ES2552955T3 - Procedimiento para mejorar la resistencia a la fatiga de microaleaciones del acero, piezas forjadas realizadas mediante el procedimiento y aparato para ejecutar el procedimiento - Google Patents

Procedimiento para mejorar la resistencia a la fatiga de microaleaciones del acero, piezas forjadas realizadas mediante el procedimiento y aparato para ejecutar el procedimiento Download PDF

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Abstract

Procedimiento para mejorar la resistencia a la fatiga de piezas forjadas de microaleaciones de acero y vanadio, caracterizado porque dicho proceso consta de un paso para refinar el tamaño del grano, etapa que comprende a su vez: - la austenitización de dichas piezas por calentamiento de las mismas a una primera temperatura que está en el rango de entre 900 a 1.050°C, - el mantenimiento de dichas piezas a esa temperatura durante un período de remojo de 30-60 minutos hasta que la temperatura de la pieza se homogeneiza y - el enfriamiento de dicho piezas a temperatura ambiente, en donde durante las etapas de austenización, remojo y enfriamiento se proporciona un soporte que evita la deformación de las piezas.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento para mejorar la resistencia a la fatiga de microaleaciones del acero, piezas forjadas realizadas mediante el procedimiento y aparato para ejecutar el procedimiento
Campo de la invencion:
Esta invencion se relaciona con el campo de los aceros; en particular, la invencion se refiere a la mejora de la resistencia a la fatiga de micro-aleaciones del acero.
Antecedentes de la invencion:
Se supone que el ciguenal es el corazon de un motor. El ciguenal convierte el movimiento alternativo del piston en movimiento de rotacion. El ciguenal tiene una geometna compleja y tambien experimenta gran numero de ciclos de carga durante su vida de servicio. Por lo tanto, la resistencia a la fatiga y durabilidad son consideraciones clave en el diseno del ciguenal y en su rendimiento. Durante su vida util, un ciguenal opera bajo altas fuerzas resultantes de la combustion del combustible. La combustion y las fuerzas de inercia que actuan sobre el ciguenal causan dos tipos de fluctuacion de cargas sobre la estructura del ciguenal, la carga de torsion y flexion. Por lo tanto un ciguenal requiere una alta resistencia a la fatiga causada por la torsion y la flexion.
Los disenadores de motores de combustion interna modernos se enfrentan al reto de reducir la contaminacion del medio ambiente para cumplir con estrictas normas de control de la contaminacion en todo el mundo. La contaminacion ambiental se puede reducir a traves de la mejora de la eficiencia del motor. El diseno del ciguenal es crucial para decidir la eficiencia del motor, junto con una mayor resistencia al cociente de peso. Las normas de cumplimiento ambiental (por ejemplo, normas Euro) son cada vez mas estrictas, lo cual conduce a disenos de motores mas ajustados como consecuencia de lo cual las presiones a las que se somete el cilindro del motor es mucho mayor que hace unos anos. Para soportar este aumento de la presion, el ciguenal exige mayor resistencia a la fatiga de torsion y flexion.
Existe una constante busqueda de materiales de alta resistencia para hacer frente a estas situaciones exigentes. Uno de estos materiales categorizados como de alta resistencia, la micro-aleacion (MA) de acero forjado, se esta usando cada vez mas en la fabricacion de ciguenales en motores de gasolina y diesel. La aleacion de microacero, tambien denominado como acero microaleado, es un tipo de acero que contiene pequenas cantidades de elementos de aleacion (0,05 a 0,15%). Constituyen elementos de aleacion estandar: niobio, vanadio, titanio, molibdeno, zirconio, boro, y los metales de las tierras raras. Se utilizan para refinar la microestructura del grano y/o facilitar el endurecimiento por precipitacion.
El rendimiento y el costo de estos aceros se encuentra entre el acero al carbono y el acero de baja aleacion. Su lfmite elastico es de entre 500 y 750 MPa (73.000 y 109.000 psi) y sin tratamiento termico. Su resistencia a la fatiga y su resistencia al desgaste son superiores a las de los aceros similares pero tratados con calor. Las desventajas conocidas de los aceros de micro-aleacion son que su ductilidad y tenacidad no son tan buenos como los aceros templados y revenidos (T Q y).
Como parte de su proceso de formacion, los aceros de microaleacion tambien deben calentarse lo suficiente para que la totalidad de las aleaciones esten en solucion. Despues de la formacion, el material debe ser enfriado rapidamente de 540 a 600°C (1004 a 1112°F) para el refinamiento del grano. Y al mismo tiempo, el enfriamiento debe ser lo suficientemente lento para asegurar el completo fortalecimiento de la precipitacion. El exito de las microaleaciones de acero se debe a sus mecanismos de fortalecimiento, espedficamente el refinamiento del grano y el endurecimiento por precipitacion.
La patente EP 1978124 divulga un acero forjado, una pieza forjada hecha de acero forjado, y un ciguenal hecho del acero forjado resistente a la fractura por fatiga bajo severas condiciones de trabajo y con una excelente caractenstica de resistencia a la fatiga. Las piezas forjadas se someten a un tratamiento termico a aproximadamente 8700C para homogeneizar y favorecer el endurecimiento, y el forjado semiacabado se termina en una maquina para obtener una pieza forjada acabada.
La mayona de las aplicaciones nuevas para ciguenal constan de acero microaleado, y muchas aplicaciones actuales estan cambiando el hierro fundido o el acero al carbono o de aleacion tratados termicamente y aleaciones de acero por microaleaciones de acero. La micro-aleacion (MA) de acero o el acero de alta resistencia y baja aleacion (HSLA) es un desarrollo importante en la produccion de acero y se utiliza en todos los mercados de acero importante en varias partes del mundo y el mismo ha desempenado un papel
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importante en la expansion de las industrias tales como extraccion de petroleo y gas, construccion y transporte.
Una variante de los aceros MA, los aceros microaleados con vanadio tienden a ser de grano mas grueso que el grado de aceros equivalente C38 + N2 que no contienen vanadio como se muestra en la Figura 1. Por tanto, es importante controlar el tamano del grano utilizando un tipo de refrigeracion optima de la temperatura de forja para refinar el tamano del grano utilizando un tratamiento termico simple que no da lugar a mucha distorsion. Uno de estos procesos es el de refinamiento del grano.
Durante el proceso de forjado, los lingotes se calentaron hasta 1280°C. Se observa en la figura 1 que a la temperatura de forja el diametro medio del grano es mas de 350pm como se representa por un numero de tamano de grano ASTM equivalente de 0-1. Posteriormente, se produce una recristalizacion y se forman nuevos granos. Estos granos son mas gruesos (ASTM 3-5). Se sabe que con el aumento de tamano del grano, el lfmite de resistencia disminuye.Por lo tanto, es esencial mantener el tamano del grano fino para una mejor resistencia a la fatiga. En el caso de una estructura de grano fino, el movimiento de la dislocacion esta restringido debido a la mayor cantidad de area de superficie del grano lo que se consigue una mayor resistencia. De ah que el acero con granos de tamano fino tenga una mayor resistencia a la fatiga.
La figura 1a muestra un proceso convencional de fabricacion de un ciguenal de acero microaleado, que despliega una operacion de forjado seguido de un enfriamiento controlado. Todo el proceso comprende las etapas de formacion de lingotes, forja seguida de enfriamiento controlado, comprobando la dureza del producto, que forma la parte final a traves de mecanizado. El tamano del grano obtenido con este proceso esta en el rango de ASTM 3-5. Los componentes como los ciguenales fabricados con este proceso son posteriormente mecanizadas, endurecido por induccion, molido y probada su resistencia a la fatiga. Observado resistencia a la fatiga de torsion de dichos ciguenales es de entre 95 a 100 MPa, y la resistencia a la fatiga de flexion es 3.649 micro cepa (839 MPa).
Objetivos y ventajas de esta invencion:
La presente invencion tiene como objetivo proporcionar un ratio mejorado de la fuerza y densidad del material y para proporcionar una micro-aleacion de torsion cuya resistencia a la fatiga y resistencia a la fatiga de flexion son mayores que los aceros micro-aleacion actualmente disponibles.
Resumen de la invencion:
La presente invencion describe un procedimiento que provee de una mayor resistencia a la fatiga a la micro- aleacion de acero. En el procedimiento de la presente invencion, la temperatura de remojo se mantiene en el rango de 900°C a 1.050°C y el tiempo de remojo se mantiene en un intervalo de 30-60 minutos dependiendo del tamano del ciguenal para obtener el tamano de grano refinado. Se evita que se produzca la distorsion de los componentes con la provision de apoyos adecuados especialmente disenados para el proceso.
Los ciguenales con grano refinado de acuerdo con el procedimiento de la presente invencion dieron como resultado en torno a un 20 a 25% de mejora en la resistencia a la fatiga de torsion y un 10-25% de mejora en la flexion resistencia a la fatiga.
Descripcion de terminos tecnicos:
Corte de lingotes: Corte con sierra de la barra fria al tamano requerido.
Calentamiento de lingotes: El calentamiento de lingotes hasta una temperatura predefinida (1.285 +/- 25°C) en el horno seguido de desincrustacion con agua para eliminar incrustaciones en los lingotes.
Forja: Termino utilizado para describir colectivamente los pasos de rodamiento, bloqueador, acabado y recorte, cada uno de los cuales se describen a continuacion.
Rodamiento: Un proceso para generar una forma preformada entre rodillos con una reduccion predefinida para obtener la longitud requerida y optimizar el material de entrada.
Bloqueador: La forma que se genera entre dos troqueles antes del acabado con energfa predefinida.
Acabado: La formacion de la forma final entre matrices con energfa predefinida.
Recorte: Recorte del material sobrante (Flash) en la forja de acabado a lo largo de la lmea de
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separacion para conseguir la forma del producto final.
Relleno: Calibracion de la forja final para alcanzar las dimensiones requeridas.
Refinamiento del grano: El refinamiento del grano es el mas importante y mas esencial de los metodos para controlar la microestructura de los materiales. Hay tales metodos para obtener grano fino como el tratamiento de calor por el uso de transformacion de fase y recristalizacion.
Comprobacion de dureza: La dureza se define como "la resistencia del metal a la reforma con plastico, por lo general por indentacion". Es la propiedad de un metal que da la capacidad de resistirse a ser deformado permanentemente, cuando se aplica una carga. Cuanto mayor sea la dureza del metal, mayor sera la resistencia que tiene a la deformacion.
Granallado: El granallado del acero es el proceso mas utilizado para la limpieza, decapado y la mejora de l acabado de la superficie de metal despues de la operacion de trabajar el metal (Forja).
Desbaste: El desbaste se puede definir como el proceso de eliminacion de material de una pieza de trabajo en forma de fichas. El desbaste es necesario cuando se exige estrecha tolerancia en dimensiones y acabados.
Endurecimiento por induccion: El endurecimiento por induccion sirve para proporcionar una capa completamente martensttica desde la superficie hasta cierta profundidad del ciguenal para aumentar la dureza y resistencia al desgaste, al tiempo que la parte restante de las manivelas no queda afectada por el proceso. El aumento en la dureza tambien mejora la resistencia a la fatiga de contacto.
Acabado pulido: Es un proceso de molienda que se usa para producir acabados muy finos, haciendo cortes muy ligeros, o formas de alta precision utilizando una rueda abrasiva como el dispositivo de corte.
Breve descripcion de los dibujos:
La figura 1 muestra el efecto en los elementos de aleacion al engordar el grano.
La figura 1a muestra el diagrama de flujo del proceso convencional de fabricacion de piezas forjadas tales como un ciguenal.
La figura 1b muestra diagrama de flujo del procedimiento descrito por la presente invencion.
Las figuras 2a y 2b muestran el tamano del grano y la dureza de la superficie antes y despues del proceso de refinamiento del grano para la microaleacion de acero.
Las figuras 3a, 3b y 3c muestran comparaciones de resistencia a la fatiga de torsion del ciguenal antes y despues del proceso de refinamiento del grano para diferentes casos.
Las figuras 4a, 4b y 4c muestran comparaciones de resistencia a la fatiga de doblado del ciguenal antes y despues del proceso de refinamiento del grano para diferentes casos.
Descripcion detallada de la invencion:
Como es evidente a partir de la figura 1b, dentro del proceso convencional de fabricacion de piezas forjadas se introduce una etapa de refinamiento del grano con el fin de mejorar la resistencia al cociente de peso de la parte. En particular, se aplica el procedimiento de esta invencion para los ciguenales de acero hechos de micro-aleacion. Una mejora de un 20-25% en resistencia a la fatiga y una mejora de torsion del 10-25% en resistencia a la fatiga de flexion se observo en el caso del ciguenal fabricado usando el procedimiento de la presente invencion.
Un proceso de forjado convencional como se muestra en la figura 1a comprende las siguientes etapas:
- Formar lingotes al tamano requerido y calentarlos.
- Forjar lingotes y aplicar enfriamiento controlado.
- Comprobacion de la dureza de la pieza forjada.
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- Realizar los pasos de desbaste, templado por induccion y pulido.
Un proceso de forja tipico es un tratamiento termomecanico o un proceso de tratamiento termico que a menudo se considera desde ambos puntos de vista micro estructural y termico. En el sentido termico, el proceso de refinamiento del grano incorpora un ciclo de austenizacion seguido de enfriamiento en el aire quieto o ligeramente agitado. Tfpicamente, el componente a ser tratado se calienta a una temperatura de aproximadamente 55°C (100°F) por encima de la lmea cntica superior del diagrama de fases Fe-C, es decir, por encima de Ac3 para los aceros hipoeutectoides y por encima de Acm para aceros hiper-eutectoides. Para ser clasificado adecuadamente como un tratamiento de refinamiento del grano, la parte de calentamiento del proceso debe producir una fase austemtica homogenea (estructura cristalina cubica con la cara centrada) antes de enfriar.
El procedimiento de la presente invencion pretende proporcionar un desbaste mejorado, un refinamiento de la estructura del grano, homogeneizacion y modificacion de las tensiones residuales, lo que se mejora el lfmite de fatiga del material. Esto se logra mediante la introduccion de una etapa de refinamiento del grano en el proceso convencional de forja.
Los desaffos tecnicos que la presente invencion tiene como objetivo cumplir son:
1. Mantener las propiedades mecanicas y de dureza dentro de la especificacion dada despues del refinamiento del grano.
2. Para mantener la rectitud de la parte (minimizando la distorsion termica) se precisan fijaciones y apoyos.
El procedimiento de la presente invencion cumple los desaffos tecnicos anteriores y proporciona ciertas ventajas sobre los metodos adoptados actualmente al tratamiento de las micro aleaciones de acero.
Durante la etapa de refinamiento del grano, como se describe en la Figura 1b, los componentes forjados y enfriados controladamente son tratados para mejorar la torsion y la resistencia a la fatiga de flexion por calentamiento de los mismos por encima de la temperatura austemtica, es decir, en el intervalo de 900 a 1050°C y manteniendolos en ese temperatura durante un "penodo de remojo” de 30 a 60 minutos con el fin de homogeneizar la temperatura en todas las partes de los componentes. Las piezas calentadas y remojadas se enfnan a temperatura ambiente por aire quieto o en movimiento en funcion de la seccion transversal de la forja.
El enfriamiento de aire forzado puede ser necesario para las piezas mas grandes de 2.5" de espesor.
El equipo utilizado para este proceso de refinamiento del grano se calibra periodicamente horno de gasoil equipado con termopares, controlador de temperatura/tiempo, graficos, y los accesorios necesarios para evitar la distorsion y la carga/descarga del dispositivo.
Equipamiento de test metalurgico utilizado: Maquina de prueba de dureza Brinell, la maquina universal de ensayos de traccion, microscopio optico con analisis de imagenes, etc.
El tamano del grano se observo utilizando un microscopio optico despues del proceso de refinamiento del grano de la presente invencion tal como se aplica a un ciguenal de 95 mm de diametro en el nucleo es ASTM 6-8 mientras que antes del proceso de refinamiento de grano, era ASTM 3-5 que se representa en la Figura 2a y la Figura 2b.
Las partes tratadas para refinar el tamano del grano luego se desbastan, se endurecen por induccion, se muelen y se testan en resistencia a la fatiga.
Ensayos de fatiga se llevaron a cabo en muestras de ciguenales de tres diametros diferentes (ver tabla 1). Siete muestras de cada caso (representando uno de diametro) se ensayaron utilizando el metodo de escalera, donde dependiendo de los resultados de ensayo de la muestra anterior, se cargan sobre la muestra anterior o bien se aumenta o disminuye. Con base en los resultados de pruebas de una media estadfstica (B50) y la desviacion estandar, se calcula la resistencia a la fatiga de torsion observado despues del proceso de refinamiento del grano de 120 MPa a 130 MPa que es del 20% al 26% mas alto que sin proceso de refinamiento del grano, como se muestra en la Figura 3a. La resistencia a la fatiga de flexion observada despues del proceso de refinamiento del grano es de 4780 micro-deformacion (1100 MPa), que es del 11% al 31% mas alto que sin proceso de refinamiento del grano, como se muestra en la Figura 4a.
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Tabla 1: Detalles del ciguenal de los casos analizados en este informe:
Caso N°.
Figura Capacidad del motor (litros)
1
3a y 4a 12,8
2
3b y 4b 14
3
3c y 4c 14,8
Lograr la dureza especificada despues del refinamiento del grano es un gran desaffo. Es conocido para una persona experta en la materia que el refinamiento del grano siempre reduce la dureza y la resistencia a la traccion del ciguenal. Por lo tanto no sena conveniente utilizar un grano demasiado fino porque los componentes fallanan en dureza, rendimiento de resistencia y resistencia a la traccion.
Tambien es posible engrosar los granos para lograr propiedades mecanicas optimas por aumento de tiempo de remojo a alta temperatura o mediante el aumento de la temperatura de austenizacion. Sin embargo, es bien sabido que ambos de estos procesos resultan en una distorsion inaceptablemente alta de los componentes haciendolos inutiles en muchos casos. Por este motivo, establecer un tiempo de remojo que homogeneizar el tamano del grano sin distorsion es otra dificultad anadida al proceso de tratamiento termico de la invencion.
Debido a ciclo termico, es diffcil mantener la rectitud de las partes dentro de la especificacion dada. Aproximadamente el 30% de la distorsion observada despues del refinamiento del grano de debio a la falta de sujecion. Esta dificultad se elimino mediante el diseno de un apoyo adecuado para cada eje durante la austenizacion, para evitar la deformacion.
Se puede observar en las figuras 3a, 3b y 3c que la resistencia a la fatiga de torsion observada para estos ciguenales fabricados usando el procedimiento de la invencion descrita es de un 20 a un 25% mas alto que sin el proceso de refinamiento del grano, como se muestra en las figuras 3a, 3b y 3c. Las figuras 4A, 4B y 4C muestran el efecto sobre la resistencia a la fatiga de flexion del proceso de la presente invencion. La resistencia a la flexion a la fatiga del material tratado con el proceso de la presente invencion tambien esta en el intervalo de 10-15% mas alta que sin proceso de refinamiento del grano, como se muestra en las Figuras 4a, 4b y 4c.
La Tabla 2 muestra una comparacion de las propiedades mecanicas de la microaleacion de acero antes y despues del proceso de refinamiento del grano de la presente invencion.
Tabla 2: Comparacion de las propiedades mecanicas antes y despues del proceso de
refinamiento de grano.
Propiedades mecanicas
Lfmite elastico (Mpa) Resistencia a la traccion (Mpa) % Alargamiento % reduccion en el area CS Dureza HBW
Especificacion
550 (Min) 850-1000 12 min. 25 min. 255-302
Antes del proceso de refinamiento del grano
570-590 893-930 16-18 30-40 269-285
Despues del proceso de refinamiento del grano
570-583 853-863 19-22 45-55 255-269
De la tabla anterior se observa que despues del proceso de refinamiento del grano la resistencia a la traccion mas baja observada es de 853 MPa, que es mejor que la resistencia a la traccion minima (850 MPa) requerida para tales componentes. La reduccion porcentual en el area de la seccion transversal observada durante la resistencia a la traccion llevada a cabo despues del proceso de refinamiento de grano es alta (45-55%) en
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comparacion con antes del proceso de refinamiento de grano (30-40%), lo que indica el proceso de afinamiento del grano induce una alta dureza en componente que es beneficioso para alta resistencia a la fatiga.
Es evidente de la discusion anterior que el procedimiento de la presente invencion ofrece las siguientes ventajas:
1. Grano de refinamiento: los granos son mas finos que los de los aceros Q y T.
2. Uniformidad de la estructura en toda la seccion independientemente del espesor de la seccion.
3. Aumento de la dureza como es evidente a partir del aumento del porcentaje de reduccion en el area de seccion transversal.
4. Aumento de la resistencia del acero a la iniciacion de grietas por fatiga resultante del aumento de la dureza, y el consiguiente aumento de resistencia a la fatiga del material.
5. Resistencia mejorada y consistente a la fatiga.
La presente invencion describe un tratamiento termico de microaleacion de vanadio de acero que supera el excesivo engrosamiento del grano durante el trabajo en caliente y el tratamiento de enfriamiento post-forja subsiguiente aplicado a los componentes que se estan forjando. Al mismo tiempo, este tratamiento no da lugar a distorsiones asociadas con piezas forjadas de acero convencionales Q y T. En el proceso de la presente invencion, la temperatura de remojo se mantiene en el rango de 900°C a 1.050°C y el tiempo de remojo en el intervalo de 30-60 minutos dependiendo del tamano del ciguenal para obtener el tamano de grano refinado. Se evita que se produzca la distorsion de los componentes proveyendo apoyos adecuados especialmente disenados para el proceso.

Claims (3)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento para mejorar la resistencia a la fatiga de piezas forjadas de microaleaciones de acero y 5 vanadio, caracterizado porque dicho proceso consta de un paso para refinar el tamano del grano, etapa que
    comprende a su vez:
    - la austenitizacion de dichas piezas por calentamiento de las mismas a una primera temperatura que esta en el rango de entre 900 a 1.050°C,
    10
    - el mantenimiento de dichas piezas a esa temperatura durante un penodo de remojo de 30-60 minutos hasta que la temperatura de la pieza se homogeneiza y
    - el enfriamiento de dicho piezas a temperatura ambiente, en donde durante las etapas de
    15 austenizacion, remojo y enfriamiento se proporciona un soporte que evita la deformacion de las
    piezas.
  2. 2. Procedimiento segun la reivindicacion 1 en el que dicho enfriamiento se aplica mediante metodos de enfriamiento de aire quieto o forzado.
    20
  3. 3. Pieza forjada a partir de la microaleacion de acero y vanadio que presenta la mejora en el tamano de grano de ASTM 6-8, y estructura obtenida por el procedimiento descrito en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4.
ES12790961.2T 2011-10-07 2012-10-03 Procedimiento para mejorar la resistencia a la fatiga de microaleaciones del acero, piezas forjadas realizadas mediante el procedimiento y aparato para ejecutar el procedimiento Active ES2552955T3 (es)

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