BRPI0400488B1 - Liga para produção de objetos com alta resistência ao calor e alta estabilidade térmica - Google Patents
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Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "LIGA PARA PRODUÇÃO DE OBJETOS COM ALTA RESISTÊNCIA AO CALOR E AL- TA ESTABILIDADE TÉRMICA". A invenção refere-se a uma liga para produção de objetos com alta resistência ao calor e estabilidade térmica.
Em especial, a invenção refere-se a um objeto de aço de traba- lho a quente, com alta dureza, alta resistência ao calor e alta estabilidade térmica.
Em geral, aços de trabalho a quente podem ser designados co- mo ligas na base de ferro termicamente temperáveis, cujas propriedades mecânicas mais altas são mantidas depois do tratamento térmico, particu- larmente a alta resistência térmica e dureza, até temperaturas de 500°C e acima.
De acordo com as exigências crescentes do desenvolvimento técnico, existe a exigência geral de que materiais de trabalho a quente sejam aperfeiçoados adicionalmente na qualidade, particularmente, aumentar a resistência ao calor dos mesmos, a uma alta estabilidade térmica, bem como aumentar a tenacidade dos mesmos. Aços de trabalho a quente usuais são ligas na base de ferro, que contêm carbono, com 0,3 a 0,4% em peso de carbono (C), cuja dureza é aumentada de acordo com a exigência com uma têmpera por resfriamento brusco, por formação de martensita na estrutura e um revenimento. Uma adição de elementos de liga, em geral, em % em peso: silício (Si) até 1,5 cromo (Cr) 2,5 até 5,5 molibdênio (Mo_) até 3,0 vanádio (V) até 1,0 ao material básico de ferro e um uso de processos de tratamento térmico configurados de modo especial permite produzir do mesmo um objeto que possui altos valores para propriedades mecânicas desejadas, a uma tempe- ratura de uso de até aproximadamente 500°C. Por adição à liga de tungstê- nio (W), até 9% em peso, e cobalto (Co), até 3,0% em peso, a temperatura de uso pode ser aumentada um pouco.
Substancialmente, a dureza a quente desses aços é produzida por um mecanismo de precipitação, que é designado por aumento de dureza secundário pelo técnico, sendo que são formados carburetos de cromo- molibdênio-tungstênio finíssimos na grade de martensita.
Um outro aumento da resistência de um material, diferente, em essência, da têmpera por resfriamento brusco, pode ser obtido por uma têmpera por precipitação. O pressuposto para uma têmpera por precipitação é uma solubilidade decrescente com a temperatura de um aditivo de liga ou de elementos de liga no metal básico.
Em uma têmpera por precipitação, um material de liga primeira- mente é submetido a um tratamento de recozimento de solução, com um resfriamento intensificado, subseqüente, com o qual um aditivo de liga ou uma fase é levado totalmente ou parcialmente em solução e é mantido em solução supersaturada. Um aquecimento subseqüente para uma temperatu- ra abaixo da temperatura de recozimento de solução provoca uma precipita- ção da fração supersaturada do (dos) elemento(s) ou da (das) fase(s), o que produz uma alteração das propriedades de material, em geral, um aumento da dureza do material.
Materiais na base de ferro, temperáveis por precipitação, possu- em, em geral, conteúdos de liga em % em peso de: carbono (C) até 0,05 manganês (Mn) até 2,0 cromo(Cr) até 16,0 molibdênio (Mo) até 6,0 níquel (Ni) até 26,0 vanádio (V) até 0,4 cobalto (Co) até 10,0 titânio (Ti) até 3,0 alumínio (Al) até 0,3 Tanto as ligas na base de ferro, com uma formação de marten- sita em uma têmpera por resfriamento brusco, como também aquelas que sofrem uma alteração em suas propriedades mecânicas por precipitação de elementos e fases, têm em comum a desvantagem que no respectivo âmbito da composição de liga e/ou por uma tecnologia de tratamento térmico, res- pectivamente apenas propriedades individuais, tal como, por exemplo, a du- reza e resistência ou a estabilidade à temperatura, são aperfeiçoadas, mas a isso está associada uma queda de outros valores de propriedades, tal como, por exemplo, a tenacidade do material, a estabilidade térmica e similar. É objeto da invenção indicar uma liga que possibilite aperfeiçoar, no total, o perfil de propriedades de um objeto produzido da mesma. De acordo com a tarefa da invenção, deve ser criado um objeto de aço de tra- balho a quente, com, simultaneamente, alta dureza e alta tenacidade, alta resistência ao calor e alta estabilidade térmica. O objeto da invenção citada inicialmente é obtido com uma liga, que contém em % em peso: carbono (C) 0,15 até 0,44 silício (Si) 0,04 até 0,3 manganês (Mn) 0,06 até 0,4 cromo (Cr) 1,2 até 5,0 molibdênio (Mo) 0,8 até 6,5 níquel (Ni) 3,4 até 9,8 vanádio (V) 0,2 até 0,8 cobalto (Co) 0,1 até 9,8 alumínio (Al) 1,4 até 3,0 cobre (Cu) abaixo de 1,3 nióbio (Nb) abaixo de 0,35 ferro (Fe) restante bem como elementos acessórios e impurezas causadas pela produção.
As vantagens que se apresentam com a invenção podem ser vistas, substancialmente, no fato de que por medidas de tecnologia de liga foi criado um material, no qual uma têmpera de precipitação pode ser sobre- posta à têmpera por resfriamento brusco ou de martensita. Nesse caso, as atividades dos elementos de liga em relação ao carbono e as que referem-se à formação da união ou das fases são escolhidas de tal modo favorável que também a temperaturas de austenitização comparativamente baixas, pode se dar simultaneamente no beneficiamento uma têmpera por precipitações de carburetos secundários, finíssimos, particularmente, carburetos de cro- mo-molibdênio-vanádio, e uma têmpera por uma precipitação de fases in- termetálicas, particularmente, de AIFe2Ni, e é obtida uma alta dureza a quente, a uma alta tenacidade do material.
De acordo com a invenção, também é possível de modo aperfei- çoado uma têmpera total de partes grandes, uma vez que por tecnologia de liga está ajustado um comportamento de transformação térmica correspon- dente do material. Do mesmo modo, a estabilidade de revenimento e, desse modo, a estabilidade térmica do material beneficiado, a uma alta dureza, são substancialmente aperfeiçoadas.
Em uma liga na base de ferro de acordo com a invenção, está previsto um conteúdo de carbono de pelo menos 0,15% em peso, para que possa ser separada uma quantidade de carbureto suficiente para um au- mento de dureza secundário desejado. Concentrações de carbono mais al- tas que 0,44% em peso podem formar com os elementos formadores de carbureto previstos carburetos primários perturbadores, que diminuem a te- nacidade, de modo que o conteúdo de carbono deve importar em entre 0,15 e 0,44% em peso. O conteúdo de silício, para uma composição vantajosa de um produto de desoxidação, precisa importar em pelo menos 0,04% em peso, por outro lado, não deve ser mais alta que 0,3% em peso, uma vez que valo- res de silício mais altos influenciam negativamente a tenacidade do material.
Manganês está previsto no aço, de acordo com a invenção, em uma concentração entre 0,06 e 0,4% em peso. Conteúdos mais baixos po- deríam causar uma fragilidade no caso de uma moldação a quente e conte- údos mais altos, desvantagens para a têmpera do material.
Os conteúdos de cromo, molibdênio e vanádio são importantes para uma formação de dureza secundária desejada do material no benefici- amento, e devem ser observados em conjunto. Conteúdos de cromo abaixo de 1,2% em peso têm um efeito negativo sobre a têmpera total do material, os acima de 5,0% em peso reduzem a estabilidade térmica do mesmo, pois, com isso, a atividade do molibdênio é reprimida.
Em concentrações de molibdênio abaixo de 0,8% em peso, no decorrer do tratamento térmico uma quantidade insuficiente desse elemento é levada à solução, o que leva a valores de dureza secundária baixos. Acima de 6,5% em peso de molibdênio no aço pode causar uma fração de carbu- reto alta demais, o que pode trazer perdas de tenacidade do material e des- vantagens econômicas. O forte formador de carbureto, vanádio, está previsto de acordo com a invenção, com um conteúdo mínimo de 0,2% em peso, para garantir uma têmpera secundária estável do aço. Conteúdos mais altos que 0,8% em peso de vanádio podem levar à precipitação de carburetos primários, parti- cularmente no caso de conteúdos de carbono no limite superior da faixa de concentração, com o que as propriedades de tenacidade do material são deterioradas aos saltos.
Embora o efeito de nióbio seja semelhante ao de vanádio, o mesmo, no entanto, distingue-se por uma formação de carburetos muito es- táveis, de modo que o conteúdo de nióbio deve importar, vantajosamente, em abaixo de 0,35% em peso.
Para garantia de um aumento de dureza secundária em um re- venimento da estrutura de martensita, da liga de acordo com a invenção, a mesma apresenta, portanto, a uma concentração de carbono de 0,15 a 0,44% em peso, conteúdos em % em peso de cromo de 1,2 a 5,0, de mo- libdênio de 0,8 a 6,5 e de vanádio, de 0,2 a 0,8. A concentração de níquel do aço e o conteúdo de alumínio do mesmo deve ser considerada com vistas à cinética de precipitação da fase do tipo AIFe2NI, para aumento da dureza em uma tecnologia de tratamento térmico prevista. Em conteúdos de níquel abaixo de 3,4% em peso e em uma concentração de alumínio de menos de 1,4% em peso, uma têmpera por precipitação está reprimida, portanto, o aumento de dureza aditivo como material no revenimento é pequeno.
Conteúdos mais altos que 9,8% em peso de níquel deslocam a transformação de δ/α para temperaturas mais baixas, o que pode levar a problemas no tratamento de recozimento a doce do aço, a uma alta dureza de trabalho e à perturbação da cinética de precipitação.
Conteúdos acima de 3,0% em peso de alumínio estimulam de modo negativo um alto âmbito de DELTA-(6)-ferrita no comportamento de transformação, uma formação de nitreto e baixam a tenacidade de material da liga.
De acordo com a invenção, o conteúdo de níquel e o conteúdo de alumínio do aço situam-se, portanto, em % em peso nas faixas de 3,4 a 9,8 de níquel e 1,4 a 3,0 de alumínio.
Cobre pode formar fases intermetálicas indesejáveis e deve es- tar contido no aço em uma concentração pequena, de abaixo de 1,3% em peso.
Para aperfeiçoamento adicional do perfil de propriedades da liga de acordo com a invenção pode estar previsto que a mesma apresente um ou mais dos elementos com a seguinte concentração em % em peso: carbono (C) 0,25 até 0,4, preferivelmente, 0,31 a 0,36 silício (Si) 0,1 até 0,25, preferivelmente, 0,15 a 0,19 manganês (Mn) 0,15 até 0,3, preferivelmente, 0,2 a 0,29 cromo (Cr) 1,9 até 2,9, preferivelmente, 2,2 a 2,8 molibdênio (Mo) 1,2 até 4,5, preferivelmente, 2,1 a 2,9 níquel (Ni) 5,0 até 7,6, preferivelmente, 5,6 a 7,1 vanádio (V) 0,24 até 0,6, preferivelmente, 0,25 a 0,4 cobalto (Co) 1,4 até 7,9, preferivelmente, 1,6 a 2,9 alumínio (Al) 1,6 até 2,9, preferivelmente, 2,1 a 2,8 Por essas faixas de conteúdo mais estreitas de elementos na composição química do aço, pode ser obtido um aperfeiçoamento de pro- priedades adicional dos objetos produzidos com o mesmo.
Para valores de aço mecânicos, no total altos, mas particular- mente também para altas propriedades de tenacidade do material, é de es- pecial importância uma fração limitada de misturas.
Em uma configuração vantajosa da invenção, está prevista uma liga, que contém um ou mais elementos acessórios ou de impurezas, com as seguintes concentrações MÁXIMAS em % em peso: fósforo (P) 0,02, preferivelmente, 0,005 enxofre (S) 0,008, preferivelmente, 0,003 cobre (Cu) 0,15, preferivelmente, 0,06 titânio (Ti) 0,01, preferivelmente, 0,005 nióbio (Nb) 0,001, preferivelmente, 0,0005 nitrogênio (N) 0,025, preferivelmente, 0,015 oxigênio (O) 0,009, preferivelmente, 0,002 cálcio (Ca) 0,003, preferivelmente, 0,001 magnésio (Mg) 0,003, preferivelmente, 0,001 estanho (Sn) 0,01, preferivelmente, 0,005 tântalo (Ta) 0,001, preferivelmente, 0,0005 Para obter uma têmpera por precipitação da liga particularmente acentuada, sobreposta à têmpera secundária por carburetos, pode ser van- tajoso se o valor do conteúdo de níquel, dividido pelo conteúdo de alumínio, respectivamente em % em peso, importar em entre 1,8 e 4,2, preferivel- mente, entre 2,1 e 3,9. Desse modo, é evitada uma predominância de um dos elementos que formam a precipitação. A tarefa proposta da invenção é solucionada de acordo com um perfil de propriedades aperfeiçoado em um objeto de aço trabalhado a quente quando um material preliminar, produzido de acordo com um proces- so metalúrgico de fusão ou metalúrgico de pó, foi levado à forma, particular- mente, por transformação e trabalho a quente, objeto formado esse que, de- pois de um tratamento térmico de têmpera apresenta carburetos precipitados secundariamente, bem como precipitações intermetálicas. A dureza total do material, nesse caso, é obtida, vantajosamente por uma sobreposição do aumento de dureza secundária por precipitações de carbureto e da têmpera de precipitação. Desse modo, podem ser obtidos altos valores de dureza de material, embora a tecnologia de beneficiamento esteja voltada para a obtenção de uma alta tenacidade de material e, em comparação com um aço de trabalho a quente de acordo com o estado da técnica, são usadas temperaturas de têmpera baixas. Essa temperatura de austenitização mais baixa também pode ter vantagens consideráveis no que se refere-se a uma deformação pequena em um tratamento de beneficia- mento de peças formadas de modo complicado.
Se, porém, as temperaturas de têmpera forem ajustadas em um nível elevado, então resultam valores de dureza extremamente altos, a tena- cidades de material boas, de outro modo usuais, do objeto de aço.
Se na estrutura do objeto de aço de trabalho a quente houver uma relação de precipitação intermetálica dividida por carburetos precipita- dos secundariamente, respectivamente em % em volume, menores que 3,0, preferivelmente, de 1,0 e abaixo, porém, acima de 0,38, a altos valores de dureza, a tenacidade é especialmente alta e a estabilidade térmica está deslocada em até 50°C e acima, para temperaturas mais altas.
Um objeto de aço de trabalho a quente de acordo com a inven- ção, que apresenta carburetos mistos de cromo-molibdênio-vanádio precipi- tados secundariamente e, substancialmente, fases intermetálicas do tipo AIFe2Ni na estrutura, tem um perfil de propriedades particularmente preferido e pode ser produzido economicamente em instalações de têmpera usuais, a temperaturas de têmpera comparativamente baixas.
Uma estabilidade térmica acentuada do objeto pode ser obtida se a liga possuir um valor de relação de cromo + molibdênio + vanádio divi- dido por carbono, respectivamente, em % em peso, de maior que 13, mas menor que 19. A invenção é explicada mais detalhadamente, exemplificada- mente, com base em alguns resultados de testes e descrições.
De uma liga A de acordo com a invenção, de um aço de trabalho a quente B usual e um aço C temperado por precipitação (aço Maraging), foram produzidas amostras beneficiadas termicamente e suas propriedades de material foram examinadas. As ligas apresentam as composições quími- cas indicadas na Tabela 1.
Tabela 1 No material de amostra foi realizada, primeiramente, uma medi- ção da dilatação térmica α [10'6/K] na dependência da temperatura, a uma dureza inicial do material de 50 a 52 HRC. Os valores extraídos da Tabela 2 mostram que em comparação com um aço de trabalho a quente B convenci- onal, a liga de acordo com a invenção apresenta uma dilatação menor, que o indica também uma melhor estabilidade de forma em um tratamento térmico.
Depois de uma têmpera para, respectivamente aproximada- mente 55 HRC de amostras da liga A de acordo com a invenção e do aço de trabalho a quente B convencional, foi determinada a evolução da dureza dos materiais na dependência da temperatura. Nesse caso, é de importância fundamental que para obtenção dessa dureza, a liga A de acordo com a in- venção necessitou de uma temperatura de austenitização de 990°C, mas no aço de trabalho a quente B usual foi necessária uma temperatura de 1050°C. Na dependência da temperatura, tal como visível da Tabela 3A e Tabela 3B, na faixa entre 500°C e 600°C a dureza da amostra A composta de acordo com a invenção subiu para valores em torno de 60 HRC, sendo que, por outro lado, no aço de trabalho a quente B convencional foi determi- nado um vaior de dureza máximo de 56 HRC, a 500°C.
______________________________Tabela 3A
Tabela 3B
Em representação gráfica, está mostrada comparativamente a evolução da respectiva dureza, na dependência da temperatura, do material A de acordo com a invenção e da liga de aço de trabalho a quente B de acordo com o estado da técnica.
Partindo de dureza igual, que, no entanto, é obtida com uma temperatura de austenitização menor, opcionalmente vantajosa, na liga A de acordo com a invenção, por um mecanismo de precipitação sobreposto, no qual precipitações de AIFe2Ni são formadas de forma finíssima na estrutura, dá-se um aumento substancialmente maior da dureza a quente do objeto, sendo que a mesma também é conservada a temperaturas mais altas.
Com base em uma indicação de dureza de acordo com Vickers, deu-se o exame do comportamento de abrandamento dos materiais, na de- pendência do tempo, a uma temperatura de 650°C.
Uma determinação de dureza no corpo de amostra, à temperatu- ra de teste, foi realizada de acordo com o método de dureza Shore (Shore hardness), valores de recuo esses para os quais existia, até o momento, apenas uma conversão em valores de dureza Vickers.
Partindo de uma dureza aproximadamente igual à temperatura ambiente, mais precisamente, de 50 - 52 HRC, que foi obtida para as ligas A, B e C, com uma composição de acordo com a Tabela 1, por diferentes processos de beneficiamento térmicos, indicados no anexo de resultados de exame - Folha 1, deu-se um teste de dureza sobre o tempo, a 650°C.
Em comparação com um aço de trabalho a quente B convencio- nal e um aço de Maraging C, a liga A de acordo com a invenção apresentou a mesma dureza inicial, a 650°C, durante um tempo de até 1000 minutos, a dureza de material mais alta. Depois desse tempo, o aço de Maraging C possuía uma dureza mais alta, a uma alta estabilidade térmica, enquanto o aço de trabalho a quente A de acordo com a invenção perdeu aproximada- mente 10% de sua dureza em até aproximadamente 2000 minutos. A estabi- lidade térmica do aço de trabalho a quente B convencional era pequena; a diferença de dureza, em comparação com a liga A de acordo com a inven- ção, ampliou-se constantemente até 1000 minutos.
Resultado: Ver figuras 1 e 2 dos desenhos Resultado - Folha 1 Dureza inicial: 50 - 52 HRC
Claims (4)
1. Liga para produção de objetos com alta resistência a quente e tenacidade, caracterizada pelo fato de que contém em % em peso: carbono (C) 0,25 até 0,40, preferivelmente, 0,31 a 0,36 silício (Si) 0,1 até 0,25, preferivelmente, 0,15 a 0,19 manganês (Mn) 0,15 até 0,30, preferivelmente, 0,20 a 0,29 cromo (Cr) 1,9 até 2,9, preferivelmente, 2,2 a 2,8 molibdênio (Mo) 1,2 até 4,5, preferivelmente, 2,1 a 2,9 níquel (Ni) 5,0 até 7,6, preferivelmente, 5,6 a 7,1 vanádio (V) 0,24 até 0,6, preferivelmente, 0,25 a 0,4 cobalto (Co) 1,4 até 7,9, preferivelmente, 1,6 a 2,9 alumínio (Al) 1,6 até 2,9, preferivelmente, 2,1 a 2,8 cobre (Cu) abaixo de 1,3 nióbio (Nb) abaixo de 0,35 compreendendo ainda ferro (Fe) restante, bem como elementos acessórios e impurezas causadas pela produção.
2. Liga de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que contém um ou mais dos elementos acessórios e de impurezas, com as seguintes concentrações MÁXIMAS em % em peso: fósforo (P) 0,02, preferivelmente, 0,005 enxofre (S) 0,008, preferivelmente, 0,003 cobre (Cu) 0,15, preferivelmente, 0,06 titânio (Ti) 0,01, preferivelmente, 0,005 nióbio (Nb) 0,001, preferivelmente, 0,0005 nitrogênio (N) 0,025, preferivelmente, 0,015 oxigênio (O) 0,009, preferivelmente, 0,002 cálcio (Ca) 0,003, preferivelmente, 0,001 magnésio (Mg) 0,003, preferivelmente, 0,001 estanho (Sn) 0,01, preferivelmente, 0,005 tântalo (Ta) 0,001, preferivelmente, 0,0005.
3.
Liga de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o valor de conteúdo de níquel, dividido pelo conteúdo de alumí- nio, importa, respectivamente, em % em peso entre 1,8 e 4,2, preferivelmen- te, entre 2,1 e 3,9 M = 1,8 a 4,2, preferivelmente, 2,1 a 3,9. Al
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