ES2286936B2 - Perno de aleacion de titanio y proceso para fabricarlo. - Google Patents
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Abstract
Perno de aleación de titanio y proceso para
fabricarlo.
Se describe un proceso para hacer un perno de
aleación de titanio a temperatura ambiente. Como material se usa una
aleación de Ti-Fe-O. Tiene una
rosca formada sobre el mismo por embutición y laminación.
Description
Perno de aleación de titanio y proceso para
fabricarlo.
La presente invención se refiere a un perno de
aleación de titanio y un proceso para fabricarlo.
Un perno de acero se emplea principalmente como
un perno que es un elemento sujetador típico. Se emplea un perno
de aleación de titanio cuando se requiere una reducción de peso o
mayor resistencia. Un perno de aleación de titanio requiere un
nivel técnico más alto para su fabricación que un perno de acero.
Una técnica para fabricar un perno de aleación de titanio se
propone, por ejemplo, en la Patente japonesa número 2.982.579. El
perno de aleación de titanio descrito en la Patente japonesa
número 2.982.579 se fabrica de una aleación de Ti
(titanio)-6%Al (aluminio)-4%V
(vanadio).
La aleación de
Ti-6%Al-4%V es una aleación
alfa-beta que se fabrica añadiendo un elemento
alfa-estabilizante y un elemento
beta-estabilizante a titanio. La aleación
alfa-beta es difícil de trabajar a temperatura
ambiente a causa de su alta resistencia a la deformación y baja
capacidad de estiramiento. Por lo tanto, se emplea forja en
caliente realizada a alta temperatura para conformar una aleación
alfa-beta por forja, puesto que mantenerla a alta
temperatura disminuye su resistencia a la deformación y hace más
fácil de estirar.
Sin embargo, un producto de forja en caliente a
alta temperatura está gravemente afectado por la expansión térmica
de la aleación. Como resultado, el producto forjado es
indeseablemente bajo en exactitud dimensional. Hay que diseñar un
producto de forja en caliente con una tolerancia de corte
suficientemente grueso para compensar su baja exactitud dimensional
y, por lo tanto, el desperdicio del material es inevitable.
La forja en caliente de un material de titanio
forma capas de incrustaciones y óxido en su superficie cuando tiene
lugar su fuerte oxidación a alta temperatura. La necesidad de la
extracción de las capas de incrustaciones y óxido aumenta el costo
de fabricación del perno.
Además, la forja en caliente requiere energía
calorífica para calentar el material a alta temperatura.
Por otra parte, la forja en frío puede hacer un
producto casi en su forma de producto final, puesto que no requiere
energía calorífica, ni produce disminución de la exactitud
dimensional que resultaría de la expansión térmica.
Por consiguiente, ha sido necesario explorar un
material de titanio que pueda sustituir a la aleación
alfa-beta y que sea adecuado para forja en frío, y
se ha propuesto titanio puro y una aleación beta de titanio como
materiales de titanio a los que se puede aplicar forja en frío.
Sin embargo, el titanio puro es de resistencia
demasiado baja como un material para pernos en los que se requiere
alta resistencia. La aleación beta de titanio contiene una cantidad
mucho más grande de material caro que la aleación
alfa-beta de titanio, y tiene una alta resistencia
a la deformación. La necesidad de una gran cantidad de material
caro da lugar a un perno caro y su alta resistencia a la
deformación acorta la duración de un conjunto de troquel. Por estas
razones, ni el titanio puro ni la aleación beta de titanio se
pueden considerar como un material adecuado para pernos.
Por lo tanto, ha habido que desarrollar un perno
de aleación de titanio que se pueda fabricar por forja en frío
como un sustituto de un perno de titanio puro o una aleación beta
de titanio.
Según un primer aspecto de la presente
invención, se facilita un perno de aleación de titanio hecho de una
Aleación de Ti-Fe-O
(titanio-hierro-oxígeno), que tiene
una resistencia a la tracción de al menos 800 MPa y que tiene una
rosca formada en su porción apropiada por embutición y
laminación.
La aleación de
Ti-Fe-O es capaz de embutir y
laminar a temperatura ambiente para hacer un perno de alta
exactitud dimensional.
Como material para un perno se utiliza una barra
redonda de la aleación hecha por laminación. La barra redonda
tiene marcas de laminación formadas al tiempo de la laminación y
que sirven para incrementar su resistencia a la tracción. Las
marcas de laminación no se rompen cuando se forma una rosca por
embutición y laminación. Las marcas de laminación que quedan en un
perno de aleación de titanio aumentan su resistencia. El perno de
aleación de titanio tiene una resistencia a la tracción de al menos
800 MPa que es un nivel de resistencia suficientemente alto para
el
perno.
perno.
La aleación de titanio tiene preferiblemente un
contenido de hierro de 0,6 a 1,4% en masa y un contenido de oxígeno
de 0,24 a 0,44% en masa, siendo el resto de su composición titanio
e impurezas inevitables. Más preferiblemente contiene 0,05% en masa
o menos de nitrógeno sustituido por una parte de su oxígeno.
Si la aleación es de la composición expuesta
anteriormente, su titanio puede ser titanio poroso no estándar. El
material no estándar es menos caro y está más fácilmente disponible
que un material estándar. Una reducción considerable del costo de
los materiales hace posible proporcionar un perno de aleación de
titanio de bajo costo.
Según un segundo aspecto de la presente
invención, se facilita un proceso para fabricar un perno de
aleación de titanio que tiene una resistencia a la tracción de al
menos 800 MPa, que incluye los pasos de preparar una pieza de una
aleación de titanio-hierro-oxígeno,
someter la pieza a trabajo plástico en frío a temperatura ambiente
y formar una rosca en un producto del trabajo plástico.
La aleación de
Ti-Fe-O permite el trabajo plástico
a temperatura ambiente y por lo tanto una reducción del costo del
trabajo. Su trabajo a temperatura ambiente puede hacer un producto
casi en su forma de producto final y por lo tanto permite el uso
efectivo del material.
La rosca se forma preferiblemente por
laminación. La laminación deja en el perno marcas de laminación que
lo refuerzan.
El proceso incluye preferiblemente un paso de
tratamiento térmico para recocer un producto de trabajo plástico en
frío a una temperatura de 400ºC a 600ºC antes de formar una rosca
en él. Este recocido reduce o quita toda deformación producida en
el producto del trabajo plástico en frío.
El proceso incluye preferiblemente un paso de
tratamiento superficial para pulir en tambor el producto
recocido.
Su pulido en tambor hace posible controlar la
aspereza superficial del producto. Esto es especialmente importante
puesto que los pernos con una aspereza superficial unificada en
las pestañas de sus pernos se pueden apretar con una cantidad de
par unificada.
El recocido se realiza preferiblemente al aire
libre.
El recocido a una temperatura de 600ºC o más
baja produce solamente una ligera reducción de la resistencia a la
fatiga del perno, si la hay. Por lo tanto, dicho recocido es
posible al aire libre y el recocido al aire libre es menos caro que
en una atmósfera de gas argón o en vacío.
El paso de trabajo plástico en frío incluye
preferiblemente el paso de embutir el producto de trabajo plástico
a lo largo de su porción en la que se formará la rosca, de manera
que una relación de reducción de área expresada por la fórmula
[(área en sección transversal de la porción todavía a embutir -
área en sección transversal de la porción embutida)/área en sección
transversal de la porción todavía a embutir] puede ser de 10 a
70%.
Una relación de reducción de área de 10% o
superior garantiza una mejora satisfactoria de la resistencia por
embutición y una relación de reducción de área de 70% o menos
garantiza que ninguna porción del producto de trabajo plástico sea
agarrotada por el conjunto de troquel cuando sea embutida.
Algunas realizaciones preferidas de la presente
invención se describirán ahora con detalle, a modo de ejemplo
solamente, con referencia a los dibujos anexos, en los que:
Las figuras 1A a 1C son una serie de diagramas
que muestran el paso de trabajo plástico en frío de un proceso que
realiza la presente invención.
Las figuras 2A a 2C son una serie de diagramas
que muestran los pasos de calor y tratamiento superficial del
proceso.
Las figuras 3A a 3C son una serie de diagramas
que muestran el paso de formación de rosca del proceso.
Y la figura 4 es una vista ampliada en alzado de
un perno de aleación de titanio que realiza la presente
invención.
Una pieza para un perno de aleación de titanio
según la presente invención es preferiblemente de una aleación de
Ti-Fe-O que tiene preferiblemente un
contenido de hierro de 0,6 a 1,4% en masa y un contenido de oxígeno
de 0,24 a 0,44% en masa, siendo el resto de su composición titanio
e impurezas inevitables, y más preferiblemente de una aleación de
Ti-Fe-O-N
conteniendo 0,05% en masa o menos de nitrógeno sustituido por una
parte de su oxígeno.
La pieza es preferiblemente una varilla redonda
preparada mediante un proceso incluyendo, por ejemplo, pasos para
hacer un lingote, forjar el lingote a un tamaño apropiado,
laminarlo en caliente, laminarlo en frío a una varilla y recocerlo.
La varilla se enrolla preferiblemente para facilitar el
transporte.
El trabajo plástico de una pieza a temperatura
ambiente se describirá con referencia ahora a las figuras 1A a 1C.
Una pieza 20 se prepara como se representa en la figura 1A cortando
una varilla redonda a una longitud apropiada. La pieza 20, a
excepción de su porción que forma la cabeza de un perno, se embute
a un diámetro más pequeño para formar un producto embutido 21 que
tiene una porción de espiga como se representa en la figura 1B.
Su embutición se lleva a cabo para formar la
porción de espiga antes de formar una rosca sobre ella. La porción
de espiga en la que se formará una rosca, se embute de manera que
una relación de reducción de área expresada por la fórmula [(área
en sección transversal de la porción todavía a embutir - área en
sección transversal de la porción embutida)/área en sección
transversal de la porción todavía a embutir] pueda ser de 10 a
70%.
Una relación de reducción de área de 10% o
superior garantiza una mejora satisfactoria de la resistencia por
embutición y una relación de reducción de área de 70% o menos
garantiza que ninguna porción del producto de trabajo plástico sea
agarrotada por el conjunto de troquel cuando sea embutida.
El producto embutido 21 tiene una porción de
gran diámetro 22 que tiene un diámetro representado como D y la
porción de espiga 23 que tiene un diámetro representado como d. Por
consiguiente, la relación de reducción de área se puede expresar
como (D^{2} - d^{2})/D^{2}.
El producto embutido 21 se somete a estampado y
forja por recalcado para hacer que su porción de gran diámetro 22
se conforme a la forma de un elemento de espiga con cabeza 25 como
se representa en la figura 1C.
El elemento de espiga con cabeza 25 tiene una
cabeza de perno 26 que tiene una pestaña 27 y formada en un
extremo de la porción de espiga 23 como una parte integral de la
misma.
El tratamiento por calor y superficial del
elemento de espiga con cabeza 25 se describirán ahora a modo de
ejemplo con referencia a las figuras 2A a 2C.
El elemento de espiga con cabeza 25 representado
en la figura 2A se coloca en un aparato de recocido y recuece a
una temperatura de 400ºC a 600ºC en la atmósfera para hacer un
elemento de espiga recocido 28 como se representa en la figura
2B.
El elemento de espiga con cabeza 25 tiene una
deformación producida en la pieza por su trabajo plástico en frío
como se describe antes con referencia a las figuras 1A a 1C. Su
deformación se reduce o elimina por recocido. Su recocido es
especialmente efectivo para reducir cualquier esfuerzo restante en
el límite entre la porción de espiga 23 y la cabeza de perno 26 y
evitar por ello la fractura del perno en el límite entre su porción
de espiga 23 y su cabeza 26. Además, su recocido mejora 0,2% su
esfuerzo de prueba. Incluso una aleación que tiene una menor
relación de esfuerzo de prueba a resistencia a la tracción que
cualquier aleación conocida (por ejemplo Ti64) y que no cumple el
estándar para pernos, se puede modificar de manera que sea conforme
al estándar para pernos por recocido.
El elemento de espiga recocido 28 es pulido en
tambor para obtener un elemento de espiga pulido 30 como se
representa en la figura 2C. El pulido en tambor es un método en el
que el elemento de espiga recocido 28 y un material granular de
pulido se ponen en un tambor, y agitando o girando el tambor, el
material de pulido se pone en contacto con el elemento de espiga
recocido 28. La aspereza superficial del elemento de espiga pulido
30 se puede controlar alterando el tamaño de partícula del
material de pulido, la forma de sus partículas, su calidad y la
duración del tratamiento.
El elemento de espiga pulido 30 tiene su
superficie acabada con una aspereza deseada. La aspereza de la
superficie 29 de la pestaña 27 es de particular importancia. Cuando
se adopta convenientemente su "aspereza de altura máxima Rz"
especificada por JIS B0601:2001 como su aspereza superficial, la
aspereza superficial de la pestaña 27 que es aproximadamente 10
\mum antes del pulido en tambor se mejora a un nivel de
aproximadamente 3 \mum o menos.
La mejor aspereza de la superficie 29 de la
pestaña 27 hace posible realizar un par de apriete de perno
unificado. La cabeza de perno 26 también tiene una mejor aspereza
superficial aumentando el valor comercial del perno.
El paso para formar una rosca en el elemento de
espiga pulido 30 se describirá ahora a modo de ejemplo con
referencia a las figuras 3A a 3C. La rosca se puede formar por un
método como laminación, rectificado o corte.
La laminación es la técnica de presionar un
troquel de laminación contra la porción de espiga 23 para formar
una rosca en ella.
El rectificado de rosca es la técnica de
rectificar la porción de espiga 23 con una muela para formar una
rosca en ella.
El corte de rosca es la técnica de cortar la
porción de espiga 23 con una herramienta de corte, tal como una
herramienta de giro o fresado, para formar una rosca en ella.
Cuando se forma una rosca por laminación en la
porción de espiga 23 del elemento de espiga pulido 30 como se
representa en la figura 3A, se produce un perno de aleación de
titanio 31 como se representa en la figura 3B. El perno de aleación
de titanio 31 tiene su rosca 32 formada a lo largo de una parte de
su porción de espiga 23. La rosca 32 se puede formar
alternativamente a lo largo de la longitud completa de la porción
de espiga 23.
Cuando la rosca se forma por laminación, mejora
la resistencia del perno debido a las marcas de laminación que
quedan intactas en él y el esfuerzo residual impartido a la raíz de
la rosca donde es probable que se inicie por lo general la fractura
del perno. Es posible mejorar una resistencia a la tracción del
perno a 800 MPa o superior cuando la rosca se forma por laminación
incluso en un material que tiene una menor resistencia a la
tracción.
Además, la rosca formada por laminación se
define por rebordes y ranuras formados uniformemente y por lo tanto
tiene un coeficiente de rozamiento estabilizado, puesto que sus
rebordes y ranuras se forman meramente presionando un troquel de
laminar contra el material del perno.
Cuando se forma una rosca por rectificado o
corte en la porción de espiga 23 del elemento de espiga pulido 30
como se representa en la figura 3A, se produce un perno de aleación
de titanio 33 como se representa en la figura 3C. El perno de
aleación de titanio 33 tiene su rosca 34 formada a lo largo de una
parte de su porción de espiga 23. La rosca 34 se puede formar
alternativamente a lo largo de la longitud completa de la porción
de espiga 23.
Según el método de fabricación descrito
anteriormente, se puede obtener el perno de aleación de titanio 31
representado en la figura 4. La rosca 32 del perno de aleación de
titanio 31 se forma a lo largo de una parte de su porción de espiga
23 (o a lo largo de toda su longitud) que tiene la cabeza 26, con
una pestaña 27 en su otro extremo.
El perno de aleación de titanio 31 se hace de
una aleación de Ti-Fe-O y tiene una
resistencia a la tracción de al menos 800 MPa que se logra por el
trabajo plástico y recocido de la aleación como se ha descrito.
Obviamente, varios pequeños cambios y
modificaciones de la presente invención son posibles a la luz de
las ideas anteriores. Por lo tanto, se ha de entender que, dentro
del alcance de las reivindicaciones anexas, la invención se puede
llevar a la práctica de forma distinta a la descrita
específicamente.
Claims (3)
1. Un proceso para fabricar un perno de aleación
de titanio incluyendo los pasos de:
- Preparar una pieza de una aleación de
titanio-hierro-oxígeno;
- Someter la pieza a trabajo plástico a
temperatura ambiente;
- Someter el producto resultante a tratamiento
térmico para recocer a una temperatura de 400ºC a 600ºC;
- Efectuar además un tratamiento superficial
para pulido en tambor después del tratamiento térmico;
y
y
- Someter el producto resultante a formación de
rosca por laminación.
2. Un proceso como se expone en la
reivindicación 1, donde el recocido se lleva a cabo en la
atmósfera.
3. Un proceso como se expone en la
reivindicación 1, donde el paso de trabajo plástico en frío incluye
un paso para embutir el producto resultante de trabajo plástico a
lo largo de su porción en la que se formará la rosca, de manera que
una relación de reducción de área expresada por la fórmula [(área
en sección transversal de la porción todavía a embutir - área en
sección transversal de la porción embutida)/área en sección
transversal de la porción todavía a embutir] pueda ser de 10 a
70%.
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