Aleación de acero para componentes de máquina.

Componentes de máquina o elementos constructivos con una resistencia a la tracción superior a 2000 [MPa] para cargas mecánicas variables hasta una temperatura de como máximo 160 °C,

formados a partir de una aleación de acero bonificada térmicamente, que contiene en % en peso

carbono (C) del 0,48 al 0,55

silicio (Si) del 0,18 al 0,25

manganeso (Mn) del 0,35 al 0,45

cromo (Cr) del 4,4 al 4,7

molibdeno (Mo) del 2,9 al 3,1

vanadio (V) del 0,72 al 0,77

así como uno o varios de los siguientes elementos concomitantes o contaminantes

fósforo (P) máx. 0,005

azufre (S) máx. 0,001

níquel (Ni) máx. 0,1

cobre (Cu) máx. 0,1

cobalto (Co) máx. 0,1

titanio (Ti) máx. 0,005

aluminio (Al) máx. 0,01

nitrógeno (N) máx. 0,003

oxígeno (O) máx. 0,002

calcio (Ca) máx. 0,001

magnesio (Mg) máx. 0,001

estaño (Sn) máx. 0,005

hierro (Fe) e impurezas como el resto.

Aleación de acero para componentes de máquina

La invención se refiere a componentes de máquina o elementos constructivos con una resistencia a la tracción superior a 2000 [MPa] para cargas mecánicas variables hasta una temperatura de 160 °C, formados a partir de una aleación de acero bonificada térmicamente. En particular la invención se refiere a componentes de motor- y/o de accionamiento de vehículos.

Los componentes de máquina con solicitación mecánica variable se cargan en la técnica moderna cada vez más, hasta los límites de la resistencia del material respectiva. En particular esto es cierto para componentes en vehículos, porque las reducciones de peso conseguidas de esta manera también pueden aprovecharse para el ahorro de combustibles y similares.

De los materiales, a partir de los que se forman los componentes, se exigen en el estado bonificado térmicamente altos valores para el perfil de propiedades de tenacidad, resistencia y ductilidad, porque estos valores de propiedades son de importancia decisiva para un diseño dimensional de las piezas.

Por el fallo de piezas en el funcionamiento a largo plazo, tal como era evidente, se justifica también tener en cuenta las propiedades de la fatiga del material, para conseguir una alta seguridad de funcionamiento.

Para piezas con carga variable mecánica significativa en el sector ferroviario, automovilístico y aeronáutico se usan actualmente de acuerdo con el estado de la técnica en la mayoría de los casos aceros bonificados aleados, opcionalmente de baja aleación. Un representante preferido de estos aceros es la aleación de acuerdo con la norma DIN el material N2 1.6928. Éste contiene más bien material de baja aleación del 1,40 al 1,90 % en peso de silicio, para garantizar en gran medida una alta resistencia a la fluencia durante un periodo determinado. Se intentó también con ventaja, aumentar el contenido en silicio de esta aleación hasta el 3,0 % en peso, para conseguir las mejores propiedades de fatiga del material durante la solicitación de las piezas.

Un uso de aleaciones de acero con una composición de manera correspondiente a la de aceros bonificados del tipo mencionado anteriormente se ha probado por completo para una producción de componentes de máquina sometidos a cargas elevadas de acuerdo con el estado de la técnica, no obstante sus propiedades de fatiga no son suficientes con frecuencia para una carga variable mecánica en el intervalo de valores límite del material utilizado.

Para un experto demostrado, a partir del estado de la técnica mediante un objeto de acero de herramientas para trabajos en caliente de acuerdo con el documento EP 1 300 482 A1, que a 550 °C y una dureza de 59 HRC y superior así como un trabajo de flexión por golpes de SB 180 J y una resiliencia de en dirección longitudinal de charpy-U-14J, mediante un acero para herramientas aleado (documento JP 2004169177A), que tiene una menor temperatura de temple que la matriz de aceros para trabajos rápidos convencionales, mediante un acero para resortes microaleado con Ti y/o Nb (documento JP 10121201 A) o mediante un acero para rodamientos (documento JP 2002121648 A) con pequeño tamaño de grano de carburo y una dureza superficial de los componentes de cojinete, no resulta ninguna indicación con respecto a componentes de máquina con propiedades a largo plazo claramente mejoradas y un alto módulo E del material.

Es ahora objetivo de la invención indicar componentes de máquina o elementos constructivos con una resistencia a la tracción superior a 2000 [MPa], que en estado bonificado térmicamente estén expuestos a cargas mecánicas variables hasta una temperatura de 160 `C y que presenten propiedades a largo plazo esencialmente mejoradas y un alto módulo E.

Este objetivo se consigue con una aleación de acero bonificada térmicamente para componentes de máquina y/o elementos constructivos del tipo mencionado al principio, que tiene una composición química en % en peso de

carbono (C) del 0,48 al 0,55

silicio (Si) del 0,18 al 0,25

manganeso (Mn) del 0,35 al 0,45

cromo (Cr) del 4,40 al 4,70

molibdeno (Mo) del 2,90 al 3,10

vanadio (V) del 0,72 al 0,77

así como uno o varios de los siguientes elementos concomitantes o contaminantes

fósforo (P) máx. 0,005

azufre (S) máx. 0,001

níquel (Ni) máx. 0,1

cobre (Cu) máx. 0,1

cobalto (Co) máx. 0,1

hierro (Fe) e impurezas como el resto.

Las ventajas conseguidas con el uso de un material de acuerdo con la invención pueden apreciarse esencialmente en que los componentes de máquina del tipo mencionado, en el caso de propiedades de resistencia mecánica iguales o mejoradas, presentan una seguridad de fática esencialmente mayor en el caso de altas cargas. Además, el material o el elementos constructivo de acuerdo con la invención tiene un módulo E esencialmente mayor, lo que en el caso de una solicitación mecánica, específica, igual lleva a menores valores de extensión en el intervalo elástico y por lo tanto a una mayor vida útil de las piezas.

Los elementos concomitantes y contaminantes representan opcionalmente la causa de propiedades a largo plazo disminuidas, porque estos elementos pueden encontrarse enriquecidos en los límites de grano de la estructura o pueden formar compuestos. Se descubrió que las propiedades del material en el caso de una carga variable a largo plazo sólo se ven ligeramente afectadas, cuando los contenidos más altos de uno o varios de los componentes concomitantes o contaminantes indicados anteriormente presentan los límites indicados anteriormente.

Con ventaja, en el caso de una composición química, mencionada anteriormente, mediante bonificación térmica, puede ajustarse una distribución homogénea y una dureza formada libremente por valores de pico superior a 54 HRC, en particular superior a 55 HRC, que aumenta la seguridad de fatiga.

Es de especial importancia el grado de pureza de la aleación de acero con respecto a un inicio de fisuración. Se descubrió que en un material bonificado térmicamente con respecto a altos valores de resistencia también pequeñas inclusiones no metálicas, también con formas de cantos aproximadamente redondeadas, repercuten de la manera más negativa posible en la seguridad de fatiga, en el caso de carga mecánica variable. Esta circunstancia debe tenerse en cuenta también desde el punto de vista de la técnica de fusión, estando prevista después de un tratamiento de acero líquido de cinética de reacción por regla general también una refusión de arco de vacío doble de la aleación de acero, para ajustar un grado de pureza de la aleación de acero de acuerdo con la invención de menor/igual a D/0,5/DELGADO 1 (inclusiones de tipo A, B, C no presentes) de acuerdo con la norma ASTM E 45 (superficie de medición 160 mm2).

Cuando los componentes de máquina o el elemento constructivo tienen (o tiene) un módulo de elasticidad del material superior a 200.000 MPa, estos presentan o este presenta en el intervalo elástico de las tensiones mecánicas en el caso de carga variable, bajos valores de extensión y recalcado, mediante lo cual se consigue una mayor vida útil o se dan mejores valores de fatiga.

Ha dado buen resultado especialmente, con respecto al conjunto del perfil de propiedades, la aleación de acero bonificada o el material como componente de máquina en la construcción de vehículo, concretamente en particular como pieza de motor y/o de accionamiento y/o de resorte.

A continuación se expone en detalle la invención por medio de resultados de ensayo así como diagramas comparativos.

Muestran:

la Figura 1 la Figura 2 la Figura 3 la Figura 4 la Figura 5 la Figura 6

resistencia a la tracción límite de fluencia

alargamiento de rotura y estricción módulo E

número de ciclos bajo carga hasta la rotura disposición de ensayo

de materiales comparativos y componentes de máquina de acuerdo con la invención.

Las aleaciones de acero, que contienen esencialmente los... [Seguir leyendo]

1. Componentes de máquina o elementos constructivos con una resistencia a la tracción superior a 2000 [MPa] para cargas mecánicas variables hasta una temperatura de como máximo 160 °C, formados a partir de una aleación de acero bonificada térmicamente, que contiene en % en peso

carbono (C) silicio (Si) manganeso (Mn) cromo (Cr) molibdeno (Mo) vanadio (V)

del 0,48 al 0,55 del 0,18 al 0,25 del 0,35 al 0,45 del 4,4 al 4,7 del 2,9 al 3,1 del 0,72 al 0,77

así como uno o varios de los siguientes elementos concomitantes o contaminantes

hierro (Fe) e impurezas como el resto.

2. Componentes de máquina de acuerdo con la reivindicación 1 con una dureza producida mediante bonificación térmica superior a 54 [HRC], en particular superior a 55 [HRC].

3. Componentes de máquina de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 2 con un grado de pureza de la aleación de acero a ajustar de menor/igual a D/0,5/DELGADO 1 (inclusiones de tipo A, B y C no presentes) según la norma ASTM E 45 (superficie de medición 160 mm2).

4. Componentes de máquina de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3 con un módulo de elasticidad del material de E = superior a 200 000 MPa, en particular superior a 205 000 MPa.

5. Componentes de máquina de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4 usados en la construcción de vehículos, en particular como pieza de motor y/o de accionamiento y/o de resorte.