BRPI0504417B1 - Processo para aumento de resistência à têmpera de peça de aço - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO PARA AUMENTO DE RESISTÊNCIA À TÊMPERA DE PEÇA DE AÇO" A presente invenção refere-se a um processo para aumento de resistência à têmpera em peças de aço, especialmente corpos de bicos injeto res de sistemas de injeção de combustível aplicados a motores de combustão interna.

Descrição do estado da técnica O aço é o material mais difundido para a construção de corpos de bicos injetores de sistemas de combustível de motores de combustão interna. Isso se deve às diferentes características físicas que o aço apresenta após um tratamento térmico específico.

Realiza-se o referido tratamento em corpos de bicos injetores, pois a aplicação em altas cargas de temperatura e de pressão é cada vez maior nos sistemas de alimentação e, consequentemente, nos referidos corpos. Essas cargas estão na grandeza de 30013 de tem peratura e 2.000 bar de pressão. O tratamento inicial mais difundido para os referidos corpos é a cementação com uma posterior realização de têmpera (resfriamento brusco). Opcionalmente, realiza-se uma austenitízação após a cementação e antes da têmpera, a fim de se aumentar a tenacidade e a resistência à fadiga do aço, A têmpera pode ser realizada por um meio gasoso ou um meio líquido. O meio gasoso possui a vantagem de não necessitar de uma posterior limpeza dos corpos sob tratamento, já o líquido tem a vantagem de aumentar a resistência à têmpera desses.

Entende-se por resistência à têmpera, a resistência â perda de dureza apresentada pelo material em um tratamento de recozimento (reve-nido) posterior à têmpera, O recozi mento posterior ou revenido visa o alívio de tensões geradas no material durante o processo de têmpera.

No documento DE 103 18 135 são conhecidos processos para aumentar a resistência à têmpera na utilização em aços cementados, mas sua aplicação prática não ê tão vantajosa, já que as ligas ali aplicadas são de Aço-Si, as quais têm pouca disponibilidade no mercado e consequente maior custo. Sua manipulação é menos prática do que a de outros materiais, a saber, aço com liga de 2% de Cr e 2% de Ni. A resistência à fadiga é baixa, e ainda, possui nitrogênio na sua camada externa o que deve ser evitado, pois altera a massa durante a operação. E ainda, neste processo existe a formação de carboneto (pelo menos 15%), de modo a piorar ainda a resistência a fadiga.

Nos documentos EP 1 432 841 e DE 102 54 846 são revelados processos para o aumento de resistência à têmpera que utilizam materiais de ligas mais altas, isto é, por nítretação. Outrossim, os custos do tratamento desses materiais, do material em si, bem como, da manipulação, são mais altos na nitretação do que na utilização do aço cementado.

Breve Descrição da Invenção A presente invenção refere-se a um processo para aumento de resistência à têmpera de uma peça de aço que utiliza um meio gasoso para realizar a têmpera após a realização de uma cementação, sendo que a peça de aço é preferencial mente um corpo de bico injetor de um sistema de alimentação de combustível.

Descrição Resumida dos Desenhos A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado no desenho. A figura mostra: Figura 1 - é uma vista de um gráfico com as etapas do processo da presente invenção.

Descrição detalhada da figura A etapa inicial do tratamento consiste em uma cementação, que é a introdução de carbono na superfície externa do corpo de aço de um bico injetor. Com a introdução do carbono essa superfície se toma mais dura a-pós a têmpera.

Essa cementação ocorre em uma câmara de forno, na qual é produzido vácuo e em seguida introduzido um gás carbonetante, sendo que tal tipo de cementação é conhecido como cementação sob vácuo por gás de processo.

Opcionalmente, após a cementação, e antes de uma têmpera, pode ser realizada uma etapa de austenitização. Nessa etapa opcional obtém-se um aço com maior tenacidade e maior resistência à fadiga. Porém, a realização da têmpera após a cementação ou após a austenitização é a etapa em que se atinge na estrutura do aço a martensita desejada e a respectiva dureza. A têmpera pode ser realizada basicamente por dois meios de resfriamento como descrito no estado da técnica, o gasoso e o líquido.

Foi constatado, que no gasoso, o resfriamento da peça ocorre relativamente devagar em função do reduzido coeficiente de transmissão de calor atingível (800 W/m2K). Acreditava-se que mesmo com esse coeficiente, devido ao comportamento de transição do aço cementado com aproximadamente 2% Cr e 2% Ni, era a princípio atingida a martensita desejada, bem como, a dureza requerida. Por outro lado, não é alcançada uma resistência à têmpera suficiente para que o aço de corpos de bicos injetores não apresente falhas mecânicas. Portanto, os referidos corpos poderiam eventualmente falhar quando de sua operação nas cargas elevadas, tendo como falha principal as rupturas de cúpula (rupturas na ponta do bico), ou ainda, desgaste do assento.

Apesar da desvantagem mencionada com a utilização do gás na têmpera, deve-se observar que não ocorre a oxidação interna do aço e uma maior uniformidade na cementação é alcançada. Já no tratamento térmico com líquido, comprovou-se que o coeficiente de transmissão de calor atingido é mais alto do que no gás. Assim, esse maior coeficiente proporciona uma maior resistência à têmpera do aço. Portanto, os corpos de bicos injetores que utilizam uma têmpera em meio líquido não apresentam as falhas acima mencionadas e suportam as elevadas cargas de temperatura e de pressão necessárias nos sistemas de alimentação de combustível atuais.

Contudo, é necessária a remoção do líquido de têmpera dos referidos corpos temperados após o tratamento por têmpera, desse modo, en- carecendo a produção em série dos corpos de bicos injetores. Essa etapa adicional obviamente não ocorre na têmpera a gás de alta pressão.

Assim, a têmpera da presente invenção dá-se em um meio gasoso com um coeficiente de transmissão de calor similar ao do meio líquido, evitando-se, assim a etapa adicional de limpeza dos referidos corpos e a oxidação interna do aço. E ainda, alcançando-se uma maior uniformidade na cementação e uma resistência à têmpera mais elevada.

Como descrito anteriormente, no estado da técnica, a têmpera com gás é mais lenta, já que seu coeficiente de transmissão de calor se encontra em torno de 800 W/m2K. Com esse menor coeficiente foi notado em estudos laboratoriais que ocorre a difusão e eliminação de carbonetos mais finos durante a têmpera, de modo que o teor de carbono reduzido na matriz diminui a tetragonalidade da martensita e conseqüentemente a resistência a têmpera do aço.

Para se prevenir isso, a intensidade de têmpera deve ser aumentada. Assim, foi constatado que o efeito de eliminação dos carbonetos na matriz era diminuído drasticamente, ou ainda, era totalmente eliminado. Para se aumentar a intensidade de têmpera, foi introduzido um meio de coeficiente de transmissão de calor maior que 1500W/m2K, com a utilização de um gás de alta pressão.

Esse meio com um coeficiente de transmissão de calor maior que 1500W/m2K pode ser atingido por uma utilização de mistura de gases, como, por exemplo, o gás hélio e o gás carbônico, sendo que o gás deve ser injetado a uma pressão de pelo menos 2.000 kPa. Além da pressão adotada para ser atingido o coeficiente de transmissão de calor requerido, o gás utilizado deve estar a uma velocidade de pelo menos 15 m/s. Essa velocidade e pressão podem ser atingidas com equipamentos próprios, tais como, por exemplo, turbinas de circulação.

Alternativamente, obtém-se também tal coeficiente de transmissão de calor com a realização de têmpera em uma pequena quantidade de peças a serem tratadas, ou ainda, peças únicas, por meio de um campo de jato de gás com injeção de gás carbônico. Porém nesse caso são utilizadas velocidades de fluxo do gás maiores que 30 m/s.

Outrossim, apesar de se ter como objetivo a não-utilização de líquidos na têmpera para a prevenção de uma limpeza posterior da peça a ser tratada, é possível o emprego de uma mistura fluida de gás com líquido, a qual utiliza líquido em evaporação, como, por exemplo, uma mistura de polímero com nitrogênio em um campo de jato com velocidades de fluxo maiores que 10 m/s. A partir da figura 1 verifica-se um gráfico de temperatura T em função do tempo t para o presente processo. A primeira etapa do processo é a cementação 1, que consiste em elevar-se a temperatura da peça (corpo de bico injetor) a uma temperatura de cementação que está na faixa A de 880 a 960°C.

Em seguida, a peça é mantida a essa temperatura durante um intervalo de tempo ti a t2 de aproximadamente 30 a 150 minutos em uma atmosfera a vácuo em que é introduzido um gás carbonetante. Nessa atmosfera o carbono penetra na superfície da peça de maneira uniforme. Ademais, por se tratar de uma atmosfera a vácuo, o produto final será livre de oxida-ção interna, já que não foi aplicada uma atmosfera com oxigênio. A cementação 1 não deve exceder condições de formação de uma granulação muito grosseira na superfície do aço. Assim, logo após essa etapa de cementação 1, pode-se efetuar a têmpera com um coeficiente de transmissão de calor maior que 1.500 W/m2K, como descrito acima, e se alterar a estrutura martensítica na região da camada externa cementada, obtendo-se uma peça que não apresente mais as falhas mencionadas.

Porém, opcionalmente, logo após a cementação, pode ser incluída a etapa de austenitização 2 da peça, a fim de aumentar a tenacidade e resistência à fadiga da peça. Como demonstrado no gráfico, a temperatura da austenitização 2 é inferior à da cementação 2 e está na faixa B de 820 a 870°C.

Em outras palavras, as temperaturas da faixa B, são atingidas com a continuidade do presente processo a partir da simples redução de temperatura da faixa A para B. Ao ser atingida a faixa de temperatura B a peça de aço é levada a um forno de câmaras de gás de processo ou mantida no vácuo para que ocorra a austenitização 2 durante um intervalo de tempo de U a t5 minutos que é de 20 a 40 minutos. Nessa etapa a retenção de austenita, na camada cementada, é diminuída a fim de se evitar pontos moles na referida camada.

Finalizada a austenitização 2, realiza-se a têmpera com gás de alta pressão (ou com uma mistura de gases) a partir da faixa de temperatura B, obtendo-se a peça com as características mencionadas. A utilização desse meio de têmpera com maior coeficiente de transmissão de calor (> 1500W/m2K), ou seja, o gás de alta pressão, evitou-se a perda de dureza do aço no revenido (recozimento), assim o aço que forma o corpo do bico injetor passou a suportar as elevadas cargas de temperatura e pressão mencionadas. Em comparação ao estado da técnica, a perda de dureza na camada externa endurecida por cementação de profundidade de 0,1 mm em uma carga de temperatura de aproximadamente de 300°C por 2 horas foi reduzida por meio de uma têmpera de acordo com a invenção (>1500W/m2K) em relação a uma têmpera com 800 W/m2K em pelo menos 40 HV1. A fim de se assegurar a obtenção de um corpo de aço que garanta sua funcionalidade com as referidas cargas é recomendável, porém não obrigatório, após a realização da têmpera, uma etapa de tratamento subzero 3. Esse tratamento é realizado a temperaturas negativas em uma faixa de temperatura C de -60 a -196°C durante um intervalo de tempo de Ϊ6 a t7 minutos que é de 10 a 100 minutos. Isso garante uma transformação mais completa da austenita e previne o fenômeno de instabilidade dimensional.

Uma última etapa do processo de tratamento do aço, um recozimento ou revenido 4, é necessária para se remover as tensões acumuladas no material e transformar mais austenita retida. Com o revenido a peça vai receber a característica definitiva (dureza e resistência). O recozimento se dá em uma faixa de temperatura D de 160 a 220°C durante um intervalo de tempo de ta a tg minutos que é de 45 a 180 minutos, sendo que após o recozimento o aço é resfriado lentamente até a temperatura ambiente a, a-proximadamente, uma taxa de 100 a 300 K/h. A peça de metal tratada a partir desse processo tem sua principal aplicação em corpos de bico injetores de sistemas de injeção, porém pode ser empregada também em outras aplicações que não em corpos de bicos injetores. O material empregado corresponde em sua região não carbone-tada em suas características físicas ao material 18CrNi8, sendo que esse aço tem boa disponibilidade no mercado, ou seja, seu custo é mais baixo do que um aço que tem mais Si (como descrito no estado da técnica - DE 103 18 135). A menor quantidade de Si também é vantajosa para a extrusão a quente ou a frio, bem como, para a usinagem. Além disso, existe a vantagem, nesse processo, que é a não realização da adição de nitrogênio. Sem nitrogênio a estabilização de austenita retida é menor, de modo que durante a operação dos corpos de bico injetor estes não apresentam mais as falhas mencionadas, sendo que o teor de carbono externo corresponde ao endurecimento por cementação usual de 0,6 a 0,8%.

Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações a-pensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims (14)

1. Processo para aumento de resistência à têmpera de peça de aço, o qual compreende a seguinte etapa: - cementação (1) a vácuo da peça de aço; - após a cementação ocorre uma têmpera em um meio gasoso; caracterizado pelo fato de que a têmpera em um meio gasoso ocorre com um coeficiente de transmissão de calor maior que 1500 W/m2K, sendo que o meio gasoso com o referido coeficiente de transmissão de calor é alcançado por meio de um gás de alta pressão.

2. Processo para aumento de resistência à têmpera de peça de aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gás de alta pressão é uma mistura de gás hélio com gás carbônico injetados a uma pressão de pelo menos 2.000 kPa e a uma velocidade de 15 m/s.

3. Processo para aumento de resistência à têmpera de peça de aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gás de alta pressão é um campo de jato de gás com injeção de gás carbônico a velocidades maiores que 30 m/s.

4. Processo para aumento de resistência à têmpera de peça de aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gás de alta pressão é uma mistura fluida de gás com líquido em evaporação a velocidades maiores que 10 m/s.

5. Processo para aumento de resistência à têmpera de peça de aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de cementação (1) a vácuo da peça de aço ocorre a uma faixa de temperatura (A) de 880 a 960°C durante 30 a 150 minutos.

6. Processo para aumento de resistência à têmpera de peça de aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que após a etapa de cementação (1) é realizada uma austenitização (2) na peça a uma faixa de temperatura (B) de 820 a 870°C durante 20 a 40 minutos;

7. Processo para aumento de resistência à têmpera de peça de aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que após a têmpera é realizado um tratamento subzero (3) a temperaturas negativas (C) durante 10 a 100 minutos.

8. Processo para aumento de resistência à têmpera de peça de aço de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que as temperaturas negativas (C) são de -60 a -196°C.

9. Processo para aumento de resistência à têmpera de peça de aço de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que após o tratamento subzero (3) é realizado um recozimento (4) durante 45 a 180 minutos.

10. Processo para aumento de resistência à têmpera de peça de aço de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que as temperaturas de recozimento são de 160 a 220°C.

11. Processo para aumento de resistência à têmpera de peça de aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo de que a austeniti-zação (2) é realizada em um forno de câmaras de gás.

12. Processo para aumento de resistência à têmpera de peça de aço de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo de que a austeniti-zação (2) é realizada a vácuo.

13. Processo para aumento de resistência à têmpera de peça de aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo de que o meio com um coeficiente de transmissão de calor maior que 1500 W/m2K é uma câmara de têmpera com um gás ou uma mistura de gases.

14. Processo para aumento de resistência à têmpera de peça de aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a peça de aço é um corpo de bico injetor de combustível.