ES2330209T3 - Procedimiento para la fabricacion de una pieza forjada de acero. - Google Patents

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Abstract

Procedimiento para la fabricación de una pieza forjada en acero, caracterizado porque: - se elabora y se cuela un acero con una composición, en porcentajes ponderales, de 0,06% <= C <= 0,35%; 0,5% <= Mn <= 2%; trazas <= Si <= 2%; trazas <= Ni <= 1,5%; trazas <= Al <= 0,1%; trazas <= Cr <= 1,5%; trazas <= Mo <= 0,30%; trazas <= V <= 0,5%; trazas <= Cu <= 1,5%, de manera opcional desde 5 hasta 50 ppm de B; de manera opcional desde un 0,005 hasta un 0,04% de Ti; de manera opcional desde un 0,005 hasta un 0,06% de Nb; de manera opcional desde un 0,005 hasta un 0,2% de S; de manera opcional al menos uno de los elementos Ca hasta un 0,007%, Te hasta un 0,03%, Se hasta un 0,05%, Bi hasta un 0,15% y Pb hasta un 0,15%; siendo el resto hierro e impurezas que resultan de la elaboración; - se forja un desbaste de la pieza a una temperatura comprendida entre 1.100 y 1.300ºC; - se efectúa un enfriamiento controlado del desbaste de la pieza con aire en calma o con aire pulsado a una velocidad menor o igual que 3ºC/s entre 600 y 300ºC, confiriéndose al desbaste una microestructura bainítica; - se efectúa la mecanización de la pieza; - se efectúa una operación de reforzamiento mecánico de la pieza en los puntos llamados a ser solicitados de una manera particular.

Description

Procedimiento para la fabricación de una pieza forjada de acero.
La invención se refiere a la metalurgia y, de una manera más precisa, se refiere al dominio de los aceros destinados a la fabricación de piezas forjadas que deben resistir importantes solicitaciones.
Con frecuencia, las piezas de este tipo son realizadas en fundición, particularmente en fundición GS con estructura perlítica, o son realizadas en acero forjado con estructura ferrito-perlítica, que se supone que ofrecen una resistencia a la fatiga mejor que las fundiciones. Los cigüeñales de motores de explosión son un ejemplo de las piezas de este tipo.
Las zonas con fuertes concentraciones de solicitaciones pueden ser reforzadas por medio de diversos tratamientos termoquímicos, térmicos o mecánicos, tales como la nitruración, el temple por inducción, el bruñido, el chorreado con granalla.
Se recuerda que el bruñido aplicado a un cigüeñal (sin que esta aplicación sea exclusiva) consiste en poner en contacto dos morillos y las gargantas del muñón del cigüeñal. Los morillos están orientados oblicuamente con relación a las gargantas y se les aplica una fuerza normal. El cigüeñal se pone en rotación y la fuerza normal es aplicada progresivamente por los morillos durante un número n_{1} de revoluciones, y a continuación se mantiene a un valor constante durante n_{2} revoluciones, a continuación se relaja progresivamente durante n_{3} revoluciones. Este bruñido crea tensiones residuales de compresión sobre una profundidad comprendida entre 4 y 5 mm. Éste permite mejorar sensiblemente las prestaciones de comportamiento a la fatiga de los cigüeñales de fundición GS con estructura ferrito-perlítica. Sin embargo, debido a las mejores prestaciones de fatiga del metal de base, el endurecimiento tras el bruñido de los cigüeñales de acero forjado con estructura ferrito-perlítica, sigue siendo superior a la de los cigüeñales de fundición GS. Este es el motivo por el cual el acero con estructura ferrito-perlítica es empleado de manera privilegiada en los motores de gasolina que sufren solicitaciones más fuertes y en los motores diesel con inyección directa. De igual modo es preciso vigilar que no se produzcan roturas fuera de las zonas reforzadas, lo que justifica la elección de un metal con elevadas características.
Los aceros forjados con estructura ferrito-perlítica, que son empleados frecuentemente con esta finalidad, son los tipos XC70, 45Mn5, 30MnSiV6 y 38MnSiV5, y sufren, tras el forjado, un simple enfriamiento en línea con aire en calma. Por lo tanto, su método de realización es relativamente económico pero su duración de vida está limitada en presencia de fuertes solicitaciones.
Se ha propuesto ya realizar las piezas de este tipo con acero bainítico a partir de un grado de calidad de tipo 35MnV7, teniendo lugar el enfriamiento, tras el forjado, con aire pulsado. Las prestaciones de comportamiento están sensiblemente mejoradas con relación a los ejemplos que han sido citados precedentemente, pero el procedimiento de fabricación es más costoso. Por otra parte, no es siempre posible adaptar con este procedimiento una línea de fabricación inicialmente concebida para fabricar estas piezas mediante enfriamiento con aire en calma.
El documento EP-A-0 312 054 divulga la fabricación de una pieza forjada de acero, tal como por ejemplo un cigüeñal, cuyo procedimiento comprende las etapas siguientes:
\bullet
la elaboración y la colada de un acero de composición en porcentajes ponderales: 0,30-0,50% de C, 0,10-0,50% de Si, 0,50-1,00% de Mn, 0,04-0,12% de S, 0,05-0,20% de V, 0,005-0,018% de Al, 0,05-0,30% de Pb, 0,001-0,006% de Ca, y 0,50% o menos de Cr, siendo el resto Fe e impurezas inevitables;
\bullet
el forjado a una temperatura comprendida entre 1.100 y 1,200ºC,
\bullet
el enfriamiento, tras el forjado, con aire a una velocidad de 1 a 100ºC/minuto entre 800 y 600ºC.
Los documentos JP-A-59-067365 y JP-A-2001-254143 divulgan, así mismo, la fabricación de una pieza forjada de acero, tal como por ejemplo un cigüeñal, cuyo procedimiento comprende el forjado, seguido de un enfriamiento con aire.
El objeto de la invención consiste en proponer una asociación entre un grado de calidad del acero y un procedimiento de fabricación de una pieza forjada, tal como un cigüeñal de motor de explosión, que presente ventajas económicas con relación a las asociaciones existentes sin que queden alteradas las prestaciones metalúrgicas incluso mejorándose éstas prestaciones. La pieza, fabricada de este modo, deberá resistir a importantes solicitaciones de fatiga. Este procedimiento de fabricación debería ser adaptable, en particular, a cualquier línea de forjado.
Con esta finalidad, la invención tiene por objeto un procedimiento para la fabricación de una pieza forjada de acero, caracterizado porque:
\bullet
se elabora y se cuela un acero de composición, en porcentajes ponderales, de: 0,06% \leq C \leq 0,35%; 0,5% \leq Mn \leq 2%; trazas \leq Si \leq 2%; trazas \leq Ni% \leq 1,5%; trazas \leq Al \leq 0,1%; trazas \leq Cr \leq 1,5%; trazas \leq Mo \leq 0,30%; trazas \leq V \leq 0,5%; trazas \leq Cu \leq 1,5%; siendo el resto hierro e impurezas que resultan de la elaboración;
\bullet
se forja un desbaste de la pieza a una temperatura comprendida entre 1.100 y 1.300ºC;
\bullet
se efectúa un enfriamiento controlado del desbaste de la pieza con aire en calma o con aire pulsado a una velocidad menor o igual que 3ºC/s entre 600 y 300ºC, confiriéndose al desbaste una microestructura bainítica;
\bullet
se efectúa la mecanización de la pieza;
\bullet
y se efectúa una operación de reforzamiento mecánico de la pieza en los lugares llamados a ser particularmente solicitados.
De manera preferente, el acero contiene entre 5 y 50 ppm de B.
De manera preferente, el acero contiene entre un 0,005 y un 0,04% de Ti.
Cuando esté presente el B, el contenido en Ti es, de manera preferente, igual a, al menos, 3,5 veces el contenido en N del acero.
De manera preferente, el acero contiene entre un 0,005 y un 0,06% de Nb.
De manera preferente, el acero contiene entre un 0,005 y un 0,2% de S.
En este caso, de manera preferente, el acero contiene, al menos, uno de los elementos Ca hasta un 0,007%, Te hasta un 0,03%, Se hasta un 0,05%, Bi hasta un 0,15% y Pb hasta un 0,15%.
De conformidad con una primera forma de la invención, el contenido en C del acero está comprendido entre 0,06 y 0,20%.
El contenido en Mn del acero está comprendido entonces, de manera preferente, entre un 0,5 y un 1,5%, y estando comprendido el contenido en Cr, de manera preferente, entre un 0,5 y un 1,5%.
En este caso, el contenido en Cu del acero puede estar comprendido entre un 0,5 y un 1,5%.
De conformidad con otra forma de la invención, el contenido en C del acero está comprendido entre un 0,25 y un 0,35%, el contenido en Si está comprendido entre trazas y un 0,5%, el contenido en Mn está comprendido entre un 0,8 y un 2%, el contenido en Cr está comprendido entre un 0,5 y un 1,5%, el contenido en Mo está comprendido entre un 0,05 y un 0,20%, el contenido en B está comprendido entre 5 y 50 ppm, el contenido en Ti está comprendido entre un 0,005 y un 0,04%.
De conformidad con otra forma de la invención, el contenido en C del acero está comprendido entre un 0,20 y un 0,35%, el contenido en Si está comprendido entre un 0,5 y un 2%, el contenido en Mn está comprendido entre un 0,8 y un 2%, el contenido en Cr está comprendido entre un 0,5 y un 1,5%, el contenido en Mo está comprendido entre un 0,05 y un 0,20%, el contenido en B está comprendido entre trazas y 50 ppm y el contenido en Ti está comprendido entre trazas y un 0,04%.
En este caso, se puede practicar un revenido entre 300 y 500ºC durante 1 a 3 horas tras la mecanización o tras el enfriamiento controlado con aire y antes del mecanizado.
La operación de reforzamiento mecánico puede ser un bruñido.
La pieza forjada, obtenida por medio del procedimiento de conformidad con la invención, puede estar constituida por un cigüeñal para motor de explosión.
La operación de reforzamiento mecánico se realiza entonces, de manera preferente, sobre las mediacañas de acoplamiento de los muñones del cigüeñal y los palieres del cigüeñal.
Como se habrá comprendido, la invención consiste en la combinación de un grado de calidad del acero y de un procedimiento de tratamiento, que sigue a la colada, que comprende una etapa de forjado de la pieza, un enfriamiento, que puede ser efectuado con aire en calma o con aire pulsado, y un reforzamiento mecánico de las zonas de la pieza, que serán las mas solicitadas. La composición del acero elegido garantiza que, independientemente del modo de enfriamiento, los resultados del comportamiento a la fatiga de las piezas, forjadas a partir de este acero, reforzadas mecánicamente en los lugares más solicitados, serán suficientes para responder a las exigencias de los usuarios. La fabricación de los cigüeñales de motores de explosión con elevadas prestaciones es una aplicación privilegiada de las piezas forjadas, obtenidas por el procedimiento de conformidad con la invención.
De manera habitual, el criterio para la determinación del carácter adaptado o no de un acero a las utilizaciones que acaban de ser descritas, consiste en el límite de resistencia a la fatiga del material inicialmente en estado no fisurado, teniéndose en consideración las tensiones residuales introducidas superficialmente por el reforzamiento mecánico.
\global\parskip0.900000\baselineskip
Los inventores han observado que, en realidad, este criterio no era pertinente. En efecto, las tensiones residuales provocadas por el bruñido (o por otro tipo de reforzamiento mecánico) se relajan superficialmente desde los primeros ciclos a través de una profundidad de algunas 1/10 de mm, y el material se fisura rápidamente a través de este espesor. Sin embargo, la propagación de las fisuras se bloquea debido al campo de tensiones residuales inicialmente introducido por el bruñido. Así mismo, la disminución de la concentración de tensiones en la garganta de unión juega este papel. Sin embargo no se produce por relajación en profundidad.
Cuanto más elevada sea la presión a la que se lleva a cabo el bruñido, tanto más elevada es la concentración de las tensiones y tanto más fácil es la formación de fisuras. Como contrapartida, puesto que la fuerte presión del bruñido ha formado tensiones residuales a través de una profundidad mayor, estas fisuras están bloqueadas a través de distancias mayores y por momentos mayores, lo que limita los riesgos de rotura de la pieza. De manera general, se considera, sin embargo, que opcionalmente la fisuración no debe producirse, de manera que no se de lugar a resonancias y a los ruidos asociados durante la utilización del cigüeñal, para no hablar más que de esta aplicación privilegiada de las piezas forjadas, que son obtenidas por el procedimiento de conformidad con la invención.
Las características químicas del acero y sus tratamientos termomecánicos ulteriores a la colada están dirigidos a la obtención de una microestructura bainítica y, de igual modo, a la obtención de características mecánicas optimizadas después de un tratamiento de reforzamiento mecánico tal como un bruñido. Esta microestructura bainítica debe poder ser obtenida como consecuencia de un enfriamiento con aire en calma, pero también debe ser compatible con un enfriamiento con aire pulsado. De esta forma, las piezas obtenidas mediante el procedimiento de conformidad con la invención podrán ser producidas en cualquier instalación existente, ya sea que éstas permitan, tras el forjado, un enfriamiento con aire pulsado, o ya sea que éstas no permitan más que un enfriamiento con aire en calma. De este modo, una instalación de forjado concebida inicialmente para tratar piezas de acero con microestructura ferrito-perlítica podrá tratar, sin dificultad y sin adaptación particular, piezas con microestructura bainítica, obtenidas mediante el procedimiento de conformidad con la invención. Los aceros con microestructura bainítica, precedentemente empleados para estos usos, exigían un enfriamiento con aire pulsado y, por lo tanto, no podían ser tratados siempre sobre instalaciones de concepción corriente.
Así pues, de conformidad con la invención, se comienza por la elaboración de un acero, cuya composición será detallada y justificada más adelante, a continuación se cuela en lingotes o en continuo, según el formato de la pieza final, con el fin de obtener un producto semielaborado.
A continuación, se efectúa una operación de forjado del producto semielaborado. Este forjado va seguido por un enfriamiento controlado con aire al calor de la forja, con aire en calma o con aire pulsado.
A continuación, se efectúa, de manera clásica, un mecanizado de pieza, y a continuación se efectúa una operación de reforzamiento mecánico en ciertos puntos llamados a ser solicitados de manera particular durante la utilización de la pieza. En el caso de un cigüeñal, se efectúa, por ejemplo, un bruñido de las mediacañas de acoplamiento de los muñones del cigüeñal.
Los intervalos analíticos exigidos para los diferentes elementos químicos que deben o que pueden estar presentes (siendo todos los porcentajes ponderales), son los siguientes.
El contenido en carbono está comprendido entre un 0,06 y un 0,35%. Este contenido permite dominar el tipo de microestructura obtenida. Con menos de un 0,06%, la microestructura obtenida ya no sería interesante para el objetivo considerado. Por encima del 0,35%, en combinación con los otros elementos, ya no se obtendría una microestructura suficientemente bainítica tras el enfriamiento con aire en calma.
El contenido en manganeso está comprendido entre un 0,5 y un 2%. Cuando este elemento es añadido en una proporción mayor que un 0,5%, proporciona al material su aptitud al temple, y permite la obtención de un dominio bainítico amplio independientemente del modo del enfriamiento. Sin embargo, un contenido mayor que un 2% sería susceptible de provocar segregaciones demasiado importantes.
El contenido en silicio está comprendido entre trazas y un 2%. Este elemento, que no es obligatorio propiamente dicho, es ventajoso puesto que endurece a la bainita mediante su paso a solución sólida. Sin embargo, un contenido mayor que un 2% puede plantear problemas de aptitud a la mecanización del material. Por otra parte, el silicio perjudica la formación de los carburos y se corre el riesgo entonces de formar demasiada austenita residual, incluso martensita en cantidades demasiado importantes durante el enfriamiento.
El contenido en níquel está comprendido entre trazas y un 1,5%. Este elemento, que no es obligatorio, favorece la aptitud al temple y la estabilidad de la austenita. En el caso en que estuviese presente el cobre en una cantidad relativamente importante, el níquel permite evitar los problemas asociados con esta presencia de cobre durante el forjado. Por encima del 1,5%, la adición de níquel es inútilmente costosa con vistas a los objetivos metalúrgicos considerados.
El contenido en aluminio está comprendido entre trazas y un 0,1%. Este elemento, que no es obligatorio, es un fuerte desoxidante e incluso, añadido en una baja proporción, permite limitar la cantidad de oxígeno disuelto en el acero líquido, y por lo tanto permite mejorar la pureza con respecto a las inclusiones de la pieza, cuando se haya sabido evitar las reoxidaciones demasiado importantes durante la colada.
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El contenido en cromo, elemento no obligatorio, está comprendido entre trazas y un 1,5%. Como ocurre con el manganeso, el cromo contribuye a mejorar la aptitud al temple. Su adición es inútilmente costosa por encima de un 1,5%.
El contenido en molibdeno está comprendido entre trazas y un 0,3%. Este elemento, que no es obligatorio, impide la formación de ferrita de grano grosero y permite obtener con mayor seguridad la estructura bainítica. Su adición es inútilmente costosa por encima de un 0,3%.
El contenido en vanadio está comprendido entre trazas y un 0,5%. Este elemento, que no es obligatorio, sirve para reducir la bainita por su paso en solución sólida. Su adición es inútilmente costosa por encima de un 0,5%.
El contenido en cobre está comprendido entre trazas y un 1,5%. Este elemento, que no es obligatorio, puede mejorar la aptitud a la mecanización y puede provocar, por precipitación, un endurecimiento secundario del material. Tal como se ha dicho, es aconsejable asociarlo con un contenido en níquel significativo para minimizar los problemas de conformado en caliente. Por encima de un 1,5%, su adición es inútilmente costosa.
Los elementos, que acaban de ser citados, son aquellos cuyo papel metalúrgico es, o puede ser, el más importante para la invención, pero pueden estar presentes opcionalmente otros elementos, que van a ser citados, para mejorar ciertas propiedades del acero.
El contenido en boro puede estar comprendido entre 5 y 50 ppm. Éste puede mejorar la aptitud al temple, pero debe encontrarse en solución sólida para ser eficaz. Dicho de otro modo, debe evitarse que todo el boro o casi todo el boro no se encuentre en forma de nitruros o de carbonitruros de boro. Con esta finalidad, es aconsejable asociar con la adición de boro una adición de titanio, preferentemente en una proporción tal que 3,5 x N % \leq Ti %. Con esta última condición, se puede captar todo el nitrógeno disuelto y puede evitarse la formación de nitruros o de carbonitruros de boro. El contenido mínimo en titanio, con esta finalidad, es de un 0,005%, para los contenidos en nitrógeno más bajos, encontrados de manera usual. Sin embargo es aconsejable no sobrepasar un contenido en titanio de un 0,04%, en caso contrario se obtienen nitruros de titanio de tamaño demasiado elevado.
El titanio tiene por función, de igual modo, limitar el engrosamiento del grano austenítico a temperatura elevada y por este motivo puede ser añadido independientemente del boro.
De igual modo, puede ser añadido niobio en contenidos comprendidos entre un 0,005 y un 0,06%. De la misma manera, éste puede precipitar en forma de carbonitruros en la austenita y por este motivo puede aportar un endurecimiento del material.
Por último, de manera clásica, se puede mejorar la aptitud a la mecanización del material mediante una adición de azufre (desde un 0,005% hasta un 0,2%), a la que se puede asociar una adición de calcio (hasta un 0,007%), y/o de teluro (hasta un 0,03%) y/o de selenio (hasta un 0,05%), y/o de bismuto (hasta un 0,15%) y/o de plomo (hasta un 0,15%).
Una vez obtenido el producto semielaborado, que tiene la composición citada precedentemente, se procede al forjado del desbaste de la pieza según los procedimientos habituales. Este producto semielaborado se calienta hasta 1.100 - 1.300ºC, a continuación se ejecutan las deformaciones que dan lugar al desbaste de pieza, que se desbarba y se acaba de modo habitual.
A continuación, tras el forjado, se efectúa un enfriamiento controlado de la pieza, bien con aire en calma, bien con aire pulsado. De manera general, se impone a la pieza un enfriamiento a una velocidad menor o igual que 3ºC/s entre 600 y 300ºC para obtener una microestructura bainítica.
A continuación, se procede a la mecanización de la pieza, como es habitual, en condiciones que deben ser moduladas de conformidad con las características de dureza, obtenidas.
Por último, se procede a la operación de reforzamiento mecánico de la pieza en los lugares llamados a ser particularmente solicitados durante el servicio. En el caso de los cigüeñales de motores de explosión, esta operación puede consistir en un bruñido de las mediacañas de los muñones del cigüeñal y de los palieres.
Con objeto de obtener piezas con características óptimas para sus diversas aplicaciones, se pueden considerar diversas formas de la invención.
Según una primera forma de la invención, se limita el contenido en carbono entre un 0,06 y un 0,2%, con el fin de obtener una bainita baja en carbono muy endurecible por conformación en frío. De manera óptima, el contenido en manganeso debe estar comprendido entre un 0,5 y un 1,5%, debiendo estar comprendido el contenido en cromo entre un 0,5 y un 1,5%.
Para estos aceros, las características de tracción (límite de elasticidad, resistencia) del producto obtenido no son particularmente elevadas: de manera típica la resistencia a la tracción Rm es del orden de 800 a 900 MPa y el límite de elasticidad Re es del orden de 550 a 650 MPa. Sin embargo estos aceros presentan una buena aptitud a la mecanización, que puede ser mejorada mediante la adición de cobre a razón de un 0,5 hasta un 1,5%.
Según otras formas de la invención, se regula el contenido en carbono a un valor más elevado que en la primera forma, estando comprendido entre un 0,20 y un 0,35%, con el fin de obtener sobre el producto final una microestructura constituida por bainita con una proporción media en carbono. Esta estructura proporciona al producto características mecánicas elevadas directamente tras el enfriamiento controlado con aire.
Si el contenido en carbono está comprendido entre un 0,25 y un 0,35% y el contenido en silicio es menor o igual que un 0,5%, se obtiene una estructura compuesta de bainita superior. Con un contenido en manganeso entre un 0,8 y un 2%, un contenido en cromo entre un 0,5 y un 1%, un contenido en molibdeno entre un 0,05 y un 0,2% y con contenidos en boro y titanio de conformidad con lo que acaba de ser aconsejado precedentemente, se obtiene una pieza que presenta un buen endurecimiento por conformación en frío, una resistencia a la tracción del orden de 900 a 1.000 MPa, un límite de elasticidad comprendido entre 600 y 700 MPa, y una aptitud a la mecanización que sigue siendo suficiente, principalmente en presencia de cobre, que ha podido comenzar a precipitar durante el enfriamiento que sigue al forjado.
Si el contenido en carbono está comprendido entre un 0,20 y un 0,35%, el contenido en silicio está comprendido entre un 0,5 y un 2%, el contenido en manganeso está comprendido entre un 0,8 y un 2%, el contenido en cromo está comprendido entre un 0,5 y un 1%, el contenido en molibdeno está comprendido entre un 0,05 y un 0,2%, se obtiene una estructura compuesta de bainita mixta (granular + superior). Esta estructura da a la pieza un buen límite de endurecimiento y una buena aptitud al reforzamiento mecánico mediante chorreado con granalla, mediante endurecimiento por conformación en frío, mediante bruñido, mediante preconformado, etc. Se supone que la presencia de austenita residual relativamente blanda mejora el endurecimiento por conformación en frío, por lo tanto la puesta bajo tensión previa por el reforzamiento mecánico. Los rehundidos de las gargantas de las mediacañas de acoplamiento son relativamente pequeños, lo que disminuye la concentración de tensiones y aumenta la resistencia a la fisuración. De manera típica, se obtiene una resistencia a la tracción del orden de 950 a 1.250 MPa y un límite de elasticidad del orden de 600 a 800 MPa, que están regulados por el contenido en silicio. La aptitud a la mecanización sigue siendo aceptable y puede ser mejorada por medio de las adiciones que han sido descritas a este efecto precedentemente. Una adición de boro (hasta 50 ppm) y/o de titanio (hasta un 0,04%) puede ser aconsejable igualmente por las razones que han sido citadas.
En esta última forma de la invención, se puede practicar, además, un ligero revenido entre 300 y 500ºC durante 1 a 3 horas. De este modo, la austenita residual se transforma en ferrita y en carburos, lo que permite un ligero aumento del límite de elasticidad sin disminuir la resistencia a la tracción. De este modo, se mejora el comportamiento a la fatiga en un 10% aproximadamente. Este revenido puede ser efectuado tras la mecanización o tras el enfriamiento y antes de la mecanización.
Ahora se describirán dos ejemplos de aplicaciones de la invención y un ejemplo comparativo.
Los ensayos mecánicos, que van a ser descritos, han sido realizados (como es clásico cuando se quieren ensayar materiales para cigüeñales) sobre probetas cuya geometría permite reproducir las solicitaciones de los acoplamientos de un muñón de cigüeñal que trabaja en flexión, y que han sufrido un ciclo térmico idéntico al inducido por el forjado de un cigüeñal. Estas probetas han sufrido así mismo un bruñido en condiciones análogas a las de un bruñido efectuado de manera clásica sobre las mediacañas de acoplamiento de los muñones del cigüeñal de un cigüeñal.
A título de referencia, se ha procedido a ensayos sobre probetas con un acero de tipo 38MnSiV5 con estructura ferrito-perlítica, con una composición de C = 0,38%; Mn = 1,4%; Si = 0,5%; S = 0,075%; Ni = 0,1%; Cr = 0,2%;
Mo = 0,03%; Cu = 0,02%; V = 0,09%; N = 130 ppm. Estas probetas han sido cortadas en un acero que ha sufrido una laminación, seguido de un enfriamiento con aire en calma (0,5 a 1ºC/s) que les ha proporcionado una resistencia a la tracción de 860 MPa y un límite de elasticidad de 570 MPa.
El bruñido ha sido efectuado con morillos inclinados a 35º con relación a la vertical, sobre gargantas de 1,35 mm de radio, con una garganta de desplazamiento ("undercut") de aproximadamente 0,6 mm. Las cargas aplicadas durante el bruñido han variado desde 800 hasta 1.200 daN.
En estas condiciones, se han obtenido momentos comprendidos entre 2.090 y 1.850 N.m para el inicio de las fisuras, y momentos de rotura comprendidos entre 4.050 y 4.620 N.m (advertimos que, cuando la carga aplicada aumenta, el momento necesario para el inicio de las fisuras disminuye pero aumenta el momento de rotura).
Se han ejecutado los mismos ensayos sobre probetas de un acero con estructura bainítica, que corresponde al procedimiento de la invención, con una composición de C = 0,24%; Mn = 1,50%; Si = 0,7%; S = 0,077%; Ni = 0,1%; Cr = 0,8%; Mo = 0,07%; Cu = 0,1%; V = 0,19%; B = 30 ppm; Ti = 0,019%; N = 70 ppm. Este acero tiene, por lo tanto, una composición que corresponde al procedimiento según la invención de conformidad con la forma descrita precedentemente con un contenido en carbono elevado, en su versión con silicio elevado con la que se obtiene una estructura de bainita mixta tras un forjado y un enfriamiento con aire en calma (0,5 a 1ºC/s). No ha sido efectuado ningún revenido ulterior. En estas condiciones, se obtiene una resistencia a la tracción de 1.000 MPa y un límite de elasticidad de 640 MPa, lo que es significativamente mejor que en el caso del acero de referencia.
Se ha efectuado un bruñido de la probeta en las mismas condiciones que en el caso de la probeta de referencia, siempre con cargas aplicadas comprendidas entre 800 y 1.200 daN.
En estas condiciones se han obtenido momentos de inicio de las fisuras comprendidos entre 2.650 y 2.400 N.m, y momentos de rotura comprendidos entre 5.200 y 5.900 N.m. Se obtiene una mejora muy significativa de estos dos límites, del orden del 30%, merced a la invención.
Los inventores explican este resultado por medio de una mejor aptitud de la probeta elaborada, según el procedimiento de la invención, con una baja relajación de las tensiones para una carga dada. Esto proporciona un bloque más importante de las fisuras ya iniciadas. El límite de inicio de las fisuras queda mejorado debido a una menor profundidad de las gargantas por el bruñido: la concentración de las tensiones es menor y la resistencia a la tracción es más elevada.
Los inventores han señalado, de igual manera, mediante ensayos de difracción de los rayos X, que los aceros ferrito-perlíticos habituales sufren un suavizado más importante que los aceros obtenidos por el procedimiento de la invención, que tienen, por el contrario, incluso tendencia a reforzarse en el transcurso de su utilización.
El interés principal de la invención consiste en que se obtienen, para cargas de bruñido menores, los mismos resultados, en términos de propiedades mecánicas, que con los grados de calidad ferrito-perlíticos clásicos. De este modo. pueden economizarse los morillos, lo que reduce el precio de coste de la operación de bruñido. Esto permite compensar el sobrecoste debido a la presencia mayor de elementos de aleación en el acero.
De igual modo, se han efectuado ensayos sobre probetas de un acero con estructura bainítica, obtenidos mediante el procedimiento correspondiente a la invención, con una composición de C = 0,06%; Mn = 1,35%; Cr = 0,9%; Si = 0,39%; Ni = 0,25%; S = 0,003%; Cu = 0,22%; V = trazas; N = 0,007%; Mo = 0,09% y B = 0,003%. Este acero tiene una composición que corresponde a la primera forma de la invención. El enfriamiento con aire pulsado, es efectuado a aproximadamente la velocidad de 2 a 3ºC/s entre 600 y 300ºC. En estas condiciones se obtiene una resistencia a la tracción de 820 MPa y un límite de elasticidad de 550 MPa, lo que es comparable con el acero de referencia. Se ha efectuado un bruñido de la probeta en las mismas condiciones que en el caso de la probeta de referencia, siempre con cargas aplicadas comprendidas entre 800 y 1.200 daN. En estas condiciones se han obtenido momentos de inicio de las fisuras comprendidos entre 2.300 y 2.500 Nm y momentos de rotura comprendidos entre 5.600 y 6.120 Nm. En este caso se obtiene, así mismo, una mejora muy significativa de los dos límites, del orden de un 20 y de un 35% respectivamente, merced a la invención.
Se recuerda, por último, que los grados de calidad del acero utilizados en el procedimiento de la invención pueden sufrir tanto un enfriamiento con aire en calma como un enfriamiento con aire pulsado, lo que hace posible su tratamiento en cualquier instalación de forjado existente.

Claims (11)

1. Procedimiento para la fabricación de una pieza forjada en acero, caracterizado porque:
-
se elabora y se cuela un acero con una composición, en porcentajes ponderales, de 0,06% \leq C \leq 0,35%; 0,5% \leq Mn \leq 2%; trazas \leq Si \leq 2%; trazas \leq Ni \leq 1,5%; trazas \leq Al \leq 0,1%; trazas \leq Cr \leq 1,5%; trazas \leq Mo \leq 0,30%; trazas \leq V \leq 0,5%; trazas \leq Cu \leq 1,5%, de manera opcional desde 5 hasta 50 ppm de B; de manera opcional desde un 0,005 hasta un 0,04% de Ti; de manera opcional desde un 0,005 hasta un 0,06% de Nb; de manera opcional desde un 0,005 hasta un 0,2% de S; de manera opcional al menos uno de los elementos Ca hasta un 0,007%, Te hasta un 0,03%, Se hasta un 0,05%, Bi hasta un 0,15% y Pb hasta un 0,15%; siendo el resto hierro e impurezas que resultan de la elaboración;
-
se forja un desbaste de la pieza a una temperatura comprendida entre 1.100 y 1.300ºC;
-
se efectúa un enfriamiento controlado del desbaste de la pieza con aire en calma o con aire pulsado a una velocidad menor o igual que 3ºC/s entre 600 y 300ºC, confiriéndose al desbaste una microestructura bainítica;
-
se efectúa la mecanización de la pieza;
-
se efectúa una operación de reforzamiento mecánico de la pieza en los puntos llamados a ser solicitados de una manera particular.
2. Procedimiento según la reivindicación 1; caracterizado porque el acero contiene B y Ti y porque el contenido en Ti es igual a, al menos, 3,5 veces el contenido en N del acero.
3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque el contenido en C del acero está comprendido entre un 0,06 y un 0,20%.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque el contenido en Mn del acero está comprendido entre un 0,5 y un 1,5%, y porque el contenido en Cr está comprendido entre un 0,5 y un 1,5%.
5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 3 o 4, caracterizado porque el contenido en Cu del acero está comprendido entre un 0,5 y un 1,5%.
6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque el contenido en C del acero está comprendido entre un 0,25 y un 0,35%, el contenido en Si está comprendido entre trazas y un 0,5%, el contenido en Mn está comprendido entre un 0,8 y un 2%, el contenido en Cr está comprendido entre un 0,5 y un 1,5%, el contenido en Mo está comprendido entre un 0,05 y un 0,20%, el contenido en B está comprendido entre 5 y 50 ppm, y el contenido en Ti está comprendido entre un 0,005 y un 0,04%.
7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque el contenido en C del acero está comprendido entre un 0,20 y un 0,35%, el contenido en Si está comprendido entre un 0,5 y un 2%, el contenido en Mn está comprendido entre un 0,8 y un 2%, el contenido en cromo está comprendido entre un 0,5 y un 1,5%, el contenido en molibdeno está comprendido entre un 0,05 y un 0,20%, el contenido en boro está comprendido entre trazas y 50 ppm y el contenido en Ti está comprendido entre un 0,005 y un 0,04%.
8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque se practica un revenido entre 300 y 500ºC durante 1 a 3 horas tras la mecanización o tras el enfriamiento controlado con aire y antes de la mecanización.
9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la operación de reforzamiento mecánico es un bruñido.
10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque la pieza está constituida por un cigüeñal para motor de explosión.
11. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado porque la operación de reforzamiento mecánico se realiza sobre las mediacañas de acoplamiento de los muñones del cigüeñal y los palieres del cigüeñal.
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