BR0314708B1 - Composição de aço e método de produção de uma peça conformada em molde - Google Patents

Composição de aço e método de produção de uma peça conformada em molde Download PDF

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Description

Relatorio Descritivo da Patente de Invengao para "COMPOSI- QAO DE AQO E METODO DE PRODUgAO DE UMA PEQA CONFORMA- DA EM MOLDE".
Descrigao A presente invengao refere-se a uma nova composigao de ago, pegas conformadas em um molde produzidas a partir desse ago, a um me- todo para a produgao de pegas conformadas em um molde e a seu uso co- mo pegas de chassis para carros de passageiros e veiculos comerciais.
Componentes forjados de chassis para veiculos motorizados sao pegas de seguranga relevantes para as quais, independentemente do alto grau de resistencia, e necessario um alto grau de dureza (caracterizado, por exemplo, pelos valores caracteristicos de alongamento na fratura, contragao na fratura, resistencia ao impacto no entalhe). Portanto, ate os anos 80, es- ses componentes foram submetidos, quase sem excegao, a um trabalhoso e/ou caro tratamento termico final (tempera e revenido) apos a conformagao a quente. Entao, nos anos 80, foram desenvolvidos os "agos ferriticos- perliticos de endurecimento por precipitagao" ("Ausscheidungshartende Fer- ritisch-Perlitische Stahle", AFP-Stahle), para os quais os valores caracteristi- cos de resistencia sao alcangados sem o tratamento termico final por precipi- tagao de carbonitretos na matriz do ago ferritico-perlitico. Hoje, o uso desses agos para componentes de ago forjado para pegas de chassis para carros de passageiros e a pratica. No processamento desses agos e importante ajus- tar-se o controle de temperatura de forma que a conversao dos agos e a precipitagao dos carbonitretos sao combinadas otimamente entre si.
Nos veiculos comerciais, pegas de chassis de seguranga rele- vante, tais como suporte de eixos, sao, ate hoje, quase exclusivamente pro- duzidas a partir de agos temperados e revenidos, isto e, com o tratamento termico final trabalhoso e caro. Para isso, as razoes a seguir podem ser mencionadas: Um esforgo maior nas pegas do veiculo comercial e, portanto, uma maior resistencia especificada maior com, simultaneamente, uma maior dureza necessaria do material. Em particular, o preenchimento das especifi- cagoes e freqOentemente necessario, o que inclui valores de resistencia de impacto no entalhe que devem ser garantidos. Isto nao e possivel com os agos ferriticos-perliticos de endurecimento por precipitagao de resistencia correspondente que estao no mercado hoje em dia.
Devido a sua massa significativamente maior, pegas de veiculos comerciais resfriam da temperatura da conformagao a quente claramente diferentemente das pegas de carros de passageiros. Como o controle da temperatura tem influencia crucial nos valores mecanicos caracteristicos al- cangaveis (veja acima), mesmo os valores mecanicos caracteristicos mais baixos que sao comuns para pegas de carros de passageiros podem na maioria das vezes nao ser concretizados para pegas de veiculos comerciais com os agos ferriticos-perliticos de endurecimento por precipitagao disponi- veis hoje em dia.
Uma diregao de desenvolvimento em materiais no setor de vei- culos comerciais buscada nos anos passados teve o objetivo de alcangar condigoes estruturais bainiticas por meio de tempera e revenido direto de agos de baixo carbono a partir do calor de deformagao sem o subseqiiente revenido, economizando assim na tempera e no revenido final que sao caros (veja DE-PS 36 28 264 A1, DE-PS 41 24 704 A1, US-PS 5.660.648). Nessa tecnologia, entretanto, a baixa razao elastica, a resistencia a fluencia relati- vamente baixa e falta de homogeneidade das propriedades bem como uma propensao aumentada de tornar-se distorcida, sao problematicas. Ela nao se estabeleceu na area de pegas de chassis de seguranga relevante para vei- culos comerciais.
Na area agos "AFP" de endurecimento por precipitagao, com estrutura ferritico-perlitica, foi executado um trabalho de desenvolvimento consideravel com o objetivo de melhorar a dureza, de forma a ser capaz de empregar esse grupo de agos tambem na area de chassis de veiculos co- merciais (veja Hertogs, J. A., Ravenhorst, H; Richter, K.E.; Wolff, J.: Neuere Anwendungen der ausscheidungshartenden ferritisch-perlitischen Stahle fur geschmiedete Bauteile im Motor und Fahrwerk. A conferencia "Stahl im Au- tomobilbau", Wurzburg, 24-26 de setembro de 1990; e Huchtemann, B.;
Schuler, V.: Entwicklungsstand der ausscheidungshartenden ferritisch- perlitischen (AFP) Stahle mit Vanadium. Stahl 2/1992, p. 36-41). Ligeiras melhoras foram ali atingidas, por exemplo, diminuindo-se a temperatura de conformagao. Entretanto, uma vez que a performance de enchimento do molde e claramente inferior a temperaturas mais baixas de conformagao e portanto o desgaste das ferramentas aumenta drasticamente, esta variante nao foi adequada para uso operacional.
Uma outra variante focalizou-se nos aditivos de liga de titanio para refino de graos e, portanto, para melhoria da dureza. O problema aqui foi que o refino de graos foi alcangado pelos nitretos de titanio. O nitrogenio necessario para um aumento na dureza estava, portanto, em uma forma aglutinada e, portanto, indisponivel. A conseqiiencia foi uma dureza bastante inferior em comparagao com os agos temperados e revenidos. O problema fundamental da invengao e portanto fornecer uma composigao de ago para agos ferritico-perliticos de endurecimento por preci- pitagao para a produgao de pegas conformadas em moldes, as quais, sem tratamento termico adicional, mostram um alto grau de resistencia e simulta- neamente um alto grau de dureza nessas pegas de construgao, de forma que elas podem ser usadas como pegas de chassis tambem para veiculos comerciais. O problema e resolvido por uma composigao de ago compreen- dendo os seguintes componentes em percentual em peso: C: 0,12-0,45 Si: 0,10-1,00 Mn: 0,50-1,95 S: 0,005 - 0,060 Al: 0,004 - 0,050 Ti: 0,004 - 0,050 Cr: 0 - 0,60 Ni: 0 - 0,60 Co: 0-0,60 W: 0 - 0,60 B: 0-0,01 Mo: 0-0,60 Cu: 0-0,60 Nb: 0-0,050 V: 0,10-0,40 N: 0,015-0,040 Restante: Fe e as inevitaveis impurezas. com a condigao de que: 1) % em peso de V x % em peso de N = 0,0021 a 0,0120 2) 1,6 x % em peso de S + 1,5 x % em peso de Al + 2,4 x % em peso de Nb + 1,2 x % em peso de Ti = 0,035 a 0,140 3) 1,2 x % em peso de Mn + 1,4 x % em peso de Cr + 1,0 x % em peso de Ni + 1,1 x % em peso de Cu + 1,8 x % em peso de Mo = 1,00 a 3,50 Um ponto Central da invengao e que a melhoria necessaria na dureza e alcangada por uma redugao no teor de carbono do ago em compa- ragao com as concentragoes normais hoje em dia a um dado nivel de resis- tencia. A perda na resistencia que deve ser esperada devido a esta medida de acordo com a tecnica anterior e, de acordo com a invengao, nao apenas completamente eliminada, mas ate mesmo supercompensada pela combi- nagao particular dos componentes remanescentes.
Fatores essenciais que sao responsaveis pela alta resistencia apesar da diminuigao do teor de carbono sao, em particular: Um teor de vanadio de 0,10% em peso a 0,40% em peso e um teor de nitrogenio de 0,015 % em peso ate 0,040% em peso, onde a se- guinte condigao deve ser preenchida, de acordo com a invengao: % em peso de V x % em peso de N = 0,0021 a 0,0120; preferivelmente % em peso de V x % em peso de N = 0,0028 a 0,0060.
Uma razao balanceada dos elementos de microligagao Ti, Al e Nb com o enxofre, onde a seguinte condigao deve ser preenchida, de acordo com a invengao: 1,6 χ % em peso de S + 1,5 x % em peso de Al + 2,4 x % em peso de Nb + 1,2 x % em peso de Ti = 0,035 a 0,140; preferivelmente 1,6 x % em peso de S + 1,5 x % em peso de Al + 2,4 x % em peso de Nb + 1,2 x % em peso de Ti = 0,040 a 0,080.
Uma razao balanceada de elementos de ligagao que au- menta a resistencia de cristais mistos, onde a seguinte condigao deve ser preenchida de acordo com a invengao: 1,2 x % em peso de Mn + 1,4 x % em peso de Cr + 1,0 x % em peso de Ni + 1,1 x % em peso de Cu + 1,8 % em peso de Mo = 1,00 a 3,50 preferivelmente 1,2 x % em peso de Mn + 1,4 % em peso de Cr + 1,0 x % em peso de Ni + 1,1 x % em peso de Cu + 1,8 x % em peso de Mo = 1,65 a 2,80 As composigoes de ago acima mencionadas sao excelente- mente adequadas para a produgao de pegas conformadas que podem ser usadas como pegas de chassis tais como suportes de eixo para carros de passageiros ou veiculos comerciais.
As pegas conformadas em moldes de acordo com a invengao sao produzidas por um metodo compreendendo as seguintes etapas: (a) aquecer o material de entrada feito de uma composigao de ago conforme definido acima ate uma temperatura de 1.000 a 1.300°C; (b) conformar o material de entrada da etapa (a) por forja- mento; (c) resfriar a pega conformada no molde obtida na etapa (b) ate a temperatura ambiente, onde a taxa de resfriamento e de pelo menos 0,2°C/s na faixa de temperatura ate 580°C. O metodo de produgao de acordo com a invengao e descrito em maiores detalhes em relagao as etapas individuais de produgao a seguir.
Inicialmente, em uma etapa (a), um material de entrada produzi- do a partir de uma composigao de ago de acordo com a invengao, em uma geometria disponivel comercialmente, por exemplo, ago longo, e aquecido de 1.000 a 1.300°C. O material e mantido nesta faixa de temperatura pelo menos ate que uma estrutura austenitica homogenea tenha sido formada.
Geralmente a duragao e de 5 a 10 minutos. Quando a pega conformada em molde deve ser usada como pega de um chassi para veiculos comerciais e preferido que o material de entrada tenha uma massa de mais de 15 kg.
Para as pegas conformadas em molde que devem ser usadas em pegas de chassi de carros de passageiros e geralmente utilizado um material de en- trada com uma massa entre 5 e 14 kg.
Na etapa (b) o material de entrada, em um processo de confor- magao usual, e formado pelo forjamento na forma desejada em uma ou mais etapas de forjamento. Preferivelmente, o processo de conformagao na etapa (b) ocorre imediatamente apos o aquecimento do material de entrada na etapa (a), de forma que o material de entrada tenha uma temperatura na faixa de 950 e 1.250°C durante sua conformagao.
Na etapa (c) a pega conformada obtida na etapa (b) e resfriada ate a temperatura ambiente. Aqui a taxa de resfriamento e pelo menos 0,2°C/s ate a temperatura de 580°C.
Por meio de taxa de resfriamento, as propriedades mecanicas da pega conformada em molde podem ser ajustadas de uma forma definida de acordo com as necessidades. A taxa de resfriamento durante o resfriamento das pegas con- formadas em molde feitas do ago de acordo com a invengao ate 580°C e preferivelmente escolhida na faixa de 0,2 a 6°C/s. Mais preferivelmente e uma taxa de resfriamento na faixa de 0,2 a 0,6°C/s. Isto corresponde ao res- friamento das pegas de veiculos comerciais pesados em descanso ao ar.
Isto tem a vantagem de que as pegas conformadas em molde para um vei- culo comercial da etapa (b) podem ser esfriadas pela permanencia ao ar.
Em relagao a obtengao de valores de resistencia e de dureza especialmente altos como necessario para chassis para veiculos comerciais, uma taxa de resfriamento ate 580°C de 0,7°C/s ate 6°C/s e especialmente preferida. O ajuste de uma taxa de resfriamento nessa faixa para pegas de veiculos comerciais com uma massa de mais de 15 kg e alcangado, por exemplo, por meio de uma extensao de resfriamento com agua gue e flexivel em relagao ao nCimero de orificios ativos de agua e sua orientagao bem como em relagao a pressao e a taxa de fluxo.
Para as pegas de carros de passageiros mais leves feitas do ago de acordo com a presente invengao, aplicam-se as mesmas conexoes entre a taxa de resfriamento e as propriedades. Devido a massa menor das pegas de carros de passageiros, o resfriamento acelerado e, em contraste com as pegas de veiculos comerciais, apenas necessario para ajustar a taxa de res- friamento quando a taxa de resfriamento deve ficar na metade superior da faixa dada. Taxas de resfriamento de cerca de 0,7 ate cerca de 2,0°C/s ocor- rem automaticamente com o mero resfriamento por descanso ao ar. A taxa de resfriamento abaixo de 580°C pode ser escolhida ar- bitrariamente e nao tem influencia em relagao a resistencia e a dureza da pega conformada em molde obtida. A pega conformada em molde produzida de acordo com a pre- sente invengao apresenta as seguintes propriedades mecanicas apos o res- friamento a partir da temperatura de conformagao: - Prova de ruptura por tragao de acordo com a DIN EN 10002 a temperatura ambiente: limite de resistencia off-set: Rp0,2 ^ 540 MPa, preferivel- mente 540 - 850 MPa resistencia a tragao: Rm > 700 MPa, preferivelmente 700 - 1.100 MPa alongamento na fratura: A5 > 10%, preferivelmente 10 -16% contragao na fratura: z > 20%, preferivelmente 20 - 50% Teste de impacto nas amostras ISO-U de acordo com a DIN EN 50115: trabalho de impacto na barra entalhada: Av (RT) > 30 J, preferivelmente 30 - 70 J trabalho de impacto na barra entalhada: Av (-20°C) > 10 J, preferivelmente 10 - 25 J
Uma pega conformada em molde produzida de acordo com o metodo particularmente preferido pode, dependendo da taxa de resfriamento escolhida, apresentar os seguintes valores de caracteristicas mecanicas: Rp0,2 = 580 - 680 MPa Rm = 800 - 900 MPa A5 = 14 -16% Z = 35 - 50% Av (RT) = 30 - 40 J
Av(-20°C)= 10-20 J
Da mesma forma, de acordo com o metodo particularmente preferido, pegas conformadas em moldes com as propriedades a seguir po- dem ser produzidas: Rpo,2 = 800 - 850 MPa Rm = 1.050-1.100 MPa A5 = 10 -12% z = 20 - 30% As propriedades acima mencionadas tornam claro que as pegas conformadas em molde de acordo com a presente invengao apresentam um alto grau de resistencia e simultaneamente um alto grau de dureza apos o resfriamento a partir da temperatura de conformagao, em comparagao a tec- nica anterior. Portanto, as pegas conformadas em molde de acordo com a presente invengao podem ser usadas em componentes de chassis de segu- ranga relevante tais como suportes de eixo para carros de passageiros e ate mesmo para veiculos comerciais. A invengao e explicada em maiores detalhes por meio dos exemplos a seguir.
Exemplo 1 Uso de um ago com a seguinte composigao quimica: C: 0,14%empeso Si: 0,40 % em peso Mn: 1,00 % em peso S: 0,020 % em peso Al: 0,035 % em peso Ti: 0,015 % em peso Nb: 0,005 % em peso Cr: 0,45 % em peso Ni: 0,10 % em peso Cu: 0,15 % em peso Mo: 0,10 %em peso V: 0,25 % em peso N: 0,030 % em peso Aquecimento indutivo do ago da barra com segao transversal de 140 mm2 ate 1.250°C e mantendo o ago a esta temperatura por 10 minutos.
Forjamento do material da barra quadrada ate um suporte de eixo de 30 kg de massa em uma operagao pre-compressao, duas operagoes de conformagao de acabamento e uma operagao de apara. A temperatura do suporte de eixo no fim do processo de conformagao e de 1.110°C.
Resfriamento do suporte de eixo de 1.100°C ate 580°C em uma extensao de resfriamento a uma taxa de resfriamento de 3,9°C/s. O suporte de eixo apresenta as seguintes propriedades mecani- cas que sao determinadas de acordo com a DIN EN 10002 a temperatura ambiente e com a DIN EN 50115: Rpo,2 = 580 MPa Rm = 750 MPa A5 = 16% z = 55 % Av (temperatura ambiente) = 50 J
Av (- 20°C) = 20 J
Exemplo 2 Uso de um ago com a seguinte composigao quimica: C: 0,37 % em peso Si: 0,40 % em peso Mn: 0,90 % em peso S: 0,035 % em peso Al: 0,015 %em peso Ti: 0,035 % em peso Nb: 0,010 % em peso Cr: 0,10 % em peso Ni: 0,50 % em peso Cu: 0,20 % em peso Mo: 0,10 % em peso V: 0,28 % em peso N: 0,032 % em peso Aquecimento indutivo do ago da barra com segao transversal de 140 mm2 ate 1.250°C e mantendo o ago a esta temperatura por 10 minutos.
Forjamento do material da barra quadrada ate um suporte de eixo de 38 kg de massa em uma operagao pre-compressao, duas operagoes de conformagao de acabamento e uma operagao de apara. A temperatura do suporte de eixo no fim do processo de conformagao e de 1,150°C.
Resfriamento do suporte de eixo de 1.150°C ate 580°C descan- so ao ar a uma taxa de resfriamento de 0,5°C/s. O suporte de eixo apresenta as seguintes propriedades mecani- cas que sao determinadas a temperatura ambiente de acordo com a DIN EN 10002: Rpo,2 = 700 MPa Rm = 1.000 MPa A5 = 12% z = 30 % Exemplo 3 Uso de um ago de acordo com o exemplo 2.
Aquecimento e conformagao do suporte de eixo pesando 38 kg de acordo com o exemplo 2.
Resfriamento do suporte de eixo de 1.150°C ate 580°C em uma extensao de resfriamento a uma taxa de resfriamento de 1,8°C/s. O suporte de eixo apresenta as seguintes propriedades mecani- cas, que sao determinadas a temperatura ambiente de acordo com a DIN EN 10002: RPo,2 = 820 MPa Rm = 1.080 MPa A5= 10% z = 20 % RElVINDICAgOES

Claims (4)

1. Composigao de ago, caracterizada pelo fato de que ela com- preende os seguintes componentes em percentual em peso: C: 0,12-0,45 Si: 0,10-1,00 Mn: 0,50-1,95 S: 0,005 - 0,060 Al: 0,004 - 0,050 Ti: 0,004 - 0,050 Cr: 0 - 0,60 Ni: 0 - 0,60 Co: 0-0,60 W: 0 - 0,60 B: 0-0,01 Mo: 0-0,60 Cu: 0-0,60 Nb: 0-0,050 V: 0,10-0,40 N: 0,015-0,040 Restante: Fe e as inevitaveis impurezas Com a condigao de que: 1) % em peso de V x % em peso de N = 0,0021 a 0,0120 2) 1,6 x % em peso de S + 1,5 x % em peso de Al + 2,4 x % em peso de Nb + 1,2 x % em peso de Ti = 0,035 a 0,140 3) 1,2 x % em peso de Mn + 1,4 x % em peso de Cr + 1,0 x % em peso de Ni + 1,1 x % em peso de Cu + 1,8 x % em peso de Mo = 1,00 a 3,50
2. Metodo de produgao de uma pega conformada em molde feita de ago com uma composigao como definida na reivindicagao 1, caracteriza- do pelo fato de que compreende as etapas de: (a) aquecer o material de entrada feito de uma composigao de ago como definida na reivindicagao 1 ate uma tempe- ratura de 1.000 a 1.300°C; (b) conformar o material de entrada da etapa (a) por forjamen- to; (c) resfriar a peqa conformada em molde obtida na etapa (b) ate a temperatura ambiente, onde a taxa de resfriamento na faixa de temperatura ate 580°C e de pelo menos 0,2°C/s.
3. Metodo de acordo com a reivindicagao 2, caracterizado pelo fato de que o resfriamento na etapa (c) ocorre a uma taxa de resfriamento de 0,2°C/s ate 0,6°C/s ate uma temperatura de 580°C.
4. Metodo de acordo com a reivindicapao 2, caracterizado pelo fato de que o resfriamento na etapa (c) ocorre a uma taxa de resfriamento de 0,7°C/s ate 6°C/s ate uma temperatura de 580°C.
BRPI0314708-8B1A 2002-09-27 2003-09-05 Composição de aço e método de produção de uma peça conformada em molde BR0314708B1 (pt)

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