ES2333274T3 - Procedimiento para la conformacion de discos estampados de aceros de resistencia elevada y muy elevada. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para el templado en prensa y la conformación a temperatura regulada de discos estampados de aceros de resistencia elevada y/o muy elevada, en el que el disco estampado se calienta antes de la conformación al menos a la temperatura de austenitización y se conforma a continuación en caliente en una herramienta de conformación, presentando la herramienta de conformación medios para la regulación de la temperatura, caracterizado porque el disco estampado se conforma mediante las superficies de contacto de elementos de la herramienta de conformación previstos en la herramienta de conformación para la conformación, estando asignadas las superficies de contacto al menos en parte a una pluralidad de zonas de temperatura previstas en la herramienta de conformación y regulándose la temperatura de una pluralidad de zonas de temperatura de la herramienta de conformación mediante medios para la regulación de la temperatura durante la conformación a valores de temperatura respectivamente predefinidos.

Description

Procedimiento para la conformación de discos estampados de aceros de resistencia elevada y muy elevada.

La invención se refiere a un procedimiento para el templado en prensa y la conformación a temperatura regulada de discos estampados de aceros de resistencia elevada y/o muy elevada, en el que el disco estampado se calienta antes de la conformación y se conforma a continuación en caliente en una herramienta de conformación, presentando la herramienta de conformación medios para la regulación de la temperatura.

Debido a los requisitos cada vez más estrictos de las propiedades de resistencia de componentes estructurales de acero o una aleación de acero en la construcción de automóviles, se usan cada vez más conformaciones en caliente en la fabricación en serie para poder conformar aceros de resistencia elevada y/o resistencia muy elevada. En la conformación en caliente se calienta en primer lugar un disco estampado. Esto se realiza habitualmente en un horno. A continuación, se retira el disco estampado calentado del horno y se inserta en una herramienta de conformación en la que el disco estampado se conforma en caliente. Durante la conformación con templado en prensa, el disco estampado se calienta, por ejemplo, al menos a la temperatura de austenitización. A continuación, se produce un rápido enfriamiento de el disco estampado, de modo que la estructura austenítica del disco estampado se transforma en una estructura martensítica. Partiendo de buenas propiedades de conformación al presentarse una estructura austenítica, durante la transformación se produce, por lo tanto, un claro aumento de los valores de resistencia y, por lo tanto, un empeoramiento de las propiedades de conformación del disco estampado. Por la publicación alemana para información de solicitud de patente DE 10 2005 018 974 A1 se conoce un dispositivo con el que los discos estampados procedentes del horno pueden insertarse en una herramienta de conformación de temperatura regulada, pudiendo mantenerse los discos estampados mediante elementos de contacto por medio de conducción de corriente a la temperatura durante la retirada del horno y la inserción en la herramienta de conformación. De este modo debe conseguirse que los discos estampados se conformen también a las temperaturas previstas para la conformación en caliente. Además, se conoce una herramienta de corte de precisión por la publicación alemana para información de solicitud de patente
DE 198 34 510 A1, en la que en la placa de corte y en la placa guía está dispuesta respectivamente una placa calentadora con elementos calentadores y un sensor de temperatura para el control de las placas calentadoras. Con la herramienta de corte de precisión conocida deben procesarse aceros de herramientas para trabajos en caliente tanto a temperatura ambiente como a temperatura semicaliente.

En las herramientas de conformación conocidas por el estado de la técnica es problemático que, si bien permiten una regulación de la temperatura de la herramienta de conformación, no puede realizarse en cambio un control preciso de la temperatura del disco estampado durante la conformación.

Partiendo de ello, la presente invención tiene el objetivo de proponer una herramienta de conformación para el templado en prensa y la conformación a temperatura regulada, así como un procedimiento para el templado en prensa y la conformación a temperatura regulada que permita un control de la temperatura exactamente definido del disco estampado durante la conformación.

Según la doctrina de la presente invención, el objetivo arriba indicado se consigue mediante un procedimiento según la reivindicación 1.

Se ha mostrado que para mantener las buenas propiedades de conformación de aceros de resistencia elevada o de resistencia muy elevada calentados es necesario controlar exactamente la temperatura de las superficies de contacto de los elementos de la herramienta de conformación con el disco estampado. Aquí no sólo es posible reducir a un mínimo el desgaste en la herramienta de conformación en las superficies de contacto de los elementos de la herramienta de conformación con el disco estampado, puesto que mediante el control de la temperatura pueden ajustarse parámetros óptimos para el proceso, en particular temperaturas óptimas del disco estampado para el proceso. Además, es posible influir en la estructura del disco estampado ajustándose las velocidades de enfriamiento del disco estampado durante la conformación en las distintas zonas de temperatura mediante la diferencia de la temperatura con la temperatura del disco estampado. Gracias a ello, con la herramienta de conformación según la invención pueden ajustarse distintas propiedades de material en el disco estampado. Por ejemplo, gracias a las zonas de temperatura reguladas puede realizarse un recocido de eliminación de tensiones tras la conformación.

Como ya se ha explicado anteriormente, un control exacto de las temperaturas del disco estampado durante la conformación en el templado en prensa y la conformación a temperatura regulada de discos estampados de aceros de resistencia elevada y/o de resistencia muy elevada tiene especial importancia, puesto que no sólo pueden controlarse bien las propiedades de conformación en caliente sino que además de ello puede influirse en la estructura mediante las velocidades de enfriamiento. Según la invención, esto se consigue mediante las zonas de temperatura que pueden regularse individualmente que están asignadas a las superficies de contacto de los elementos de la herramienta de conformación.

Las zonas de temperatura en la herramienta de conformación presentan preferiblemente temperaturas uniformes o diferentes durante la conformación. Según la necesidad, puede ajustarse con ello un perfil de temperaturas durante la conformación en el interior del disco estampado o una temperatura constante en las zonas conformadas del disco estampado.

Como ya se ha explicado anteriormente, según otra forma de realización perfeccionada del procedimiento según la invención pueden usarse herramientas de conformación más económicas porque la temperatura de las distintas zonas de temperatura en la herramienta de conformación no supera durante la conformación una temperatura de un máximo de 650ºC. En este caso, pueden usarse los aceros de herramientas para trabajos en caliente económicos para la fabricación de las herramientas de conformación.

Si la temperatura de al menos una zona de temperatura en la herramienta de conformación es superior a 200ºC, la estructura del disco estampado templada en prensa puede ajustarse en esta zona de temperatura a un mejor alargamiento de rotura con valores reducidos del límite elástico y de la resistencia a la tracción. Además, gracias a una mayor temperatura de la herramienta se reducen las variaciones de la estructura debido a presiones superficiales variables. Se supone que la razón de ello es que se reduce la variación de las velocidades de enfriamiento a pesar de haber presiones superficiales diferentes cuando las temperaturas de las herramientas son más elevadas.

Si la temperatura de al menos una zona de temperatura en la herramienta de conformación no supera 200ºC, en esta zona se consiguen límites elásticos y resistencias a la tracción máximos con un alargamiento de rotura menor.

Otro parámetro para influir en la estructura del disco estampado durante la conformación puede conseguirse porque el comportamiento de enfriamiento del disco estampado se ajusta al menos en parte mediante las presiones superficiales de la herramienta de conformación. En particular, en las zonas de temperaturas bajas en la herramienta de conformación, es decir, en zonas con una temperatura inferior a 200ºC, una variación de la presión superficial conduce a velocidades de enfriamiento claramente diferentes, de modo que la estructura del disco estampado es variable mediante la presión superficial, en particular en estas zonas de temperatura.

Unos valores de resistencia mecánica especialmente elevados pueden conseguirse con el procedimiento según la invención porque se usa, por ejemplo, un acero de manganeso-boro, en particular un acero de manganeso-boro del tipo de aleación 22MnB5. Con el tipo de acero indicado pueden conseguirse resistencias a la tracción superiores a 1500 MPa y límites elásticos de más de 1000 MPa, siendo el alargamiento de rotura A80 de aprox. un 5%.

Para impedir durante el templado en prensa y la conformación a temperatura regulada de acuerdo con el procedimiento según la invención una formación de óxidos en la superficie del disco estampado, los discos estampados presentan según la invención un recubrimiento superficial para la protección contra la formación de óxidos, Puede proporcionarse, por ejemplo, una protección correspondiente contra la formación de óxidos en las superficies del disco estampado mediante un recubrimiento de aluminio-silicio.

Finalmente, con el procedimiento según la invención puede ajustarse de forma selectiva una estructura porque se ajusta una diferencia de temperatura entre el disco estampado calentado y las superficies de contacto de la herramienta de temperatura regulada entre 50 y 650ºC, preferiblemente entre 100 y 350ºC. Por temperatura del disco estampado se entiende aquí la temperatura del núcleo del disco estampado. Con una diferencia de temperaturas entre 50ºC y 650ºC pueden conseguirse casi todas las estructuras durante la conformación, por ejemplo una matriz base ferrítica con diferencias de temperaturas pequeñas de aproximadamente 50ºC. Cuando hay diferencias de temperaturas más grandes, entre 100ºC y 300ºC, se generan sustancialmente estructuras bainíticas mediante la conformación en el disco estampado, que tienen un efecto positivo en el comportamiento de dilatación del disco estampado conformada. En el caso de diferencias de temperaturas más grandes de más de 300ºC, se aumenta sustancialmente la parte de estructura martensítica que, por un lado, mejora la resistencia pero que, por otro lado, reduce la capacidad de dilatación del disco estampado conformada.

Ahora hay una pluralidad de posibilidades de mejorar y configurar el procedimiento según la invención para el templado en prensa y la conformación a temperatura regulada. Para ello se remite, por un lado, a las reivindicaciones subordinadas a la reivindicación 1 y, por otro lado, a la descripción de una herramienta de conformación para la realización del procedimiento según la invención en relación con el dibujo.

En el dibujo, la única figura muestra en una vista en corte transversal en perspectiva un ejemplo de realización de una herramienta de conformación para el templado en prensa y la conformación a temperatura regulada de un disco estampado de aceros de resistencia elevada y/o de resistencia muy elevada. El ejemplo de realización representado en la única figura de una herramienta de conformación para el templado en prensa y la conformación a temperatura regulada presenta en primer lugar como elemento de la herramienta de conformación un anillo de embutición 1, un punzón 2, así como un sujetador de chapa 3. En el alojamiento 4 para el anillo de embutición 1 están dispuestos alambres de calefacción 5, que regulan la temperatura del anillo de embutición 1 como primera zona de temperatura. El punzón 2 presenta una espiral de calefacción 6, de modo que también puede regularse la temperatura de éste. Finalmente, el alojamiento 7 del sujetador de chapa presenta alambres de calefacción 8, que regulan la temperatura del sujetador de chapa 3. Las distintas zonas de temperatura, que están formadas por las superficies de contacto del anillo de embutición 1, del punzón 2 y del sujetador de chapa 3 con el disco estampado son aisladas al igual que los distintos alambres de calefacción mediante material aislante 9 para impedir pérdidas de calor, por ejemplo en el alojamiento de la herramienta 13. En el presente ejemplo de realización de la herramienta de conformación, los distintos elementos de la herramienta de conformación 1, 2, 3, que forman las distintas zonas de temperatura, no son aislados térmicamente uno respecto al otro. No obstante, gracias a la disposición de los termoelementos 10, 11, 12 muy cerca de las superficies de contacto de los elementos de la herramienta de conformación 1, 2, 3 con el disco estampado queda garantizado que pueda conseguirse una regulación de la temperatura exacta de las zonas correspondientes del disco estampado. Como puede verse en la figura, el anillo de embutición 1, así como el sujetador de chapa 3 y el punzón 2 son aislados térmicamente respecto al alojamiento de la herramienta, de modo que se impide un escape de calor no controlado al alojamiento de la herramienta 13.

Las tres zonas de temperatura del anillo de embutición 1, del punzón 2 y del sujetador de chapa 3 pueden ajustarse una independiente de la otra a distintas temperaturas, desde la temperatura ambiente hasta por ejemplo un máximo de 650ºC, preferiblemente entre 200 y 650ºC, en particular entre 400ºC y 650ºC. Según la invención, de este modo pueden conseguirse también perfiles de temperaturas en la herramienta de conformación para conseguir en los sitios correspondientes del disco estampado conformada un cambio de la estructura, por ejemplo gracias a distintas velocidades de enfriamiento del disco estampado en estas zonas. Para mayor facilidad, en la única figura no están representados medios para la variación de la presión superficial ni tampoco los medios para el mando de los distintos alambres de calefacción de las zonas de temperatura.

Al realizar ensayos con discos estampados, por ejemplo de acero de manganeso-boro del tipo de aleación 22MnB5 se han ajustado temperaturas diferentes en toda la herramienta. Para mayor facilidad, en los ensayos se han ajustado respectivamente temperaturas idénticas en el anillo de embutición 1, el punzón 2 y el sujetador de chapa 3. Debido a la posición de los termoelementos 10, 11, 12 se garantiza de este modo que la temperatura ajustada se presente también en las superficies de contacto con el disco estampado correspondiendo, por lo tanto, a la temperatura de conformación. En los ensayos, se mostró que con temperaturas de herramienta bajas, es decir, inferiores a 200ºC, se pudieron conseguir los valores de resistencia más elevados con un alargamiento de rotura A80 de aprox. un 5%. Los valores de medición para el límite elástico R_{P0,2} eran superiores a 1050 MPa y para la resistencia a la tracción R_{m} superiores a 1500 MPa. Con temperaturas de herramienta más elevadas superiores a 200ºC, los valores para el límite elástico R_{P0,2} bajaron a valores por debajo de 1000 MPa. Al mismo tiempo, los valores para la resistencia a la tracción eran inferiores a 1500 MPa. No obstante, aumentó el alargamiento de rotura A80 a aprox. un 5,8%. Con una temperatura de la herramienta de 400ºC, la resistencia a la tracción bajó, por ejemplo, a R_{m} = 820 MPa, el límite elástico a R_{P0,2} = 610 MPa. El alargamiento de rotura aumentó, en cambio, a A80 = 10%. Se supone que el motivo para los cambios de los valores de resistencia está en el hecho de que a una temperatura más elevada de la herramienta de conformación sigue habiendo partes de austenita en la estructura. Para conseguir una estructura con valores del alargamiento de rotura más elevados, por lo tanto es preferible usar temperaturas de la herramienta de conformación de por ejemplo 400ºC a 650ºC. Con temperaturas de la herramienta de conformación inferiores a 200ºC, la estructura está formada, por lo contrario, ya sólo por martensita y se consigue una resistencia máxima con un menor alargamiento de rotura.

Además, se mostró que con una temperatura de herramienta más elevada, las distintas presiones superficiales ya influyeron sólo poco en la formación de la estructura. Se supone que esto se debe a que las distintas presiones superficiales, que variaron en un intervalo de 0,15 MPa 3,83 MPa, sólo provocaron pequeñas diferentes en la velocidad de enfriamiento para el intervalo de temperatura de 790ºC a 390ºC. Las velocidades de enfriamiento medidas para este intervalo de temperatura estaban entre 80 y 115 K/s. Si la herramienta de conformación se regula, no obstante, a una temperatura inferior a 200ºC, debido a la gran diferencia de temperatura entre el disco estampado y la herramienta de conformación es claramente mayor la influencia de la presión superficial en la velocidad de enfriamiento y, por lo tanto, la influencia de la misma en la formación de la estructura. Se mostró que a temperaturas bajas de la herramienta, es decir, inferiores a 200ºC, pudieron medirse distintas velocidades de enfriamiento de 80 K/s a 480 K/s debido a la presión superficial. Esto tenía como consecuencia que a las velocidades de enfriamiento extremadamente elevadas se había formado una estructura martensítica muy gruesa. A velocidades de enfriamiento de 80 K/s a 130 K/s se obtenía, por lo contrario, una estructura martensítica finamente granulada, que se considera ventajosa en todos los aspectos. Los valores medidos para el límite elástico y la resistencia a la tracción no cambiaron por las distintas formaciones de estructuras. Para conseguir valores de resistencia máximos en el templado en prensa y la conformación a temperatura regulada de aceros de resistencia elevada y/o de resistencia muy elevada debe cumplirse, por lo tanto, con mucha precisión el control de temperatura en la herramienta de conformación o en el disco estampado que ha de ser conformada. El ejemplo de realización descrito de la herramienta de conformación para el templado en prensa y la conformación a temperatura regulada es especialmente adecuado para ello.

Además, se calentaron otras dos muestras de una aleación de acero 22MnB5 con un recubrimiento de aluminio-silicio (AlSi) durante aprox. 6 minutos a 950ºC. La muestra a) se conformó en una herramienta regulada a una temperatura de 410ºC con una presión de 80 bar y la muestra b) en una herramienta enfriada a temperatura ambiente con una presión de 80 bar.

Unas micrografías de las muestras a) y b) muestran distintas formaciones de estructuras. La muestra a) presentó una estructura de bainita con efectos de revenido. A diferencia de ello, en la muestra b) pudo detectarse una estructura martensítica, bainítica.

Otra muestra del tipo arriba indicado fue recocida a 900ºC y se pasó en aprox. 6 s a una prensa, mientras la temperatura del núcleo de la chapa era aún de aprox. 750ºC. La temperatura de la prensa era 600ºC y el tiempo de cierre era de aprox. 1,5 s. A continuación de la conformación a temperatura regulada se realizó un enfriamiento brusco a temperatura ambiente. El análisis de la muestra mostró una matriz base ferrítica con perlita dispuesta en forma de células, detectándose adicionalmente distintas islas de martensita y partes de bainita. En un ensayo de corrosión por apriete posterior pudieron detectarse pequeñas partes de austenita residual. Mediante los ensayos pudo mostrarse que mediante la conformación a temperatura regulada pueden ajustarse de forma selectiva martensita, bainita y/o perlita, así como austenita residual en la chapa.

Claims (9)

1. Procedimiento para el templado en prensa y la conformación a temperatura regulada de discos estampados de aceros de resistencia elevada y/o muy elevada, en el que el disco estampado se calienta antes de la conformación al menos a la temperatura de austenitización y se conforma a continuación en caliente en una herramienta de conformación, presentando la herramienta de conformación medios para la regulación de la temperatura, caracterizado porque el disco estampado se conforma mediante las superficies de contacto de elementos de la herramienta de conformación previstos en la herramienta de conformación para la conformación, estando asignadas las superficies de contacto al menos en parte a una pluralidad de zonas de temperatura previstas en la herramienta de conformación y regulándose la temperatura de una pluralidad de zonas de temperatura de la herramienta de conformación mediante medios para la regulación de la temperatura durante la conformación a valores de temperatura respectivamente predefinidos.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque las zonas de temperatura en la herramienta de conformación presentan durante la conformación temperaturas uniformes o diferentes.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la temperatura de las distintas zonas de temperatura en la herramienta de conformación no supera durante la conformación una temperatura de un máximo
de 650ºC.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la temperatura de al menos una zona de temperatura es superior a 200ºC.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la temperatura de al menos una zona de temperatura no supera 200ºC.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el comportamiento de enfriamiento del disco estampado se ajusta al menos en parte mediante las presiones superficiales de la herramienta de conformación.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se usa un acero de manganeso-boro, en particular un acero de manganeso-boro del tipo de aleación 22MnB5.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el disco estampado presenta un recubrimiento superficial para la protección contra la formación de óxidos.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque se ajusta una diferencia de temperatura entre el disco estampado calentado y las superficies de contacto de la herramienta de temperatura regulada entre 50 y 650ºC, preferiblemente entre 100 y 350ºC.