BRPI1000558A2

BRPI1000558A2 - objeto de aço trabalhado a frio

Info

Publication number: BRPI1000558A2
Application number: BRPI1000558-7A
Authority: BR
Inventors: Gerhard Jesner; Devrim Caliskanoglu
Original assignee: Boehler Edelstahl Gmbh & Co Kg
Priority date: 2009-03-12
Filing date: 2010-03-11
Publication date: 2011-03-22
Also published as: CA2696389C; EP2233596A1; AT508591A1; CA2696389A1; DK2233596T3; AT508591B1; US8298313B2; SI2233596T1; US20100233500A1; BRPI1000558B1; EP2233596B1

Abstract

OBJETO DE AçO TRABALHADO A FRIO. A presente invenção refere-se a um objeto de aço trabalhado a frio, em particular, a uma ferramenta, que contém os elementos de liga carbono, manganês, silício, cromo, molibdênio, vanádio e tungstênio, opcionaímente o elemento niábio, bem como, elementos secundários com um teor abaixo de 0,4 % em peso, e elementos impuros e ferro como resíduo. A fim de criar um material que, de modo simples, durante o endurecimento e têmpera térmica da estrutura, transforme essa estrutura para grandes profundidades martensíticas, e forneça uma alta dureza de material e tenacidade durante o revenido, de acordo com a invenção está previsto que, o aço tenha uma respectiva concentração dos elementos de liga com a seguinte % em peso: C=de 1,1 al,7 Mn=de 0,1 aO,6 0Si =de 0,4a 1,1 Cr = de 5,6 a 7,0 Mo = de 1,2 a 1,8 V = de 3,5 a 3,9 W=de 1,1 a5,0 opcionalmente Nb = até 1,0 com relação à metalurgia de pá, através da atomização de uma fusão e compressão em alta temperatura (HIP) do pó obtido deste modo, éformado um objeto que pode ser deformado opcionalmente a quente, formado e endurecido através de endurecimento e têmpera térmica, e apresen- ta uma dureza de material de, pelo menos, 60 HRC com uma tenacidade de material medida através de energia de impacto maior que 50 J de acordo com a SEP 1314.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "OBJETO DEAÇO TRABALHADO A FRIO".

A presente invenção refere-se a um objeto de aço trabalhado afrio, em particular, a uma ferramenta com uma grande profundidade de en-durecimento e têmpera ou alta capacidade de endurecimento e têmperacom esfriamento rápido que contém os elementos de liga carbono, manga-nês, silício, cromo, molibdênio, vanádio e tungstênio, opcionalmente o ele-mento nióbio, bem como, elementos secundários com um teor abaixo de 0,4% em peso, e elementos impuros e ferro como resíduo.

Em particular a invenção refere-se a uma ferramenta revestidacom material duro a uma temperatura mais alta que 500°C.

Aços trabalhados a frio são ligas que, no estado endurecido etemperado termicamente, apresentam um perfil de propriedades com altadureza, alta resistência ao desgaste, bem como, alta tenacidade de material,sendo que, uma boa capacidade de acabamento e especial estabilidadedimensional durante o endurecimento e revenido representam critérios im-portantes. Estes aços trabalhados a frio são empregados, entre outras coi-sas, como ferramentas na técnica de estampagem da moldagem de materialsintético, para o corte fino como partes de matrizes e similares. De acordocom a técnica de ligas, na aplicação prática, em geral, estes materiais deaço trabalhado a frio são orientados para a fabricação de ferramentas e pa-ra os critérios de carga principal.

Para uma alta resistência ao desgaste e uma alta estabilidadede forma de ferramentas são importantes, de preferência, uma dureza de,pelo menos, 60 HRC e um alto teor de carboneto com uma distribuição uni-forme de carboneto com uma matriz do material de alta resistência. Contu-do, neste caso, deveria poder ser aplicada uma tecnologia de endurecimen-to e têmpera simples para as partes, sendo que, é necessária uma desejadasuposição de dureza profunda do material sob a superfície de resfriamentobrusco.

Para ferramentas ou partes, sobre as quais deve ser aplicadauma camada de material duro especial, por exemplo, uma camada de nitra-to, carbonitrato ou oxicarboneto dos elementos tungstênio, cromo, alumínioe similares, com uma temperatura de revestimento acima de 500°C, alémdisso, o substrato, portanto, o objeto de aço trabalhado a frio, precisa man-ter esta carga de temperatura através do tempo de revestimento exigido ounecessário, ou não sofrer nenhuma queda essencial nos valores de proprie-dades, em particular, da dureza e tenacidade do material.

Partindo das exigências com relação a um perfil de propriedadesmelhoradas abrangentes em um objeto de aço trabalhado a frio, à invençãocabe a tarefa de criar um material termicamente endurecido e temperado, oqual, em temperaturas ajustáveis, de modo usual e simples, entre 1030°C e1080°C com resfriamento reforçado, seja transformado em grandes profun-didades em uma estrutura martensítica, apresente alta dureza de material etenacidade durante o revenido, e que seja estável no revenido até tempera-turas acima de 500°C com períodos de tratamento de até várias horas, eapresente alta resistência ao desgaste.

Esta tarefa é solucionada pelo fato de que, o aço ou a liga combase de ferro possui uma respectiva concentração dos elementos de ligacom a seguinte % em peso:

C = 1,1 a 1,7Mn = 0,1 a 0,6Si = 0,4 a 1,1Cr = 5,6 a 7,0Mo = 1,2 a 1,8V = 3,5 a 3,9W = 1,1 a 5,0

com relação à metalurgia de pó, através da atomização de umafusão e compressão em alta temperatura (HIP) do pó obtido deste modo, éformado um objeto que pode ser moldado opcionalmente a quente, formadoe endurecido através de endurecimento e têmpera térmica, e apresenta umadureza de material de, pelo menos, 60 HRC com uma tenacidade de materi-al medida através da energia de impacto maior que 50 J de acordo com aSEP 1314.As vantagens obtidas com a invenção são dadas, em essência,no fato de que, em sua concentração prevista, respectivamente, no material,os elementos de liga, como foi encontrado, sob o princípio do efeito de trocado formador de carboneto com a concentração de carbono são ajustados,de tal modo que, no caso de uma alta velocidade de solidificação, obtidaatravés da fabricação por metalurgia de pó, a formação das fases de carbo-netos e a solidificação da matriz através da deformação atômica da grade,apresentam alta resistência à abrasão e resistência de material, com altaresistência de revenido e grande tenacidade de material.

Os elementos efetivos, formando carboneto, do quinto e sextogrupos na tabela periódica formam, dependendo da concentração, em parti-cular, da atividade de carbono e da temperatura, carbonetos com distintasestruturas de cristal e propriedades na matriz. Em outras palavras: carbone-tos, apresentando estrutura de cristal cúbica do tipo MC, M4C3 e M23C6 ecarbonetos com estrutura hexagonal ou trigonal do tipo, M2C e partes deMC, bem como, M7C3 são formados de acordo com a respectiva atividadede carbono conforme a respectiva concentração dos elementos de metal,formando carbonetos, no efeito de troca do teor de carbono livre disponível,pelo que é ajustada uma distribuição de quantidade especificada dos tiposde carbonetos na matriz e, através de átomos de liga incluídos, livres é obti-da uma deformação da grade que reforça o material.

Portanto, a fim de obter uma formação de carboneto e um efeitode troca dos elementos naquela forma, na qual as propriedades do materialdesejadas no produto podem ser obtidas, é importante ajustar no aço, comum teor de carbono de 1,1 a 1,7 % em peso, uma respectiva concentraçãodos formadores de carboneto para uma % em peso de cromo de 5,6 a 7,0,de molibdênio de 1,2 a 1,8, de vanádio de 3,5 a 3,9 e tungstênio de 1,1 a5,0. Deste modo, são ajustados os monocarbonetos, carbonetos mistos euma concentração de carbono e elementos na matriz, com vista às proprie-dades desejadas do material.

Como é familiar ao especialista, um objeto de aço trabalhado afrio de acordo com a invenção só pode ser construído na fabricação do ma-terial por metalurgia de pó com uma estrutura de textura que, eventualmentetambém em uma conformação a quente, fornece as condições prévias parao perfil de propriedades do material de acordo com a tarefa, sendo que, umadureza maior que 60HRC e uma tenacidade com a dimensão da energia deimpacto maior que 50 J representam os limites inferiores.

No caso de um aperfeiçoamento particularmente vantajoso dainvenção está previsto que o aço contenha até 1% em peso de Nb desdeque, o valor

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seja menor do que 88, de preferência, menor que 39.

Esta medida de técnica de liga atua refinando sobre o tamanhodo grão de carboneto e se baseia, como encontrado, no efeito do nióbio du-rante a solidificação da fusão homogênea na presença de carbono e de ou-tros elementos que formam carbonetos.

Os elementos vanádio como forte formador de monocarbonetos,bem como, tungstênio e moiibdênio, os quais formam carbonetos de M2C ede MC moldam, em geral, carbonetos mistos maiores. Em contrapartida, onióbio possui somente uma pequena tendência para a formação de carbo-netos mistos, apresenta, portanto, monocarbonetos finos distribuídos demodo homogêneo, os quais são altamente efetivos como embriões de car-boneto, e que finalmente fornecem um tamanho de grão de carboneto redu-zido na matriz.

Se, a concentração de, pelo menos, um elemento de liga apre-sentar os seguintes valores de % em peso:

C = maior que 1,2, menor que 1,6, de preferência, de 1,35 a 1,55Mn = maior que 0,2, menor que 0,55, de preferência, de 0,3 a 0,5Si = maior que 0,45, menor que 1,0, de preferência, de 0,5 a 0,9Cr = maior que 5,7, menor que 6,9, de preferência, de 5,8 a 6,530 Mo = maior que 1,3, menor que 1,7, de preferência, de 1,4 a 1,6V = maior que 3,55, menor que 3,9, de preferência, de 3,6 a 3,8W = maior que 1,9, menor que 4,5, de preferência, de 3,1 a 4,4Nb = maior que 0,1, menor que 0,9, de preferência, de 0,4 a 0,75então, o perfil de propriedades do objeto de aço trabalhado a friopode ser melhorado. Isto se refere, em particular, ao elemento tungstênio noefeito de troca com o nióbio na faixa de estreitas atividades de carbono.

Quanto mais próxima estiver a área da concentração do cromoem torno de um valor médio de cerca de 6,2, tanto mais vantajoso, comoresultou das experiências, ocorre uma formação de estrutura durante o en-durecimento e têmpera, porque, por um lado, só é dada pouca estabilidadeda austenita residual e, por outro lado, existe grande capacidade de têmperacom estriamento repentino.

Um objeto de aço trabalhado a frio com excelentes propriedadespode ser fabricado com a máxima economia se, na superfície de trabalho,este objeto tiver um revestimento, que é aplicado durante o revenido comuma temperatura de, pelo menos, 500°C, eventualmente de 550° ou maisalta.

Deste modo podem ser realizados, pelo menos, um tratamentode revenido simultaneamente com um revestimento de superfície, e podeser obtida uma resistência de aderência excelente da camada. Uma justifi-cativa econômica porque uma aplicação simultânea de um revestimento eum tratamento de revenido do objeto endurecido acima de 500°C causauma aderência maior da camada de desgaste, ainda não foi dada até omomento.

Quando, de modo vantajoso, para um perfil de propriedades, oobjeto de aço trabalhado a frio apresenta uma dureza de material maior que62 HRC, em particular, de 63 a 65 HRC, com uma tenacidade de materialmedida através de uma energia de impacto maior que 50 J de acordo com aSEP 1314, em particular, maior que 55 J, é dada uma aplicabilidade abran-gente da liga com altas cargas.

Se, em seguida a uma têmpera e endurecimento térmicos, foraplicado um revestimento de material duro sobre o objeto por uma hora oumais a uma temperatura acima de 500°C até 550°C, com isto, não é dadanenhuma piora das propriedades do material.Em seguida, a invenção deverá ser esclarecida em detalhes pormeio dos resultados do desenvolvimento, que representam somente ummodo de execução.

Dos exames foram escolhidos dois aços com composições quí-micas semelhantes, contudo, com teores de nióbio diferentes.

Alguns resultados de teste estão indicados e, eventualmente,comparados a seguir. A composicao das ligas resulta da tabela 1.

<table>table see original document page 56</column></row><table>

Tabela 1

Na tabela 2, das ligas K490 e K490-So, estão indicados os valo-res médios de seis experimentos iguais da energia de impacto A em [J] deacordo com a SEP 1314, bem como, os valores de dureza medidos em[HRC] dos materiais que foram, respectivamente, endurecidos a uma tempe-ratura de austenitização Ta de 1080°C, e foram revenidos em quatro tempe-raturas distintas três vezes duas horas.

<table>table see original document page 56</column></row><table>

Tabela 2

A figura 1 e a figura 2 mostram os valores da tabela 1 em repre-sentação gráfica.

Por meio dos valores da tabela 2 e das representações gráficasna figura 1 e na figura 2 o especialista reconhece uma alta tenacidade dematerial das ligas do aço trabalhado a frio de acordo com a invenção, duran-te a têmpera e o endurecimento acima de 60 HRC. Este valor limite da du-reza de 60 HRC, que para muitos objetos na aplicação prática freqüente-mente é tornado condição de fornecimento, como foi encontrado, pode serobtido em um revenido com uma temperatura de até 570°C com um aque-cimento em três vezes com uma duração de 2 horas. Com isto é possívelobter o emprego de processos de revestimento para uma aplicação de ca-madas de material duro, que, por motivos cinéticos se desenvolvem em al-tas temperaturas de 540°C e mais altas, de máxima resistência à aderênciano substrato e, deste modo, melhorar essencialmente as propriedades deuso de objetos de aço trabalhados a frio.

De acordo com uma execução da invenção, por meio da adiçãode nióbio (K490-So), pode ser aumentada ainda mais, em particular, a tena-cidade do material endurecido e temperado, com uma dureza, em essência,igual.

Como mostram os exames com alta ampliação das estruturasda textura, isto pode ser atribuído a um refinamento do grão de carboneto.

A figura 3 mostra, por exemplo, o material K490 com estruturafina, o qual foi obtido através de uma fabricação por PM.

Como revelado na figura 4, o tamanho das partículas de carbo-neto pode ser reduzido por meio de adição de Nb, no caso em questão de0,46% em peso, o que causa um aumento da tenacidade do material. Liga-do com isto estão uma dissolução mais rápida de carbonetos durante a aus-tenitização do material, e uma transformação martensítica, durante a disso-lução, para profundidades maiores do objeto.

A figura 5 e a figura 5A mostram a desmoldagem e a composi-ção de carbonetos, os quais surgiram durante um efeito de embrião de NbC.

Como mostrado na figura 5, com relação à matriz, os carbonetos de tungs-tênio e molibdênio que aparecem com alta clareza são menores e limitadosde modo mais exato. Em oposição a isto, os carbonetos de nióbio, de molib-dênio, de tungstênio e de vanádio são formados com ampla passagem paraa matriz. O exame da composição de carboneto mostra, como se conclui dafigura 5A, o efeito de embrião de NbC durante a moldagem de carboneto.

Claims

1. Objeto de aço trabalhado a frio, em particular, ferramenta comgrande profundidade de endurecimento e têmpera ou alta capacidade deendurecimento e têmpera com esfriamento rápido, que contém os elemen-tos de liga carbono, manganês, silício, cromo, molibdênio, vanádio e tungs-tênio, opcionalmente o elemento nióbio, bem como, elementos secundárioscom um teor abaixo de 0,4 % em peso e elementos impuros e ferro comoresíduo, caracterizado pelo fato de que, o aço possui uma respectiva con-centração dos elementos de liga com a seguinte % em peso:C = 1,1 a 1,7Mn = 0,1 a 0,6Si = 0,4 a 1,1Cr = 5,6 a 7,0Mo = 1,2 a 1,8V = 3,5 a 3,9W = 1,1 a 5,0com relação à metalurgia de pó, através da atomização de umafusão e compressão em alta temperatura (HIP) do pó obtido deste modo, éformado um objeto que pode ser deformado opcionalmente a quente, for-mado e endurecido através de endurecimento e têmpera térmica, e apresen-ta uma dureza de material de, pelo menos, 60 HRC com uma tenacidade dematerial medida através de energia de impacto maior que 50 J de acordocom a SEP 1314.

2. Objeto de aço trabalhado a frio de acordo com a reivindicação-1, caracterizado pelo fato de que, o aço contém até 1% em peso de Nb,desde que o valor <formula>formula see original document page 9</formula> seja menor do que 88. <formula>formula see original document page 9</formula>

3. Objeto de aço trabalhado a frio de acordo com a reivindicação-1 ou 2, caracterizado pelo fato de que, a concentração de, pelo menos, umelemento de liga apresenta os seguintes valores de % em peso:C = maior que 1,2, menor que 1,6, de preferência, de 1,35 a 1,55Mn = maior que 0,2, menor que 0,55, de preferência, de 0,3 a 0,5Si = maior que 0,45, menor que 1,0, de preferência, de 0,5 a 0,9Cr = maior que 5,7, menor que 6,9, de preferência, de 5,8 a 6,5Mo = maior que 1,3, menor que 1,7, de preferência, de 1,4 a 1,6V = maior que 3,55, menor que 3,9, de preferência, de 3,6 a 3,8W = maior que 1,9, menor que 4,5, de preferência, de 3,1 a 4,4Nb = maior que 0,1, menor que 0,9, de preferência, de 0,4 a 0,75

4. Objeto de aço trabalhado a frio de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que, na superfície detrabalho, este objeto tem um revestimento, que é aplicado durante o reveni-do com uma temperatura de, pelo menos, 500°C, eventualmente de 550°C emais alta.

5. Objeto de aço trabalhado a frio de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que, o objeto apresentauma dureza de material maior que 62 HRC, em particular, de 63 a 65 HRC,com uma tenacidade de material medida através de uma energia de impactomaior que 60 J de acordo com a SEP 1314, em particular, maior que 65 J.

6. Objeto de aço trabalhado a frio de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que, o objeto apresentaum revestimento de material duro aplicado com uma temperatura acima de500°C.