MX2007002009A - Metodo para fabricar un componente de acero forjado endurecido. - Google Patents

Abstract

Un metodo para fabricar componentes de cero, particularmente adecuado para componentes como cremalleras de direccion que tienen dientes del engranaje formados con forma neta; el metodo comprende calentar al menos una porcion de una pieza en tosco de acero a una primera temperatura de al menos 600 degree C, forjar la porcion para darle forma, enfriar la porcion de manera controlada a una segunda temperatura por encima de 200 degree C, a continuacion calentar inmediatamente al menos parte de la superficie de la porcion a una temperatura de austenificacion, y luego enfriar repentinamente la porcion para endurecer la superficie.

Description

MÉTODO PARA FABRICAR UN COMPONENTE DE ACERO FORJADO ENDURECIDO CAMPO TÉCNICO La presente invención se relaciona con un método para fabricar componentes de acero forjado endurecidos en la superficie, y en particular se relaciona con la fabricación de componentes que tienen dientes del engranaje forjados, como cremalleras de dirección.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN El endurecimiento de la superficie de componentes de acero mediante endurecimiento por inducción es bien conocido. El procedimiento proporciona una capa exterior dura, resistente al desgaste, mientras que mantiene un núcleo duro, relativamente suave, y es muy adecuado para la producción en masa. El endurecimiento por inducción se aplica normalmente a aceros de carbono medio, que tienen entre 0.3% y 0.8% de carbono (0.3 -0.8 %C) y más típicamente, aproximadamente 0.4%C. La teoría y la práctica del endurecimiento por inducción del acero son muy conocidas. En resumen, el endurecimiento por inducción usa un conductor eléctrico, usualmente en forma de espiral con al menos un giro, colocado cerca del área de la superficie a ser endurecida y energizada por una corriente eléctrica a una frecuencia apropiada. Esto calienta la capa de la superficie del componente de acero por encima de la temperatura de austenificación, la cual es enfriada repentinamente para endurecerla, típicamente, mediante enfriamiento utilizando un refrigerante tal como agua. Los sistemas de enfriamiento repentino desarrollados especialmente, pueden usarse para reducir al mínimo la distorsión. Después de ser endurecido, el componente puede ser revenido para mejorar su dureza. Los dientes del engranaje, y en particular los dientes de las cremalleras de dirección para direcciones de cremallera y piñón para automóviles, son comúnmente endurecidos por inducción. El problema con el endurecimiento por inducción de los dientes del engranaje es que es difícil obtener una profundidad de dureza uniforme entre las puntas y las raíces de los dientes. A menudo las puntas de los dientes estarán casi endurecidas para obtener suficiente profundidad de dureza en las raíces. Otro problema es que el calentamiento y el enfriamiento repentino de la superficie de un componente de otra manera frío, puede causar agrietamiento o una distorsión excesiva. Es sabido que el precalentamiento del componente a una temperatura por debajo de la temperatura de austenificación, antes del endurecimiento por inducción reduce estos problemas. También, la energía usada para el endurecimiento por inducción de un componente precalentado es significativamente más baja que el endurecimiento por inducción de un componente frío, porque el incremento en la temperatura requerida para alcanzar la temperatura de austenificación es más bajo. También, existe menor conducción lejos de la superficie debido al diferencial reducido de la temperatura entre la superficie y el núcleo del componente. Un método de precalentamiento usa dos frecuencias para el calentamiento por inducción. Este método se describe en la Patente de E.U.A. 6,315,841 (Fisher et al), como se aplica a los dientes de engranajes cónicos forjados. La primera frecuencia más baja precalienta el componente antes de intercambiar a una frecuencia mayor para calentar más sólo la capa de la superficie para su endurecimiento. La desventaja de este método es el costo adicional y la complejidad del equipo para el endurecimiento por inducción. El calentamiento por inducción es una alternativa para el calentamiento por inducción, aunque es utilizado menos comúnmente. Se hacen dos contactos eléctricos con el componente, cada uno al final de la superficie a ser endurecida, y se provoca que una corriente eléctrica de alta frecuencia pase a través del componente. Un inductor colocado cerca de la superficie induce que la corriente fluya cerca de la superficie del componente localizando así el calentamiento en la capa de la superficie, de manera similar al endurecimiento por inducción. Después de calentarse, el componente se enfría repentinamente para endurecerlo. Como el endurecimiento por conducción calienta principalmente sólo la capa de la superficie, como en el endurecimiento por inducción, tiene el mismo problema que el endurecimiento por inducción y también se beneficia por el precalentamiento. El forjado en tibio del acero es muy conocido. La temperatura real usada para el forjado en tibio varía con la aplicación de aproximadamente 600°C hasta 1000°C. Las ventajas del forjado en tibio con respecto al forjado en caliente incluyen la reducción al mínimo de la incrustación y el incremento de la precisión del forjado. El forjado en tibio es aplicable particularmente para forjar dientes para engrane en forma neta. La forma neta significa que no se requiere un terminado con máquina de los dientes después del forjado. Es muy conocido forjar en tibio los dientes de una cremallera de dirección en forma neta de una barra redonda, y en esta aplicación la temperatura para el forjado en tibio es normalmente entre 650°C y 850°C. Un aparato para forjar en tibio las cremalleras de dirección se describe en la Patente de E.U.A. 5,862,701 (Bishop et al). Después de que una cremallera de dirección de forja en tibio, se enfría normalmente a temperatura ambiente de manera controlada y después se endurece por inducción. El componente se calienta así dos veces, una para alcanzar la temperatura del forjado y otra para el endurecimiento por inducción, que desperdicia energía. Los aceros de carbono medio que son usados comúnmente para fabricar componentes forjados y endurecidos por inducción, y en particular las cremalleras de dirección, incluyen SAE 1040 y DIN 37CrS4. Los aceros de carbono medo que tienen una estructura bainítica (bainita) también puede ser usados. Una ventaja del acero que tiene una estructura bainítica es que es más fuerte que una estructura perlítica mientras que sigue manteniendo buenos niveles de ductilidad. Otra ventaja de la estructura bainítica, como se describe en la Patente de E.U.A. 5,667,605 (Bellus et al), es que mantiene su dureza después del recalentamiento, con la condición de que no se mantenga a esa temperatura por un periodo de tiempo excesivo. Esto es porque un acero con estructura bainítica es más lento para transformarse en austenita que otras estructuras. Un grado de acero descrito en la Patente de E.U.A. 5,667,605 que tiene una composición de Carbono 0.35%, Manganeso 1.8%, Vanadio 0.12%, y otros elementos, que es equivalente a DIN 35MnV7, es particularmente apropiado para producir una estructura bainítica para aplicaciones de forjado. Una microestructura fina, como bainita o una mezcla de perlita fina y ferrita, puede obtenerse de un acero puro de hierro-carbono, como SAE 1040 o 37CrS4, enfriando primero rápidamente de una temperatura de austenificación a una temperatura por encima de la temperatura en que empieza la transformación a martensita, y después manteniendo esta temperatura hasta que la estructura se transforme en bainita, o en una mezcla de perlita fina y ferrita. La temperatura a la cual inicia la transformación de martensita varía con el grado del acero y es normalmente entre 230°C y 35O°C. El tipo real de microestructura fina que se desarrolla depende de la temperatura a la que el acero se enfría rápidamente y de la velocidad del enfriamiento. Como la bainita, la mezcla de perlita fina y ferrita mejora la resistencia mientras mantiene buenos niveles de ductilidad. Es un objeto de la presente invención aminorar al menos algunos de los problemas de la técnica anterior.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención consiste en un método de fabricación de un componente de acero que incluye los pasos de a) calentar al menos una porción de una pieza en tosco de acero a una primera temperatura de al menos 600°C; b) forjar la porción para darle forma; c) enfriar la porción de una manera controlada a una segunda temperatura por encima de de 200°C; d) calentar al menos parte de la superficie de la porción a al menos una temperatura de austenificación; y luego e) enfriar repentinamente la porción, endureciendo así la superficie. De manera preferida, la primera temperatura es menor que 1000°C, y de manera más preferida, la primera temperatura está entre 750°C y 850°C. De manera preferida, la segunda temperatura es menor que 500°C, de manera más preferida, la segunda temperatura está por encima de 300°C. De manera preferida, la pieza en tosco de acero está hecha de un acero de carbono medio adecuado para endurecimiento por inducción. En una modalidad preferida, la pieza en tosco de acero está hecha de acero que tiene una estructura bainítica y la segunda temperatura está por encima de 600°C, y de manera preferida, la segunda temperatura está entre 650°C y 700°C. En otra modalidad preferida, el paso (c) comprende un enfriamiento rápido de la porción a la segunda temperatura y mantener la porción a la segunda temperatura hasta que la porción forma una microestructura fina, y de manera más preferida, el enfriamiento rápido toma menos de 20 segundos y la segunda temperatura está entre 400°C y 550°C. De manera preferida en el paso (d), la superficie se calienta por calentamiento por inducción. De manera preferida, la frecuencia de calentamiento por inducción es de entre 1 kHz y 600kHz. De manera preferida, la superficie es calentada de manera local y progresiva y enfriada repentinamente por una bobina de inducción y un anillo de enfriamiento que atraviesan juntos la superficie. Alternativamente, en el paso (d) la superficie se calienta mediante calentamiento por conducción. De manera preferida en el paso (b), la porción es forjada a una forma que comprende los dientes del engrane con forma neta. De manera preferida, el componente es una cremallera de dirección y la pieza en tosco de acero es una barra redonda. De manera preferida el método comprende además el paso de revenir la porción después del paso (e). En una modalidad preferida, la presente invención consiste de un método de fabricación de una cremallera de dirección a partir de una barra redonda de acero, que comprende los pasos de a) calentar al menos una porción de la barra a una primera temperatura entre 750°C y 850°C; b) forjar el diente del engrane en forma neta en la porción; c) enfriar la porción a una segunda temperatura entre 400°C y 550°C en menos de 20 segundos; d) mantener la porción a aproximadamente la segunda temperatura hasta que la porción forme una microestructura fina; e) calentar al menos la superficie del diente a al menos la temperatura de austenificación; f) enfriar repentinamente la porción, endureciendo así la superficie; y luego g) revenir la porción.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 ilustra de manera esquemática un método de fabricación de una cremallera de dirección de acero forjado endurecido en la superficie, de acuerdo con la presente invención. La Figura 2 muestra una cremallera de dirección fabricada de acuerdo con la presente invención. La Figura 3 es una vista en sección de una cremallera de dirección de la Figura 2 a lo largo de la línea lll-lll.

La Figura 4 es una vista en sección de los dientes de una cremallera de dirección de la Figura 3, a lo largo de la línea IV-IV. La Figura 5 muestra un método de endurecimiento por inducción de la porción dentada de una cremallera de dirección descrita en la Figura 2.

MODALIDAD PREFERIDA DE LA INVENCIÓN La invención será descrita como se aplica en cremalleras de dirección. Sin embargo, la invención es igualmente aplicable para otros componentes de acero forjado que requieran endurecimiento en la superficie y en particular a otros componentes que puedan hacerse con dientes de engrane forjados en forma neta, como engranes cónicos, engranes anulares, ruedas de coronas, engranes hipoides, piñones de dirección o piñones diferenciales. La Figura 1 ilustra de manera esquemática un método para fabricar una cremallera de dirección de acero forjado endurecido en la superficie, de acuerdo con la presente invención, que comprende los pasos de 1 a 5. El Paso 1 comprende el calentamiento de la pieza en tosco del acero en forma de barra redonda a una temperatura por encima de 600°C. De manera preferida, la barra se calienta a una temperatura entre 600°C y 1000°C, adecuada para el forjado en tibio, y de manera más preferida, entre 750°C y 850°C. De manera preferida, el calentamiento se realiza por inducción y sólo la porción de la barra que se forjará es calentada. La barra redonda está hecha de un acero de carbono medio adecuado para el endurecimiento por inducción, tal como SAE 1040 o DIN 37CrS4. El acero de carbono medio puede tener una estructura bainítica, en cuyo caso será de manera preferida grado DIN 35MnV7. El Paso 2 comprende forjar la porción dentada de la porción calentada de la barra redonda. La Figura 2 muestra una cremallera de dirección 10 forjada de una barra redonda calentada en un equipo de dado como se describe en la Patente de E.U.A. 5,862,701. La porción dentada forjada 11 tiene una sección en "Y" como resultado de haber sido forjada en el aparato descrito en la Patente de E.U.A. 5,862,701. Sin embargo, la sección de la porción dentada forjada 11 puede tener otras formas, como la forma convencional en "D0 si se usan otros tipos de dado para forjar. Los dientes forjados 12 son de forma neta y por lo tanto no se requiere maquinado para el terminado. El Paso 3 comprende el enfriamiento de la porción dentada forjada 11 de una manera controlada a una temperatura por encima de 200°C, y un intervalo de temperatura preferido para aceros de carbono medio, convencionales, tales como SAE 1040 o DIN 37CrS4, es entre 300°C y 500°C. Sin embargo, si la cremallera 10 es forjada de un acero que tiene una estructura bainítica, como DIN 35MnV7, entonces es preferible enfriarlo únicamente a una temperatura por encima de 600°C, y de manera más preferida, entre 650°C y 700°C. Esto es porque la estructura bainítica permite que el acero se mantenga a una alta temperatura por más tiempo que un acero convencional sin transformar su estructura. Un método de enfriamiento adecuado es soplar aire sobre la porción dentada forjada 11 mientras la cremallera 10 se mantiene en un dispositivo. El enfriamiento es controlado de tal manera que se reduce al mínimo la distorsión y la flexión de la cremallera 10. Se puede emplear un método alternativo de enfriamiento si la cremallera 10 es forjada de un acero puro de hierro-carbono, tal como SAE 1040, y es deseable que forme una microestructura fina, tal como bainita o una mezcla fina de perlita y ferrita. En este caso, primero se enfría rápidamente la porción dentada forjada 11 a una temperatura por encima de la temperatura en que empieza la transformación a martensita, como se discutió en los antecedentes. El enfriamiento puede realizarse con vapor de agua, en un lecho fluidizado o un rocío de vapor de agua con impulsos de aire. Después, la porción forjada 11 se mantiene a esta temperatura hasta que la estructura se transforma en una microestructura fina. De manera preferida, para formar una mezcla de perlita fina y ferrita en SAE 1040, la porción forjada 11 primero se enfría de la temperatura de forjado a entre 400°C y 550°C en menos de 20 segundos. Después, la porción forjada 11 se mantiene a esta temperatura hasta que la microestructura se transforma a bainita o una mezcla fina de perlita y ferrita, lo que toma 60 segundos aproximadamente. El Paso 4 comienza con la porción forjada 11 a la temperatura a la que se enfrió en el paso 3. El procedimiento de endurecimiento de la superficie posterior, descrito a continuación tiene las ventajas del precalentamiento, como se discutió en los antecedentes. El Paso 4 comprende el calentamiento de la superficie de la porción dentada forjada 1 , incluyendo la superficie de los dientes forjados 12, a una temperatura por encima de la temperatura de austenificación. La superficie se calienta rápidamente de tal modo que el núcleo de la porción dentada forjada 11 permanece a aproximadamente a la temperatura a la que se enfrió en el paso 3. Una cremallera de dirección requiere que toda la superficie de la porción dentada forjada 11 , más que sólo los dientes forjados12, se endurezca, debido a que la porción dentada forjada 11 se desliza en un soporte cuando se monta en el engrane de la cremallera. El calentamiento de la superficie se realiza de manera preferida mediante inducción. Esto puede realizarse por una bobina de inducción que rodea la porción dentada forjada 1 1 y que se extiende sobre su longitud. La frecuencia usada para el calentamiento por inducción dependerá de la aplicación exacta. Para cremalleras de dirección, las frecuencias adecuadas están en el intervalo de 1 kHz a 600kHz. Alternativamente, el calentamiento puede realizarse por conducción como se discutió en los antecedentes. Puesto que la porción dentada forjada 11 ha sido precalentada de manera efectiva, el tiempo y energía requeridos para calentar la capa de la superficie a una profundidad suficiente son significativamente reducidos, en comparación con el calentamiento de la superficie de un componente frío.

El Paso 5 comprende el enfriamiento repentino de la superficie de la porción dentada forjada 11 , inmediatamente después de haber sido calentada por encima de la temperatura de austenificación. Esto endurece la superficie formando martensita. De manera preferida, el enfriamiento repentino se realiza de tal manera que se controla la cantidad de la distorsión de la cremallera. Después de endurecerse, la porción dentada forjada 11 , puede ser revenida para incrementar la dureza de la capa superficial endurecida. Si la cremallera 10 es forjada de un acero que tiene una estructura bainítica, tal como DIN 35MnV7, y fue enfriado sólo a una temperatura por encima de 600°C en el paso 3, entonces puede ser necesario colocar la dentada forjada 11 en una prensa para su enfriamiento para reducir al mínimo la distorsión. El enfriamiento con la prensa involucra prensar la porción dentada 11 contra su dispositivo formado de manera correspondiente durante el enfriamiento repentino. La Figura 3 es una vista en sección de una porción dentada forjada 11 a lo largo de una línea lll-lll de la Figura 2, después de terminar los pasos 1 a 5. La capa de la superficie endurecida es indicada por la referencia numérica 13. La Figura 4 es una vista en sección de un diente forjado 12 a lo largo de una línea IV-IV de la Figura 3. Como se muestra, las raíces 14 de los dientes 12 tienen una profundidad de dureza suficiente 16 para resistir una falla por fatiga, mientras los dientes 12 por sí mismos, no han sido endurecidos. Este equilibrio deseable entre la profundidad de dureza suficiente en las raíces de los dientes y la profundidad de dureza que no es excesiva en los dientes mismos, es parcialmente debido al calor que permanece después del paso 3 de enfriamiento. El Paso 4, el calentamiento de la superficie, y el paso 5, enfriamiento repentino, de manera alterna, pueden llevarse a cabo de forma progresiva a lo largo de la porción dentada forjada 11 como se muestra en la Figura 5. La bobina de calentamiento por inducción 17 es estrecha con relación a la longitud de la porción dentada forjada 11 , y adyacente a su anillo de enfriamiento 18 (ambos mostrados seccionalmente). La bobina 17 y el anillo de enfriamiento 18 rodean a la porción dentada forjada 11 , y la atraviesan de manera conjunta, como se indica con la flecha 21. La bobina 17 calienta localmente la porción dentada forjada 11 en la región 19, y el refrigerante 20 rociado del anillo de enfriamiento 18, seguido por la bobina 17, enfrían inmediatamente y se endurecen la región calentada localmente 19. Así, la porción dentada forjada 11 es endurecida progresivamente en su longitud. El anillo de enfriamiento 18 puede segmentarse de modo que las perforaciones de rociado se encuentran en varias ubicaciones axiales para controlar la rectitud de la porción dentada 11 durante el enfriamiento repentino. Por ejemplo, las perforaciones de rociado que dirigen el refrigerante a los dientes pueden estar más cerca de la bobina 17 que a las perforaciones de rociado que están dirigidas a la porción trasera de la cremallera.

Claims (18)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un método de fabricación para un componente de acero, que comprende los pasos de a) calentar al menos la porción de la pieza en tosco de acero a una primera temperatura de al menos 600°C; b) forjar la porción para darle forma; c) enfriar la porción en una manera controlada a una segunda temperatura por encima de 200°C; d) calentar al menos una parte de la superficie de la porción a al menos una temperatura de austenificación; y después e) enfriar repentinamente la porción, endureciendo así la superficie.

2.- El método de fabricación para un componente de acero de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la primera temperatura es menor que 1000°C.

3.- El método de fabricación para un componente de acero de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque la primera temperatura está entre 750°C y 850°C.

4.- El método de fabricación para un componente de acero de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la segunda temperatura es menor que 500°C.

5.- El método de fabricación para un componente de acero de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque la segunda temperatura está por encima de 300°C.

6.- El método de fabricación para un componente de acero de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la pieza en tosco de acero está hecha de acero de carbono medio, adecuado para el endurecimiento por inducción.

7.- El método de fabricación para un componente de acero de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la pieza en tosco de acero está hecha de acero que tiene una estructura bainítica y la segunda temperatura está por encima de 600°C.

8.- El método de fabricación para un componente de acero de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque la segunda temperatura está entre 650°C y 700°C.

9.- El método de fabricación para un componente de acero de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el paso (c) comprende enfriar rápidamente la porción a una segunda temperatura y mantener la porción a la segunda temperatura hasta que la porción forma una microestructura fina.

10.- El método de fabricación para un componente de acero de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque el enfriamiento rápido toma menos de 20 segundos y la segunda temperatura está entre 400°C y 550°C.

11.- El método de fabricación para un componente de acero de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque en el paso (d), la superficie se calienta por calentamiento por inducción.

12.- El método de fabricación para un componente de acero de conformidad con la reivindicación 1 1 , caracterizado además porque la frecuencia del calentamiento por inducción está entre 1 kHz y 600kHz.

13.- El método de fabricación para un componente de acero de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizado además porque la superficie es calentada de manera local y progresiva y enfriada repentinamente por una bobina de inducción y el anillo de enfriamiento que atraviesan la superficie en forma conjunta.

14.- El método de fabricación para un componente de acero de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque en el paso (d), la superficie se calienta mediante calentamiento por inducción.

15.- El método de fabricación para un componente de acero de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque en el paso (b), la porción se forja en una forma que comprende dientes del engrane con forma neta.

16.- El método de fabricación para un componente de acero de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado además porque el componente es una cremallera de dirección y la pieza en tosco es una barra redonda.

17.- El método de fabricación para un componente de acero de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende el paso de revenir la porción después del paso (e).

18.- Un método de fabricación para una cremallera de dirección a partir de una barra de acero redonda, que comprende los pasos de a) calentar al menos una porción de la barra a una primera temperatura entre 750°C y 850°C; b) forjar los dientes del engranaje con forma neta en la porción; c) enfriar la porción a una segunda temperatura entre 400°C y 550°C en menos de 20 segundos; d) mantener la porción a aproximadamente la segunda temperatura hasta que la porción forma una microestructura fina; e) calentar al menos la superficie del diente a al menos la temperatura de austenificación; f) enfriar de manera repentina la porción, endureciendo por lo tanto la superficie; y después g) revenir la porción.