MÉTODO DE FABRICACIÓN DE UN PISTÓN PARA MOTOR DE EXPLOSIÓN Y PISTÓN ASÍ OBTENIDO DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención es concerniente con el dominio de los pistones de motor de explosión, en particular para vehículos automotrices, de peso pesado, motores agrícolas, motores de trabajo público, barcos. En los últimos años se han desarrollado motores de explosión de altos desempeños, que presentan en particular potencias especificas elevadas para respectar las nuevas y futuras normas anti-contaminación sobre las emisiones de C02. Esto es particularmente verdadero en el caso de motores diesel . Este aumento de las potencias específicas ocasiona un aumento muy sustancial de las tensiones térmicas y mecánicas a las cuales son sometidas las piezas de los motores y en particular los pistones. Estos, en consecuencia, son de concepción más y más compleja. Habitualmente, los pistones son realizados de una sola pieza de aleación de aluminio moldeado o forjado. Sin embargo, las condiciones de tensión acrecentadas en donde se ha hablado vuelve a los pistones clásicos inadaptados. En consecuencia, se imaginan diversas soluciones para volver a los pistones de aluminio compatibles con los motores de alto desempeño: inserción de fibras de alúmina a la aleación para reforzarlas, agregar insertos de acero para disminuir la Ref.: 152480 dilatación, depósito de grafito sobre el faldón para disminuir los frotamientos ó fabricación de canales de enfriamiento para ahi hacer circular el aire ó aceite a manera de mantener el pistón a temperaturas de funcionamiento aceptables. Sin embargo, todas estas soluciones son costosas. Una solución contemplable podría ser el reemplazo de la aleación de aluminio por un acero que, de geometría comparable, presentaría una mejor resistencia a las tensiones mecánicas y térmicas y a la fatiga y un mejor comportamiento a la temperatura. Debido a que el acero utilizado en otro tiempo para fabricar pistones, sin embargo, el uso del acero para fabricar pistones de motores de alto rendimiento no es en efecto contemplable económicamente a primera vista, debido a la densidad elevada de este material. Si se desea conferir al pistón una masa suficientemente reducida para la obtención de altos desempeños del motor, faltaría llegar a un espesor de pared muy reducido después del forjado del pistón. Tal espesor es inaccesible por los métodos de forjado clásicos si, por razones de costo, se busca continuar a realizar los pistones de una sola pieza. El objeto de la invención es volver posible la fabricación, en condiciones económicamente ventajosas, pistones para motor de explosión de altos desempeños, en particular al permitir utilizar para esto un acero u otra aleación densa de propiedades mecánicas elevadas, en lugar de una aleación de aluminio especialmente tratada y/o conformada . Para este efecto, la invención tiene por objeto un método de fabricación de un pistón para motor de explosión, el pistón es formado de una pieza metálica en monobloques, caracterizado porque se efectúa un calentamiento de un trozo para llevarlo a una temperatura intermedia entre su temperatura de sólido y su temperatura de liquido y porque se efectúa su formación mediante tixoforjado. La invención tiene igualmente por objeto un motor de explosión, compuesto de una pieza metálica en monobloque, caracterizado porque ha sido fabricado mediante calentamiento de un trozo para llevarlo a una temperatura intermedia entre su temperatura de sólido y su temperatura de liquido, seguido de una formación mediante tixoforjado. En un ejemplo de realización sus botas están constituidas por estribos provistos en el fondo de la cavidad interior de pistón, provistos de un orificio para el paso del eje que une el pistón y la biela y presenta en su faldón huecos que dan acceso a los orificios de los estribos. La forma de la pared del pistón se puede referir a aquella de la superficie del fondo del pistón sobre su costado destinado a ser girado hacia la cámara de combustión. El pistón puede comprender nervaduras de refuerzo. El pistón puede ser realizado de acero al carbono.
Su composición puede entonces ser en porcentajes ponderales : 0.35% < C < 1.2% 0.10% < Mn < 2.0% 0.10% < Si < 1.0% trazas = Cr < 4.5% trazas < o < 2.0% trazas < Ni < 4.5% trazas < V < 0.5% trazas < Cu < 3.5% trazas < ?1 < 0.060% trazas < Ca < 0.050% trazas < B' < 100 ppm trazas < Ti < 0.050% trazas < Nb < 0.050% Los otros elementos son hierro e impurezas clásicas resultantes de la elaboración. Puede comprender igualmente hasta 0.180% de S y por lo menos uno de los elementos escogidos de entre, hasta 0.080% de Bi, hasta 0.020% de Te, hasta 0.040% de Se, hasta 0.070% de Pb. El pistón puede ser realizado de acero de herramental en caliente. El pistón puede ser realizado de acero rápido.
El pistón puede ser realizado de acero inoxidable. El pistón puede ser realizado de acero de fundición . El pistón puede ser realizado de acero de aleación a base de Fe-Ni. El pistón puede ser realizado de acero de aleación a base de Ni-Co. Como se comprenderá, la invención reside en el uso del método de formación llamado "tixoforj ado", conocido en si pero que jamás ha sido aplicado a la fabricación de pistones. El tixoforjado es un método que consiste en realizar la formación de una pieza metálica mediante forjado de un trozo luego de llevarlo a una temperatura intermedia entre su temperatura de sólido y su temperatura de liquido, a manera de coexistir al seno del trozo de la materia sólida y de la materia liquida intimamente mezcladas. Esto permite, en relación a los métodos clásicos de forjado en caliente, realizar piezas de geometría compleja que pueden presentar paredes delgadas y esto con esfuerzos muy reducidos de formación. En efecto, bajo la formación de esfuerzos externos, los metales sufren una operación de tixoforjado, se comportan como fluidos viscosos. El tixoforjado es utilizable para numerosas clases de aleaciones. En lo que sigue de la exposición de la invención, se concentrará en el tixoforjado de aceros al carbono, comprendiéndose que otras aleaciones se pueden prestar a la fabricación de pistones mediante tixoforjado. El éxito de una operación de tixoforjado de un acero depende en primer lugar de la estructura primaria obtenida a una temperatura intermedia entre sólido y liquido durante el ciclo de calentamiento del trozo antes de su formación mediante tixoforjado. La experiencia demuestra que antes de la operación de formación, el trozo debe presentar una estructura primaria globular antes que dendritica. En este último caso, durante el calentamiento, la segregación de los diversos elementos de la aleación entre las dendritas y los espacios inter-dendriticos ocasiona una fusión preferencial de los espacios inter-dendriticos enriquecidos por los elementos de aleación. El liquido resultante tiende a ser expulsado al principio de la operación de formación, lo que ocasiona un aumento de esfuerzos a aplicar (aquellos que se ejercen sobre un metal más sólido que el previsto) y la aparición de defectos en el seno de la pieza: segregaciones y problemas de salud interna. Cuando la operación de formación mediante tixoforjado es realizada sobre una estructura primaria globular obtenida mediante un calentamiento adaptado, se obtiene un producto homogéneo que se puede deformar a velocidad elevada. La estructura primaria dendritica del trozo puede ser optimizada para facilitar la obtención, durante el calentamiento antes del tixoforjado, de una estructura primaria globular homogénea. Esto puede ser obtenido al jugar en particular sobre la intensidad de la mezcla electromagnética durante la solidificación del producto vaciado en continuo que permite fragmentar las dendritas y sobre la intensidad del enfriamiento de este producto que condiciona el crecimiento de las dendritas y la difusión de elementos segregantes, todo ello para un tamaño de producto dado. Si se opera sobre un trozo procedente de una barra laminada procedente de un florecimiento de vaciado continuo de un lingote, esto facilita la obtención de una estructura globular durante el calentamiento precedente al tixoforjado, sin que sea necesario recurrir a una operación separa de globulización de la estructura primaria. En efecto, los múltiples calentamientos y las deformaciones importantes sufridas por el acero han entonces conducido a una estructura muy imbricada y difusa en donde una estructura primaria es prácticamente imposible de revelar. El calentamiento del trozo que busca obtener la temperatura de tixoforjado es efectuada en general mediante inducción, para obtener una excelente homogeneidad de la temperatura sobre el conjunto de la sección del trozo y una excelente reproducibilidad de la operación de un trozo en otro . La invención será mejor comprendida en la lectura de la descripción que sigue, dada con referencia a las figuras anexas siguientes: La figura 1, que presente en perspectiva y en corte longitudinal un ejemplo del pistón de la técnica previa, realizado clásicamente de aleación de aluminio forjado; La figura 2 que presenta de la misma manera un ejemplo del pistón de acuerdo con la invención que puede sustituir al presente, realizado de acero al carbono tixoforj ado . El pistón 1 de la técnica previa mostrado en corte y en perspectiva en la figura 1 como referencia, es conocido para ser empleado en un motor diesel de 1, 900 cm3 de cilindro de inyección directa a alta presión. Es fabricado mediante forjado de una aleación de aluminio AS12UNG reforzada mediante fibras de alúmina. Su diámetro exterior es de 80 mm. De manera clásica, sus diferentes porciones están constituidas por: -una cavidad interna 2 en donde se puede alojar la biela que arrastrará el pistón 1; -un faldón 3 que constituye la pared lateral del pistón 1, destinada a ponerse en contacto con la camisa del cilindro, en particular por la intermediación de segmentos (no mostrados) dispuestos en los alojamientos 4, 5, 6 provistos sobre la periferia del faldón 3, al nivel del fondo 7 del pistón 1;
-una superficie 8 del fondo del pistón, que constituye la parte del pistón 1 que está de frente a la cámara de combustión cuando el pistón 1 está colocado en el cilindro y en donde la conformación, mostrada solamente como ejemplo, es clásicamente conocida para favorecer la combustión del carburante; -una pata 9, que comprende un orificio 10 de pared reforzada hacia el interior del pistón 1, provista en el faldón 3 para permitir el paso a través del orificio 10 del eje destinado a unir el pistón 1 y la biela. Una pata similar es. dispuesta simétricamente en oposición a la pata 9 sobre la porción del pistón 1 no mostrada. Se puede notar que: -el faldón 3 presenta un espesor relativamente elevado, de 6 mm; -el fondo del pistón 7 que es luego asi espeso, con una distancia máxima entre su superficie 8 y el fondo 11 de la cavidad interior 2 de 29 mm, -la distancia entre el segmento de disparo (aquel que es colocado en el alojamiento 6 más próximo a la superficie 8) y la superficie 8 del fondo del pistón 7 es de 11 mm; -la altura de compresión, es decir, la distancia entre el centro del orificio 10 de la pata 9 y la superficie 8 del fondo del pistón 7, es de 51 mm;
- el diámetro del orificio 10 de la pata 9 es de
28 mm; -la altura total del pistón 1 es de 68 mm; -el peso del pistón 1 es de 525 g después de la fabricación. El pistón 12 de acuerdo con la invención mostrado en la figura 2 es llamado a sustituir al pistón 1 de la técnica previa que ha sido descrito. Es realizado mediante tixofor ado de un acero al carbono de composición (en porcentaje ponderales): C = 0.962%; n = 0.341%; Si = 0.237%; Cr = 1.500%; Ni = 0.089%; Mo = 0.017%; Cu = 0.161%; Al = 0.037%; S = 0.010%; P = 0.009%; V = 0.004%; Ti = 0.002%; Sn = 0.002%; N = 0.0041%. Los elementos funcionales equivalentes a aquellos del pistón 1 de la técnica previa están , designados por las mismas referencias. Se nota que, en relación al pistón 1 de la técnica previa : -el faldón 3 es bastante más delgado: su espesor no es más que de 1.5 mm; -el espesor del fondo del pistón 7 es muy reducido, de 3 mm aproximadamente y la forma de su pared se adhiere a aquella de su superficie 8 sobre su lado destinado a ser girad hacia la cámara de combustión; el resultado es que la cavidad interior 2 del pistón 12 presenta un gran volumen, lo que proporciona una gran economía de materia que aligera considerablemente el pistón 12; -la distancia entre el segmento de disparo en el elemento 6 y la superficie 8 del fondo del pistón 7 es de 5 mm; -la pata no está integrada al faldón 3, sino que está constituida por un estribo 13 triangular, provisto en el fondo de la cavidad 2 y perforado por el orificio 10; un estribo similar se encuentra simétricamente al estribo 13 en la porción del pistón 12 no mostrada; para dar acceso al estribo 13 y al orificio 10, el faldón 3 presenta un vacío grande 14, lo que le permite todavía aligerar el pistón 12 y también reducir la superficie de contacto entre el faldón 3 y la camisa del cilindro, en los frotamientos sufridos por el pistón 12 durante el uso; -la altura de compresión es de 32 mm solamente; -el diámetro del orificio 10 del estribo 13 es de 20 mm solamente, lo que permite reducir el diámetro del eje que une el pistón 12 y la biela; -la altura total del pistón 12 es de 75 mm (pero podría llegar a un valor idéntico a aquel del pistón 1 de la técnica previa) ; -el peso del pistón 12 es de 500 g después de la fabricación. Esta geometría compleja no puede ser obtenida en una pieza de monobloque de acero al carbono mas que gracias a la utilización del método de tixoforjado. Solamente da acceso, en particular, al espesor reducido del faldón 3 que ha sido citado. Se debe notar que la ganancia de peso proporcionado por esta configuración se hace sentir no solamente en el espesor mismo, sino sobre el conjunto del equipaje móvil de pistón-eje de pistón-biela. Como se ha visto, la ganancia de peso en el pistón es de 25 g. La reducción de 28 a 20 mm del diámetro del eje del pistón y su acortamiento de 80 a 50 mm (el eje del pistón es en los dos casos un tubo de 6 mm de espesor) permite ganar 156 g en esta pieza. El peso de la biela puede también ser reducido algunos gramos. Las modificaciones dimensionales que han sido señaladas entre el pistón 1 de la técnica previa de aleación de aluminio y el pistón 12 de acuerdo con la invención de acero tixoforjado que tiene la composición citada se hacen posibles por las mejores características mecánicas y térmicas del acero, puestas en evidencia en la tabla 1. Todas las características han sido medidas a 350 °C. esta temperatura es una temperatura promedio que el pistón en funcionamiento alcanza en casos extremos, pero que puede ser rebasada extensamente de manera local en la vecindad de la cámara de combustión del cilindro.
Tabla 1 : características comparadas de la aleación de aluminio A512UNG reforzado y de acero del ejemplo precedente a 450°C
Se ve que las mejores características mecánicas del acero utilizan el uso de una menor cantidad de materia para obtener una pieza de resistencia a las tensiones igual, lo que permite compensar la densidad superior del acero y obtener una pieza que es asimismo más ligera que su equivalente de aluminio . Por otra parte, las características mecánicas del acero son más estables en temperatura que aquellas del aluminio . Debido a la conductividad térmica más reducida del acero, se puede permitir que, como se ha visto, reducir sustancialmente la distancia entre el segmento de disparo y el fondo 8 del pistón. Los espaciamientos entre los segmentos pueden asimismo ser reducidos. Todo aquello compite ó concurre a la disminución de la cantidad de materia utilizada. Por otra parte, el calor liberado en la cámara de combustión sigue asi concentrado en el fondo del pistón. El faldón 3 sufre asi menos variaciones de temperatura, lo que reduce los problemas de dilatación, como el hecho asi el coeficiente de dilatación más reducido del acero en relación a otras aleaciones metálicas tales como aluminio. El faldón 3 y la camisa del cilindro se dilatan poce más ó menos de la misma manera, lo que permite reducir los juegos de funcionamiento y evacuar más rápidamente el calor hacia la camisa. Por la misma razón, el calor de la cámara de combustión es menos evacuado por el pistón de acero que por el pistón de aluminio, lo que aumenta el rendimiento del motor . La reducción de la altura de compresión permite disminuir la altura de los cilindros, mejora asi la compacidad del motor. Este es todavía un factor de disminución del peso del motor. Si se comprueba que el fondo 7 del pistón alcanza temperaturas excesivas, se puede prever su enfriamiento por un chorro de aceite dirigido hacia la cavidad 2. Esta solución es de cualquier manera menos compleja que el uso de canales de enfriamiento al interior del pistón, que es frecuentemente necesario con los pistones de aluminio. La geometría del pistón 12 que se ha descrito no es más que un ejemplo de aplicación de la invención, ya sea por la apariencia general del pistón o por las dimensiones precisas de sus diferentes partes. Asi, el tixofo jado ofrece la posibilidad de mezclar nervaduras de refuerzo de espesor reducido en diferentes zonas del pistón. Un ejemplo no limitante de acero que puede ser utilizado para fabricar un pistón mediante tixoforjado está constituido por la gama general siguiente (en porcentajes ponderales) : 0.35% < C < 1.2% 0.10% < Mn < 2.0% 0.10% < Si < 1.0% trazas < Cr < 4.5% trazas < o 2.0% trazas < Ni < 4.5% trazas < V < 0.5% trazas < Cu < 3.5% Los otros elementos son hierro e impurezas clásicas resultantes de la elaboración: P, Sn, N, As... Opcionalmente, se pueden agregar: - elementos de desoxidación: Al (hasta 0.060%) y/o Ca (hasta 0.050%) ; - elementos que mejoran la capacidad de templado, tales como B (hasta 100 ppm) ;
- elementos que mejoran la capacidad de fabricación: S (hasta 0.180%), Bi (hasta 0.080%), Te (hasta 0.020%), Se (hasta 0.040%), Pb (hasta 0.070%); - elementos que bloquean el engrosamiento del grano, tales como Ti (hasta 0.050%) y Nb (hasta 0.050%) . Dos ejemplos de tales aceros que pueden en particular ser citados: Ejemplo 1: C = 0.377%; Mn = 0.825%; Si = 0.190%; Cr = 0.167%; Ni = 0.113%; Cu = 0.143%; Al = 0.022%; S = 0.01%; P = 0.07.%; Sn = 0.01%; N = 75 ppm; Ca = 6 ppm. La temperatura del sólido medida de este acero es de 1430°C y la temperatura del liquido medida es de 1538 °C. El tixoforjado tiene lugar preferiblemente a 1480°C. Ejemplo 2 (utilizado para realizar el pistón de la figura 2) : C = 0.962%; Mn = 0.341%; Si = 0.237%; Cr = 1.500%; Ni = 0.089%; Mo = 0.017%; Cu = 0.161%; Al = 0.037%; S = 0.01%; P = 0.009%; V = 0.004%; Ti = 0.002%; Sn = 0.002%; N = 41 ppm. La temperatura del sólido medida de este acero es de 1315 °C y la temperatura del liquido medida es de 1487 °C. El tixoforjado tiene lugar preferiblemente a 1405°C. Ejemplo 3: C = 0.825%; Mh - 0.649%; Si = 0.213%; Cr = 0.100%; Ni = 0.062%; Cu = 0.107%; Al = 0.035%; S = 0.007%; P = 0.007%; N = 55 ppm. La temperatura del sólido medida de este acero es de 1360 °C y la temperatura del liquido medida es de 1490 °C. El tixoforjado tiene lugar preferiblemente a 1429°C. Se debe notar que las temperaturas del liquido y sólido medidas a las cuales se hace alusión pueden diferir notablemente de las temperaturas del liquido y sólido calculadas en función de la composición del acero por las fórmulas clásicamente disponibles en la literatura. En efecto, estas fórmulas son valiosas en el caso en donde el acero ve su temperatura descender de algunos grados por minuto durante una solidificación seguida de un enfriamiento. Para la determinación de la temperatura de tixoforjado óptima, las temperaturas del sólido y el liquido deben ser medidas en condiciones reales a las cuales serán sometidos los trozos, a saber un calentamiento a partir de la temperatura ambiente, efectuado por inducción a una velocidad del orden de varias decenas de grados por minuto. Sin embargo, esta determinación puede ser efectuada por el experimentado en la técnica con ayuda de análisis clásicos que no presentan dificultades particulares. Para los materiales que se han descrito, el tixoforjado debe tener lugar de preferencia con una fracción liquida que representa 10 a 40% del acero. Por debajo de 10%, tiene un riesgo de que el metal no fluya correctamente y solidifique muy rápido al contacto con las herramientas. ? más de 40%, tiene riesgos de hundimiento y de derrame del metal durante la operación de calentamiento: el trozo se hace difícil de transferir correctamente hacia las herramientas de formació . Los aceros de los cuales se muestra la composición son aceros de construcción o de tratamiento térmico utilizados en el forjado y mecánica. Son susceptibles de convenir a la fabricación de pistones utilizables en la mayoría de vehículos automotrices, de peso pesado, motores de trabajos públicos, motores agrícolas, barcos, etc. Para aplicaciones particularmente exigentes en términos en particular de temperaturas alcanzadas en la cabeza del pistón, es contemplable utilizar aceros que permitan el trabajo en caliente de tales aceros de herramental en caliente 38CrMoV5, 45CrMoV6, 55NiCrMoV7, los aceros rápidos clásicos o sobrecarburados e igualmente fundiciones o aleaciones a base de hierro-níquel o cobalto-níquel. Se puede igualmente contemplar el uso de aceros inoxidables, para el caso en donde el pistón sería llamado a trabajar al contacto con carburantes que vuelven a los aditivos particularmente corrosivos, por ejemplo aceros inoxidables martensíticos Z40Crl3 a Z200Crl3. Todos estos materiales, así como los aceros al carbono del tipo utilizable en la invención, tiene por característica un contenido de carbono elevado (0.35% en peso), incluso más elevado. Es un elemento muy favorable a la operación de tixoforjado pues abate la temperatura del sólido y amplia el intervalo de solidificación: se tiene asi más fácilmente acceso al intervalo óptimo de fracción de liquido en el metal . Se notará que la invención puede ser aplicada a una gran variedad de aleaciones, lo esencial es que sus características mecánicas y térmicas se presten bien a su utilización para formar pistones y que presenten una buena aptitud al tixoforjado. Se hace constar que, con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.