WO2006114453A1 - Acero de cementación o carbonitruración y procedimiento de fabricación de piezas a partir de ese acero - Google Patents
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Definitions
- the hardenability curves of the considered steels have been obtained according to the Jominy test, which is usually carried out at an industrial level in steels that are manufactured with a demand for temperability. Said test consists of machining a specimen of certain dimensions, heating it to a temperature where the steel is austenized and cooling it at one end with a jet of cold water. The hardness is then measured in two opposite generatrices of the pro beta and is shown in front of the distance to the tempered end. In this way, according to the hardness value obtained at each point, the structural transformations that take place in steel with different types of cooling are known.
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Abstract
Se contempla la incorporación del vanadio en cantidades menores a 0,15 % en peso en un acero de cementación o carbonitruración. Esta adición junto con una composición concreta del resto de elementos contribuye a elevar la templabilidad del acero y a minimizar deformaciones cuando una zona de la superficie de una pieza para cuya fabricación se ha seleccionado dicho acero es sometida a un tratamiento de endurecimiento por cementación o carbonitruración seguido de temple en un medio poco severo.
Description
ACERO DE CEMENTACIÓN O CARBONITRURACIÓN Y PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓN DE PIEZAS A PARTIR DE ESE
ACERO
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un material de acero de cementación o carbonitru ración y al procedimiento de obtención de piezas a partir de ese material.
Es objeto de Ia invención un acero de cementación o carbonitruración que presente una composición tal que permita elevar su templabilidad y minimizar deformaciones cuando una zona de su superficie es sometida a un tratamiento de endurecimiento por cementación o carbonitruración seguido de temple en un medio poco severo.
Es asimismo objeto de Ia invención el procedimiento de obtención de una pieza mecánica a partir de este acero de partida.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La cementación representa uno de los tratamientos térmicos^ superficiales más extendidos que se realizan con materiales metálicos y eεs de especial aplicación en piezas de automoción presentes en órganos des transmisión tales como la dirección, caja de cambios. Los elevados rozamientos que se generan durante su funcionamiento obligan a que las superficies de las piezas sean duras y con elevada resistencia al desgaste., además de incorporar un núcleo tenaz para resistir los choques mecánicos que se producen durante el servicio. Para conseguir estas propiedades se
recurre normalmente al empleo de piezas fabricadas con aceros de cementación.
Los aceros de cementación presentan un contenido en Carbono entre 0,15% y 0,30 % en peso y elementos de aleación tales como manganeso, cromo, níquel y molibdeno entre otros, que favorecen Ia obtención de las características finales exigidas a las piezas. Los aceros de cementación más empleados en Ia fabricación de componentes destinados a Ia industria de automoción son los aceros aleados al Cr, IVInCr, MoCr, NiCr1 CrNi1 NiCrMo1 CrNiMo.
Para aumentar Ia dureza superficial de Ia pieza se somete al acero a un proceso de cementación que aumenta el contenido de C en su capa superficial hasta alcanzar valores comprendidos entre O1S y 1 %C. El proceso de cementación se realiza a alta temperatura en una atmósfera gaseosa controlada. Tras el proceso de cementación Ia periferi a de Ia pieza puede encontrarse relativamente blanda a pesar del alto contenido en C y el núcleo puede mostrar fragilidad por tener una estructura grosera, por Io que se hace necesario a continuación someter a Ia pieza a un proceso de temple.
En el proceso de temple las piezas se enfrían desde Ia temperatura de cementación hasta Ia temperatura ambiente a ι_ιna velocidad de enfriamiento que asegure Ia transformación de Ia austenita en Ia estructura final que requiere el acero.
Entre las técnicas de cementación y temple conocidas se está implantando la cementación a baja presión combinada con un temple en el cual se sustituye el aceite por un gas a alta presión, de esta "forma se está consiguiendo mejorar Ia calidad superficial y reducir las defo rmaciones de las piezas.
El enfriamiento con gas implica que los gradientes de temperatura en Ia pieza sean más homogéneos que los alcanzados con aceite, Io cual supone una reducción de las deformaciones de origen térmico. Sin embargo el gas empleado como fluido de temple puede presentar menor capacidad de refrigeración que el aceite Io que supone que Ia pieza de acero obtenida tenga menor resistencia.
Para aumentar Ia capacidad de refrigeración del gas se recurre a aumentar Ia presión del mismo, sin embargo una presión excesiva puede ocasionar deformaciones finales más elevadas en las piezas.
La patente de invención EP O 890 653 se refiere a un procedimiento de fabricación de piezas de acero cementado o carbonitrurado y al acero para Ia fabricación de dicha pieza. Este acero se concibe para conseguir durezas elevadas en Ia superficie de Ia pieza obtenida tras el tratamiento térmico y para mejorar las características mecánicas del núcleo tratando de evitar deformaciones que puedan conducir al rechazo de Ia pieza o a Ia necesidad de efectuar mecanizados suplementarios. De acuerdo con dicha invención se propone una composición concreta del acero de partida en Ia que participa el C con un porcentaje en peso entre 0,2 y 0,26 y otros componentes entre los que se incluyen Si, P, S, Mn, Cr, Ni, Mo, Al, Cu, Ti.
Las propiedades de las piezas obtenidas por los tratamientos térmicos descritos resultan susceptibles de ser optimizadas mediante el empleo de un acero de partida como el que propone Ia invención que se describe seguidamente.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención propone un acero de cementación o
carbonitruración que se emplea como material de partida susceptible de someterse a un tratamiento de endurecimiento por cementa ción o carbonitruración y posterior temple, que se concibe con una composición química que eleva Ia templabilidad de este tipo de aceros y que asimismo permite emplear medios de temple poco severos con el objeto de minimizar las deformaciones finales de Ia pieza obtenida mediante este tratamiento.
Se presenta un acero de cementación o carbonitruració n en el que como resultado de diversas investigaciones se ha constatado d« forma inesperada que Ia adición de vanadio en contenidos menores a un 0, 15% en peso provoca en aceros de una composición química determin ada un aumento óptimo de Ia templabilidad.
Los inventores han comprobado un efecto sinérgico que tiene lugar en piezas de acero aleado al CrMn con unos contenidos en dichos elementos no habituales en aceros de cementación, a los que se ai nade Ia cantidad señalada de vanadio, que son sometidos a un tratamiento de endurecimiento por cementación o carbonitruración seguido de un temple.
Estas piezas de composición química novedosa presentan unas características mejoradas en Io que se refiere a una mayor templabilidad y menores deformaciones, además de obtener un acero con mayor calidad metalúrgica y con respuesta repetitiva y uniforme al tratamiento térmico de temple.
El vanadio se emplea en mayores porcentajes para mejorar Ia resistencia al desgaste en otros aceros como los de herramientas, pero no en aceros de cementación o carbonitruración en las concentraciones indicadas y con Ia combinación de elementos que se propone.
La pieza de acero de partida cuya superficie se somete parcialmente a tratamiento de cementación o carbonitruración cuenta con Ia
siguiente composición química en porcentaje en peso:
0,15 %<C< 0,27% 0,50 % < Mn <1 ,00 % 1,10 %< Cr < 2,00%
0,00 % < Mo < 0,08 % 0,01 %<V<0,50%
así como eventualmente cuenta con uno o varios elementos: hasta 0,0050 % Ca, hasta 0,15 % Bi, hasta 0,20 °Λ> Pb, hasta 0,02 % Te, hasta 0,04 % Se, siendo el resto elementos residuales que resultan del proceso de fabricación.
El efecto de cada uno de dichos elementos de aleación en el proceso de fabricación del acero, en su respuesta a los tratamientos térmicos y en propiedades como du reza y templabilidad, es conocido por los técnicos metalúrgicos y queda descrito en Ia literatura sobre el tema.
Adicionalmente el acero puede incorporar al menos uno de los elementos siguientes o una combinación de los mismos:
0,05 % < Si < 0,50 %
P < 0,030 %
S < 1,000% 0,10 %< Ni < 0,50%
0,00 % < Cu < 0,35 %
0,005% ≤Al< 0,050%
0,005 % < Ti < 0,050 %
0,0040 % ≤ N =≤ 0,0200 %
Una composición preferente de Ia pieza de acero de partida en
porcentaje en peso es Ia siguiente:
0,18 %< C < 0,26 % 0,80%<Mn<1,00 % 1,30 %< Cr < 1,70 %
0,00 %< Mo < 0,08 % 0,03 %<V< 0,15 %
Para esta solución preferente adicionalmente comprende al menos uno de los elementos siguientes o una combinación de ellos:
0,05 %< Si < 0,50 % P < 0,030 % 0,020 %<S<0, 090% 0,10 %< Ni < 0,50 %
0,00 % < Cu < 0,35 % 0,005 % < Al < 0,050 % 0,005 %< Ti < 0,050% 0,0040 % < N ≤ 0,0200 %
La combinación descrita permite Ia obtención de una microestructura homogénea y consigue que las características mecánicas de las piezas obtenidas sean de órdenes similares para medios de temple de distinta severidad, como por ejemplo gas a presiones diferentes.
El procedimiento de fabricación de una pieza de acero transcurrirá según las siguientes etapas:
- selección de un material de acero, - fabricación con el material de acero de una pieza mediante forja o mecanizado,
- tratamiento de cementación o carbón itru ración de al menos una parte de Ia superficie de Ia pieza,
- temple,
- revenido o distensionado,
en el que el acero seleccionado presenta Ia composición general o Ia composición preferente descritas con anterioridad.
El acero obtenido minimiza las deformaciones por Io que permitiría eliminar las operaciones de aca bado que se efectuarían tras Ia operación de revenido, (ya sea rectificado, enderezado u otras) con el consiguiente ahorro que esto supone.
EJEMPLOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
Ejemplo 1
A modo de ejemplo y para ilustrar el aumento de templabilidad que se produce como consecuencia de Ia adición de vanadio a Ia composición de un acero de cementación o carbonitruración se han fabricado piezas con varios aceros cuyas composiciones químicas en porcentaje en peso son las siguientes:
Tabla 1
Los aceros A1, B1 , C1, D i y E1 presentan bajos contenidos en vanadio y los aceros A2, B2, C2, D2 y E2 están fabricados con una composición química similar y un co ntenido en vanadio de acuerdo con el rango que propone Ia invención.
Las curvas de templabilidad de los aceros considerados se han obtenido según el ensayo Jominy que se realiza habitualmente a nivel industrial en los aceros que se fab> rican con exigencia de templafc>ilidad. Dicho ensayo consiste en mecanizar una probeta de unas dimensiones determinadas, calentarla hasta una temperatura en que el acero esté austenizado y enfriarla por un extremo con un chorro de agua fría. A continuación se mide Ia dureza en dos generatrices opuestas de Ia pro beta y se representa frente a Ia distancia al extremo templado. De este modo se conocen, según el valor de dureza obtenido en cada punto, las transformaciones estructurales que tienen lugar en el acero con enfriamientos de distinta naturaleza.
Las curvas Jominy obtenidas para los aceros del ejemplo se
detallan en Ia siguiente tabla:
Tabla 2
Al comparar las curvas Jomin^ de los aceros A1 con A2, B1 con B2, C1 con C2, D1 con D2 y E1 con E2 se comprueba que los aceros B2 y D2, con composiciones químicas y contenido en vanadio dentro del rango que propone Ia invención, presentan unas curvas de templabilidad con valores de dureza superiores a los obtenidos para los aceros B1 y D1 , que no contienen vanadio. Este efecto de aumento de Ia templabilidad por adición de vanadio no se observa en las curvas Jominy de los aceros A2, C2 y E2, cuya composición química queda fuera del rango que propone Ia invención.
Ejemplo 2
A continuación se describe un ejemplo en el que se ilustra Ia reducción de Ia deformación asegurando al mismo tiempo una dureza
óptima de piezas sometidas a tratamientos de endurecimiento por cementación o carbonitruración seguidos de temple con gas, en los que se emplea un acero con las características de composición preferentes correspondientes al acero de partida que constituye el objeto de esta invención.
A partir de una serie de aceros de diferente composición se han fabricado piezas de una particular geometría que disponen una dimensión sensible a las deformaciones. La composición en porcentaje en peso de los aceros de partida se refleja en Ia siguiente tabla, en Ia que se puede comprobar que el acero E presenta una composició n química dentro del rango preferente que propone Ia invención.
Tabla 3
Las piezas fabricadas con estos aceros se someten a un proceso industrial de cementación a baja presión a una temperatura de 98O0C y a un temple posterior con gas a presiones de 5 bar, 10 bar, 15 bar y 20 bar respectivamente, seguido de un distensionado.
Se ha medido Ia dureza en el núcleo, donde tiene lugar el
enfriamiento menos severo, de todas las piezas así fabricadas, reflejando Ia siguiente tabla los valores obtenidos.
Ta bla 4
Los resultados de Ia tabla anterior muestran que las máximas durezas se obtienen con el enfriamie nto más severo templando las piezas a una presión de 20 bar. Asimismo se observa que al reducir Ia presión del gas de temple en los aceros A, B, C y D se reducen los valores de dureza obtenidos. Por el contrario, en el acero E objeto de Ia invención los valores de dureza se mantienen en órdenes similares incluso con el enfriamiento menos severo que tiene lugar a 5 bar.
Para obtener las características mecánicas óptimas en las piezas fabricadas el acero E se podrá por Io tanto templar a Ia menor presión posible, con Io que minimizan las deformaciones. Sin embargo, para obtener durezas similares a las del acero E con 5 bar, los otros aceros requerirán enfriamientos más severos: los aceros A, B y C temple con presiones de gas en torno a 20 bar, y el acero D con presiones de al menos 15 bar, obteniendo piezas con deformaciones superiores a las del acero de Ia invención.
Esto queda reflejado en la siguiente tabla, que muestra el
resultado del control dimensional realizado antes y después del tratamiento en Ia dimensión sensible a deformarse en las piezas A, B, C, D y E para las diferentes presiones de gas de temple, y que se expresa como Ia variación respecto a Ia dimensión inicial en tanto por ciento.
Tabla 5
Se comprueba por Io tanto en este ejemplo que para min imizar las deformaciones obtenidas en las piezas después del tratamiento térmico hay que emplear en el temple medios con Ia menor severidad de temple posible, como gases a baja presión , y aceros que garanticen Ia obtención de las características requeridas al componente. El acero E, que presenta Ia combinación de elementos dentro del rango objeto de Ia invención , asegura en las piezas fabricadas según el procedimiento objeto de Ia invención, Ia reducción de las deformaciones tras el tratamiento y Ia obtención de las exigencias mecánicas reque ridas, así como una estructura homogénea en Ia pieza y un comportamiento uniforme y repetitivo del material.
Claims
1.- Acero de cementación o carbón itru ración caracterizado porque comprende corno elemento fundamental V en un porcentaje en peso de 0,01 % < V < 0,50 °/o, en combinación con:
0,15 %<C< 0,27% 0,50%<Mn<1,00% 1,10 %< Cr < 2,00% 0,00 %< Mo < 0,08 %
así como opcionalmente cuenta con al menos uno de los siguientes componentes: hasta 0,0050 % Ca, hasta 0,15 % Bi, hasta 0,20 % Pb, hasta 0,02 % Te, hasta 0,04 % Se.
2.- Acero de cementación o carbonitruración según reivindicación 1 caracterizado porque comprende adicionalmente al menos uno de los elementos siguientes o una combinación de ellos:
0,05 % ≤ Si ≤ 0,50 %
P < 0,030 %
S < 1,000%
0,10 %< Ni ≤ 0,50% 0,00 % < Cu ≤ 0,35 %
0,005% < Al < 0,050%
0,005 % < Ti < 0,050 %
0,0040 % < N < 0,0200 %
3.- Acero de cementación o carbonitruración según reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque comprende como elemento fundamental V en un porcentaje en peso de 0,01 % ≤ V ≤ 0,50 %, en combinación con:
0,15 %<C< 0,27%
0,50%≤Mn<1,00% 1,10 %≤ Cr < 2,00%
0,00 % < Mo < 0,08 %
0,05 % < Si < 0,50 %
P < 0,030 %
S < 1 ,000 % 0,10 %≤ Ni < 0,50%
0,00 % < Cu < 0,35 %
0,005% < Al < 0,050%
0,005 % < Ti ≤ 0,050 %
0,0040 % < N < 0,0200 %
así como opcionalmente cuenta con al menos uno de los siguientes componentes: hasta 0,005O % Ca, hasta 0,15 % Bi, hasta 0,20 % Pb, hasta 0,02 % Te, hasta 0,04% Se.
4.- Acero de cementación o carbonitruración según reivindicación 1 caracterizado porque comprende como elemento fundamental V en un porcentaje en peso de 0,03 % < V < 0,15 %, en combinación con:
0,18%<C<0,26%
0,80%<Mn<1,00% 1,30 %< Cr < 1,70% 0,00 % < Mo < 0,08 %
5.- Acero de cementación o carbonitruración según reivindicación 4 caracterizado porque comprende adicionalmente al memos uno de los elementos siguientes o una combinación de ellos:
0,05 % < Si < 0,50 % P < 0,030 % 0,020 % ≤ S < 0,090 aΛ
0,10 %< Ni < 0,50% O1OO % < Cu < 0,35 % 0,005% ≤ Al < 0,050 % 0,005 % < Ti ≤ 0,050 °/0 0,0040 % < N < 0,0200 %
6.- Acero de cementación o carbonitruración según reivindicaciones 4 y 5 caracterizado porque comprende como elemento fundamental V en un porcentaje en peso de 0,03 % < V ≤ 0,15 °/o, en combinación con:
0,18 %<C< 0,26%
0,80%<Mn<1,00%
1,30 %< Cr < 1,70%
0,00 % < Mo < 0,08 °/& 0,05 % < Si < 0,50 %
P < 0,030 %
0,020 % < S < 0,090 %
0,10 %< Ni < 0,50%
0,00 % < Cu < 0,35 °/o 0,005% < Al < 0,050 %
0,005 % < Ti < 0,050 SO
0,0040 % ≤ N < 0,0200 %
7.- Procedimiento de fabricación de una pieza de acero que transcurre según las etapas de:
- selección de un material de acero, fabricación con el material de acero de una pieza mediante forja o mecanizado,
- tratamiento de cementación o carbonitruración de al menos una parte de Ia superficie de Ia pieza,
- temple,
- revenido o distensionado, caracterizado porque en Ia fase de selección se elige un acero de Ia composición descrita en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.
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