BR112015005687B1

BR112015005687B1 - METHOD FOR MANUFACTURED OF CASTING AND CASTING

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Publication number: BR112015005687B1
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Publication date: 2019-07-23

Description

“MÉTODO PARA FABRICAÇÃO DE AÇOS FUNDIDOS E AÇO FUNDIDO” CAMPO DA INVENÇÃO“METHOD FOR MANUFACTURED OF CAST AND STEEL FUSTED” FIELD OF THE INVENTION

[0001] A presente invenção diz respeito a um método para fabricação de aços fundidos, vantajosamente, mas não exclusivamente, de aço de manganês, usadas para se obter elementos de desgaste, e aços fundidos assim fabricados.[0001] The present invention relates to a method of making molten steels, advantageously, but not exclusively, of manganese steel, used to obtain wear elements, and cast steels thus manufactured.

[0002] Os elementos de desgaste são úteis em todas as aplicações, nas quais seja necessária uma elevada resistência ao desgaste, mesmo sob cargas impulsivas, tais como esmagadores, moinhos, membros para moagem, componentes de turbomáquinas ou máquinas de movimentação de terra.Wear elements are useful in all applications where high wear resistance is required even under impulsive loads such as crushers, mills, grinding members, turbocharger components or earthmoving machinery.

HISTÓRICO DA INVENÇÃOBACKGROUND OF THE INVENTION

[0003] É conhecida a fabricação, por fundição, de aços fundidos para se obter elementos de desgaste, usados em uma pluralidade de aplicações, que exigem grande resistência tanto à abrasão quanto à impactos. Por exemplo, tais aços são usados para se fazer componentes para moinhos, esmagadores ou cofres, componentes para escavadores ou meios rebocados ou turbomáquinas, etc.The manufacture by casting of cast steels to obtain wear elements used in a variety of applications requiring high resistance to both abrasion and impact is known. For example, such steels are used to make components for mills, crushers or safes, components for excavators or towed or turbocharged media, etc.

[0004] Em uma formulação preferencial, os aços em questão contêm até 1,5% de carbono e até 20% de manganês, e apresentam uma estrutura austenítica, que permite combinar grande dureza com rigidez considerável. Esses aços também apresentam uma boa tendência para resistência à deformação plástica (work-hardening) e grande ductibilidade.In a preferred formulation, the steels in question contain up to 1.5% carbon and up to 20% manganese, and have an austenitic structure which allows great hardness to be combined with considerable rigidity. These steels also have a good tendency for resistance to work-hardening and high ductility.

[0005] É conhecido adicionar elementos que formem carbetos complexos nesses aços, a fim de formar ligas de aço com manganês, que sejam mais resistentes ao desgaste. Dentre esses componentes, o mais comumente usado é o cromo, que, assim como eleva o ponto de rendimento, induz à formação de carbeto de cromo na matriz austenítica.It is known to add complex carbide forming elements to these steels in order to form manganese steel alloys which are more resistant to wear. Among these components, the most commonly used is chromium, which, as well as increases the yield point, induces the formation of chromium carbide in the austenitic matrix.

[0006] No entanto, os carbetos de cromo apresentam a tendência de se precipitarem na borda do grão, tornando a estrutura frágil e reduzindo a rigidez do aço. Um tratamento térmico é, portanto, necessário, tipicamente um recozimento seguido por choque térmico (quenching) com água, o qual é realizado depois que o resfriamento do aço tiver sido completado. O recozimento e o resfriamento rápido subsequente permitem fazer com que os carbetos migrem da borda do grão para a matriz austenítica.However, chromium carbides tend to precipitate at the grain edge, making the structure brittle and reducing the stiffness of the steel. A heat treatment is therefore typically required, annealing followed by water quenching, which is performed after the cooling of the steel has been completed. Annealing and subsequent rapid cooling allow the carbides to migrate from the grain edge to the austenitic matrix.

[0007] Para elevados teores em cromo, o recozimento não permite obter uma solubilização completa dos carbetos, e, portanto, pretende-se modificar a forma dos últimos, de modo a torná-los globulares e, portanto, menos inclinados a formar fraturas. Além disso, outra função do recozimento é do choque térmico é distribuir os carbetos presentes na borda do grão uniformemente em torno do grão austenítico.For high chromium contents, annealing does not allow complete carbide solubilization, and therefore it is intended to modify the shape of the carbides to make them globular and thus less inclined to form fractures. In addition, another function of annealing is that of thermal shock is to distribute the carbides present at the grain edge evenly around the austenitic grain.

[0008] Embora esses aços conhecidos sejam os melhores para a resistência ao desgaste com respeito aos materiais a serem moídos apresentando consideráveis rigidez e abrasividade, eles também apresentam a desvantagem de que eles apresentam baixa condutividade térmica. De fato, isso tem limitado a sua aplicação para espessuras de não mais do que cerca de 100 mm, porque, em produtos com espessuras maiores, o processo de choque térmico com água acarreta a criação de tensões internas, de modo a causar fraturas. Dessa maneira, se tais espessuras forem obtidas com aços contendo manganês compreendido entre 12% e 20%, as propriedades de rigidez, que são típicas de tais aços, são comprometidas.Although these known steels are best for wear resistance with respect to the materials to be ground having considerable stiffness and abrasiveness, they also have the disadvantage that they have low thermal conductivity. In fact, this has limited its application to thicknesses of no more than about 100 mm, because in products with larger thicknesses, the thermal water shock process causes the creation of internal stresses to cause fractures. Thus, if such thicknesses are obtained with manganese-containing steels of between 12% and 20%, the stiffness properties, which are typical of such steels, are compromised.

[0009] Também é conhecido que essa limitação nas espessuras pode ser superada pela introdução de elementos, tais como, por exemplo, titânio, capazes de dar origem a compostos duros já na fase líquida da liga. Os compostos duros raramente estão localizados na borda do grão, mas permanecem uniformemente distribuídos na matriz austenítica, mesmo depois do tratamento de solubilização. As ligas de aço que são obtidas são, portanto, mais resistentes à abrasão e ao desgaste comparadas com ligas contendo cromo e sem titânio, especialmente no caso de espessuras consideráveis e condições de uso particularmente onerosas.It is also known that this limitation in thickness can be overcome by the introduction of elements such as, for example, titanium, capable of producing hard compounds already in the liquid phase of the alloy. Hard compounds are rarely located at the grain edge, but remain evenly distributed in the austenitic matrix even after solubilization treatment. The steel alloys that are obtained are therefore more resistant to abrasion and wear compared to chrome-free and titanium-free alloys, especially in the case of considerable thicknesses and particularly costly conditions of use.

[0010] Uma desvantagem de aços contendo titânio é que eles conferem maior resistência ao desgaste na seção inteira de um artigo, muito embora seja necessário se ter uma resistência particular somente naquelas partes que estejam mais tensionadas. Isso torna o artigo menos processável e causa um aumento considerável nos custos de operação, devido à remoção de lascas.One disadvantage of titanium-containing steels is that they confer greater wear resistance on the entire section of an article, although it is necessary to have particular strength only on those parts which are more stressed. This makes the article less processable and causes a considerable increase in operating costs due to chip removal.

[0011] Outra desvantagem ligada à aplicação de titânio na fabricação de um artigo apresentando características uniformemente ótimas se situa no custo do artigo, o qual é muito elevado.Another disadvantage linked to the application of titanium in the manufacture of an article having uniformly optimal characteristics is the cost of the article, which is very high.

[0012] São conhecidos métodos, a partir dos documentos GB-A-2098112 e GB-A-2003932, para fabricação de elementos de desgaste reforçados por inserções com elevada resistência, apresentando uma estrutura heterogênea, definida por partículas sinterizadas em uma matriz de metal. Os métodos acima propiciam preparar as inserções por junção de carbetos, por exemplo, carbetos de tungstênio ou de titânio, na forma de pós ou de grânulos, às matrizes de metal contendo ligas de ferro ou de cobalto, usando técnicas de sinterização realizadas em temperaturas acima da temperatura de fusão das ligas.Methods are known from GB-A-2098112 and GB-A-2003932 for the manufacture of high strength insert reinforced wear elements having a heterogeneous structure defined by sintered particles in a metal matrix . The above methods provide the preparation of carbide splicing inserts, for example, tungsten or titanium carbides, in the form of powders or granules, to iron or cobalt alloy-containing metal matrices using sintering techniques performed at temperatures above melting temperature of the alloys.

[0013] A fusão das ligas faz com que os carbetos sejam incorporados às matrizes de metal e, possivelmente, faz com que os tamanhos dos carbetos sejam reduzidos. Depois disso, as inserções assim preparadas são introduzidas em um molde e incorporadas na liga de metal, que é fundida por sobre eles.Melting of the alloys causes the carbides to be incorporated into the metal matrices and possibly causes the carbide sizes to be reduced. Thereafter, the inserts thus prepared are introduced into a mold and incorporated into the metal alloy which is cast thereon.

[0014] O documento EP-B1-0554682 descreve um método para fabricação de um elemento sujeito ao desgaste, no qual uma ou mais inserções planares, conformadas como placas, folhas ou discos, são obtidas por incorporação de pós de materiais com elevada resistência ao desgaste, em particular carbetos, por exemplo, carbetos de tungstênio, em uma matriz de metal. As inserções de reforço descritas no documento EP-B1-0554682 também podem incluir aglutinantes orgânicos, plastificantes e agentes para endurecimento. A inserção planar é submetida à sinterização à vácuo em elevada temperatura e, então, é fixada a um molde de areia por meio de pinos ou de outros elementos de ancoragem feitos do mesmo material.EP-B1-0554682 describes a method for manufacturing a wear subject, in which one or more planar inserts, shaped as plates, sheets or discs, are obtained by incorporating powders of materials with high wear resistance. wear, in particular carbides, for example tungsten carbides, in a metal matrix. The reinforcing inserts described in EP-B1-0554682 may also include organic binders, plasticizers and hardening agents. The planar insert is subjected to high temperature vacuum sintering and is then fixed to a sand mold by means of pins or other anchor elements made of the same material.

[0015] Nos três documentos citados acima, a sinterização é realizada essencialmente em temperaturas que recaem dentro da faixa da temperatura de fusão da matriz de metal, e mais baixas do que as temperaturas de fusão dos carbetos. Nesses documentos, a finalidade da sinterização é essencialmente determinar um contato de interface, ou distribuição de maneira uniforme, entre os carbetos e a matriz, a fim de se obter inserções de reforço consistindo em um conglomerado de carbetos imersos na matriz de metal.In the three documents cited above, sintering is performed essentially at temperatures that fall within the melting temperature range of the metal matrix, and lower than the melting temperatures of the carbides. In these documents, the purpose of sintering is essentially to determine an interface contact, or even distribution, between the carbides and the matrix in order to obtain reinforcement inserts consisting of a carbide conglomerate immersed in the metal matrix.

[0016] Os carbetos originais permanecem substancialmente inalterados, exceto em relação a possíveis variações de tamanho.The original carbides remain substantially unchanged except for possible size variations.

[0017] O documento DE-A1-4214524 descreve um método para fabricação de uma fundição resistente ao desgaste, que propicia inserir ao molde, antes da fundição, uma inserção de reforço feita com bolas de material duro, em particular carbetos, abrigada em apoios feitos de folhas com orifícios de aço e mantidas no lugar pelas mesmas folhas com orifícios de aço.DE-A1-4214524 describes a method for the manufacture of a wear-resistant casting, which allows to insert into the mold, before reinforcement, a reinforcement insert made of hard material balls, in particular carbides, housed in supports. made of sheets with steel holes and held in place by the same sheets with steel holes.

[0018] O documento WO-A1-2012/004654 descreve um método para fabricação de elementos sujeitos ao desgaste, que propicia fazer com que inserções de reforço sejam incorporadas em aços fundidos fundido. As inserções de reforço compreendem um suporte poroso, como uma esponja, impregnado com uma mistura líquida consistindo em um aglutinante e em pós de metal contendo elementos duros, em particular carbetos.WO-A1-2012 / 004654 describes a method of fabricating wear elements which enables reinforcement inserts to be incorporated into cast cast steels. Reinforcement inserts comprise a sponge-like porous support impregnated with a liquid mixture consisting of a binder and metal powders containing hard elements, in particular carbides.

[0019] A aplicação de técnicas de sinterização, conforme descritas nos documentos GB-A-2098112, GB-A-2003932 e EP-B1-0554682 apresenta a desvantagem de que elas necessitam de longos tempos de processamento, enorme consumo de energia e consequente aumento nos custos de fabricação da fundição final. Isso é devido ao fato de que, para se preparar as inserções com essas técnicas conhecidas, são necessárias operações preliminares para se preparar uma mistura, ou “verde”, para ser sinterizada, e moldes, nos quais a mistura seja submetida à sinterização.The application of sintering techniques as described in GB-A-2098112, GB-A-2003932 and EP-B1-0554682 has the disadvantage that they require long processing times, huge power consumption and consequent increased manufacturing costs of the final foundry. This is due to the fact that, to prepare inserts with these known techniques, preliminary operations are required to prepare a mixture, or "green", to be sintered, and molds in which the mixture is subjected to sintering.

[0020] Outra desvantagem desses métodos conhecidos é que eles não são muito flexíveis em termos de formatos possíveis das inserções obteníveis, uma vez que os formatos estão limitados a objetos planares ou com uma conformação simples, também por causa dos moldes, conforme descrito acima.Another disadvantage of these known methods is that they are not very flexible in terms of the possible shapes of the obtainable inserts, since the shapes are limited to planar or simple shaped objects, also because of the molds, as described above.

[0021] Uma desvantagem de todos os métodos conhecidos indicados acima está ligada à homogeneidade microestrutural das inserções de reforço, e consiste na consequente descontinuidade das propriedades físicas e mecânicas, a distribuição das quais não é uniforme.A disadvantage of all the known methods indicated above is related to the microstructural homogeneity of the reinforcement inserts, and consists in the consequent discontinuity of the physical and mechanical properties, the distribution of which is not uniform.

[0022] A finalidade da presente invenção é aperfeiçoar um método que permita se obter, por fundição, fundições de ligas de aço, vantajosamente, mas não exclusivamente, de aço com manganês, tendo completamente a rigidez do aço com manganês, e, em zonas localizadas, a dureza necessária para resistir a tensões de desgaste e de abrasão. Em particular, a invenção obtém aços fundidos que, ao longo de todas as zonas localizadas, apresentam uma microestrutura homogênea e uma distribuição uniforme das características mecânicas.[0022] The purpose of the present invention is to improve a method which makes it possible to cast steel alloy castings advantageously, but not exclusively, of manganese steel, having the rigidity of manganese steel completely, and in zones hardness required to withstand wear and abrasion stresses. In particular, the invention obtains cast steels which, throughout all localized zones, have a homogeneous microstructure and a uniform distribution of mechanical characteristics.

[0023] A requerente vislumbrou, testou e concretizou a presente invenção para superar as desvantagens do estado da técnica e para obter essas e outras finalidades e vantagens.We have envisioned, tested and embodied the present invention to overcome the disadvantages of the state of the art and to achieve these and other purposes and advantages.

RESUMO DA INVENÇÃOSUMMARY OF THE INVENTION

[0024] A presente invenção é mostrada e caracterizada nas reivindicações independentes, enquanto que as reivindicações dependentes descrevem outras características da invenção ou variações em relação à principal ideia inventiva.The present invention is shown and characterized in the independent claims, while the dependent claims describe other features of the invention or variations on the main inventive idea.

[0025] De acordo com a finalidade acima, é usado um método de acordo com a presente invenção para fabricação de aços fundidos, em particular, mas não exclusivamente, para fabricação de aços fundidos com manganês, pretendidas para se obter elementos de desgaste.According to the above purpose, a method according to the present invention is used for manufacturing molten steels, in particular, but not exclusively, for manufacturing manganese molten steels, intended to obtain wear elements.

[0026] O método compreende pelo menos uma etapa de preparação de pelo menos uma inserção de reforço, uma etapa de preparação de um molde para a fundição a ser fabricada e uma etapa subsequente de fundição do aço do lado de dentro do molde.The method comprises at least one step of preparing at least one reinforcement insert, one step of preparing a mold for the casting to be fabricated and a subsequent step of casting the steel inside the mold.

[0027] De acordo com uma característica da presente invenção, a inserção de reforço é feita por compactação de uma massa amorfa de pó para endurecimento em um formato geométrico desejado. A compactação é obtida por meio de técnicas de sinterização com uma fusão seletiva e localizada compreendendo uma ou outra das técnicas identificadas como EBM (Fusão com Feixe de Elétrons), SLM (Fusão com Laser Seletiva), ou outras técnicas similares ou comparáveis. A massa amorfa de pó para endurecimento é obtida por mistura de pós de elementos puros, ou de compostos que formem carbetos e/ou microestruturas de grande dureza, que, devido ao efeito da fusão, gerem carbetos e/ou microestruturas de grande dureza.According to a feature of the present invention, the reinforcement insert is made by compacting an amorphous hardening powder mass into a desired geometric shape. Compaction is achieved by selective localized fusion sintering techniques comprising one or another of the techniques identified as EBM (Electron Beam Fusion), SLM (Selective Laser Fusion), or other similar or comparable techniques. The amorphous hardening powder mass is obtained by mixing powders of pure elements, or carbide-forming compounds and / or very hard microstructures which, due to the effect of melting, generate carbides and / or very hard microstructures.

[0028] Essas técnicas apresentam a vantagem de que elas permitem formar quase qualquer formato geométrico, desenvolvido em três dimensões, de acordo com exigências específicas.These techniques have the advantage that they allow to form almost any geometric shape, developed in three dimensions, according to specific requirements.

[0029] As técnicas descritas acima permitem obter formatos complexos com geometrias variáveis, partindo diretamente da massa amorfa de pó, porque elas são técnicas do tipo adaptativo e obtêm fusão localizada do pó somente nas zonas afetadas por um feixe de elevada energia.The techniques described above allow obtaining complex shapes with varying geometries, starting directly from the amorphous powder mass, because they are adaptive type techniques and obtain localized powder melting only in the areas affected by a high energy beam.

[0030] Graças à elevada intensidade de energia e à compactação, à qual o pó para endurecimento é submetido, elas também permitem obter inserções de reforço que são substancialmente sem porosidade e tensões residuais.Thanks to the high energy intensity and compactness to which the hardening powder is subjected, they also provide reinforcement inserts which are substantially without porosity and residual stresses.

[0031] A preparação de inserções de reforço com técnicas de EBM e de SLM ou similares, também apresenta a outra vantagem de se obter um processo rápido e acurado, e também permite obter inserções de reforço partindo de pós de materiais com elevados pontos de fusão, por exemplo, tungstênio, titânio, molibdênio, vantajosamente úteis, puros ou em ligas, em ligas de ferro, que, depois das reações químicas, que são desencadeadas devido ao efeito do tipo de fusão, dão origem a carbetos ou a outras microestruturas duras. [0032] O método de acordo com a presente invenção propicia que a etapa de preparação de molde compreenda uma subetapa de posicionamento de pelo menos uma inserção de reforço do lado de dentro do molde. A fim de permitir um posicionamento estável desejado da inserção de reforço do lado de dentro do molde, quando a inserção de reforço for feita, pelo menos um apêndice será também feito em uma parte com ela, com a função de ancoragem da inserção de reforço ao molde.The preparation of reinforcement inserts using EBM and SLM techniques or the like also has the other advantage of obtaining a fast and accurate process, and also provides reinforcement inserts from powders of materials with high melting points. , for example, advantageously useful tungsten, titanium, molybdenum, pure or in alloys, in iron alloys which, after chemical reactions, which are triggered by the effect of the fusion type, give rise to carbides or other hard microstructures. . The method according to the present invention provides that the mold preparation step comprises a positioning substep of at least one reinforcement insert inside the mold. In order to allow a desired stable positioning of the reinforcement insert inside the mold, when the reinforcement insert is made, at least one appendage will also be made in one part thereof, with the function of anchoring the reinforcement insert to the mold.

[0033] De acordo com uma variante da presente invenção, durante a preparação da inserção de reforço, são feitos canais perpassantes, cegos ou que se interceptam reciprocamente, para promover a ancoragem da inserção de reforço ao aço fundido, durante a etapa de fundição.In one embodiment of the present invention, during preparation of the reinforcement insert, blind, or reciprocally intersecting channels are made to promote anchoring of the reinforcement insert to the cast steel during the casting step.

[0034] De acordo com outra característica da invenção, as técnicas de sinterização fundem os pós de elementos puros, ou compostos que formem carbetos e/ou microestruturas de grande dureza, desencadeando reações químicas para gerar carbetos e/ou microestruturas de grande dureza, uniformemente ou homogeneamente distribuídos do lado de dentro da inserção de reforço e definindo uma microestrutura homogênea da mesma.According to another feature of the invention, sintering techniques fuse the powders of pure elements, or compounds that form very hard carbides and / or microstructures, triggering chemical reactions to generate uniformly hard carbides and / or microstructures. or evenly distributed inside the reinforcement insert and defining a homogeneous microstructure thereof.

[0035] Os carbetos tornam a inserção de reforço uniformemente dura e resistente ao desgaste, e adequada para conferir estas propriedades ao longo de todo o volume das zonas da fundição, na qual ela seja inserida.Carbides make the reinforcement insert uniformly hard and wear resistant, and suitable for imparting these properties throughout the volume of the foundry zones into which it is inserted.

[0036] A presente invenção também se refere a um aço fundido, a fim de se obter um elemento de desgaste, fabricado de acordo com o método descrito acima. A fundição apresenta, no total, uma microestrutura e uma dureza heterogêneas, definidas por pelo menos uma inserção de reforço integrada ao aço fundido durante a fundição do aço em um molde.[0036] The present invention also relates to a cast steel in order to obtain a wear element manufactured according to the method described above. The casting has a heterogeneous microstructure and hardness, defined by at least one reinforcement insert integrated with the molten steel during casting of the steel in a mold.

[0037] De acordo com uma peculiaridade característica da fundição, a inserção de reforço apresenta uma microestrutura homogênea compreendendo carbetos e/ou estruturas de grande dureza, e é obtida com técnicas de sinterização com uma fusão seletiva e localizada compreendendo uma ou outra das seguintes técnicas: EBM (Fusão com Feixe de Elétrons), SLM (Fusão com Laser Seletiva), ou outras técnicas similares ou comparáveis.According to a peculiar characteristic of the casting, the reinforcement insert has a homogeneous microstructure comprising carbides and / or structures of great hardness, and is obtained by selective and localized fusion sintering techniques comprising one or the other of the following techniques. : EBM (Electron Beam Fusion), SLM (Selective Laser Fusion), or other similar or comparable techniques.

[0038] A fundição pode compreender carbetos simples ou mistos, ou agregações complexas de carbetos. Os carbetos conferem, de maneira uniforme nas zonas, nas quais a inserção seja aplicada, dureza e resistência ao desgaste na fundição que a incorpora, e, consequentemente, no elemento de desgaste que seja feito a partir dela.The casting may comprise single or mixed carbides, or complex aggregates of carbides. Carbides impart evenly to the areas to which the insert is applied, hardness and wear resistance in the foundry that incorporates it, and consequently in the wear element made from it.

[0039] Durante a etapa de fundição, a inserção de reforço é parcialmente fundida, o que vantajosamente permite uma soldagem íntima com o aço fundido, para conferir, na fundição obtida, uma microestrutura homogênea.During the casting step, the reinforcement insert is partially fused, which advantageously allows an intimate welding with the molten steel to impart a homogeneous microstructure in the obtained casting.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOSBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS

[0040] Essas e outras características da presente invenção tornar-se-ão evidentes a partir da descrição seguinte de uma forma preferencial de modalidade, dada como um exemplo não restritivo com referência aos desenhos anexos, nos quais: [0041] A Figura 1 é uma representação esquemática de uma forma de modalidade de um método de acordo com a presente invenção;These and other features of the present invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment, given as a non-restrictive example with reference to the accompanying drawings, in which: a schematic representation of an embodiment of a method according to the present invention;

[0042] A Figura 2 é uma variante de um detalhe da Figura 1; e [0043] A Figura 3 mostra esquematicamente uma fundição de acordo com a presente invenção.[0042] Figure 2 is a variant of a detail of Figure 1; and Figure 3 schematically shows a foundry in accordance with the present invention.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE UMA FORMA DE MODALIDADEDETAILED DESCRIPTION OF A MODE

[0044] Com referência à Figura 1, um método 10 para fabricação de aços fundidos 110, vantajosamente, mas não exclusivamente, aço com manganês, de acordo com a presente invenção, permite se obter aços fundidos 110 apresentando uma microestrutura heterogênea.Referring to Figure 1, a method 10 for manufacturing molten steels 110, advantageously, but not exclusively, manganese steel, according to the present invention, enables molten steels 110 having a heterogeneous microstructure.

[0045] O método 10 propicia que, em uma etapa de preparação 11, um molde 111 seja feito para cada aço fundido 110, que, em uma etapa de fundição subsequente 12, aço com manganês fundido é fundido do lado de dentro do molde 111 e que, em uma etapa de espera, o aço fundido 110 se solidifica.Method 10 provides that, in a preparation step 11, a mold 111 is made for each molten steel 110 which, in a subsequent casting step 12, molten manganese steel is cast inside the mold 111 and that in a waiting step the molten steel 110 solidifies.

[0046] Durante a etapa de preparação 11, é feita uma pluralidade de paredes de perímetro 112; neste caso, por exemplo, com areia olivina e aditivos aglutinantes, que delimitam uma cavidade interna 113. Uma abertura superior 114 coloca a cavidade interna 113 em comunicação com o lado de fora do molde 111 e permite que o aço fundido entre na cavidade interna 113 durante a etapa de fundição 12.During the preparation step 11, a plurality of perimeter walls 112 are made; in this case, for example, with olivine sand and binder additives that delimit an inner cavity 113. An upper opening 114 places the inner cavity 113 in communication with the outside of the mold 111 and allows molten steel to enter the inner cavity 113. during the casting step 12.

[0047] A etapa de preparação 11 compreende uma subetapa 14 de posicionamento de pelo menos uma inserção de reforço 115 do lado de dentro da cavidade interna 113 do molde 111.The preparation step 11 comprises a positioning substep 14 of at least one reinforcement insert 115 inside the inner cavity 113 of the mold 111.

[0048] Uma etapa 15 de preparação da inserção de reforço 115 (Figura 1) é realizada antes da etapa 11 de preparação do molde 111, e propicia que a inserção de reforço 115 seja feita por sinterização de um pó para endurecimento 118.A step 15 of preparing the reinforcement insert 115 (Figure 1) is performed prior to the step 11 of preparing the mold 111, and providing the reinforcement insert 115 to be made by sintering a hardening powder 118.

[0049] A sinterização fornece uma compactação inicial do pó para endurecimento 118, que é, então, pelo menos parcialmente fundido usando energia de densidade elevada, e, subsequentemente, ressolidificado.Sintering provides an initial compaction of hardening powder 118, which is then at least partially melted using high density energy, and subsequently resolidified.

[0050] O pó para endurecimento 118 é, por exemplo, com base em ferro e também contém compostos contendo cromo e/ou titânio, ou outros elementos similares a carbono, que, fundindo-se devido à energia elevada, pode obter ligas com carbetos simples ou mistos, ou agregações complexas de carbetos e/ou microestruturas de grande dureza.Hardening powder 118 is, for example, iron based and also contains compounds containing chromium and / or titanium, or other carbon-like elements, which, by melting due to high energy, can obtain carbide alloys. single or mixed, or complex aggregations of carbides and / or very hard microstructures.

[0051] O pó para endurecimento 118 pode ser definido, por exemplo, por uma mistura de pós de elementos puros, tais como, por exemplo, carbono, tungstênio, cromo, ferro, ou pós de ligas de ferro contendo os elementos e outros, tais como, por exemplo, titânio, molibdênio, boro ou vanádio.Hardening powder 118 may be defined, for example, by a mixture of pure element powders, such as, for example, carbon, tungsten, chromium, iron, or iron alloy powders containing the elements and others, such as, for example, titanium, molybdenum, boron or vanadium.

[0052] Uma primeira formulação da presente invenção propicia que, assim como pó com base em ferro, o pó para endurecimento 118 compreenda os seguintes componentes: - carbono em uma percentagem compreendida entre 1,5% e 3,5%; - cromo em uma percentagem compreendida entre 20% e 30%; à qual podem ser adicionados, dependendo das outras características a serem obtidas, os seguintes componentes opcionais: - molibdênio em uma percentagem compreendida entre 0,1% e 1%; - tungstênio em uma percentagem compreendida entre 0,1% e 0,5%.A first formulation of the present invention provides that, as well as iron-based powder, hardening powder 118 comprises the following components: carbon in a percentage from 1.5% to 3.5%; - chromium in a percentage comprised between 20% and 30%; to which the following optional components may be added depending on the other characteristics to be obtained: - molybdenum in a percentage from 0.1% to 1%; - tungsten in a percentage between 0.1% and 0.5%.

[0053] Uma segunda formulação da presente invenção propicia que, assim como pó com base em ferro, o pó para endurecimento 118 compreenda os seguintes componentes: - carbono em uma percentagem compreendida entre 0,5% e 1,0%; - cromo em uma percentagem compreendida entre 10% e 15%; à qual podem ser adicionados os seguintes componentes adicionais: - molibdênio em uma percentagem compreendida entre 0,1% e 1%; - vanádio em uma percentagem compreendida entre 0,2% e 1,5%; - boro em uma percentagem compreendida entre 0,001% e 0,015%.A second formulation of the present invention provides that, as well as iron-based powder, hardening powder 118 comprises the following components: carbon in a percentage of 0.5% to 1.0%; - chromium in a percentage comprised between 10% and 15%; to which the following additional components may be added: - molybdenum in a percentage from 0.1% to 1%; vanadium in a percentage of between 0,2% and 1,5%; - boron in a percentage of 0.001% to 0.015%.

[0054] De acordo com uma terceira formulação da presente invenção, assim como pó com base em ferro, o pó para endurecimento compreende os seguintes componentes: - carbono em uma percentagem compreendida entre 0,3% e 0,5%; - cromo em uma percentagem compreendida entre 4% e 5%; - molibdênio em uma percentagem compreendida entre 0,5% e 1,5%.According to a third formulation of the present invention, as well as iron-based powder, the hardening powder comprises the following components: carbon in a percentage comprised between 0.3% and 0.5%; - chromium in a percentage from 4% to 5%; - molybdenum in a percentage between 0.5% and 1.5%.

[0055] Outras formulações das misturas podem ser obtidas como aplicações simples das linhas de base indicadas acima.Other formulations of the mixtures may be obtained as simple applications of the baselines indicated above.

[0056] A formulação do pó para endurecimento 118 pode ser estabelecida, de acordo com exigências específicas, por seleção, em cada ocasião, dos pós de elementos e/ou compostos a serem usados, baseados em carbetos e/ou microestruturas de grande dureza, que devam ser obtidos para a inserção de reforço 115.The formulation of hardening powder 118 may be established according to specific requirements by selecting, on each occasion, the powders of elements and / or compounds to be used based on carbides and / or very hard microstructures, that must be obtained for the reinforcement insert 115.

[0057] O pó para endurecimento 118 é tratado em uma máquina de sinterização, na qual a estrutura e o formato geométrico da inserção de reforço 115 são definidos, partindo do pó para reforço 118.The hardening powder 118 is treated in a sintering machine in which the structure and geometric shape of the reinforcement insert 115 are defined starting from the reinforcing powder 118.

[0058] Para essa finalidade, técnicas de sinterização com uma fusão seletiva e localizada, tais como, por exemplo, EBM (Fusão com Feixe de Elétrons), SLM (Fusão com Laser Seletiva), mas também outras técnicas do tipo aditivo, ou outras técnicas similares ou comparáveis a essas, podem ser usadas.For this purpose, selective selective localized fusion sintering techniques such as, for example, Electron Beam Fusion (EBM), Selective Laser Fusion (SLM), but also other additive or other techniques. Similar or comparable techniques can be used.

[0059] Nas partes que se seguem na descrição, por meio de exemplo, será feita referência às técnicas de EBM e de SLM, entretanto, as seguintes considerações aplicar-se-ão também a outras técnicas similares.In the following parts of the description, by way of example, reference will be made to the EBM and SLM techniques, however, the following considerations will also apply to other similar techniques.

[0060] Técnicas de EBM e de SLM permitem obter a inserção de reforço 115 desejada com pó de endurecimento 118, pela fusão localizada de áreas específicas do último, o qual está inicialmente na forma de uma massa de pó amorfa.EBM and SLM techniques provide the desired reinforcement insert 115 with hardening powder 118 by localized melting of specific areas of the latter which is initially in the form of an amorphous powder mass.

[0061] A densidade de energia elevada atingida com técnicas de EBM ou de SLM permite fundir e, então, sinterizar pós de materiais com elevados pontos de fusão, tais como, por exemplo, titânio, tungstênio e molibdênio, conforme acima.The high energy density achieved with EBM or SLM techniques allows melting and then sintering powders of materials with high melting points such as titanium, tungsten and molybdenum as above.

[0062] Seguindo à fusão, os elementos ou os compostos, que constituem o pó para endurecimento 118 se reúnem para formar ligas. Os compostos preparados em virtude da fusão são o resultado de reações químicas desencadeadas pela energia elevada administrada localmente e que seguem as leis de agregação de acordo com a energia livre de Gibbs. Esses compostos são essencialmente duros e constituídos por agregações de carbetos, simples ou mistos, e/ou microestruturas de grande dureza, por exemplo, martensíticas.Following melting, the elements or compounds constituting hardening powder 118 come together to form alloys. Compounds prepared by virtue of fusion are the result of chemical reactions triggered by locally administered high energy and which follow the Gibbs free energy aggregation laws. Such compounds are essentially hard and consist of single or mixed carbide aggregations and / or very hard, for example martensitic microstructures.

[0063] Uma vez que as técnicas de EBM ou de SLM permitem obter carbetos conforme indicado acima, não é necessário - e, de fato, pode mesmo ser desvantajoso -usar um pó para endurecimento 118 contendo carbetos já formados.Since EBM or SLM techniques allow carbides to be obtained as indicated above, it is not necessary - and indeed may even be disadvantageous - to use a hardening powder 118 containing already formed carbides.

[0064] A função primária da sinterização por meio de EBM ou de SLM é, portanto, determinar a microestrutura da inserção de reforço 115, desencadeando reações químicas partindo dos componentes de base.The primary function of sintering by means of EBM or SLM is therefore to determine the microstructure of the reinforcement insert 115, triggering chemical reactions from the base components.

[0065] Isso permite, de maneira vantajosa, obter uma microestrutura dura e, ao mesmo tempo, homogênea do lado de dentro da inserção de reforço 115 inteira.This advantageously allows to obtain a hard and at the same time homogeneous microstructure inside the entire reinforcement insert 115.

[0066] A obtenção da inserção de reforço 115 é controlada e gerenciada por uma unidade de controle, que coopera com um dispositivo de fusão, para se obter os formatos geométricos desejados.Obtaining reinforcement insert 115 is controlled and managed by a control unit, which cooperates with a fusion device, to obtain the desired geometric shapes.

[0067] As técnicas de sinterização descritas acima permitem, de maneira vantajosa, preparar inserções de reforço 115 de qualquer formato geométrico, desenvolvidas nas dimensões tridimensionais de acordo com às exigências específicas do aço fundido 110 a ser obtida. De fato, uma vez que elas são técnicas aditivas, elas permitem obter, rapidamente e precisamente, desenvolvimentos geométricos tridimensionais muito complexos e difíceis, que são mesmo impossíveis de se obter usando-se operações de remoção de lascas, ou por moldagem, ou usando-se técnicas de sinterização tradicionais.The sintering techniques described above advantageously permit the preparation of reinforcement inserts 115 of any geometric shape, developed in three-dimensional dimensions according to the specific requirements of the cast steel 110 to be obtained. In fact, since they are additive techniques, they enable very complex and difficult three-dimensional geometric developments to be obtained quickly and accurately, which are even impossible to achieve by using chip removal operations, or by molding, or by using them. and traditional sintering techniques.

[0068] De fato, de acordo com a invenção, as inserções de reforço 115 podem apresentar canais internos, que se interceptam ou não, nos quais o aço fundido possa penetrar durante a etapa de fundição 12, para criar uma conexão melhor e mais estável entre a inserção de reforço 115 e o aço fundido.In fact, according to the invention, reinforcing inserts 115 may have intersecting or non-intersecting internal channels into which molten steel can penetrate during casting step 12 to create a better and more stable connection. between the reinforcement insert 115 and the cast steel.

[0069] A Figura 2 mostra, por meio de exemplo, uma variante da inserção de reforço 115, neste caso formatada como uma espiral plana.[0069] Figure 2 shows, by way of example, a variant of reinforcement insert 115, in this case shaped as a flat spiral.

[0070] Outras formas espaciais da inserção de reforço 115 podem ser feitas, de acordo com as exigências ponto a ponto do produto final.Other spatial shapes of the reinforcement insert 115 may be made according to the end-to-end requirements of the final product.

[0071] Durante a etapa de posicionamento 14 da inserção de reforço 115, também pode ser realizada uma operação de ancoragem, durante a qual ela é ancorada a pelo menos uma das paredes de perímetro 112 do molde 111. Para essa finalidade, a inserção de reforço 115 compreende, em suas extremidades, um ou mais apêndices 120, que funcionam como meio de ancoragem e que são inseridos do lado de dentro das paredes de perímetro 112 correspondentes.During the positioning step 14 of the reinforcement insert 115, an anchoring operation may also be performed during which it is anchored to at least one of the perimeter walls 112 of the mold 111. For this purpose, the insertion of The reinforcement 115 comprises at its ends one or more appendages 120, which function as anchoring means and which are inserted into the corresponding perimeter walls 112.

[0072] Esse estratagema permite que a inserção de reforço 115 permaneça na posição correta também durante a etapa de fundição 12 subsequente, durante a qual ela é completamente incorporada na matriz de aço com manganês, que é fundido para o molde 111.This ploy allows the reinforcement insert 115 to remain in the correct position also during the subsequent casting step 12, during which it is completely incorporated into the manganese steel die, which is cast into the mold 111.

[0073] A Figura 3 mostra um exemplo de um aço fundido 110 exibindo a posição incorporada da inserção de reforço 115.Figure 3 shows an example of a cast steel 110 showing the embedded position of the reinforcement insert 115.

[0074] Pelo controle do processo de sinterização, a aplicação de técnicas de EBM e de SLM permite obter inserções de reforço 115, que sejam não somente de microestruturalmente homogêneas, mas, também, substancialmente sem porosidade e tensões residuais, e, portanto, vantajosamente compactas e resistentes.By controlling the sintering process, the application of EBM and SLM techniques yields reinforcing inserts 115 that are not only microstructurally homogeneous but also substantially without porosity and residual stresses, and therefore advantageously. compact and sturdy.

[0075] Além disso, as inserções de reforço 115 assim obtidas não necessitam de tratamentos térmicos depois que elas tenham sido preparadas, e, portanto, elas podem ser colocadas no molde 111 imediatamente antes da sinterização.Furthermore, the reinforcement inserts 115 thus obtained do not require heat treatment after they have been prepared, and therefore they can be placed in the mold 111 immediately prior to sintering.

[0076] Durante a etapa de fundição 12, dependendo dos componentes, cada inserção de reforço 115 pode ser submetida à fusão parcial que, durante a solidificação subsequente, possibilita obter um aço fundido 110, que seja macroestruturalmente homogênea, devido à soldagem do aço fundido e da parte fundida da inserção de reforço 115.During casting step 12, depending on the components, each reinforcement insert 115 may be subjected to partial melting which, upon subsequent solidification, makes it possible to obtain a molten steel 110 which is macrostructurally homogeneous due to the welding of the molten steel. and the fused portion of the reinforcement insert 115.

[0077] O aço fundido 110 obtido mantém uma microestrutura de maneira geral heterogênea, que apresenta uma maior dureza em correspondência com as zonas relacionadas com a inserção de reforço 115, que está distribuída de maneira uniforme nelas e constante, sem variações ponto a ponto.The cast steel 110 obtained maintains a generally heterogeneous microstructure, which exhibits greater hardness in correspondence with the zones related to the reinforcement insert 115, which is uniformly and evenly distributed therein, without point-to-point variations.

[0078] A inserção de reforço 115 pode ser analisada usando análise microscópica, seja óptico ou, melhor, seja eletrônico por varredura ou transmissão.The reinforcement insert 115 can be analyzed using microscopic analysis, either optical or, better, electronic by scanning or transmission.

[0079] Uma vez que a solidificação do aço fundido 110 esteja terminada, depois da etapa de espera 13, tratamentos térmicos subsequentes permitem, por exemplo, por indução de transformações martensíticas do lado de dentro do aço fundido 110, conferir mais dureza nas zonas que apresentem inserções de reforço 115.Once solidification of cast steel 110 is completed, after waiting step 13, subsequent heat treatments allow, for example, by inducing martensitic transformations inside cast steel 110, to give more hardness in the areas which have reinforcement inserts 115.

[0080] Está claro que podem ser feitas modificações e/ou adições de partes ao método 10 e que o aço fundido 110, conforme descrito anteriormente aqui, sem se desviar do campo e do escopo da presente invenção.It is clear that modifications and / or additions of parts may be made to method 10 and that cast steel 110 as described hereinbefore without departing from the field and scope of the present invention.

[0081] Também está claro que, embora a presente invenção tenha sido descrita com referência a alguns exemplos específicos, um técnico no assunto certamente será capaz de conseguir muitas outras formas equivalentes do aço fundido 110, apresentando as características conforme mostradas nas reivindicações e, portanto, todas recaindo dentro do campo de proteção por elas definido.It is also clear that while the present invention has been described with reference to some specific examples, one skilled in the art will certainly be able to achieve many other equivalent forms of cast steel 110, having the characteristics as shown in the claims and therefore , all falling within the protection field defined by them.

REIVINDICAÇÕES

Claims

A method for manufacturing cast steels (110) to obtain a wear element comprising: a step (15) for preparing a reinforcement insert (115), a step (11) for preparing a mold (111) ) for the cast steel (110) to be fabricated by positioning the reinforcement insert (115) in the mold, and a subsequent step (12) of casting the steel inside the mold, characterized in that the reinforcement insert (115) is made by compaction into a desired geometric shape, by sintering with selective selective electron beam fusion (EBM) or selective laser fusion (SLM), an amorphous mass of hardening powder (118). ) obtained by mixing pure elemental powders or compounds suitable to form carbides and / or microstructures which, due to the effect of the fusion, generate carbides and / or very hard microstructures.

Method according to claim 1, characterized in that the step (11) for preparing the mold (111) includes a substep (14) for positioning the inside of the mold (111) of a reinforcement insert (115), and providing the one-piece anchor device reinforcement insert (120) obtained in preparing the reinforcement insert (115), the anchor device (120) allowing stable positioning of the reinforcement insert (115) inside the mold (111).

Method according to Claim 1 or 2, characterized in that, during the step (15) of preparing the reinforcement insert (115), preparing bypass or blind intersecting channels to promote anchorage of the reinforcement insert. reinforcement insert (115) to the molten steel during the casting step (12).

Method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it comprises arranging sintering with a selective and localized fusion of pure element powders, or carbide-forming compounds and / or microstructures. hardness, present inside the hardening powder (118), the fusion being suitable for triggering chemical reactions to generate carbides and / or very hard microstructures evenly or evenly distributed inside the reinforcement insert (115) and defining a homogeneous microstructure of the reinforcement insert (115).

Cast steel for a wear element manufactured according to the method as defined in claim 1, generally having a heterogeneous microstructure and hardness, the microstructure and hardness being defined by a reinforcement insert ( 115) integrated with cast steel during casting of the steel to a mold (111), characterized in that the reinforcement insert (115) is obtained by a selective fusion sintering operation located in accordance with either of the electron beam fusion (EBM), or selective laser fusion (SLM) techniques, which have a homogeneous microstructure comprising carbides and / or high hardness structures.