BR0210339B1 - aço para trabalho a frio. - Google Patents

Description

"AÇO PARA TRABALHO A FRIO"

Campo Técnico da Invenção

A presente invenção se refere a um aço paratrabalho a frio, isto é, um aço idealizado para ser usadono processamento de um material, na condição fria domaterial. Exemplos típicos de utilização de tal aço incluemas ferramentas para cisalhamento (corte) e estampagem(puncionamento), rosqueamento, por exemplo, para matrizesde laminação rosqueadas e machos de abrir roscas;ferramentaria de extrusão a frio, prensagem de pó,repuxamento profundo e facas de máquinas. A invenção tambémse refere ao uso de um aço para a fabricação de ferramentasde trabalho a frio, à fabricação de aço e às ferramentasfeitas deste aço.

Fundamentos da Invenção

Diversas exigências são levantadas no campo doaço de trabalho a frio de alta qualidade, incluindo umaapropriada dureza para a aplicação, uma alta resistência aodesgaste e uma alta tenacidade. Para uma ferramenta deótimo desempenho, são essenciais uma alta resistência aodesgaste e uma satisfatória tenacidade.

O VANADIS® 4 é um aço para trabalho a frio de umpó metalúrgico fabricado e comercializado pelo presentedepositante, oferecendo uma combinação extremamentesatisfatória de alta resistência e tenacidade paraferramentas de alto desempenho. O aço apresenta a seguintecomposição nominal em peso%: 1,5 C, 1,0 Si, 0,4 Mn, 8,0 Cr,1,5 Mo, 4,0 V, balanço de ferro e inevitáveis impurezas. Oaço é especialmente adequado para aplicações onde odesgaste de aderência e/ou formação de cavacos são osproblemas dominantes, isto é, com materiais deprocessamento moles/aderentes, tais como, aço inoxidávelaustenitico, aço carbono brando, alumínio, cobre, etc., etambém com materiais de processamento mais grossos.

Exemplos típicos de ferramentas de trabalho a frio, onde oaço pode ser usado, são aqueles que foram mencionados nopreâmbulo acima. De um modo geral, o VANADIS® 4, que ématéria da Patente Sueca No. 457.356, é caracterizado porapresentar uma boa resistência ao desgaste, altaresistência à pressão, boa característica de têmpera, muitoboa tenacidade, muito boa estabilidade dimensional quandosubmetido a tratamento térmico e boa resistência à têmpera;todas essas características são importantes característicasde um aço para trabalho a frio de alto desempenho.

0 Depositante também tem divulgado no documentode patente WO 01/25499, um aço tendo a seguinte composiçãoquímica em peso%: 1,0-1,9 C, 0,5-2,0 Si, 0,1-1,5 Mn, 4,0-5,5 Cr, 2,5-4,0 (Mo+W/2), entretanto no máximo 1,0 W, 2,0-4,5 (V+Ni/2) , entretanto no máximo 1,0 Ni, balanço de ferroe impurezas e tendo uma microestrutura que na condição deendurecimento e de têmpera do aço contém 5-12% em volume decarbonetos-MC, dos quais pelo menos 50% em volumeapresentam um tamanho maior que 3,0 μπι, porém menor que 25μπι. Essa microestrutura é obtida por conformação porpulverização de um lingote. A composição e a microestruturagarantem as características do aço que são adequadas paralaminadores para laminação a frio, incluindo adequadatenacidade e resistência ao desgaste. Além disso, édivulgado no documento de patente EP 0 630 984 Al um aço dealta velocidade fabricado de modo convencional por fundiçãode lingote. De acordo com um exemplo descrito, o aço contém0,69 C, 0,80 Si, 0,30 Mn, 5,07 Cr, 4,03 Mo, 0,98 V, 0,041N, e balanço de ferro. Este aço, cuja microestrutura tambémé mostrada no documento de patente, após as etapas detempera e revenimento, continha um total de 0,3% em volumede carbonetos do tipo M2C e M6C e 0,8% em volume decarbonetos do tipo MC. Estes últimos apresentaram umformato essencialmente esférico e o grande tamanho que étípico de aços de alto teor de vanádio fabricado de modoconvencional, compreendendo a fundição de lingotes. O aço édito como sendo adequado para "processamento plástico".

O aço acima mencionado VANADIS® 4, já vem sendofabricado há cerca de 15 anos e devido às suas excelentescaracterísticas alcançou uma posição de liderança nomercado de aços para trabalho a frio de alto desempenho. Éagora objetivo do presente Depositante oferecer um aço paratrabalho a frio de alto desempenho tendo ainda melhorescaracterísticas de tenacidade que o VANADIS® 4, enquantooutras características são mantidas ou aperfeiçoadas emrelação ao VANADIS® 4. 0 campo de uso do aço, em princípio,é o mesmo que o do VANADIS® 4.

Divulgação da Invenção

Os objetivos acima podem ser alcançados medianteum aço que apresenta a seguinte composição química empeso%: 1,25-1,75% (C + Ν), entretanto, pelo menos 0,5% deC; 0,1-1,5% de Si; 0,1-1,5% de Mn; 4,0-5,5% de Cr; 2,5-4,5%(Mo+W/2), entretanto, um máximo de 0,5% de W; 3,0-4,5%(V+Nb/2) , entretanto, um máximo de 0,5% de Nb; um máximo de0,3% de S; balanço de ferro e impurezas inevitáveis; e umamicroestrutura que na condição das etapas de endurecimentoe de têmpera do aço contém de 6-13% em volume decarbonetos-MX, nitretos-MX e/ou carbonitretos-MX ricos emvanádio, que se encontram uniformemente distribuídos namatriz do aço, onde X é carbono e/ou nitrogênio, em quepelo menos 90%. em volume dos ditos carbonetos, nitretose/ou carbonitretos apresentam um diâmetro equivalente (Deq)menor que 3,0 μπι, preferencialmente menor que 2,5 μιτι em umaseção pesquisada do aço; e um máximo total de 1% em volumede outros carbonetos, nitretos ou carbonitretospossivelmente existentes. Os carbonetos apresentam umformato predominantemente redondo ou arredondado, mas podemocorrer carbonetos individuais mais longos. O diâmetroequivalente Deq é definido nesse contexto como: Deq = 2 VΑ/π, onde A é a superfície da partícula do carbeto na seçãopesquisada. Tipicamente, pelo menos 98% em volume doscarbonetos-MX, nitretos-MX e/ou carbonitretos-MX apresentamum Deq <3,0 μπι. Normalmente, os carbonetos/nitretos/carbonitretos são também em tal proporção noformato de esferas, que nenhum carbeto apresenta umaextensão real na seção pesquisada que exceda a 3,0 μπι.

Na condição da etapa de endurecimento, a matrizconsiste essencialmente de martensita, que contém 0,3-0,7,preferencialmente 0,4-0,6% de C na composição sólida. O açoapresenta uma dureza de 54-66 HRC após as etapas de têmperae revenimento.

Na condição de recozimento pleno, o aço apresentauma matriz ferrítica contendo 8-15% em volume decarbonetos-MX, nitretos-MX e/ou carbonitretos-MX ricos emvanádio, dos quais pelo menos 90% em volume apresentam umdiâmetro equivalente menor que 3,0 μπι, preferencialmentetambém menor que 2,5 μπι e um máximo de 3% em volume deoutros carbonetos, nitretos ou carbonitretos.

Se de outro modo não for indicado, sempre peso% éreferido como concernente à composição química e volume% éreferido como concernente à composição estrutural do aço.

No que se refere aos elementos individuais deliga e suas mútuas relações, estrutura do aço e seutratamento térmico, as seguintes observações se aplicam.

O carbono deve existir numa quantidade suficienteno aço, a fim de formar nas etapas de têmpera e revenimentodo aço, em combinação com nitrogênio, vanádio epossivelmente nióbio existente, e em algum grau também comoutros metais, 6-13% em volume, preferencialmente 7-11% emvolume de carbonetos-MX, nitretos-MX ou carbonitretos-MX etambém existir na solução sólida na matriz do aço, nacondição de endurecimento do aço, numa quantidade de 0,3-0,7, preferencialmente, 0,4-0,6% em peso. Adequadamente, oteor de carbono dissolvido na matriz do aço é de cerca de0,53%. A quantidade· total de carbono e nitrogênio no aço,incluindo o carbono que é dissolvido na matriz do aço maiso carbono que é ligado aos carbonetos, nitretos oucarbonitretos, isto é, % (C+N) deve ser de pelo menos1,25%, preferencialmente de pelo menos 1,35%, enquanto oteor máximo de C+N pode atingir 1,75%, preferencialmente,um máximo de 1,60%.

De acordo com uma primeira modalidade preferidada invenção, o aço não contém mais nitrogênio do que iráinevitavelmente existir no aço devido à absorção doambiente e/ou pelo suprimento de matérias-primas, isto é,um máximo de 0,12%, preferencialmente um máximo de cerca de0,10%. Entretanto, de acordo com uma modalidade concebida,o aço pode conter um maior teor intencionalmente adicionadode nitrogênio, que pode ser suprido através da nitretaçãoda fase sólida do pó de aço que é usado na fabricação doaço. Nesse caso, a parte principal de C+N pode consistir denitrogênio, . o . que implica que as ditas partículas de MXpodem consistir principalmente de carbonitretos de vanádio,em que o nitrogênio é o substancialmente ingrediente juntocom o vanádio ou ainda consistir de nitretos de vanádiopuro, enquanto o carbono existe essencialmente apenas comoum ingrediente dissolvido na matriz do aço, na condição deendurecimento e têmpera do dito aço.

O silício está presente como um resíduo dafabricação de aço, numa quantidade de pelo menos 0,1%normalmente numa quantidade de pelo menos 0,2%. O silícioaumenta a atividade do carbono no aço e, portanto,contribui para produzir um aço com adequada dureza. Se oteor de silício for demasiadamente alto, problemas decaracterísticas quebradiças poderão surgir, pelo fato doendurecimento da solução, pelo que, portanto, o teor máximode silício no aço é de 1,5%, preferencialmente no máximo de1,2%, adequadamente no máximo de 0,9%.

O manganês, cromo e molibdênio devem existir noaço numa suficiente quantidade a fim de produzir um aço comadequado endurecimento. O manganês também tem a função deligar aquelas quantidades de enxofre que podem existir noaço para formar sulfetos de manganês. Portanto, o manganêsdeve existir numa quantidade de 0,1-1,5%, preferencialmentenuma quantidade de 0,1-1,2%, adequadamente de 0,1-0,9%.

O cromo- deve existir numa quantidade de pelomenos 4,0%, preferencialmente de pelo menos 4,5% a fim deproporcionar ao aço um desejado endurecimento em combinaçãocom, primeiramente molibdênio, mas, também, com manganês.No entanto, o teor de cromo não deve exceder 5,5%,preferencialmente não exceder 5,2%, a fim de que carbonetosde cromo indesejados não sejam formados no aço.

O molibdênio deve existir numa quantidade de pelomenos 2,5% a fim de proporcionar ao aço um desejadoendurecimento, apesar do limitado teor de manganês e cromoque caracteriza o aço. Preferencialmente, o aço deve conterpelo menos 2,8%, adequadamente pelo menos 3,0% demolibdênio. No máximo, o aço pode conter 4,5%,preferencialmente um máximo de 4,0% de molibdênio, a fim deque o aço não contenha indesejados carbonetos-MéC ao invésda desejada quantidade de carbonetos-MC. Teores mais altosde molibdênio podem ainda causar indesejada perda demolibdênio devido à oxidação, em conexão com a fabricaçãodo aço. A principio, o molibdênio pode completa ouparcialmente ser substituído por tungstênio, mas para isso,duas vezes ou mais de tungstênio será necessário, quandocomparado ao molibdênio, o que é inconveniente. Também,qualquer sucata que possa ser produzida em conexão com afabricação do aço ou em conexão com a fabricação de artigosfeitos de aço, será de menor valor para reciclagem se o açocontiver significativas quantidades de tungstênio.

Portanto, o tungstênio não deve existir numa quantidade demais que 0,5%, preferencialmente um máximo de 0,3%,adequadamente um máximo de 0,1%. De modo mais conveniente,o aço não deve conter qualquer tungstênio intencionalmenteadicionado, que, de acordo com a modalidade mais preferida,não deve ser tolerado mais do que como uma impureza, naforma de um elemento residual proveniente das matérias-primas que são usadas em conexão com a fabricação do aço.

O vanádio deve existir no aço numa quantidade depelo menos 3,0%, mas não mais que 4,5%, preferencialmentepelo menos 3,4% e nò máximo de 4,0%, a fim de, junto com ocarbono e nitrogênio, formar os ditos carbonetos-MX,nitretos-MX e/ou carbonitretos-MX, numa quantidade total de6-13%, preferencialmente de 7-11% em volume, na condição deendurecimento e têmpera do aço. Em princípio, o vanádiopode ser substituído por nióbio, mas para isso, duas vezesou mais de nióbio será necessário, quando comparado aovanádio, o que é inconveniente. Além disso, o nióbio podeprovocar o efeito de que os carbonetos, nitretos e/oucarbonitretos possam obter um formato mais agudo e seremmaiores que os carbonetos, nitretos e/ou carbonitretos devanádio puro, o que pode causar o início de rupturas ou decavacos, reduzindo, portanto, a tenacidade do material.

Portanto, o nióbio não deve existir numa quantidade queexceda 0,5%, preferencialmente um máximo de 0,3% eadequadamente um máximo de 0,1%. De modo mais conveniente,o aço não deve conter qualquer nióbio intencionalmenteadicionado. Na modalidade mais preferida do aço, portanto,o nióbio deve ser tolerado apenas como uma impurezainevitável, na forma de um elemento residual provenientedas matérias-primas que são usadas em conexão com afabricação do aço.

De acordo com uma primeira modalidade, o enxofrepode existir como uma impureza numa quantidade de não maisque 0,03%. No entanto, afim de melhorar a usinabilidade doaço, é concebivvel que o aço, de acordo com uma modalidade,contenha enxofre intencionalmente adicionado, numaquantidade de até um máximo de 0,3%, preferencialmente nomáximo de 0,15%.

Na fabricação do aço, primeiro é preparado umvolume de aço fundido contendo teores idealizados decarbono, silício, manganês, cromo, molibdênio,possivelmente tungstênio, vanádio, possivelmente nióbio,possivelmente enxofre acima do nível de impureza,nitrogênio em um grau inevitável, balanço de ferro eimpurezas. A partir do material fundido, o pó é fabricadomediante emprego de atomização de gás nitrogênio. As gotasque são formadas na atomização do gás, são resfriadasbastante rapidamente, de modo que os carbonetos de vanádioe/ou carbonetos mistos de vanádio e nióbio formados nãotenham suficiente tempo para crescimento, permanecendo deespessura extremamente fina, de apenas uma fração de ummicrômetro e obtenham um formato pronunciadamenteirregular, devido ao fato de que os carbonetos sãoprecipitados em regiões que permanecem contendo materialfundido nas redes dos dendritos, nas gotículas de rápidasolidificação, antes das gotículas se solidificaremcompletamente para formação dos grânulos de pó. Se o açoainda contiver nitrogênio acima do nível de impurezainevitável, o fornecimento de nitrogênio pode ser realizadomediante nitretação do pó, por exemplo, na maneira descritano documento de patente SE 4 62.837.

Após peneiramento, que é executado antes danitratação se o pó for nitretado, o pó é enchido emcápsulas, que são submetidas a vácuo, fechadas e submetidasà prensagem isostática a quente (HIP) (sigla em Inglês de"hot isostatic pressing") em uma maneira que é conhecidaper si, sob alta temperatura e alta pressão (950-1200°C e90-150 MPa); tipicamente sob temperatura de cerca de 1150°Ce pressão de 100. MPa, de modo que o pó é consolidado paraformação de um corpo completamente denso.

Mediante a operação HIP, os carbonetos, nitretose/ou carbonitretos obtêm um formato muito mais regular queno pó. A grande maioria, com referência a volume, apresentaum tamanho de no máximo cerca de 1,5 μπι e um formatoarredondado. As partículas individuais são ainda alongadase um pouco maiores, no máximo de cerca de 2,5 μπι, Atransformação provavelmente é atribuída a uma combinação deuma desintegração das partículas bastante finas no pó ecoalescência.

O aço pode ser usado na condição da operação HIPrealizada. Normalmente, o aço é processado a quente emseguida à operação HIP, através de forjamento e/oulaminação a quente. Isso é realizado em uma temperaturainicial entre 1050°C e 1150°C, preferencialmente a umatemperatura de cerca de 1100°C. Isso provoca posteriorcoalescência e, acima de tudo, "globularização" (formaçãode esferas) dos carbonetos, nitretos e carbonitretos. Pelomenos 90% em volume dos carbonetos apresentam um tamanhomáximo de 2., 5 μΓη, preferencialmente, um tamanho máximo de2,0 μιη após o forjamento e/ou laminação a quente.

A fim de que o aço seja capaz de ser usinado pormeio de ferramentas de corte, o mesmo deve primeiro serrecozido mole. Isto é realizado a uma temperatura abaixo de950°C, preferencialmente em uma temperatura de cerca de900°C, a fim de inibir o crescimento dos carbonetos,nitretos e carbonitretos. Portanto, o material recozidomole é caracterizado por uma distribuição muito finamentedispersa de partículas MX numa matriz ferrítica, que contém8-15% em volume de carbonetos-MX, nitretos-MX e/oucarbonitretos-MX, dos quais pelo menos 90% em volumeapresenta um diâmetro equivalente menor que 3,0 μπι,preferencialmente também menor que 2,5 μιτι e no máximo 3% emvolume de outros carbonetos, nitretos e/ou carbonitretos.

A ferramenta é submetida às etapas de têmpera erevenimento quando a mesma obtém seu formato final, atravésdo tipo de corte da usinagem. A austenitização é realizadaà temperatura entre 940 e 1150°C, preferencialmente, a umatemperatura abaixo de 1100°C, a fim de evitar indesejávelgrande dissolução dos carbonetos-MX, nitretos-MX ecarbonitretos-MX. Uma temperatura de austenitizaçãoadequada é entre 1000 e 1040°C. O revenimento pode serexecutado a uma temperatura entre 200 e 560°C, tanto numatemperatura, baixa de revenimento entre 200 e 250°C, comonuma temperatura alta de revenimento entre 500 e 560°C. Oscarbonetos-MX, nitretos-MX e carbonitretos-MX sãodissolvidos em um certo grau na austenitização, de modo quepossam ser depois precipitados em conexão com a têmpera. 0resultado final é a microestrutura que é típica dainvenção, notadamente uma estrutura que consiste demartensita revenida e, nessa martensita revenida, 6-13% emvolume, preferencialmente 7-11% em volume de carbonetos-MX,nitretos-MX e carbonitretos-MX, onde M essencialmenteconsiste de vanádio e X consiste de carbono e nitrogênio,preferencialmente, substancialmente carbono, de cujoscarbonetos, nitretos e/ou carbonitretos, pelo menos 90% emvolume apresentam um diâmetro equivalente de no máximo 2,5μπι, preferencialmente, no máximo de 2,0 μπι e um totalmáximo de 1% em volume de possíveis outros tipos decarbonetos, nitretos ou carbonitretos existentes namartensita temperada. Antes da etapa de tempera, amartensita contém 0,3-0,7%, preferencialmente, 0,4-0,6% decarbono na solução sólida.

Adicionais características e aspectos da invençãose tornarão evidentes a partir do conhecimento dasreivindicações anexas e da seguinte descrição deexperimentos realizados.

Breve Descrição dos Desenhos

Na descrição seguinte de testes executados, seráfeito referência aos desenhos anexos, em que:

- a Figura 1 mostra em grande ampliação, a microestruturade um pó de metal do tipo usado para a fabricação do aço deacordo com a invenção;

- a Figura 2 mostra a microestrutura do mesmo material deaço após a operação de prensagem isostática a quente (HIP),entretanto, com uma menor ampliação;

- a Figura 3 mostra o mesmo material de aço da Figura 2,após o forjamento;

- a Figura 4 mostra a microestrutura de um material dereferência após a operação de HIP e forjamento;

- a Figura 5 mostra a microestrutura do aço de acordo com ainvenção após as etapas de têmpera e revenimento;

- a Figura 6 mostra a microestrutura do material dereferência após as etapas de têmpera e revenimento;

- a Figura 7 representa um diagrama mostrando a dureza deum aço de acordo com a invenção e a dureza de um materialde referência, versus a temperatura de austenitização;

- a Figura 8 mostra a dureza de um aço de acordo com ainvenção e a dureza de um material de referência, versus atemperatura de austenitização; e

- a Figura 9 mostra curvas características de dureza paraum aço de acordo com a invenção e um aço de referência.

Descrição de Testes Executados

A composição química dos aços testados é indicadana Tabela 1. Nessa Tabela, o teor de tungstênio é indicadopara alguns dos aços, cujo teor existente no aço seapresenta como um resíduo de matérias-primas que são usadaspara a fabricação do aço, sendo considerado, dessa forma,uma pureza inevitável. O enxofre, que é indicado paraalguns dos aços, também é considerado como uma impureza. Oaço contém também outras impurezas, as quais não excedem onível normal de impurezas e que não são indicadas naTabela. 0 balanço da composição é ferro. Na Tabela 1, osaços BeC apresentam uma composição química de acordo coma invenção. Os aços A, D, EeF são materiais dereferência, mais particularmente, do tipo VANADIS® 4.

Tabela 1 - Composição Química em peso% de Aços Testados

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n.a. = não-analisado

Os volumes de aço fundido com as composiçõesquímicas dos aços A-F de acordo com a Tabelai, forampreparados conforme a técnica metalúrgica convencional defusão. Pós de metal foram produzidos a partir do materialfundido mediante atomização de gás nitrogênio de umacorrente dè metal fundido. As gotas formadas foramresfriadas de modo bastante rápido. A microestrutura do açoB foi examinada e a estrutura é mostrada na Figura 1. Comoé evidente dessa figura, o aço contêm carbonetos formadosde modo bastante irregular e bastante finos, que foramprecipitados nas regiões remanescentes que continham metalfundido na rede de dendritos.

O material submetido à operação de HIP foi tambémproduzido em escala menor a partir dos aços AeB. 10 kg depó de cada um dos aços AeB foram enchidos em cápsulas delâminas metálicas que foram fechadas, submetidas a vácuo eaquecidas à temperatura de 1150°C, sendo depois submetidasà prensagem isostática a quente (HIP) em temperatura decerca de 1150°C e pressão de 100 MPa. Na operação de HIP, aestrutura de carbeto obtida originariamente do pó foiquebrada, ao mesmo tempo em que os carbonetos coalesceram.

O resultado que foi obtido do aço B submetido à operação deHIP é evidente da Figura 2. Os carbonetos na condiçãoposterior de submissão à operação de HIP do aço obtiveramum formato mais regular, que é mais próximo ao formato deesferas. De qualquer modo, eles ainda são muito pequenos. Agrande maioria, mais de 90% em volume, apresentam umdiâmetro equivalente no máximo de 2,0 μπι,preferencialmente, um diâmetro máximo de cerca de 2,0 μπι.

Em seguida, as cápsulas foram forjadas a umatemperatura de IlOO0C, para a dimensão de 50 χ 50 mm. Aestrutura do material da invenção, aço B, e do material dereferência, aço A, após o forjamento, são evidentes apartir da observação das Figuras 3 e 4, respectivamente. Nomaterial da invenção, os carbonetos na forma de carbonetos-MC essencialmente globulares (forma de esferas), seapresentaram de forma bastante pequena, no máximo de cercade 2,0 μπι de tamanho, em termos de diâmetro equivalente.Apenas alguns carbonetos de outros tipos, maisespecificamente carbonetos ricos em molibdênio,provavelmente do tipo ΜβΟ, puderam ser detectados no aço dainvenção. A quantidade total desses carbonetos foi inferiora 1% em volume. No material de referência, o aço A, (ver aFigura 4), o volume de frações de carbonetos-MC ecarbonetos ricos em cromo do tipo M7C3 foi, aproximadamente,igualmente grande. Além disso, os tamanhos dos carbonetosforam essencialmente maiores que do aço da presenteinvenção.

Em seguida, foi executado o teste de largaescala. Os pós foram produzidos de aços tendo composiçõesquímicas de acordo com a Tabela 1, aços C-F, do mesmo modoque foi descrito acima. Pedaços de metal laminadoapresentando uma massa de 2 toneladas foram produzidos apartir do aço C da invenção, mediante operação de HIP, emuma maneira conhecida per si. Depois, o pó foi enchido emcápsulas que foram fechadas, submetidas a vácuo, aquecidasà temperatura de cerca de 1150°C e prensadas de modoisostático a quente nesta temperatura e sob uma pressão decerca de 100 MPa. A partir dos aços de referência D, EeF,foram produzidos pedaços de metal prensados de modoisostático a quente, conforme o padrão de fabricação dopresente Depositante para o aço do tipo VANADIS® 4. Ospedaços de metal foram forjados e laminados à temperaturade cerca de IlOO0C para as seguintes dimensões; aço C: 200χ 80 mm; aço D: 152 χ 102 mm; aço Ε: φ 125 mm.

Amostras foram retiradas dos materiais apósrecozimento pleno à temperatura de cerca de 900°C. 0tratamento térmico em conexão com as etapas de têmpera erevenimento é indicado na Tabela 2. As microestruturas dosaços CeF foram examinadas nas condições das etapas detêmpera e revenimento dos aços e são apresentadas nasFiguras 5 e 6, respectivamente. 0 aço da presente invenção,Figura 5, continha 9,5% em volume de carbonetos-MC namatriz, que consistia de martensita temperada. Quaisquercarbonetos e/ou carbonitretos de outros tipos que oscarbonetos-MC foram difíceis de detectar. De qualquer modo,a quantidade de tais possíveis outros carbonetos, porexemplo, carbonetos do tipo M7C3, foi inferior a 1% emvolume. Carbonetos ocasionais, tendo um diâmetroequivalente maior que 2,0 μπι puderam ser detectados no açoda presente invenção, nas condições das etapas de têmpera erevenimento, mas nenhum deles apresentou diâmetroequivalente maior que 2,5 μπι.

O material de referência, aço F, Figura 6,continha um total de cerca de 13% em volume de carbonetos,dos quais cerca de 6,5% em volume de carbonetos-MC e cercade 6,5% em volume de Carbonetos-M7C3, nas condições dasetapas de têmpera e revenimento do aço.

A dureza obtida após o tratamento térmicoindicado na Tabela 2 é também indicada na Tabela 2. 0 açoC, de acordo com a invenção, obteve uma dureza de 59,8 HRCnas condições das etapas de têmpera e revenimento, enquantoos aços de referência DeE obtiveram uma dureza de 58,5 e61,7 HRC, respectivamente.

A dureza dos aços CeD que pôde ser obtida apósdiferentes temperaturas de austenitização e temperaturas detêmpera, foram também examinadas. Os resultados sãoevidentes a partir da observação das curvas nas Figuras 7 e8.0 aço C da presente invenção, Figura 7, apresentou umadureza que foi muito pouco dependente da temperatura deaustenitização. Isso é vantajoso, pelo fato de permitir umatemperatura de austenitização relativamente baixa. Atemperatura de 1020°C foi considerada como sendo a maisadequada temperatura de austenitização, enquanto o aço dereferência teve de ser aquecido à temperatura de cerca de1060-1070°C, a fim de obter a máxima dureza.

Como é evidente da Fiqura 8, o aço C da presenteinvenção apresentou uma substancialmente melhor resistênciaà têmpera do que' o aço de referência D. Um pronunciadoendurecimento secundário foi consequido através da têmperaà temperatura entre 500-550°C. O aço também proporcionouuma possibilidade de têmpera sob baixa temperatura, isto é,sob temperatura de cerca de 200-250°C.

A tenacidade ao impacto dos aços CeD foi tambémexaminada. A enerqia de impacto absorvida (J) na direçãoLT-2 foi de 102 J para o aço S de acordo com a invenção,isto é, uma melhoria acentuadamente qrande ao ser comparadocom a tenacidade de 60 J que foi obtida para o material dereferência, o aço D. As amostras de teste consistiam debarras de teste sem entalhes, laminadas e moidas, tendo asdimensões de 7 χ 10 mm e comprimento de 55 mm, temperadaspara durezas de acordo com a Tabela 2.

Durante os testes de desqaste, foram usadasamostras de testes tendo as dimensões de diâmetro (φ) de 15mm e comprimento de 20 mm. O teste foi executado através doteste tipo pino a pino, usando SÍO2 como aqente de desgasteabrasivo. O aço C da invenção apresentou uma taxa dedesgaste.mais baixa, 8,3 mg/min, em relação ao material dereferência, aço E> para o qual a taxa de desgaste foimaior, 10,8 mg/min, isto é, a resistência ao desgaste dessematerial foi inferior.Tabela 2

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A capacidade de ser temperado do aço C dainvenção e de um aço do tipo VANADIS® 4 fabricados emprodução de larga escala, foram examinadas. A temperaturade austenitização (TA) em ambos os casos foi de 1020°C. Asamostras foram resfriadas em diferentes velocidades deresfriamento, que foram controladas por resfriamento maisou menos intenso, por meio de gás nitrogênio, a partir datemperatura de austenitização, TA = 1020°C, para atemperatura ambiente. Os períodos necessários para oresfriamento de 800°C para 500°C foram medidos, assim comoa dureza das amostras que haviam sido submetidas àvelocidades de resfriamento variáveis. Os resultados sãoindicados na Tabela 3. A figura 9 mostra a dureza versustempo, para resfriamento de 800°C para 500°C. Conforme éevidente a partir da observação dessa figura, que mostra acurvas referentes à capacidade de tempera dos açosexaminados, a curva para o aço C da invenção se dispõe emum nível significativamente superior à curva para o aço dereferência, o que significa que o aço da invenção apresentauma capacidade de ser temperado substancialmente melhor queo aço de referência.Tabela 3 - Medição da Capacidade de Têmpera; TA = 1020°C

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Claims (25)

1. Aço para trabalho a frio, caracterizado porapresentar a seguinte composição química em peso%:- 1,25-1,75% (C + Ν), entretanto, pelo menos 0,5% de C;- 0,1-1,5% de Si;- 0,1-1,5% de Mn;- 4,0-5,5% de Cr;- 2,5-4,5% (Mo+W/2), entretanto, um máximo de 0,5% de W;- 3,0-4,5% (V+Nb/2), entretanto, um máximo de 0,5% de Nb;- um máximo de 0,3% de S;- balanço de ferro e impurezas inevitáveis;e uma microestrutura que na condição das etapas de têmperae revenimento do aço contém de 6-13% em volume decarbonetos-MX, nitretos-MX e/ou carbonitretos-MX ricos emvanádio, que se encontram uniformemente distribuídos namatriz do aço, onde X é carbono e/ou nitrogênio, em quepelo menos 90% em volume dos ditos carbonetos, nitretose/ou carbonitretos apresentam um diâmetro equivalente (Deq)que é menor que 3,0 μιη; e um máximo total de 1% em volumede outros carbonetos, nitretos ou carbonitretospossivelmente existentes.

2. Aço de acordo com a reivindicação 1,caracterizado em que a matriz de aço na condição da etapade endurecimento do aço, essencialmente, consiste apenas demartensita, que contém 0,3-0,7, preferencialmente 0,4-0,6%de C na composição sólida.

3. Aço de acordo com a reivindicação 1,caracterizado em que pelo menos 98% em volume dos ditoscarbonetos-MX, nitretos-MX e/ou carbonitretos-MX apresentamum diâmetro equivalente (Deq) que é menor que 3,0 μπι,preferencialmente, também menor que 2,5 μπι.

4. Aço de acordo com a reivindicação 2,caracterizado em que o dito aço após as etapas de têmpera erevenimento apresenta uma dureza de 54-66 HRC,preferencialmente, de 58-63 HRC.

5. Aço de acordo com a reivindicação 4,caracterizado em que o dito aço após as etapas de têmpera erevenimento apresenta uma dureza de 60-63 HRC.

6. Aço de acordo com qualquer uma dasreivindicações anteriores, caracterizado por conter 7-11%em volume de carbonetos-MX, nitretos-MX e/ou carbonitretos-MX, onde M consiste substancialmente de vanádio e X écarbono e/ou nitrogênio.

7. Aço de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1-6, caracterizado por conter 1,35-1,60% de(C+N).

8. Aço de acordo com a reivindicação 7,caracterizado por conter 1,45-1,50% de (C+N).

9. Aço de. acordo com a reivindicação 8,caracterizado por conter um máximo de 0,12% de N.

10. Aço de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1-9, caracterizado por conter 0,1-1,2,preferencialmente, 0,2-0,9% de Si.

11. Aço de acordo com a reivindicação 10,caracterizado por conter 0,1-1,3, preferencialmente, 0, 0-1, 9% de Mn.

12. Aço de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1-11, caracterizado por conter de 4,0-5,2%de Cr, preferencialmente, pelo menos 4,5% de Cr.

13. Aço de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1-12, caracterizado por conter de 3,0-4,0%de (Mo+W/2).

14. Aço de acordo com a reivindicação 13,caracterizado por conter um máximo de 0,3% de W,preferencialmente um máximo de 0,1% de W.

15. Aço de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1-14, caracterizado por conter de 3,4-4 0%de (V+Nb/2).

16. Aço de acordo com a reivindicação 15,caracterizado por conter um máximo de 0,3% de Nb,preferencialmente um máximo de 0,1% de Nb.

17. Aço de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1-16, caracterizado por conter um máximo de-0,15% de S.

18. Aço de acordo com a reivindicação 17,caracterizado por conter um máximo de 0,02% de S.

19. Aço de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1-18, caracterizado em que o mesmo éfabricado metalurgicamente de pó, compreendendo afabricação de um pó a partir de um metal fundido eprensagem isostática a quente do pó, para transformação emum corpo consolidado.

20. Aço de acordo com a reivindicação 19,caracterizado em que a prensagem isostática a quente éexecutada a uma temperatura entre 950 e 1200°C, sob umapressão entre 90 e 150 Mpa.

21. Aço de acordo com qualquer uma dasreivindicações 19 e 20, caracterizado em que o aço após aprensagem isostática a quente é processado a quente,começando em uma temperatura de partida entre 1050 e-1150 0C.

22. Aço de acordo com qualquer uma dasreivindicações 20 e 21, caracterizado em que o aço éendurecido a partir de uma temperatura entre 940 e 1150°C etemperado a uma temperatura entre 200 e 250°C ou umatemperatura entre 500 e 560°C.

23. Aço de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1-22, caracterizado em que pelo menos 90% emvolume de carbonetos-MX, nitretos-MX e/ou carbonitretos-MXapresentam uma extensão máxima de 2,0 μιη após a prensagemisostática a quente, processamento a quente, recozimentoendurecimento e têmpera do aço.

24. Aço para trabalho a frio, caracterizado porapresentar uma composição química de acordo com qualqueruma das reivindicações anteriores, e em que na condição derecozimento apresenta uma matriz ferrítica contendo de 8-15% em volume de carbonetos-MX, nitretos-MX e/oucarbonitretos-MX, dos quais pelo menos 90% em volumeapresentam um diâmetro equivalente que é menor que 3,0 μπι,preferencialmente também menor que 2,5 μπι, e um máximo de 3% em volume de outros carbonetos, nitretos e/oucarbonitretos.

25. Ferramentas para trabalho de cisalhamento,corte e/ou estampagem (puncionamento) de material deprocessamento metálico na condição fria do material, oupara prensagem de pó metálico, caracterizadas em que elassão fabricadas de um aço de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1-24.