BRPI0408916B1

BRPI0408916B1 - processo para a fabricação de molas helicoidais ou de estabilizadores.

Info

Publication number: BRPI0408916B1
Application number: BRPI0408916-2A
Authority: BR
Inventors: Hans Vondracek; Hans Dziemballa; Lutz Manke; Alexander Borowikow
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2004-03-05
Publication date: 2012-12-11
Also published as: MXPA05009831A; KR100776954B1; JP2006522214A; EP1613449B1; ES2386720T3; CN100385020C; JP4518415B2; WO2004087367A2; KR20050122233A; EP1613449A2; ATE556153T1; DE10315419B3; BRPI0408916A; PL1613449T3; WO2004087367A3; CN1771342A; US20070074792A1; CA2519764A1

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO DE MOLAS HELICOIDAIS OU DE ESTABILIZA- DORES".

Descrição

A presente invenção refere-se a um processo para a fabricação

de molas helicoidais ou estabilizadores de aço, de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1.

Da patente DE 43.40.568.C2 pode ser depreendido um proces- so para temperar continuamente arame de aço, que contém as seguintes etapas:

- aquecimento rápido do arame a uma temperatura na faixa aus- tenítica com uma velocidade entre 85 e 100° C/s;

- manutenção do arame de aço na faixa austenítica durante um tempo de 10 a 60 s;

- resfriamento brusco do arame de aço até a temperatura ambi-

ente com uma velocidade > 80° C/s;

- aquecimento rápido à temperatura de têmpera com uma velo- cidade de 85 a 95° C/s;

- manutenção à temperatura de têmpera durante um tempo de

60 a 100 s;

- resfriamento do arame com uma velocidade usual > 50° C/s, para refrigeração por água;

Entre as etapas 2 e 3 o arame pode ser laminado próximo, aci- ma da temperatura de Ac3. Nesse caso, o arame é ovalado em um primeiro passe, no segundo passe é laminado redondo e, em seguida, é puxado por um bocal de calibragem.

Na patente DE 195.46.204 C1 é descrito um processo para a fabricação de objetos com alta resistência de um aço temperado e emprego deste processo para a produção de molas. O aço com (porcentagem em massa) 0,4 a 0,6 % C, até 1% Si, até 1,8% Mn, 0,8 a 1,5% Cr, 0,03 a 0,10% Nb, 0 a 0,2% V, restante de ferro, deve ser tratado como a seguir:

- o material bruto é tratado termicamente em solução na área de austenita em temperaturas de 1050 a 1200 °C;

- imediatamente a seguir, em uma primeira etapa, o material bruto é deformado a quente em uma temperatura acima da temperatura de recristalização;

- imediatamente a seguir, em uma segunda etapa, o material

bruto é deformado a quente em uma temperatura abaixo da temperatura de recristalização, mas acima da temperatura de Ac3;

- a seguir o produto laminado é mantido a uma temperatura a- cima da temperatura de Ac3, para a realização de outros processos de mol-

dagem e de acabamento e em seguida

- é resfriado até abaixo da temperatura de martensita, em segui- da ao que

- ele é por fim temperado.

Da patente DE 196.37.968 C2 pode ser deduzido um processo termomecânico de alta temperatura, para a fabricação de folhas de mola para molas planas e/ou guias de molas planas, que se baseia em uma fabri- cação de mola parabólica termomecânica de dois estágios. O processo se baseia nas seguintes etapas:

- o material de base é aquecido com uma velocidade de aque- cimento entre 4°C/s e 30°C/s para a temperatura de austenitização;

- a temperatura de austenitização é de 1100 ± 100°C;

- o material é resfriado da temperatura de austenitização para a temperatura do primeiro estágio de laminação, com uma velocidade de res- friamento entre 10°C/s e 30°C/s;

- a seguir, no primeiro estágio de laminação, a uma temperatura

de 1050 ± 100°C é laminado previamente em um ou mais passes, com uma alteração da forma entre 15% e 80% não constante ao longo do comprimen- to da folha de mola;

- da temperatura do primeiro estágio de laminação é resfriado para a temperatura do segundo estágio de laminação, com uma velocidade

de resfriamento entre 10°C/s e 30°C/s;

- no segundo estágio de laminação, com uma temperatura de 880 ± 30°C, com uma alteração da forma entre 15% e 45% constante ao longo do comprimento da folha de mola, é feita a laminação final em um ou mais passes com cilindros que podem ser empregados com carga.

Finalmente a patente DE 198.39.383 C2 publica um processo para o tratamento termomecâmico de aço para elementos elásticos solicita- dos por torção, sendo que o material de base é aquecido a uma temperatura acima da temperatura de recristalização e, em seguida, em uma temperatu- ra deste tipo acima da temperatura de recristalização é moldado em, pelo menos, duas etapas de moldagem, de tal modo que, resulta uma recristali- zação da austenita dinâmica e/ou estática. A austenita recristalizada do pro- duto de moldagem, deste modo, é resfriada bruscamente e temperada. Para a cementação deve ser empregado um aço de cromo e silício, com um teor de carbono de 0,35 a 0,75% que é microligado com vanádio ou um outro elemento de ligação.

Os processos a serem extraídos do estado da técnica para o

tratamento termomecânico de objetos constituídos em aço se baseiam, em essência, em etapas de moldagem de vários estágios, sendo que é neces- sário um múltiplo resfriamento / aquecimento do material de base para pro- duzir os parâmetros a serem futuramente ajustados no produto final. À invenção cabe a tarefa de preparar um processo para a fabri-

cação de molas helicoidais ou estabilizadores de aço, sendo que o material de base é aquecido a uma temperatura acima da temperatura de recristali- zação, austenitizado, mantido em equalização de temperatura, depois é moldado e, em seguida, é resfriado bruscamente para formar martensita e revenido que possibilite um aperfeiçoamento dos parâmetros de qualidade específicos ajustados ao perfil de carga do produto final.

Essa tarefa é solucionada por um processo onde o material de base são barras de aço redondas, cuja temperatura de aquecimento é equa- Iizada ao longo do comprimento da barra, que posteriormente são moldadas através de laminação oblíqua, permanecendo retas, de tal modo que é obti- da uma torção predeterminada do material na região de borda e um gradien- te de deformação desejado através da seção transversal e, sendo que, após ser superado o grau de deformação crítico, são executados processos de recristalização dinâmicos, em seguida, são submetidas a um reaquecimento acima de Ac3 a fim de serem finalmente temperadas e revenidas.

O processo de acordo com a invenção prevê que, o material de base, primeiramente, seja aquecido a uma temperatura acima da tempe- ratura de recristalização, e em seguida, ocorra uma equalização de tempera- tura ao longo de todo o comprimento da barra. Além disso, a temperatura de aquecimento da barra é mantida constante quase até a entrada na fenda de laminação. Com essas etapas de trabalho, é almejada uma estrutura da bar- ra, a mais homogênea possível, tanto através de seu comprimento, como também através de sua seção transversal, que é de grande vantagem para o processo de deformação seguinte. Condicionado pelas características es- pecíficas do processo da laminação oblíqua, e por uma fixação objetiva dos parâmetros de laminação, no processo de deformação de uma etapa, ajus- ta-se uma torção predeterminada do material na região de borda da barra e um gradiente de deformação através da seção transversal da barra. Uma vez que, a direção de deformação, durante a laminação oblíqua, passa oblí- qua em relação ao eixo do produto de laminação, e o máximo da deforma- ção se situa na região de borda das barras, o estiramento da estrutura nes- sa zona de borda é manifestado de modo particularmente forte, e o alinha- mento da estrutura nessa zona de borda passa correspondendo à direção de deformação, da mesma forma, oblíqua em relação ao eixo do produto de laminação. Após sobrepor o grau de deformação crítico, é executado o pro- cesso de recristalização dinâmico nessa zona de borda, de modo particu- Iarmente intenso, de tal modo que uma queda do grau de recristalização pode ser fixada através da seção transversal da barra de fora para dentro. No reaquecimento acima de Ac3, que se segue ao processo de deformação, é completada a recristalização estática, que leva, em particular, na zona de borda, à formação de austenita de grão fino. Após têmpera e posterior reve- nido, a zona de borda é caracterizada por estrutura de martensita fina de alta resistência.

Em relação às soluções conhecidas do estado da técnica, a in- venção apresenta vantagens consideráveis. No resultado da combinação de uma deformação de uma etapa específica por meio de laminação oblíqua e de um tratamento térmico ajustado a ela, as barras tratadas apresentam um perfil de resistência através de sua seção transversal, que alcança seus va- Iores máximos na região de borda. A direção de torção da estrutura, provo- cada pela laminação oblíqua na região de borda das barras redondas, cor- responde à direção de tensão principal de um componente solicitado por torção, e as características de propriedade das barras resultantes disso, por conseguinte, abrem condições prévias otimizadas para o emprego, em parti- cular, na indústria de molas. A distribuição de estrutura provocada pelo pro- cesso de acordo com a invenção através da seção transversal da barra leva a um perfil de qualidade nas barras redondas processadas prontas, que é adequado ao perfil de tensão através da seção transversal da barra durante a carga de flexão e de torção. Estabilizadores ou molas helicoidais fabrica- das de um aço desse tipo podem apresentar, de forma vantajosa, um peso menor com a mesma carga.

Uma vez que, para a formação desses efeitos de resistência vantajosos é necessária apenas uma etapa de deformação, e as etapas de processamento seguintes são realizadas, em essência, em um calor, con- sequentemente também é necessário apenas um processo de aquecimento para o material de base, o que, condicionado pelo processo, leva a conside- ráveis economias de energia e de tempo. O processo de acordo com a in- venção, por isso, em relação a processos conhecidos, é caracterizado não somente por um aperfeiçoamento das propriedades de resistência e de te- nacidade orientadas pela carga do produto pronto, mas, além disso, também pelas vantagens econômicas em virtude do número mínimo de etapas do processo.

De forma vantajosa, o material de base, na forma de barras redondas, é aquecido, indutivamente, com uma velocidade de aquecimento entre 100 até 400 K/s, a uma temperatura entre 700 e 1100°C. Em seguida, ocorre uma equalização da temperatura de aquecimento da barra ao longo de seu comprimento em um período de tempo de, pelo menos, 10 segun- dos. Com isso é assegurado que a diferença de temperatura ao longo do comprimento da barra não ultrapasse 5 K. Por meio de um dispositivo de reaquecimento apropriado, a temperatura de aquecimento da barra é manti- da constante até a sua entrada na fenda de laminação. A deformação pro- priamente dita ocorre através de uma laminação oblíqua em uma etapa, na qual as barras atravessam a fenda de laminação permanecendo retas. Em função do material do material de base, a deformação é feita, de preferên- cia, em uma faixa de temperatura de 700 - 1150°C. A relação de diâmetros entre diâmetro de partida e diâmetro pronto é escolhida de tal modo que, a laminação oblíqua das barras ocorre com um grau de estiramento λ médio maior que 1,3, e pelo fato de que, o máximo da deformação é de, no míni- mo, ψ = 0,3. Através de um ajuste visado dos parâmetros de laminação co- mo, por exemplo, número de rotações do cilindro e velocidade de avanço, e por meio de uma escolha especial de contornos de laminação com relações de ângulo específicas, é obtido que o máximo da deformação na região de borda fique entre 0,65 e 1,0 do diâmetro das barras, e que um gradiente de deformação desejado se ajuste através da seção transversal da barra. De preferência, o processo de laminação oblíqua é comandado de tal modo que, no produto de laminação, um aumento de temperatura máximo local de 50 K não seja ultrapassado.

Condicionados pela deformação, após a ultrapassagem de um grau de deformação crítico, são executados processos de recristalização dinâmicos que, em virtude da deformação máxima, na zona de borda, são manifestados de modo mais forte, do que na região de núcleo das barras. A influência visada sobre a formação de um gradiente de defor-

mação através da seção transversal da barra tem como conseqüência que, já em virtude da recristalização dinâmica, as primeiras indicações de uma distribuição de estrutura diferenciada se ajustam através da seção transver- sal da barra. Desse modo, exames metalográficos em barras laminadas de acordo com a invenção, no estado recristalizado, mostram uma redução cla- ra da parte de cristalito austenítico fino da zona de borda em direção da re- gião de núcleo. A formação de estrutura diferenciada através da seção trans- versal do produto de laminação, além disso, é reforçada, adicionalmente, por uma característica típica da laminação oblíqua. Uma vez que, durante a laminação oblíqua, a direção de deformação passa inclinada em relação ao eixo do produto de laminação, em particular, nas regiões de borda do produ- to de laminação, em virtude da deformação mais alta, ocorre um estiramento da estrutura perceptível. Correspondente à direção de deformação, o esti- ramento da estrutura também passa inclinado em relação ao eixo do produ- to de laminação e, nas regiões de borda, leva a uma torção do material. Du- rante o decurso do processo de acordo com a invenção, a direção de torção da estrutura na região de borda das barras, em relação ao eixo longitudinal da barra, é de 35 a 65° graus angulares e ele corresponde, com isso, à dire- ção de tensão principal de um componente solicitado por torção.

Na forma de procedimento representada da laminação oblíqua em uma etapa, a barra a ser laminada atravessa uma fenda de laminação em todo o seu comprimento com geometria da fenda de laminação constan- te. Essa forma de procedimento é escolhida se tiverem de ser fabricadas barras com diâmetro que permanece igual ao longo de todo o comprimento da barra. O processo de acordo com a invenção, além disso, possibilita uma variante de processo alternativa, na qual a geometria da fenda de laminação no estado de operação é alterada durante a passagem da barra a ser lami- nada através da fenda de laminação. Essa forma de trabalho flexível é reali- zada com uma armação de laminação oblíqua, cujos cilindros, em caso de necessidade, durante a deformação, podem ser regulados na direção axial e/ou radial. Dessa forma, o processo de acordo com a invenção possibilita a fabricação de barras redondas com diâmetro variável ao longo do compri- mento da barra.

As barras laminadas inclinadas, imediatamente após a saída da armação de laminação, são submetidas a um reaquecimento a uma tempe- ratura acima de Ac3. O reaquecimento ocorre de tal modo que, a diferença de temperatura é limitada através do comprimento de uma barra a 5 K.

Correspondendo à finalidade de aplicação posterior, as barras laminadas inclinadas e reaquecidas a uma temperatura de recristalização em um calor, ou são enroladas para formar uma mola helicoidal, ou são cur- vadas para formar um estabilizador. Os componentes enrolados ou curva- dos são endurecidos, logo em seguida, e são temperados a seguir.

As barras que estão previstas para a fabricação de molas de

barra de torção, após o reaquecimento, são processadas, mecanicamente, no estado frio em suas extremidades, em seguida, são aquecidas à tempe- ratura acima de Ac3, resfriadas bruscamente e temperadas.

Macroexames nas barras processadas prontas apresentam uma distribuição de estrutura típica através da seção transversal da barra como conseqüência da combinação de acordo com a invenção de laminação oblí- qua e tratamento térmico. A zona de borda imediata apresenta estrutura de martensita de grão fino de alta resistência. A região de borda apresenta um estiramento de estrutura contínuo, passando inclinado em relação ao eixo da barra, cuja direção de torção corresponde à direção de tensão principal de um componente solicitado por torção. A estrutura mista perlítico- martensítico da zona de núcleo é de grão maior do que a estrutura na região de borda, e não apresenta fenômenos de torção.

Para o ajuste de parâmetros de resistência e tenacidade otimi- zados no produto pronto, no processo de acordo com a invenção como ma- terial de base, são usadas barras redondas de aço de mola, de preferência, aços de cromo e silício com teor de carbono < 0,8%. De modo alternativo, esses aços podem ser microligados com vanádio ou nióbio.

O objeto da invenção está representado no desenho com auxílio de um exemplo de execução, e será descrito como se segue.

A única Figura mostra a montagem básica de uma linha de pas- sagem para o tratamento termomecânico de acordo com a invenção de bar- ras de aço redondas de um aço de cromo e silício.

As barras a serem tratadas são aquecidas, em uma instalação de indução 1, a uma temperatura acima da temperatura de recristalização, sendo que sua estrutura é austenitizada. No exemplo em questão, as barras de aço redondas são aquecidas com uma velocidade de aquecimento entre 130 K/s, a uma temperatura de 980°C. Em um forno de equalização 2 liga- do, posteriormente, à instalação de indução 1, ocorre uma equalização da temperatura de aquecimento das barras por um período de tempo de 15 segundos, de tal modo que o decurso da temperatura através do compri- mento das barras apresenta um gradiente de 4 K.

Nesse estado, então, as barras de aço redondas, temperadas de maneira uniforme, são colocadas em um forno de sustentação 3, a fim de manter constante sua temperatura até a entrada na fenda de laminação. As barras aquecidas são transportadas, tanto no forno de equalização 2, como também no forno de sustentação 3, por meio de leitos de rolos 6 e 7.

Em uma estrutura de laminação oblíqua 4, as barras de aço redondas, aquecidas a 980°C, são moldadas em uma etapa de laminação. Nesse caso, a relação de diâmetros entre diâmetro de partida e diâmetro pronto é escolhida de tal modo que, é trabalhado com um grau de estira- mento λ = 1,5 médio, e pelo fato de que o máximo da deformação é de, no mínimo, ψ = 0,3. Através do ajuste visado dos parâmetros de laminação como, por exemplo, do número de rotações do cilindro ou da velocidade de avanço, e por meio de uma escolha especial de contornos de laminação com relações de ângulo específicas é obtido que o máximo da deformação na região de borda seja realizado na região de borda entre 0,65 e 1,0 do diâmetro das barras e, por conseguinte, um gradiente de deformação dese- jado seja ajustado através da seção transversal da barra. Os parâmetros de laminação são ajustados um ao outro de tal modo que, em virtude do pro- cesso de deformação, um aumento de temperatura máximo local de 50 K não seja ultrapassado no produto de laminação. A direção de deformação que passa inclinada em relação ao eixo de laminação durante a laminação oblíqua, nas regiões de borda do produto de laminação, por motivo da de- formação mais elevada, produz um estiramento da estrutura característico. Correspondendo à direção de deformação, esse estiramento da estrutura também passa inclinado em relação ao eixo do produto de laminação e, nas regiões de borda das barras, leva a uma torção do material. Durante o de- curso do processo de acordo com a invenção, a direção de torção da estru- tura, em relação ao eixo longitudinal das barras, é de 35 a 65° graus angula- res, e ela corresponde, com isso, à direção de tensão principal de um com- ponente solicitado por torção.

As barras laminadas, após sua saída da estrutura de laminação oblíqua 4, conseguem chegar em um forno de reaquecimento 5 ligado, pos- teriormente, à armação, no qual, para a garantia de uma recristalização es- tática completa, elas são submetidas a um reaquecimento acima da tempe- ratura de Ac3. O transporte das barras através do forno de reaquecimento 5 ocorre por meio de um leito de rolos 8. Depois de deixarem o forno de rea- quecimento 5, as barras laminadas inclinadas continuam a ser transportadas por meio de um leito de rolos de entrega 9. Desse leito de rolos de entrega 9 as barras são conduzidas às outras etapas de processamento previstas.

Na Figura 1, está representada, esquematicamente, uma linha de produção para a fabricação de molas helicoidais enroladas. Depois as barras são transferidas através do leito de rolos de entrega 9 a uma mesa de levantamento 10, e dali elas conseguem chegar a um banco de enrola- mento de CNC 11, onde ocorre o enrolamento para formar molas helicoidais em um calor, após a recristalização. Em seqüência ao processo de enrola- mento, as barras enroladas, de agora em diante, como molas helicoidais, são transportadas para um tanque de endurecimento 12, no qual elas são resfriadas bruscamente e sua estrutura é transformada em martensita. Em seguida, as molas helicoidais endurecidas são submetidas a um trata- mento de revenido não-representado. Lista dos números de referência 1 instalação de indução

2 forno de equalização

3 forno de sustentação

4 armação de laminação oblíqua

forno de reaquecimento 6 leito de rolos

7 leito de rolos

8 leito de rolos 9 leito de rolos de entrega

mesa de levantamento

11 banco de enrolamento de CNC

12 tanque de endurecimento

Claims

1. Processo para a fabricação de molas helicoidais ou estabili- zadores de aço, sendo que o material de base é aquecido a uma temperatu- ra acima da temperatura de recristalização, austenitizado, mantido em equa- lização de temperatura, depois é moldado e, em seguida, é resfriado brus- camente para formar martensita e revenido, caracterizado pelo fato de que o material de base são barras de aço redondas, cuja temperatura de aqueci- mento é equalizada ao longo do comprimento da barra, que posteriormente são moldadas através de laminação oblíqua, permanecendo retas, de tal modo que é obtida uma torção predeterminada do material na região de borda e um gradiente de deformação desejado através da seção transversal e, sendo que, após ser superado o grau de deformação crítico, são execu- tados processos de recristalização dinâmicos, em seguida, são submetidas a um reaquecimento acima de Ac3, depois as barras são enroladas para formar uma mola helicoidal ou são curvadas para formar um estabilizador, e finalmente são temperadas e revenidas.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe- lo fato de que, a direção de torção da estrutura na região de borda da barra redonda corresponde à direção de tensão principal da mola helicoidal ou do estabilizador solicitados por torção.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe- lo fato de que, a direção de torção da estrutura na região de borda, em rela- ção ao eixo da barra redonda, é de 35 - 65°.

4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato de que, a laminação oblíqua é realizada em uma etapa.

5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado pelo fato de que, a laminação oblíqua da barra ocorre com um grau de estiramento λ médio de, pelo menos, 1,3.

6, Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado pelo fato de que, o máximo da deformação na região de borda fica entre 0,65 e 1,0 do diâmetro da barra, e é de, no mínimo, 0,3.

7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado pelo fato de que, o material é aquecido com uma velo- cidade entre 100 - 400 K/s.

8. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo fato de que, o material de base é aquecido a uma temperatura entre 700 e 1100° C.

9. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizado pelo fato de que, o aquecimento ocorre indutivamente.

10. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizado pelo fato de que, a equalização da temperatura de aquecimento da barra ocorre através de, pelo menos, 10 segundos.

11. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 10, caracterizado pelo fato de que, a diferença de temperatura ao longo do comprimento da barra não ultrapassa 5 K.

12. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 11, caracterizado pelo fato de que, a temperatura de aquecimento da barra é mantida constante quase até sua entrada entre os cilindros.

13. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 12, caracterizado pelo fato de que, durante a laminação oblíqua um aumento de temperatura máximo local de 50 K não é ultrapassado.

14. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 13, caracterizado pelo fato de que, a laminação oblíqua é realizada em uma faixa de temperatura de 700 - 1100° C.

15. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 14, caracterizado pelo fato de que, os cilindros da armação de lami- nação oblíqua durante a moldagem são regulados, e as barras redondas são fabricadas com um diâmetro variável ao longo do comprimento da barra.

16. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 15, caracterizado pelo fato de que, no caso de um reaquecimento acima de Ac3 que se segue à laminação oblíqua, a diferença de temperatu- ra é limitada ao máximo de 5 K, ao longo do comprimento da barra.

17. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 16, caracterizado pelo fato de que, parte-se de aço de mola.

18. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 16, caracterizado pelo fato de que, parte-se de um aço de cromo e silício.

19. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 16, caracterizado pelo fato de que, parte-se de um aço microligado.