ES2224044T3 - Cuerpo de eje hueco con zonas parciales resistentes al desgaste y procedimiento para su fabricacion. - Google Patents

Abstract

Cuerpo de eje (1) con una forma en sección transversal (22) asimétrica, al menos en las zonas parciales a lo largo de la extensión longitudinal, con respecto al eje, en especial árboles de levas o árboles de manivela o cigüeñales, con capas de superficie, que presentan una elevada resistencia al desgaste en las zonas de trabajo y de soporte, estando configurado el cuerpo de eje (1) como cuerpo hueco metálico embutido en profundidad y comportando, al menos en las zonas de trabajo y de soporte (22) una capa (5) resistente al desgaste y unida metálicamente al cuerpo de eje respectivamente, caracterizado por el hecho de que la capa (5) resistente al desgaste consta de materiales adicionales integrados por fusión, siendo integrados por fusión como material adicional o de aporte, unas partículas de material duro individualmente o conjuntamente con un metal matriz o un metal ligante o aglomerante.

Description

Cuerpo de eje hueco con zonas parciales resistentes al desgaste y procedimiento para su fabricación.

La invención se refiere a un cuerpo de eje o árbol con forma de la sección transversal asimétrica con respecto al eje, al menos en unas zonas parciales sobre la extensión longitudinal, en especial árboles de levas o árboles de manivela o cigüeñales, con capas de superficie que presentan una elevada resistencia al desgaste en las zonas de trabajo o de soporte.

Además, la invención comprende un procedimiento para la fabricación de cuerpos de ejes con las anteriores características. Los cuerpos de ejes, que presentan en unas zonas parciales sobre la extensión longitudinal, con respecto al eje, una forma de sección transversal asimétrica, sirven, en la construcción de máquinas, de medios de propulsión o accionamiento para los órganos de mando o de trabajo, por medio de los cuales un movimiento giratorio se convierte o transforma en un movimiento longitudinal o viceversa exactamente. Por otra parte, el cuerpo de eje gira sobre cojinetes y en las zonas asimétricas se efectúa un desgaste de los elementos de mando y de trabajo. Como ahora en la mayoría de los casos se requiere una alta precisión de los movimientos y de las piezas que los realizan, con frecuencia se prevén unas óptimas condiciones de soporte y altas presiones de apriete o esfuerzos de compresión. En atención a una elevada seguridad funcional y a una larga marcha de precisión las superficies de soporte y de trabajo deben presentar una alta resistencia al desgaste.

En la construcción de motores para automóviles son, por ejemplo, los llamados árboles de levas, los cuales controlan el movimiento de las válvulas, este tipo de cuerpos de ejes o árboles.

Es conocida la técnica de fundir cuerpos de ejes para árboles de levas, a continuación, según se requiera, mecanizar con arranque de virutas de conformidad con la medida y eventualmente templar o endurecer la superficie de las zonas de soportes o cojinetes y de levas. En este caso, el temple se puede efectuar por medio de tratamiento térmico de la capa de la superficie y/o mediante nitruración o carbonitruración de la misma, realmente los árboles de levas fabricados de esta forma apenas son utilizables para grupos de alta potencia.

Además, se conocen árboles de levas forjados, en especial forjados a base de acero aleado, los tienen en las zonas de soporte y de trabajo unas capas de superficie duras y resistentes al desgaste, que están formadas mediante tratamiento termotécnico y/o mediante aleación de nitrógeno. Estos árboles de levas formados pueden resistir los esfuerzos mecánicos dentro de la medida prevista, pero resultan caros, costosos de fabricar y pesados.

La JP 11107711 da a conocer un árbol de levas hueco, el cual está fabricado mediante conformado plástico, partiendo de un tubo, por ejemplo, de una aleación a base de hierro como material base. Después del proceso de conformación se templa con láser el árbol de levas así fabricado en las zonas de trabajo y de soporte, de manera que el árbol de levas tiene que ser más resistente al desgaste, en estas zonas, en comparación con las zonas no templadas del árbol de levas.

Además, según la JP 11241605 también ya se ha dado a conocer un método para estructurar o hacer más resistentes al desgaste zonas de árboles de levas mediante la aplicación de aleaciones de hierro templables o revenibles. Sin embargo, los temples que se pueden conseguir de este modo, de capas de superficie sometidas al esfuerzo del desgaste se ven limitados debido a la capacidad de endurecimiento o templado de las aleaciones de hierro.

La invención se plantea ahora como meta crear cuerpos de ejes del tipo mencionado más arriba, los cuales, desde el punto de vista de la técnica de fabricación, se fabrican más simplemente y más económicamente, presentan en las zonas de trabajo y de soporte una superior resistencia al desgaste y, sobre todo, tienen un menor peso.

Además, es cometido de la invención exponer un procedimiento, con el cual, de manera simple y económica, se pueden fabricar cuerpos de ejes, que tienen un peso pequeño y unas propiedades de empleo mejoradas, en especial, con respecto al desgaste de las zonas de soporte y de trabajo.

Este objetivo se logra por medio de un cuerpo de eje según la reivindicación primera.

Las ventajas conseguidas con la invención se han de ver esencialmente en el hecho de que una pieza altamente especializada, fabricada a base de un material de partida simple, disponible económicamente justamente sólo en las zonas necesarias posee una resistencia al desgaste mejorada esencialmente mediante partículas de metal duro integradas por fusión y mediante la estructura de matriz y presenta como pieza un peso considerablemente menor que las piezas macizas. Precisamente en los puntos del cuerpo del eje sometidos a grandes esfuerzos mecánicos aparece, debido a la deformación por embutición profunda, una ventajosa compactación del material. La capa de desgaste está unida metálicamente al cuerpo del eje, lo cual, por un lado, impide una exfoliación o desprendimiento similar de la capa, y, por otro lado, crea un estado de tensión que estabiliza favorablemente. Con otras palabras: un cuerpo de eje de precisión ligero, de fabricación sencilla, únicamente en las zonas de superficie con elevado esfuerzo o solicitación de desgaste, con la formación de una capa desgastable, está aleado con metales y compuestos.

Si, como puede estar previsto ventajosamente, la capa desgastable tiene un espesor de 0,2 a 5,0 mm y consta de materiales adicionales integrados por fusión, configurándose entre el material base del cuerpo del eje y la capa desgastable una zona mixta con menor espesor de capa y presentando homogeneidad la zona exterior de la capa desgastable, se pueden establecer óptimas propiedades de uso de las zonas de trabajo y de soporte. En este caso se puede ajustar la deseada composición de la capa desgastable, en la zona próxima a la superficie, en gran parte sin mezcla por medio del material de base, también se consigue una eliminación o decapado uniforme al rectificar de conformidad con una medida deseada. Con ventaja se efectúa la configuración del cuerpo del eje de manera que los materiales de aportación o adicionales metales, carburos, carbonitruros, boruros, carboboruros, nitruros y óxidos, de preferencia compuestos de los metales de los grupos 4, 5, 6, 8, 9, 10, 13 y 14 del sistema periódico de los elementos, están sueltos o en forma mixta.

En atención a la calidad de la capa desgastable y sus propiedades deseadas y, por ende, a causa de la máxima exactitud de las superficies, puede resultar favorable si la capa desgastable está formada con metal duro como material adicional.

Si en forma favorable la capa desgastable tiene en su parte exterior una dureza de, al menos, 550 HV, de preferencia hasta 900 HV y superior, se da un desgaste en gran parte pequeño incluso en el caso de rozamiento eventualmente seco.

El otro problema consistente en exponer un procedimiento para la fabricación de cuerpos de ejes del tipo mencionado más arriba, se resuelve según la invención por el hecho de que un tubo metálico por medio de elevada presión interior dentro de un molde o coquilla divisible se moldea plásticamente o se embute en profundidad formándose un cuerpo del eje hueco próximo a las dimensiones, después de lo cual, al menos en una de las zonas de trabajo o de soporte del mismo previstas respectivamente, por medio de un rayo energético dirigido hacia ellas se efectúa localmente durante un breve lapso de tiempo un recargue por fusión del material del cuerpo del eje y se introducen en la fase de fusión como materiales de aporte o adicionales unas partículas de material duro solas o conjuntamente con un metal matriz o con un metal ligante y se distribuyen de manera ampliamente homogénea, configurándose, después de la solidificación, una capa marginal como capa desgastable, la cual se mecaniza con arranque de virutas hasta la medida final prevista del cuerpo del eje y da por resultado una zona con elevada resistencia a la abrasión.

Las ventajas conseguidas con el procedimiento según la invención se han de ver esencialmente en el hecho de que, por un lado, en un simple material de partida, como lo es un tubo metálico, mediante esencialmente embutición en profundidad del mismo, se crea un cuerpo de eje con alta precisión de las dimensiones. El cuerpo de eje hueco presenta un peso ventajosamente pequeño así como elevada rigidez y también puede presentar cambios de forma para una unión con medios de propulsión o accionamiento. Por otro lado, por medio de un/os rayo/s energético/s se realiza un recargue superficial por fusión, de corta duración, del material del cuerpo de eje, efectuándose una introducción de materiales adicionales en la fase de fusión. Con ayuda de una elevada energía específica de radiación también se pueden crear unas condiciones ventajosamente favorables para una difusión a alta temperatura entre el cuerpo del eje y el material de aporte o adicional así como para este último en sí. Por consiguiente, según la invención se alea el material de un cuerpo de eje fabricado económicamente con alta precisión y alta calidad únicamente en las zonas sometidas al esfuerzo del desgaste y, de este modo, se crea superficialmente en estas zonas otro material resistente al desgaste, que se une metálicamente al material de base. Se realiza una aleación de masas en fusión o aleación con difusión con los materiales adicionales previstos y, según las exigencias, necesidades o requisitos, puede estar prevista en pequeña hasta sumamente alta o gran escala.

La configuración se puede hacer con ventaja de manera que como tubo metálico se puede utilizar uno partiendo de una aleación a base de hierro o a base de níquel o a base de titanio o a base de aluminio o a base de cobalto con una pared en gran parte homogénea.

Desde el punto de vista de la técnica de aleación, pero también teniendo en cuenta una estabilidad de la marca o giro en redondo del cuerpo del eje puede resultar favorable si el haz energético está configurado como haz de alta potencia con una densidad de potencia media localmente dirigido al cuerpo del eje de más de 0,8 x 103 W/cm^{2} y se mantienen en el estado de fusión líquida, durante un periodo de tiempo más corto que 22 segundos, las zonas locales de recargue por fusión, en las cuales se integran por fusión los materiales adicionales o de aporte. A pesar de ello, la masa en fusión, en la cual eventualmente se han introducido compuestos que funden a una temperatura superior, alcanzaría, aunque sólo durante un periodo de tiempo corto, una temperatura de más de 1695°C.

Los ensayos y pruebas han puesto de manifiesto que puede resultar especialmente preferente si como haz o chorro energético se utiliza uno o varios rayos láser de alta potencia o uno o varios chorros de plasma concentrado.

Se ha evidenciado para el especialista de una manera absolutamente sorprendente que al utilizar una adecuada tecnología se pueden alear capas de alta calidad, duras y extremadamente resistentes al desgaste sobre partes de la superficie del cuerpo del eje si como materiales adicionales se emplean metales, carburos, nitruros, carbonitruros, boruros, sulfuros, carboboruros, silícicos y óxidos individualmente o en combinación, los cuales expresan, de preferencia, compuestos con metales del grupo 4, 5, 6, 8, 9, 10, 13 y 14 del sistema periódico de los elementos.

El procedimiento de aleación en cuestión ha resultado favorable si la capa inhibidora del desgaste se forma con una adición de polvo de metal duro. A causa del corto lapso de tiempo, en el que se alcanzan elevadas temperaturas, la proporción de metal en polvo puede elevarse hasta el 15%.

Se pueden lograr una estructura especialmente estable y una elevada tenacidad de la capa de trabajo o de soporte resistente al desgaste por el hecho de que como aditivo se integran por fusión a la zona de superficie del cuerpo del eje partículas de material duro y metal matriz o metal ligante o aglomerante, eventualmente con distintas proporciones en función del espesor de la capa.

Sin embargo, también cabe la posibilidad de crear de una manera sumamente económica una capa inhibidora del desgaste y resistente a los esfuerzos o solicitaciones algo menores si como material adicional se integran por fusión partículas de material duro solas en las zonas de superficie deseadas del cuerpo de eje.

De acuerdo con un perfeccionamiento ulterior favorable del procedimiento según la invención se prevé que, al menos, una parte de las partículas de material duro integradas en la masa en fusión se provea de un recubrimiento de la superficie. De esta forma, se puede aumentar, como se ha indicado, la proporción del material duro, en el caso de una distribución homogénea en la colada matriz y seguir incrementando la resistencia y la tenacidad de la capa. Especialmente eficaz se ha evidenciado este recubrimiento en el caso de partículas de cerámica.

Habida cuenta del modo y de la dimensión de los esfuerzos de abrasión, pero también de la tenacidad y la resistencia a la rotura de la capa se lleva a cabo ventajosamente la configuración del procedimiento de manera que la capa resistente al desgaste se forma, al menos parcialmente, con diferentes materiales adicionales o diferente concentración de las fases de sustancias accesorias, de preferencia en estratos unidos metálicamente entre sí y superpuestos. De este modo se puede lograr una adecuación óptima de las propiedades locales de la capa a la carga allí respectivamente reinante.

A continuación, se explica más detalladamente la invención con ayuda de los dibujos, que únicamente representan una ejecución. Muestran esquemáticamente.

La figura 1 un tubo en un molde hueco.

La figura 2 un cuerpo de eje en sentido longitudinal (sección o corte).

La figura 3 un cuerpo de eje en sentido transversal (sección o corte).

Como queda representado en la figura 1, se posiciona un tubo metálico 2 en una coquilla divisible 3, la cual presenta unas zonas 31 de tamaño insignificante y unas cámaras 32 ampliadas asimétricamente. La forma interior de la coquilla 3 está configurada para adecuarse a una forma exterior deseada de un cuerpo de eje o árbol 1. Por medio de un fluido a presión D se efectúa una embutición en profundidad de la pared del tubo 2 y un fraguado de la superficie interior de la coquilla con las zonas asimétricas.

En la figura 2 se representa un cuerpo de tubo con partes de pared simétricas 21 y zonas de pared asimétricas 22. Como se ilustra esquemáticamente, se efectúa un barrido reducido dimensionalmente de la superficie de la parte del cuerpo del tubo 22 en la zona configurada asimétricamente por medio de haces energéticos 41, que, por ejemplo, se emiten por un láser 4. Mediante una elevada alimentación de energía local a través del haz 41 se efectúa, dentro del ámbito de la superficie de impacto, un recargue por fusión del material de base. Por medio de la introducción de material adicional o de aporte 42 se realiza una aleación de la fase de fusión, formándose, después de su solidificación, una capa marginal o en el borde 5 en el cuerpo del eje o árbol 1. Se puede hacer una estructuración de una superficie recubierta de tal modo que se hace girar un cuerpo del eje 1 y se aplica una capa 5 en forma de espiral que se solapa respectivamente. También cabe la posibilidad de recargar por fusión o de aplicar en superposición varias capas 5, preferentemente con poco material adicional.

La figura 3 muestra un cuerpo de eje 1 en el corte o sección AB de la figura 2. En la zona de una forma de pared asimétrica 22 se aplica una capa 5 resistente al desgaste, dispuesta por todos los lados de la superficie, la cual capa, por último se mecaniza con arranque de virutas hasta una medida deseada.

Claims (14)

1. Cuerpo de eje (1) con una forma en sección transversal (22) asimétrica, al menos en las zonas parciales a lo largo de la extensión longitudinal, con respecto al eje, en especial árboles de levas o árboles de manivela o cigüeñales, con capas de superficie, que presentan una elevada resistencia al desgaste en las zonas de trabajo y de soporte, estando configurado el cuerpo de eje (1) como cuerpo hueco metálico embutido en profundidad y comportando, al menos en las zonas de trabajo y de soporte (22) una capa (5) resistente al desgaste y unida metálicamente al cuerpo de eje respectivamente, caracterizado por el hecho de que la capa (5) resistente al desgaste consta de materiales adicionales integrados por fusión, siendo integrados por fusión como material adicional o de aporte, unas partículas de material duro individualmente o conjuntamente con un metal matriz o un metal ligante o aglomerante.

2. Cuerpo de eje según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la capa (5) resistente al desgaste tiene un espesor de 0,2 a 5,0 mm y está constituida por materiales adicionales integrados por fusión, configurándose entre el material de base del cuerpo de eje (1) y la capa desgastable (5) una zona mixta con menor espesor de capa y presentando la zona exterior de la capa desgastable, de ese modo, una homogeneidad.

3. Cuerpo de eje según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por el hecho de los materiales adicionales o de aportación son metales, carburos, carbonitruros, boruros, carboboruros, nitruros y óxidos, de preferencia composiciones de los metales de los grupos 4, 5, 6, 8, 9, 10, 13 y 14 del sistema periódico de los elementos, sueltos o en forma de mezcla.

4. Cuerpo de eje según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de que la capa (5) está formada con metal duro como material de adición o aportación.

5. Cuerpo de eje según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que la capa (5) resistente al desgaste presenta en su parte exterior una dureza de, al menos, 500 HV, de preferencia hasta 900 HV y más.

6. Procedimiento para la fabricación de cuerpos de ejes (1) con, al menos en zonas parciales a lo largo de la extensión longitudinal, con respecto al eje, una forma de sección transversal asimétrica, en especial árboles de manivela o árboles de levas, con unas superficies que presentan elevada resistencia al desgaste del material en las zonas de trabajo o de soporte, siendo sometido a una deformación plástica o a una embutición profunda un tubo metálico (2), por medio de una presión interior (D) elevada dentro de un molde o una coquilla divisible (3) para conseguir un cuerpo de eje o árbol hueco próximo a las dimensiones finales, caracterizado por el hecho de que se efectúa, después de una deformación plástica o una embutición en profundidad, al menos en una de las zonas de trabajo o de soporte (22) previstas respectivamente, por medio de un haz energético (41) dirigido sobre ellas, un recargue por fusión del material del cuerpo de eje localmente durante un corto periodo de tiempo y se integran a la fase de fusión, como materiales de adición, unas partículas de material duro solas o conjuntamente con un metal matriz o con un metal ligante o aglomerante y se distribuyen en gran parte homogéneamente, configurándose, después de la solidificación, una capa marginal (5) como capa desgastable, la cual capa desgastable (5) se mecaniza con arranque de virutas hasta la dimensión final prevista del cuerpo de eje (21) y da por resultado una zona con elevada resistencia a la abrasión.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado por el hecho de que como tubo (2) metálico se utiliza uno fabricado a partir de una aleación a base de hierro, o a base de níquel, o a base de titanio, o a base de aluminio, o a base de cobalto con una pared en gran parte homogénea.

8. Procedimiento según la reivindicación 6 o 7, caracterizado por el hecho de que el haz energético (41) está configurado como un haz de gran potencia con una densidad media de potencia localmente, que actúa sobre el cuerpo de eje, de más de 0,8 x 10^{3} W/cm^{2} y las zonas locales de recargue por fusión, en las cuales se integran por fusión los materiales de adición, se mantienen en el estado de fusión líquida durante un periodo de tiempo inferior a 22 segundos.

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado por el hecho de que, como haz energético (41) se utiliza uno o varios rayos láser de gran potencia o, en especial, uno o varios chorros de plasma.

10. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, caracterizado por el hecho de que, como materiales de adición o aporte, se emplean metales, carburos, nitruros, carbonitruros, boruros, sulfuros, carboboruros, silícidos y óxidos individualmente o en combinación, los cuales, de preferencia, representan composiciones con metales del grupo 4, 5, 6, 8, 9, 10, 13 y 14 del sistema periódico de los elementos.

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10, caracterizado por el hecho de que la capa inhibidora del desgaste está formada con la adición de un polvo de metal duro.

12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 11, caracterizado por el hecho de que, como material de adición, se integran por fusión a la zona de superficie del cuerpo de eje (22) unas partículas de material duro y un metal matriz o un metal ligante con diferentes proporciones en función del espesor de la capa.

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 12, caracterizado por el hecho de que, al menos, una parte de las partículas de material duro integradas a la masa en fusión o colada está provista de un recubrimiento de superficie.

14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 13, caracterizado por el hecho de que la capa resistente al desgaste está formada, al menos parcialmente, por diferentes materiales de adición o diferente concentración, preferentemente en estratos superpuestos ligados metálicamente.