ES2853207T3 - Procedimiento para la fabricación de componentes endurecidos - Google Patents

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Abstract

Procedimiento para la fabricación de un componente de acero endurecido con un recubrimiento de zinc o una aleación de zinc, en el que a partir de una chapa recubierta con el zinc o la aleación de zinc se troquela una platina, se calienta la platina troquelada a una temperatura >=Ac3 y dado el caso se mantiene a esta temperatura por un tiempo preestablecido para ejecutar la formación de austenita y a continuación la platina calentada es transferida a una herramienta de moldeo, es moldeada en la herramienta de moldeo y es enfriada en la herramienta de moldeo con una velocidad que está sobre la velocidad crítica de endurecimiento, y mediante ello es endurecida, en lo cual se ajusta el retardo de conversión del material de acero, de modo que a una temperatura de moldeo que está en el intervalo de 600°C a 800°C, en particular 730°C a 782°C, y está por debajo de la temperatura peritéctica del diagrama de zinc-hierro, tiene lugar un templado mediante conversión de la austenita en martensita, en el cual se usa un material de acero con los siguientes análisis (todos los datos en % en masa): Carbono (C) 0,08-0,6 Manganeso (Mn) 0,8-3,0 Aluminio (Al) 0,01-0,07 Silicio (Si) 0,01-0,5 Cromo (Cr) 0,02-0,6 Titanio (Ti) 0,01-0,05 Nitrógeno (N) 0,003-0,1 Boro (B) 0,0005-0,06 Fósforo (P) < 0,01 Azufre (S) < 0,01 Molibdeno (Mo) < 1 El resto son hierro e impurezas generadas por la fusión.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento para la fabricación de componentes endurecidos
La invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de componentes endurecidos protegidos contra la corrosión, con los rasgos de la reivindicación 1.
Se sabe que en automóviles se usan en particular los denominados componentes de chapa de acero, endurecidos a presión. Estos componentes de chapa de acero endurecidos a presión son componentes de alta tenacidad, que son usados en particular como componentes de seguridad de la zona de la carrocería. Para ello, mediante el uso de estos componentes de alta tenacidad, es posible reducir el espesor del material comparado con un acero de tenacidad normal, y con ello lograr un menor peso en la carrocería.
En el endurecimiento a presión hay básicamente dos posibilidades diferentes para la fabricación de tales componentes. Se diferencia entre el procedimiento directo y el indirecto.
En el procedimiento directo, se calienta una platina de chapa de acero por encima de la denominada temperatura de formación de austenita y dado el caso se mantiene a esta temperatura, hasta que se alcanza un grado deseado de formación de austenita. A continuación se transfiere esta platina calentada a una herramienta de moldeo y en esta herramienta de moldeo se le moldea en una etapa de moldeo de un paso hasta dar el componente terminado, y con ello mediante la herramienta enfriada de moldeo se enfría simultáneamente con una velocidad, que está por encima de la velocidad crítica de endurecimiento. Así se genera el componente endurecido.
En el procedimiento indirecto primero se moldea, dado el caso en un proceso de moldeo de varios pasos, el componente hasta que está casi completamente listo. A continuación se calienta así mismo este componente moldeado hasta una temperatura por encima de la temperatura de formación de austenita, y dado el caso se mantiene a esta temperatura por un tiempo deseado necesario.
A continuación se transfiere e introduce este componente calentado a una herramienta de moldeo, la cual ya posee las dimensiones del componente o las dimensiones finales del componente, dado el caso considerando la elongación por el calor del componente moldeado. Después del cierre de la herramienta enfriada en particular se enfría con ello el componente moldeado previamente solamente en esta herramienta, con una velocidad por encima de la velocidad crítica de endurecimiento, y con ello se endurece.
Con ello, el procedimiento directo es de realización algo más fácil, sin embargo hace posible el moldeo sólo de formas que se realizan realmente con una etapa única de moldeo, es decir formas de perfil relativamente simple.
El procedimiento indirecto es algo más costoso, pero por ello está en capacidad de realizar moldeos más complejos.
Adicional a la necesidad por componentes endurecidos a presión, surgió la necesidad de generar tales componentes no sólo a partir de chapas de acero no recubiertas, sino de dotar tales componentes con una capa protectora contra la corrosión.
Como capa protectora contra la corrosión en la construcción de automóviles, entran en consideración solamente el aluminio o aleaciones de aluminio usados en medida más bien baja, o también los recubrimientos a base de zinc requeridos frecuentemente de manera considerable. Para ello, el zinc tiene como ventaja que el zinc logra no sólo una capa protectora de barrera como el aluminio, sino una protección catódica contra la corrosión. Además, los componentes endurecidos por presión recubiertos con zinc se ajustan mejor al concepto de protección total contra la corrosión de carrocerías de automotores, puesto que éstas son recubiertas con zinc en la construcción usual actual. De este modo puede disminuirse o excluirse la corrosión por contacto.
Para los dos procedimientos podrían descubrirse sin embargo desventajas, que son discutidas también en el estado de la técnica. En el procedimiento directo, es decir, el moldeo con calor de aceros con recubrimiento de zinc endurecidos a presión, ocurren micro- (10 pm a 100pm) o incluso macrofisuras en el material, en el cual las microfisuras aparecen en el recubrimiento y las macrofisuras alcanzan incluso a través de la totalidad de la sección transversal de la chapa. Tales componentes con macrofisuras son inadecuados para otro uso.
En el procedimiento indirecto, es decir, moldeo en frío con un subsiguiente endurecimiento y moldeo del resto pueden ocurrir así mismo microfisuras en el recubrimiento, que asimismo son indeseables, pero no tan pronunciadas.
Los aceros recubiertos con zinc no son usados hasta ahora - excepto un componente en el espacio asiático -en el procedimiento directo, es decir, el moldeo con calor. En este caso se usan por el contrario aceros con un recubrimiento de aluminio-silicio.
En la publicación "Corrosion resistance of different metallic coatings on press hardened steels for automotive", Arcelor Mittal Maiziere Automotive Product Research Center F-57283 Maiziere-Les-Mez se obtiene una vista general. En esta publicación se cita que para el procedimiento de moldeo con calor existe un acero con boro-manganeso y aluminio, que es distribuido comercialmente bajo el nombre UsiBor 1500P. Además, con el propósito de la protección catódica contra la corrosión, para el procedimiento de moldeo con calor se distribuyen aceros recubiertos previamente con zinc, es decir el UsiBor GI galvanizado con un recubrimiento de zinc, que contiene baja fracción de aluminio y un llamado UsiBor GA recubierto recocido después de la galvanización, el cual contiene una capa de zinc con 10 % de hierro.
Se resalta que el diagrama de fases de zinc/hierro muestra que por encima de 782°C surge una zona grande que contiene zinc líquido, en tanto el contenido de hierro sea menor a 60 %. Sin embargo esta es también la zona de temperatura en la cual se moldea en caliente el acero austenitizado. También se resalta que cuando el moldeo tiene lugar por encima de 782°C existe un gran riesgo de la corrosión por tensión por el zinc líquido, que penetra en la frontera del grano del acero base, lo cual conduce a macrofisuras en el acero base. Además, para contenidos de hierro menores que 30 % en el recubrimiento, la temperatura máxima para el moldeo de un producto seguro sin macrofisuras, es menor que 782°C. Esta es la razón por la cual no se operan procedimientos directos de moldeo, sino procedimientos indirectos de moldeo. Con ello debería eludirse el problema representado.
Otra posibilidad para eludir este problema, debería estar en usar acero recubierto recocido después de la galvanización, lo que se debe a que el contenido de hierro de 10 % existente ya al comienzo y la ausencia de una capa de bloqueo de Fe2Al5, en el calentamiento excede rápidamente el valor crítico de 60 % de hierro en el recubrimiento, lo cual evita la presencia de hierro líquido durante el proceso de moldeo con calor.
A partir del documento EP 1439 240 B1 se conoce un procedimiento para el moldeo con calor de un producto de acero recubierto, en el cual el material de acero exhibe un recubrimiento de zinc o aleación de zinc, que se forma sobre la superficie del material de acero, y se calienta el material base de acero con el recubrimiento a una temperatura de 700°C a 1000°C y se moldea en caliente, en el cual el recubrimiento posee una capa de óxido que consiste principalmente en óxido de zinc, antes de calentar el material base de acero con la capa de zinc o aleación de zinc, para impedir una evaporación del zinc en el calentamiento. Para ello se suministra un curso especial del procedimiento.
A partir del documento EP 1642991 B1 se conoce un procedimiento para el moldeo con calor de un acero, en el cual se calienta un componente de un acero dado de boro-manganeso, a una temperatura en el punto Ac3 o por encima de él, se mantiene a esa temperatura y luego se moldea la chapa caliente de acero hasta dar el componente terminado, en lo cual se enfría rápidamente el componente moldeado, mediante enfriamiento desde la temperatura de moldeo durante el moldeo o después del moldeo, de manera tal que la tasa de enfriamiento en el punto MS corresponde al menos a la tasa crítica de enfriamiento y que el promedio de tasa de enfriamiento del componente moldeado desde el punto MS hasta 200°C se encuentra en la zona de 25°C/s a 150°C/s. También el documento JP 2007182608 A divulga un procedimiento para la fabricación de un componente de acero endurecido con un recubrimiento de zinc, el cual representa un procedimiento directo para el moldeo con calor.
Es objeto de la invención lograr un procedimiento para la fabricación de componentes de chapa de acero dotados con una capa protectora contra la corrosión, en el cual se disminuya o elimine la formación de fisuras y sin embargo se alcance una suficiente protección contra la corrosión.
El objetivo es logrado con los rasgos de la reivindicación 1.
En las reivindicaciones subordinadas que caracterizan perfeccionamientos ventajosos.
El efecto descrito anteriormente de formación de fisuras por zinc líquido, el cual penetra el acero en la zona de los límites del grano, es conocido también como la denominada "fragilidad por metal líquido".
Contrario a la dirección tomada en el estado de la técnica debido a la "fragilidad por metal líquido", de incluir el procedimiento indirecto también para geometrías simples, la invención va en una ruta favorable en la cual el procedimiento directo encuentra aplicación, en el cual se calienta una platina recubierta con zinc o una aleación de zinc y se moldea después del calentamiento y se endurece por templado.
Como se reconoció de acuerdo con la invención, tanto como sea posible no se permite que durante la fase de moldeo entre en contacto austenita con zinc fundido, por consiguiente la incorporación de tensión. Por ello, de acuerdo con la invención se prevé la ejecución del moldeo por debajo de la temperatura peritéctica del sistema hierro-zinc (fundido, ferrita, fase T). Para garantizar con ello aún un templado, se ajusta la composición de la aleación de acero en el marco de la composición usual de un acero de magnesio-boro (22 MnB5), de modo que se ejecuta un templado mediante una conversión retardada de la austenita en martensita y con ello también la presencia de austenita a la temperatura baja menor que 780°C o más baja, de modo que en el momento en el cual se incorpora tensión mecánica sobre el acero, lo cual en asocio con un producto fundido de zinc y austenita conduciría a la "fragilidad por metal líquido", incluso no está presente o está presente sólo muy poca fase líquida de zinc. Con ello, por medio de un acero de boromanganeso ajustado de modo correspondiente a los elementos de la aleación, se tiene éxito en alcanzar un templado suficiente sin provocar una formación de fisuras excesiva o dañina.
Mediante un dibujo se aclara la invención, al respecto se muestra:
Figura 1: una tabla que muestra la duración de permanencia en el horno, de platinas de acero recubiertas con una capa de zinc que suma 140 g/m2, con diferentes tiempos de transferencia en la herramienta de moldeo y profundidades representativas de fisura asociadas con ello;
Figura 2: la curva tiempo-temperatura en el enfriamiento entre el horno y el moldeo;
Figura 3: imágenes notablemente aumentadas que exhiben las muestras con los diferentes tiempos de transferencia;
Figura 4: representaciones de corte transversal pulido de las muestras de acuerdo con la figura 3;
Figura 5: el diagrama de zinc-hierro.
De acuerdo con la invención, se ajusta un acero usual de boro-manganeso, al uso como material de acero endurecido por presión, respecto a la conversión de la austenita en otras fases, de modo que se pospone la conversión en zonas más bajas.
Por ello, para la invención son adecuados aceros de la composición general de aleación (todos los datos en % en masa):
C [%] Si [%] Mn [%] P [%] S [%] Al [%] Cr [%] Ti [%] [%] B N [%]
0,22 0,19 1,22 0,0066 0,001 0,053 0,26 0,031 0,0025
El resto son hierro e impurezas generadas en la fusión.
En lo cual como agentes de retardo de la conversión en tales aceros se usan en particular los elementos de aleación boro, manganeso, carbono y opcionalmente cromo y molibdeno.
Con ello, para la invención son adecuados aceros de la composición general de aleación (todos los datos en % en masa):
Carbono (C) 0,08-0,6
Manganeso (Mn) 0,8-3,0
Aluminio (Al) 0,01 -0,07
Silicio (Si) 0,01-0,5
Cromo (Cr) 0,02-0,6
Titanio (Ti) 0,01-0,05
Nitrógeno (N) 0,003-0,1
Boro (B) 0,0005-0.06
Fósforo (P) < 0,01
Azufre (S) < 0,01
Molibdeno (Mo) <1
El resto son hierro e impurezas generadas por la fusión.
En particular han probado ser adecuados arreglos de acero, como sigue (todos los datos en % masa):
Carbono (C) 0,08-0,30
Manganeso (Mn) 1,00-3,00
Aluminio (Al) 0,03-0,06
Silicio (Si) 0,15-0,20
Cromo (Cr) 0,2-0,3
Titanio (Ti) 0,03-0,04
Nitrógeno (N) 0,004-0,006
Boro (B) 0,001-0,06
Fósforo (P) < 0,01
Azufre (S) < 0,01
Molibdeno (Mo) <1
El resto son hierro e impurezas generadas por la fusión.
Mediante el ajuste de los elementos de aleación que actúan como agentes de retardo de la conversión, se alcanza con seguridad un templado, es decir, un enfriamiento rápido con una velocidad de enfriamiento que está por encima de la velocidad crítica de endurecimiento, aún todavía por debajo de 780°C. Esto significa que en este caso se trabaja por debajo del peritéctico del sistema zinc-hierro, es decir, se aplica tensión mecánica justo bajo el peritéctico. Esto significa además que en el momento en el cual se aplica tensión mecánica, ya no están presentes fases líquidas de zinc, que pueden entrar en contacto con la austenita.
En la Figura 1 se reconoce que estas diferentes temperaturas de partida en el endurecimiento fueron alcanzadas mediante diferentes tiempos de transferencia del horno en la prensa de moldeo. Para un tiempo de transferencia de 3 segundos, se reconoce la fuerte formación de fisuras profundas, con una profundidad de fisura representativa de 200 |jm. Por encima de tiempos de transferencia de 5 segundos y 7 segundos se reconoce que tanto la intensidad de las fisuras como también la profundidad de las fisuras disminuyen visiblemente, mientras para un tiempo de transferencia de 9 segundos en tanto avance, se reconoce que la profundidad y ancho de las fisuras disminuye claramente. Esto no era de esperar en esta forma puesto que el experto asumiría, a pesar del fenómeno conocido de la fragilidad por metal líquido, que una capa de cobertura metálica más o menos líquida que desarrolla fases muy blandas dúctiles y muy líquidas puede seguir mejor al moldeo, comparado con una capa metálica ya sólida.
Además, después del calentamiento de la platina, de acuerdo con la invención puede diseñarse una fase de retención en la zona de temperatura del peritéctico, de modo que se promueva y favorezca la solidificación del recubrimiento de zinc, antes de que sea moldeado a continuación.
Con ello, con la invención se tiene éxito en el logro confiable de un procedimiento favorable en costes de moldeo con calor, para chapas de acero recubiertas con zinc o aleaciones de zinc, en el cual por un lado se causa un templado, y por otro se disminuyen o previenen micro- y macrofisuras, que conducen a daños en el componente.

Claims (3)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para la fabricación de un componente de acero endurecido con un recubrimiento de zinc o una aleación de zinc, en el que a partir de una chapa recubierta con el zinc o la aleación de zinc se troquela una platina, se calienta la platina troquelada a una temperatura >Ac3 y dado el caso se mantiene a esta temperatura por un tiempo preestablecido para ejecutar la formación de austenita y a continuación la platina calentada es transferida a una herramienta de moldeo, es moldeada en la herramienta de moldeo y es enfriada en la herramienta de moldeo con una velocidad que está sobre la velocidad crítica de endurecimiento, y mediante ello es endurecida,
en lo cual se ajusta el retardo de conversión del material de acero, de modo que a una temperatura de moldeo que está en el intervalo de 600°C a 800°C, en particular 730°C a 782°C, y está por debajo de la temperatura peritéctica del diagrama de zinc-hierro, tiene lugar un templado mediante conversión de la austenita en martensita, en el cual se usa un material de acero con los siguientes análisis (todos los datos en % en masa):
Carbono (C) 0,08-0,6
Manganeso (Mn) 0,8-3,0
Aluminio (Al) 0,01-0,07
Silicio (Si) 0,01-0,5
Cromo (Cr) 0,02-0,6
Titanio (Ti) 0,01-0,05
Nitrógeno (N) 0,003-0,1
Boro (B) 0,0005-0,06
Fósforo (P) < 0,01
Azufre (S) < 0,01
Molibdeno (Mo) <1
El resto son hierro e impurezas generadas por la fusión.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque se usa un material de acero con los siguientes análisis (todos los datos en % en masa):
Carbono (C) 0,08-0,30
Manganeso (Mn) 1,00-3,00
Aluminio (Al) 0,03-0,06
Silicio (Si) 0,15-0,20
Cromo (Cr) 0,2-0,3
Titanio (Ti) 0,03-0,04
Nitrógeno (N) 0,004-0,006
Boro (B) 0,001-0,06
Fósforo (P) < 0,01
Azufre (S) < 0,01
Molibdeno (Mo) <1
El resto son hierro e impurezas generadas por la fusión.
3. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se calienta la platina en un horno a una temperatura>Ac3 y se mantiene por un tiempo preestablecido, y a continuación se deja enfriar la platina a una temperatura entre 600°C a 800°C, en particular 73o°C a 782°C y se mantiene a esta temperatura, para lograr un endurecimiento de la capa de zinc y después de un tiempo de retención preestablecido se transfiere a la herramienta de moldeo y allí se le moldea.
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