ES3075136T3 - Method for improving the formability of steel blanks - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un método para mejorar la conformabilidad de piezas en bruto de acero 1, para aceros que contienen al menos un 5 % de martensita, y posiblemente algo de ferrita, bainita y austenita residual, y que tienen una resistencia a la tracción máxima de al menos 500 MPa y posiblemente una capa de recubrimiento metálico 14 en al menos un lado, en el que la pieza en bruto de acero 1 se somete a un tratamiento térmico en al menos parte de su espesor periférico 6 utilizando al menos una fuente de calor 16, que calienta el acero en una zona tratada térmicamente a una temperatura entre 400 °C y 1500 °C sin fundir el acero en ningún punto de dicha zona tratada térmicamente 22. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Procedimiento para mejorar la conformabilidad de piezas brutas de acero

[0003] ANTECEDENTES

[0004] La invención se refiere a un procedimiento para mejorar la conformabilidad de aceros de alta resistencia (High Strength Steel, HSS).

[0005] Los HSS tienen una resistencia máxima a la tracción superior a 500 MPa y contienen al menos un 5 % de martensita, el resto que consiste en una combinación de otras fases tales como ferrita, bainita o austenita residual. Debido a que ofrecen la posibilidad de mejorar la eficiencia de combustible y la resistencia a impactos de los vehículos, su uso en la industria automovilística, entre otras, aumenta de manera constante.

[0006] Las piezas de HSS se obtienen mediante el conformado de una pieza bruta de acero, por ejemplo, mediante estampación, plegado o perfilado por rodillos de dicha pieza bruta de acero. Debido al gradiente de dureza muy elevado entre las distintas fases que contienen, los HSS son particularmente sensibles a la formación de grietas durante el conformado. Más en particular, los HSS son muy sensibles a la formación de grietas que se inician en el borde de la pieza bruta y que a continuación pueden propagarse al interior de la pieza final, haciendo que la pieza resulte inadecuada para su uso. De hecho, el borde cortado de una pieza bruta combina dos condiciones mecánicas críticas que lo hacen particularmente sensible a la formación de grietas durante la deformación. La primera condición es la distribución de deformación en los bordes cortados, que es una distribución de deformación plana, considerada la más crítica para el conformado y, por tanto, la más susceptible a la formación de grietas. La segunda condición es el endurecimiento del borde inducido por el proceso de corte de la pieza bruta antes de su conformado. Por ejemplo, cuando se usa un corte mecánico, la acción de corte es en realidad una combinación de cizallamiento y desgarro del material de acero, lo que induce una cantidad significativa de tensiones internas y, por tanto, de endurecimiento por deformación del material en el borde y la periferia de la pieza bruta. Por consiguiente, el material de acero en esta zona ya ha perdido parte de su ductilidad y parte de su capacidad para absorber las tensiones inducidas por la etapa de conformado mediante deformación en lugar de mediante la formación de grietas. Por estas razones, el material situado en el borde y la periferia de una pieza bruta de acero es particularmente propenso a la formación de grietas durante la etapa de conformado.

[0007] La sensibilidad de una pieza bruta de acero a la formación de grietas en el borde durante el conformado puede medirse mediante el ensayo de expansión de agujero, definido por el procedimiento de ensayo de la norma ISO 16630:2017. Dicho ensayo mide una relación de expansión de agujero, que es la relación entre el diámetro de un agujero deformado mediante un punzón en el momento de aparición de grietas en el borde del agujero durante la deformación y el diámetro inicial de dicho agujero antes de la deformación.

[0008] Cuando se enfrenta a problemas de grietas en los bordes de una pieza, el fabricante de la pieza puede optar por mejorar la calidad del borde de las piezas brutas cortadas, ajustar la holgura de la herramienta de corte, modificar el diseño de la pieza, modificar la forma de la pieza bruta o cambiar el proceso de conformado. Sin embargo, no siempre es industrialmente factible realizar estas modificaciones y, en cualquier caso, el problema de las grietas en los bordes puede persistir después de haber explorado estas opciones. La única posibilidad restante consiste, entonces, en cepillar mecánicamente el lateral de las piezas brutas en la zona donde se produce la formación de grietas. Al aliviar las tensiones en el borde y la periferia de las piezas inducidas por el proceso de corte de la pieza bruta, el cepillado mecánico puede efectivamente resolver los problemas de grietas en los bordes. Sin embargo, introduce una etapa de postratamiento costosa después de la operación de troquelado.

[0009] Una alternativa consiste en modificar localmente las propiedades del acero en la zona de las piezas brutas donde se producen grietas después del conformado. Se han publicado varias invenciones que proporcionan procedimientos para modificar localmente las propiedades del acero usando una fuente de calor. Por ejemplo, el documento US2015075678 describe un procedimiento para mejorar la conformabilidad de piezas brutas de acero irradiando la superficie con un haz láser. El documento JP0987737 describe un procedimiento para ablandar localmente piezas brutas de acero de alta resistencia calentando la superficie del acero mediante un arco o un haz láser.

[0010] En el documento US-A 2017/008059, en el documento WO-A 2013013305 y en el documento de G. Bergweiler y col. " Improvement of formability and performance of coated ultra-high-strength steels by local heat treatment using a high power diode laser", Proceedings: 2nd International Conference super-high-strength steels, 1 de enero de 2010, Milán, Italia, ISBN: 978-88-85298-79-8, se describen procedimientos similares para el tratamiento térmico de piezas brutas de chapa revestida destinadas a la industria automovilística.

[0011] [0008]Sin embargo, existen varias limitaciones asociadas al tratamiento térmico de la superficie de las piezas brutas de acero. En primer lugar, el proceso tiene una baja productividad porque solo puede realizarse sobre una pieza bruta cada vez. Además, cuando se tratan piezas brutas de acero revestidas metálicamente, la elevada temperatura alcanzada en la superficie de las piezas brutas provocará una evaporación significativa o total del revestimiento. Las piezas brutas tratadas no se beneficiarán de las funciones normalmente proporcionadas por el revestimiento, por ejemplo, la protección frente a la corrosión o la capacidad para ser pintadas.

[0012] Para resolver estos problemas, un primer objeto de la invención se describe en la reivindicación 1. Este objeto implica tratar térmicamente la pieza bruta en al menos parte de su espesor mediante al menos una fuente de calor aplicada al espesor de la pieza bruta, que calienta el acero a una temperatura entre 400 °C y 1500 °C sin fundir ningún punto de dicha pieza bruta.

[0013] El calentamiento de la pieza bruta de acero en al menos parte de su espesor crea una zona tratada térmicamente en al menos parte del borde y de la periferia de la pieza bruta de acero. La energía térmica aplicada en la zona tratada térmicamente tiene el efecto de aliviar las tensiones internas procedentes del proceso de corte y, por tanto, tiene el efecto de aumentar la ductilidad del acero en la zona tratada térmicamente, reduciendo de este modo su sensibilidad a la formación de grietas. Además, debido al efecto de la energía térmica, la microestructura del acero en la zona tratada térmicamente también puede modificarse favorablemente para ablandar el acero en la zona tratada térmicamente, contribuyendo de este modo adicionalmente al aumento de la ductilidad del acero en la zona tratada térmicamente y reduciendo aún más su sensibilidad a la formación de grietas.

[0014] En el caso de una pieza bruta de acero revestida, gracias a que el tratamiento térmico se aplica al espesor de la pieza bruta de acero, el impacto del tratamiento térmico sobre la capa de revestimiento de la pieza bruta de acero se reduce significativamente en comparación con el impacto de un tratamiento térmico que se aplicaría directamente sobre la superficie de la pieza bruta de acero. Además, debido a que el acero generalmente absorbe energía de manera más eficiente que los revestimientos metálicos, que son muy brillantes y, por tanto, reflejan una gran cantidad de la energía que reciben, la eficiencia térmica del tratamiento térmico mejora cuando este se aplica al espesor de la chapa de acero, que está constituido principalmente por acero, en lugar de aplicarse sobre la superficie, que está constituida únicamente por el revestimiento metálico.

[0015] Como se mostrará en los ejemplos que siguen a la descripción, se ha demostrado que la presente invención proporciona resultados muy satisfactorios en términos de mejora de las grietas en los bordes, sin comprometer la función estructural global de la pieza, sin evaporar más del 30 % del revestimiento en el caso de piezas brutas revestidas metálicamente y sin afectar adicionalmente a los procesos posteriores al conformado.

[0016] La presente invención también presenta un interés industrial particular en términos de productividad, al ofrecer, por ejemplo, la posibilidad de tratar simultáneamente un gran número de piezas brutas apiladas en una pila. También permite el uso de diferentes tipos de fuentes de calor y puede integrarse en diferentes configuraciones industriales, lo que la hace muy versátil y flexible según las necesidades específicas del usuario.

[0017] El procedimiento según la invención también puede comprender las características de las reivindicaciones 2 a 12.

[0018] Otro objeto de la invención es una pieza bruta de acero que puede obtenerse usando el procedimiento según la invención, como se describe en las reivindicaciones 13 a 15.

[0019] Otras características y ventajas de la invención aparecerán a través de la descripción detallada que sigue, dada únicamente a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos:

[0020] -la Figura 1 es una vista en perspectiva de una única pieza bruta a la que se aplica el procedimiento usando una única fuente de calor estática,

[0021] -la Figura 2 es una vista en sección transversal a lo largo del eje II-II de la Figura 1,

[0022] -la Figura 3 es una vista en perspectiva de una pila de piezas brutas a la que se aplica el procedimiento usando como fuente de calor un haz láser desenfocado móvil emitido por un cabezal láser montado sobre un robot industrial,-la Figura 4 es una vista en perspectiva de una pila de piezas brutas a la que se aplica el procedimiento usando varias fuentes de calor móviles,

[0023] -la Figura 5 es una vista en perspectiva de una pila de piezas brutas a la que se aplica el procedimiento usando una matriz de tubos infrarrojos estáticos aplicada a una pila estática de piezas brutas.

[0024] En una primera etapa del procedimiento, se proporciona una pieza bruta de acero 1.

[0025] La pieza bruta de acero 1 se obtiene mediante una etapa de troquelado, que tiene lugar antes del procedimiento de la presente invención y que, por tanto, no forma parte de la presente invención. Durante la etapa de troquelado, el material de acero, proporcionado, por ejemplo, en forma de bobina de acero, se corta para obtener piezas brutas de acero 1 en una línea de troquelado. La tecnología más común y económica usada actualmente en la industria es el corte mecánico. Otras tecnologías incluyen el corte por láser o el corte por agua a alta presión.

[0026] [0019]Haciendo referencia a la Figura 1, el volumen de la pieza bruta de acero 1 está comprendido entre dos superficies principales, una cara superior 2 y una cara inferior 4, situada en el lado opuesto a dicha cara superior 2. En la descripción siguiente, el espesor periférico 6 de la pieza bruta de acero se refiere a la superficie que se extiende alrededor del contorno de la pieza bruta de acero 1 y que une las líneas formadas por el borde exterior superior 8 de dicha cara superior 2 y el borde exterior inferior 10 de dicha cara inferior 4. El espesor t de la pieza bruta de acero 1 se refiere a la distancia que separa la cara superior 2 de la cara inferior 4.

[0027] El espesor t de la pieza bruta puede ser constante en toda la pieza bruta de acero 1 o puede variar, por ejemplo, en el caso de una pieza bruta soldada a medida, que comprende, por ejemplo, varias piezas brutas de acero 1 con diferentes grosores t de pieza bruta, que se han soldado entre sí a lo largo de una porción de sus respectivos grosores periféricos 6, o por ejemplo, en el caso de una pieza bruta laminada a medida, que comprende dentro de una misma pieza bruta de acero 1 varias porciones, teniendo cada una un espesor t de pieza bruta diferente.

[0028] En una realización particular, la pieza bruta de acero 1 tiene, por ejemplo, una forma paralelepipédica y un espesor t de pieza bruta constante, como se representa en la Figura 1. En este caso, los bordes exteriores superior e inferior 8 y 10 forman ambos rectángulos. El espesor periférico 6 de dicha pieza bruta de acero 1 consiste en cuatro rectángulos, estando cada uno contiguo al siguiente por su lado corto, que tiene una longitud igual al espesor t de la pieza bruta, y teniendo cada uno un lado largo formado por uno de los lados del borde exterior superior 8 y el otro lado largo formado por uno de los lados del borde exterior inferior 10.

[0029] En otra realización, la pieza bruta de acero 1 comprende una cara superior e inferior 2 y 3 que tienen un borde exterior superior e inferior 8 y 10 que siguen un contorno similar al de la pieza final obtenida tras el conformado de la pieza bruta de acero 1. Dicha pieza bruta de acero 1 se conoce como una pieza bruta conformada. El uso de una pieza bruta conformada permite al fabricante de la pieza reducir o eliminar la cantidad de recorte lateral que debe realizarse en la pieza final. Cuando la pieza bruta de acero 1 es una pieza bruta conformada, la cara superior e inferior 2 y 3 tienen bordes exteriores superior e inferior 8 y 10 que pueden comprender líneas rectas y/o curvas. En este caso, el espesor periférico 6 comprende una serie de formas que son rectángulos planos cuando la porción correspondiente de los bordes exteriores superior e inferior 8 y 10 son líneas rectas y que son rectángulos que tienen dos lados largos curvos cuando la porción correspondiente de los bordes exteriores superior e inferior 8 y 10 son líneas curvas, estando cada una de las formas que comprenden el espesor periférico 6 contigua a la siguiente por su lado corto y teniendo cada rectángulo un lado corto de la misma longitud que el espesor t de la pieza bruta.

[0030] Al menos una parte de la pieza bruta de acero 1 está fabricada de acero de alta resistencia (High Strength Steel, HSS). Por HSS se entiende un acero que tiene una resistencia a la tracción superior a 500 MPa. Para alcanzar dicho nivel de propiedades mecánicas, los HSS tienen una microestructura que comprende al menos un 5 % en porcentaje de superficie de martensita. Los HSS son, por ejemplo, aceros de doble fase, que comprenden martensita y ferrita, o aceros de fase compleja, que comprenden ferrita, martensita, bainita y posiblemente algo de austenita residual, o aceros con plasticidad inducida por transformación (Transformation Induced Plasticity, TRIP), que comprenden ferrita, martensita, austenita residual y posiblemente algo de bainita.

[0031] La pieza bruta de acero 1 tiene, por ejemplo, un espesor t de pieza bruta comprendido entre 0,2 mm y 10,0 mm.

[0032] En una realización particular, como se muestra en la Figura 1, la pieza bruta de acero 1 está cubierta por un revestimiento metálico 14 sobre al menos una parte de su cara superior 2 o una parte de su cara inferior 4.

[0033] La Figura 1 muestra una pieza bruta de acero cubierta por un revestimiento metálico 14 tanto sobre su cara superior 2 como sobre su cara inferior 4. El revestimiento metálico 14 se aplica para proporcionar protección frente a la corrosión a la pieza final. El revestimiento metálico 14 es un revestimiento a base de zinc, tal como zinc puro, una aleación que comprende zinc y hierro o una aleación que comprende zinc, aluminio y magnesio. El revestimiento metálico se aplica, por ejemplo, mediante revestimiento por inmersión en caliente, electrodeposición o deposición por chorro de vapor. El espesor de la capa de revestimiento metálico está comprendido, por ejemplo, entre 5 micrones y 50 micrones por cara.

[0034] El procedimiento comprende además una etapa de realización de una operación de tratamiento térmico sobre al menos una parte del espesor periférico 6 de la pieza bruta de acero 1.

[0035] [0028]La operación de tratamiento térmico se realiza dirigiendo una energía térmica Q de al menos una fuente de calor 16 hacia al menos una parte del espesor periférico 6 de la pieza bruta de acero 1, como se muestra en las Figuras 1 a 5. La energía térmica Q de la fuente de calor 16 tiene el efecto de elevar la temperatura del espesor periférico 6 en la porción periférica calentada 18, que es la zona de dicho espesor periférico 6 hacia la que se dirige dicha fuente de calor 16. Por temperatura en un punto dado de la pieza bruta de acero 1 se entiende la temperatura máxima alcanzada en dicho punto dado de la pieza bruta de acero 1 durante la operación de tratamiento térmico. Gracias a la difusión térmica, el aumento de temperatura de la porción periférica calentada 18 provocará que el volumen circundante de la pieza bruta de acero 1 también aumente de temperatura. Durante la operación de tratamiento térmico, la temperatura máxima de la pieza bruta de acero 1 se alcanza en la porción periférica calentada 18, ya que es en esta zona donde la energía térmica Q procedente de la fuente de calor 16 se transmite por primera vez a la pieza bruta de acero 1. Cuando se mide la temperatura de la pieza bruta de acero 1 a lo largo de una línea que se extiende desde la porción periférica calentada 18 en una dirección perpendicular orientada hacia el interior de la pieza bruta de acero 1, dicha temperatura disminuye a medida que aumenta la distancia a lo largo de dicha línea con respecto a la porción periférica calentada 18. En otras palabras, la temperatura de la pieza bruta de acero 1 disminuye al desplazarse hacia el interior de la pieza bruta de acero 1 alejándose de la porción periférica calentada 18. Por tanto, la operación de tratamiento térmico tiene el efecto de crear un campo de temperaturas dentro de la pieza bruta de acero 1, que tiene valores máximos de temperatura en la porción periférica calentada 18 y valores decrecientes al alejarse de dicha porción periférica calentada 18. Dicho campo de temperaturas comprende planos isotermos 20, que son planos que se extienden dentro de la pieza bruta de acero 1 a lo largo de los cuales la temperatura es constante, como se muestra en las Figuras 1 y 2. El volumen tratado térmicamente 22 es el volumen comprendido dentro de la pieza bruta de acero 1 que comprende todos los planos isotermos 20 que tienen una temperatura superior a 400 °C. En otras palabras, la temperatura de todos los puntos de la pieza bruta de acero 1 comprendidos dentro del volumen tratado térmicamente 22 es superior a 400 °C, mientras que la temperatura de todos los puntos de la pieza bruta de acero 1 situados fuera del volumen tratado térmicamente 22 es inferior a 400 °C. La distancia d del plano isotermo de 400 °C 21 al espesor periférico 6 se define mediante la longitud de la línea que se extiende en una dirección perpendicular desde el espesor periférico 6 hasta el plano isotermo de 400 °C 21, como se muestra en la Figura 1. La profundidad D del volumen tratado térmicamente 22 se define mediante la distancia máxima d del plano isotermo de 400 °C 21 al espesor periférico 6, como se muestra en las Figuras 1 y 2.

[0037] En una realización particular, la operación de tratamiento térmico se realiza únicamente sobre una parte del espesor periférico 6 correspondiente a una zona crítica conocida que presenta riesgos de formación de grietas durante el conformado de la pieza bruta de acero 1. Ventajosamente, esto tendrá el efecto de mejorar la conformabilidad de dicha pieza bruta de acero 1 al disminuir el riesgo de formación de grietas en dicha zona crítica, garantizando al mismo tiempo una elevada productividad de la operación de tratamiento térmico, ya que esta se realiza únicamente sobre una región localizada de dicho espesor periférico 6.

[0039] En una realización particular, la operación de tratamiento térmico se realiza sobre toda la superficie del espesor periférico 6. En otras palabras, la superficie de la porción periférica calentada 18 es igual a la superficie del espesor periférico 6. Esto tendrá el efecto de mejorar la conformabilidad de dicha pieza bruta de acero 1 al disminuir el riesgo de formación de grietas en todo el borde de dicha pieza bruta de acero 1. Ventajosamente, esto garantiza que el proceso de conformado posterior sea muy robusto frente al riesgo de formación de grietas en los bordes. Por ejemplo, se reducirá el riesgo de formación de grietas en los bordes en caso de variación de los parámetros de estampación o de deterioro de las herramientas de conformado.

[0041] En una realización, la operación de tratamiento térmico comprende dos o más operaciones de tratamiento térmico sobre la misma porción periférica calentada 18. Al hacerlo, la zona tratada térmicamente 22 se somete a un ciclo térmico que comprende una fase de calentamiento, una fase de enfriamiento y, a continuación, una o más fases de recalentamiento y enfriamiento. Dicho ciclo térmico puede dar lugar ventajosamente a una mayor liberación de tensiones mecánicas y a mayores transformaciones microestructurales dentro de la zona tratada térmicamente 22, lo que da como resultado una mejora adicional de la conformabilidad de la pieza bruta de acero 1 en dicha zona tratada térmicamente 22.

[0043] En una realización particular, la operación de tratamiento térmico da como resultado un aumento de al menos el 50 % de la tasa de expansión de agujero medida en la zona tratada térmicamente 22, en comparación con la tasa de expansión de agujero medida en la pieza bruta de acero 1 fuera de la zona tratada térmicamente 22. Gracias a la liberación de tensiones residuales y a las posibles transformaciones microestructurales en el acero, el material dentro del volumen tratado térmicamente 22 tiene una menor sensibilidad a la aparición de grietas en los bordes, lo que se mide mediante la relación de expansión de agujero.

[0045] Debe señalarse que el volumen tratado térmicamente 22 puede adoptar diversas formas según el tipo de fuente de calor 16 que se use y según los parámetros del proceso de tratamiento térmico. Por ejemplo, en el caso de un tratamiento térmico realizado mediante una única fuente de calor estática 16, como se muestra en la Figura 1, los planos isotermos 20 intersecan las caras superior e inferior 2 y 4 a lo largo de líneas que definen sustancialmente arcos de círculo; por tanto, la superficie exterior del volumen tratado térmicamente 22 está formada, por un lado, por la superficie formada por una porción del espesor periférico 6, por otro lado, por la superficie formada por una porción de la cara superior 2 que consiste en una porción de círculo cuyo perímetro es la intersección anteriormente descrita del plano isotermo de 400 °C 21 con dicha cara superior 2, por otro lado, por la superficie formada por una porción de la cara inferior 4 que consiste en una porción de círculo cuyo perímetro es la intersección del plano isotermo de 400 °C 21 con dicha cara inferior 4, y por un último lado, por una superficie que consiste en dicho plano isotermo de 400 °C 21.

[0047] [0034]En el caso de un tratamiento térmico realizado mediante una fuente de calor 16 que se desplaza a velocidad constante a lo largo de una línea cuya dirección es sustancialmente paralela a los bordes exteriores superior e inferior 8 y 10 de la pieza bruta de acero 1 en la zona enfrentada a dicha fuente de calor 16, los planos isotermos 20 intersecan las caras superior e inferior 2 y 4 a lo largo de líneas que definen sustancialmente los arcos de un óvalo, teniendo un eje corto que se extiende en una dirección perpendicular a los bordes superior e inferior 8 y 10 y un eje largo que se extiende en una dirección sustancialmente paralela a dichos bordes de cara superior e inferior 8 y 10. En consecuencia, la forma resultante de la superficie exterior del volumen tratado térmicamente 22 está formada, por un lado, por una porción del espesor periférico 6, por otro lado, por una porción de la cara superior 2 que consiste en una porción de óvalo cuyo perímetro es la intersección anteriormente descrita del plano isotermo de 400 °C 21 con dicha cara superior 2, por otro lado, por una porción de la cara inferior 4 que consiste en una porción de óvalo cuyo perímetro es la intersección del plano isotermo de 400 °C 21 con dicha cara inferior 4, y por un último lado, por una superficie que consiste en dicho plano isotermo de 400 °C 21.

[0049] En otro ejemplo, cuando la operación de tratamiento térmico se realiza mediante una fuente de calor móvil 16 que se desplaza a una velocidad variable a lo largo de una línea que tiene una dirección sustancialmente paralela a los bordes exteriores superior e inferior 8 y 10 de la pieza bruta de acero 1 en la zona enfrentada a dicha fuente de calor 16, el volumen tratado térmicamente 22 tiene una forma que comprende abombamientos dentro de la pieza bruta de acero 1 en las zonas del volumen tratado térmicamente 22 enfrentadas a las zonas de la porción periférica calentada 18 donde la fuente de calor 16 tiene una velocidad inferior. En otras palabras, la distancia d del plano isotermo de 400 °C al espesor periférico 6 en dichos abombamientos es mayor que fuera de dichos abombamientos. Como consecuencia, la profundidad D del volumen tratado térmicamente 22 será necesariamente una de las distancias d medidas en uno de dichos abombamientos.

[0051] La temperatura mínima del volumen tratado térmicamente 22 se fija en 400 °C porque, por debajo de 400 °C, los efectos mecánicos y metalúrgicos del tratamiento térmico no tienen una cinética suficientemente elevada para resultar aplicables industrialmente. En otras palabras, por debajo de 400 °C, el tiempo necesario para aliviar eficazmente las tensiones residuales e inducir posibles transformaciones microestructurales dentro del acero es demasiado elevado para justificar su uso en un proceso industrial, del que se espera que sea productivo y rentable.

[0053] Una característica de la presente invención es que la temperatura máxima del volumen tratado térmicamente 22 no supera los 1500 °C. De hecho, por encima de 1500 °C existe el riesgo de que la pieza bruta de acero 1 se funda localmente, lo que la haría inadecuada para su uso.

[0055] Otra característica de la presente invención es que todo el volumen de la pieza bruta de acero 1 permanece en estado sólido durante toda la operación de tratamiento térmico. En otras palabras, durante la operación de tratamiento térmico, todos los puntos del volumen tratado térmicamente 22 tienen una temperatura inferior al punto de fusión de dicha pieza bruta de acero 1. Más en particular, todos los puntos de la porción periférica calentada 18, que es la zona del volumen tratado térmicamente 22 que tiene la temperatura más elevada, como se explicó anteriormente, permanecen por debajo del punto de fusión de la pieza bruta de acero 1.

[0057] En una realización particular, la profundidad D del volumen tratado térmicamente 22 está comprendida dentro del intervalo de 0,5 mm a 50,0 mm. Por ejemplo, cuando la pieza bruta de acero 1 se obtiene mediante corte mecánico, como se describió anteriormente, se sabe que la profundidad aproximada de penetración en la pieza bruta de acero 1 del efecto de endurecimiento por deformación inducido por el corte mecánico es aproximadamente igual a la mitad del espesor t de la pieza bruta de acero 1. Por tanto, una profundidad D de la zona tratada térmicamente 22 de 0,5 mm garantiza que la zona más severamente afectada por el efecto de endurecimiento por deformación quede incluida dentro de la zona tratada térmicamente 22. Por otro lado, dado que el objeto del tratamiento térmico es mejorar la conformabilidad en el borde de la pieza bruta de acero 1 y no en la masa de dicha pieza bruta de acero 1, no es necesario realizar una operación de tratamiento térmico que dé como resultado la formación de un volumen tratado térmicamente 22 que tenga una profundidad D superior a 50,0 mm. Además, limitar la profundidad D limita la potencia consumida por la fuente de calor 16; por tanto, resulta ventajoso, desde el punto de vista de la limitación de los costes de producción y del aumento de la productividad, limitar la profundidad D a 50,0 mm.

[0059] En una realización particular, la duración del tratamiento térmico está comprendida dentro del intervalo entre 1 milisegundo y 10 minutos. Por duración del tratamiento térmico en cualquier punto dado de la porción periférica calentada 18 se entiende el tiempo durante el cual la energía térmica Q de la fuente de calor 16 se dirige hacia dicho punto dado de la porción periférica calentada 18. Dado que las reacciones mecánicas y metalúrgicas implicadas en la mejora de la conformabilidad mediante tratamiento térmico no se producen instantáneamente, se recomienda prever una duración mínima de 1 milisegundo para garantizar que puedan tener lugar las cinéticas de dichas reacciones. Por otro lado, para limitar la energía consumida por la fuente de calor 16 y, por tanto, aumentar la productividad y limitar los costes del proceso, se recomienda limitar la duración del tratamiento térmico a un máximo de 10 minutos.

[0061] [0041]En una realización particular, cuando la pieza bruta de acero 1 presenta un revestimiento metálico 14 sobre al menos una parte de su cara superior y/o inferior 2 y 4, la energía térmica Q de la fuente de calor 16 también será absorbida inevitablemente de forma directa por una porción superior calentada 24 del revestimiento metálico 14 situada sobre la cara superior 2 directamente por encima de la porción del borde superior 8 comprendida en la porción periférica calentada 18 y por una porción de revestimiento inferior calentada 26 del revestimiento metálico 14 situada sobre la cara inferior 4 directamente por debajo de la porción del borde inferior 10 comprendida en la porción periférica calentada 18, como se representa en las Figuras 1 y 2. En una realización preferida de la invención, el espesor del revestimiento metálico es significativamente menor, por ejemplo, más de diez veces menor, que el espesor t de la pieza bruta de acero 1 en la zona de la porción periférica calentada 18. Por ejemplo, el espesor del revestimiento es de 20 micrones en cada una de las porciones superior e inferior calentadas 24 y 26, mientras que el espesor t de la pieza bruta de acero 1 en la porción periférica calentada 18 es de 1,0 mm, en cuyo caso el espesor t de la pieza bruta de acero 1 es veinticinco veces mayor que el espesor de dichas porciones de revestimiento superior e inferior calentadas 24, 26. Como consecuencia, el área superficial representada por las porciones de revestimiento superior e inferior calentadas 24 y 26 es significativamente menor, por ejemplo, al menos diez veces menor, que el área superficial representada por la porción periférica calentada 18. Por tanto, la energía térmica Q de la fuente de calor 16 es absorbida principalmente por la porción periférica calentada 18. Esto resulta ventajoso desde el punto de vista de la productividad porque la porción periférica calentada 18 está formada de acero, que tiene una reflectividad inferior a la de los revestimientos metálicos usados para la protección frente a la corrosión. Por otro lado, cuando se usan los procedimientos de tratamiento térmico descritos en la técnica anterior, donde la energía térmica se transmite a una porción de la pieza bruta de acero a través de la superficie, es decir, de las caras superior y/o inferior de dicha pieza bruta de acero, la totalidad de la energía térmica será absorbida por el revestimiento metálico, lo que dará lugar a una pérdida significativa de eficiencia térmica del proceso y, por tanto, a una pérdida de productividad y a un aumento de los costes.

[0063] Asimismo, cuando se usa un revestimiento metálico 14 que tiene un punto de evaporación o un punto de fusión inferior a la temperatura máxima alcanzada dentro del volumen tratado térmicamente 22, los procedimientos de tratamiento térmico descritos en la técnica anterior, que consisten en dirigir una energía térmica hacia la superficie de la pieza bruta de acero, provocarán que una cantidad significativa del revestimiento metálico se evapore o se funda en la zona tratada térmicamente de la cara de la pieza bruta de acero hacia la que se dirige la energía térmica, porque el revestimiento metálico de dicha cara está necesariamente expuesto a las temperaturas más elevadas de la zona tratada térmicamente. Por el contrario, al aplicar la presente invención, dado que la energía térmica Q se dirige principalmente hacia una superficie que comprende acero, la cantidad de energía térmica Q absorbida directamente por el revestimiento metálico 14 será mucho menor y, por tanto, el área superficial del revestimiento metálico 14 que alcanza una temperatura superior al punto de fusión y/o al punto de evaporación será mucho menor. Por consiguiente, la cantidad de revestimiento metálico 14 evaporado y/o fundido será mucho menor, lo que resulta ventajoso en términos de calidad de la pieza final y de protección frente a la corrosión.

[0065] En una realización particular, el espesor del revestimiento metálico 14 después del tratamiento térmico en la zona que cubre la zona tratada térmicamente 22 disminuye en menos de un 30 % en comparación con el espesor del revestimiento metálico 14 en las zonas que no cubren la zona tratada térmicamente 22, como se mostrará en los ejemplos que siguen a la descripción del procedimiento.

[0067] En una realización particular, como se muestra en las Figuras 3 a 5, las piezas brutas de acero 1 se apilan unas sobre otras para formar una pila de piezas brutas 12 antes de realizar la operación de tratamiento térmico. Por ejemplo, la fuente de calor 16 se desplaza a lo largo de una línea perpendicular al plano definido por las piezas brutas de acero 1. En otras palabras, la fuente de calor 16 escanea la pila de piezas brutas 12 desde arriba hacia abajo o desde abajo hacia arriba. En consecuencia, las porciones periféricas calentadas 18 de cada pieza bruta de acero 1 que comprende la pila de piezas brutas 12 están alineadas a lo largo de una línea que atraviesa la pila de piezas brutas 12 de arriba hacia abajo y perpendicular al plano de las piezas brutas de acero 1. Ventajosamente, esta realización permite tratar varias piezas brutas de acero 1 en un solo lote sin manipular individualmente las piezas brutas de acero 1, lo que representa una ganancia significativa de productividad y, por tanto, una reducción significativa de costes. Debe señalarse que esta realización también puede aplicarse usando varias fuentes de calor 16 para tratar simultáneamente varias zonas del espesor periférico 6 de una misma pieza bruta de acero 1, escaneando cada fuente de calor 16 la pila de piezas brutas 12 para tratar en un solo lote varias zonas del espesor periférico 6 de todas las piezas brutas de acero 1 de dicha pila de piezas brutas 12. Debe señalarse que, cuando se usan los procedimientos de tratamiento térmico descritos en la técnica anterior, que consisten en dirigir una fuente de calor hacia la superficie de la pieza bruta de acero, no es posible realizar la operación de tratamiento térmico en un solo lote sobre una pila de piezas brutas sin manipular las piezas brutas individuales, porque la fuente de calor necesita estar orientada hacia la superficie de las piezas brutas de acero, y dicha fuente de calor únicamente tiene acceso a la pieza bruta superior de una pila de piezas brutas.

[0069] La fuente de calor 16 es, por ejemplo, un láser, un inductor, un tubo infrarrojo o cualquier otro tipo de fuente de calor, siempre que pueda crear dentro de la pieza bruta de acero 1 un volumen tratado térmicamente 22 que tenga una temperatura mínima de 400 °C, sin superar una temperatura máxima de 1500 °C.

[0071] [0046]En una realización particular, se usa un láser como fuente de calor 16. La potencia de dicho láser se encuentra, por ejemplo, dentro del intervalo de 500 W a 20 kW. El parámetro clave que determina la absorción de la energía térmica Q por la porción periférica calentada 18 es la longitud de onda de dicho láser. En el caso del acero, la eficiencia de absorción del calor aumenta a medida que disminuye la longitud de onda de dicho láser. Por ejemplo, se recomienda una longitud de onda de 1 micrón o inferior, que corresponde, por ejemplo, a un láser YAG, de disco, de fibra o de diodo. En una realización particular, el cabezal láser está dispuesto de tal manera que el haz láser incide sobre la porción periférica calentada 18 para formar un punto desenfocado, es decir, la distancia entre el cabezal láser y la porción periférica calentada 18 es inferior o superior a la distancia focal de dicho láser. Ventajosamente, esto permite crear una porción periférica calentada 18 de gran tamaño y, por tanto, aumentar la productividad y reducir los costes de producción.

[0072] En otra realización, se usa un inductor como fuente de calor 16. La potencia de dicho inductor está comprendida, por ejemplo, dentro del intervalo de 1 kW a 250 kW. La frecuencia del inductor es el parámetro clave para controlar la profundidad D de la zona tratada térmicamente 22. A medida que aumenta la frecuencia, la profundidad D de la zona tratada térmicamente 22 disminuye. Por ejemplo, en el caso del acero, para una frecuencia de 1000 Hz, la profundidad de la zona tratada térmicamente 22 será de aproximadamente 1,0 mm.

[0073] En otra realización adicional, se usa calentamiento por infrarrojos como fuente de calor 16. La potencia de un elemento calefactor individual oscila, por ejemplo, entre 1 kW y 100 kW. El parámetro clave que determina la absorción de la energía térmica Q por la porción periférica calentada 18 es la longitud de onda de dicho elemento calefactor infrarrojo. En el caso del acero, la absorción de energía aumentará al desplazarse hacia longitudes de onda más cortas. La longitud de onda recomendada está comprendida, por ejemplo, dentro del intervalo entre 2 micrones y 10 micrones.

[0074] La tecnología de calentamiento se selecciona según la aplicación deseada y según el espacio y el equipamiento industrial disponibles.

[0075] Por ejemplo, si la zona del borde de la pieza bruta de acero 1 que debe tratarse térmicamente está muy localizada, por ejemplo, si el tamaño de la porción periférica calentada 18 requerida es inferior a 50 mm medido a lo largo de una línea que se extiende en la porción periférica calentada 18 en una dirección paralela a los bordes exteriores superior e inferior 8 y 10, un tratamiento por láser será adecuado, por ejemplo, porque el haz láser puede enfocarse sobre una zona muy precisa. Por otro lado, si es necesario tratar una zona extensa, por ejemplo, si el tamaño de la porción periférica calentada 18 requerida es superior a 50 mm medido a lo largo de una línea que se extiende en la porción periférica calentada 18 en una dirección paralela a los bordes exteriores superior e inferior 8 y 10, a continuación, el calentamiento por infrarrojos será adecuado, porque el calentamiento por radiación de los tubos infrarrojos cubre una zona amplia y varios tubos pueden combinarse en serie para proporcionar la cantidad necesaria de energía. Sin embargo, esto ocupará un espacio considerable en la planta de producción. Por último, si el espacio disponible para la operación de tratamiento térmico es muy limitado, será adecuado un calentamiento por inducción compacto sobre piezas brutas de acero individuales 1 a la salida de la línea de troquelado, antes de apilar las piezas brutas unas sobre otras para formar una pila de piezas brutas 12.

[0076] El tratamiento térmico puede realizarse en modo estático, en cuyo caso tanto la fuente de calor 16 como la pieza bruta de acero 1 permanecen estáticas durante la operación de tratamiento térmico. También puede realizarse en modo dinámico, en cuyo caso existe una velocidad relativa entre la pieza bruta de acero 1 y la fuente de calor 16, ya sea debido a un movimiento de la pieza bruta de acero 1, a un movimiento de la fuente de calor 16 o a un movimiento combinado de ambas. La velocidad relativa entre la pieza bruta de acero 1 y la fuente de calor 16 está comprendida, por ejemplo, dentro del intervalo entre 0,1 mm/s y 100 mm/s. La fuente de calor 16 está montada, por ejemplo, sobre un robot industrial 28, como se representa en las Figuras 3 y 4, para ponerla en movimiento.

[0077] Para cada aplicación industrial específica, puede definirse una ventana de proceso específica usando los siguientes parámetros clave: los parámetros clave de la fuente de calor 16 (tipo de fuente de calor, potencia, longitud de onda o frecuencia, por ejemplo), el tamaño y la geometría de la porción periférica calentada 18 y la velocidad relativa entre la fuente de calor 16 y la pieza bruta de acero 1 en el caso de un tratamiento dinámico, o la duración del tratamiento térmico en el caso de un tratamiento estático. Puede diseñarse un modelo analítico para calcular la relación entre estos parámetros y determinar la ventana de proceso operativa para la situación industrial particular considerada. Estos parámetros de proceso determinarán la temperatura alcanzada en la porción periférica calentada 18 y la profundidad D del volumen tratado térmicamente 22.

[0078] En una realización particular, representada en la Figura 3, la fuente de calor 16 es un láser que dirige la energía térmica Q mediante un haz láser que incide sobre la porción periférica calentada 18 de las piezas brutas de acero 1, estando dichas piezas brutas de acero 1 apiladas unas sobre otras para formar una pila de piezas brutas 12 y estando dicha fuente de calor 16 montada sobre un robot industrial 28 para escanear la pila de piezas brutas 12 de abajo hacia arriba.

[0079] En otra realización, representada en la Figura 4, se usan varias fuentes de calor 16 para calentar simultáneamente varias porciones periféricas calentadas 18 de piezas brutas de acero 1 apiladas para formar una pila de piezas brutas 12. Dichas fuentes de calor 16 están montadas sobre robots industriales 28 para escanear la pila de piezas brutas 12 de abajo hacia arriba.

[0080] [0055]En otra realización adicional, representada en la Figura 5, las fuentes de calor 16 son una matriz de tubos infrarrojos estáticos. La operación de tratamiento térmico se realiza en modo estático. Las piezas brutas de acero 1 que van a tratarse se disponen en una pila de piezas brutas 12 y dicha pila de piezas brutas 12 se posiciona frente a dichas fuentes de calor 16. En esta realización, cada fuente de calor 16 trata simultáneamente las porciones periféricas calentadas 18 de todas las piezas brutas de acero 1 de la pila de piezas brutas 12, gracias al tamaño de las fuentes de calor 16, que es sustancialmente igual a la altura de la pila de piezas brutas 12, medida a lo largo de una línea perpendicular al plano de la cara superior 2 de las piezas brutas de acero 1.

[0082] El procedimiento descrito anteriormente presenta múltiples ventajas, entre las que se encuentra la posibilidad de mejorar significativamente la conformabilidad de una pieza bruta de acero cerca de su borde, sin evaporar significativamente su revestimiento metálico en el caso de una pieza bruta de acero revestida, como se demostrará mediante los ejemplos siguientes.

[0084] Haciendo referencia a la tabla 1, se proporciona un primer ejemplo donde el tratamiento térmico se realiza sobre una única pieza bruta de acero 1 usando un haz láser como fuente de calor 16, que incide sobre el espesor periférico 6 para formar un punto láser desenfocado en la porción periférica calentada 18. El tratamiento térmico se realiza en modo estático. Se ensayaron dos niveles diferentes de resistencia a la tracción de la pieza bruta de acero 1. El rendimiento del tratamiento térmico se mide mediante la evolución de la relación de expansión de agujero antes y después de la operación de tratamiento térmico, según se define en la norma ISO 16630:2017.

[0086] La Tabla 1 muestra los resultados junto con las características de las piezas brutas de acero 1 y los parámetros clave que definen la fuente de calor 16. El campo de temperaturas dentro de la pieza bruta de acero 1 se estimó usando una serie de termopares fijados a la superficie de la pieza bruta de acero 1. Se indica la profundidad D del volumen tratado térmicamente 22, así como la temperatura alcanzada en la porción periférica calentada 18. La temperatura se muestra como un intervalo de temperatura de /-20 °C, que corresponde a la precisión de los termopares usados como dispositivo de medición.

[0088] Como puede observarse en la tabla 1, el tratamiento térmico de las piezas brutas de acero 1 dio como resultado un aumento significativo de la relación de expansión de agujero en los volúmenes tratados térmicamente 22. La relación de expansión de agujero está directamente relacionada con la sensibilidad de la pieza bruta de acero 1 a la formación de grietas en el borde durante el conformado. De hecho, el propio principio del ensayo consiste en deformar el borde cortado de un agujero punzonado en la pieza bruta de acero 1 y supervisar la formación de grietas en el borde durante dicha deformación.

[0090] Además, se indica la tasa de evaporación del revestimiento metálico 14 en el volumen tratado térmicamente 22. Dicha tasa de evaporación está comprendida entre el 0 % y el 20 %, garantizando que el material permanezca parcialmente revestido y, por tanto, al menos parcialmente protegido frente a la corrosión en las porciones del revestimiento metálico 14 que cubren el volumen tratado térmicamente 22. La diferencia significativa de la tasa de evaporación entre las referencias I1 e I2 de la Tabla 1 se debe a la diferencia en la composición de los revestimientos metálicos 14 de las piezas brutas de acero 1. De hecho, el revestimiento metálico 14 en el caso de I1 es zinc puro, que tiene un punto de fusión y una temperatura de evaporación inferiores a los del revestimiento metálico 14 en el caso de I4, que es una aleación de hierro y zinc que comprende aproximadamente un 10 % de hierro.

[0092] Haciendo referencia a la tabla 2, se proporciona un segundo ejemplo de aplicación del procedimiento de la presente invención. En este caso, la pieza bruta de acero 1 es una pieza bruta con forma usada para la estampación de una pieza de automóvil. Dicha pieza de automóvil es susceptible a la formación de grietas durante la estampación en una zona determinada, denominada zona crítica. La operación de tratamiento térmico se realizó sobre la porción periférica calentada 18 de la pieza bruta de acero 1 correspondiente a dicha zona crítica de la pieza de automóvil. La fuente de calor 16 es un láser que forma un punto láser desenfocado en la porción periférica calentada 18 y que escanea una pila de piezas brutas 12. Las piezas brutas de acero 1 presentan un revestimiento metálico 14 fabricado de zinc puro. La eficacia del procedimiento para reducir la formación de grietas en los bordes se evaluó comparando la aparición de grietas en los bordes en la zona crítica después de la estampación de piezas brutas de acero 1 que no habían sido sometidas a ninguna operación de tratamiento térmico con la aparición de grietas en los bordes después de la estampación de piezas brutas de acero 1 que habían sido sometidas a un tratamiento térmico según el procedimiento.

[0094] Como puede observarse en la tabla 2, el problema de grietas en los bordes presente en la zona crítica se resuelve mediante la implementación de la presente invención. Además, la tasa de evaporación del revestimiento metálico en la zona tratada térmicamente permanece por debajo del 20 %.

[0095]

[0096]

Claims (15)

1. REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento para mejorar la conformabilidad de una pieza bruta de acero (1), teniendo dicha pieza bruta de acero (1) una microestructura que contiene al menos un 5 % de martensita en porcentaje de área, y posiblemente algo de ferrita, bainita y austenita residual, y teniendo una resistencia máxima a la tracción de al menos 500 MPa y un revestimiento metálico (14) a base de zinc sobre al menos una porción de una cara superior (2) y/o una cara inferior (4), donde se realiza una operación de tratamiento térmico sobre la pieza bruta de acero (1) dirigiendo una energía térmica Q proporcionada por al menos una fuente de calor (16) sobre al menos una parte de un espesor periférico (6) de dicha pieza bruta de acero (1) para formar una porción periférica calentada (18) y un volumen tratado térmicamente (22), donde la temperatura de dicho volumen tratado térmicamente (22) está comprendida dentro del intervalo de 400 °C a 1500 °C, donde todo el volumen de la pieza bruta de acero (1) permanece en estado sólido durante la operación de tratamiento térmico, y donde el espesor del revestimiento metálico (14) después del tratamiento térmico en la zona que cubre el volumen tratado térmicamente (22) disminuye en menos de un 30 % en comparación con el espesor del revestimiento metálico (14) en las zonas que no cubren el volumen tratado térmicamente (22).

2. Procedimiento según la reivindicación 1, donde la profundidad D del volumen tratado térmicamente (22) está comprendida dentro del intervalo de 0,5 mm a 50,0 mm.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, donde la duración del tratamiento térmico está comprendida entre 1 milisegundo y 10 minutos.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde varias piezas brutas de acero (1) se apilan para formar una pila de piezas brutas (12) y se tratan térmicamente como un lote mediante al menos una fuente de calor (16).

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde cada pieza bruta de acero (1) se trata térmicamente de manera individual.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde la fuente de calor (16) está en movimiento y la pieza bruta de acero (1) permanece estática.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde la fuente de calor (16) permanece estática y la pieza bruta de acero (1) se desplaza frente a dicha fuente de calor (16).

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde tanto la fuente de calor (16) como la pieza bruta de acero (1) permanecen estáticas.

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, donde la fuente de calor (16) se dirige hacia la misma porción periférica calentada (18) al menos dos veces.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, donde toda la superficie que forma el espesor periférico (6) se trata térmicamente mediante al menos una fuente de calor (16).

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, donde la fuente de calor (16) es un láser que emite un haz láser desenfocado y está montado sobre un robot industrial (28).

12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, donde las fuentes de calor (16) son una matriz de tubos infrarrojos estáticos, frente a los cuales se desplazan las piezas brutas de acero (1).

13. Una pieza bruta de acero (1) que puede obtenerse según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.

14. Pieza bruta de acero (1) según la reivindicación 13, donde la pieza bruta de acero (1) está cubierta por un revestimiento metálico (14) sobre al menos parte de su cara superior y/o inferior 2 y 4, y el espesor de dicho revestimiento metálico (14) en la zona que cubre la zona tratada térmicamente (22) es inferior en menos de un 30 % al espesor de dicho revestimiento metálico (14) en las zonas que no cubren la zona tratada térmicamente (22).

15. Pieza bruta de acero (1) según la reivindicación 13 o 14, donde la relación de expansión de agujero medida en el volumen tratado térmicamente (22) es al menos un 50 % superior a la relación de expansión de agujero medida en la pieza bruta de acero (1) fuera del volumen tratado térmicamente (22).