ES3055237T3

ES3055237T3 - Component with an integrated nickel diffusion layer

Info

Publication number: ES3055237T3
Application number: ES22758424T
Authority: ES
Inventors: Ali Solimani; Dennis Dutenhöfner
Original assignee: Kamax Holding GmbH and Co KG
Current assignee: Kamax Holding GmbH and Co KG
Priority date: 2021-07-20
Filing date: 2022-07-19
Publication date: 2026-02-10
Anticipated expiration: 2042-07-19
Also published as: EP4347909A1; US20250075360A1; WO2023001829A1; CN117651787A; PL4347909T3; EP4347909B1; DE102021118765A1; MX2024000833A

Abstract

La invención se refiere a un componente con una pieza (1) de acero, recubierta al menos parcialmente con una capa de difusión de níquel (10), cuyo espesor oscila entre 1 y 500 μm. La capa de difusión de níquel (10) presenta un contenido de níquel del 2 % en peso superior al del acero, referido al peso total de la capa, hasta una concentración máxima. El contenido de níquel en la capa de difusión de níquel (10) aumenta continuamente desde el 2 % en peso hasta la concentración máxima en dirección a la superficie (12) de la capa de difusión de níquel (10), con una concentración máxima del 20 % al 100 % en peso. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Pieza constructiva con una capa de difusión de níquel integrada

[0003] La invención se refiere a una pieza constructiva con una parte constituyente de acero, en la que la parte constituyente está revestida con una capa de difusión de níquel, en donde la pieza constructiva es un medio de fijación, tal como un tornillo o una tuerca.

[0004] Las piezas constructivas de metal, en particular las piezas constructivas altamente resistentes y de resistencia ultraelevada, son susceptibles a la fragilización por hidrógeno. La fragilización por hidrógeno se origina por la penetración de hidrógeno en la estructura metálica de las piezas constructivas y conduce a la formación de fisuras intercristalina en caso de solicitación de las piezas constructivas. Este fenómeno se denomina corrosión interna por fisuras inducida por hidrógeno.

[0005] El documento US 2016/0168657 A1 se refiere a un procedimiento para fabricar una chapa de acero con tratamiento superficial para contenedores de baterías, que comprende un primer procedimiento para fabricar una capa de recubrimiento de aleación de hierro y níquel en al menos un lado de la chapa de acero, un segundo procedimiento para formar una capa de recubrimiento de níquel sobre la capa de recubrimiento de aleación de hierro y níquel; y un tercer procedimiento para realizar un tratamiento térmico después de formar la capa de recubrimiento de níquel, para formar, mediante difusión térmica, una capa de aleación de hierro y níquel con una superficie más externa en la que el contenido de átomos de Fe sea del 12 al 55 % atómico en una capa más externa.

[0006] La presente invención se basa en el objetivo de reducir la tendencia a la corrosión interna por fisuras inducida por hidrógeno en piezas constructivas de acero, en donde la pieza constructiva es un medio de fijación.

[0007] Este objetivo se soluciona con un medio de fijación con una parte constituyente de acero de acuerdo con la reivindicación 1 y un uso de acuerdo con la reivindicación 8.

[0008] Otras características, formas de realización así como ventajas resultan de las reivindicaciones secundarias, de la descripción así como de las figuras.

[0009] Un aspecto de la invención puede referirse a una pieza constructiva con una parte constituyente de acero, en donde la pieza constructiva es un medio de fijación, en donde la parte constituyente de acero presenta y/o forma una zona roscada, en donde la parte constituyente está revestida al menos parcialmente, en particular en la zona roscada, con una capa de difusión de níquel, en donde el espesor de capa de la capa de difusión de níquel asciende a de 5 - 300 µm, en donde la capa de difusión de níquel presenta una proporción de níquel, con respecto al peso total de la capa de difusión de níquel, del 2 % en peso por encima de la proporción de níquel del acero hasta una concentración máxima, en donde la proporción de níquel en la capa de difusión de níquel aumenta en la dirección de la superficie de la capa de difusión de níquel continuamente desde el 2 % en peso por encima de la proporción de níquel del acero hasta la concentración máxima, y en donde la concentración máxima asciende a del 20 - 100 % en peso, en donde se mide el espesor de capa de la capa de difusión de níquel y la proporción de níquel de acuerdo con la descripción. El medio de fijación es convenientemente un tornillo, en particular un tornillo altamente resistente o incluso un tornillo de resistencia ultraelevada, o una tuerca, en particular una tuerca altamente resistente o incluso una tuerca de resistencia ultraelevada.

[0010] Se describe también un procedimiento para la fabricación de una pieza constructiva con una parte constituyente de acero, en donde la pieza constructiva es un medio de fijación, que comprende las etapas:

[0011] a) facilitar un medio de fijación con una parte constituyente de acero, en donde la parte constituyente (1) presenta y/o forma una zona roscada y/o zona de vástago,

[0012] b) aplicar una capa de níquel, que comprende • 30 % en peso de níquel, con respecto al peso total de la capa de níquel, sobre la parte constituyente de acero, en particular en la zona de rosca y/ zona de vástago, y a continuación c) calentar la parte constituyente y la capa de níquel durante al menos 10 minutos, preferentemente durante al menos 20 minutos, hasta de 750 a 950 °C, de manera que se produzca una capa de difusión de níquel sobre la parte constituyente de acero.

[0013] Otro aspecto de la invención se refiere al uso del medio de fijación de acuerdo con la invención para reducir una fragilización por hidrógeno.

[0014] Sorprendentemente, la capa de difusión de níquel de acuerdo con la invención sobre piezas constructivas de acero actúa como una barrera pronunciada contra la introducción de hidrógeno mediante difusión y eleva debido a ello la resistencia de las piezas constructivas contra la corrosión interna inducida por hidrógeno. El proceso de difusión y, por lo tanto, la formación de la capa de difusión de níquel también mejora la adhesión de la capa de níquel al acero, ya que la capa de níquel crece junto con el acero de la pieza constructiva. Precisamente en el caso de medios de fijación que generalmente presentan una tensión axial elevada y también con frecuencia dinámica, la prevención de la corrosión interna inducida por hidrógeno es especialmente ventajosa y deseable, ya que estos medios de fijación, que pueden ser tornillos o tuercas, por ejemplo, son esenciales para muchos módulos. Por ejemplo, la falla de un medio de fijación, en particular un tornillo altamente resistente o de resistencia ultraelevada, puede tener por tanto consecuencias drásticas para el hombre o la máquina, tal como por ejemplo un tornillo del cabezal del motor, un tornillo de puente, un tornillo de culata, un tornillo del chasis y/o un tornillo de fijación de la batería. En otras palabras, la invención también puede referirse a un vehículo, un motor, en particular una culata, una disposición de chasis o una disposición de batería con una pieza constructiva, en particular un medio de fijación, con la capa de difusión de níquel de acuerdo con la invención, o una estructura, en particular como un puente.

[0016] Para producir la capa de difusión de níquel, la parte constituyente de acero, por ejemplo un tornillo altamente resistente o de resistencia ultraelevada, se reviste con una capa de níquel. Para el revestimiento son adecuados todos los procedimientos conocidos en el estado de la técnica, en particular el revestimiento galvánico o el revestimiento mediante PVD (physical vapor deposition). Como alternativa o adicionalmente, el revestimiento puede realizarse preferentemente también mediante fusión por láser y/o deposición de metal por láser. En particular, estos procedimientos permiten un revestimiento especialmente rentable. Además, el revestimiento puede realizarse también mediante soldadura de capa, que también puede denominarse chapado, para lograr un revestimiento especialmente resistente mecánicamente.

[0018] En la siguiente etapa de calentamiento, el níquel se difunde en la red de hierro del acero y el hierro en la capa de níquel. Así se produce una capa de difusión de níquel que presenta un grosor mayor que la capa de níquel original. Además del hierro, cualquier componente de aleación del acero se difunde también naturalmente en la capa de níquel. La capa de difusión de níquel presenta un gradiente de concentración en el que la concentración de níquel aumenta continuamente en la dirección de la superficie de la capa de difusión de níquel. La concentración de hierro disminuye continuamente en la dirección de la superficie de la capa de difusión de níquel. Además, la concentración de cualquier componente de aleación del acero disminuye continuamente en la dirección de la superficie de la capa de difusión de níquel. En particular, la superficie es aquella área que delimita la capa de difusión de níquel de manera opuesta distalmente o alejándose de la parte constituyente de acero. Por lo tanto, la capa de difusión de níquel está delimitada en particular por la superficie de manera opuesta distalmente a la parte constituyente de acero. A este respecto, esta superficie puede estar incluso a su vez revestida y/o la superficie puede ser, por ejemplo, una superficie libre que no está revestida. En otras palabras, la superficie puede estar expuesta o puede estar cubierta por un revestimiento y/u mediante otra pieza constructiva. Por lo tanto, la superficie es, en particular, la zona o el área límite resultante en la que se encuentra la concentración máxima.

[0020] Por una parte constituyente de acero en el sentido de la invención puede entenderse en particular que al menos una parte de la pieza constructiva, o sea una zona de volumen, esté formada de acero. Se prefiere especialmente cuando el peso de la pieza constructiva está constituido en al menos el 80 %, preferentemente en al menos el 90 %, y especialmente muy preferentemente en al menos el 95 %, por acero o está formado por la parte constituyente de acero. Mediante esto, puede conseguirse una resistencia mecánica especialmente buena de la pieza constructiva, en particular del medio de fijación. Se prefiere especialmente, para aumentar la resistencia mecánica, cuando la parte constituyente de acero es de una sola pieza. Por "de una sola pieza" puede entenderse en particular que al menos la parte de una sola pieza se ha creado en un proceso de formación primaria y/o es continua.

[0022] La capa de difusión de níquel se define en el sentido de la invención como la zona de la parte constituyente de acero que presenta una proporción de níquel, con respecto al peso total de la capa de difusión de níquel, del 2 % en peso por encima de la proporción de níquel del acero hasta una concentración máxima, en donde la concentración máxima asciende a del 20 - 100 % en peso de níquel. Cuando, por ejemplo, el acero usado no contiene níquel, la capa de difusión de níquel es la capa que presenta una proporción de níquel del 2 % en peso hasta la concentración máxima de níquel. En la superficie de la capa de difusión de níquel puede encontrarse níquel puro, es decir la concentración máxima asciende entonces al 100 % en peso. En este caso, para un acero sin proporción de níquel, la concentración de níquel en la capa de difusión de níquel se encuentra entre el 2 y el 100 % en peso.

[0024] Cuando en el caso mencionado anteriormente, durante la difusión, el hierro se difunde hacia la superficie de la capa de níquel original, la concentración máxima se encuentra por debajo de la proporción de níquel original de la capa de níquel, por ejemplo por debajo del 100 % en peso, cuando se aplicó una capa de níquel pura. Por ejemplo, puede ser entonces el 98 % en peso. En este caso, la capa de difusión de níquel presenta una proporción de níquel del 2-98 % en peso.

[0026] Cuando el acero de la parte constituyente de la pieza constructiva es un acero aleado con una proporción de níquel de por ejemplo el 1 % en peso, entonces la proporción de níquel en la capa de difusión de níquel asciende a del 3 % en peso hasta la concentración máxima. Si la concentración máxima en la superficie es del 100 % en peso, por consiguiente se encuentra la proporción de níquel en la capa de difusión de níquel en del 3-100 % en peso. Para el caso de una difusión del hierro y/u otros componentes de aleación del sustrato o de la parte constituyente de acero hacia la superficie durante la etapa de calentamiento y de una concentración máxima resultante del 95 % en peso en la superficie de la capa de difusión de níquel, la proporción de níquel en la capa de difusión de níquel asciende en este caso a del 3-95 % en peso.

[0028] Por "revestida" con una capa de difusión de níquel se entiende en el sentido de la invención que la parte constituyente de acero presenta en el exterior en la sección transversal una capa de difusión de níquel. Esto significa, en particular, que la parte constituyente de acero está delimitada en al menos una dirección espacial por una capa firmemente adherida de material son forma, que es una capa de difusión de níquel. Es ventajoso que el recubrimiento pueda cumplir a este respecto la norma DIN 8580 - en particular en la versión vigente del 1 de mayo de 2021.

[0029] El espesor de capa de la capa de difusión de níquel depende entre otras cosas del espesor de la capa de níquel aplicada originalmente y de la duración y temperatura de la etapa de calentamiento. El espesor de la capa de difusión de níquel asciende de acuerdo con la invención a de 1 - 500 µm, preferentemente a de 3 - 300 µm, de manera especialmente preferente a de 5-150 µm, en particular a de 7 - 100 µm y lo más preferentemente a de 10-70 µm. Los espesores más bajos de las formas de realización preferidas de la capa de difusión de níquel son en particular ventajosos en el caso de piezas constructivas de presión de ajuste.

[0030] Se entiende que el "espesor de la capa" de la capa de níquel y la capa de difusión de níquel significa el espesor de capa medio, siempre que el lado superior o inferior presente irregularidades. Para ello, se toman al menos tres mediciones del espesor de capa, preferentemente de 6 a 8 mediciones, y se determina la media aritmética de los valores medidos.

[0031] La concentración máxima del níquel en la capa de difusión de níquel asciende a del 20 - 100 % en peso. Se prefiere del 40-100 % en peso, más preferentemente del 70-100 % en peso, de manera especialmente preferente del 70 - 99,5 % en peso, en particular del 80 - 99,2 % en peso y lo más preferentemente del 90 - 99,0 % en peso. Estas concentraciones máximas del níquel en la capa de difusión de níquel conducen a una configuración especialmente ventajosa con respecto a la fragilización por hidrógeno.

[0032] La proporción de níquel en la capa de difusión de níquel aumenta continuamente en la dirección de la superficie de la capa de difusión de níquel. El aumento se realiza a este respecto desde el 2 % en peso por encima de la proporción de níquel del acero hasta la concentración máxima, por ejemplo del 70 - 99,5 % en peso. Preferentemente, la proporción de níquel en la capa de difusión de níquel aumenta de manera perpendicular a la dirección de la superficie de la capa de difusión de níquel. Además se prefiere que la proporción de níquel en la capa de difusión de níquel aumente de manera perpendicular en la dirección de la superficie de la capa de difusión de níquel continuamente. Para adaptar adicionalmente la superficie de la pieza constructiva con una parte constituyente de acero al respectivo fin de uso, se prefiere que sobre la capa de difusión de níquel se haya aplicado otra capa, en particular seleccionada de capa de níquel, capa de protección contra la corrosión, capa de protección contra el desgaste y capa de deslizamiento. Se prefieren las capas de fosfato, las capas de zinc-níquel y las escamas de zinc, en particular si el componente es un medio de fijación, ventajosamente un tornillo o un perno. Estas capas son ventajosas en particular en términos de mejorar la estabilidad contra la corrosión y/o las propiedades de fricción.

[0033] Ventajosamente, la parte constituyente de acero está revestida con la capa de difusión de níquel en zonas con mayor efecto de entalle y/o zonas adyacentes a zonas con mayor efecto de entalle, en particular en zonas de una rosca, debajo de una cabeza, por ejemplo de un tornillo, muescas o ranuras. Las zonas con un mayor efecto de entalle son, en particular, zonas que presentan un factor de efecto de entalle de más de 1,1, preferentemente de más de 1,4, de manera especialmente preferente de más de 1,9 y especialmente muy preferentemente de más de 2,1. En un zona de una rosca, una ranura o debajo de una cabeza (de tornillo) o en la transición a la cabeza del tornillo, es por lo tanto ventajoso ver una zona con mayor efecto de entalle en el sentido de la invención. Debajo de una zona adyacente a una zona con mayor efecto de entalle, se puede ver a este respecto una zona que está distanciada como máximo 10 mm, preferentemente como máximo 5 mm y de manera especialmente preferente como máximo 2 mm, de la zona con mayor efecto de entalle. Como alternativa preferentemente puede encontrarse una zona adyacente a una zona con un mayor efecto de entalle también cuando ésta está distanciada como máximo un 10 %, preferentemente como máximo un 5 %, de manera especialmente preferente como máximo un 2 %, de la dimensión principal más grande de la parte constituyente de acero de la zona con un mayor efecto de entalle.

[0034] Una capa de níquel en el sentido de la presente invención es preferentemente una capa, cuya proporción de níquel, con respecto al peso total de la capa de níquel, es • 30 % en peso, más preferentemente • 50 % en peso, aún más preferentemente • 70 % en peso, en particular • 90 % en peso y lo más preferentemente el 100 % en peso.

[0035] La capa de níquel puede comprender una aleación de níquel, preferentemente una aleación de Ni-Co, de Ni-Mn y/o de Ni-Co-Mn. En estas capas de níquel, que se denominan también como capas de aleación de níquel, la proporción de níquel, con respecto al peso total de la capa, es • 30 % en peso, más preferentemente • 50 % en peso, aún más preferentemente • 70 % en peso.

[0036] El acero de la parte constituyente de la pieza constructiva puede ser un acero de alta aleación o un acero de baja aleación, en donde se prefiere un acero de baja aleación. Como alternativa o adicionalmente, el acero, en particular el acero de baja aleación, también puede ser un acero sin alear. En el sentido de la invención, por un acero de baja aleación se entiende un acero cuya proporción total de elementos de aleación no supera el 5 % en peso, en particular de los elementos de aleación Cr, Mo, V, Ni, Mn, Al, B y Ti, con respecto al peso total del acero. Bajo el término acero de baja aleación en el sentido de la invención se encuentra también aceros microaleados. En el sentido de la invención, un acero de alta aleación es un acero cuya proporción total de componentes de aleación es superior al 5 % en peso, en particular de los elementos de aleación Cr, Mo, V, Ni, Mn, Al, B y Ti, con respecto al peso total del acero. En el sentido de la invención, por un acero no aleado se entiende un acero que contiene hasta un 0,8 % en peso de carbono y menos de un 1 % en peso de manganeso, con respecto al peso total del acero.

[0038] En una forma de realización preferida de la invención, en el caso del acero de la parte constituyente de la pieza constructiva se trata de un acero de baja aleación con una proporción de níquel < 1 % en peso, con respecto al peso total de la parte constituyente de acero. Además, el acero es preferentemente un acero altamente resistente o de resistencia ultraelevada. La ventaja del acero de baja aleación es a este respecto que éste puede templarse especialmente bien y, al mismo tiempo, o como alternativa puede proporcionar un grado de resistencia particularmente alto, de modo que las ventajas conseguidas mediante la invención, en particular con respecto a la fragilización por hidrógeno, pueden realizarse especialmente bien en este caso.

[0040] En una forma de realización preferida de la invención, la estructura de la parte constituyente de acero en la pieza constructiva es al menos predominantemente martensítica, bainítica y/o bifásica (austenita residual, ferrita y/o martensita). Preferentemente, la estructura de la parte constituyente de acero en la pieza constructiva es al menos el 80 % en peso, en particular al menos el 90 % en peso martensítica, bainítica y/o bifásica (austenita residual, ferrita y/o martensita), en cada caso con respecto al peso total de la parte constituyente de acero. Estas estructuras confieren a la pieza constructiva de acuerdo con la invención una resistencia y tenacidad especialmente altas. Estas estructuras pueden estar expuestas a una tensión axial elevada y, a menudo, también dinámica, por lo que la reducción de la fragilización por hidrógeno es especialmente ventajosa para ellas. La estructura en la capa de difusión de níquel puede diferir de la estructura del resto de la parte constituyente de acero (el denominado material base). La distribución de elementos en la capa de difusión de níquel está caracterizada ventajosamente por una alta concentración de dos elementos, a saber, hierro y níquel. Dependiendo de la composición de la parte constituyente de acero, los otros elementos de aleación pueden estar presentes como elementos disueltos o como deposición intermetálica en la capa de difusión de níquel.

[0042] La pieza constructiva de acuerdo con la invención es preferentemente una pieza constructiva altamente resistente o de resistencia ultraelevada, en particular con resistencias por encima de 1000 MPa, preferentemente por encima de 1200 MPa, de manera especialmente preferente por encima de 1400 MPa y especialmente muy preferentemente por encima de 1600 MPa. Las piezas constructivas altamente resistentes y de resistencia ultraelevada preferidas son tornillos o medios de fijación, resortes, resortes de hoja, resortes de disco y accionamientos de cadena, piezas constructivas de formación y/o pieza constructiva estructural altamente resistentes y de resistencia ultraelevada. Además o como alternativa se prefiere la pieza constructiva de acuerdo con la invención, en particular la pieza constructiva altamente resistente y de resistencia ultraelevada, preferentemente una pieza constructiva soldada, una pieza constructiva fabricada de manera aditiva o una pieza constructiva endurecida por cementación. Precisamente en el caso de piezas constructivas soldadas, puede producirse un alto grado de fragilización por hidrógeno como resultado de la soldadura, por lo que la invención puede utilizarse especialmente bien en este caso. En el caso de una pieza constructiva endurecida por cementación, la pieza constructiva se endurece por cementación adicionalmente para la producción, en particular mediante carburación, nitruración o nitrocarburación. A continuación, la pieza constructiva se reviste entonces con níquel, como se describe en cuestión.

[0044] En particular, por una pieza constructiva conformada ha de entenderse una pieza constructiva que se ha conformado mediante una etapa de conformado, en particular un procedimiento de conformado en frío. Precisamente en el caso de una pieza constructiva conformada, en particular una pieza constructiva conformada en frío, es especialmente ventajoso evitar una fragilidad, en particular una fragilización por hidrógeno, porque ya existe un cierto grado de fragilidad en la pieza constructiva conformada debido a las deformaciones de proceso acumuladas. Una pieza constructiva estructural en el sentido de la invención se encuentra en particular cuando en el caso de la pieza constructiva se trata de una pieza constructiva que porta carga. En particular, esta pieza constructiva estructural dispone de dos secciones de introducción de carga, que ventajosamente presentan estructuras de introducción de carga, tal como por ejemplo escotaduras o aberturas de montaje, y una zona de transmisión dispuesta entre las secciones de introducción de carga, que puede transferir y/o transfiere una carga, en particular una carga de flexión y/o carga de tracción, de una sección de introducción de carga a la otra sección de introducción de carga. Ventajosamente, a este respecto al menos una, preferentemente todas las secciones de introducción de carga, y/o la zona de transmisión están equipadas con la capa de difusión de níquel de acuerdo con la invención. La formación de la pieza constructiva en el sentido de que el acero presente una resistencia de más de 1000 MPa, preferentemente superior a 1200 MPa, de manera especialmente preferente superior a 1400 MPa y especialmente muy preferentemente superior a 1600 MPa, es especialmente ventajosa, ya que la fragilización por hidrógeno se está volviendo cada vez más decisiva para estas clases de resistencia, de modo que la invención puede mostrar sus ventajas precisamente en estas resistencias.

[0046] Los elementos de fijación de acuerdo con la invención pueden ser, en particular, elementos de fijación por arrastre de fuerza, como tornillos, pernos o tuercas. Los medios de fijación por arrastre de fuerza se caracterizan en particular por el hecho de que tienen una sección roscada para sujetar o fijar, en particular con una rosca externa o una rosca interna. Por ejemplo, la sección de rosca puede ser por tanto una rosca externa o una rosca interna. Ventajosamente, esta sección roscada se inserta a este respecto en una parte constituyente del medio de fijación que es de acero. En otras palabras, la parte constituyente de acero puede presente una sección roscada, que puede estar revestida con la capa de difusión de níquel descrita anteriormente y a continuación. De manera conveniente en particular al menos tres, preferentemente al menos cinco, y de manera especialmente preferente todos los pasos de rosca, de la sección de rosca están revestidas con la capa de difusión de níquel. Ventajosamente, al menos los pasos de rosca de extremo distales son a este respecto aquellos pasos de rosca que están revestidas con la capa de difusión de níquel. Los pasos de rosca de extremo son a este respecto en particular los pasos de rosca que forman un extremo de la sección de rosca o forman las zonas de extremo de la sección de rosca o el fin de la rosca. Como alternativa o adicionalmente, la capa de difusión de níquel puede estar presente preferentemente en una zona de vástago. La zona de vástago es en particular una zona del medio de fijación que se encuentra entre la cabeza, en particular la cabeza de tornillo, y la sección de rosca del medio de fijación y uno estos entre sí mecánicamente. Preferentemente, la zona de vástago puede estar configurada sin rosca y/o puede estar configurada como una sección cilíndrica. El diámetro del vástago puede ser a este respecto mayor, menor o igual al diámetro de rosca en la sección de rosca. Al aplicar o formar una capa de difusión de níquel - como se ha descrito anteriormente y a continuación - en la zona de vástago, las propiedades mecánicas del medio de fijación pueden verse influenciadas positivamente de acuerdo con la invención. En el caso de los tornillos se trata ventajosamente de tornillos altamente resistentes o de resistencia ultraelevada.

[0047] La parte constituyente de acero en la pieza constructiva de acuerdo con la invención está revestida al menos parcialmente con una capa de difusión de níquel, es decir la parte constituyente está revestida parcial o completamente con una capa de difusión de níquel.

[0049] En una forma de realización especialmente preferida de la invención, la pieza constructiva es un tornillo altamente resistente o de resistencia ultraelevada. Por un tornillo altamente resistente se entiende un tornillo con una resistencia a la tracción de al menos 800 MPa. Los tornillos altamente resistentes son por ejemplo tornillos de las clases de resistencia 8.8, 10.9 y 12.9. En particular, las clases de resistencias de la invención se corresponden a este respecto con la norma ISO 898-1 en su versión válida en enero de 2021. Por un tornillo de resistencia ultraelevada se entiende un tornillo con una resistencia a la tracción en particular de al menos 1200 MPa y/o ventajosamente de 1400 MPa. Los tornillos de resistencia ultraelevada son por ejemplo tornillos de las clases de resistencia 12.8, 12.9, 14.8, 14.9, 15.8, 15.9, 16.8, 16.9, 17.8 y 12.8U, 12.9U, 14.8U, 14.9U, 15.8U, 15.9U, 16.8U, 17.8U. Un tornillo altamente resistente es un tornillo que es al menos altamente resistente, sin embargo puede ser también de resistencia ultraelevada. Preferentemente se trata de un tornillo altamente resistentes o de resistencia ultraelevada con una resistencia superior a 1000 MPa. De manera especialmente preferente, a este respecto la parte constituyente de la pieza constructiva o del tornillo, que presenta la capa de difusión de níquel, es el vástago y/o la zona roscada del tornillo, ya que precisamente aquí se producen fuertes cargas dinámicas en el funcionamiento del tornillo, que elevan la propensión del tornillo a la fragilización por hidrógeno, que puede impedirse o al menos claramente reducirse mediante la invención. El tornillo puede presentar a este respecto una cabeza con superficies de contacto de la herramienta, en donde estas superficies de contacto de la herramienta forman en particular un hexágono interior o un hexágono exterior entre sí. Se prefiere especialmente cuando todo el tornillo está revestido con la capa de difusión de níquel.

[0051] En una forma de realización preferida de la invención, la pieza constructiva con una parte constituyente de acero es un medio de fijación, en donde la parte constituyente presenta y/o forma una zona roscada y/o una zona de vástago, en donde la parte constituyente está revestida al menos parcialmente con una capa de difusión de níquel, en particular en la zona roscada y/o en la zona de vástago, en donde el espesor de capa de la capa de difusión de níquel asciende a 1 - 500 µm, en donde la capa de difusión de níquel presenta una proporción de níquel, con respecto al peso total de la capa de difusión de níquel, del 2 % en peso por encima de la proporción de níquel del acero hasta una concentración máxima, en donde la proporción de níquel en la capa de difusión de níquel aumenta en la dirección axial de la superficie la capa de difusión de níquel continuamente desde el 2 % en peso por encima de la proporción de níquel del acero hasta la concentración máxima y en donde la concentración máxima asciende a del 20 - 100 % en peso, preferentemente del 40 - 100 % en peso, preferentemente en donde el es un acero de baja aleación o un acero no aleado.

[0053] Como se describió anteriormente, el medio de fijación es preferentemente un medio de fijación altamente resistente o de resistencia ultraelevada, en particular un tornillo o tuerca.

[0055] Se describe también un procedimiento para la fabricación de la pieza constructiva de acuerdo con la invención. El procedimiento de acuerdo con la invención comprende las etapas:

[0057] a) facilitar una pieza constructiva, en donde la pieza constructiva es un medio de fijación, con una parte constituyente de acero,

[0058] b) aplicar una capa de níquel, que comprende • 30 % en peso de níquel, con respecto al peso total de la capa de níquel, sobre la parte constituyente de acero, y

[0059] c) calentar la parte constituyente y la capa de níquel durante al menos al menos 20 minutos hasta de 750 a 950 °C, de manera que se produzca una capa de difusión de níquel sobre la parte constituyente de acero.

[0061] Las etapas mencionadas anteriormente a), b) y c) se realizan en este orden. Tal como se ha descrito anteriormente, el espesor de capa de la capa de difusión de níquel depende entre otras cosas del espesor de la capa de níquel aplicada originalmente y de la duración y temperatura de la etapa de calentamiento. La capa de níquel aplicada en la etapa b) tiene preferentemente un espesor de 0,1 - 100 micrómetros (µm), más preferentemente de 0,5 - 80 µm, aún más preferentemente de 1 - 50 µm, de manera especialmente preferente de 1,5 - 30 µm, en particular de 2,5-15 µm. Preferentemente se calienta en la etapa de calentamiento durante al menos 10 minutos, preferentemente al menos 15 minutos y de manera especialmente preferente durante al menos 20 minutos. Además, se prefiere que el calentamiento tenga lugar durante 10 - 600 minutos, de manera especialmente preferente durante 15 - 400 minutos y lo más preferentemente durante 20-180 minutos. El calentamiento se realiza hasta 750 - 950 °C durante los períodos especificados, preferentemente hasta 800 - 950 °C, de manera especialmente preferente hasta 820 - 920 °C, en particular hasta 830 - 900 °C. De esta forma, se consigue una ventajosa interdifusión entre el hierro y el níquel para formar la capa de difusión de níquel, que contrarresta la fragilización por hidrógeno.

[0062] Después de la etapa de calentamiento c), pueden seguir otras etapas, en particular una etapa de mejora del acero d). Sin embargo, como alternativa o adicionalmente, la etapa de mejora del acero puede realizarse también durante y/o al mismo tiempo o junto con la etapa de calentamiento c). En otras palabras, la mejora del acero y el calentamiento pueden realizarse juntos en una etapa. Esto permite crear la capa de difusión de níquel de forma especialmente rápida y rentable, en particular en el caso del acero de baja aleación. Por ejemplo, puede realizarse un temple y revenido martensítico (preferentemente mediante enfriamiento brusco en aceite, aire y/o agua) o una bainitización (preferentemente en baño de sal). Un temple y revenido martensítico o una bainitización se realizan en las condiciones habituales.

[0063] Por consiguiente, la etapa de calentamiento c) puede ser una etapa de calentamiento realizada por separado, por ejemplo, en un horno, o la etapa de calentamiento puede tener lugar durante la etapa de temple y revenido de la pieza constructiva, por ejemplo, durante la austenización del acero. Preferentemente, la etapa de calentamiento tiene lugar durante el temple y revenido de la pieza constructiva.

[0064] Se describe también un procedimiento para la fabricación de una pieza constructiva comprende las etapas:

[0065] a) facilitar una pieza constructiva con una parte constituyente de acero, en donde la pieza constructiva es un medio de fijación y la parte constituyente presenta y/o forma una zona roscada y/o zona de vástago,

[0066] en donde el acero es un acero de baja aleación o un acero no aleado,

[0067] b) aplicar una capa de níquel, que comprende del 40 - 100 % en peso de níquel, con respecto al peso total de la capa de níquel, sobre la parte constituyente de acero, en particular en la zona roscada y/o zona de vástago, y c) calentar la parte constituyente y la capa de níquel durante al menos 10 minutos, preferentemente al menos 20 minutos, hasta de 750 a 950 °C, de manera que se produzca una capa de difusión de níquel sobre la parte constituyente de acero.

[0068] En el procedimiento, las características preferidas y particularmente preferidas de la pieza constructiva son igualmente preferidas y particularmente preferidas.

[0069] La invención también se refiere al uso del medio de fijación de acuerdo con la invención para evitar o reducir la fragilización por hidrógeno. El uso comprende preferentemente el uso de las piezas constructivas preferidas descritas para evitar o reducir la fragilización por hidrógeno, por ejemplo de un medio de fijación con una zona roscada. Esto se refiere en particular a la reducción o evitación de la fragilización por hidrógeno en la pieza constructiva mediante hidrógeno que puede penetrar desde el exterior, por ejemplo, durante el uso previsto de la pieza constructiva. Este puede ser el caso, por ejemplo, cuando se utiliza la pieza constructiva de acuerdo con la invención, por ejemplo un medio de fijación, en un entorno corrosivo. La capa de difusión de níquel de acuerdo con la invención protege entonces de manera especialmente eficaz la pieza constructiva frente a una fragilización por hidrógeno, reduciendo o impidiendo la penetración del hidrógeno en la pieza constructiva.

[0070] Una forma de realización preferida de la invención se refiere al uso del medio de fijación de acuerdo con la invención, en una disposición de batería o una pila de combustible. En las baterías o pilas de combustible se produce a menudo una cantidad relativamente grande de hidrógeno y en este caso la capa de difusión de níquel de acuerdo con la invención puede evitar la fragilización por hidrógeno con ventaja especial.

[0071] La invención también se refiere a una disposición de batería y/o pila de combustible, que comprende un medio de fijación de acuerdo con la invención, en particular un medio de fijación de acuerdo con la invención. En este caso, las ventajas descritas anteriormente de evitar la fragilización por hidrógeno se logran de manera especialmente eficaz debido a las cantidades relativamente altas de hidrógeno que se producen en las disposiciones de batería o pilas de combustible.

[0072] Las configuraciones ventajosas del procedimiento descritas anteriormente también son ventajosas para este procedimiento preferido, en particular los espesores de capa, temperaturas, tiempos de calentamiento y/o piezas constructivas preferidos y especialmente preferidos mencionados, etc.

[0073] Antes de la etapa de calentamiento c), la estructura de la parte constituyente de acero puede ser ferrítica, ferríticoperlítica, bainítica, recocida GKZ o una estructura mixta. Después de la etapa de temple y revenido d), la estructura de la parte constituyente puede ser martensítica, bainítica o ferrítico-martensítica o de doble fase (austenita residual, ferrita y/o martensita) en una forma de realización preferida.

[0074] Se entiende que las características mencionadas anteriormente y las que se explicarán a continuación pueden ser utilizadas no sólo en las combinaciones indicadas, sino también en otras combinaciones o de forma aislada, sin salir del alcance de la presente invención. Las ventajas de las características o combinaciones de varias características mencionadas son únicamente ilustrativas y pueden ser efectivas de forma alternativa o acumulativa. La combinación de características de diferentes formas de realización de la invención o de características de diferentes reivindicaciones es posible desviándose de las referencias seleccionadas de las reivindicaciones.

[0075] El ejemplo siguiente explica adicionalmente la invención.

[0076] Método de medición para la determinación del espesor de capa:

[0077] El espesor de capa de la capa de níquel se mide preferentemente con un micrómetro, por ejemplo, con ayuda del procedimiento de acuerdo con la norma ASTM C664-10 (en la versión como se publicó en 2020, método de prueba A). Para ello, el espesor de la pieza constructiva se mide esencialmente antes y después del revestimiento, y la diferencia da como resultado el espesor de capa.

[0078] El espesor de la capa de difusión de níquel puede determinarse midiéndose inicialmente el espesor de la pieza constructiva, después del revestimiento con la capa de níquel y la formación de la capa de difusión de níquel mediante la etapa de calentamiento. A continuación, se elimina la capa de difusión de níquel, por ejemplo, mediante pulido y se analiza la composición del material, por ejemplo, mediante el análisis químico del material eliminado o el análisis químico del material de superficie restante. Por ejemplo, pueden usarse procedimientos químicos en húmedo o la microscopía de fuerza atómica (AFM) como métodos de análisis. El material se elimina siempre que el material eliminado presente una proporción de níquel de al menos el 2 % en peso por encima de la proporción de níquel del acero, con respecto al peso total de la capa de difusión de níquel. Después de retirar la capa de difusión de níquel, la proporción de níquel del acero sobre la superficie de la pieza constructiva está escasamente por debajo del 2 % en peso por encima de la proporción de níquel del acero y se mide de nuevo el espesor de la pieza constructiva con un micrómetro. De la diferencia resulta el espesor de la capa de difusión de níquel.

[0079] Como alternativa puede determinarse el espesor de capa de la capa de difusión de níquel con ayuda del procedimiento de acuerdo con la norma ASTM C664-10 (en la versión como se publicó en 2020, método de prueba B). Para ello, el espesor de la capa se determina esencialmente en la sección transversal con la ayuda de un microscopio óptico. Además, es posible determinar el espesor de capa de la capa de difusión de níquel en la sección transversal con ayuda de espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS, EDX, EDXS o XEDS).

[0080] Ejemplo:

[0081] Producción de una capa de difusión de níquel e influencia sobre la corrosión interna por fisuras inducida por hidrógeno La fabricación de una pieza constructiva con capa de difusión de níquel se realiza mediante la fabricación de la pieza constructiva a partir del material de sustrato acero por medio de conformación masiva en frío axial. El material de partida se alimenta a este respecto en la máquina de conformación en forma de una bobina de alambre. El producto conformado tiene la geometría de un tornillo. A continuación de esto se realiza una purificación en una solución de hidróxido de sodio y HCl inhibido para eliminar el lubricante (fosfato) necesario para la conformación, para que se evite la difusión del fósforo en el sustrato durante el tratamiento térmico posterior. Se realiza una activación de la superficie por medio de ácido sulfúrico al 10 %. A continuación se aplica una capa de níquel mediante deposición galvánica con ayuda de un baño de níquel habitual (55 °C durante 15 min, densidad de corriente 0,8 - 1 A/dm<2>). Se genera una capa de Ni de 2-3 µm (determinación de acuerdo con el método descrito anteriormente). Después se realiza un lavado con agua desionizada y un secado.

[0082] Delante de la capa de níquel, también se puede aplicar adicionalmente una capa de níquel de <1 •m de espesor para una mejor adhesión, por ejemplo, en el denominado procedimiento de golpe de Ni.

[0083] Después de la aplicación del revestimiento, la pieza constructiva se austeniza a una temperatura de 850 °C durante 30 min en una atmósfera de gas protector para la mejora del acero. Durante este tiempo se produce la interdifusión del níquel en el material de sustrato y a la inversa. Se forma una zona que presenta un gradiente de la concentración del níquel. Para ajustar la estructura deseada y las propiedades mecánicas de la pieza constructiva se realiza un enfriamiento brusco inmediatamente después de la austenización. Durante el proceso de enfriamiento brusco, se ajusta una microestructura adecuada. Dentro de la capa de difusión, el material producido se convierte de acuerdo con su concentración de Ni presente localmente. La pieza constructiva resultante dispone de una resistencia a la tracción de 1600 MPa - 1650 MPa.

[0084] Evaluación experimental de la influencia de la capa de difusión de níquel sobre la corrosión interna por fisuras inducida por hidrógeno:

[0085] El fenómeno de la corrosión interna por fisuras inducida por hidrógeno en materiales de acero de resistencia más elevada generalmente requiere tres factores de influencia externos. Estos son:

[0086] 1. Material con una propensión a corrosión interna por fisuras inducida por hidrógeno

[0087] 2. Altas tensiones a la tracción o de flexión mecánicas en la pieza constructiva

[0088] 3. Oferta de hidrógeno en el entorno

[0089] Por lo tanto, para la evaluación del comportamiento del material con respecto a la corrosión interna por fisuras inducida por hidrógeno, es adecuada una estructura de prueba en la que los otros dos factores se ilustran de manera reproducible. Por lo tanto, para la evaluación se utiliza la estructura de prueba según la norma DIN EN ISO 7539-7. En este sentido, la evaluación de acuerdo con la norma DIN EN ISO 7539-7 capítulo 7.3 según "Integral de la curva de tensión nominal/deformación" ha demostrado ser especialmente precisa. En cualquier caso, el sistema que consta de los factores de influencia mencionados anteriormente en el estado sin oferta de hidrógeno en el entorno siempre se compara con el sistema con oferta de hidrógeno en el entorno para su caracterización. Después de evaluar el valor característico de la "integral de la curva de tensión nominal/deformación", se obtiene un valor para toda la energía de deformación absorbida por la pieza constructiva para cada uno de los dos estados. Por medio de la fórmula

[0090] HE = 1 •<W••(Energía de deformación con carga de H)>

[0091] <W••(Energía de deformación sin carga de H)>

[0092] se determina el denominado valor HE a partir de las dos energías de deformación determinadas. El valor de HE puede encontrarse entre 0 y 1. A este respecto, un valor de HE=0 significa ninguna influencia en las propiedades del material, mientras que HE=1 significa el fallo por hidrógeno sin carga (este último es un valor extremo teórico y no es posible en la realidad). Las integrales de la curva de tensión nominal/alargamiento para W<Bh>y W<Bu>están mostradas esquemáticamente en la figura 2 para las piezas constructivas de tornillos mencionadas anteriormente.

[0093] Material necesario para la realización de la prueba:

[0094] 1. Piezas constructivas en el estado a someter a prueba

[0095] 2. HCl al 37 %

[0096] 3. Agua desionizada

[0097] 4. Máquina de prueba de tracción/compresión instrumentada

[0098] La realización del ensayo para la caracterización de tornillos con capa de difusión de níquel integrada se realiza determinándose el valor de referencia sin carga de hidrógeno W<Bu>. Esto se determina mediante el valor promedio de tres probetas con una velocidad de alargamiento de 0,00671/s en la máquina de prueba de tracción/compresión instrumentada. Pudo determinarse W<Bu>=268 J.

[0099] Para determinar la energía de deformación bajo la influencia del hidrógeno W<Bh>se almacenaron tres muestras de un lote de producción idéntico al anterior en HCl al 37 % durante 10 min con el fin de introducir hidrógeno a través de la reacción parcial catódica de corrosión ácida. Inmediatamente después, las muestras tratadas de esta manera se sometieron a prueba con una velocidad de alargamiento de 0,02 mm/min (duración total del ensayo 4 h) en la máquina de prueba de tracción/compresión instrumentada, para determinar W<Bh>. Pudo determinarse W<Bh>= 246 J.

[0100] En general, por lo tanto, se determinó una susceptibilidad a la corrosión interna por fisuras inducida por hidrógeno de HE=0,08.

[0101] En las figuras 2 y 3 se muestra la comparación entre las piezas constructivas conocidas y la pieza constructiva de acuerdo con la invención con una capa de difusión de níquel integrada.

[0102] Otras ventajas y características de la presente invención resultan de la siguiente descripción con referencia a las figuras. Las características individuales de las formas de realización mostradas también se pueden utilizar a este respecto en otras formas de realización, siempre que esto no se excluya de manera expresa. Muestra:

[0103] Figura 1 una pieza constructiva de acuerdo con la invención;

[0104] Figura 2 un diagrama de tracción-alargamiento con un dispositivo de acuerdo con la invención; y

[0105] Figura 3 un diagrama de tracción-alargamiento con un dispositivo no de acuerdo con la invención;

[0106] En laFigura 1se muestra una pieza constructiva de acuerdo con la invención. La pieza constructiva dispone de una parte constituyente 1 de acero. La pieza constructiva puede ser a este respecto en particular un medio de fijación o un resorte. La parte constituyente 1 está revestida al menos parcialmente con una capa de difusión de níquel 10, en donde el espesor de capa de la capa de difusión de níquel asciende a de 1 a 500 µm. La flecha en la capa de difusión de níquel 10 de la figura 1 indica a este respecto la disminución de la concentración del níquel en la capa de difusión de níquel 10 así como la dirección de espesor en la que puede determinarse en particular el espesor de la capa de difusión de níquel 10. La capa de difusión de níquel está delimitada a este respecto por la superficie 12 de manera opuesta distalmente a la parte constituyente 1 de acero. A este respecto, esta superficie 12 puede estar incluso a su vez revestida.

[0107] En laFigura 2se muestra un diagrama de tracción-alargamiento, que ha resultado en caso de un producto de acuerdo con la invención o bien ha resultado en caso de un dispositivo de acuerdo con la invención. En el diagrama está representado a este respecto la tensión nominal - en la figura 2 indicada en MPa - frente al alargamiento (%). A partir de este diagrama de tracción-alargamiento puede determinarse el valor HE o bien puede determinarse la energía de deformación (específica) absorbida.

[0108] El valor HE se calcula a este respecto según la fórmula:

[0111]

[0113] El valor W<Bh>es a este respecto la energía de deformación (específica) absorbida de la pieza constructiva, en donde la pieza constructiva se ha tratado con hidrógeno. El valor W<Bu>es por el contrario a este respecto la energía de deformación absorbida, en donde la pieza constructiva no se trató con hidrógeno. Como puede deducirse esquemáticamente de la figura 2, la energía de deformación absorbida de la pieza constructiva tratada con hidrógeno es solo ligeramente menor que la energía absorbida de la pieza constructiva que no se trató con hidrógeno. En otras palabras, ha habido poca o ninguna fragilidad causada por el hidrógeno.

[0114] En laFigura 3se muestra otro diagrama de tracción-alargamiento de un ensayo, en donde las piezas constructivas usadas para el ensayo no se correspondían con la invención. Como puede deducirse de la figura 3, la energía plástica absorbida por la pieza constructiva tratada con hidrógeno es claramente más baja que aquella de la pieza constructiva que no se trató con hidrógeno. En los diagramas mostrados en las figuras 2 y 3, la rotura de la pieza constructiva con tratamiento de hidrógeno o el fallo está caracterizada en cada caso con una estrella. La rotura de la pieza constructiva, que no se trató con hidrógeno está caracterizada en cada caso con una cruz. En las figuras 2 y 3 se han usado a este respecto las mismas escalas, para permitir una comparación.

Claims

1. REIVINDICACIONES

1. Pieza constructiva con una parte integrante (1) de acero,

en donde la pieza constructiva es un medio de fijación,

en donde la parte integrante (1) presenta y/o forma una zona roscada y/o una zona de vástago,

en donde la parte integrante (1) está revestida al menos parcialmente, en particular en la zona roscada y/o en la zona de vástago, con una capa de difusión de níquel (10),

en donde el espesor de capa de la capa de difusión de níquel (10) asciende a de 5 - 300 µm,

en donde la capa de difusión de níquel (10) presenta una proporción de níquel, con respecto al peso total de la capa de difusión de níquel, del 2 % en peso por encima de la proporción de níquel del acero hasta una concentración máxima,

en donde la proporción de níquel en la capa de difusión de níquel (10) aumenta en la dirección de la superficie (12) de la capa de difusión de níquel (10) de manera continua desde el 2 % en peso por encima de la proporción de níquel del acero hasta una concentración máxima, y en donde la concentración máxima asciende a del 20 - 100 % en peso, en donde se mide el espesor de capa de la capa de difusión de níquel (10) y la proporción de níquel de acuerdo con la presente descripción.

2. Pieza constructiva según la reivindicación 1,caracterizada por quela concentración máxima asciende a del 70 -99,5 % en peso, preferentemente a del 80 - 99,2 % en peso.

3. Pieza constructiva según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizada por quela proporción de níquel en la capa de difusión de níquel (10) aumenta perpendicularmente en la dirección de la superficie (12) de la capa de difusión de níquel (10).

4. Pieza constructiva según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizada por quesobre la capa de difusión de níquel (10) se ha aplicado otra capa, seleccionada de capa de níquel, que comprende • 90 % en peso de níquel con respecto al peso total de la capa de níquel, capa de protección contra la corrosión, capa de protección contra el desgaste y capa de deslizamiento.

5. Pieza constructiva según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizada por queel acero es un acero de baja aleación, un acero de microaleación o un acero no aleado.

6. Pieza constructiva según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizada porque la pieza constructiva se selecciona del grupo que está formado por piezas constructivas altamente resistentes y de resistencia ultraelevada, piezas constructivas soldadas, piezas constructivas fabricadas de manera aditiva, piezas constructivas conformadas y/o piezas constructivas endurecidas por cementación.

7. Pieza constructiva según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizada por quela pieza constructiva es una pieza constructiva altamente resistente o de resistencia ultraelevada, seleccionada del grupo que está constituido por tornillos, resortes, resortes de hoja, resortes de disco y accionamientos de cadena.

8. Uso de una pieza constructiva de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7 para la reducción de la fragilización por hidrógeno, en particular el uso en una disposición de baterías y/o en una pila de combustible.

9. Disposición de baterías o pila de combustible, que comprenden un medio de fijación, de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7.