ES2200409T3 - Metodo de tratamiento termico electrico, aparato de tratamiento termico electrico, y electrodo para el aparato de tratamiento termico electrico. - Google Patents

Metodo de tratamiento termico electrico, aparato de tratamiento termico electrico, y electrodo para el aparato de tratamiento termico electrico.

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ES2200409T3 ES99100312T ES99100312T ES2200409T3 ES 2200409 T3 ES2200409 T3 ES 2200409T3 ES 99100312 T ES99100312 T ES 99100312T ES 99100312 T ES99100312 T ES 99100312T ES 2200409 T3 ES2200409 T3 ES 2200409T3
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Abstract

LA INVENCION SE REFIERE A UN TRATAMIENTO SUPERFICIAL LOCALIZADO DE CALIDAD, P.EJ. REFUNDIR UNA PARTE DE UNA SUPERFICIE DE UNA PIEZA QUE SE ESTA TRABAJANDO MEDIANTE CALENTAMIENTO ELECTRICO. DICHO TRATAMIENTO SE EFECTUA FACILMENTE SUMINISTRANDO CORRIENTE ELECTRICA ENTRE UN ELECTRODO DE ENERGIZACION Y LA PIEZA, MANTENIENDO SIMULTANEAMENTE EL EXTREMO DISTAL DEL ELECTRODO EN CONTACTO INTIMO CON LA PARTE DE LA SUPERFICIE QUE SE VA A REFUNDIR. SE PUEDE CONSEGUIR UN CALENTAMIENTO LOCALIZADO MEDIANTE CALENTAMIENTO ELECTRICO BASADO EN EL CALOR GENERADO A PARTIR DE LA PROPIA RESISTENCIA DEL ELECTRODO DE ENERGIZACION, Y DEL CALOR GENERADO A PARTIR DE LA RESISTENCIA DE CONTACTO EN LA SUPERFICIE DE CONTACTO ENTRE EL EXTREMO DISTAL DEL ELECTRODO DE ENERGIZACION Y LA PARTE SUPERFICIAL QUE SE VA A REFUNDIR.

Description

Método de tratamiento térmico eléctrico, aparato de tratamiento térmico eléctrico, y electrodo para el aparato de tratamiento térmico eléctrico.
Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención
La presente invención está relacionada con un método de tratamiento térmico eléctrico, y más particularmente con un método de tratamiento térmico eléctrico para el tratamiento de superficies de piezas a trabajar mediante el calentamiento eléctrico de las piezas a trabajar.
2. Descripción del arte relacionado
En general, las superficies de las secciones intervalvulares de una culata de cilindros formada por una fundición de aleación de aluminio en un motor diesel, por ejemplo, están provistas con un tratamiento de refusión para hacerlas más resistentes al alto esfuerzo térmico. Convencionalmente, el tratamiento de refusión se lleva a cabo mediante la aplicación de energía de alta densidad utilizando un arco TIG, arco de plasma, haz de láser, haz electrónico, etc. Por ejemplo, en el caso del tratamiento de refusión utilizando un arco, tal como se muestra esquemáticamente en la vista en sección de la figura 35, se irradia un arco de alta temperatura 42 desde un soplete 41 situado alejado a una distancia predeterminada de la superficie de la pieza 40 a trabajar para fundir la superficie de la pieza 40 mediante el calor transmitido desde el arco 42. A continuación, el soplete 41 se desplaza continuamente a lo largo de una parte que exija el tratamiento de refusión. En este instante, justo por debajo del arco 42, se creará un nuevo cráter 45 por el arco 42, y la parte fundida por el arco 42 fluirá hasta una parte que haya sido un cráter 45a antes de mover el soplete, de forma que se rellene el cráter 45a; la parte se autoenfría rápidamente debido a la extracción del calor hacia el material de la base y solidificándose. Como resultado de ello, la estructura de la parte superficial de la pieza 40 se transforma en una estructura continua más fina conforme el soplete 41 se desplaza a fin de generar una capa reforzada 46. Se pulveriza simultáneamente un gas de blindaje 43 de argón, helio, o bien otro gas desde el soplete 41 y alrededor del arco 42, a fin de impedir que la parte fundida pueda oxidarse debido al contacto con el aire.
Se ha propuesto calentar uniformemente un eje de levas completo mediante la aproximación de electrodos contra ambos extremos del eje de levas para crear un precalentamiento antes del tratamiento de refusión del eje de levas, tal como se expone por ejemplo en la publicación de patentes japonesas número 5-156346.
Tal como se expone, por ejemplo, en la publicación de patentes japonesas número 6-172846, es conocido que una banda metálica que se desplaza en un horno de tratamiento térmico continuo se calienta eléctricamente mediante electrodos de rodillos de carbón para recocerla.
Adicionalmente, se ha propuesto, por ejemplo, en la publicación de patentes japonesas número 64-56817, poner en contacto un electrodo contra una parte de la pieza y formar un recorrido de puenteado de la corriente eléctrica para desviar una parte caliente o la parte en contacto de la pieza. Así pues, cuando la parte distinta a la parte caliente de la pieza alcanza aproximadamente la misma temperatura que la parte caliente, el recorrido eléctrico de puenteado se libera para calentar eléctricamente la pieza completa.
Adicionalmente, es conocido el calentamiento eléctrico de una banda metálica que se desplaza en un horno de tratamiento térmico continuo mediante electrodos de rodillos de carbón para recocerla tal como se expone en la publicación de patentes japonesa número 6-172846.
La publicación de patentes alemanas DE-4124644 expone un tratamiento de refusión de la superficie de piezas mediante la aplicación de un electrodo de rodillo que se desplaza sobre la superficie a tratar. La parte superficial es por tanto tratada térmicamente en forma local mediante el electrodo de rodillo y posteriormente se enfría rápidamente.
Sumario de la invención
El arte previo descrito anteriormente, no obstante, tiene el siguiente inconveniente. Cuando se ejecuta el tratamiento de refusión mediante el arco 42, se genera el cráter 45 por el arco 42, por lo que para impedir que el cráter 45 pueda dejarse al final del tratamiento en la parte que requiere la refusión, es necesario mover continuamente el soplete 41 uniformemente hasta una parte que no requiera el tratamiento. Por esta razón, el arte anterior presenta tales inconvenientes como las dificultades existentes en la refusión con éxito de justamente solo un punto en particular, invirtiendo mucho tiempo para el tratamiento, y con posibilidades de generar grietas atribuibles al esfuerzo térmico indebido que se desarrolla en la proximidad de la parte bajo el tratamiento. Adicionalmente, se produce un fenómeno conocido como soplo magnético del arco que altera el arco, provocando el desplazamiento de vez en cuando. Adicionalmente, existe el peligro de que no se ejecute el tratamiento debido a un fallo en el encendido. La extracción de calor hacia el material de la base provoca la solidificación direccional desde el material de la base hasta la superficie de la pieza para efectuar el desgasificado; no obstante, el calor es extraído también hasta la superficie conforme se desplaza el soplete 41, dando lugar en forma no deseable a una directividad insuficiente o a la solidificación direccional. Otra ventaja incluso es la necesidad de gas de blindaje 43 para impedir la oxidación de la superficie.
Utilizando haces de láser o similar para refundir una pieza formada por un constituyente de aluminio, que es altamente reflectivo, presenta un problema de bajo rendimiento. Esto hace que sea difícil conseguir un tratamiento de refusión profunda de una parte que requiera el tratamiento. La concentración de energía provoca también cráteres como en el caso del tratamiento llevado a cabo mediante arcos.
Como posibles soluciones, se encuentran disponibles procesos de tratamiento superficial implementados mediante el calentamiento eléctrico, al igual que en el arte previo anteriormente descrito. No obstante, en los casos de los tratamientos expuestos en la publicación de patentes japonesas número 5-156346 y número 64-56817, la alta conductividad térmica del constituyente del aluminio hace difícil conseguir con éxito un calentamiento rápido localizado, aunque hace posible calentar uniformemente la pieza completa. En el caso del tratamiento descrito en la publicación de patentes japonesas número 6-172846, puesto que la banda metálica se desplaza continuamente con respecto a los electrodos de los rodillos de carbón, el calor es extraído también hacia la superficie de la pieza. Así pues, todo el arte previo hace difícil proteger las superficies de la pieza contra la oxidación, o bien que se permita satisfactoriamente la solidificación direccional en el tratamiento de refusión.
Lo mismo es aplicable al tratamiento descrito en el documento DE-4124644 que no permite la solidificación direccional satisfactoria de la parte superficial de la pieza a trabajar.
En consecuencia, la presente invención se ha configurado con una perspectiva que apunta a la resolución de los problemas anteriormente descritos, y siendo un objeto de la misma hacer posible la consecución de un tratamiento localizado de calidad mediante un método fácil mediante la mejora de los métodos de tratamiento térmico eléctrico convencional, para conseguir un tratamiento superficial tal como la refusión de la superficie de la pieza a trabajar.
A tal fin, de acuerdo con la presente invención, se proporciona un método para llevar a cabo un tratamiento superficial de calentamiento predeterminado sobre una parte de la superficie de una pieza formada por una aleación de aluminio hecha mediante fundición de forma tal que la parte de la superficie en contacto con un electrodo de excitación consiga una solidificación direccional, de forma que la parte superficial sea refundida para incluir granos más finos que la otra parte no tratada térmicamente con el tratamiento superficial térmico, incluyendo el mencionado método las etapas de:
proporcionar una pieza a trabajar para ser tratada térmicamente, que está hecha mediante fundición, que tiene lugar mediante la fusión de un constituyente de aleación de aluminio; poniendo en contacto el electrodo de excitación en la mencionada parte de la superficie de la pieza hecha mediante fundición; suministrar corriente eléctrica entre el electrodo de excitación y la mencionada pieza, manteniendo mientras tanto una parte extrema distal del mencionado electrodo de excitación en contacto próximo con la mencionada parte superficial, a fin de crear un calentamiento eléctrico tanto por el calor generado a partir de la autoresistencia del propio electrodo de excitación, como por el calor generado por la resistencia de contacto entre la mencionada parte distal del mencionado electrodo de excitación y la mencionada parte de la superficie; refundir la mencionada parte de la superficie, en la que se suministra la corriente eléctrica de forma tal que la temperatura de un extremo distal del mencionado electrodo de excitación alcance el punto de fusión del constituyente de la mencionada pieza o superior; cortar el suministro de corriente eléctrica y mantener el mencionado electrodo de excitación en contacto próximo con la mencionada pieza hasta que se complete la solidificación direccional de la mencionada parte superficial, y solidificándose la mencionada parte superficial, de forma que la mencionada parte superficial llegue a ser más fina que la otra parte no tratada térmicamente, consiguiente por tanto la mencionada solidificación direccional.
Las realizaciones de la presente invención son el tema objeto de las reivindicaciones. De acuerdo con la presente invención, se proporciona un método para un tratamiento térmico eléctrico para llevar a cabo un tratamiento superficial térmico predeterminado de una parte superficial de una pieza, en el que se suministra una corriente eléctrica entre un electrodo de excitación y una pieza manteniendo un extremo distal del electrodo de excitación en contacto próximo con la parte de la superficie para provocar el calentamiento de efecto localizado mediante el calentamiento eléctrico que haga uso de la generación de calor a partir de la autoresistencia del propio electrodo de excitación y de la generación de calor de la resistencia de contacto en la interfaz entre el extremo distal del electrodo de excitación y la parte superficial, proporcionando por tanto a la parte superficial el tratamiento superficial predeterminado.
Así pues, el calor generado a partir de la autoresistencia del propio electrodo y a partir de la resistencia de contacto en la interfaz entre el electrodo y la pieza se concentra solamente sobre la parte superficial de la pieza en contacto con el electrodo. Esto permite que la parte superficial sea calentada localmente, permitiendo que el tratamiento térmico se complete rápidamente antes de que el calor sea extraído a otras partes. En consecuencia, poniendo en contacto el electrodo solo contra una parte que requiera el tratamiento, ello permite que el tratamiento localizado sea llevado a cabo de forma fácil. Puesto que el electrodo se mantiene casi en contacto íntimo con la parte superficial, la parte no está expuesta al aire durante el tratamiento; en consecuencia, la superficie puede ser protegida contra la oxidación sin necesidad de utilizar un gas de blindaje o similar. Además de ello, durante el tratamiento de refusión, el electrodo mantiene el efecto de aislamiento térmico incluso después de que se corte el suministro de corriente eléctrica, de forma que el calor se apenas extraído de la superficie, permitiendo así que la solidificación direccional sea acometida con fiabilidad desde el material de la base hasta la superficie de la pieza. Esto permite que el tratamiento superficial de calidad pueda ser realizado con facilidad. Se comprende que el tratamiento predeterminado significa el tratamiento de refusión de una pieza o de la aleación de una pieza y de un material diferente del constituyente de la pieza. Así pues, puede obtenerse un tratamiento específico óptimo para el método de tratamiento térmico eléctrico.
En una forma preferida de la invención, la corriente eléctrica se suministra de forma que la temperatura en el extremo distal del electrodo no sea inferior al punto de fusión del constituyente de la pieza, permitiendo así que pueda realizarse con seguridad el tratamiento de refusión o tratamiento de la aleación.
De acuerdo con la invención, la pieza está formada por una aleación de aluminio. Puesto que la aleación de aluminio tiene una alta conductividad térmica, el uso de una aleación de aluminio conduce al problema de la dificultad del calentamiento localizado y al problema de la oxidación de la superficie de la pieza. La presente invención, no obstante, permite el fácil calentamiento localizado mientras que impide la oxidación de la superficie; en consecuencia, pueden mostrarse totalmente las ventajas de la aleación de aluminio.
En una forma preferida adicional de la invención, el electrodo está formado por un constituyente de carbón. El electrodo de carbón permite que pueda ejecutarse el tratamiento superficial con seguridad y efectividad, porque el constituyente del carbón muestra una autogeneración térmica excelente.
En una forma preferida adicional de la invención, el área de la sección del electrodo que es aproximadamente paralela a la superficie de la pieza en contacto con el electrodo, es menor que la parte extrema distal del electrodo. Esto hace posible maximizar la resistencia del electrodo para incrementar la autogeneración de calor, mientras que recubre el área superficial de la pieza a tratar, permitiendo el calentamiento localizado de forma satisfactoria.
En otra realización preferida incluso de la invención, una parte superficial de la pieza que tiene que ponerse en contacto contra el electrodo está formada de forma que sobresalga de la superficie que le rodea antes del tratamiento térmico eléctrico. la pieza La pieza se presiona usualmente contra el electrodo; en consecuencia, la parte superficial de la pieza que tiene que ponerse en contacto contra el electrodo está abollada por la presión antes mencionada, y puede hacer que quede enrasada con la superficie que le rodea después del tratamiento, permitiendo así que se reduzca el costo del proceso de acabado final. Adicionalmente, si la superficie del trabajo a poner en contacto con el electrodo se suaviza con antelación al tratamiento superficial, no se requiere tratar el área periférica por adelantado, reduciendo el área a tratar. Esto permite un menor costo de procesamiento antes y después del tratamiento superficial.
En otra forma preferida incluso de la invención, el electrodo y la pieza son llevados casi a un punto en contacto entre sí antes del calentamiento eléctrico, y el área de contacto entre los mismos se incrementa mediante la aplicación de presión a la pieza mediante el electrodo, a fin de deformar la parte de la superficie de la pieza en contacto con el electrodo. Esto permite eventualmente el contacto íntimo con el electrodo para que mantenga con fijación incluso si la parte superficial de la pieza en contacto con el electrodo tuviera hoyos y salientes como en una superficie de fundición; en consecuencia, la generación de chispas puede ser impedida con seguridad sin llevar a cabo un preprocesamiento tal como la suavización de la superficie. Adicionalmente, la distribución no uniforme de la corriente eléctrica no tiene lugar en la etapa inicial del suministro de corriente eléctrica en el electrodo, de forma que es posible la distribución apropiada del esfuerzo térmico, haciendo así posible impedir que se agriete el electrodo.
En una forma preferida adicional de la invención, el electrodo se calienta por adelantado antes del tratamiento térmico eléctrico. Haciendo de esta forma, la temperatura de excitación inicial del electrodo puede ser incrementada. Esto hace posible reducir el esfuerzo térmico aplicado al electrodo durante el tratamiento térmico a fin de impedir las grietas en el electrodo y también para calentar rápidamente la pieza a trabajar.
Otras características y ventajas de la presente invención llegarán a ser evidentes a partir de la siguiente descripción en conjunción con los dibujos adjuntos, en los cuales los caracteres de referencia similares designan las mismas partes o las similares a través de las figuras de la misma.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es una vista en sección esquemática que muestra un aparato de tratamiento térmico eléctrico 100 de acuerdo con una realización de la presente invención;
la figura 2 es una vista en planta superior que muestra las superficies de las secciones intervalvulares de una culata de cilindros;
la figuras 3A y la figura 3B muestran un tratamiento de refusión que se está efectuando sobre las superficies de las secciones intervalvulares; corresponden a la figura 1;
la figura 4A y la figura 4B son vistas laterales ilustrativas de otra realización de un electrodo superior;
la figura 5 muestra una sección intervalvular de una culata de cilindros que se ha formado a fin de que sobresalga; corresponde a la figura 1;
la figura 6A y la figura 6B muestran un electrodo superior con un fondo cónico; corresponden a la figura 1;
la figura 7 es una vista de una sección ampliada que muestra las ranuras en V de la superficie extrema inferior del electrodo superior;
la figura 8 es una vista en sección ampliada que muestra una hendidura en forma de U de la superficie extrema inferior del electrodo superior;
la figura 9 muestra un caso en el que se suelda una segunda pieza a la primera pieza; corresponde a la figura 1;
la figura 10 muestra un caso en el que se implementa un proceso de aleación; corresponde a la figura 1;
la figura 11 muestra un estado después de haber completado el proceso de aleación; corresponde a la figura 1;
la figura 12 muestra el aparato de tratamiento térmico eléctrico 100 de acuerdo con otra realización; corresponde a la figura 1;
la figura 13 es una vista en planta superior que muestra una pieza de pruebas 10;
la figura 14 es una vista en sección tomada en la línea XIV-XIV de la figura 13;
la figura 15 es una vista en sección que muestra un electrodo superior compuesto por un tubo de tungsteno dentro del cual se ha encajado a presión o por encogimiento una pieza de carbón;
la figura 16 muestra el aparato de tratamiento térmico eléctrico 100 de acuerdo incluso con otra realización; corresponde a la figura 1;
la figura 17 es una vista en planta superior que muestra la pieza de pruebas 10;
la figura 18 muestra un gráfico ilustrativo de la relación existente entre la distancia desde una superficie y la dureza de la pieza de pruebas entre dos agujeros pasantes después del tratamiento térmico eléctrico;
la figura 19 es una fotomicrografía ilustrativa del estado de la estructura del área entre los dos agujeros pasantes de la pieza de trabajo después de un tratamiento de refusión, en el cual se aplicó un tratamiento térmico eléctrico a la superficie superior de la fotomicrografía;
la figura 20 es una vista ampliada de una parte próxima a la superficie de una parte superficial a la cual se aplicó el electrodo superior; corresponde a la figura 19;
la figura 21 es una vista ampliada de una parte alejada de la superficie de la parte superficial a la cual se aplicó el electrodo superior; corresponde a la figura 19;
la figura 22 es una vista ampliada adicional de la parte superficial a la cual se aplicó el electrodo superior; corresponde a la figura 19;
la figura 23 es una vista que muestra una pieza de trabajo que tiene un defecto de fundición;
la figura 24 es una fotomicrografía ilustrativa de la estructura de un área en la proximidad de una capa de aleación observada al haber implementado la aleación localizada, en la que se aplicó un tratamiento térmico eléctrico a la superficie superior de la fotomicrografía;
la figura 25 es una fotomicrografía ilustrativa de la estructura de una interfaz entre la pieza de trabajo y una columna después de haber aplicado el proceso de un tratamiento térmico eléctrico a la superficie superior de la fotomicrografía;
la figura 26 muestra un gráfico ilustrativo de las influencias ejercidas sobre la longevidad a la fatiga térmica por el tratamiento de refusión y por el proceso de ablandamiento en un componente de aleación de aluminio;
la figura 27 es una vista en sección que muestra una parte superior de un pistón que está siendo sometido a la refusión;
la figura 28 es una vista en sección ilustrativa de las dimensiones detalladas del electrodo superior y de un electrodo intermedio;
la figura 29 muestra un gráfico ilustrativo de una relación entre la presión de una superficie de presionado y la profundidad de refusión;
la figura 30 muestra un gráfico que indica la relación entre la presión de la superficie de presionado y el voltaje aplicado;
la figura 31 muestra un gráfico que indica la relación entre la presión de la superficie de presionado y la cantidad de calor introducido en la pieza;
la figura 32 muestra un gráfico que indica la relación entre el valor de la corriente eléctrica y la cantidad de calor introducido en la pieza a trabajar;
la figura 33 es una vista en sección ilustrativa del electrodo superior cuando el electrodo intermedio no se utiliza en la medida de la cantidad de calor introducido;
la figura 34 muestra un gráfico ilustrativo del calor introducido en la pieza cuando se emplea el electrodo intermedio y cuando no se utiliza; y
la figura 35 es una representación esquemática ilustrativa de un tratamiento de refusión basado en el arco convencional.
Descripción de la realización preferida
Se describirán a continuación las realizaciones de acuerdo con la presente invención, en conjunción con los dibujos adjuntos. La figura 1 muestra esquemáticamente un aparato de tratamiento térmico eléctrico 100, de acuerdo con una realización de la presente invención. El aparato 100 se emplea para refundir una parte superficial 10b (véase la figura 2 y la figura 3) de cada sección intervalvular 10a en una culata de cilindros 10 o en una pieza de un motor diesel, teniendo el aparato 100 un electrodo superior 1 en la parte superior del mismo y un electrodo inferior 2 en la parte inferior del mismo. El electrodo inferior 2 está formado por un constituyente de cobre que muestra una autogeneración de calor extremadamente baja cuando se excita, tal como se describirá más adelante, y que sirve como pedestal de recepción que soporta la culata de cilindros 10.
Por el contrario, el electrodo superior 1 está compuesto por un constituyente de carbón caracterizado por la autogeneración de calor extremadamente alta al ser excitado. El electrodo superior 1 está formado con un perfil de columna con el fin de que su superficie extrema distal inferior se sitúe y se mantenga en contacto contra la culata de cilindros 10. El electrodo superior 1 está configurado de forma que sea capaz de moverse relativamente en forma vertical y horizontal con respecto al electrodo inferior 2, y siendo capaz también de aplicar una cierta presión a la culata de cilindros 10 colocada sobre el electrodo inferior 2. Los electrodos superior e inferior 1 y 2 están conectados a una fuente de alimentación 6 a través de un conmutador 5. Cuando el conmutador 5 está cerrado, con el electrodo superior 1 en contacto contra la culata de cilindros 10, la corriente eléctrica de un cierto valor de amperaje circula a través del electrodo superior 1, de la culata de cilindros 10 y del electrodo inferior 2.
La culata de cilindros 10 está formada por un constituyente de una fundición de aleación de aluminio, fabricada por fundición. La culata de cilindros 10 está provista con cuatro agujeros 10c, 10 c y así sucesivamente que están configurados casi a intervalos iguales en la dirección circunferencial tal como se muestra en la figura 2. De los cuatro agujeros 10c, 10c y así sucesivamente, los dos que no están adyacentes entre sí están provistos para una lumbrera de admisión, y los restantes dos están provistos para una lumbrera de escape, y una cámara de combustión subsidiaria. La superficie extrema distal del electrodo superior 1 está en contacto secuencial contra la superficie de cada sección intervalvular 10a situada entre dos agujeros conjuntos 10c y 10c, a fin de refundir localmente solo la parte superficial 10b de la sección intervalvular 10a tal como se expondrá posteriormente. Más específicamente, el área de la superficie extrema distal del electrodo superior 1 es aproximadamente igual al área superficial de cada sección intervalvular 10a, en el que una parte de la superficie extrema distal del electrodo superior 1 está posicionada por encima de los dos agujeros pasantes 10c y 10c cuando la superficie extrema distal del electrodo superior 1 llega a entrar en contacto con la superficie de cada sección intervalvular 10a. Así pues, en la culata de cilindros 10, solamente es tratada la parte superficial 10b de cada sección intervalvular 10a, que es la parte de la superficie en contacto con el electrodo superior 1.
Se describirá a continuación el método por el cual las partes superficiales 10b de las respectivas secciones intervalvulares 10a de la culata de cilindros 10 son refundidas por el aparato de tratamiento térmico eléctrico 100, configurado según se explicó anteriormente. Primeramente, todas las secciones intervalvulares 10a de la culata de cilindros fundida 10, que tienen que ser refundidas, y las superficies alrededor de las mismas, están mecanizadas para suavizarlas mediante la eliminación de hendiduras y salientes de la superficie de fundición. A continuación, la culata de cilindros 10 se sitúa sobre la parte superior del electrodo inferior 2, de forma tal que las superficies de las secciones intervalvulares 10a miren hacia arriba. Después de esto, el electrodo superior 1 se desplaza hacia abajo y horizontalmente para hacerlo llegar casi en contacto próximo con la superficie de una sección 10a intervalvular.
Subsiguientemente, tal como se muestra en la figura 3A, el conmutador 5 se cierra para iniciar el suministro de corriente eléctrica y aplicándose presión en la culata de cilindros 10 por un electrodo de cuerpo principal 3 y el electrodo superior 1. Conforme se mantiene este estado, la parte superficial 10b de la sección intervalvular 10a de la culata de cilindros 10 se caliente localmente por el calor generado a partir de la autoresistencia del electrodo superior 1 y del calor generado por la resistencia de contacto en la interfaz entre la superficie extrema distal del electrodo superior 1 y la superficie de la sección intervalvular 10a de la culata de cilindros 10. Esto provoca que la parte superficial 10b alcance el punto de fusión del aluminio para su fusión. En unos pocos segundos después de la fusión, el conmutador 5 se abre para interrumpir el suministro de corriente eléctrica. Casi tan pronto como se interrumpe el suministro de corriente eléctrica, se suspende también la aplicación de presión por el electrodo superior 1. No obstante, el electrodo superior 1 se mantiene casi en contacto intimo con la superficie de la sección intervalvular 10a, al menos hasta que se complete la solidificación de la parte superficial 10b de la sección intervalvular 10a después de la interrupción del suministro de corriente eléctrica.
El tiempo de excitación anterior está preajustado de acuerdo con la relación entre la fuerza de la presión, es decir, la presión superficial aplicada a la superficie de la sección intervalvular 10a, y el valor de la corriente, es decir, la densidad de la corriente en la superficie de la sección intervalvular 10a. La presión de la superficie que presiona se ajusta a 0,5 kg/mm^{2} o inferior. El ajuste de la presión sobre la superficie de presión a un valor más alto de 0,5 kg/mm^{2} provocaría que la cantidad de calor generada por la resistencia de contacto antes mencionada se estabilizara a un valor pequeño, con una profundidad pequeña de refusión resultante y un tiempo de tratamiento prolongado. En consecuencia, la presión se ajusta a 0,5 kg/mm^{2} o un valor inferior según se ha mencionado anteriormente. La densidad de corriente se ajusta de forma tal que la parte superficial 10b de la sección intervalvular 10a se funda mediante los dos tipos anteriores de calor generado antes de que el calor se transmita a las partes distintas a la parte superficial 10b de la sección intervalvular 10a. Con el fin de llevar a cabo con seguridad el tratamiento de refusión, la densidad de la corriente se ajusta de forma que la temperatura del extremo distal del electrodo superior 1 alcance el punto de fusión del aluminio o superior cuando se suministre la corriente eléctrica.
Tal como se muestra en la figura 3B, el calor en la parte superficial fundida 10b de la sección intervalvular 10a es dispersado, mediante su radiación hacia un material de base cuando se interrumpe la corriente eléctrica. La temperatura del propio electrodo superior 1, no obstante, no desciende de forma inmediata, y en consecuencia el calor no se radia desde la superficie de la sección intervalvular 10a del electrodo superior 1. En consecuencia, la parte superficial 10b de la sección intervalvular 10b de la sección intervalvular 10a se enfría rápidamente desde el material base hacia la superficie, consiguiendo así la solidificación direccional. Esto hace sobresalir defectos de fundición tal como diminutos agujeros de soplado que existían antes de llevar a cabo el tratamiento de refusión, permitiendo la ejecución de la desgasificación de forma segura. Adicionalmente, puesto que el electrodo superior 1 se mantiene casi en contacto intimo con la superficie de la sección intervalvular 10a, la superficie de la sección intervalvular 10a no está expuesta al aire durante el tratamiento de refusión, y por tanto estando protegida contra la oxidación. Como resultado de ello, la parte superficial 10b de la sección intervalvular 10a obtiene una estructura fina, y la estructura se extiende homogéneamente desde el material base hasta la superficie.
En la siguiente etapa, el electrodo superior 1 se desplaza para llevarlo a entrar en contacto con la superficie de la siguiente sección intervalvular 10a. El mismo procedimiento que se ha descrito anteriormente se repite hasta que se complete la refusión de todas las secciones intervalvulares 10a de la culata de cilindros 10. En este instante, las secciones intervalvulares refundidas 10a se abollan por haber estado sometidas a presión y son inferiores en consecuencia a la superficie que les rodea. La superficie superior de la culata de cilindros 10 (la superficie superior llega a ser la superficie inferior cuando se ensambla la culata de cilindros en un motor) se recorta y es sometida a un mecanizado de acabado para eliminar las abolladuras en todas las secciones intervalvulares 10a.
Finalmente, el tratamiento térmico T6 es lleva a cabo en la culata de cilindros 10 con el mismo método que un método convencional. Esto trae consigo la dureza de las partes superficiales 10b de las secciones intervalvulares 10a a casi la dureza existente antes del tratamiento de refusión que se realizó. La dureza de una parte que haya sido ablandada por el calor radiado cuando las partes superficiales 10b de las secciones intervalvulares 10a se solidificaron puede ser también restaurada. Adicionalmente, el esfuerzo residual que se haya producido en la culata de cilindros 10 queda así eliminado.
Así pues, en el tratamiento de refusión de acuerdo con el método del tratamiento térmico eléctrico en la realización anterior, el calor generado por la autoresitencia del electrodo superior 1 en sí y por el calor generado por la resistencia de contacto en la interfaz entre el electrodo superior 1 y la culata de cilindros 10, se concentra solamente sobre la parte superficial 10b de una sección intervalvular 10a de la culata de cilindros 10. En consecuencia, cuando la conductividad térmica de la culata de cilindros 10 es alta, la parte superficial 10b puede ser calentada y fusionada localmente. Adicionalmente, el método del tratamiento térmico eléctrico de acuerdo con la realización no produce cráteres, los cuales se generan en el tratamiento de refusión de arco convencional. Esto permite un tratamiento extremadamente localizado solo sobre las secciones intervalvulares 10a que requieran el tratamiento de refusión, obviando la necesidad de ejecutar el tratamiento sobre las áreas circundantes que no requieran el tratamiento. En consecuencia, el problema de las grietas provocadas por esfuerzos térmicos no deseados puede quedar resuelto. Adicionalmente, la parte superficial 10b de la sección intervalvular 10a contra la cual está en contacto el electrodo superior 1 es tratada con seguridad sin el problema de desplazamiento atribuible al soplo magnético o similar. Adicionalmente, no hay necesidad de utilizar un gas de blindaje para impedir que las superficies puedan oxidarse, y proporcionándose un excelente efecto desgasificador. Así pues, el tratamiento térmico puede ser llevado a cabo con facilidad, y la calidad de la culata de cilindros 10 puede ser mejorada que con respecto a la que se obtiene por los métodos convencionales.
En la realización anterior, el electrodo superior 1 se ha formado con un perfil de columna. Preferiblemente, el electrodo superior 1 recibe una forma de forma tal que el área de la sección casi paralela a la superficie de la sección intervalvular 10a de la culata de cilindros 10 sea menor que el área de la superficie extrema inferior del mismo, sin cambiar el área de la superficie extrema distal del mismo. Específicamente, el electrodo superior 1 puede estar conformado de forma que, por ejemplo, sea más estrecho en su zona intermedia en la dirección vertical tal como se muestra en la figura 4A, o puede tener una forma cónica o trapezoidal en la que el diámetro disminuya hacia arriba, tal como se muestra en la figura 4B. Con una conformación similar a esta, se hace posible incrementar el valor de la resistencia del electrodo superior 1 sin cambiar la gama del tratamiento superficial, y por tanto puede incrementarse la cantidad de calor generado por la resistencia del electrodo superior 1 en sí. Esto significa que el tratamiento de refusión localizada puede ser ejecutado además en forma selectiva. La superficie extrema inferior del electrodo superior 1 no tiene que ser redonda; puede ser de cualquier forma en tanto que se adapte a la forma de la parte a tratar. De igual forma, el electrodo superior 1 puede estar formado por un constituyente distinto al componente de carbón.
En la realización anterior, las secciones intervalvulares 10a llegan a ser inferiores a las superficies periféricas de las mismas después del tratamiento de refusión, puesto que están presionadas por el electrodo superior 1. Tal como se muestra en la figura 5, la diferencia en altura entre las secciones intervalvulares 10a y las superficies periféricas de las mismas después del tratamiento de refusión puede reducirse mediante la formación de las secciones intervalvulares 10a de la culata de los cilindros 10 con antelación al instante de la fundición, de forma tal que sobresalgan de la superficie periférica en aproximadamente la magnitud de las recesiones estimadas provocadas por el tratamiento térmico. Haciéndolo así, el costo de mecanización de acabado puede ser reducido. Adicionalmente, solo se mecanizan las superficies de las secciones intervalvulares 10 en el proceso de premecanización para suavizar las superficies de las secciones intervalvulares 10a con antelación al tratamiento de refusión, obviando la necesidad de mecanizar estas áreas circundantes. En consecuencia, los procesos de mecanización antes y después del tratamiento pueden ser simplificados con la reducción consiguiente en los costos.
Al sobresalir las secciones intervalvulares 10a de la superficies circundantes tal como se ha mencionado anteriormente, la parte extrema inferior del electrodo superior 1 deberá ser conformada cónicamente de forma tal que el diámetro de la misma sea ahusado hacia el extremo distal según se muestra en la figura 6. Esto proporciona la ventaja siguiente: el electro superior 1 se encuentra en casi contacto puntual con la superficie de la sección intervalvular 10a de la culata de cilindros 10, tal como se muestra en la figura 6A antes de que se excite y se caliente; cuando se excite y se caliente, la parte superficial 10b de la sección intervalvular 10a se deforma plásticamente conforme se presiona por el electrodo superior 1, de forma que las áreas de contacto de los dos se incrementa según se muestra en la figura 6B, En consecuencia, incluso si las superficies de las secciones intervalvulares 10a son superficies de fundición, pueden ser mantenidas con seguridad en el estado en que se soldaron por el electrodo superior 1 en el instante del calentamiento eléctrico, permitiendo así que se omita dicha premecanización para suavizar las superficies. La parte central del electrodo superior 1 entra en contacto con la superficie de la sección intervalvular 10a en forma segura antes del calentamiento eléctrico; en consecuencia, no se produce la distribución no uniforme de la corriente eléctrica en el electrodo superior 1 en la etapa inicial de la excitación, y la corriente eléctrica es distribuida de forma tal que los esfuerzos térmicos cambian desde la parte central hacia las superficies periféricas laterales. Como resultado de ello, pueden impedirse las grietas en el electrodo superior 1 provocadas por los esfuerzos térmicos. Es preferible además hacer sobresalir las secciones intervalvulares 10a con respecto a las superficies adyacentes cuando la parte del extremo inferior del electrodo superior 1 sea cónica; no obstante, la ventaja anterior puede obtenerse incluso si no sobresalen como en la realización. Cuando el electrodo superior 1 está provisto con la parte de un área seccional más pequeña según lo descrito anteriormente, puede conformarse para que el área de la sección en la parte del área seccional más pequeña sea aproximadamente paralela a las superficies de las secciones intervalvulares 10a de la culata de cilindros 10, siendo más pequeña que el extremo proximal de la parte cónica en la parte del extremo distal.
Adicionalmente en la realización anterior, el electrodo 1 se caliente por el calor generado por la autoresistencia tan pronto como se inicia el suministro de la corriente eléctrica. Preferiblemente, el electrodo superior 1 se calienta hasta una temperatura predeterminada por adelantado antes de que el calentamiento eléctrico se inicie. Específicamente, por ejemplo, el electrodo superior 1 se pone en contacto contra el electrodo inferior 2 antes de colocar la culata de cilindros 10 sobre el electrodo inferior 2, y cerrando el conmutador 5 para suministrar la corriente eléctrica para precalentar por tanto el electrodo superior 1. Como una alternativa, después de que una sección intervalvular 10a haya sido refundida, el electrodo superior puede ser llevado para entrar en contacto con otro electrodo para excitarlo para el precalentamiento mientras que el electrodo superior 1 se están desplazando hacia la siguiente sección intervalvular 10a. Esto hace posible el incremento de la temperatura del electrodo superior 1 en la etapa inicial de la excitación, de forma que el esfuerzo térmico del electrodo superior 1 pueda ser reducido. En consecuencia, las grietas del electrodo superior 1 pueden evitarse con efectividad, y las partes superficiales 10b de las secciones intervalvulares 10a de la culata de cilindros 10 puede ser calentada y refundida de forma rápida.
La presión aplicada durante la excitación deberá ser ajustada a 1,5 kg/mm^{2} o inferior y estar configurada lo más bajo posible para incrementar el calor generado por la resistencia de contacto; no obstante, si se ajusta a un valor excesivamente bajo, pueden generarse chispas. Para evitar esto, el voltaje entre el electrodo superior 1 y la culata de cilindros 10, es decir, el valor de la resistencia de contacto, se monitoriza mediante un voltímetro, y la fuera de la presión se incrementa si el voltaje es más alto de un valor prefijado, mientras que se disminuye si el voltaje es inferior al valor preajustado. Esto permite que la cantidad de calor generado por la resistencia se incremente en todo lo posible mientras que se impide la formación de chispas. Proporcionando a la superficie extrema inferior del electrodo superior 1 con una pluralidad de ranuras en V, 1a, 1a, y así sucesivamente tal como se muestra en la figura 7, se reduce el área de contacto real, permitiendo un incremento adicional de la cantidad de calor generado por la resistencia de contacto. De igual forma, tal como se muestra en la figura 8, la hendidura en forma de V relativamente grande 1b puede ser formada en el centro de la superficie extrema inferior del electrodo superior 1, con el fin de incrementar la cantidad de calor generado por la resistencia de contacto. Esto no es muy adecuado para el tratamiento de refusión descrito anteriormente, pero puede ser aplicado a un proceso de suavización o similar que se describirá posteriormente.
En la realización anterior, el aparato de tratamiento térmico eléctrico se ha utilizado para ejecutar la refusión. Como una alternativa, no obstante, la parte de la superficie de la pieza contra la cual se pone en contacto el electrodo superior 1 puede ser calentada localmente por el calor generado por la autoresistencia del electrodo superior 1 en sí, y por el calor generado por la resistencia de contacto en la interfaz del extremo distal del electrodo superior 1 y la pieza para ejecutar por tanto el tratamiento superficial de la otra superficie con respecto a la parte contra la cual está en contacto el electrodo superior 1. Por ejemplo, puede llevarse a cabo el tratamiento de ablandamiento en las secciones intervalvulares 10a de culata de cilindros 10, o en una arista o similar de un pistón para ablandarlas hasta un punto en que no se fundan a fin de mejorar la extensión, permitiendo así una longevidad prolongada de la fatiga térmica. Es posible también ejecutar un tratamiento térmico tal como el enfriamiento rápido, temple, o recocido. La utilización activa de la fuerza de presión permite la forja localizada, y si existe un defecto de fundición tal como un agujero de soplado dentro de la pieza, el agujero de soplado puede ser eliminado, reduciendo así los defectos. Adicionalmente, según se muestra en la figura 9, una segunda pieza delgada 13 formada por un constituyente que tiene por ejemplo una alta resistencia al desgaste, que es diferente de la primera pieza 12, se coloca en la superficie superior de la primera pieza 12, y el electrodo superior 1 se pone en contacto contra la superficie superior de la segunda pieza 13, y se excita para el calentamiento. Esto permite que la segunda pieza 13 se suelde a la superficie superior de la pieza 12, a fin de reforzar localmente la pieza 12.
El método del tratamiento de calentamiento eléctrico antes mencionado puede ser aplicado también para alear localmente una pieza y un constituyente diferente del material de la pieza. Más específicamente, tal como se muestra en la figura 10, una segunda pieza delgada 16 formada por un constituyente diferente de correspondiente a la primera pieza 15 se inserta en una hendidura 15a formada en la superficie superior de la primera pieza 15, y a continuación el electrodo superior 1 se lleva casi a un contacto intimo con las superficies superiores de ambas primera y segunda piezas 15 y 16 para llevar a cabo el mismo tratamiento de refusión. Así pues, la capa de aleación 17 formada por el compuesto de los constituyentes de la primera y segunda piezas 15 y 16 se forma localmente sobre las partes periféricas laterales de la segunda pieza 16, y la segunda pieza 16 es refundida tal como se muestra en la figura 11. Este proceso de aleación puede ser aplicado a las secciones intervalvulares 10a de la culata de cilindros 10, en la parte superior de un pistón, de una leva, etc. Por ejemplo, la resistencia al desgaste y la longevidad de la fatiga térmica pueden mejorarse mediante la utilización de un constituyente de aleación de aluminio fundible tal como el elemento AC4D especificado por H5202, estándar JIS para la primera pieza 15 y una aleación de aluminio tal como la A2219, que muestra especialmente una alta resistencia al calor en perjuicio de la fundición, para la segunda pieza 16.
En el proceso de aleación anteriormente descrito, la segunda pieza 16 está hecha por un constituyente de un material poroso y la segunda pieza 16 es de fundición o compuesta a la parte a tratar, es decir, la parte superficial contra la cual se pone en contacto el electrodo superior 1, de la primera pieza 15 antes del calentamiento eléctrico. A continuación, la primera y segunda piezas 15 y 16 pueden alearse mediante el calentamiento eléctrico. Así pues, incluso si las piezas están compuestas de elementos que tengan una conductividad eléctrica relativamente alta, pueden ser fundidas fácilmente. Esto significa que distintos elementos pueden ser fundidos uniforme y fácilmente en la primera pieza 15.
Adicionalmente, en la realización, el electrodo superior 1 está fijado directamente al electrodo del cuerpo principal 3. Preferiblemente, no obstante, un electrodo intermedio independiente 4, cuya sección es casi paralela a la superficie de la sección intervalvular 10a de la culata de cilindros 10, es igual o no inferior a la del electrodo superior 1, y siendo la conductividad eléctrica igual o no superior a la del electrodo superior 1, se encuentra provisto entre el electrodo superior 1 y el electrodo del cuerpo principal 3, tal como se muestra en la figura 12. En este caso, si el electrodo superior 1 está compuesto por un constituyente de carbón, entonces el electrodo intermedio 4 deberá estar compuesto también por el constituyente de carbón, que es independiente del electrodo superior 1. El electrodo intermedio 4 provoca el calor generado a partir de la resistencia de contacto también entre el electrodo superior 1 y el electrodo intermedio 4, y la transmisión del calor generado por la autoresistencia del electrodo superior 1 al electrodo del cuerpo principal enfriado 3 queda restringida, permitiendo que el calor se transfiera con seguridad hacia la culata de cilindros 10. Puesto que el área de la sección casi paralela a la superficie de la sección intervalvular 10a de la culata de cilindros 10 en el electrodo intermedio 4 es igual o no inferior que electrodo superior 1, es posible impedir la reducción en el calor generado por la autoresistencia del electrodo superior 1, provocado por la instalación del electrodo intermedio 4. En consecuencia, la eficiencia del calentamiento de las secciones intervalvulares 10a de la culata de cilindros 10 puede ser memorada.
En la realización anterior, la superficie extrema distal del electrodo superior 1 es plana, y una parte de la cual está situada por encima de dos agujeros pasantes 10c y 10c. Preferiblemente, tal como se muestra en la figura 13 y figura 14, las partes de la superficie extrema distal del electrodo superior 1 que corresponden a los agujeros pasantes 10c están provistas con las secciones limitantes 1c y 1c para restringir el constituyente fundido en las secciones intervalvulares 10a de la culata de cilindros 10 para que no entre en los agujeros pasantes 10c en el instante del calentamiento eléctrico. Más específicamente, las secciones limitantes 1c sobresalen a lo largo de las partes periféricas de los respectivos agujeros pasantes 10c de la superficie extrema distal del electrodo superior 1 dentro de los agujeros pasantes respectivos 10c, restringiendo así el constituyente fundido de las secciones intervalvulares 10a para que no entre en los agujeros pasantes 10c. Esto hace posible restringir el deterioro de la calidad de las partes superficiales 10b de las secciones intervalvulares 10a de la culata de cilindros 10, y de los agujeros pasantes 10c.
Al utilizar un constituyente de carbón para el electrodo superior 1, es preferible formar el electro superior 1 mediante un encaje a presión o por encaje por encogimiento de un miembro de carbón 1d dentro de una tubería de tungsteno 1e para combinar los dos miembros según se muestra en la figura 15. Esto es preferible por la razón siguiente: la superficie periférica exterior del electrodo superior 1 en la realización anterior está expuesta al aire libre, y propensa a oxidarse y a desgastarse; el tubo de tungsteno 1e tiene un alto punto de fusión y protege con seguridad la superficie del miembro de carbón 1d. En consecuencia, el desgaste del electrodo superior 1 contra la oxidación puede ser limitado con efectividad, conduciendo a una vida útil mayor de servicio del electrodo superior 1. En lugar del tubo de tungsteno 1e, puede formarse una película de SiC en la superficie periférica exterior del miembro de carbón 1d para limitar el desgaste del electrodo superior 1 contra la oxidación.
Adicionalmente, en la realización descrita anteriormente, el electrodo inferior 2 está compuesto por un constituyente de cobre; puede estar compuesto alternativamente por un constituyente de carbón como en el caso del electrodo superior 1. En este caso, sin embargo, el electrodo superior 1 y el electrodo inferior 2 tienen que ser excitados con el área de contacto entre el electrodo inferior 2 y la culata de cilindros 10 que sea mayor que el área de contacto entre el electrodo superior 1 y la culata de cilindros 10. En otras palabras, la resistencia de contacto entre el electrodo inferior 2 y la culata de cilindros 10 es minimizada para impedir que se funda el lado inferior de la culata de cilindros 10.
Se describirá a continuación una realización que ha sido ya implementada realmente.
Tal como se muestra en la figura 16, el electrodo superior 1 del aparato de tratamiento térmico eléctrico 100 se formó con un constituyente de carbón, y compuesto para tener una parte de diámetro grande 1f, teniendo un diámetro de 50 mm y una altura de 25 mm, y una parte de pequeño diámetro 1g que estaba provista por debajo de la parte de gran diámetro 1f, y que tenía un diámetro de 20 mm y una altura de 5 mm. El electrodo inferior 2 y el electrodo del cuerpo principal 3 estaban fabricados a partir de un constituyente de cobre. Se fabricó una pieza de prueba 20 de un grosor de 25 mm, hecha de AC4D de acuerdo con el estándar JIS. Los dos agujeros pasantes 20a y 20a con un diámetro de 14 mm se formaron aproximadamente en el centro de la pieza de pruebas 20, estando provista una distancia mínima de 11 mm entre los dos agujeros pasantes 20a y 20a, tal como se muestra en la figura 17. En otras palabras, la parte existente entre los dos agujeros pasantes 20a y 20a se hizo de forma que fuera casi lo mismo que la sección intervalvular 10a de la culata de cilindros 10 en la realización antes mencionada.
La pieza de pruebas 20 se apoyó sobre el electrodo inferior 2 y la parte de pequeño diámetro 1g del electrodo superior se situó casi en contacto íntimo con la superficie entre los dos agujeros pasantes 20a y 20a de la pieza de pruebas 20, cerrando a continuación el conmutador 5 para iniciar el suministro de corriente eléctrica, y presionando la pieza de pruebas 20 por el electrodo superior 1. En este instante, la fuerza de presión se ajustó a 700 kg, de forma que la presión superficial era de aproximadamente 2,2 kg/mm^{2}. El valor en curso se ajustó para tres valores diferentes, es decir, 2 kA (densidad de corriente: 6,4 A/mm^{2}), 3 kA (densidad de corriente: 9,6 A/mm^{2}), y 4 kA (densidad de corriente: 12,7 A/mm^{2}). El tiempo de excitación se cambió de acuerdo con los valores de corriente anteriores y ajustado a 12 segundos, 18 segundos y 50 segundos, respectivamente. Bajo las tres condiciones, la dureza de la parte existente entre los dos agujeros pasantes 20a y 20a de la pieza de prueba 20 después del tratamiento térmico eléctrico fue medida a 20 mm de profundidad desde la superficie superior.
Los resultados de las medidas de la dureza se muestran en la figura 18. Así pues, se comprende que no se efectuó la refusión cuando la corriente fue ajustada a 4 kA (tiempo de excitación: 12 segundos), y la dureza fue mayor que en los casos de otros valores de la corriente hasta aproximadamente 5 mm desde la superficie. Aunque el lado inferior derecho por debajo de la parte refundida se ablandó debido a las influencias de la radiación del calor, apenas se observó ablandamiento a aproximadamente 10 mm o inferior, mostrando que el calentamiento localizado controlaba las influencias térmicas.
Por el contrario, en los casos en que el valor de la corriente se ajustó a 2 kA (tiempo de excitación: 18 segundos) y 3 kA (tiempo de excitación: 50 segundos), la temperatura no fue incrementada hasta el punto de fusión incluso después de un calentamiento prolongado, y se comprende que la pieza de prueba entera 20 fue ablandada debido a la conducción del calor. Esto significa que el tratamiento de refusión tiene que ser llevado a cabo de forma rápida a una alta densidad de corriente. El ablandamiento tiene que ser llevado a cabo rápidamente antes de que el calor sea conducido a otras partes, y deberá ser terminado al cabo aproximadamente de 10 segundos (la fusión comienza cuando el ablandamiento se prolonga en mas de 10 segundos) con un valor grande de corriente de aproximadamente 4 kA.
Adicionalmente, en el caso en que el valor de la corriente fue de 4 kA, se observó con un microscopio el estado estructural entre los dos agujeros pasantes 20a y 20a de la pieza de pruebas 20 después del tratamiento Los resultados de la observación se muestran en los dibujos de la figura 19 a la figura 22. A partir de la figura 19 en la que la ampliación es de un factor x5, se comprende que la pieza de pruebas 20 contra la cual estaba en contacto el electrodo superior 1, llegó a refundirse y llegando a ser más fina que la parte inferior. La estructura de la parte superficial contra la cual estaba en contacto el electrodo superior 1 indica aproximadamente 8 mm en términos del DAS, que es un índice indicativo de la estructura fina. Este nivel de fineza de la estructura es aproximadamente el mismo que el obtenido mediante el tratamiento de refusión ejecutado por los métodos de arco convencionales. La figura 20 y la figura 21 (las ampliaciones son de un factor de x50 en ambos gráficos) son vistas ampliadas de la parte contra la cual se apoya el electrodo superior 1, mostrando la figura 20 el área más cerca de la superficie, y mostrando la figura 21 el área desde más lejos de la superficie, respectivamente. La figura 22 (ampliación: x400) proporciona una vista ampliada adicional de la parte contra la cual está en contacto el electrodo superior 1. A partir de estas vistas ampliadas, se comprende que la estructura se ha extendido verticalmente en forma casi uniforme, probando que la solidificación direccional se ha llevado a cabo eficazmente.
Se han efectuado observaciones con otra pieza de prueba 20 que tiene un defecto de fundición, es decir, muchos agujeros de soplado. La pieza de prueba 20 se sometió al tratamiento de refusión bajo las mismas condiciones ya mencionadas anteriormente, ajustándose el valor de la corriente a 4 kA, observándose después el estado de la estructura del área entre los dos agujeros pasantes 20a y 20a de la pieza de prueba 20 bajo un microscopio. El resultado se muestra en la figura 23 (ampliación: x5). Puede observarse que se ha llevado a cabo fiablemente el desgasificado mediante la solidificación direccional.
A continuación, se formó una hendidura en la parte superior de la pieza de pruebas 20 y se montó un miembro de columna en la hendidura tal como se muestra en la figura 10, para alearlas localmente bajo las mismas condiciones ya mencionadas anteriormente, ajustándose el valor de la corriente a 4 kA. Se utilizó el constituyente de aluminio A2219 para el miembro de columna. La condición de la estructura de la capa de la aleación fue observada bajo un microscopio, cuyo resultado se muestra en la figura 24 (ampliación: x10). Se comprende que la capa de la aleación, que es un compuesto de la pieza de trabajo 20 y el miembro columnar, se forma localmente sobre las partes periféricas laterales del miembro columnar, y consiguiéndose con éxito la refusión del miembro columnar.
Subsiguientemente, según se muestra, se colocó un miembro columnar que medía 30 mm de diámetro y 10 mm en altura, sobre la superficie superior de la pieza de trabajo 20, y el miembro columnar se soldó a la pieza de prueba 20 bajo las mismas condiciones ya mencionadas anteriormente, ajustándose el valor de la corriente a 4 kA. Se utilizó una aleación de aluminio A390, que es una aleación de Si hipereutéctica, para el miembro columnar. El electrodo superior 1 tenía solamente la parte de diámetro grande 1f, y el electrodo inferior 2 utilizó el mismo constituyente de carbón como el electrodo superior 1. La condición estructural de la interfaz entre el miembro columnar y la pieza de trabajo fue observada bajo el microscopio, cuyos resultados se muestran en la figura 21 (ampliación: x200). A partir de esta figura, se comprende que la pieza de prueba 20 y el miembro columnar se han soldado eficazmente en forma conjunta mediante la soldadura de difusión.
La figura 26 muestra los resultados de una prueba sobre como la refusión y el ablandamiento del constituyente de la aleación de aluminio anterior influye en la vida útil de la fatiga térmica (temperatura de prueba: 300 grados Celsius). El ablandamiento se llevó a cabo mientras que se mantenía la temperatura a 300 grados Celsius, y el tratamiento de refusión incluyó el tratamiento térmico T6. La comparación entre un constituyente F que no ha soportado tratamiento y el constituyente T6 que ha soportado el tratamiento térmico, revela que el sometido al tratamiento de refusión muestra una vida útil de fatiga térmica que se prolonga significativamente. Se ha observado también la vida útil de la fatiga térmica se prolonga también mediante el ablandamiento.
En la figura 26, "\eta" denota un factor de supresión de esfuerzos representado por la fórmula expresada a continuación.
\eta = \Delta \varepsilon t/ (\alpha . \Delta T) = (\Delta 1f-\Delta 1)/ (\Delta 1f)
en donde \Delta\varepsilont denota una gama de esfuerzos completa, \alpha denota un coeficiente de dilatación lineal, \Delta1f denota la diferencia entre una temperatura máxima y una temperatura mínima, \Delta1 denota una magnitud de desplazamiento en el instante de la dilatación y contracción libres, y \Delta1 denota una magnitud de desplazamiento observada cuando la pieza de pruebas queda restringida en su dilatación y contracción.
Subsiguientemente, según se muestra en la figura 27, se refundió la parte superior de un pistón 25, y se estudió la relación entre el sometimiento a presión superficial y la profundidad de refusión. Para esta prueba, se proporcionó un electrodo intermedio 4 hecho de un constituyente de carbón entre el electrodo superior 1 hecho de un constituyente de carbón y el electrodo del cuerpo principal 3 hecho de un constituyente de cobre. Las dimensiones detalladas del electrodo superior 1 y del electrodo intermedio 4 son las mostradas en la figura 28. La altura H del electrodo superior 1 fue de 20 mm, ajustándose el valor de la corriente a 3 kA, y siendo el tiempo de excitación de 46 segundos. Se utilizó para el pistón 25 una fundición de una aleación de aluminio AC8A especificada por H5202 estándar JIS. Se comprobó también el voltaje aplicado para obtener un valor de la corriente de 3 kA.
Los resultados están mostrados en la figura 29. La relación entre la presión de la superficie de presionado y el voltaje aplicado es la mostrada en la figura 30. A partir de estos gráficos, se demuestra que la profundidad de refusión puede ser incrementada mediante el ajuste de la presión de la superficie de presionado a 1,5 Kg/mm^{2} o inferior. Esto se debe a que una presión inferior de la superficie de presionado provoca un incremento en la resistencia de contacto o del voltaje aplicado tal como se muestra en la figura 30, y aumentando el calor generado por la resistencia de contacto.
Subsiguientemente, se estudió la relación entre la presión de la superficie de presionado y la entrada de calor a la pieza. Para este fin, se utilizó para la pieza la misma placa de fundición de aleación de aluminio (dimensiones: 80 x 70 x 20 mm) correspondiente al pistón 25. Se suministró una corriente de 3 kA durante 20 segundos, y la entrada de calor a la pieza se midió utilizando un método calorimétrico, en el cual la placa calentada fue sumergida en un cierto volumen, por ejemplo, de 500 gramos de agua, y midiéndose la elevación de la temperatura del agua, para determinar la magnitud de la entrada de calor. Se comprobó también la relación entre el valor de la corriente y el calor introducido a la pieza, en un caso en que la presión de la superficie de presionado era de 0,8 kg/mm^{2}, y en un caso en que era de 2,4 kg/mm^{2}.
La relación entre la presión de la superficie de presionado y el calor introducido a la pieza se muestra en la figura 31, y la relación entre el valor de la corriente y el calor introducido en la pieza se muestra en la figura 32. Se ha encontrado que la relación entre la presión de la superficie de presionado y el calor introducido es similar a la relación entre la presión de la superficie de presionado y la profundidad de refusión. Adicionalmente, se ha revelado que si la presión de la superficie de presionado supera a 2,4 kg/mm^{2}, entonces el calor generado por la resistencia de contacto llega a ser casi cero, y solo permanece el calor generado por la autoresistencia del electrodo superior, mientras que si la presión de la superficie de presionado es de 2,4 kg/mm^{2} o inferior, entonces la cantidad de calor generado por la autoresistencia permanece invariable, y aumenta el calor introducido en la cantidad de calor generado por la resistencia de contacto conforme aumenta ésta. Lo mismo se aplica incluso cuando se cambia el valor de la corriente. Así pues, el calor introducido a la pieza puede ser incrementado mediante el ajuste de la presión de la superficie de presionado a 1,5 kg/mm^{2} o inferior, considerando la relación entre la presión de la superficie de presionado y el calor introducido a la pieza y la relación entre la presión de la superficie de presionado y la profundidad de refusión. Esto permite una mayor profundidad de la refusión y un tiempo más corto del tratamiento.
A continuación, el electrodo superior se formó con una altura H de 10 mm, y el calor introducido en la pieza, es decir, la placa, fue medido con el mismo procedimiento ya descrito anteriormente. Adicionalmente, el electrodo superior 1 se configuró para que tuviera una parte de gran diámetro 1f y una parte de pequeño diámetro 1g hecho integralmente con la parte de gran diámetro 1f, según se muestra en la figura 33, y se midió el calor introducido en la pieza sin utilizar el electrodo intermedio 4. En este instante, la presión de la superficie de presionado se ajustó a 0,8 kg/mm^{2}.
Los resultados de la medida se muestran en la figura 34. La medida obtenida para H = 20 en la figura 34 es idéntica a la medida obtenida cuando la presión de la superficie de presionado en la figura 31 era de 0,8 kg/mm^{2}. Esto indica que el uso del electrodo intermedio incrementa el calor introducido independientemente de la altura H del electrodo superior.
Así pues, de acuerdo con el método o aparato de tratamiento de calentamiento eléctrico descrito anteriormente, la parte superficial de la pieza contra la cual está en contacto el electrodo superior puede calentarse localmente, tanto por el calor generado por la autoresistencia del electrodo en sí, como por el calor generado por la resistencia de contacto en la interfaz entre el extremo distal del electrodo de excitación y la pieza mediante el suministro de corriente al electrodo de excitación y a la pieza, en que el extremo distal del electrodo se mantiene casi en contacto intimo con la superficie de la pieza. Esto hace posible el implementar fácilmente el tratamiento superficial predeterminado y mejorar la calidad del tratamiento superficial.
Adicionalmente, el tratamiento superficial específico óptimo puede ser llevado a cabo mediante la refusión de una pieza o aleando la pieza y un constituyente diferente del correspondiente a la pieza.
Adicionalmente, el electrodo de excitación se mantiene en contacto con la pieza al menos hasta que se complete la solidificación de la parte superficial, contra la cual se apoya el electrodo, conforme se interrumpa la excitación; en consecuencia, la solidificación direccional de un lado del material base hacia el lado de la superficie puede ejecutarse fiablemente y pudiendo reducir el número de agujeros de soplado internos.
Con antelación al calentamiento eléctrico, un constituyente metálico poroso diferente del constituyente de la pieza es fundido en la parte superficial de la pieza contra la cual se apoya el electrodo, y la pieza y el constituyente metálico poroso se alean conjuntamente por calentamiento eléctrico. Esto permite una aleación uniforme y fácil a la pieza incluso cuando se utilice un elemento que tenga una conductividad eléctrica alta.
La pieza es calentada eléctricamente mientras que se aplica una presión superficial de 14,7 Mpa o inferior mediante el electrodo de excitación. Esto hace posible incrementar la profundidad de tratamiento y también el poder acortar el tiempo de tratamiento requerido.
La temperatura de la parte extrema distal del electrodo de excitación alcanza el punto de fusión del constituyente de la pieza o superior, de forma que pueda ejecutarse el refusión o el tratamiento de aleación de forma eficaz.
El extremo distal del electrodo de excitación está provisto con partes de restricción para suprimir que el constituyente fundido de la pieza pueda introducirse en la hendidura o agujeros pasante formados alrededor de la parte superficial de la pieza, contra la cual se apoya el electrodo durante el calentamiento eléctrico. Esto limita el deterioro de la calidad de la parte superficial de la pieza que entra en contacto con el electrodo, y de la hendidura o de los agujeros pasantes.
El uso de un constituyente de aleación de aluminio para la pieza, permite una aplicación adicional efectiva.
La eficiencia del calentamiento de la pieza puede ser mejorada, proporcionando un electrodo intermedio independiente entre el electrodo de excitación y el electrodo del cuerpo principal provisto en el extremo proximal del electrodo de excitación. En el electrodo intermedio, el área de una sección casi paralela a la superficie de la pieza, contra la cual se apoya el electrodo, es igual o no inferior al área del electrodo de excitación. Adicionalmente, la conductividad eléctrica del electrodo intermedio es igual o no superior a la correspondiente al electrodo de excitación.
Haciendo que el electrodo de excitación esté compuesto por un constituyente de carbón, se permite un tratamiento superficial fiable y eficaz.
El electrodo de excitación está formado de manera que el área de la sección casi paralela a la parte superficial de la pieza, contra la cual se apoya el electrodo, sea menor que el extremo distal del electrodo. Esto asegurar un calentamiento localizado excelente del área superficial a tratar de la pieza.
El costo de mecanización antes y después del tratamiento superficial puede ser reducido mediante la conformación de la parte superficial de la pieza antes de iniciarse el calentamiento eléctrico, contra la cual se apoya el electrodo, de forma que sobresalga de su superficie circundante.
Adicionalmente, el electrodo de excitación y la pieza son llevados a un contacto casi puntual antes de iniciar el calentamiento eléctrico, y el área de contacto entres los mismos se incrementa aplicando presión a la pieza mediante el electrodo de excitación en el instante del calentamiento eléctrico para deformar la parte superficial de la pieza contra la cual se apoya el electrodo. Esto hace posible obviar la necesidad de la premecanización tal como la suavización de la superficie de la pieza contra la cual se apoya el electrodo, e impedir también la producción de chispas y evitando el agrietamiento del electrodo de excitación.
El esfuerzo térmico del electrodo de excitación puede ser reducido para impedir las grietas mediante el precalentamiento del electrodo de excitación antes de iniciarse el calentamiento eléctrico.
Se proporciona una plantilla de recepción hecha de un constituyente de carbón para la pieza en el lado opuesto del electrodo de excitación, de forma que se ponga en contacto contra la pieza, y en donde el área de contacto entre la plantilla de recepción y la pieza se hace mayor que el área de contacto entre el electrodo de excitación y la pieza. Así pues, cuando se suministra la corriente eléctrica al electrodo de excitación y a la plantilla de recepción, el calor introducido en la pieza puede ser incrementado mientras que se impide, al mismo tiempo, que el lado de la pieza que se enfrenta a la plantilla de recepción pueda fundirse.
Adicionalmente, de acuerdo con el método o aparato de tratamiento de calentamiento eléctrico, de acuerdo con la presente invención, la parte superficial de la pieza contra la cual se apoya el electrodo se calienta localmente hasta el punto de fusión de la misma o superior, tanto por el calor generado de la autoresistencia del propio electrodo de excitación, y por el calor generado por la resistencia de contacto en la interfaz existente entre el extremo distal del electrodo de excitación y la pieza, mediante el suministro de corriente al electrodo de excitación y a la pieza, en el que el extremo distal del electrodo de excitación se mantiene casi en contacto intimo con la superficie de la pieza. Esto hace posible refundir la parte superficial de la pieza, contra la cual se apoya el electrodo, o aleando la pieza y un constituyente diferente del correspondiente a la pieza. Adicionalmente, el electrodo de excitación se mantiene en contacto con la pieza al menos hasta que se complete la solidificación de la parte superficial contra la cual se apoya el electrodo, conforme se interrumpe la excitación, permitiendo la ejecución fácil de la refusión de calidad o el tratamiento de aleación.
Puesto que, evidentemente, pueden realizarse muchas realizaciones ampliamente diferentes de la presente invención sin desviarse del espíritu y del alcance de la misma, se comprende que la invención no está limitada a las realizaciones específicas de la misma, excepto según lo definido en las reivindicaciones.

Claims (13)

1. Un método de tratamiento de calentamiento eléctrico para proporcionar una parte superficial de una pieza formada por un constituyente de aluminio hecha mediante fundición, de forma tal que la parte superficial contra la cual se apoya un electrodo de excitación consiga una solidificación direccional, de forma que la parte superficial se refunda incluya granos más finos que la otra parte no tratada térmicamente con el tratamiento superficial de calentamiento predeterminado, incluyendo el mencionado método las etapas de:
proporcionar una pieza a trabajar para ser tratada térmicamente, que está hecha mediante fundición, que tiene lugar mediante la fusión de un constituyente de aleación de aluminio;
poniendo en contacto el electrodo de excitación en la mencionada parte de la superficie de la pieza hecha mediante fundición;
suministrar corriente eléctrica entre el electrodo de excitación y la mencionada pieza, manteniendo mientras tanto una parte extrema distal del mencionado electrodo de excitación en contacto próximo con la mencionada parte superficial, a fin de crear un calentamiento eléctrico tanto por el calor generado a partir de la autoresistencia del propio electrodo de excitación, como por el calor generado por la resistencia de contacto entre la mencionada parte distal del mencionado electrodo de excitación y la mencionada parte de la superficie;
refundir la mencionada parte de la superficie, en la que se suministra la corriente eléctrica de forma tal que la temperatura de un extremo distal del mencionado electrodo de excitación alcance el punto de fusión del constituyente de la mencionada pieza o superior;
cortar el suministro de corriente eléctrica y mantener el mencionado electrodo de excitación en contacto próximo con la mencionada pieza hasta que se complete la solidificación direccional de la mencionada parte superficial, y
solidificándose la mencionada parte superficial, de forma que la mencionada parte superficial llegue a ser más fina que la otra parte no tratada térmicamente, consiguiente por tanto la mencionada solidificación direccional.
2. Un método de tratamiento de calentamiento eléctrico según la reivindicación 1, en el que:
un miembro metálico poroso de un material diferente del correspondiente a la mencionada pieza se funde en la mencionada parte superficial con antelación al mencionado calentamiento eléctrico; y
se efectúa un tratamiento de aleación mediante la aleación de la mencionada pieza y el mencionado miembro de metal poroso mediante el calentamiento eléctrico mencionado.
3. Un método de tratamiento de calentamiento eléctrico según la reivindicación 1, en el que:
el mencionado calentamiento eléctrico se lleva a cabo mientras que se aplica presión a la mencionada pieza con una presión superficial de 14,7 Mpa o inferior, a través del mencionado electrodo de excitación.
4. Un método de tratamiento de calentamiento eléctrico según la reivindicación 1, en el que:
la mencionada pieza tiene una hendidura o un agujero pasante al menos en una parte de un área alrededor de la mencionada parte superficial; y
la parte extrema distal del mencionado electrodo de excitación tiene una parte de limitación para restringir que una parte fundida de la mencionada pieza no pueda fluir hacia el interior de la mencionada hendidura o en el mencionado agujero pasante en el instante del mencionado calentamiento eléctrico.
5. Un método de tratamiento de calentamiento eléctrico de acuerdo con la reivindicación 1, en el que:
antes del mencionado calentamiento eléctrico, se proporciona un electrodo intermedio independiente entre el mencionado electrodo de excitación y un electrodo del cuerpo principal provisto en el extremo proximal del mencionado electrodo de excitación, en el que el área de una sección del mencionado electrodo intermedio que está definida sobre una superficie casi paralela a la mencionada parte superficial es igual o no inferior a la correspondiente al mencionado electrodo de excitación, y cuya conductividad eléctrica es igual o no superior a la del electrodo de excitación mencionado.
6. Un método de tratamiento de calentamiento eléctrico según la reivindicación 1, en el que:
el mencionado electrodo de excitación está formado por un constituyente de carbón.
7. Un método de tratamiento de calentamiento eléctrico de acuerdo con la reivindicación 6, en el que:
el mencionado electrodo de excitación está formado mediante un encaje a presión o por montaje por encogimiento de un miembro de carbón dentro de un tubo de tungsteno, para combinarlos antes del mencionado calentamiento eléctrico.
8. Un método de tratamiento de calentamiento eléctrico según la reivindicación 1, en el que:
el mencionado electrodo de excitación tiene una parte, cuya área seccional es menor que la parte extrema distal del mencionado electrodo de excitación, estando definida el área seccional mencionada sobre una superficie casi paralela a la mencionada parte superficial de la mencionada pieza .
9. Un método de tratamiento de calentamiento eléctrico de acuerdo con la reivindicación 1, en el que:
la mencionada parte superficial de la mencionada pieza esta formada de manera que sobresalga desde la superficie circundante de la misma antes del mencionado calentamiento eléctrico.
10. Un método de tratamiento de calentamiento eléctrico según la reivindicación 9, en el que:
el mencionado electrodo de excitación y la mencionada pieza son llevados a un contacto puntual antes del mencionado calentamiento eléctrico; y
la mencionada parte superficial se deforma mediante la aplicación de presión a la mencionada pieza por el mencionado electrodo de excitación en el instante del mencionado calentamiento eléctrico, incrementando por tanto un área de contacto entre el mencionado electrodo de excitación de la mencionada pieza.
11. Un método de tratamiento de calentamiento eléctrico según la reivindicación 1, en el que:
el mencionado electrodo de excitación es precalentado antes del mencionado calentamiento eléctrico.
12. Un método de tratamiento de calentamiento eléctrico según la reivindicación 1, en el que:
se proporciona una plantilla de recepción hecha de un constituyente de carbón para la mencionada pieza sobre un lado opuesto al mencionado electrodo de excitación antes del mencionado calentamiento eléctrico de forma que esté en contacto contra la mencionada pieza; y
se suministra una corriente eléctrica entre el mencionado electrodo de excitación y la mencionada plantilla de recepción, con un área de contacto entre la mencionada plantilla de recepción y la mencionada pieza que se hace mayor que el área de contacto entre el mencionado electrodo de excitación y la mencionada pieza.
13. Un método de tratamiento de calentamiento eléctrico según la reivindicación 1, en el que el mencionado tratamiento superficial predeterminado incluye bien sea el tratamiento de refusión para refundir la mencionada pieza o el tratamiento de aleación para alear la mencionada pieza y un constituyente diferente del correspondiente a la mencionada pieza, o bien ambos tratamientos.
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