BRPI0308832B1

BRPI0308832B1 - bloco de aço

Info

Publication number: BRPI0308832B1
Application number: BRPI0308832A
Authority: BR
Inventors: Jean Beguinot
Original assignee: Industeel France
Priority date: 2002-04-03
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2015-10-06
Also published as: JP2009024260A; TWI328045B; AU2003258841B2; JP4323324B2; DE60300867D1; HK1067669A1; ATE298010T1; EP1490526B1; CN1646717A; ES2240945T3; CA2480651C; TW200305655A; DE60300867T2; AR039237A1; JP2005527703A; RU2309190C2; BR0308832A; FR2838138A1; PL199775B1; MXPA04009501A

Abstract

"bloco de aço e peça de molde em aço". bloco de aço destinado à fabricação de moldes de injeção de matéria plástica ou para a fabricação de peças para o trabalho dos metais, de espessura superior a 20 mm, cuja estrutura é inteiramente martensítica ou martensítica-bainítica, cuja dureza em quaisquer pontos está compreendida entre 430 hb e 530 hb, e cuja composição química compreende, em % em peso: 0,180 % <243> c <243> 0,400 %; si <243> 0,8 %; mn <243> 2,5 %; ni <243> 3 %; cr <243> 3,5 %; mo+w/2 <243> 2,8 %; v + nb/2 + ta/4 <243> 0,5 %; ai <243> 0,4 %; ti + zr/2 <243> 0,1 %; 0,0005 % < b < 0,015 %, s + se + te < 0,2 %; pb + bi < 0,2 %, ca < 0,1 %; sendo que o resto é constituído por ferro e impurezas que resultam da elaboração, e a composição química corresponde ainda às seguintes relações: 3,2 < tr <243> 9; 85 <243> dr <243> 95; u/dr <243> 10,0 com tr = 1,8xc + 1,1xmn + 0,7xni + 0,6xcr + 1,6xmo^ *^ + 0,5; dr = 54xc^ 0,25^ + 24.5x(mo^ *^ + 3xv^ *^)0,30 + 1,58xmn + 0,74xni + 1,8xsi + 12,5x(cr)^ 0,20^; u = 1600xc + 100x(0,25xcr+mo^ *^ + 4,5xv^ *^); r = 3,8xc + 10xsi + 3,3xmn + 2,4ni + 1,4x(cr + mo^ *^); mo^ *^ mo + w/2; v^ *^= v + nb/2 + ta/4; e b <242> 1/3 k, + 0,5; com k, = min (i^ *^; j^ *^); i^ *^ = max (0; i); j^ *^ = max (0; j); i = min (n ; n - 0,29 (ti + zr/2 - 5)); fórmula f(a).

Description

“BLOCO DE AÇO” [001] A presente invenção trata de um bloco de aço utilizável, em particular para a fabricação de moldes para a moldagem por injeção de polímeros ou para a moldagem de metais, tais como as ligas leves, ou para a fabricação de peças para o trabalho dos metais. [002] Os moldes para a moldagem por injeção de polímeros são, em geral, realizados em aços cuja dureza é próxima de 300HB. Entretanto, quando esses moldes são utilizados para a moldagem de polímeros, tais como os polímeros técnicos ou os polímeros termorrígidos, é preferível utilizar aços mais duros que resistem melhor ao desgaste. Pode-se então utilizar um aço tal como o 55 NCDV 7 que contém cerca de 0,55 % de carbono, 1,75 % de níquel, cromo, molibdênio e vanádio que permite fabricar moldes cuja dureza é próxima de 400 HB. Esse aço apresenta, porém, vários inconvenientes: ele é difícil de usinar e difícil de soldar. Além disso, esse aço comporta freqüentemente segregações localizadas que constituem pontos duros prejudiciais às aptidões ao polimento ou à decapagem química. Esses dois inconvenientes são particularmente desvantajosos, pois a fabricação de moldes requer usinagens extensas e os moldes são geralmente reparados por deposição de solda e polidos ou decapados. Além disso, esses moldes devem poder ser endurecidos em superfície, por exemplo, por nitretação, sem perder sua dureza. [003] Para aplicações ainda mais exigentes e particularmente quando os polímeros injetados são carregados de fibras muito duras, é preferível utilizar aços ainda mais duros que resistem melhor ao desgaste. Da mesma forma, o aumento das pressões de injeção também leva à busca de aços mais resistentes e, portanto, mais duros. Finalmente, para certas aplicações de injeção de ligas leves ou de trabalho dos metais a frio ou a temperaturas intermediárias, as tensões mecânicas impostas ao ferramental e as exigências de resistência ao desgaste levam a adotar níveis de dureza do aço superiores a 450HB. Pode-se então procurar utilizar um aço de resistência próxima a 450 HB e mesmo 500 HB tal como, por exemplo, os graus AISI HB11 ou H13 que são também comumente utilizados para a injeção de ligas leves. Esses aços contêm aproximadamente: 0,4 % de carbono, 5 % de cromo, 1,25 % de molibdênio, 0,3 a 1 % de vanádio. Mas esses aços apresentam, em um grau ainda mais elevado, os mesmos inconvenientes que o 55NCDV 7, mencionados acima. [004] Além disso, outro problema se apresenta de modo particularmente crucial com o aumento da dureza, que é quase inevitavelmente acompanhado de uma redução da tenacidade: o risco de fissuração entre os canais de resfriamento e a superfície de impressão do molde, que esses canais têm por função resfriar eficazmente, passando relativamente perto dessa superfície. [005] A finalidade da presente invenção é corrigir esses inconvenientes propondo um aço para moldes ou para a fabricação de peças para o trabalho dos metais mais facilmente soldável, mais fácil de usinar, de polir e de decapar e mais condutor do calor que os aços de acordo com a arte anterior, e que permita fabricar moldes ou ferramentas cuja dureza seja da ordem de 450 a mais de 500 HB, inclusive após uma operação de endurecimento em superfície por nitretação, o que impõe que as características exigidas, em particular de dureza, sejam compatíveis com um revenimento a uma temperatura superior a 530°C. [006] Para esse fim, a presente invenção tem por objeto um bloco de aço de espessura superior a 20 mm e que pode ir até 1500 mm, cuja estrutura é martensítica ou martensítica-bainítica, cuja dureza está compreendida entre 430 HB e 520 HB aproximadamente em quaisquer pontos, destinado à fabricação de peças para moldes ou para ferramental, e cuja composição química compreende, em % em peso: - boro em um teor compreendido entre 0,0005 % e 0,015 %; - eventualmente um ou mais elementos escolhidos entre o enxofre, o selênio, e o telúrio, sendo que a soma dos teores desses elementos é inferior ou igual a 0,2 %; - eventualmente um ou mais elementos escolhidos entre o chumbo e o bismuto, sendo que a soma dos teores desses elementos é inferior ou igual a 0,2 %; - eventualmente cálcio em um teor inferior ou igual a 0,1 %; e o resto é constituído de ferro e impurezas que resultam da elaboração, sendo que o cobre é uma impureza, e a composição química corresponde ainda às seguintes relações: nas quais, para teores expressos em %: e os teores de boro, alumínio, titânio, zircónio e nitrogênio, expressos em milésimos em % em peso, sâo tais que: com K1 = Min (f; J ) [007] De preferência, a composição química é tal que: [008] De preferência, ainda, a composição química é tal que: [009] É preferível que o teor de silício seja estritamente inferior a 0,45 % em peso, [010] De preferência, a composição é tal que: I mais preferencialmente [011 ] De preferência, a composição é tal que I [012] Além disso, é preferível que a composição química do aço seja tal que: e mais preferencialmente ainda que: [013] É então preferível que a composição seja tal que Tr > 4,5. [014] A presente invenção trata ainda de uma peça de molde de aço usinada em um bloco de acordo com a presente invenção, cuja superfície é pelo menos em parte endurecida por nitretação e cuja dureza em quaisquer pontos está compreendida entre 430 HB e 530 HB. [015] O aço de acordo com a presente invenção apresenta a vantagem de ter melhor condutibilidade térmica que os aços de acordo com a arte anterior. Essa melhor condutibilidade térmica permite prever canais de resfriamento mais distantes da superfície dos moldes do que a exigida pela utilização dos aços de acordo com a arte anterior. Assim, o risco de fissuras entre os canais e a superfície de impressão dos moldes fica sensivelmente diminuída. Além disso, devido à melhor condutibilidade térmica, o resfriamento dos moldes é feito de modo mais homogêneo, o que melhora a qualidade da moldagem. [016] O aço de acordo com a presente invenção destina-se também à fabricação de peças para o trabalho dos metais. [017] A presente invenção vai ser agora descrita de modo mais preciso, mas não limitativo, e ilustrada por exemplos. [018] As peças para moldes ou para o trabalho dos metais são fabricadas por usinagem em blocos de aço maciços temperados para obter uma estrutura martensítica ou martensito-bainítica e revenimentos para obter as propriedades desejadas de dureza e ductibilidade. É então necessário utilizar um aço com uma elevada temperabilidade e enduricibilidade. Mas esses aços endurecidos devem ter uma usinabilidade que seja melhor possível e uma condutividade térmica que seja a mais elevada possível. Essa última propriedade é útil para melhorar a produtividade das operações de moldagem. A priori, a combinação dessas diferentes propriedades é contraditória. De fato, é sabido que o aço será tanto mais fácil de usinar quanto maior for sua dureza e para melhorar a usinabilidade do aço costuma-se utilizar elementos de adição tais como o enxofre, o cálcio, o selênio, o telúrio ou o chumbo. Mas, nos aços em moldes, essas adições devem ser limitadas pois, embora elas sejam aceitáveis quando a superfície das impressões dos moldes for decapada, elas são nefastas quando as superfícies forem polidas. Em qualquer situação tais adições são insuficientes. Sabe-se também que a condutividade térmica do aço e sua temperabilidade variam no sentido inverso em função de sua composição. Essas exigências são, portanto, contraditórias. Entretanto, os inventores constataram - e isso é uma novidade - que é possível encontrar campos de composição que permitem obter das combinações de propriedades sensivelmente melhores que as dos aços conhecidos. Esses campos de composição são definidos de um lado por faixas de teores em cada um dos elementos da composição e, de outro lado, por fórmulas que devem ser respeitadas. [019] Para obter tais combinações de propriedades, o aço deve conter: - de 0,18 % a 0,4 % de carbono par formar carbonetos que endurecem sem, todavia, deteriorar excessivamente a soldabilidade, a tenacidade e a usinabilidade, de preferência, esse teor deve estar compreendido entre 0,230 e 0,350 %, e mais preferencialmente ainda compreendido entre 0,240 % e 0,320 %; - menos de 0,8 %, de preferência menos de 0,30 % e mais preferencialmente ainda, menos de 0,15 % de silício. Esse elemento utilizado geralmente para desoxidar o aço durante a elaboração tem um efeito desfavorável sobre a condutividade térmica. Entretanto, ele está sempre presente pelo menos no estado de traços; - menos de 2,5 % de manganês, de preferência, de 0,1 % a 1,8 %, e mais preferencialmente ainda de 0,1 % a 1,6 %, para obter uma boa temperabilidade sem, todavia, provocar muitas segregações que poderiam reduzir a aptidão para obter bons estados de superfície nos moldes. Esse elemento está sempre presente ao menos no estado de traços. Além disso, é preferível que seu teor seja superior a 0,1 % a fim de reter o enxofre sempre presente no estado de impurezas. Caso o enxofre tenha sido adicionado para melhorar a usinabilidade, o teor mínimo de manganês deve ser de preferência adaptado em função disso e ser pelo menos 5 vezes, e de preferência 7 vezes o teor de enxofre; - menos de 3 % de níquel, de preferência menos de 2,5 % e mais preferencialmente ainda menos de 2 %. Esse elemento permite aumentar a temperabilidade, mas é muito oneroso. Ele pode estar presente no estado de traços. Entretanto, nas aplicações que exigem forte tenacidade e boa homogeneidade de dureza, pode ser interessante reduzir o teor de manganês em favor do níquel à razão de duas partes de níquel em substituição de uma parte de manganês. Essa substituição de uma parte de manganês pelo níquel tem também a vantagem de reduzir as segregações; - menos de 3,5 % de cromo, e de preferência de 0,2 % a 3 % de cromo, e mais preferencialmente ainda, de 0,2 % a 2,5 %. Esse elemento permite aumentar a temperabilidade, mas em quantidade elevada, ele tem a tendência de enriquecer os carbonetos em cromo em detrimento de outros elementos mais favoráveis tais como o molibdênio, o tungstênio, o vanádio, o nióbio e o tântalo. Ele pode estar presente no estado de traços; - molibdênio e/ou tungstênio em teores tais que a soma Mo* = Mo + W/2 seja inferior a 2,8 %, e de preferência inferior a 2,5 %, é também preferível que ela seja superior a 0,3 %. Esses elementos têm alto poder de têmpera, além disso, eles reduzem sensivelmente o amaciamento ao revenido, o que é desejável em particular quando as impressões dos moldes são submetidas a tratamentos de superfície tais como a nitretação em temperaturas de pelo menos 500°C. Entretanto, em quantidade muito elevada, eles deterioram a usinabilidade; - eventualmente, pelo menos um elemento escolhido entre o vanádio, o nióbio e o tântalo em teores tais como a soma V* = V + Nb/2 + Ta/4 seja inferior a 0,5 %, e de preferência, inferior a 0,3 %. Esses elementos permitem aumentar a resistência ao amaciamento ao revenimento, em particular quando o revenimento for efetuado acima de 550°C. Eles permitem aumentar a resistência das impressões dos moldes. Mas em quantidade muito elevada, eles deterioram a usinabilidade e a soldabilidade; e - de 0,0005 % a 0,015 % de boro. Esse elemento aumenta sensivelmente a temperabilidade, sem prejudicar a condutibilidade térmica. Além disso, como seu efeito desaparece nas temperaturas elevadas de austenitização encontradas em soldagem, ele é favorável a uma boa reparabilidade por solda. Abaixo de 0,0005 %, que é praticamente o limite de detecção pelos meios de análise, ele não tem efeito significativo. Acima de 0,015 %, ele provoca uma fragilização do aço sem aumentar a temperabilidade. [020] Eventualmente até 0,4 % de alumínio e eventualmente um ou mais elementos escolhidos entre o titânio e o zircônio, sendo que a soma Ti + Zr/2 pode ir até 1 %. Esses elementos são desoxidantes fortes. Além disso, eles fixam o nitrogênio sempre presente ao menos a título de impureza em teores geralmente inferiores a 0,0250 % mas que podem ir além, porém, quando o aço contiver boro o teor de nitrogênio deve ser inferior a 0,0250 %. A presença de pelo menos um elemento escolhido entre Al, Ti e Zr é desejável para que o boro tenha sua eficácia plena. [021] Para que o alumínio, o titânio e o zircônio, escolhidos sozinhos ou em combinação de dois ou três desses elementos protejam o boro contra o nitrogênio e lhe confira assim sua eficácia plena, os teores de boro, alumínio, titânio, zircônio e nitrogênio, expressos em milésimos de %, devem, de preferência, ser tais que: com - o cobre pode existir no estado de traços ou de impurezas até teores da ordem de 0,3 %; - eventualmente um ou mais elementos escolhidos entre o enxofre, o selênio e o telúrio em pequena quantidade, sendo que a soma desses elementos deve ser inferior a 0,2 %. Entretanto, quando o aço se destina à fabricação de moldes cuja superfície é polida e decapada quimicamente, a soma dos teores desses elementos deve ser inferior a 0,025%, ou melhor, inferior a 0,005 %; - eventualmente um ou mais elementos escolhidos entre o chumbo e o bismuto, sendo que a soma desses elementos é inferior a 0,2 %. Entretanto, quando o aço se destina à fabricação de moldes cuja superfície é polida e decapada quimicamente, é preferível que o aço não contenha tais elementos; - eventualmente cálcio em um teor inferior a 0,1 %. Entretanto, quando o aço se destina à fabricação de moldes cuja superfície é polida e decapada quimicamente, é preferível que o aço não contenha esse elemento pois sua ação positiva sobre a usinabilidade se realiza em conjunção com o enxofre cuja adição é preferencialmente limitada quando o aço tiver de ser polido ou decapado; e - o resto da composição é constituído por ferro e impurezas que resultam da elaboração. Convém notar que, para todos os elementos de adição cujo teor mínimo não é imposto, quando esses elementos não são adicionados, eles podem sempre se encontrar pelo menos em forma de residuais ou de impurezas, em teores muito baixos. [022] Dentro dos limites que acabam de ser definidos, a composição do aço deve ser escolhida a fim de obter as características de uso desejadas. Para isso, a composição deve ser tal que: - a grandeza + 0,5 seja superior a 3,2 e de preferência superior a 4,5 para obter uma temperabilidade suficiente. Em particular, Tr deve ser superior a 4,5 para permitir obter uma estrutura martensito-bainítica sem traço de estrutura perlítica em peças cuja espessura pode ultrapassar 1000 mm e atingir 1500 mm; - a grandeza deve estar compreendida entre 85 e 95 a fim de obter um endurecimento pelos carbonetos suficiente, porém, sem deteriorar muito a usinabilidade; - a grandeza i que é um indicador da usinabilidade (quanto menor ele for, melhor será a usinabilidade), deve ser tal que a razão que expressa a dificuldade de usinagem relacionada ao endurecimento, U/Dr, seja inferior a 10,0 e de preferência a 9,0; - a grandeza que varia como a resistividade térmica, ou seja, o contrário da condutividade térmica, deve, de preferência, ser inferior ou igual a 2,7xTr. De preferência, a razão R/(2,7xTr) deve ser inferior ou igual a 0,90 e, mais preferencialmente ainda a 0,80. Entretanto, considerando-se que o conjunto das exigências de características desejadas para o aço, essa grandeza não pode, em geral, descer abaixo de 11 também, a presente invenção trata mais particularmente dos aços para os quais R > 11, sendo, porém, a menor possível; e - considerando-se todas as exigências, a soma Mo* + 3xV* deve ser superior a 0,4 %; quando a composição do aço corresponder à análise preferencial: deve ser superior a 0,8 %; quando o aço corresponder à análise mais preferencial: leve ser superior a 1,2 %. [023] Para fabricar um molde com esse aço, elabora-se o aço, funde-se e lamina-se ou forja-se esse aço a quente de modo conhecido, recortando-o a seguir para obter blocos cuja espessura é superior a 20 mm e pode ultrapassar 100 mm e atingir 400 mm, e mesmo 600, e até 1500 mm. Deve-se notar que, para espessuras menores, os blocos podem ser chapas ou placas chatas, e que para espessuras maiores são, em geral, blocos forjados. [024] Os blocos são austenitizados, eventualmente na caldeira de forja ou de laminação, a uma temperatura superior a AC3 e de preferência inferior a 950°C, em particular quando o aço contém boro, e depois são temperados com ar, óleo ou água de acordo com a espessura e a temperabilidade do aço, de modo a obter uma estrutura martensítica ou martensito-bainítico em toda a massa. Finalmente, eles são revenidos a uma temperatura superior a 500°C e, de preferência, pelo menos igual a 550°C, mas inferior a AC1. Obtém-se assim uma dureza compreendida entre 430HB e 530HB, aproximadamente. [025] Em tais blocos, usinam-se de modo conhecido peças de moldes que comportam impressões que são polidas e eventualmente decapadas. Eventualmente, essas peças são endurecidas em superfície, por exemplo por nitretação gasosa. Após a nitretação gasosa, fora a extrema superfície das peças que é nitretada, a dureza do aço está compreendida entre 430 e 530 HB aproximadamente. [026] A título de exemplo e de comparação, consideram-se as análises constantes na tabela 1 f cujas características estão indicadas na tabela 2. [027] Os exemplos 7, 8 e 10 estão de acordo com a presente invenção, os exemplos 1 a 6, 9, 11 a 13 não contém Boro, e os exemplos 14 a 17 sâo dados a título de comparação. Esses aços não contêm adições de selênio, telúrio, chumbo, bismuto ou cálcio. Eles contêm, porém, um pouco de enxofre, entre 0,010 % e 0,020 %. [028] Para todos esses aços, determinou-se também a dureza HB no estado temperado revenido, ou seja, para uma estrutura martensítica ou martensito-bainítica revenida a 550°C, bem como a dureza HVZAT em zona afetada pelo calor nas proximidades de uma soldadura que foi comparada com a dureza HVbase do metal de base não afetado pelo calor, Esses resultados estão também indicados na tabela 1. [029] Examinando-se essas duas tabelas, pode-se constatar que, a uma dureza comparável (HB) e um coeficiente de dureza Dr comparável, os aços de acordo com a presente invenção possuem uma usinabilidade melhor (razão U/Dr menor) que os aços dados a título de comparação. Além disso, eles possuem uma reparabilidade por solda melhor e sobretudo uma resposta homogênea ao polimento após reparo bem melhor que a dos aços dados a título de comparação, uma vez que a dureza em ZAT é menor e sobretudo que a relação HVZAT/HVbase é menor. Para os aços de acordo com a presente invenção, a relação HVZAT/HVbase não ultrapassa de fato 1,20 quando o carbono é inferior ou igual a 0,35 %.

Tabela 1 * o boro, ο nitrogênio, ο titânio e o alumínio estão expressos em milésimos de %.

Tabela 2 [030] Estes aços estão aptos à fabricação de peças de moldes de injeção de polímeros. Mas eles são também aptos à fabricação de peças de ferramental para o trabalho dos metais.

Claims

1. BLOCO DE AÇO, destinado à fabricação de moldes para a injeção de polímero ou para a moldagem de metais ou para a fabricação de peças para o trabalho dos metais, de espessura superior a 20 mm, cuja estrutura é inteiramente martensítica ou martensítica-bainítica, e cuja dureza em quaisquer pontos está compreendida entre 430 HB e 530 HB, caracterizado pelo fato de que a composição química do aço compreende, em % em peso: - boro em um teor compreendido entre 0,0005 % e 0,015 %, - eventualmente um ou mais elementos escolhidos entre o enxofre, o selênio, e o telúrio, sendo que a soma dos teores desses elementos é inferior ou igual a 0,2 %, - eventualmente um ou mais elementos escolhido entre o chumbo e o bismuto, sendo que a soma dos teores desses elementos é inferior ou igual a 0,2 %, - eventualmente cálcio em um teor inferior ou igual a 0,1 %, sendo que o resto é constituído por ferro e impurezas que resultam da elaboração, sendo que o cobre é uma impureza, e a composição química corresponde ainda às seguintes relações: nos quais, para teores expressos em %: Os teores de boro, alumínio, titânio, e nitrogênio, expressos em milésimos em % em peso, são tais que: com

2. BLOCO DE AÇO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a composição química é tal que:

3. BLOCO DE AÇO, acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que:

4. BLOCO DE AÇO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato do teor de silício ser estritamente inferior a 0,45 % em peso e do teor de carbono ser inferior ou igual a 0,35 % em peso.

5. BLOCO DE AÇO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que

6. BLOCO DE AÇO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que

7. BLOCO DE AÇO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que

8. BLOCO DE AÇO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato da composição ser tal que:

9. BLOCO DE AÇO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato da composição ser tal que:

10. BLOCO DE AÇO, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que Tr > 4,5.