BRPI0904607A2 - high resistance to tempering action - Google Patents
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Abstract
AÇO DE ALTA RESISTÊNCIA AO REVENIDO, apresentando uma composição de elementos de liga que consistem essencialmente, em porcentagem em massa, de Carbono entre 0,20 e 0,50; Silício abaixo de 1,0; Fósforo abaixo de 0,030; Cromo entre 3,0 e 4,0; Molibdênioentre 1,5 e 4,0; Vanádio entre 0,1 e 2,0, Cobalto menor que 1,5, o restante substancialmente de Fe e impurezas inevitáveis. Passível de ser produzido por processos que envolvam fundição em lingotes e conformação a quente ou a frio, ou mesmo utilizado com a estrutura bruta de fusão; ou por processos que envolvam atomização ou dispersão do metal líquido, como metalurgia do pó, injeção de pós ou o processo de "conformação por spray"HIGH STRENGTH STEEL FOR THE REVENUE, featuring a composition of alloying elements consisting essentially of by weight of carbon between 0.20 and 0.50; Silicon below 1.0; Phosphorus below 0.030; Chromium between 3.0 and 4.0; Molybdenum between 1.5 and 4.0; Vanadium between 0.1 and 2.0, Cobalt less than 1.5, the remainder substantially Fe and unavoidable impurities. Can be produced by processes involving ingot casting and hot or cold forming, or even used with the raw melt structure; or by processes involving atomization or dispersion of the liquid metal, such as powder metallurgy, powder injection or the "spray forming" process
Description
"AÇO DE ALTA RESISTÊNCIA AO REVENIDO" O presente relatório trata de um aço destinado à utilização em ferramentas de conformação a quente de metais, tipicamente em processos em que o metal a ser conformado possui temperaturas acima de 600 0C, embora processos em temperaturas menores ou mesmo na temperatura ambiente possam ser utilizados com o dito aço. O aço em questão possui composição que o classifica como aço ferramenta de trabalho a quente, possuindo como principal característica a maior resistência a perda em dureza em alta temperatura - denominada resistência ao revenido, mas também mantendo elevada tenacidade e adequada temperabilidade e condutividade térmica. Tal efeito é possível graças a um cuidadoso projeto de liga, estabelecendo as faixas ótimas dos elementos P, Si, Mo e Cr."HIGH STRENGTH OF STEEL FOR RESIDENTIAL" This report deals with a steel intended for use in hot forming metals tools, typically in processes where the metal to be formed has temperatures above 600 ° C, although processes at lower or lower temperatures. even at room temperature they can be used with said steel. The steel in question has a composition that classifies it as a hot working tool steel, having as its main feature the higher resistance to hardness loss at high temperature - called tempering resistance, but also maintaining high toughness and adequate temperability and thermal conductivity. Such an effect is possible thanks to careful alloy design, establishing the optimum ranges of P, Si, Mo and Cr elements.
O termo ferramentas de trabalho a quente é aplicado para um grande número de operações de conformação a quente, empregadas em diversos ramos industriais e focadas na produção de peças destinadas a aplicações mecânicas e, principalmente, peças automobilísticas. Os processos de conformação a quente mais conhecidos são o forjamento, a extrusão ou a fundição de ligas não ferrosas. Outras aplicações que trabalham em alta temperatura, tipicamente acima de 500/600 0C, também podem ser classificadas 2 0 como trabalho a quente. Nestas aplicações, os moldes, matrizes, punções, insertos e outros dispositivos utilizados para a conformação são classificados pelo termo genérico: ferramentas para trabalho a quente. Estas ferramentas são normalmente feitas em aços, os quais necessitam de propriedades especiais para suportar as elevadas temperaturas e características mecânicas dos processos em que são empregadas.The term hot work tools is used for a large number of hot forming operations, employed in various industrial branches and focused on the production of parts intended for mechanical applications and especially automotive parts. The best known hot forming processes are forging, extruding or casting non-ferrous alloys. Other high temperature applications, typically above 500/600 0C, can also be classified as 20 hot work. In these applications, molds, dies, punches, inserts and other forming devices are classified by the generic term: hot work tools. These tools are usually made of steels, which require special properties to withstand the high temperatures and mechanical characteristics of the processes in which they are employed.
Dentre suas propriedades principais, destacam-se nos aços para trabalho a quente: a resistência a quente, mais especificamente resistência ao revenido, a tenacidade, a temperabilidade e propriedades físicas como a V Ck^fc ■ΧAmong its main properties, the following stand out in hot work steels: hot strength, more specifically tempering resistance, toughness, temperability and physical properties such as VCk ^ fc ■ Χ
2/17 $$ 2/17
νν
condutividade térmica, ο calor específico, ambas correlacionadas pela difusividade térmica, e o coeficiente de expansão térmica.thermal conductivity, specific heat, both correlated by thermal diffusivity, and the coefficient of thermal expansion.
Nas aplicações em forjamento, destaca-se o forjamento a quente de aços, especialmente, de aços para construção mecânica aplicados em peças automobilísticas. Em tais operações, o tarugo forjado possui temperaturas acima de 1100 0C. Durante a conformação, ele aquece a superfície da ferramenta, sendo a temperatura atingida tanto maior quanto maior o tempo de contato. O aquecimento gerado, consequentemente, requer alta resistência a quente por parte do aço empregado. O mecanismo de endurecimento dos aços para matrizes de conformação a quente é, principalmente, a precipitação de carbonetos finos. Destacam-se os carbonetos de Mo ou W, do tipo M2C, ou carbonetos de V, tipo MC. Nos aços com alto teor de Cr, destacam-se também os carbonetos M7C3, ricos em Cr, porém também com Mo e V em solução sólida. Apesar da alta estabilidade, esses carbonetos tendem a coalescer após longos tempos em altas temperaturas, tipicamente acima de 550 0C - condições facilmente atingidas nas regiões de trabalho da ferramenta. Como conseqüência, a dureza da região diminui, gerando desgaste ou deformação plástica a quente e causando a falha da ferramenta.In forging applications, the hot forging of steels, especially of mechanical steels applied to automotive parts, stands out. In such operations, forged billet has temperatures above 1100 ° C. During forming, it heats up the surface of the tool, the temperature reached the higher the contact time. The heat generated therefore requires high heat resistance from the steel employed. The hardening mechanism of steels for hot forming dies is mainly the precipitation of fine carbides. Noteworthy are carbides of Mo or W, type M2C, or carbides of V, type MC. High-Cr steels also include Cr-rich M7C3 carbides, but also Mo and V in solid solution. Despite their high stability, these carbides tend to coalesce after long periods of time at high temperatures, typically above 550 ° C - conditions easily reached in the working regions of the tool. As a result, the hardness of the region decreases, causing hot wear or plastic deformation and causing the tool to fail.
A melhoria da resistência do material à perda em dureza, ou resistência ao revenido, é assim fundamental para a melhoria do desempenho das ferramentas que possuem alto aquecimento. Exemplos destas aplicações são as ferramentas de forjamento a quente de peças de aço ou outras ligas metálicas, extrusão de ligas não ferrosas e matrizes para fundição de ligas não ferrosas (estas duas últimas aplicações sendo mais importantes para ligas de Al). O mesmo ocorre para outras aplicações, como extrusão ou fundição de ligas não ferrosas. Em forjamento de aço, por exemplo, as temperaturas das pré- formas a serem forjadas são da ordem de 1200 0C. Mesmo com o pequeno tempo de contato com as ferramentas (da ordem de segundos), o aquecimento 3/17 ..α^Improving the material's resistance to hardness loss or tempering resistance is thus critical to improving the performance of tools with high heat. Examples of such applications are hot forging tools for steel parts or other alloys, non-ferrous alloy extrusion and non-ferrous alloy casting dies (the latter two applications being more important for Al alloys). The same is true for other applications such as extrusion or non-ferrous alloy casting. In steel forging, for example, the temperatures of the preforms to be forged are in the order of 1200 ° C. Even with the short tool contact time (of the order of seconds), the heating 3/17 ..α ^
das suas regiões superficiais é expressivo, gerando perda em dureza, devido·!^,.. revenimento destas regiões. Em extrusão de ligas alumínio ou outras ligas não terrosas, a temperatura do tarugo é menor, da ordem de 400 a 600 0C. Porém, nestas aplicações, o tempo de contato é expressivamente mais longo (de dezenas de minutos a horas de operação). Além disso, o atrito local gerado pelo contato ferramenta/alumínio intensifica o aquecimento, aumentando a perda em dureza no aço ferramenta e, consequentemente, causando seu desgaste. Em matrizes de fundição sob pressão, o metal líquido é injetado em alta pressão e temperatura (da ordem de 700°.C), também promovendo o aquecimento da superfície da matriz. Neste caso, a falha ocorre principalmente por trincas de fadiga térmica, causadas pelo sucessivo aquecimento e resfriamento da região de trabalho da matriz. Mas, a elevada troca de calor do alumínio líquido e a superfície da matriz facilitam o aquecimento das regiões superficiais, gerando, como nas outras aplicações, perda em dureza e, devido a isto, facilitando a iniciação das trincas de fadiga.of its surface regions is expressive, causing loss in hardness due to tempering of these regions. In extrusion of aluminum alloys or other non-earth alloys, the billet temperature is lower, in the range of 400 to 600 ° C. However, in these applications, the contact time is significantly longer (from tens of minutes to hours of operation). In addition, the local friction generated by tool / aluminum contact intensifies heating, increasing the loss of hardness in the tool steel and consequently causing its wear. In die casting die casting, the liquid metal is injected at high pressure and temperature (around 700 ° C), also promoting the die surface heating. In this case, the failure occurs mainly by thermal fatigue cracks, caused by the successive heating and cooling of the matrix working region. However, the high heat exchange of the liquid aluminum and the matrix surface facilitate the heating of the superficial regions, generating, as in other applications, loss in hardness and, therefore, facilitating the initiation of fatigue cracks.
Este mecanismo de perda em dureza após aquecimento é, portanto, notoriamente importante nos aços ferramenta de trabalho a quente, sendo assim desejável aumento da resistência do material a este fenômeno. Em termos do aço empregado, a melhoria da resistência a quente é normalmente obtida com emprego de maiores teores de elementos formadores carbonetos secundários, como Mo, W e V, ou por endurecimento por solução sólida. Apesar de efetivos no aumento da resistência a quente, o aumento excessivo do teor de tais elementos implica na redução da tenacidade, piora da difusividade e condutividade térmica ou causa intenso aumento do custo do material. Esta última implicação econômica é especialmente importante nos dias atuais, visto o elevado aumento do custo das matérias primas utilizadas como fonte dos elementos de liga Mo, W e V.This mechanism of hardness loss after heating is therefore notoriously important in hot working tool steels, thus increasing the material's resistance to this phenomenon. In terms of steel employed, the improvement in hot strength is usually achieved by employing higher contents of secondary carbide forming elements such as Mo, W and V, or by solid solution hardening. Although effective in increasing heat resistance, excessive increase in the content of such elements implies reduced toughness, worsening diffusivity and thermal conductivity or causes intense material cost increase. This latter economic implication is especially important today, given the high cost of raw materials used as the source of Mo, W and V alloy elements.
Para situar a presente invenção, a seguir são descritos alguns dos aços utilizados, presentes no estado da técnica (cuja composição química é resumida na Tabela 1). Primeiramente destacam-se os aços H11 e H13, atualmente os aços ferramenta mais empregados em trabalho a quente. Estes materiais possuem 5% de Cr para garantir adequada temperabilidade e auxiliar na resistência a quente, 0,9%V e 1,2% Mo para melhoria da resistência a quente, e normalmente baixos teores de P e S para promover adequada tenacidade. Contudo, para a melhoria da resistência ao revenido, teores mais elevados de Mo seriam necessários. Os aços DIN 1.2365 e DIN 1.2367 são empregados neste sentido. Possuem alto teor de Mo, para promover melhoria da resistência a quente. Contudo, o aumento do teor deste elemento no DIN 1.2367 tende a reduzir sua tenacidade e a condutividade e difusividade térmica. No aço 1.2365, o esta redução da condutividade térmica pelo aumento do teor de Mo é contrabalanceada pela redução do teor de Cr. Porém, o reduzido teor de Cr promove menor temperabilidade, limitando as aplicações em ferramentas de grande porte.In order to situate the present invention, below are described some of the steels used, present in the prior art (whose chemical composition is summarized in Table 1). Firstly, the H11 and H13 steels stand out, currently the most widely used tool steels in hot work. These materials have 5% Cr to ensure adequate temperability and aid in hot strength, 0.9% V and 1.2% Mo for improved hot strength, and usually low P and S content to promote adequate toughness. However, to improve tempering resistance, higher Mo contents would be required. DIN 1.2365 and DIN 1.2367 steels are used in this regard. They have high Mo content, to promote improvement of hot strength. However, increasing the content of this element in DIN 1.2367 tends to reduce its toughness and thermal conductivity and diffusivity. In steel 1,2365, this reduction in thermal conductivity by increasing Mo content is offset by the reduction in Cr content. However, the reduced Cr content promotes lower temperability, limiting applications in large tools.
É importante explicar, neste momento, a preocupação com as propriedades de condutividade térmica e tenacidade. Durante o trabalho, o aumento da condutividade térmica é importante para que o aço ferramenta consiga mais rapidamente homogeneizar a diferença de temperaturas entre o material conformado e o núcleo da ferramenta, reduzindo as tensões e a incidência das trincas térmicas. E, na ocorrência dessas trincas, a tenacidade do material é também fundamental, uma vez que retarda sua propagação e, consequentemente, o dano por fadiga térmica. Assim, fica claro que o aumento isolado do teor de Mo, como realizado no aço DIN 1.2367 e DIN 1.2365, não é suficiente para melhoria global das propriedades de aços para trabalho a quente.It is important to explain at this time the concern with the properties of thermal conductivity and toughness. During work, increasing thermal conductivity is important so that the tool steel can more quickly homogenize the temperature difference between the shaped material and the tool core, reducing the stresses and the incidence of thermal cracks. And in the occurrence of these cracks, the toughness of the material is also fundamental, since it delays its propagation and, consequently, the damage due to thermal fatigue. Thus, it is clear that the isolated increase in Mo content as achieved in DIN 1.2367 and DIN 1.2365 steel is not sufficient for the overall improvement of the properties of hot work steels.
Tabela 1: Composição química típica dos aços do estado da técnica. A soma Mo + V + Co é colocada porque estes elementos possuem o maior custo, sendo muito relacionados ao custo final do aço ferramenta. Teores ν"';.Table 1: Typical chemical composition of state of the art steels. The sum Mo + V + Co is entered because these elements have the highest cost and are closely related to the final cost of the tool steel. Contents ν "';.
em porcentagem em massa e balanço em Fe. A soma Mo+W+V+Co é colocada,in mass percentage and balance in Fe. The sum Mo + W + V + Co is put,
Designação C Si Cr Mo W V Co Mo+W+ V+Co H11 0,36 1,0 5,0 1,2 - 0,5 - 1,7 H13 0,38 1,0 5,0 1,2 - 1,0 - 2,2 DIN 1.2365 0,36 0,3 2,8 2,8 - 0,5 - 3,3 DIN 1.2367 0,38 0,3 5,0 3,0 - 0,5 - 3,5 Pl 9909160-7 0,36 0,2 5,0 2,3 - 0,5 - 2,8Description C Si Cr Mo W V Co Mo + W + V + Co H11 0.36 1.0 5.0 1.2 - 0.5 - 1.7 H13 0.38 1.0 5.0 1.2 - 1 .0 - 2.2 DIN 1.2365 0.36 0.3 2.8 2.8 - 0.5 - 3.3 DIN 1.2367 0.38 0.3 5.0 3.0 - 0.5 - 3.5 Pl 9909160-7 0.36 0.2 5.0 2.3 - 0.5 - 2.8
Um aço foi desenvolvido mais recentemente, descrito na Pl 9909160-7. Este material utiliza, assim como no DIN 1.2367, o aumento do teor de Mo, mas com redução dos teores de Si e P para promover melhoria da tenacidade. Neste caso, o aumento de custo é evitado pelo emprego de um teor não muito elevado de Mo1 porém o ganho em resistência a quente não é expressivo em relação ao aço H13.A steel was most recently developed, described in Pl 9909160-7. As in DIN 1.2367, this material uses an increase in Mo content, but with a reduction in Si and P content to improve toughness. In this case, the cost increase is avoided by using a not very high Mo1 content but the gain in hot strength is not significant in relation to H13 steel.
Neste cenário, fica evidente a necessidade de um aço ferramenta com superior resistência a quente que o aço H13 do estado da técnica, porém sem utilização de excesso de elementos de liga que prejudiquem a condutividade térmica e o custo do material. Também, o material empregado deve possuir alta temperabilidade e, assim, poder ser aplicado em ferramentas de grandes dimensões. O aço da presente invenção vem, portanto, preencher todasIn this scenario, it is evident the need for a tool steel with superior hot strength than the state-of-the-art H13 steel, but without the use of excess alloying elements that impair thermal conductivity and material cost. Also, the material employed must have high temperability and thus be able to be applied to large tools. The steel of the present invention therefore fulfills all
essas necessidades.these needs.
Foi objetivo da invenção, primeiramente, o estudo da influência do teor de Cr e Mo nos aços ferramenta para trabalho a quente, sendo identificada uma sinergia dos dois elementos na resistência a quente. Mais especificamente, quando o aumento do teor de Mo é acompanhado pela redução do teor de Cr, um efeito mais significativo na resistência a quente é observado. Além disso, a redução do teor de Cr promove melhoria da condutividade térmica, revertendo assim o efeito negativo do aumento do teor de Mo. Por outro lado, o . Jyr /->/·, cf '9It was the object of the invention, firstly, to study the influence of Cr and Mo content on hot work tool steels, identifying a synergy of the two elements in hot strength. More specifically, when the increase in Mo content is accompanied by the reduction in Cr content, a more significant effect on hot strength is observed. In addition, reducing Cr content promotes improved thermal conductivity, thus reversing the negative effect of increasing Mo content. On the other hand, the. Jyr / -> / ·, cf '9
6/17 ££ 6/17
'.-ν, Rub-.'.-ν, Rub-.
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teor de Cr deve ser cuidadosamente balanceado, pois valores muito baixos", como comentado anteriormente, prejudicam a temperabilidade e limitam a aplicação em ferramentas de dimensões acima de 100 mm de secção média. Portanto, o material da presente invenção mostra uma composição química com arranjo ideal dos teores de Cr e Mo, capaz de superar as propriedades de resistência ao revenido dos aços do estado da técnica, sem elevação expressiva de custo e com adequada condutividade térmica, tenacidade e temperabilidade.Cr content should be carefully balanced, as very low values "as commented above, impair the temperability and limit the application on tools of dimensions above 100 mm of average section. Therefore, the material of the present invention shows an arrangement chemical composition Cr and Mo content, able to surpass the temper strength properties of state-of-the-art steels, without significant cost increase and with adequate thermal conductivity, toughness and temperability.
A fim de satisfazer as condições mencionadas anteriormente, o aço da presente invenção possui uma composição de elementos de liga que, em porcentagem de massa, consiste de:In order to satisfy the aforementioned conditions, the steel of the present invention has an alloying composition which, by weight, consists of:
• 0,20 a 0,50 C, preferencialmente 0,3 a 0,45 C, tipicamente• 0.20 to 0.50 C, preferably 0.3 to 0.45 C, typically
0,36 C.0.36 C.
• 3,0 a 4,0 Cr, preferencialmente 3,5 a 3,9 Cr, tipicamente 3,8 Cr.• 3.0 to 4.0 Cr, preferably 3.5 to 3.9 Cr, typically 3.8 Cr.
· 1,5 a 4,0 Mo, preferencialmente 2,0 a 3,0 Mo, tipicamente 2,5· 1.5 to 4.0 Mo, preferably 2.0 to 3.0 Mo, typically 2.5
Mo. Pela sua similaridade química com o W, o Mo pode ser substituído pelo W numa relação em que 2 partes em massa de W eqüivale a 1 parte de Mo.Mo. Because of its chemical similarity to W, Mo can be substituted for W in a ratio in which 2 parts by mass of W equals 1 part of Mo.
• 0,1 a 2,0 V, preferivelmente 0,3-1,0 V, tipicamente 0,5 V, sendo que o V pode ser parcialmente ou totalmente substituído por Nb, numa• 0.1 to 2.0 V, preferably 0.3-1.0 V, typically 0.5 V, where V may be partially or fully replaced by Nb in a
relação em que 1,0% de Nb corresponde a 0,5% de V.ratio where 1.0% Nb corresponds to 0.5% V.
• até 1,0 Si, preferencialmente até 0,5 Si, tipicamente 0,3 Si.Up to 1.0 Si, preferably up to 0.5 Si, typically 0.3 Si.
• Máximo 0,030 P, preferencialmente máximo 0,015 P, tipicamente máximo 0,010 P.• Maximum 0.030 P, preferably maximum 0.015 P, typically maximum 0.010 P.
Balanço em ferro e impurezas metálicas ou não metálicas inevitáveis ao processo de aciaria, em que as ditas impurezas não metálicas incluem, mas não estão limitadas aos seguintes elementos, em porcentagem em massa:Iron balance and metallic or non-metallic impurities unavoidable to the steelmaking process, wherein said non-metallic impurities include, but are not limited to the following elements, by weight:
• Máximo 0,10 S, preferencialmente máximo 0,020 S, tipicamente máximo 0,008 S. • Máximo 1,5 de Al, Mn ou Co, preferivelmente até 1,0 de Al, Mn ou Co, tipicamente abaixo de 0,5 de Mn, Al e Co.• Maximum 0.10 S, preferably maximum 0.020 S, typically maximum 0.008 S. • Maximum 1.5 Al, Mn or Co, preferably up to 1.0 Al, Mn or Co, typically below 0.5 Mn, Al and Co.
A seguir, são apresentadas as razões da especificação da composição do novo material. As porcentagens indicadas referem-se à porcentagem em massa.The following are the reasons for specifying the composition of the new material. The percentages given refer to the percentage by mass.
C: O carbono é o principal responsável pelo endurecimento da martensita em baixa temperatura. Juntamente com os elementos de liga, o carbono atua no endurecimento secundário, importante para o endurecimento em alta temperatura. Para estes efeitos, teores de carbono acima de pelo menos 0,20% são indicados, preferencialmente acima de 0,30%. Teores muito elevados, por outro lado, promovem excessiva precipitação de carbonetos em contornos de grão no momento da têmpera (especialmente quando teores de Mo e V são elevados), além de promover uma maior dureza e o aumento no volume de carbonetos secundários. Desta forma, a tenacidade em geral é prejudicada. Assim, o teor de C deve ser limitado ao máximo de 0,50%, preferencialmente abaixo de 0,40%. Esta limitação também contribui em reduzir a quantidade de austenita retida, evitando problemas de instabilidade dimensional e fragilidade.C: Carbon is primarily responsible for hardening martensite at low temperatures. Along with the alloying elements, carbon acts on secondary hardening, which is important for high temperature hardening. For these purposes, carbon contents above at least 0.20% are indicated, preferably above 0.30%. Very high grades, on the other hand, promote excessive carbide precipitation in grain boundaries at the time of quenching (especially when Mo and V levels are high), and promote higher hardness and increased secondary carbide volume. In this way the toughness in general is impaired. Thus, the C content should be limited to a maximum of 0.50%, preferably below 0.40%. This limitation also contributes to reducing the amount of retained austenite, avoiding problems of dimensional instability and brittleness.
Cr: O teor de cromo deve ser superior a 3,0%, preferencialmente superior a 3,5%, porque este elemento contribui para a temperabilidade, importante para aplicação em grandes ferramentas. Contudo, o teor deve ser limitado. Foi desenvolvido, na presente invenção, o conceito de reduzir o teor de Cr para promover um maior efeito da resistência ao revenido. Este efeito é importante, sendo obtida uma resistência ao revenido significativamente superior à dos aços do estado da técnica. Os mecanismos deste efeito devem estar relacionados à formação dos carbonetos secundários de Cr, tipo M7C3, que dissolvem Mo e V e são os primeiros carbonetos a se formar. Portanto, quanto menor o teor de Cr, menor o volume de carbonetos &Cr: Chromium content should be higher than 3.0%, preferably higher than 3.5%, because this element contributes to temperability, which is important for large tool applications. However, the content should be limited. The concept of reducing the Cr content to promote a greater effect of tempering resistance has been developed in the present invention. This effect is important and significantly superior temper strength is obtained than prior art steels. The mechanisms of this effect must be related to the formation of secondary carbides of Cr, type M7C3, which dissolve Mo and V and are the first carbides to form. Therefore, the lower the Cr content, the lower the carbide volume &
M7C3 e, assim, maior a quantidade de Mo e V disponíveis para o endurecimento secundário. O resultado final é uma resistência ao revenido significativamente superior quando o teor de Cr da liga é inferior ao das ligas do estado da técnica. E mesmo em relação à liga da Pl 9909160-7, tem-se um ganho expressivo de resistência ao revenido. Isto é significativo porque as ligas possuem teores equivalentes de Mo (um elemento de liga de alto custo), mostrando que a presente invenção é capaz de assumir valores elevados de resistência a quente sem demasiadamente aumentar o teor de Mo. Para todos esses efeitos, o teor de Cr deve estar abaixo dos 5,0% dos aços convencionais, sendo utilizado teor de Cr menor de 4,0%. Finalmente, o ajuste do teor de Cr identifica, na presente invenção, o valor ideal de Cr para maximizar a resistência ao revenido - entre 3,0% e 4,0%. Além da propriedade de resistência a quente, o menor teor de Cr auxilia no aumento da condutividade térmica, evitando o prejuízo desta propriedade com o aumento do teor de Mo. Esta menor faixa de Cr visa, portanto, um cuidadoso ajuste, visando máxima resistência ao revenido e adequada condutividade térmica.M7C3 and thus the greater the amount of Mo and V available for secondary hardening. The end result is significantly higher tempering resistance when the Cr content of the alloy is lower than that of prior art alloys. And even in relation to the alloy of Pl 9909160-7, there is a significant gain in tempering resistance. This is significant because the alloys have equivalent Mo contents (a high cost alloying element), showing that the present invention is capable of assuming high heat strength values without overly increasing the Mo content. For all these effects, Cr content must be below 5.0% of conventional steels, with Cr content lower than 4.0%. Finally, adjusting the Cr content in the present invention identifies the ideal Cr value for maximizing tempering resistance - between 3.0% and 4.0%. In addition to the hot strength property, the lower Cr content helps to increase thermal conductivity, avoiding the damage of this property with the increase of Mo content. This lower Cr range is therefore carefully adjusted for maximum tempering resistance and adequate thermal conductivity.
Mo e W: elevados teores de Mo são empregados, na liga da presente invenção, para elevar as propriedades de resistência ao revenido. Isto ocorre pela formação de carbonetos estáveis ricos em Mo no revenimento, principalmente o carboneto M2C. Assim, a liga da presente invenção deve possuir, no mínimo, 1,5%, preferencialmente acima de 2,0%. Por outro lado, teores muito elevados de Mo podem prejudicar a tenacidade, devido à precipitação de carbonetos pró-eutéticos no momento da têmpera, e podem aumentar significativamente o custo da liga, inviabilizando sua aplicação em muitas ferramentas. Portanto, o teor de Mo deve ser limitado em 4,0%, preferencialmente abaixo de 3,0%. Como o tungstênio e o molibdênio possuem efeitos análogos no aço ferramenta da presente invenção, formando carbonetos secundários tipo M2C ou M6C. Assim, podem ser especificados conjuntamente λ',ΓMo and W: High Mo contents are employed in the alloy of the present invention to increase tempering resistance properties. This occurs by the formation of stable Mo-rich carbides in tempering, mainly M2C carbide. Thus, the alloy of the present invention should be at least 1.5%, preferably above 2.0%. On the other hand, very high Mo contents may impair toughness due to precipitation of pro-eutectic carbides at the time of quenching, and may significantly increase the cost of the alloy, making it impractical for many tools. Therefore, the Mo content should be limited to 4.0%, preferably below 3.0%. As tungsten and molybdenum have similar effects on the tool steel of the present invention, forming secondary carbides type M2C or M6C. Thus, can be jointly specified λ ', Γ
através da relação tungstênio equivalente (Weq)1 dada pela soma W + 2Mo, que normaliza as diferenças de peso atômico dos dois elementos.through the tungsten equivalent ratio (Weq) 1 given by the sum W + 2Mo, which normalizes the atomic weight differences of the two elements.
V: O vanádio é primordialmente importante para a formação de carbonetos secundários tipo MC. Por serem muito finos, esses carbonetos atuam como barreiras ao movimento de linhas de discordâncias, elevando a resistência mecânica. Também auxilia no contorno do crescimento de grão, permitindo elevadas temperaturas de austenitização (acima de 1000 0C). Para estes afeitos o V deve estar acima de 0,1%, preferencialmente acima de 0,3%. Porém, teores excessivamente elevados de V podem gerar carbonetos primários, de difícil solubilização, reduzindo a tenacidade. Assim, o teor de V deve estar abaixo de 2,0%, preferencialmente abaixo de 1,0%.V: Vanadium is of prime importance for the formation of MC type secondary carbides. Because they are very thin, these carbides act as barriers to the movement of lines of disagreement, increasing the mechanical resistance. It also aids in contouring grain growth, allowing for high austenitization temperatures (above 1000 ° C). For these effects the V should be above 0.1%, preferably above 0.3%. However, excessively high levels of V can generate difficult to solubilize primary carbides, reducing toughness. Thus, the V content should be below 2.0%, preferably below 1.0%.
Si: o silício possui um forte efeito no endurecimento secundário e na tenacidade. Em altos teores, o Si aumenta a dureza secundária até temperaturas de revenido de 600°C. Porém, no estudo da presente invenção, a redução do teor de Si mostrou importante para reduzir a perda em dureza em alta temperatura, aumentando assim a resistência ao revenido. A redução do teor de Si também mostrou aumento expressivo da tenacidade, sendo este efeito aplicado na presente invenção. Portanto, o material da presente invenção deve possuir teor de Si abaixo de 1,0%, tipicamente abaixo de 0,5%. P: a redução do fósforo também promove expressivo aumentoSi: Silicon has a strong effect on secondary hardening and toughness. At high levels, Si increases secondary hardness to tempering temperatures of 600 ° C. However, in the study of the present invention, the reduction of Si content proved important to reduce hardness loss at high temperature, thereby increasing tempering resistance. The reduction in Si content also showed a significant increase in toughness, this effect being applied in the present invention. Therefore, the material of the present invention should have Si content below 1.0%, typically below 0.5%. P: The reduction of phosphorus also promotes significant increase
da tenacidade, porque este elemento segrega em contornos de grão e, assim, promove perda de coesão nestas regiões. Portanto, o teor de P deve estar abaixo de 0,030%, tipicamente abaixo de 0,015%.of tenacity, because this element segregates into grain contours and thus promotes loss of cohesion in these regions. Therefore, the P content should be below 0.030%, typically below 0.015%.
Residuais: Os outros elementos, como Mn e Al, devem ser entendidos como impurezas, relacionados aos processos de desoxidação de aciaria ou inerentes aos processos de fabricação. Portanto, limita-se o teor de Mn e Al a 1,5%, preferencialmente abaixo de 1,0%. O teor de Co também deve ser limitado nos mesmos valores, pois apesar de efeito benéfico na resistência a 10/17 ..daíW •fResiduals: Other elements, such as Mn and Al, should be understood as impurities, related to steelmaking deoxidation processes or inherent to manufacturing processes. Therefore, the Mn and Al content is limited to 1.5%, preferably below 1.0%. The Co content should also be limited to the same values, as despite the beneficial effect on resistance to 10/17.
β"β "
quente, incide muito fortemente no custo da liga. Em termos de formaçãp dê'"'" inclusões, deve-se controlar o teor de S, pois tais inclusões facilitam a fratura durante trabalho; assim, o teor de S deve estar abaixo de 0,050%, preferencialmente abaixo de 0,020%.hot, focuses very heavily on the cost of the alloy. In terms of forming "" "" inclusions, you should control the S content, as such inclusions facilitate fracture during work; thus, the S content should be below 0.050%, preferably below 0.020%.
A liga, conforme descrita, pode ser produzida na forma deThe alloy as described may be produced in the form of
produtos laminados ou forjados por processos convencionais ou especiais como a metalurgia do pó, conformação por spray ou fundição contínua, tais como fio- máquina, barras, arames, chapas e tiras.rolled or forged products by conventional or special processes such as powder metallurgy, spray forming or continuous casting such as wire rod, bars, wires, sheets and strips.
Na descrição seguinte de experimentos realizados, é feita referência às figuras anexas, em que:In the following description of experiments performed, reference is made to the attached figures, in which:
A Figura 1 mostra os efeitos do Si e P nas ligas 1 a 8, em termos de dureza após revenimento e tenacidade.Figure 1 shows the effects of Si and P on alloys 1 to 8 in terms of hardness after tempering and toughness.
A Figura 2 representa a comparação das ligas 1 a 8, porém evidenciando o efeito do P na tenacidade, em função da temperatura de revenido.Figure 2 shows the comparison of alloys 1 to 8, but showing the effect of P on toughness as a function of tempering temperature.
A Figura 3 mostra a distribuição de carbonetos nas ligas de alto e baixo teor de Si, evidenciando a melhor distribuição nestas últimas e, assim, justificando sua superior tenacidade.Figure 3 shows the distribution of carbides in the high and low Si alloys, showing the best distribution in the latter and thus justifying their superior toughness.
A Figura 4 compara a redução da dureza em função do tempo a 600°C, indicando a resistência ao revenido. Quanto mais deslocada para a direita, maior a resistência ao revenido da liga.Figure 4 compares the hardness reduction as a function of time at 600 ° C, indicating tempering resistance. The farther to the right, the greater the resistance to tempering the alloy.
A Figura 5 representa a comparação dos valores de condutividade térmica, para algumas das ligas estudadas.Figure 5 represents the comparison of the thermal conductivity values for some of the studied alloys.
A Figura 6 mostra o comparativo de tenacidade das ligas 9 a 12 e das ligas Pl 1 e Pl 2; dados obtidos pelo ensaio de impacto sem entalhe (corpos de prova de 7 χ 10 mm2) e Charpy V.Figure 6 shows the comparative toughness of alloys 9 to 12 and alloys P1 and P1; data obtained by the notched impact test (7 χ 10 mm2 specimens) and Charpy V.
A Figura 7 representa uma foto completa e em detalhe do punção de forjamento a quente, no qual o aço Pl 2, produzido industrialmente, foi aplicado e comparado com o aço H13 do estado da técnica. Observar em (a)1â^v falhas por desgaste e trincas e, em (b), o perfil de dureza, mostrando a queda nas regiões de trabalho (distância da superfície = zero).Figure 7 is a complete and detailed photo of the hot forging punch in which industrially produced P 2 steel was applied and compared with prior art H13 steel. Observe in (a) 1a ^ v wear and crack failures and in (b) the hardness profile showing the fall in the working regions (surface distance = zero).
EXEMPLO 1: Efeito do Silício e do Fósforo: Foram produzidos inicialmente oito lingotes experimentais,EXAMPLE 1: Effect of Silicon and Phosphorus: Eight experimental ingots were initially produced,
para avaliar o efeito do Si e P no aço H11, presente no estado da técnica. As composições são mostradas na Tabela 2. Os resultados de dureza e impacto são mostrados na Figura 1. Pode ser observado o forte efeito do Si na elevação dureza para temperaturas de revenido abaixo de 500°C, porém o mesmo efeito não ocorre em temperaturas de revenido acima de 600°C, sendo equivalentes às durezas das ligas com alto e baixo teor de Si. O efeito do P é comparado na Figura 2, para várias temperaturas de revenido. Neste caso, observa-se que a redução de P promove melhoria significativa na tenacidade das ligas de alto Si, porém um menor efeito nas ligas de baixo Si. Portanto, os resultados mostram que a melhor combinação,to evaluate the effect of Si and P on H11 steel present in the state of the art. The compositions are shown in Table 2. The hardness and impact results are shown in Figure 1. The strong effect of Si on raising hardness can be observed at tempering temperatures below 500 ° C, but the same effect does not occur at tempered above 600 ° C, being equivalent to the hardness of the high and low Si alloys. The effect of P is compared in Figure 2 for various tempering temperatures. In this case, it is observed that the reduction of P promotes significant improvement in the toughness of high Si alloys, but a lesser effect on low Si alloys. Therefore, the results show that the best combination,
em termos de tenacidade, seriam ligas com baixo teor de P e Si. Ligas de alto teor de Si apenas se justificam em situações nas quais durezas acima de 52 HRC são empregadas e, para tanto, temperaturas de revenido abaixo de 600°C são empregadas. Nestes casos, a redução de P é ainda mais importante. Os motivos para estes importantes efeitos do Si e do P nãoin terms of toughness, they would be low P and Si alloys. High Si alloys are only warranted in situations where hardness above 52 HRC is employed and tempering temperatures below 600 ° C are employed. . In these cases, the reduction of P is even more important. The reasons for these important effects of Si and P are not
estão totalmente definidos, porém resultados científicos preliminares conduzidos pelos inventores desta patente mostraram relação com a formação de carbonetos secundários. Nas ligas de alto Si, os carbonetos secundários tendem a ficar concentrados em regiões de alta difusão (contornos de ripa ou de grão), devido à dificuldade imposta pelo Si a formação da cementita. Nas ligas de baixo Si, por outro lado, a cementita é rapidamente formada, levando a uma melhor distribuição dos carbonetos secundários de liga, formados em temperaturas mais altas. As imagens de microscopia eletrônica de transmissão da Figura 3 exemplificam estas observações.are fully defined, but preliminary scientific results conducted by the inventors of this patent have shown to be related to the formation of secondary carbides. In high Si alloys, secondary carbides tend to be concentrated in regions of high diffusion (clapboard or grain boundaries), due to the difficulty imposed by Si on the formation of cementite. In low Si alloys, on the other hand, cementite is rapidly formed, leading to a better distribution of secondary alloy carbides formed at higher temperatures. The transmission electron microscopy images of Figure 3 exemplify these observations.
Tabela 2: Composições químicas dos diferentes teores de Si é P estudados na liga H11, do estado da técnica._Table 2: Chemical compositions of the different Si and P contents studied in the state-of-the-art H11 alloy.
Liga: 1 2 3 4 5 6 7 8 C 0,36 0,34 0,36 0,36 0,36 0,35 0,36 0,35 Si 0,05 0,32 0,98 1,92 0,05 0,33 1,01 1,90 Mn 0,35 0,35 0,35 0,35 0,34 0,35 0,35 0,35 P 0,023 0,028 0,024 0,012 0,012 0,012 0,011 0,008 S 0,004 0,004 0,004 0,003 0,004 0,004 0,005 0,003 Co 0,06 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,06 Cr 5,09 5,13 5,06 5,08 5,08 5,03 5,10 5,05 Mo 1,28 1,31 1,33 1,24 1,32 1,32 1,33 1,23 Ni 0,20 0,19 0,19 0,20 0,19 0,20 0,19 0,20 V 0,44 0,44 0,42 0,41 0,44 0,44 0,45 0,43 W 0,10 0,11 0,11 0,10 0,11 0,10 0,11 0,10 Nb <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 Al 0,029 0,020 0,023 0,036 0,024 0,022 0,036 0,043 Weq (=W+2Mo) 1,48 1,53 1,55 1,44 1,54 1,52 1,55 1,43Alloy: 1 2 3 4 5 6 7 8 C 0.36 0.34 0.36 0.36 0.36 0.35 0.36 0.36 0.35 Si 0.05 0.32 0.98 1.92 0, 05 0.33 1.01 1.90 Mn 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 P 0.023 0.028 0.024 0.012 0.012 0.012 0.011 0.008 S 0.004 0.004 0.004 0.003 0.004 0.004 0.005 0.003 Co 0.06 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.06 Cr 5.09 5.13 5.06 5.08 5.08 5.03 5.10 5.05 Mo 1.28 1.31 1.33 1.24 1.32 1.32 1.33 1.23 Ni 0.20 0.19 0.19 0.20 0.19 0.20 0.19 0.20 V 0.44 0.44 0.42 0.41 0.44 0.44 0.45 0.45 0.43 W 0.10 0.11 0.11 0.10 0.11 0.10 0.11 0.10 Nb <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 Al 0.029 0.020 0.023 0.036 0.024 0.022 0.036 0.043 Weq (= W + 2Mo) 1.48 1.53 1.55 1.44 1.54 1.52 1.55 1.43
EXEMPLO 2: Efeito do Cr e Mo:EXAMPLE 2: Effect of Cr and Mo:
Para a definição do efeito do Cr e Mo1 foram produzidos maisFor the definition of the effect of Cr and Mo1 were produced more
7 lingotes experimentais, compreendendo 4 aços do estado da técnica: H11, H13 e o aço descrito na Pl 9909160-7 e duas ligas propostas para a presente invenção (ver Tabela 3). Estas duas composições apresentam as vantagens de redução de Si e P descrita no exemplo 1, porém diferentes balanços de Cr e Mo. Como comentado, o objetivo das ligas Pl 1 e PI2 é a obtençãoExperimental ingots, comprising 4 state-of-the-art steels: H11, H13 and the steel described in Pl 9909160-7 and two alloys proposed for the present invention (see Table 3). These two compositions have the reduction advantages of Si and P described in Example 1, but different Cr and Mo balances. As commented, the goal of Pl 1 and PI 2 alloys is to obtain
de maior resistência à perda em dureza, ou seja, resistência ao revenido. Por isso, a redução da dureza após vários tempos de exposição a 600°C foi avaliada, sendo os resultados obtidos mostrados na Tabela 4. Os incrementos de tempo foram realizados de modo logarítmico, como poder ser visto no gráfico da Figura 4b. Estes resultados mostram que, comparando as ligas Pl 1 e H11, existe 13/17greater resistance to hardness loss, ie tempering resistance. Therefore, the hardness reduction after various exposure times at 600 ° C was evaluated, and the results obtained are shown in Table 4. The time increments were performed logarithmically, as can be seen from the graph in Figure 4b. These results show that, comparing Pl 1 and H11 alloys, there are 13/17
,Ο*, Ο *
Fte..Fte ..
KuV..KuV ..
também um aumento na resistência a quente apenas com a modificação doâb^s teores de Si e P (mas o efeito deve, provavelmente, estar relacionado apenas ao Si, pois o P não atua na formação de carbonetos).also an increase in heat resistance only with modification of Si and P contents (but the effect should probably be related only to Si, since P does not act on carbide formation).
Porém, este ganho de resistência a quente com a redução do teor de Si não é suficiente para obtenção de resultados expressivamente maiores que do H13. Portanto, o aumento do teor de Mo foi aplicado, mas acompanhado da redução concomitante do teor de Cr na liga Pl 2. Neste caso, observa-se uma expressiva variação da resistência a quente, proporcionando maior dureza após o mesmo tempo de exposição. E, conforme a Figura 4a, a mesma queda em dureza obtida no aço H13 ocorre após tempos muito superiores no caso da liga da Pl 2. Por exemplo, a redução da dureza de 45 HRc para 35 HRC, na temperatura de 600°C, ocorre após 25 horas, enquanto o mesmo fenômeno ocorre na liga Pl 2 apenas após 60 horas.However, this gain in hot strength with the reduction of Si content is not sufficient to obtain results significantly higher than H13. Therefore, the increase of Mo content was applied, but accompanied by the concomitant reduction of Cr content in Pl 2 alloy. In this case, there was a significant variation in hot strength, providing greater hardness after the same exposure time. And, as shown in Figure 4a, the same hardness drop in H13 steel occurs after much longer times in the case of Pl 2 alloy. For example, the hardness reduction from 45 HRc to 35 HRC at a temperature of 600 ° C, occurs after 25 hours, while the same phenomenon occurs in the Pl 2 alloy only after 60 hours.
Esta expressiva melhoria de resistência ao revenido está relacionada ao aumento do teor de Mo mas também a redução do teor de Cr. Este efeito é nítido se comparadas as diferenças da liga PI2 e da liga 12 (patente Pl 9909160-7). E, também, explica os elevados resultados de resistência ao revenido da liga 11.This significant improvement in tempering resistance is related to the increase of Mo content but also the reduction of Cr content. This effect is clear when comparing the differences of alloy PI2 and alloy 12 (patent P 9909160-7). It also explains the high alloy tempering resistance results 11.
Tabela 3: Composições químicas dos aços do estado daTable 3: Chemical compositions of the state steels
técnica e das propostechnique and proposals
as da presente invenção.of the present invention.
Liga: 9 10 11 12 Pl 1 Pl 2 OBS: H11 H13 DIN 1.2365 Patente 9909160-7 Presente invenção C 0,36 0,4 0,31 0,35 0,35 0,35 Si 1,02 0,96 0,3 0,13 0,3 0,31 Mn 0,48 0,34 0,3 0,49 0,27 0,3 P 0,025 0,023 0,023 0,009 0,007 0,01 S 0,005 0,006 0,005 0,005 0,005 0,006 Co 0,02 0,02 0,01 0,02 0,01 0,02 Cr 5,03 5,23 2,85 4,99 4,96 3,78Alloy: 9 10 11 12 Pl 1 Pl 2 NOTE: H11 H13 DIN 1.2365 Patent 9909160-7 Present invention C 0.36 0.4 0.31 0.35 0.35 0.35 Si 1.02 0.96 0, 3 0.13 0.3 0.31 Mn 0.48 0.34 0.3 0.49 0.27 0.3 P 0.025 0.023 0.023 0.009 0.007 0.01 S 0.005 0.006 0.005 0.005 0.005 0.006 Co 0.02 0 0.01 0.02 0.01 0.02 Cr 5.03 5.23 2.85 4.99 4.96 3.78
\\
oThe
- co- co
!"Λ Liga: 9 10 11 12 Pl 1 Pl 2 Mo 1,4 1,31 2,8 2,28 1,39 2,49 Ni 0,19 0,20 0,20 0,19 0,20 0,19 V 0,34 0,85 0,5 0,57 0,42 0,52 W 0,03 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 Nb <0,010 0,02 0,02 0,01 <0,010 0,005 Al <0,005 0,014 0,019 0,009 <0,005 0,005 Weq (=W+2Mo) 2,8 2,6 5,6 4,6 2,8 5,0 W+ Mo + Co+ V 1,79 2,2 3,33 2,89 1,84 3,05! "Λ Alloy: 9 10 11 12 Pl 1 Pl 2 Mo 1.4 1.31 2.8 2.28 1.39 2.49 Ni 0.19 0.20 0.20 0.19 0.20 0, 19 V 0.34 0.85 0.5 0.57 0.42 0.52 W 0.03 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 Nb <0.010 0.02 0.02 0, 01 <0.010 0.005 Al <0.005 0.014 0.019 0.009 <0.005 0.005 Weq (= W + 2Mo) 2.8 2.6 5.6 4.6 2.8 5.0 W + Mo + Co + V 1.79 2.2 3 .33 2.89 1.84 3.05
Tabela 4: Perda em dureza após exposição, a 600°C, porTable 4: Hardness loss after exposure at 600 ° C for
diversos tempos. Dureza inicial em torno de 45several times. Initial hardness around 45
Liga 9 Liga 10 Liga 11 Liga 12 Pl 1 Pl 2 %Cr e Mo: 5Cr 1,4Mo 5,2Cr 1,3Mo 2,8Cr 2,8Mo 5,OCr 2,3Mo 5,OCr 1,4Mo 3,8Cr 2,5Mo Inicial 45,5 44,6 45,3 45,7 44,9 45,4 3h 43,3 43,5 44,7 44,1 43,3 44,8 10h 39,6 41,3 43,8 41,8 40,8 43,7 30h 34,4 36,1 41,0 37,6 36,9 40,5 100h 31,1 30,7 36,0 32,0 32,1 34,5Alloy 9 Alloy 10 Alloy 11 Alloy 12 Pl 1 Pl 2% Cr e Mo: 5Cr 1.4Mo 5.2Cr 1.3Mo 2.8Cr 2.8Mo 5, OCr 2.3Mo 5, OCr 1.4Mo 3.8Cr 2, 5Mo Initial 45.5 44.6 45.3 45.7 44.9 45.4 3h 43.3 43.4 44.7 43.3 44.8 10h 39.6 41.3 43.8 41 , 40.8 43.7 30h 34.4 36.1 41.0 37.6 36.9 40.5 100h 31.1 30.7 36.0 32.0 32.1 34.5
HRC.HRC.
Apesar do interessante efeito na resistência ao revenido, os teores de Cr não podem ser demasiadamente baixos, para não prejudicar a temperabilidade e, assim, limitar a aplicação em ferramentas de grandes dimensões. Este pode ser considerado o principal empecilho do aço DIN 1.2365 (liga 11) do estado da técnica, com ótima resistência ao revenido, mas baixa temperabilidade. A Tabela 5 exemplifica esta problemática do Cr e da temperabilidade, baseada em resultados do ensaio de dilatometria. A composição Pl 2 pode ser considerada ideal neste aspecto, com menor teor de Cr que o aço H13 (liga 10), para promover melhor resistência ao revenido, mas não tão baixo quanto o aço DIN 1.2365 (liga 11). O maior teor de Mo da liga Pl 2 15/17 >r'·' _ ηDespite the interesting effect on tempering resistance, the Cr contents cannot be too low, so as not to impair temperability and thus limit application to large tools. This can be considered the main drawback of state-of-the-art DIN 1.2365 (Alloy 11) steel, with excellent tempering resistance but low temperability. Table 5 exemplifies this Cr and temperability problem based on dilatometry assay results. The composition P 2 can be considered ideal in this respect, with lower Cr content than H13 (alloy 10) steel, to provide better tempering resistance, but not as low as DIN 1.2365 (alloy 11) steel. Highest Mo content of alloy Pl 2 15/17> r '·' _ η
" " Ά"" Ά
também auxilia em atingir adequados níveis de temperabilidade, compensaiido q, efeito da redução do teor de Cr e garantindo a aplicação em ferramentas de grande porte.It also assists in achieving adequate temperability levels, compensating q, Cr effect reducing effect and ensuring application in large tools.
Uma outra vantagem em utilizar menor teor de Cr que na liga 12 e das outras ligas do estado da técnica é a possibilidade de manter adequada condutividade térmica. Como mostra a Figura 5, esta propriedade é diminuída com o aumento do teor de Mo (comparar ligas 12 e 10), mas aumenta com a redução do teor de Cr (ligas 11 e Pl 2). Portanto, além de ideal para resistência a quente, a combinação dos teores de Cr e Mo da liga Pl 2 permite manutenção da condutividade térmica em níveis até superiores aos do aço tradicional H13 (liga 10).Another advantage of using lower Cr content than alloy 12 and other prior art alloys is the ability to maintain adequate thermal conductivity. As shown in Figure 5, this property is decreased with increasing Mo content (comparing alloys 12 and 10), but increasing with decreasing Cr content (alloys 11 and P1). Therefore, in addition to being ideal for heat resistance, the combination of Cr and Mo contents of Pl 2 alloy allows the maintenance of thermal conductivity to levels even higher than traditional H13 (alloy 10) steel.
Tabela 5: Resultados da curva TRC dos aços estudados, utilizados para avaliação da temperabilidade. Quanto menor a taxa crítica e maior a dureza obtida após resfriamento a 0,1 0C, maior a temperabilidade.Table 5: Results of the TRC curve of the steels studied, used for temperability evaluation. The lower the critical rate and the higher the hardness obtained after cooling to 0.1 ° C, the higher the temperability.
1515
Liga 10 Liga 11 Liga 12 PM Pl 2 H13 DIN 1.2365 Pl 9909160-7 Taxa crítica para início da formação de bainita (°C/s) 0,2 8,0 0,3 0,5 0,5 Dureza obtida após resfriamento a 0,1 °C/s (HV) 538 389 534 512 486Alloy 10 Alloy 11 Alloy 12 PM Pl 2 H13 DIN 1.2365 Pl 9909160-7 Critical rate for onset of bainite formation (° C / s) 0.2 8.0 0.3 0.5 0.5 Hardness obtained after cooling a 0.1 ° C / s (HV) 538 389 534 512 486
Um outro ganho das ligas Pl 1 e Pl 2, em relação as ligas do estado da técnica H11, H13eDIN 1.2365 (ligas 9 a 11) é a superior tenacidade. Estes resultados podem ser comparados na Figura 6. Em especial, destaca-se o ganho da liga Pl 2 em relação à liga 11, que também possui elevada resistência ao revenido. Ou seja, além da superior temperabilidade, o balanço de composição química da Pl 2 torna esta liga significativamente mais tenaz que a liga 11.0 efeito, neste caso, está principalmente associado a redução dos teores de Si e P, como discutido no exemplo 1. EXEMPLO 3: teste de campo "íAnother gain of Pl 1 and Pl 2 alloys over the prior art alloys H11, H13eDIN 1.2365 (alloys 9-11) is the superior toughness. These results can be compared in Figure 6. In particular, we highlight the gain of alloy P 2 in relation to alloy 11, which also has high tempering resistance. That is, in addition to the superior temperability, the chemical composition balance of P 2 makes this alloy significantly more tenacious than the alloy 11.0 effect, in which case it is mainly associated with reduced Si and P contents as discussed in example 1. EXAMPLE 3: field test
A seguir é detalhado um estudo de campo, em que a liga Pff jyv . foi comparada ao aço H13, em ferramentas de forjamento. Os resultados foram analisados baseando-se nos modos de falha e nas propriedades dos materiais. O processo em questão trata de um forjamento a morno deThe following is a detailed field study in which Pff jyv. was compared to steel H13 in forging tools. Results were analyzed based on failure modes and material properties. The process in question deals with a warm forging of
alta velocidade (ver Figura 7a). Apesar dos tarugos forjados terem menor temperatura que a usual de forjamento a quente, a alta velocidade do processo torna elevado o contato entre o tarugo aquecido e a matriz, aquecendo sua superfície.high speed (see Figure 7a). Although forged billets have a lower than usual hot forging temperature, the high process speed makes the contact between the heated billet and the die high by heating its surface.
O processo também emprega elevada refrigeração,The process also employs high cooling,
promovendo assim choque térmico na região superficial. Dados do processo: Produto: ponta de eixo.thus promoting thermal shock in the surface region. Process data: Product: shaft end.
Ferramenta: punção de forjamento a morno de precisão. Material forjado: aço SAE 1045 e 1050 modificados. Temperatura do tarugo: aproximadamente 900 0C. Refrigeração: elevada, com água. Velocidade de aplicação dos golpes: elevada. Aço ferramenta utilizado anteriormente: AISI H13 (dureza 53 HRC). Aço testado: Pl 2, na mesma dureza.Tool: Precision warm forging punch. Forged material: modified SAE 1045 and 1050 steel. Billet temperature: approximately 900 0C. Cooling: High, with water. Stroke application speed: high. Previously used tool steel: AISI H13 (hardness 53 HRC). Steel tested: Pl 2, same hardness.
A Figura 7a mostra o punção analisado após fim de vida. Como este tipo de forjamento produz peças com alta precisão dimensional, desvios de décimos de milímetros comprometem a peça produzida. O fim de vida é causado por desgaste nas regiões salientes arredondadas e pelo surgimento de trincas térmicas (ver Fig. 7a). Após fim de vida, a matriz foi destruída e analisada. A Figura 7b mostra os dados de dureza em função da distância da superfície de contato, observando-se sua diminuição para as regiões próximas à superfície. O desgaste está efetivamente relacionado a esta perda em dureza Λ*Figure 7a shows the puncture analyzed after end of life. As this type of forging produces parts with high dimensional accuracy, deviations of tenths of millimeters compromise the part produced. End of life is caused by wear on the rounded protruding regions and the appearance of thermal cracks (see Fig. 7a). After end of life, the matrix was destroyed and analyzed. Figure 7b shows the hardness data as a function of distance from the contact surface, observing its decrease for near surface regions. Wear is actually related to this loss in hardness Λ *
ν ·· *f <·Λ'ν ·· * f <· Λ '
durante o trabalho, sendo pouco afetado pela dureza do núcleo. O surgimento das trincas térmicas também tem relação com a perda em dureza, pois regiões de menor dureza tornam-se mais sensíveis à iniciação de trincas térmicas. O aumento da resistência ao revenimento do material torna-se, portanto, essencial para promover aumento na vida útil desta ferramenta.during work, being little affected by the hardness of the core. The emergence of thermal cracks is also related to the loss in hardness, as regions of lower hardness become more sensitive to thermal crack initiation. Increasing the tempering resistance of the material is therefore essential to increase the tool life.
O aço da presente invenção, Pl 2, foi então testado e aprovado para a aplicação, promovendo aumento de 56% da vida útil das ferramentas. Em valores numéricos, eram forjadas cerca de 5.000 peças com H13 até o fim de vida da ferramenta e este número aumentou para 7.500 peças com o aço Pl 2; A análise comparativa das curvas de revenimento e da queda em dureza em função do tempo para os aços H13 (Liga 10) e Pl 2, Figuras 4 e 6, permite entender bem o fenômeno. Em ambos existe perda em dureza quando o aço é submetido a altas temperaturas, tanto maior quanto maior o tempo e a temperatura empregada. Contudo, verifica-se uma maior estabilidade a alta temperatura da liga Pl 2. Assim, durante o processo de forjamento, a falha ocorrerá após um maior número de golpes, produzindo o ganho de rendimento observado.The steel of the present invention, Pl 2, was then tested and approved for application, promoting a 56% increase in tool life. In numerical values, about 5,000 pieces were forged with H13 until the end of the tool life and this number increased to 7,500 pieces with Pl 2 steel; Comparative analysis of tempering curves and hardness drop as a function of time for H13 (Alloy 10) and Pl 2 steels, Figures 4 and 6, allows a good understanding of the phenomenon. In both there is loss in hardness when the steel is subjected to high temperatures, the greater the time and temperature employed. However, higher stability is observed at high temperature of Pl 2 alloy. Thus, during the forging process, the failure will occur after a greater number of strokes, producing the observed yield gain.
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