BRPI0613291A2

BRPI0613291A2 - aço inoxidável martensìtico, processo de fabricação de uma peça mecánica e peça mecánica de aço

Info

Publication number: BRPI0613291A2
Application number: BRPI0613291-0A
Authority: BR
Inventors: Jacques Montagnon
Original assignee: Aubert & Duval Sa
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2006-06-26
Publication date: 2010-12-28
Also published as: FR2887558A1; CN101248205B; DK1896624T3; RU2008102988A; EP1896624B1; CA2612718A1; BRPI0613291B1; US8097098B2; SI1896624T1; CN101248205A; RU2415196C2; ES2349785T3; JP2008546912A; DE602006016281D1; ATE478165T1; US20100139817A1; FR2887558B1; JP5243243B2; EP1896624A1; WO2007003748A1

Abstract

AçO INOXIDáVEL MARTENSìTICO, PROCESSO DE FABRICAçãO DE UMA PEçA MECáNICA E PEçA MECáNICA DE AçO. A presente invenção se refere a um aço inoxidável martensítíco, caracterizado pelo fato de sua composição ser, em porcentagens ponderais como segue: - 9%<243> Cr <243>13%; 1,5% <243> Mo<243>3%; 8% <243> Ni l4%; 1% <243>AI <243>2%; 05% <243>Ti<243>1,5% com Al + Ti <242>2,25%; traços<243>Co<243>2%; traços<243>W<243>1% com Mo + (W/2) <243> 3%; traços <243> P <243>0 02%; traços <243> S <243> 0,0050%; traços <243> N <243> 0,0060%; traços <243> C <243>O 025%; traços <243> Cu <243> 0,5%; traços <243> Mn <243> 3%; traços <243>Si <243>0 25%; traços <243>0 <243> 0,0050%; e é tal que:@ Ms (<198>C) = 1302 - 42Cr - 63Ni-3OMo+20AI-15W-33mn-28Si-3OCu-l3Co+ lOTi <242>50@ Cr eq / Ni eq.<243> 1,05 com Cr eq (%) = Cr + Mo + 5Ti + 5,5AI + 0,6W Ni eq (%) = 2Ni + O,5Mn + 30C + 25N + Co + O,3Cu. A presente invenção se refere também a um processo de fabricação de uma peça metálica que utiliza tal aço e a peça obtida por tal processo.

Description

"AÇO INOXIDÁVEL MARTENSÍTICO, PROCESSO DE FABRICAÇÃO DEUMA PEÇA MECÂNICA E PEÇA MECÂNICA DE AÇO"

Campo da Invenção

A presente invenção se refere a um aço inoxidável martensítico, eem particular a um aço liga que contém especialmente os elementos cromo,níquel, molibdênio e/ou tungstênio, titânio, alumínio e eventualmentemanganês, e refere-se também a uma combinação única de resistência àcorrosão e de resistência mecânica elevadas.

Antecedentes da Invenção

Para certas aplicações críticas em que as peças mecânicas de açosão submetidas a esforços muito elevados e para as quais a massa dessas peçasé um fator importante, por exemplo, no campo da aeronáutica, (caixas de trens depouso (caissons de trains d'attenissage)) ou no campo espacial, deve-se recorrera aços martensíticos de altíssima resistência mecânica e, ainda, que ofereçamboa tenacidade tal como medida pelo ensaio de ruptura brutal KiC.

Os aços martensíticos com carbono com liga fraca (ou seja, noqual nenhum dos elementos de liga ultrapassa 5% em massa), temperados erevenidos, são apropriados na maior parte do tempo quando as temperaturasde funcionamento ficam abaixo de sua temperatura de revenido.

Entre esses aços, aqueles que são ligados ao silício podem suportartemperaturas de funcionamento um pouco mais elevadas pois sua temperatura derevenida para obter o melhor compromisso entre a resistência à ruptura (Rm) e atenacidade (Ric) está tipicamente situada em torno de 250/300°C.

Quando as temperaturas de funcionamento ultrapassampontualmente ou de modo permanente esses valores, é preciso recorrer aosaços "maraging" (martensíticos com baixo carbono endurecidos pelaprecipitação de elementos intermetálicos), cujo revenido é efetuado a 450°C oumais em função do compromisso Rm/Kic desejado.Compromissos Rm/KiC da ordem de 1900MPa/70MPaVm e2000MPa/60MPaVm em que m é expresso em metros, são obtidoshabitualmente com essas categorias de ações, mediante uma elaboraçãoapropriada que é hoje controlada por meios industriais conhecidos.

Essas classes de aços são extremamente sensíveis ao que écomumente denominado "corrosão sob tensão", mais que é de fato umafragilização pelo hidrogênio externo produzido por reações de corrosãosuperficial (picadas, corrosão intergranular em particular). O limiar depropagação de fissuras nesses aços em presença de reações de corrosão(K1Csc) é muito inferior a seu valor de KiC; para os aços com liga fraca tratadosalém de 1600MPa de Rm, o valor de Kicsc apresenta um valor mínimo entre atemperatura ambiente e 80°C que é da ordem de 20MPaVm nos meiosaquosos com baixa concentração de cloretos. O aspecto de ruptura étipicamente intergranular em relação provável com a retenção e um acúmulo dehidrogênio além da concentração crítica nos carbonetos intergranulares ε ouFe3C formados no revenido.

A sensibilidade dos aços maraging não inoxidáveis, embora menosacentuada que nos aços com liga fraca, pois a difusão do hidrogênio em suamatriz com liga forte é mais fraca e os modos de retenção do hidrogênio sãoaparentemente menos nocivos, permanece assim muito forte em temperaturas daordem de 20 a 100°C que correspondem a fases de uso em funcionamento.

Até hoje, o único meio de proteção contra esses fenômenos muitonocivos era a proteção das superfícies com revestimentos anticorrosão taiscomo a cadmiagem, que é muito utilizada na aeronáutica. Esses revestimentossuscitam, porém, problemas importantes.

De fato, esses revestimentos estão sujeitos à descamação e àfissuração, o que requer uma fiscalização regular e atenta do estado desuperfície.Além disso, o cádmio é um elemento muito nocivo para o meioambiente, e seu uso é severamente controlado por certas regulamentações.

Por outro lado, as diferentes operações de revestimento de tipoquímico ou eletrolítico liberam hidrogênio que pode danificar imediatamente aspeças que vão ser protegidas pelo processo bem conhecido como "rupturaretardada" ou "fadiga estática" antes de entrar em funcionamento, e osmétodos de prevenção são muito complicados e onerosos.

Em todos os casos, o substrato maciço permaneceintrinsecamente muito sensível à fissuração frágil favorecida por um hidrogênioexterno de qualquer procedência.

Atualmente, nenhum aço com liga fraca e de altíssimaresistência (Rm > 1900MPa) apresenta em valor de K1CS nos meiosaquosos atmosféricos ou urbanos que se aproximariam do valor de K1Csmedido em atmosfera neutra, e o estudo aprofundado dos mecanismos depropagação de fissuras na presença de hidrogênio inerte ou externotenderia a provar que as relações K1Cs/KiC dos aços atuais de altíssimaresistência são ainda muito inferiores à unidade, salvo em caso deintrodução nesses aços, de elementos da classe dos platinóides. Esseselementos agem como "repelentes" do hidrogênio, mais seu custo proibitivoimpede hoje seu uso como elementos de adição.

Além disso, existem também aços maraging, com teores elevadosde cromo (> 10% Cr) e que são considerados inoxidáveis em atmosferas"urbanas"; um exemplo de aço representativo dessa categoria está descrito nodocumento US-A 3 556 776.

Nenhum dos aços maraging atualmente conhecidos permite,porém, atingir níveis de resistência mecânica que oferecem os aços maragingsem cromo e os aços com liga fraca, ou seja uma resistência à tração RM de1900MPa ou mais.Descrição da Invenção

A composição de aço da presente invenção tem por finalidaderesolver esses problemas técnicos propondo um aço inoxidável martensítico,que possui uma resistência intrínseca à corrosão em meio atmosférico (meiomarinho ou urbano) para o qual a fonte externa de hidrogênio é erradicada, eque apresenta simultaneamente uma resistência à tração elevada (da ordemde 1800MPa e mais) e uma tenacidade equivalente à dos aços com carbono deliga fraca e de resistência muito elevada.

Para esse fim, a presente invenção tem por objeto um açoinoxidável martensítico, caracterizado pelo fato de sua composição ser, emporcentagens ponderais:

-9%<Cr< 13%

-1,5% < Mo <3%

- 8% < Ni <14%

- 1 % < Al <2%

- 0,5% < Ti <1,5% com Al + Ti > 2,25%

- traços < Co < 2%

- traços < W < 1 % com Mo + (W/2) < 3%

- traços < P < 0,02%

- traços < S < 0,0050%

- traços < N < 0,0060%

- traços < C < 0,025%

- traços < Cu < 0,5%

- traços < Mn < 3%

- traços < Si < 0,25%

- traços < O < 0,0050%e é tal que:

• Ms (0C) = 1302 - 42Cr - 63Ni - 30Mo + 20AI - 15W -33Μη - 28Si - 30Cu - 13Co + 10Ti > 50

• Cr eq / Ni eq. < 1,05

com Cr eq (%) = Cr + 2Si + Mo + 5Ti + 5.5AI + 0,6W

Ni eq (%) = 2Ni + 0,5Mn + 30C + 25N + Co + 0,3Cu

De preferência 10% < Cr < 11,75%

De preferência 2% < Mo < 3%

De preferência 10,5% < Ni < 12,5%

De preferência 1,2% < Al < 1,6%

De preferência 0,75% < Ti < 1,25%

De preferência traços < Co < 0,5%

De preferência traços < P < 0,01%

De preferência traços < S < 0,0010%

De preferência traços < S < 0,0005%

De preferência traços < N < 0,0030%

De preferência traços < C < 0,0120%

De preferência traços < Cu < 0,25%

De preferência traços < Si < 0,25%

De preferência traços < Si < 0,10%

De preferência traços < Mn < 0,25%

De preferência traços < Mn < 0,10%

De preferência traços < Mn < 0,0020%

A presente invenção refere-se também a um processo defabricação de uma peça mecânica de aço com resistência mecânica e deresistência à corrosão elevadas, caracterizado pelo fato de que:

- se elabora um semiproduto para a preparação seguida datransformação a quente de um lingote da composição conforme descritaanteriormente;

- se executa um tratamento térmico de colocação em solução doreferido semiproduto entre 850 e 950°C, imediatamente seguido de umtratamento criogênico de resfriamento rápido até uma temperatura inferior ouigual a -75°C sem interrupção abaixo do ponto de transformação Ms e duranteum tempo suficiente para assegurar um resfriamento completo em toda aespessura da peça;

- se executa um revenido de envelhecimento entre 450 e 600°Cpara um tempo de manutenção isotérmica de 4 a 32 horas.

O referido tratamento criogênico pode ser uma têmpera em nevecarbônica.

o referido criogênico pode ser efetuado a uma temperatura de -80°C durante pelo menos 4 horas.

Entre o referido tratamento de colocação em solução e o referidotratamento criogênico, pode-se proceder a uma têmpera isotérmica a umatemperatura superior ao ponto de transformação Ms.

Depois do tratamento criogênico e antes do revenido deenvelhecimento, pode-se proceder a uma enformação a frio e a um tratamentotérmico de colocação em solução.

Pode-se executar pelo menos um tratamento térmico dehomogeneização entre 1200 e 1300°C durante pelo menos 24 horas sobre olingote ou durante transformações a quente em semiproduto, mas da últimadessas transformações a quente.

A presente invenção se refere também a uma peça mecânica deaço de alta resistência à corrosão e resistência, caracterizada pelo fato de serobtida pelo processo anterior.

Trata-se, por exemplo, de uma caixa de trem de pouso deaeronave.

Como já deve ter sido entendido, a presente invenção repousa emprimeiro lugar sobre uma composição de aço tal como definida acima. Elaapresenta principalmente como particularidades teores de Ni, Al, Ti, Mo, Cr eMn que são ou podem ser bastante elevados.

Tratamentos termomecânicos são também propostos, graças aosquais as propriedades desejadas para o metal final são obtidas.

O aço da presente invenção permite um endurecimento estruturapor precipitação simultânea das fases secundárias de tipo β-NiAI, η-Τί3Τί eeventualmente μ-Ρβ7(Μο, W)6 segundo o efeito chamado "maraging", o que lheconfere após um envelhecimento térmico, que assegura a precipitação, umnível muito elevado de resistência mecânica de pelo menos 1800MPa,combinado com uma boa resistência à corrosão, em particular em meioscorrosivos atmosféricos.

Sua resistência em fadiga fica também melhorada mediante ocontrole rigoroso das impurezas consideradas nocivas (nitrogênio, oxigênio).

Além disso, o aço da presente invenção possui boa resistência aoaquecimento e pode portanto suportar temperaturas que atingem 300°C paraperíodos curtos de tempo e da ordem de 250°C para períodos longos detempo. Sua sensibilidade ao hidrogênio é menor que a dos aços de liga fraca.

A presente invenção será mais bem compreendida com adescrição que será feita a seguir.

Os aços de altíssima resistência são muito sensíveis à corrosãosob tensão. A composição do aço da presente invenção é tal que a própriaorigem da ruptura por corrosão sob tensão, que é a produção de hidrogêniopelos mecanismos de corrosão seguidos da fragilização do metal por difusãointerna desse hidrogênio, é contornada em meios atmosféricos graças a umaresistência reforçada à corrosão em geral. Com essa finalidade, os teores decromo e molibdênio são respectivamente de pelo menos 9% e 1,5%,preferencialmente de pelo menos 10% e w% de modo a atingir nesse últimocaso um índice de picadura I.P., definido por I.P. = Cr + 3,3 Mo, de pelo menos16,5 como o dos aços inoxidáveis austeníticos do tipo AISI 304 a 26-18% Cr.De fato, um teor de cromo mínimo de 9 a 11% é necessário para conferir aoaço um capacidade de proteção frente à corrosão em atmosfera úmida, graçasà formação em sua superfície de um filme de óxido rico em cromo. Mas, essefilme protetor é insuficiente no caso do mesmo atmosférico ser poluído por íonssulfatos ou cloretos que podem desenvolver a corrosão por picada e depois porfissura, ambas suscetíveis de fornecer hidrogênio fragilizante.

O elemento molibdênio tem, por sua vez, um efeito muitofavorável sobre o reforço do filme passivo diante da corrosão em meiosaquosos poluídos por cloretos ou sulfatos.

Em segundo lugar, o efeito de endurecimento que proporcionauma resistência mecânica muito elevada ao aço é obtido por precipitação devárias fases secundárias endurecedoras durante um tratamento térmico derevenido de uma estrutura geralmente martensítica. Essa estrutura martensíticaprévia ao revenido resulta de um tratamento de colocação em solução préviano domínio austenítico, seguida de um resfriamento (ou têmpera) até umatemperatura suficientemente baixa para que toda a austenita se transforme memartensita.

O aço da presente invenção sofre esse endurecimento graças àprecipitação de fases martensíticas de protótipo β-NiAI, η-Νΐ3Τϊ eeventualmente μ-Fer (Mo, W)6. O maior endurecimento é obtido com asadições mais elevadas de alumínio, titânio e molibdênio. O teor de níquel deveser ajustado de modo muito preciso para que o endurecimento máximo sejaobtido a partir de uma estrutura puramente martensítica, sem ferrita nemaustenita residual de têmpera.

Em terceiro lugar, o aço da presente invenção possui ductilidade etenacidade máximas, que são obtidas limitando o mais possível os efeitos deanisotropia ligados à solidificação dos lingotes.Com essa finalidade, o aço deve estar isento da fase ferrita δ e dafase austenita residual depois da colocação em solução e resfriamento.

É por esse motivo que o aço da presente invenção se caracterizapor um equilíbrio específico de seus elementos de adição como será descrito aseguir.

Ferrita δ

Essa fase é nefasta por duas razões principais:

(i) - ela provoca a fragilização do metal,

(ii) - ela modifica a resposta do aço ao endurecimento e nãopermite mais que ele atinja suas propriedades mecânicas ótimas.

O aço da presente invenção não contém ferrita devido ao fato desua composição corresponder às condições descritas a seguir.

As fórmulas que vão ser citadas se apoiam em duas relaçõesentre os elementos de liga, uma delas sendo a soma ponderada dos teores em% mássica dos elementos que estabilizam a ferrita, e expressa por umavariável Cr equivalente (Cr. eq.) e o outra sendo uma soma ponderada dosteores de % mássica dos elementos que estabilizam a austenita, e expressapela variável Ni equivalente (Ni eq).

Cr eq = Cr + 2Si + Mo + 1,5%Ti + 5.5AI + 0,6W

Ni eq = 2Ni + 0,5Mn + 30C + 25N + Co + 0,3Cu

Constata-se que a ferrita δ formada de modo transitório durante asolidificação do aço da presente invenção pode ser totalmente reabsorvidadurante um tratamento térmico de alta temperatura e em fase sólida, porexemplo entre 1200 e 300°C, quando;

Cr eq/Ni eq<1,05

Segregação Química na Solidificação

A segregação química de um aço durante sua solidificação é umfenômeno inevitável que resulta da partilha dos elementos entre a fração sólidae a fração líquida em torno do sólido. No fim da solidificação, o líquido residualse solidifica em zonas que são classicamente intergranulares, ou entãointerdendríticas, e encontra-se nessas zonas um enriquecimento de certoselementos de liga, e/ou um empobrecimento de outros elementos de liga. Ascélulas de segregação assim formadas são deformadas a seguir eparcialmente re-homogeneizadas durante operações de transformaçãotermomecânica. Após essas operações de deformação, persiste uma estruturachamada anisotrópicas. A resposta aos tratamentos térmicos dessas ligaçõessegregadas é muito diferenciada, o que conduz a propriedades mecânicasdesiguais em função da direção dos esforços exercidos: de modo quasegeneralizado, as propriedades de ductilidade e de tenacidade (K10) sãodiminuídos em todos os casos em que os esforços são exercidos mais oumenos perpendicularmente à estrutura das ligações.

A homogeneidade estrutural do aço da presente invenção, que éportanto ditada pelas condições de solidificação, é de preferência otimizada pormeio de tratamentos térmicos de homogeneização em temperaturas muitoelevadas, entre 1200 e 1300°C, de duração superior a 24 horas, praticada noslingotes e/ou nos produtos intermediários, ou seja, os semiprodutos em fase detransformação a quente. Esse tratamento só deve, porém ocorrer depois daúltima transformação a quente, caso contrário os tamanhos dos grãos seriammuito grandes antes da continuação dos tratamentos.

Transformação Martensítica ε Austenita Residual

As melhores propriedades do aço da presente invenção sãoobtidas após uma colocação em solução entre 850 e 950°C, no domínioaustenítico, seguida de um resfriamento suficientemente enérgico para permitira transformação total da austenita em martensita. Essa transformação deve sertotal por dois motivos.

Em primeiro lugar, o endurecimento por precipitação das fasesintermetálicas durante o envelhecimento ulterior só ocorre a partir da estruturamartensítica. Assim faixas de austenita residual não transformadas após o fimdo resfriamento não respondem ao endurecimento. Isso prejudicaintensamente as propriedades globais do aço da presente invenção,principalmente porque essas faixas são muitas vezes as que são provenientesda segregação residual dos lingotes e são portanto fortemente anisotrópicas.

Em segundo lugar, os melhores compromissos entre resistência,ductilidade e tenacidade do aço são obtidos quando o revenido deenvelhecimento permite a formação simultânea dos precipitadosendurecedores e de uma pequena fração de austenita de reversão disposta emfilmes nos defeitos da estrutura tais como as juntas interbarras de martensita. Aestrutura em sanduíche constituída das barras de martensita separadas porfilmes de austenita de reversão proporciona uma grande ductilidade ao açoendurecido. Para que essa austenita de reversão em pequena quantidadepossa se formar a partir da estrutura martensítica, é preciso imperativamenteque esta seja martensítica, ou seja, o mais possível isenta de austenita residualnão transformada no fim do resfriamento a partir do ciclo de colocação emsolução. De fato, a uma temperatura de envelhecimento dada, só existe umpequeno teor de austenita em equilíbrio, seja ela de tipo residual ou dereversão, a desejada sendo esta última.

É comumente admitido que a largura do domínio datransformação martensítica de um aço com liga forte, domínio compreendidoentre a temperatura de início de transformação Ms e a temperatura de fim detransformação Mf, é de aproximadamente 150°C, e que esse domínio é tantomais amplo quanto a estrutura do aço for menos homogênea. Isso significa quea temperatura Ms de um aço que é resfriado à temperatura ambiente(aproximadamente 25°C) a partir de seu domínio de colocação em soluçãoaustenítica, deve ser de pelo menos 175°C.As tecnologias modernas permitem facilmente resfriar os aços emtemperatura inferiores à temperatura ambiente (tratamentos chamados"criogênicos") o que permite completar a transformação martensítica de açoscuja temperatura Ms é inferior a 175°C; todavia, existe um limite para isso nosentido que essa transformação de fase, termicamente ativa, é fortementecontrariada em temperaturas muito baixas.

O aço da presente invenção possui uma composição equilibradade tal modo que a temperatura de transformação Ms seja > 50°C, epreferencialmente próxima de 70°C. Assim, seu resfriamento a -80°C, ou amenos do que isso, em um meio refrigerante, permite a transformação daaustenita em martensita. Isso se tornou possível procurando um intervalo detemperatura Ms - Mf de pelo menos 140°C, preferencialmente de pelo menos160°C, pela aplicação, depois do tratamento de colocação em solução entre850 e 950°C, de um resfriamento terminado por exemplo em neve carbônica -80°C ou mais baixo, durante um período suficiente para assegurar umresfriamento completo dos produtos e uma transformação completa daaustenita em martensita.

Para obter esse efeito, o aço da presente invenção deveapresentar um valor negativo e confiável de Ms que deve corresponder àrelação indicada a seguir, função de todos os elementos de adições incluídosno aço e que influem consideravelmente sobre Ms1 inclusive os elementospresentes em teores residuais mas cujo efeito é grande sobre o valor de Ms.Esse valor é calculado pela fórmula (os teores dos diferentes elementos estãoem % ponderais):

Ms (0C) = 1302 - 42Cr - 63Ni - 30Mo + 20AI - 15 W - 33Mn - 28Si - 30Cu -13Co + 10Ti.

A análise estatística de fundições experimentais permitiu validaressa relação para valores de Ms de 0 a 225°C e deduzir o valor mínimo quedeve ser o ponto Ms para o aço da presente invenção. Esse valor é de +50°C epreferencialmente + 70°C.

Os papéis dos principais elementos de adição estão especificadosa seguir:

O cloro e o molibdênio são elementos que conferem ao aço suaboa resistência à corrosão: o molibdênio é também suscetível de contribuir,ainda, ao endurecimento durante a precipitação no revenido da faseintermetálica de tipo Fe7Mo6.

O teor de cromo dos aços da presente invenção estácompreendido entre 9 e 13%, de preferência entre 10 e 11,75%. Além de 13%de cromo, o equilíbrio global do aço não é mais possível. De fato, diminuindoos elementos que favorecem a ferrita delta residual (Mo = 1,5%, Al = 1,5% e Ti= 0,75%, Ti + Al = 2,25%), a relação que liga Cr eq e Ni implica que o teor deníquel seja de pelo menos 11%. Ora, essa composição, que se encontraportanto no limite dos domínios da presente invenção não corresponde mais àrelação Ms > 50°C.

E isso é mais verdadeiro quanto mais elevados forem osteores endurecedores de A, Ti, Mo, daí o limite superior preferencial decromo de 11,75%.

O teor de molibdênio é de pelo menos 1,5% para que se possaobter o efeito anticorrosão desejado. O teor máximo é de 3%. Além de 3% demolibdênio, a temperatura de solvus de uma fase intermetálica rica emmolibdênio de tipo χ, estável em alta temperatura, se torna superior a 950°;além disso, em certos casos, a solidificação se completa por um sistemaeutéctico que produz fases intermetálicas maciças, ricas em molibdênio, e cujacolocação em solução ulterior requer temperaturas de colocação em soluçãosuperiores a 950°C.

Nesses dois casos, temperaturas de austenitização superiores a950°C conduzem a um aumento exagerado da estrutura granular, incompatívelcom as propriedades mecânicas exigidas.

Todavia, se o aço contiver também tungstênio, ele vai substituirparcialmente ao molibdênio, à razão de um átomo de tungstênio para doisátomos de molibdênio. Nesse caso, o limite máximo de 3% se aplica à somaMo + (W/2).

Como já foi dito, de preferência, os teores de cromo e molibdêniodevem permitir obter um índice de picadura de pelo menos 16,5.

O níquel é indispensável ao aço para exercer três funçõesessenciais:

- estabilizar a fase austenítica em temperaturas de colocação emsolução e eliminar qualquer traço de ferrita δ; com essa finalidade, o aço dapresente invenção deve comportar pelo menos 10% de níquel e de preferênciapelo menos 10,5% a menos que um elemento gamagênico seja adicionado aoaço, por exemplo manganês; para uma adição de manganês que vai até 3%,pode-se diminuir o teor de níquel até 8%;

- favorecer a ductilidade do aço, em particular para osenvelhecimentos em temperaturas superiores ou iguais a 500°C, pois eleprovoca nesse caso a formação de uma pequena fração de austenita chamadade reversão, muito dúctil, finamente dispersada em todo o aço, entre as barrasda martensita dura e frágil; todavia, esse efeito dúctil em detrimento do valor daresistência mecânica;

- participar diretamente do endurecimento do aço durante oenvelhecimento por precipitação das fases: β-Ni Al e Ti-Ni3Ti.

O teor de austenita dispersado no aço deve se limitar a 10%nomáximo para conservar as altíssimas resistências mecânicas; o teor de níquelé, nessa perspectiva, no máximo de 14%; seu teor preferido entre 10,5 e 12,5%é finalmente ajustado precisamente por meio das duas relações descritasanteriormente: Cr eq / Ni eq < 1,05; Ms > 50°C.

O alumínio é um elemento necessário ao endurecimento do aço;os níveis de resistência máxima desejada (Rm > 18000MPa) só são atingidoscom uma adição de pelo menos 1% de alumínio, e preferencialmente de pelomenos 1,2%. O alumínio estabiliza fortemente a ferrita δ e o aço da presenteinvenção não pode comportar mais de 2% de alumínio sem o aparecimentodessa fase. Assim, o teor de alumínio está de preferência limitado a 1,6%, porprecaução, de modo a levar em conta variações analíticas dos outroselementos que favorecem a ferrita, e que são principalmente o cromo, omolibdênio e o titânio.

O titânio, da mesma forma que o alumínio, é um elementonecessário ao endurecimento do aço. Ele permite seu endurecimento porprecipitação da fase η - Ni3Ti.

No aço maraging do tipo PM 13-8Mo e que contém mais de 1%Al, o aumento do valor de resistência mecânica Rm proporcionado pelo titânioé aproximadamente de 400 MPa por porcentagem de titânio.

No aço da presente invenção, que contém pelo menos 1% dealumínio, os elevadíssimos valores de resistência mecânica visados só sãoobtidos quando a soma Al + Yi for pelo menos igual a 2,25% em peso.

De outro lado, o titânio fixa de modo muito eficaz o carbonocontido no aço em forma de carboneto TiC1, o que permite evitar os efeitosnocivos do carbono livre como indicado a seguir. Além disso, como asolubilidade do carboneto TiC é bastante baixa, é possível precipitar essecarboneto de forma homogênea no aço durante fases finais da transformaçãotermomecânica em baixas temperaturas no domínio austenítico do aço; issópermite evitar a precipitação intergranular fragilizante do carboneto.

Para a obtenção ótima desses efeitos, o teor de titânio deve estarcompreendido entre 0,5 e 1,5%, de preferência entre 0,75 e 1,25%.O cobalto, em substituição ao níquel em proporção de 2% empeso de cobalto para 1% de níquel, é vantajoso pois ele permite estabilizar aaustenita nas temperaturas de colocação em solução, permitindo ao mesmotempo manter uma solidificação do aço da presente invenção, de acordo com omodo ferrítico desejado (ele estabiliza de modo muito pouco a austenita nastemperaturas de solidificação): nisso, o cobalto amplia o domínio dascomposições de acordo com a presente invenção tais como delimitadas pelasrelações de ligação Cr eq e N eq. Além disso, ao mesmo tempo que estabilizaa estrutura austenítica nas temperaturas de colocação em solução, asubstituição de 1% de níquel por 2% de cobalto permite levantar de modobastante nítido o ponto Ms de início da transformação martensítica do aço,como se pode deduzir da fórmula de cálculo Ms.

Finalmente, o cobalto confere à estrutura martensítica maiorcapacidade de resposta ao endurecimento; todavia, o cobalto não participadiretamente do endurecimento por precipitação da fase β - NiAI e não tem oefeito de tornar o níquel mais dúctil. Pelo contrário, ele favorece a precipitaçãoda fase fragilizante σ - FeCr em detrimento da fase μ-Ρβ7Μο6 que pode ter umefeito endurecedor.

Por esses dois motivos, a adição de cobalto está limitada a 2%,preferencialmente a 0,5% no domínio restrito em que todas as propriedades do açoda presente invenção podem ser adquiridas sem recorrer aos efeitos do cobalto.

O tungstênio pode ser adicionado em substituição ao molibdêniopois ele participa mais ativamente do endurecimento da solução sólida damartensita e é também suscetível de participar da precipitação do revenido dafase intermetálica de tipo μ - Fe7 (Mo, W)6. Pode-se adicionar até 1%, se asoma Mo + (W/2) não ultrapassar 3%.

Em geral, as pequenas quantidades de certos elementos ou deimpurezas, metálicos, metalóides ou não metálicos, podem modificarconsideravelmente as propriedades de todas as ligas.

O fósforo tende a segregar nas juntas dos grãos, o que reduz aadesão dessas juntas e diminui a tenacidade e a ductilidade dos aços porfragilização intergranular. Um teor máximo de 0,02%, preferencialmente de0,01% não deve ser ultrapassado no aço da presente invenção.

O enxofre é conhecido por induzir forte fragilização dos aços dealta resistência de várias maneiras como a segregação intergranular e aprecipitação de inclusões de sulfetos: o objetivo é portanto minimizar aomáximo sua teor no aço, em função dos meios de elaboração disponíveis.Teores muito baixos de enxofre são muito facilmente acessíveis nas matériasprimas com os meios de afinagem clássico. É portanto simples atender àexigência do aço da presente invenção que especifica que as propriedadesmecânicas requeridas exigem um teor de enxofre inferior a 0,0050%,preferencialmente inferior a 0,0010% e idealmente inferior a 0,0005%,mediante uma escolha apropriada das matérias primas.

O teor de nitrogênio deve ser também mantido no mais baixovalor possível com os meios de elaboração disponíveis, de um lado para obtera melhor ductilidade do aço; e de outro lado para limitar a resistência em fadigaa mais elevada possível, em particular uma vez que o aço contém o elementotitânio. De fato, em presença de titânio, o nitrogênio forma nitretos cúbicos TiNinsolúveis que são extremamente nocivos por sua forma e suas propriedadesfísicas. Eles constituem iniciações sistemáticas de fissuração em fadiga.

Todavia, as concentrações de nitrogênio que são habitualmenteobtidas com os métodos industrializados de elaboração sob vácuo continuamrelativamente elevadas, em particular em presença de adições de titânio.

Teores muito baixos de nitrogênio só podem ser obtidos com umaseleção cuidadosa de matérias primas, em particular de ferro-cromo comteores muito baixos de nitrogênio, o que é muito oneroso.Geralmente, o método industrial de elaboração sob vácuo permiteobter teores de nitrogênio residual compreendidos entre 0,0030 e 0,0100%,tipicamente centrados em 0,0050 - 0,0060% no caso do aço da presente invenção.A melhor solução para o aço a presente invenção é portanto buscar um teorresidual de nitrogênio tão baixo contra possível, ou seja, inferior a 0,0060%.

Se necessário, e quando a aplicação exigir característicasexcepcionais de resistência em fadiga, de tenacidade e/ou de ductilidade,pode-se buscar teores de nitrogênio inferiores a 0,0030% pela escolha dematérias primas e de métodos de elaboração específicos.

O carbono, comumente presente nos aços, é um elementoindesejável no aço da presente invenção por vários motivos:

- ele provoca a precipitação de carbonetos que reduzem aductilidade e a tenacidade.

- ele fixa o cromo em forma do carboneto M23C6, facilmentesolúvel e cuja precipitação durante diversos ciclos térmicos da fabricação seproduz em parte nas juntas dos grãos cuja matriz circundante está tambémempobrecida em teor de cromo; esse mecanismo dá origem ao fenômenomuito nocivo e bem conhecido da corrosão intergranular,

- ele endurece a matriz martensítica no estado de colocação emsolução e têmpera, o a torna mais frágil e em particular mais sensível às"fendas" (fissurações superficiais que aparecem durante a têmpera).

Por todos esses motivos, o teor máximo de carbono do aço dapresente invenção está limitado a 0,025% no máximo, preferencialmente0,0120% no máximo.

O cobre, que é um elemento encontrado de forma residual nasmatérias primas comerciais, não deve estar presente em mais de 0,5% epreferencialmente recomenda-se um teor final de cobre inferior ou igual a0,25% no aço da presente invenção. A presença de cobre em maior quantidadepoderia desequilibrar o comportamento global do aço: o cobre tende facilmentea deslocar o modo de solidificação para fora do domínio desejado, e abaixainutilmente o ponto de transformação Ms.

O manganês e o silício estão comumente presentes nos aços, emparticular porque são utilizados como desoxidantes do metal líquido durante aselaborações clássicas no forno em que o aço líquido está em contato com aatmosfera.

O manganês é também utilizado nos aços para fixar o enxofrelivre, extremamente nocivo, em forma de sulfetos de manganês, menosnocivos. Como o aço da presente invenção compreende teores muito baixos deenxofre, e ele é elaborado sob vácuo, os elementos manganês e silício não sãodesse ponto de vista de qualquer utilidade, e seus teores podem se limitar aodas matérias primas.

De outro lado, esses dois elementos abaixam o ponto detransformação Ms, o que reduz na mesma proporção às concentraçõestoleráveis dos elementos favoráveis às propriedades mecânicas e anticorrosão(Ni, Mo, Cr) para manter Ms em um nível suficientemente elevado, como épossível deduzir da relação entre Ms e a composição química.

O teor de silício deve portanto ser mantido a no máximo 0,25%,de preferência a no máximo 0,10%. O teor de manganês pode também sermantido nesses mesmos limites.

Todavia, pode-se também considerar atuar sobre o teor demanganês do aço da presente invenção para ajustar o compromisso entre umaresistência elevada à tração e uma tenacidade elevada que é desejável obterpara as aplicações consideradas. O manganês amplia o anel austenítico, emparticular abaixa a temperatura Ac1 quase tanto quanto o níquel. Como, alémdisso, ele tem um efeito menor de abaixamento de Ms que o níquel, pode servantajoso substituir uma parte do níquel por manganês para evitar a presençade ferrita δ e ajudar a formar austenita de reversão durante o envelhecimentode endurecimento. Essa substituição deve, evidentemente, ser feita de acordocom as condições Cr eq / Ni eq e Ms tais como vistas acima. O teor máximo deMn pode ser assim levado até 3%. No caso de um teor elevado de manganês,o modo de elaboração do aço deve ser adaptado para que esse teor seja bemcontrolado. Em particular, poderá ser preferível não efetuar o tratamento sobvácuo posteriormente à adição de manganês, e esse elemento tende a seevaporar sob pressão reduzida.

O oxigênio presente no aço da presente invenção forma óxidosnefastos para a ductilidade e a resistência em fadiga. Por esse motivo, épreciso conter sua concentração no valor mais baixo possível, ou seja, nomáximo 0,0050%, preferencialmente abaixo de 0,0020%, o que permitem osmeios industriais de elaboração sob vácuo.

Os elementos que não foram citados só estão eventualmentepresentes como impurezas que resultam da elaboração.

Os teores dados como preferenciais para os diversos elementossão independentes uns dos outros.

Tipicamente, o aço da presente invenção é elaborado sob vácuo deacordo com as práticas industriais tradicionais por meio, por exemplo, de um forno deindução sob vácuo ou de acordo com uma fase dupla de elaboração sob vácuo, porexemplo por elaboração e moldagem em um forno sob vácuo de um primeiroeletrodo, às quais se seguem pelo menos uma operação de refusão sob vácuo desseeletrodo para obter um lingote final. Em caso de adição voluntária de manganês, aelaboração de um lingote pode compreender uma fase de elaboração sob vácuo deum eletrodo em um forno de indução seguido de uma fase de refusão de acordo como processo de refusão sob escória (ESR); os diferentes métodos de refusão ESR ouVAR (refusão ao arco sob vácuo) podem ser combinados.

Os processos de transformação termomecânica de altatemperatura, por exemplo o forjamento ou a laminação permitem umaenformação fácil dos lingotes moldados, em condições habituais. Essesprocessos permitem a obtenção de quaisquer tipos de semiprodutos com o açoda presente invenção (pratos, barras, blocos, peças forjadas ou matriciadas).

Uma boa homogeneidade estrutural nos semiprodutos é, depreferência, assegurada por meio de um tratamento térmico dehomogeneização entre 1200 e 1300°C, praticado antes e/ou durante a gama detransformações termomecânicas a quente, mas depois da última transformaçãoa quente a fim de evitar que os tratamentos ulteriores ocorram emsemiprodutos com tamanho de grão muito grandes

Quando as operações de transformação termomecânica aquente estiverem terminados, os produtos são então postos em solução auma temperatura compreendida entre 850 e 950°C, e as peças sãoresfriadas a seguir rapidamente até uma temperatura final inferior ou iguala -75°C, sem interrupção abaixo do ponto de transformação Ms,eventualmente colocando um estágio de têmpera isotérmica acima de Ms.Como o ponto Ms é pouco elevado, pode-se facilmente fazer têmperascom óleo quente a T > Ms. Isso permite equalizar a temperatura em peçasmaciça e, principalmente, evitar as fendas de têmpera na transformaçãomartensítica diferencial entre a superfície das peças maciças e o núcleoquente das peças. Além disso, partindo de uma peça equalizada a umatemperatura superior a Ms, a transformação martensítica durante apassagem criogênica se produz de modo contínuo. Tipicamente,atemperatura é da ordem de -80°C quando essa têmpera é efetuada emneve carbônica. A manutenção em baixa temperatura dura um temposuficiente para assegurar um resfriamento completo em toda a espessuradas peças. Ele dura tipicamente pelo menos 4 horas a -80°C.

Após retorno à temperatura ambiente, o metal, constituído deuma martensita dúctil e de baixa dureza, pode eventualmente enformadaa frio, novamente colocada em solução para atingir propriedadeshomogêneas.

As propriedades finais do aço são finalmente obtidas por umrevenido de envelhecimento em temperaturas compreendidas entre 450 e600°C para uma dureza de manutenção isotérmica compreendida entre 4 e 32horas, em função das características desejadas. De fato, os pares dasvariáveis tempo e temperatura de envelhecimento são escolhidos de acordocom os critérios indicados a seguir no domínio 450-600°C:

- a resistência máxima atingida diminui quando a temperatura deenvelhecimento aumenta mas, reciprocamente, os valores de ductilidade e detenacidade aumentam,

- o tempo de duração do envelhecimento necessário paraprovocar o endurecimento aumenta quando a temperatura diminui.

- em cada nível de temperatura, a resistência passa por ummáximo por um tempo de duração determinado, que é denominado "picode endurecimento",

- para cada nível de resistência visado, que pode ser atingido porvários pares de variáveis tempo e temperatura de envelhecimento, existe umúnico par tempo/temperatura que confere o melhor compromissoresistência/ductilidade ao aço da presente invenção. Essas condições ótimascorrespondem a um início de sobre-envelhecimento da estrutura, obtidasquando se vai além do "pico de endurecimento" definido acima.

Vão ser descritos agora exemplos de aços de acordo com apresente invenção e processos de acordo com a presente invenção quelhes são aplicados, bem como exemplos de diferença para comparaçãodos resultados obtidos.

A tabela 1 reúne as composições dos aços testados.<table>table see original document page 24</column></row><table>As amostras de referência possuem composições que deferem dapresente invenção essencialmente por seu teor de titânio muito baixas (A e C)e/ou pelo fato de sua soma Ti + Al muito baixa (A, B, C) ou em seu ponto Msmuito baixo, pois inferior a 50°C (D). A amostra C apresenta ainda um teordemasiadamente elevado de molibdênio.

Essas amostras foram obtidas por elaboração de um eletrodo de1t (amostras A, D, I e J) ou 200 kg (os outros) em um forno sob vácuo, eletrodoque foi depois refundido em um forno de eletrodo consumível, e foramsubmetidos aos tratamentos termomecânicos indicados a seguir:

- homogeneização durante 24 horas a 1250°C;

- forjamento em sua saída de forno com redução de espessurasuperior ou igual a 4;

- forjamento de acabamento com uma taxa de soldagem de pelo

menos 2 após aquecimento a 950°Ccolocação em solução em temperaturas de 900°C aproximadamentedurante 2 horas, seguida de uma tempera em água e de um tratamento criogênico a-80°C em neve carbônica durante 8 horas (exceto para a amostra I em quecolocação em solução foi efetuada a 950°C durante 1 hora e 30 minutos),

- revenido de envelhecimento a 510°C durante 8 horas.

As principais características estruturais e mecânicas das amostrasestão reunidas na tabela 2.

Tabela 2: Características Estruturais ε Mecânicas dos Acos Testados_

<table>table see original document page 25</column></row><table><table>table see original document page 26</column></row><table>

Os aços de acordo com a presente invenção permitem portanto:

- obter os níveis visados de resistência à ruptura Rm de mais de1800 MPa1 bem como um limite elástico Rp 0,2 elevado;

- manter uma ductilidade que não é muito degradada em relaçãoaos aços de referência.

Ácido de referência D, cujo fator Ms não corresponde à presenteinvenção e não atende o nível de endurecimento desejado, ao passo que asoma Al + Ti satisfaz bem à condição Al + Ti > 2,25. De fato, ele contém 16%de austenita residual depois do tratamento criogênico.

Entre os aços da presente invenção, pode-se distinguir duascategorias:

- os que possuem uma resistência à corrosão superior (cromo emolibdênio elevado), mas que possuem grande fragilidade pois seu teor deníquel é necessariamente mais baixo quando se deseja respeitar a condiçãoem Ms: E1 F, G1 I pertencem a essa categoria;

- os que oferecem melhor ductilidade que os anteriores pois seuteor de níquel é elevado, mas cuja resistência à corrosão é menor pois seusteores de cromo e molibdênio são necessariamente limitados para que acondição em Ms seja respeitada: J pertence a essa categoria.

Claims

1. AÇO INOXIDÁVEL MARTENSÍTICO, caracterizado pelofato de que sua composição é, em porcentagens ponderais:- 9% < Cr < 13%- 1,5% < Mo <3%- 8% < Ni <14%- 1 % < Al <2%- 0,5% < Ti <1,5% com Al + Ti > 2,25%- traços < Co < 2%- traços < W < 1 % com Mo + (W/2) < 3%- traços < P < 0,02%- traços < S < 0,0050%- traços < N < 0,0060%- traços < C < 0,025%- traços < Cu < 0,5%- traços < Mn < 3%- traços < Si < 0,25%- traços < O < 0,0050%e é tal que:· Ms (0C) = 1302 - 42Cr - 63Ni - 30Mo + 20AI - 15W -33Mn - 28Si - 30Cu - 13Co + 10Ti > 50• Creq/Nieq <1,05com Cr eq (%) = Cr + 2Si + Mo + 1,5Ti + 5.5AI + 0,6WNi eq (%) = 2Ni + 0,5Mn + 30C + 25N + Co + 0,3Cu.

2. AÇO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que 10% < Cr < 11,75%.

3. AÇO, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizadopelo fato de que 2% < Mo < 3%.

4. AÇO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 3caracterizado pelo fato de que 10,5% < Ni < 14%

5. AÇO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 4caracterizado pelo fato de que 10,5% < Ni < 12,5%

6. AÇO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 5caracterizado pelo fato de que 1,2% < Al < 1,6%

7. AÇO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 6caracterizado pelo fato de que 0,75% < Ti < 1,25%

8. AÇO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 7caracterizado pelo fato de que traços < Co < 0,5%.

9. AÇO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 8caracterizado pelo fato de que traços < P < 0,01%.

10. AÇO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 9caracterizado pelo fato de que traços < S < 0,0010%.

11. AÇO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 10caracterizado pelo fato de que traços < S < 0,0005%.

12. AÇO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 11caracterizado pelo fato de que traços < N < 0,0030%.

13. AÇO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 12caracterizado pelo fato de que traços < C < 0,0120%.

14. AÇO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 13caracterizado pelo fato de que traços < Cu < 0,25%.

15. AÇO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 14caracterizado pelo fato de que traços < Si < 0,25%.

16. AÇO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 15caracterizado pelo fato de que traços < Si < 0,10%.

17. AÇO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 16caracterizado pelo fato de que traços < Mn < 0,25%.

18. AÇO, de acordo a reivindicação 17, caracterizado pelo fatode que traços < Mn < 0,10%.

19. AÇO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 18,caracterizado pelo fato de que traços < O < 0,0020%.

20. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE UMA PEÇAMECÂNICA DE AÇO com resistência mecânica e resistência à corrosãoelevadas, caracterizado pelo fato de que:- se elabora um semiproduto para a preparação seguida datransformação a quente de um lingote da composição conforme descrita emuma das reivindicações 1 a 19;- se executa um tratamento térmico de colocação em solução doreferido semiproduto entre 850 e 950°C, imediatamente seguido de umtratamento criogênico de resfriamento rápido até uma temperatura inferior ouigual a -75°C sem interrupção abaixo do ponto de transformação Ms e duranteum tempo suficiente para assegurar um resfriamento completo em toda aespessura da peça;- se executa um revenido de envelhecimento entre 450 e 600°Cpara um tempo de manutenção isotérmica de 4 a 32 horas.

21. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 20,caracterizado pelo fato de que o referido tratamento criogênico é uma têmperaem neve carbônica.

22. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 20 ou 21,caracterizado pelo fato de que o referido tratamento criogênico é efetuado sobuma temperatura de -80°C durante pelo menos 4 horas.

23. PROCESSO, de acordo com uma das reivindicações 20 a 22, caracterizado pelo fato de que, entre o referido tratamento de colocação emsolução e o referido tratamento criogênico, procede-se a uma têmperaisotérmica a uma temperatura superior ao ponto de transformação Ms.

24. PROCESSO, de acordo com uma das reivindicações 20 a 23, caracterizado pelo fato de que depois do tratamento criogênico e antes dorevenido de envelhecimento, procede-se a enformação a frio e um tratamentotérmico de colocação em solução.

25. PROCESSO, de acordo com uma das reivindicações 21 a 24, caracterizado pelo fato de que se executa pelo menos um tratamentotérmico de homogeneização entre 1200 e 1300 0C durante pelo menos 24horas em um lingote ou durante suas transformações a quente em umsemiproduto, mas antes da última dessas transformações a quente.

26. PEÇA MECÂNICA DE AÇO com resistência à corrosão eresistência mecânica elevadas, caracterizada pelo fato de que é obtida peloprocesso conforme descrito em uma das reivindicações 20 a 25.

27. PEÇA MECÂNICA, de acordo com a reivindicação 26,caracterizada pelo fato de que se refere a uma caixa de trem de pouso deaeronave.