

[0025] Los desarrollos ventajosos se caracterizan en las reivindicaciones dependientes.

[0026] Además, una tarea es crear un dispositivo con el que las pletinas de chapa de acero se puedan conformar en caliente y endurecer con el método de endurecimiento por presión y con el que se eviten microgrietas.

[0027] La tarea se resuelve con un dispositivo con las características de la reivindicación 6. Los desarrollos ventajosos se caracterizan en las reivindicaciones dependientes de esta.

[0028] Los inventores han reconocido que surgen microgrietas de segundo orden si el vapor de zinc que aparece en regiones sometidas a tracción llega al acero en concentración suficiente, lo que se denomina fragilización por metal en estado gaseoso (VME, por sus siglas en inglés). El vapor de zinc surge al rasgarse la capa de zinc-hierro debido a la tracción durante el proceso de conformación. La concentración suficiente aparece en particular en aquellas zonas en las que predomina el contacto directo de la chapa con la herramienta o hay una distancia muy pequeña de la chapa a la herramienta. Una distancia muy pequeña en el sentido de la invención es inferior a 0,5 mm.

[0029] Según la invención deben de evitarse migrogrietas de segundo orden, conservando una ventana de trabajo lo mayor posible en términos de material y temperatura y con una puesta en práctica económica. Al menos con el mismo tiempo de proceso, no debe haber ningún aumento del tiempo de ciclo ni reducción del rendimiento al fabricar los componentes.

[0030] Según la invención, el vapor de zinc que aparece en las regiones sometidas a tracción (expansión de las fibras marginales) se descarga o se expulsa por corrientes de gas (convección) o se diluye lo suficiente. Además o como alternativa, el zinc se puede convertir rápidamente en un compuesto estable tal como óxido de zinc o ZnJ2 mediante la adición de fluidos. Además, la protección del acero contra microgrietas de segundo orden también se puede lograr mediante la formación de una capa protectora como, p. ej., una capa de óxido, por medio del suministro de un fluido. Cada una de las medidas descritas ha demostrado reducir las microgrietas significativamente.

[0031] Según la invención, controlando la temperatura del fluido, los fluidos gaseosos que contienen oxígeno como, por ejemplo, aire u oxígeno, no pueden contaminar excesivamente la herramienta, o también puede regularse con mayor facilidad un posible efecto de enfriamiento masivo no deseado como, por ejemplo, mediante agua.

[0032] De este modo, la evitación de microgrietas de segundo orden está garantizada por el hecho de que en la región de los radios positivos, es decir, en la región de los bordes de tracción de la matriz y/o el punzón en la dirección de tracción adyacente al borde de tracción u otras regiones de contacto fuera de los radios positivos/borde de tracción, se dispone una escotadura que se dimensiona de tal manera que, por un lado, no afecte a la embutición o haga que la pletina o la pieza de trabajo se ondulen y, por otro lado, se dimensiona de tal manera que tampoco afecte significativamente la salida de calor que es necesaria para el endurecimiento.

[0033] Sin embargo, las escotaduras se dimensionan de tal manera que formen una reserva de oxígeno con la que llegue suficiente oxígeno a la pletina o al material sometidos a tracción para suministrar oxígeno a las fases de zinc o fases de zinc-hierro liberadas para su oxidación.

[0034] La escotadura actúa como una reserva de fluido, en particular de oxígeno, aunque esta reserva también puede contener otros fluidos, tales como agua o nitrógeno. Si se llenan con un gas inerte o, en particular, se lavan continuamente con él, no actúan por oxidación, sino por dilución o eliminación del vapor de zinc producido.

[0035] Según la invención, las escotaduras se alimentan ventajosamente de forma continua con fluidos que contienen oxígeno en el lado de la herramienta durante la conformación, por ejemplo a través de aberturas de adición adecuadas, pudiendo formarse ventajosamente un colchón de flujo. Además, la cavidad de la herramienta se puede lavar con un fluido, en particular un fluido que contenga oxígeno, que luego esté presente en los huecos después de conformar una pieza de trabajo y antes de introducir otra pletina. Ejemplos de un fluido que contenga oxígeno son aire y agua, es decir, estos pueden suministrarse en forma líquida o gaseosa.

[0036] Se ha demostrado que estas escotaduras, aunque solo tienen una extensión comparativamente pequeña, previenen eficazmente la formación de microgrietas de segundo orden por oxidación de las fases de zinc o fases de zinc-hierro.

[0037] La invención se explica a modo de ejemplo con referencia a un dibujo. En este muestran:

Figura 1, la región de la herramienta adyacente a un borde de tracción con una escotadura según la invención;

Figura 2, la región del borde de tracción de una herramienta con otra forma de realización de la escotadura según la invención;

Figura 3, la región del borde de tracción de una herramienta con una disposición de entalladura según la invención en una vista lateral parcialmente seccionada;

Figura 4, la disposición de la Figura 3 en una vista desde arriba.

[0038] La región del borde de tracción 1 o región de un radio positivo 1 está dispuesta en una herramienta de conformación y tiene dos superficies 3, 4 del lado de la pieza de trabajo que se encuentran en la región de un borde de tracción o un radio positivo 2.

[0039] Una escotadura 5 según la invención se dispone en una superficie 4 siguiendo el borde de tracción 2 en la dirección de tracción. La escotadura 5 se dimensiona de tal manera que el espesor restante del borde de tracción 2 entre la superficie 3 y la escotadura 5 corresponda aproximadamente a su radio para proporcionar un apoyo suficiente para el material que se va a someter a tracción.

[0040] Evidentemente, se pueden proporcionar otras escotaduras provistas en las regiones de contacto de la chapa con la herramienta, en donde estas regiones de contacto se definen a una distancia máxima de la chapa a la herramienta de aproximadamente 0,5 mm.

[0041] La escotadura 5 tiene una altura entre el borde de tracción 2 y la superficie 4 de aproximadamente 25 a 35 mm por una profundidad de 5 a 9 mm.

[0042] En otra forma de realización ventajosa (Figura 2), se hace una ranura 6 en la superficie 4 en lugar de una escotadura 5 de superficie grande adyacente al borde de tracción 2, y dejándola en el espesor ya descrito. La ranura 6 tiene una altura entre la superficie 4 y el borde de tracción 2 de aproximadamente 8 a 12 mm por una profundidad de 5 a 9 mm.

[0043] En otra forma de realización, en lugar de una escotadura 5 pasante en la región de la pared 4 adyacente al borde de tracción 2, se proporciona una pluralidad de ranuras 7 que se extienden en la dirección de tracción, donde las ranuras 7 o entalladuras 7 tienen, por ejemplo, una anchura de ranura de 4 a 8 mm y una separación entre ranuras de 7 a 11 mm, de modo que los puentes que quedan tienen una anchura de 1 a 5 mm. Las ranuras 7 o entalladuras 7 también tienen una profundidad de 5 a 9 mm.

[0044] Sorprendentemente se ha descubierto que con las geometrías mencionadas anteriormente, la cantidad relativamente pequeña de fluido dentro de las escotaduras 5, 6, 7 también es opcionalmente suficiente incluso a pesar de los puentes 4, para prevenir eficazmente la formación de microgrietas del segundo tipo mediante el suministro de oxígeno.

[0045] En una forma de realización ventajosa (no mostrada), se puede suministrar a las escotaduras 5, la ranura 6 y las entalladuras 7 un fluido que contenga oxígeno por el lado posterior, es decir, desde la herramienta, mediante sistemas de alimentación y tuberías perforadas correspondientes, con el fin de aumentar opcionalmente aún más la presión parcial de oxígeno en la región de las escotaduras 5, ranuras 6 y entalladuras 7.

[0046] Para mantener el contenido de oxígeno dentro de estas escotaduras 5, ranuras 6 y entalladuras 7 a un nivel alto en procesos continuos, la cavidad de conformación también se puede lavar con un fluido que contenga oxígeno de modo que siempre haya suficiente reserva de oxígeno en las escotadura 5, ranuras 6 y entalladuras 7.

[0047] Además del 22MnB5, también se utilizan el 20MnB8, el 22MnB8 y otros aceros al manganeso-boro, especialmente en el proceso directo de endurecimiento por presión.

[0048] Por lo tanto, para la invención son adecuados lo aceros con esta composición de aleación (todos los datos en % en masa):

C Si Mn P S Al Cr Ti B N

[%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%]

0,2 0,1 2,0 0,006 0,00 0,05 0,0 0,03 0,003 0,004

0 8 1 2 1 4 3 2 0 1

[0049] Siendo el resto hierro e impurezas producidas por la fundición, en donde en particular los elementos de aleación boro, manganeso, carbono, y opcionalmente cromo y molibdeno, se utilizan como retardadores de conversión en aceros de este tipo.

[0050] Para la invención también son adecuados lo aceros con la composición de aleación general (todos los datos en % en masa):

Carbono (C) 0,08-0,6

Manganeso (Mn) 0,8-3,0

Aluminio (Al) 0,01-0,07

Silicio (Si) 0,01-0,8

Cromo (Cr) 0,02-0,6

Titanio (Ti) 0,01-0,08

Nitrógeno (N) < 0,02

Boro (B) 0,002-0,02

Fósforo (P) < 0,01

Azufre (S) < 0,01

Molibdeno (Mo) < 1

[0051] Siendo el resto hierro e impurezas producidas por la fundición.

[0052] En particular, han demostrado ser adecuadas las siguientes composiciones de acero (todos los datos en % en masa):

Carbono (C) 0,08-0,35

Manganeso (Mn) 1,00-3,00

Aluminio (Al) 0,03-0,06

Silicio (Si) 0,01-0,20

Cromo (Cr) 0,02-0,3

Titanio (Ti) 0,03-0,04

Nitrógeno (N) < 0,007

Boro (B) 0,002-0,006

Fósforo (P) < 0,01

Azufre (S) < 0,01

Molibdeno (Mo) < 1

[0053] Siendo el resto hierro e impurezas producidas por la fundición

Claims (8)

REIVINDICACIONES

1. Método para el endurecimiento por presión de componentes de chapa de acero, en donde se separa una pletina de una banda de chapa de acero de una aleación de acero que se puede endurecer y, a continuación, la pletina se austeniza calentándola a una temperatura mayor que AC3 y, a continuación, se introduce en una herramienta de conformación y se conforma en la herramienta de conformación, y al conformarse, se enfría a una velocidad mayor que la velocidad de endurecimiento crítica, caracterizado por que para evitar microgrietas de segundo orden en las pletinas de chapa que se van a conformar durante el proceso de conformación y endurecimiento está presente una reserva de fluido que contiene oxígeno

- cerca de los radios positivos y/o bordes de tracción y/o

- en otras regiones de contacto fuera de los radios positivos y/o bordes de tracción, donde se alimentan fluidos, u oxígeno o fluidos que contienen oxígeno a los espacios libres desde el lado de la herramienta de conformación.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado por que la adición de oxígeno se realiza a través de las escotaduras proporcionadas en la herramienta de conformación cerca de los bordes de tracción y/o radios positivos, las cuales están dimensionadas de tal manera que no afecten a la embutición y la escotadura forme una reserva de fluidos que contengan oxígeno o se puedan suministrar fluidos que contengan oxígeno a través de esta escotadura.

3. Método según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la adición de fluido que contiene oxígeno está asegurada por el aire presente en las escotaduras.

4. Método según una de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que se realiza la aspiración por las escotaduras.

5. Método según la reivindicación 1, caracterizado por que el fluido que contiene oxígeno se suministra continuamente.

6. Dispositivo para llevar a cabo el método según una de las reivindicaciones anteriores, que tiene dos mitades de herramienta de conformación, donde las dos mitades de herramienta de conformación actúan juntas para embutir una pletina y están diseñadas de manera que puedan juntarse y separarse, donde está presente al menos un radio positivo (1) o una región de borde de tracción (1) que tiene un borde de tracción (2) en correspondencia con un contorno de conformación deseado, donde

- se dispone una escotadura (5) en una superficie (4) que sigue al borde de tracción (2) o al radio positivo (1) en la dirección de tracción y/o

- en otra región de contacto fuera del radio positivo (1) y/o borde de tracción (2), donde se puede suministrar un fluido que contenga oxígeno a las escotaduras (5), las ranuras (6) o las entalladuras (7) por el lado posterior, es decir desde la herramienta, por medio de sistemas de alimentación y tuberías correspondientes perforadas.

7. Dispositivo según la reivindicación 6, caracterizado por que la escotadura (5) está dimensionada de tal manera que el espesor restante del borde de tracción (2) entre una superficie que delimita el borde de tracción (2) y la escotadura (5) corresponde aproximadamente a su radio.

8. Dispositivo según la reivindicación 6 o 7, caracterizado por que la escotadura (5) entre el borde de tracción (2) y una superficie de la herramienta de conformación (4) tiene una altura de aproximadamente 25 a 35 mm por una profundidad de 5 a 9 mm, o está diseñada como una ranura (6) que tiene una altura entre la superficie (4) y el borde de tracción (2) que es de aproximadamente 8 a 12 mm por una profundidad de 5 a 9 mm, o en la región de la pared (4) cerca del borde de tracción (2) una pluralidad de ranuras (7) que se extienden en la dirección de tracción están presentes como escotaduras, en donde las ranuras (7) o entalladuras (7) tienen una anchura de ranura de 4 mm a 8 mm y una distancia entre ranuras de 7 a 11 mm, de modo que los puentes que quedan tienen una anchura de 1 a 5 mm.