ES2242553T3 - Elemento elastico de un acero ferritico al cromo. - Google Patents

Abstract

Elemento tensor, en especial, para varillas tensoras de limpiaparabrisas, de un acero ferrítico al cromo, compuesto de: 0, 03 a 0, 12% carbono 0, 2 a 0, 9% silicio 0, 3 a 1% manganeso 13 a 20% cromo menos de 0, 5% níquel 0, 05 a 1, 0% cobre 0, 02 a 0, 05% nitrógeno menos de 0, 01% titanio 0, 01 a 0, 10% niobio 0, 02 a 0, 25% vanadio, hierro residual.

Description

Elemento elástico de un acero ferrítico al cromo.

El invento se refiere a un elemento elástico, en especial a una varilla elástica para limpiaparabrisas, como las que, por ejemplo, se utilizan habitualmente en los parabrisas curvados de los vehículos automóviles, los vehículos sobre carriles, los barcos y los aviones.

Los limpiaparabrisas se componen habitualmente de un brazo de limpiaparabrisas con un portaescobillas, de una varilla elástica y de una escobilla limpiadora, que con ayuda de fuerzas elásticas es presionada contra el cristal a limpiar. Para conseguir el necesario efecto limpiador, es necesario que la escobilla limpiadora elástica como la goma quede pegada siempre a la superficie del cristal independientemente de la curvatura del mismo. Esto lo garantizan los elementos elásticos dispuestos entre el brazo limpiador y la escobilla limpiadora, en especial, también la varilla elástica, cuya longitud corresponde básicamente a la escobilla limpiadora elástica como la goma.

Con elevadas velocidades de marcha y/o de viento, se producen turbulencias y vibraciones con la consecuencia de que la escobilla limpiadora no quede pegada uniformemente y con con suficiente fuerza de presión contra el cristal en toda su longitud y/o durante todo su movimiento pendular, de modo que no se eliminen fiablemente las películas de agua y la suciedad adherida al cristal.

Los limpiaparabrisas modernos se componen de un puente principal dispuesto articuladamente en un brazo de limpiaparabrisas accionado mecánicamente, en cuyos dos extremos se ha fijado articuladamente, en cada caso, una patilla de garras. Las patilla de garras están unidas articuladamente por un extremo con una varilla elástica y, por el otro extremo, están unidas articuladamente con garras, cuyos dos extremos están unidos, en cada caso, por medio de articulaciones con la varilla elástica. La varilla elástica se ha empotrado en toda su longitud en la escobilla limpiadora elástica como la goma.

El sistema elástico consistente, en conjunto, de cinco puentes y una varilla elástica debe garantizar un contacto uniforme de la escobilla limpiadora con el cristal. Para conseguirlo y, en especial, para atenuar oscilaciones vibratorias, se han de adecuar las distancias de las dos patillas de garras y sus longitudes a la geometría del cristal. Otros criterios son la extensión de la superficie del cristal a barrer, la longitud de las escobillas limpiadoras, la orientación del eje pendular del brazo limpiador con respecto a la superficie del cristal y, en especial, la fuerza elástica así como la anchura y el espesor de las varillas elásticas. Además, una decisión hecha por cálculo tampoco es apenas posible; la naturaleza de las patillas de garras y su colocación con respecto a la escobilla limpiadora se basan, por ello, la mayoría de las veces en experiencias prácticas.

A pesar de todos los esfuerzos, sólo se consigue evitar limitadamente un tableteo o la presencia de vibraciones a elevadas velocidades de marcha y/o de viento. A consecuencia de todo ello, el resultado de la limpieza resulta poco satisfactorio y da lugar, además, a una fuerte abrasión en el borde limpiador de la escobilla limpiadora así como a ruidos de funcionamiento molestos y a un acortamiento de la duración de las escobillas limpiadoras.

El documento europeo de exposición de inventos 1 288 089 A2 propone, para disminuir los ruidos, reducir los coeficientes de rozamiento de una escobilla limpiadora con un perfil especial con ayuda de un revestimiento polímero. Sin embargo, esto no sólo es muy costoso, sino que facilita también la aparición de vibraciones a consecuencia de los menores coeficientes de rozamiento. Además, el documento de exposición de inventos del PCT (Patent Cooperation Treaty) WO 01/58732 A1 propone utilizar, en lugar de una sola varilla elástica, que se extiende prácticamente por toda la longitud de la escobilla limpiadora, dos varillas elásticas que discurran paralelamente entre sí, con diferente frecuencia de resonancia, para atenuar la aparición de vibraciones del portaescobillas. Sin embargo, frecuencias de resonancia diferentes requieren varillas elásticas diferentes en cuanto a su sección transversal y/o su material y, por consiguiente, un gasto adicional tanto en fabricación, como también en almacenamiento y en materiales de recambios. A eso se añade que el comportamiento de las vibraciones, por utilización de dos varillas elásticas con diferente frecuencia de resonancia, sólo se puede evitar dentro de un entorno de frecuencias relativamente estrecho y que, por tanto, no incluye todos los estados operativos o bien de vibraciones que se presentan en la práctica.

Como material para elementos elásticos y varillas elásticas, se utilizan habitualmente aceros aleados, porque los aceros al carbono puros tienen un reducida capacidad de amortiguación y, por ello, no reducen rápidamente las vibraciones perjudiciales. Esto es la consecuencia de que apenas se desarrollen en la estructura procesos consumidores de energía. Por ejemplo, el documento US 4 022 640 revela la utilización de aceros de la serie AISI 434, AISI 405, AISI 409, AIASI 439 y AISI 431.

Ante esta exposición, el problema planteado al invento consiste en mejorar el comportamiento de las vibraciones de los elementos elásticos, por ejemplo, el comportamiento limpiador de los limpiaparabrisas con una varilla elástica.

Para ello propone el invento utilizar como material para elementos elásticos, en especial para varillas elásticas, un acero al cromo ferrítico con 0,03 a 0,12% de carbono, 0,2 a 0,9% de silicio, 0,3 a 1% de manganeso, 13 a 20% de cromo, 0,1 a 2,0% de molibdeno, 0,05 a 1,0% de cobre, 0,02 a 0,05% de nitrógeno, menos de 0,01% de titanio, 0,01 a 0,10% de niobio y 0,02 a 0,25% de vanadio, y de hierro el resto.

El acero puede contener -individual o conjuntamente- como máximo 0,1% de carbono, como máximo 1,5% de molibdeno así como 0,1% de cobre hasta 0,5%, y, al menos, 0,03% de nitrógeno.

Se ha acreditado especialmente un acero con 0,06 a 0,1% de carbono, 15 a 18% de cromo y 0,8 a 1,5% de molibdeno.

El elemento elástico según el invento tiene una fuerza H_{C} coercitiva de 190 a 240 A/cm así como magnetización J_{ma} de saturación de 1,45 a 1,57 T, lo que corresponde a una proporción de ferrita en la estructura del 10% y 55%, respectivamente.

Estos datos se pueden conseguir, por ejemplo, por que el fleje en frío o el alambre plano de la aleación según el invento se conforme en frío y seguidamente reciba un recocido de disolución así como que se enfríe al aire o bruscamente en agua y, al mismo tiempo, se ajuste una estructura magnetizable con la saturación magnética mencionada arriba. Con ayuda de, al menos, una conformación en frío adicional, se puede ajustar entonces, dado el caso escalonadamente, la deseada fuerza coercitiva.

Para mejorar las propiedades mecánicas y/u ópticas, se puede dotar al material de partida o al elemento elástico (varilla elástica) de un revestimiento preferiblemente de 50 a 150 \mum de espesor de un esmalte en polvo duroplástico. El revestimiento tiene lugar por acción térmica y está asociado, por ello, forzosamente a un recocido ventajoso del material.

Los elementos elásticos según el invento se caracterizan por una elevada fuerza elástica y una elevada resistencia a la intemperie así como, en especial, a una fuerte amortiguación de vibraciones magnetomecánicas. El comportamiento ventajoso a las vibraciones permite la supresión de las costosas garras y, dado el caso, también de los puentes de garras, por consiguiente, permite un limpiaparabrisas, en el que el brazo de limpiaparabrisas encaja directamente a través del puente principal en la varilla elástica.

La estructura consistente en ferrita y martensita con depósitos finos como nitruros y carbonitruros garantiza una elevada amortiguación inicial, cuya causa es la pared de dominios inducida por la tensión de los componentes de la estructura. Se trata, además, de modificaciones internas de la magnetización como movimientos de paredes de los dominios inelásticos inducidos por tensiones, que dan lugar a pérdidas por corrientes parásitas y, por ello, consumen energía vibratoria.

El invento se explica, a continuación, a base de dibujos en asociación con ejemplos de realización. En ellos, muestran las figuras:

Figura 1 la construcción de un brazo de limpiaparabrisas habitual,

Figura 2 un dispositivo de medición para determinar el comportamiento a las vibraciones de varillas elásticas,

Figura 3 una representación gráfica del comportamiento vibratorio de varillas elásticas habituales, y

Figura 4 una representación gráfica del comportamiento vibratorio de una varilla elástica según el invento en comparación con dos varillas elásticas de aceros habituales.

Según la representación de la figura 1, un limpiaparabrisas habitual se compone de un brazo 1 de limpiaparabrisas, cuyo extremo está unido articuladamente con un puente 2 principal. En los dos extremos del puente principal se ha apoyado articuladamente, en cada caso, un puente 3, 4 de garras. Los extremos 5, 6 de la patilla más larga del puente 3, 4 de garras encajan articuladamente en una varilla 7 elástica, que junto con una escobilla 8 limpiadora elástica como la goma sirve de escobilla limpiadora para eliminar agua y suciedades del cristal del vehículo.

Por el contrario, las patillas más cortas de los puentes 3, 4 de garras están unidas, en cada caso, por articulaciones 10, 11 con una garra 12, 13, cuyos extremos encajan articuladamente en la varilla 7 elástica.

La utilización de una varilla elástica según el invento permite renunciar, en el caso de un limpiaparabrisas del tipo representado, a los dos puentes 3, 4 de garras o también a las garras 12, 13. Gracias a ello, se disminuye el gasto de montaje del limpiaparabrisas en aproximadamente el 50%. Esto es válido independientemente del perfil de la sección transversal de la varilla elástica, cuya capacidad de amortiguación ventajosa se muestra en diferentes perfiles.

El invento se explica, a continuación, más detalladamente a base de ejemplos de realización y de aleaciones de comparación.

A partir de la siguiente Tabla 1, se obtienen las composiciones de cinco aceros E1 a E5 al cromo así como de siete aceros V6 a V12 de comparación.

TABLA 1

1

Los aceros fueron analizados en cuanto a su:

Resistencia R_{m} a la tracción

Fuerza H_{C} coercitiva

Magnetización J de saturación

Amortiguación como amplitud porcentual tras 15 seg.

Amortiguación como amplitud porcentual tras 25 seg.

Para la fabricación de una varilla elástica, se aplicaron las aleaciones E1 a E6 según el invento con una sección transversal de 28 mm^{2} en estado de recocido blando. Después de una primera conformación en frío, se expusieron las muestras 12 minutos a un recocido de disolución a 1050ºC, se enfriaron bruscamente y se sometieron a una conformación en frío adicional hasta una sección transversal final de 6 mm^{2}. En estas etapas de tratamiento, se obtiene una conformación total del 78%. Las muestras se depuraron después en un baño de ultrasonidos para prepararlas a un tratamiento de revestimiento o bien de revenido, se calentaron a 350ºC y se revistieron con un esmalte en polvo. El revestimiento se aplicó durante la fase del enfriamiento del tratamiento de revenido para aprovechar el calor de proceso de la varilla elástica para el endurecimiento del esmalte en polvo.

Adicionalmente, se conformó previamente una de las muestras de la aleación E4 de la primera conformación en frío antes mencionada, seguidamente se sometió a un recocido y, luego, se continuó tratando como las demás muestras (compárese con el ensayo 8).

Los resultados de los ensayos se han resumido en la siguiente Tabla II, que también incluye, además del espesor de la capa, la temperatura de endurecimiento o bien la temperatura de revestimiento; que provoca un revenido y da lugar a una elevación de la resistencia a la tracción, como muestra el comportamiento amortiguador del ensayo 5, que se refiere a una muestra de la aleación E1 sin revestimiento y, en consecuencia, también sin revenido al revestir. Aquí se ve claramente la importancia del revenido para el aumento de la resistencia.

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2

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3

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En los ensayos 11 a 13 y 18 se trata de aceros, que son demasiado blandos y no tienen, en absoluto, suficientes propiedades elásticas. La determinación de la amortiguación elástica no tenía entonces ningún sentido. Por consiguiente, en estos ensayos no se ha indicado en la Tabla II ninguna amplitud residual (desconocida).

Para la amplitud residual, se considera, en general, que la amortiguación de vibraciones es tanto mejor cuanto menor es la amplitud residual indicada.

El comportamiento vibratorio se determinó con ayuda del dispositivo medidor representado en la figura 2. En los ensayos, se empotraron, por un lado, las muestras 14 en una base 15, luego se desviaron las muestras 14 lateralmente una distancia D = 11 mm y, acto seguido, se abandonaron a sí mismas. Con ayuda de un sensor, se captaron las oscilaciones de las muestras libremente oscilantes en función del tiempo, la señal ampliada se envió a una tarjeta PC (mando programable) de medición y se alimentó con una resolución temporal de 4400 valores de medición por segundo como diagrama de oscilaciones. A partir de este diagrama de oscilaciones, se determinó el final del revestimiento y, a partir de la curva 16 de revestimiento o bien de la curva de amortiguación obtenida de ello, se determinó tras 0,15 segundos y tras 0,25 segundos, en cada caso, la amplitud residual porcentual en comparación con la amplitud iniciala en el instante cero (100%).

La obtención de los valores magnéticos característicos de las muestras tuvo lugar con ayuda de una curva de histéresis, de la que se tomaron los valores de la fuerza H_{C} coercitiva y la magnetización J_{máx} de saturación según DIN 50460.

En la figura 4, se ha representado el comportamiento típico de las oscilaciones en varillas elásticas habituales. El trazado de la curva 16 de revestimiento o bien de amortiguación sigue una función exponencial. Esto se explica por que, al oscilar una hoja elástica, se presenta, según el empotramiento de la hoja elástica en la superficie, de forma fluctuante una tensión de compresión o una tensión de tracción. Una oscilación tal se representa, por lo general, por una ecuación diferencial. Para los cálculos de una oscilación, se adopta habitualmente una ley de fuerzas lineal. Esta ley de fuerzas lineal motiva que la oscilación se pueda describir muy bien por una curva de oscilación exponencialmente descendente. Aunque si hay, como en el caso de la aleación según el invento, acciones recíprocas magnetomecánicas en la estructura, entonces ya no se satisface más la condición para la ley de fuerzas, y, al oscilar, da lugar a una histéresis mecánica. Dicha histéresis es, para grandes amplitudes o desviaciones, mayor que para pequeñas, ya que la energía perdida depende de la superficie de la curva de histéresis. En tal caso, no se consigue ninguna curva de amortiguación exponencialmente descendente. Más bien se da una amortiguación inicial muy fuerte (compárese Hornbogen, Metallkunde - metalografía - 2ª. Edición).

De modo similar discurren las dos curvas 17, 18 de amortiguación para las varillas elásticas de aceros V9 y V10 de comparación en las Tablas I y II; que siguen la ley de Hook. Por el contrario, la curva 19 discurre de otro modo para las varillas elásticas según el invento de acero E1 en la Tabla I o bien en el ensayo 2 de la Tabla II. El curso de la curva 19 muestra, a causa de su caída relativamente inclinada, una elevada amortiguación inicial, que se puede explicar por una desviación no lineal de la ley de Hook y tiene su origen en los mencionados movimientos de tabiques de dominios inducidos por la tensión, tal como se presenta dentro del campo de valores según el invento en cuanto a fuerza coercitiva y saturación magnética.

Una tensión \sigma mecánica produce en un material fundamentalmente una modificación de la distancia interatómica, lo que se manifiesta, en la práctica, como dilatación \varepsilon. De ello se sigue la conocida relación, o bien el módulo E de elasticidad, según:

E = E_{G} = \sigma \ 1/ \varepsilon_{G}

(el índice G indica que el módulo E depende de la dilatación de rejilla).

En el caso de componentes estructurales acoplados magnéticamente como ferrita y martensita, resulta una tensión, pero además, adicionalmente a la dilatación de rejilla, una modificación de la ordenación de dominios, por lo que se ha e considerar en la igualdad una dilatación \varepsilon_{MM} adicional. Por ello, resulta la relación:

E = E_{G} + E_{MM} = \sigma \ (1/\varepsilon_{G} + 1/ \varepsilon_{MM})

Con \varepsilon_{MM} se han reunido todas las dilataciones y dilataciones adicionales magnéticamente inducidas; se compone de 3 dilataciones parciales y comprende también la magnetostricción de volumen y su proporción de dilatación similar.

La amortiguación magnetomecánica tiene lugar, por consiguiente, por que, debido a una tensión mecánica, surtan efecto no sólo la modificación de la distancia interatómica (dilatación de rejilla), sino también las modificaciones debidas a los movimientos de tabiques entre dominios inducidos por tensión.

El comportamiento vibratorio ventajoso se explica por una fuerte amortiguación magnetomecánica. Se forma ésta por que, con una vibración a consecuencia de modificaciones temporales de la tensión mecánica, se modifican las disposiciones de los dominios en forma de una magnetostricción de volumen forzada.

Puesto que los movimientos de tabiques entre dominios inducidos por tensión, están asociados a pérdidas por corrientes parásitas e inelásticas, se presenta, en el caso de una carga oscilante, una histéresis magnética, es decir, una desviación no lineal de la ley de Hook.

Al mismo tiempo, la magnitud de las berreras para los movimientos de tabiques entre dominios (o sea, la energía de tabiques y, por consiguiente, el valor H_{C}) desempeña naturalmente un gran papel, ya que es responsables finalmente de la dimensión de la amortiguación. Una amortiguación magnetomecánica óptima por movimientos de tabiques entre dominios inducidos por tensión sólo es posible, según ello, en un determinado campo de valores de J (polarización magnética) y de H_{C} (fuerza coercitiva).

La amortiguación se puede mejorar más con un revestimiento con ayuda de un esmalte en polvo duroplástico. Un revestimiento de ese tipo actúa ventajosamente en un sentido múltiple; eleva la resistencia a la corrosión, así como la resistencia a la tracción, y permite coeficientes de rozamiento favorables para la introducción de una varilla elástica en la escobilla limpiadora, así como adaptar la estructura de la superficie y el aspecto exterior a la presentación exterior de la escobilla limpiadora de goma.

Causa de un comportamiento amortiguador impecable de los elementos elásticos (varillas elásticas) según el invento son las estructuras compuestas de ferrita magnéticamente blanda y, por el contrario, de martensita relativamente dura magnéticamente con depósitos finos no magnéticos de carburos y/o carbonitruros, así como porciones de volumétricas de las dos fases magnéticas, ferrita y martensita. La ferrita tiene una elevada polarización magnética, es decir, una magnetización interior muy fuerte en comparación con la magnetización de saturación del hierro puro con 2,2 T o bien 22000 gauss. De ello, resulta una ligera falta de magnetización, es decir, la ferrita es magnéticamente blanda, lo que se muestra por una baja fuerza coercitiva o bien una energía de tabiques más baja. La martensita posee ciertamente una menor capacidad de magnetización o bien una polarización magnética claramente menor; pero, en comparación con la ferrita, sus dominios magnéticos están fijados de modo energéticamente más fuerte a causa de sus depósitos finos, aunque también por los elementos de aleación disueltos en la red cristalina. En comparación con la ferrita, la martensita se puede desmagnetizar con mayor dificultad, es pues magnéticamente más dura y posee, por ello, un valor H_{C} más elevado.

En el caso de los dominios magnéticos, se trata de regiones magnéticas, que están delimitadas por los llamadas tabiques de dominio. La estabilidad de los dominios magnéticos se pone de manifiesto en la llamada energía de tabique. Las energías de tabique de la ferrita son pequeñas, en general, y justifican, por ello, una ligera desmagnetización o bien una baja fuerza coercitiva, por debajo de alrededor de 1 A/cm.

Con ayuda de la porción volumétrica de los dos componentes magnetizables de la estructura, ferrita y martensita (preferiblemente 30% de ferrita, el resto de martensita incluyendo depósitos no magnetizables minúsculos), así como la dureza magnética condicionada por ellas, se puede ajustar o bien optimizar el comportamiento de la amortiguación. Esto ocurre con ayuda de un revenido de disolución con una duración de 0,5 a 0,6 minutos a 900º hasta 1100ºC y una conformación en frío con una grado total de deformación de más del 65%. De ese modo, se puede conseguir una saturación magnética como valor suma de las dos fases magnetizables, ferrita (10 a 55%, resto esencialmente martensita) y martensita en un orden de magnitud de 1,45 a 1,75 T.

A la conformación en frío, se le puede agregar un revenido para ajustar la dureza magnética, por ejemplo, de una duración de 0,1 a 1 minuto a una temperatura de 200 a 380ºC para conseguir una fuerza coercitiva de 190 a 320 A/cm. El tratamiento de revenido puede tener lugar al mismo tiempo que el revestimiento con un polvo de esmalte o bien un esmalte térmicamente endurecedor.

Claims (10)

1. Elemento elástico, en especial varilla elástica para limpiaparabrisas, de un acero al cromo ferrítico, compuesto de:

Carbono

0,03 a 0,12%

Silicio

0,2 a 0,9%

Manganeso

0,3 a 1%

Cromo

13 a 20%

Níquel

menos de 0,05%

Molibdeno

0,1 a 2%

Cobre

0,05 a 1,0%

Nitrógeno

0,02 a 0,05%

Titanio

menos de 0,01%

Niobio

0,01 a 1,10%

Vanadio

0,02 a 0,25%

Hierro

resto

2. Elemento elástico según la reivindicación 1, caracterizado porque el acero contiene 0,1% de carbono como máximo, 1,5% de molibdeno como máximo, 0,1 a 0,5% de cobre y, al menos, 0,03% de nitrógeno.

3. Elemento elástico según la reivindicación 1, caracterizado por un contenido de carbono de 0,06 a 0,1%, un contenido de cromo de 15 a 18% y un contenido de molibdeno de 0,8 a 1,5%.

4. Elemento elástico según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por una fuerza coercitiva de 190 a
320 A/cm y una saturación magnética de 1,45 a 1,75 T.

5. Elemento elástico según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por un revestimiento de esmalte en polvo duroplástico.

6. Elemento elástico según la reivindicación 5, caracterizado por un espesor de capa de 0,05 a 0,15 mm.

7. Elemento elástico según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por un recocido de disolución de 0,5 a 60 minutos a entre 900 y 1100ºC.

8. Elemento elástico según la reivindicación 7, caracterizado por una conformación en frío con un grado de deformación de más del 65%.

9. Elemento elástico según la reivindicación 8, caracterizado por un revenido después de la conformación en frío de 0,1 a 1 minutos entre 200 y 380ºC.

10. Elemento elástico según la reivindicación 9, caracterizado por una temperatura de endurecimiento del revestimiento en el entorno de la temperatura de revenido.