BR112015011069B1

BR112015011069B1 - Aço fundido martensítico e seu método de produção

Info

Publication number: BR112015011069B1
Application number: BR112015011069-0A
Authority: BR
Inventors: Ricardo Leiva Illanes; Raoul Meunier Artigas
Original assignee: Compañía Electro Metalúrgica S.A.
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2021-03-23
Also published as: CA2913601A1; WO2014075202A1; CN105008554A; PE20150937A1; BR112015011069A2; AR093492A1; CA2913601C; AU2013344748B2; US10023926B2; CN105008554B; AU2013344748A1; US20150368729A1; CL2012003184A1

Abstract

método de produção de aço fundido martensítico de alta resistência ao desgaste e aço com as referidas características. a invenção refere-se a um método de fabricação de um aço fundido martensítico de alta dureza e excelente resistência ao desgaste em condições de abrasão e impacto para peças de grande porte utilizadas como revestimentos antidesgaste em operações mineiras de esmerilhamento e trituração, cuja composição química, expressa em percentagem em peso, compreende 0,35-0, 55% de c, 0, 60-1, 30% de si, 0,60-1,40% de mn, 4,5~6,50%de cr, 0,0~0,60%de ni, 0,30-0,60% de mo, 0,0~0,70% de cu, 0,010-0,10% de al, 0,0~0,10% de ti, 0,0~0,10% de zr, 0, 0-0, 050% de nb, menos de 0,035% de p, menos de 0,035% de s, menos de 0,030% de n, opcionalmente 0,0005-0,005% de b, opcionalmente 0,015-0,080% de terras raras, e o equilíbrio sendo ferro. o método de produção do aço fundido inclui fusão, coada e tratamento térmico. a fusão pode ser realizada em forno elétrico de arco com refratário básico ou ácido ou em forno elétrico de indução. a fusão em forno elétrico de arco como operação normal compreende fusão, insuflação de oxigênio, bloqueio, refinação e desoxidação. a fusão pode ser realizada em forno elétrico de arco com refratário básico ou ácido ou em forno elétrico de indução. a fusão em forno elétrico de arco como operação normal compreende fusão, insuflação de oxigênio, bloqueio, refinação e desoxidação. a fusão em forno elétrico de indução compreende fusão, refinação, controle do nitrogênio em solução e desoxidação. o tratamento térmico compreende têmpera em ar parado ou forçado de acordo com a espessura das peças, seguido de um tratamento térmico de revenimento.

Description

AÇO FUNDIDO MARTENSÍTICO E SEU MÉTODO DE PRODUÇÃO

Campo de Aplicação

[001] A presente invenção refere-se ao campo de materiais metálicos resistentes ao desgaste, especialmente aços fundidos resistentes ao desgaste por abrasão e impacto para aplicações de mineração. Mais particularmente, a presente invenção refere-se a um método de produção de aço fundido, por meio do qual obtém um aço resistente ao desgaste, com microestrutura principalmente martensítica e equilíbrio adequado da composição química o qual, em conjunto com adições de microelementos de liga, permite obter uma alta temperabilidade e endurecimento completo em peças de grande porte e geometria complexa usadas em aplicações de mineração, tais como esmerilhamento, trituração e todas as aplicações que requerem peças de grande porte com alta resistência ao desgaste por abrasão e impacto. Particularmente, o método e o aço da presente invenção são utilizados para fabricar peças de grande porte utilizadas em moinhos de esfera, côncavos de trituradores e tampas de moinhos semiautógenos, também conhecidos como moinhos SAG. Ainda mais particularmente, a presente invenção refere-se a um aço fundido de estrutura principalmente martensítica, com alta dureza e resistência ao desgaste em condições de abrasão e impacto, para ser utilizado nas aplicações mencionadas acima.

Problema Técnico

[002] São conhecidos na técnica diversos métodos de produção de aços para aplicações de mineração. No entanto, a vida útil das peças obtidas por estes métodos não consegue satisfazer as necessidades de produção. Em particular, os métodos conhecidos não proporcionam aços martensíticos de alta resistência ao desgaste por abrasão e impacto e cuja temperabilidade seja suficiente para assegurar uma alta dureza em toda a seção transversal de peças de grande espessura e geometria complexa fabricadas com este aço, tipicamente até 35,84 cm (14 polegadas) de espessura, quando são processados por endurecimento em ar e revenimento.

Soluções da Técnica Anterior

[003] Não foram identificados métodos de produção de aços fundidos martensíticos de endurecimento ao ar que sejam capazes de proporcionar uma liga de alta dureza e excelente resistência ao desgaste, para uso em aplicações de mineração que requerem peças de grande porte submetidas à abrasão e impacto, tais como revestimentos antidesgaste para esmerilhamento e trituração, tal como oferece a presente invenção.

[004] Em termos gerais, os aços fundidos que habitualmente são empregados nas aplicações de mineração mencionadas podem ser classificados como: i) aços austeníticos manganês tipo Hadfield; ii) aços Cr-Mo de baixa liga com microestrutura principalmente perlítica; e iii) aços de baixa liga e de baixo a médio teor de carbono com microestrutura martensítica. Nenhum destes aços soluciona efetivamente os problemas já comentados, tal como explicado em detalhes mais adiante.

[005] Os aços austeníticos manganês do tipo Hadfield, tais como os descritos pela norma ASTM A128, possuem uma alta tenacidade e alta capacidade de endurecimento por deformação a frio, sendo utilizados principalmente em revestimentos de equipamentos de trituração de minerais. Não obstante, quando a solicitação mecânica não é suficiente para gerar um alto endurecimento por deformação a frio, os aços austeníticos manganês inevitavelmente apresentam uma baixa resistência ao desgaste.

[006] Por sua vez, os aços Cr-Mo de baixa liga com microestrutura principalmente perlítica correspondem a aços com uma composição química tipicamente dada por 0,55~0,85 % de C, 0,30~0,70 % de Si, 0,60~0,90 % de Mn, 0,0~0,20 % de Ni, 2,0~2,50 % de Cr, 0,30~0,50 % de Mo, menos de 0,050 % de P, menos de 0,050 % de S, que são obtidos por meio de um tratamento térmico de normalizado e revenimento, alcançando durezas Brinell na faixa de 275-400 BHN. Estes aços vêm sendo amplamente utilizados em carcaças de moinhos SAG durante os últimos 30 anos com resultados aceitáveis, sem terem sido submetidos a grandes modificações.

[007] A principal limitação no uso dos aços Cr-Mo de baixa liga e microestrutura principalmente perlítica é que não é possível aumentar sua resistência ao desgaste via um aumento da dureza, sem afetar negativamente a tenacidade.

[008] Finalmente, outro tipo de aço comumente utilizado na indústria de mineiração corresponde aos aços de baixa liga e de baixo a médio teor de carbono com microestrutura principalmente martensítica. Estes aços são obtidos por meio de um tratamento térmico de endurecimento severo e revenimento, alcançando durezas Brinell compreendidas na faixa de 321-551 BHN, em função da composição química específica da liga e das condições utilizadas no tratamento térmico. Atualmente, estes aços são amplamente utilizados em côncavos de trituradores, extremidades de pá de equipamentos de movimento de terra, calhas de descarga e placas antiabrasivas, todas elas peças de espessuras tipicamente inferiores a 20,3 cm (8 polegadas). No entanto, as principais limitações que estes aços apresentam são:

• não possuem temperabilidade suficiente para garantir uma dureza alta e constante através da seção transversal de uma peça, isto é, desde a superfície até o núcleo, para peças de espessuras acima de 15,2 cm (6 polegadas); e
• os aços de baixa liga e de baixo a médio teor de carbono requerem uma taxa de resfriamento mais alta para obter uma estrutura martensítica, sendo usualmente empregado como meio de endurecimento água ou óleo. Isto não só dá origem a um maior custo de fabricação, como também impede a elaboração de peças de grande porte ou de geometria complexa com grandes mudanças de seção.

[009] Assim sendo, apesar de existirem na técnica anterior métodos de produção de aços para aplicações de mineração, os inventores não encontram qualquer divulgação de um método capaz de produzir um aço fundido da composição e microestrutura especificada na presente invenção e que, ademais, apresente as vantagens a serem comentadas mais adiante.

[0010] A título de exemplo, o documento JP 2000 328180 de TAMURA Akira et al. refere-se a um aço fundido de microestrutura principalmente martensítica, resistente ao desgaste, para ser utilizado em peças de moinhos empregados pela indústria de cimento, pela indústria cerâmica, etc. Não obstante, a composição química deste aço é substancialmente diferente daquela do aço obtido pelo método da presente invenção. O aço descrito no documento JP 2000 328180 possui um teor de cromo preferivelmente entre 3,8 – 4,3 % p/p. Além disso, o referido documento ensina que enquanto um teor de cromo maior que 5,0 % p/p aumenta a resistência à abrasão, a tenacidade do aço se vê deteriorada. Ao contrário, a presente invenção descreve aços com microestrutura principalmente martensítica com concentrações de cromo entre 4,5 e 6,5 % p/p, mais preferivelmente entre 4,8 e 6,0 % p/p, e com alta dureza e excelente resistência ao desgaste em peças de grande porte submetidas à abrasão e impacto.

[0011] Além disso, o aço descrito no documento JP 2000 328180 não divulga microadições de titânio, zircônio e/ou nióbio, tais como aquelas contempladas na presente invenção. Este documento tampouco divulga adições opcionais de boro e/ou terras raras.

[0012] Por outro lado, o pedido de patente chilena N° 2012-02218 dos presentes inventores refere-se a um método de produção de um aço fundido de resistência ao desgaste aumentada com microestrutura principalmente bainítica e um equilíbrio adequado de tenacidade e dureza para peças de grande porte em operações de mineração tais como esmerilhamento, trituração ou outras que envolvem abrasão e impacto severos, cuja composição química, expressa em percentagem em peso, compreende: 0,30~0,40% de C, 0,50~1,30% de Si, 0,60~1,40% de Mn, 2,30~3,20% de Cr, 0,0~1,00% de Ni, 0,25~0,70% de Mo, 0,0~0,50% de Cu, 0,0~0,10% de Al, 0,0~0,10% de Ti, 0,0~0,10% de Zr, menos de 0,050% de P, menos de 0,050% de S, menos de 0,030% de N, opcionalmente menos de 0,050% de Nb, opcionalmente 0,0005~0,005% de B, opcionalmente 0,015~0,080% de terras raras, e teores residuais de W, V, Sn, Sb, Pb e Zn inferiores a 0,020%, e o equilíbrio sendo ferro.

[0013] Não obstante, tanto a composição química como a microestrutura do aço obtido pelo método descrito no pedido CL N° 2012-02218 são diferentes daquelas descritas no presente pedido. O documento da técnica anterior descreve aços de microestrutura principalmente bainítica de alta resistência ao desgaste sob abrasão e impacto severos, e com um equilíbrio adequado de tenacidade e dureza, enquanto que o presente pedido é voltado para aços martensíticos de alta dureza e com excelente resistência ao desgaste baixo abrasão e impacto. Além disso, o aço do documento CL N° 2012-02218 possui um teor de cromo consideravelmente mais baixo que o aço divulgado no presente documento.

[0014] O documento WO 89/03898 de JOHANSSON, Börje, et al. divulga o uso de um aço fundido de ferramenta para fabricação de matrizes de forjamento de grande porte para a estampagem de placas de aços para carroçarias de automóveis. O referido aço pode ser processado via endurecimento ao ar da peça completa ou ser endurecido localmente via endurecimento em chama ou endurecimento por indução, permitindo também a aplicação de revestimentos superficiais por deposição de vapores químicos (CVD, de sua sigla em inglês) ou nitretação para obter uma película superficial fina de alta dureza. Ao contrário do aço obtido pelo método da presente invenção, o qual inclui teores de carbono entre 0,35 e 0,55 % p/p, os aços exemplificados no documento WO 89/03898 apresentam um teor de carbono maior ou igual ao teor máximo contemplado pela presente invenção. Além disso, o referido documento divulga que teores de carbono inferiores aos estabelecidos não permitem atingir uma dureza suficiente.

[0015] Adicionalmente, o aço descrito no documento WO 89/03898 não divulga microadições de titânio, zircônio e/ou nióbio, tais como as contempladas n a presente invenção.

[0016] Por sua vez, o documento EP 0 648 854 de DORSCH, Carl J. et al. divulga um aço de ferramenta de trabalho a quente para uso na fabricação de matrizes de injeção de metal fundido e outros componentes de ferramentas de trabalho a quente, e um método de fabricação do mesmo. O referido aço é obtido por técnicas de metalurgia do pó e inclui partículas de pré-liga que têm um teor de enxofre entre 0,05 e 0,30 % p/p. O objetivo desta invenção é proporcionar um aço altamente laminável que tem uma combinação melhorada de tenacidade ao impacto, usinabilidade e resistência à fadiga térmica.

[0017] Ao contrário do presente pedido, o documento EP 0 648 854 descreve um aço com uma dureza Rockwell C na faixa de 35 a 50 HRC (equivalente a 327-481 HBN), enquanto que o aço obtido pelo método da presente invenção pode atingir durezas em torno de 630 HBN, de acordo com as características específicas das peças e condições de tratamento térmico aplicadas. Além disso, destacamos que o aço da presente invenção compreende teores de molibdênio e enxofre que mais baixos aqueles requeridos pelos aços descritos no documento EP 0 648 854.

[0018] Por último, o documento JP 06088167 de YUSAKU, Takano divulga um aço de elevada resistência mecânica e térmica cuja composição é 0,05-0,3 % p/p de C, menos de 0,3 % p/p de Si, 0,1- 1,5 % p/p de Mn, menos de 1 % p/p de Ni, 4-6 % p/p de Cr, 0,05-1 % p/p de Mo, 0,5-3 % p/p de W, 0,05-0,3 % p/p de V, e 0,01-0,2 % p/p de Nb, para ser usado em elementos habitualmente expostos a altas temperaturas, tais como turbinas a gás e a vapor. O referido aço é processado por conformação plástica a quente de lingotes e tarugos obtidos por fusão e fundição em molde, sendo posteriormente temperado em óleo a uma temperatura entre 900-1100°C e revenimento a uma temperatura entre 550-700°C. Por outro lado, a presente invenção não considera um processo de conformação a quente e tampouco considera um endurecimento em óleo.

[0019] Adicionalmente, o aço descrito no documento JP 06088167 possui, em relação à presente invenção, teores mais baixos de carbono e silício e adições importantes de até 3% p/p de tungstênio com a finalidade de desenvolver precipitados secundários ricos em tungstênio e estáveis a alta temperatura para aumentar sua resistência à fluência. Por outro lado, apesar de o documento JP 06088167 especificar um teor de cromo similar ao da presente invenção, este elemento é adicionado com a principal finalidade de melhorar a resistência à oxidação e corrosão à alta temperatura e melhorar sua resistência à fluência, e não com o objetivo de alcançar um aumento na resistência ao desgaste por abrasão e impacto, tal como divulga a presente invenção.

[0020] De acordo com o acima exposto, o método da presente invenção proporciona um aço que se diferencia do aço fundido resistente à abrasão descrito no documento JP 2000 328180, e de outros aços de liga média e médio teor de carbono, endurecíveis ao ar e utilizados amplamente em ferramentas para trabalho a frio ou a quente, tais como aqueles descritos nos documentos WO 8903898, EP 0648854, JP 06088167, no sentido de que a invenção faz uso do efeito sinergístico de uma série de mecanismos de endurecimento utilizando endurecimento ao ar, o que permite obter um aço de alta dureza, temperabilidade e excelente resistência ao desgaste por abrasão e impacto em peças de grande porte e geometria complexa.

[0021] Deste modo, a presente invenção proporciona um método de produção de aço fundido martensítico que supera todos os inconvenientes anteriormente mencionados, uma vez que possui alta dureza e excelente resistência ao desgaste por abrasão e impacto, para uso em aplicações de mineração que requerem peças de grande porte.

Breve Descrição da Invenção

[0022] O método e o aço da presente invenção trazem uma solução para as limitações apresentadas pelos aços convencionais resistentes ao desgaste atualmente utilizados, os quais não compatibilizam adequadamente uma alta dureza, temperabilidade e excelente resistência ao desgaste em peças de grande espessura, tipicamente até 35,84 cm (14 polegadas).

[0023] A presente invenção resolve estes inconvenientes mediante um método de produção de aço que proporciona um aço fundido martensítico de alta dureza e excelente resistência ao desgaste, para aplicações de mineração, tais como esmerilhamento e trituração. Particularmente, a presente invenção pode ser utilizada para fabricar peças de moinhos de bola, côncavos de trituradores e tampos de moinhos SAG, entre outros.

[0024] Um dos objetivos da presente invenção é proporcionar um aço fundido martensítico que possui um equilíbrio adequado da composição química em conjunto com adições de microelementos de liga para obter alta temperabilidade e endurecimento completo em peças fundidas de grande porte, utilizadas em aplicações de mineração que requerem peças com alta resistência ao desgaste por abrasão e impacto, tais como esmerilhamento e trituração.

Breve Descrição das Figuras

[0025] Com o objetivo de descrever com maior clareza o método da presente invenção, oferecemos a seguir uma descrição detalhada da invenção, mediante exemplos de aplicação, os quais estão ilustrados nas figuras que em anexo, onde:

• Figura 1: é um diagrama em blocos de uma modalidade da presente invenção, onde as linhas contínuas representam as principais etapas da presente invenção.
• Figura 2: iIustra a microestrutura martensítica típica que o aço obtido mediante o método da presente invenção possui. Reagente Nital 5 %, a 400X.
• Figura 3: Corresponde a um diagrama de resfriamento contínuo (CCT, de sua sigla em inglês) determinado para um dos aços descritos na presente invenção.
• Figura 4: Curva que descreve a cinética de precipitação de partículas de segunda fase de um dos aços descritos pela invenção.
• Figura 5: Gráfico que ilustra a relação existente entre a dureza Brinell alcançada por seis aços exemplificativos da invenção e dois aços da técnica anterior, e a taxa de resfriamento utilizada no tratamento térmico de endurecimento.  Figura 6: Gráfico de barras que representa os resultados obtidos da realização de ensaios de desgaste abrasivo a seco de acordo com a norma ASTM G65, método de ensaio A.

Descrição Detalhada da Invenção

[0026] Um dos objetivos da presente invenção é fornecer um método de produção de aço fundido martensítico de alta dureza e excelente resistência ao desgaste por abrasão e impacto.

[0027] Outro objetivo da presente invenção é proporcionar um método de produção de aço com um equilíbrio adequado de sua composição química e com adições de microelementos de liga para obter uma alta temperabilidade e um endurecimento completo em peças fundidas de grande porte e geometria complexa.

[0028] Outro objetivo da presente invenção é fornecer um aço martensítico fundido de alta dureza e excelente resistência ao desgaste.

[0029] Ainda outro objetivo da presente invenção é proporcionar peças de aço de grande porte para aplicações de mineração, tais como trituração, esmerilhamento, e todas as aplicações que requerem peças de grande porte com alta resistência ao desgaste por abrasão e impacto; e um método de produção do referido aço.

[0030] O método da invenção proporciona um aço martensítico de alta dureza e excelente resistência ao desgaste por abrasão e impacto que possui a seguinte composição química:

• 0,35~0,55 % p/p de C, mais preferivelmente 0,35~0,50 % p/p de C.
• 0,60~1,30 % p/p de Si, mais preferivelmente 0,60~1,20 % Si.
• 0,60~1,40 % p/p de Mn
• 4,5~6,50 % p/p de Cr, mais preferivelmente 4,8~6,0 % p/p de Cr
• 0,0~0,60 % p/p de Ni
• 0,30~0,60 % p/p de Mo
• 0,0~0,70 % p/p de Cu
• 0,010~0,10 % p/p de Al
• 0,0~0,10 % p/p de Ti
• 0,0~0,10 % p/p de Zr
• 0,0~0,050 % p/p Nb
• Menos de 0,035 % p/p de P
• Menos de 0,035 % p/p de S
• Menos de 0,030 % p/p de N
• Opcionalmente 0,0005~0,005 % p/p de B
• Opcionalmente 0,015~0,080 % p/p de terras raras e o equilíbrio sendo ferro.

[0031] Preferivelmente, na presente, o conceito "terras raras" refere-se a misturas comerciais de cério, lantânio e ítrio.

[0032] Alguns dos critérios básicos considerados para limitar a composição química na faixa descrita pela presente invenção foram os seguintes:

• O teor de carbono é essencial para obter uma dureza do aço dada. Teores de carbono inferiores a 0,35 % p/p de são insuficientes para obter um endurecimento por solução sólida, alta temperabilidade e endurecimento por precipitação de carbonetos compexos ou carbonitretos que garantem uma dureza praticamente constante em peças de grande porte e uma alta resistência ao desgaste, enquanto que teores de carbono superiores a 0,55 % p/p afetam negativamente a tenacidade ao impacto em aços martensíticos.
• O silício aumenta a resistência do aço via endurecimento por solução sólida da matriz e retarda a precipitação de carbonetos, de modo que previne a diminuição brusca da dureza durante o revenimento. No entanto, teores de silício superiores a 1,30 % p/p afetam negativamente a fabricação de peças de grande espessura ao favorecer a ocorrência de fenômenos de trincamento a quente.
• O manganês aumenta moderadamente a temperabilidade do aço e refina as estruturas aciculares. No entanto, em teores superiores a 1,40 % p/p manifesta uma forte segregação química interdendrítica, sobretudo em peças de grande porte.
• O cromo é um elemento importante que proporciona resistência, temperabilidade e endurecimento via precipitação de carbonetos ligados do tipo M7C3 e M23C6. Os inventores concluíram que teores de cromo na faixa entre 4,50-6,50 % p/p de Cr produzirão um equilíbrio adequado de alta dureza e temperabilidade que assegure uma alta resistência ao desgaste por abrasão e impacto.
• O molibdênio é um elemento importante que proporciona resistência, alta temperabilidade e endurecimento secundário via precipitação de carbonetos do tipo M6C e carbonitretos do tipo M(C,N) e M2(C,N). Além disso, diminui fortemente o efeito prejudicial de impurezas segregáveis no contorno de grão que produzem fragilização. No entanto, devido ao seu alto custo, é desejável limitar sua adição.
• O níquel aumenta a energia de coesão do contorno de grão, aumenta a tenacidade da liga e tem um efeito sinergístico sobre as adições de manganês e molibdênio. No entanto, também tem um alto custo e sua adição deve ser limitada.
• As adições de titânio e zircônio, além de terem um efeito desoxidante, permitem fixar o nitrogênio em solução sólida, controlar o tamanho de grão e proporcionar endurecimento via precipitação de carbonitretos. O zircônio por sua vez, modifica a morfologia de inclusões de sulfetos.
• As adições de terras raras, especificamente misturas de cério, lantânio e ítrio, têm um efeito importante no refinamento da microestrutura de fundição e sobre a modificação da morfologia de inclusões não metálicas no aço, o que aumenta a tenacidade e a resistência à fadiga superficial.
• A adição de boro aumenta fortemente a temperabilidade e refina as fases aciculares (bainita e martensita). No entanto, pode ter um efeito fragilizante ao combinar-se com nitrogênio e formar precipitados insolúveis de BN nas contornos de grão. Deste modo, a quantidade a ser adicionada e sequência deve ser controlada nas faixas definidas acima.
• Foi descoberto que o uso apropriado de ligas mães multicomponentes que contenham boro, titânio, zircônio, terras raras e suas misturas particulares, junto com a adição controlada destes elementos, melhora ostensivamente as propriedades de aços fundidos de alta resistência ao desgaste para aplicações de mineração tis como as descritas nesta invenção.

[0033] O método de produção da presente invenção, que proporciona um aço martensítico com a composição química detalhada acima, compreende as seguintes etapas:
1. Fusão: pode ser feita por qualquer método convencional. Por exemplo, esta operação pode ser realizada em forno de arco elétrico com refratário básico ou ácido, ou em forno elétrico de indução.

[0034] A fusão em forno elétrico de arco como operação normal compreende a fusão completa da carga; seguido de insuflação de oxigênio para produzir a oxidação do metal líquido; a transferência das impurezas para a escória e a descarbonetação do metal para remover o nitrogênio e o hidrogênio em solução. Em seguida, é realizada a operação de bloqueio do metal líquido para deter a oxidação; seguido pela operação de refinação e ajuste da composição química na faixa especificada. Posteriormente, é realizada uma operação de desoxidação mediante o uso de alumínio e ligas mães de titânio e/ou zircônio. A adição de elementos desoxidantes será realizada em quantidades adequadas para que os teores residuais de alumínio, titânio o zircônio estejam dentro da faixa especificada para a liga. No caso de ser requerida a adição de boro e/ou tratamento com terras raras, esta será feita na colher.

[0035] Por sua vez, a fusão em forno elétrico de indução como operação normal compreende a fusão da carga metálica até uma temperatura de no máximo 1.700°C; seguida pelo ajuste da composição química; seguida pela adição de liga mãe de algum elemento fortemente formador de nitretos - preferivelmente titânio - para a formação de uma escória de alta capacidade de nitrogênio. Em seguida, a escória formada é removida e, posteriormente, é realizada a operação de desoxidação e vazado do metal em colher.
2. Tratamento térmico: a operação de tratamento térmico compreende endurecimento em ar e revenimento.

[0036] O ciclo térmico de endurecimento compreende:

• - austenitização à temperatura de endurecimento;
- manutenção à referida temperatura por um período de tempo determinado; e em seguida
- resfriamento em ar.

[0037] A austenitização é realizada a uma temperatura na faixa compreendida entre 950 e 1.050 °C por um período de embebimento variável entre 3 e 10 horas dependendo da espessura característica e da geometria das peças a serem fabricadas. Em seguida, as peças são submetidas a uma etapa de resfriamento em ar até uma temperatura na faixa de compreendida entre 120 e 80°C. O resfriamento pode ser realizado indistintamente em ar parado, ar forçado direto, ar forçado indireto, ou uma sequência de subetapas destes tipos de resfriamento dependendo da geometria específica das peças a serem tratadas e do nível de dureza desejado. A severidade de endurecimento do fluxo de ar usado como meio de resfriamento deve ser tal que o núcleo das peças apresente uma taxa de resfriamento média que esteja contida na faixa de 0,05-0,50 °C/s, de modo a assegurar uma distribuição de fases e dureza ótimas.

[0038] Imediatamente depois do endurecimento é realizado um tratamento térmico de revenimento por um período variável entre 3 e 10 horas em função da geometria da peça. A temperatura de revenimento a ser empregada dependerá da faixa de dureza desejada No caso de ser requerida máxima dureza e resistência ao desgaste em peças submetidas à abrasão severa de alto esforço e impacto moderado, a temperatura de revenimento a ser empregada poderá ser de até 350°C, para obter peças com dureza Brinell preferivelmente em torno de 630 HBN. No caso de a solicitação mecânica envolver um nível de impacto mais alto, a temperatura de revenimento a ser empregada poderá ser aumentada até 650°C, para obter peças com tenacidade melhorada e dureza Brinell preferivelmente de até 580 BHN.

[0039] Assim sendo, a invenção se utiliza uso do efeito sinergístico de uma série de mecanismos de endurecimento que permite, mediante um endurecimento suave, obter um aço de alta dureza, temperabilidade e excelente resistência ao desgaste por abrasão e impacto em peças de grande porte e geometria complexa, através de:

• Adição controlada de elementos de microliga mais efetivos que o vanádio, que refinam a microestrutura de fundição e permitem controlar o tamanho de grão austenítico e o tamanho de pacote martensítico durante o tratamento térmico, via formação de carbonitretos do tipo M(C,N);
• Retardar a precipitação de cementita e favorecer a precipitação de carbonetos ligados durante o tratamento térmico que gerem um maior endurecimento por precipitação de partículas de segunda fase e que evite a ocorrência de fenômenos de fragilização;
• Um maior endurecimento por solução sólida da matriz martensítica, com teores mais altos de Mn e Si, junto com um equilíbrio ótimo de C, Cr e Mo;
• Maior temperabilidade para assegurar uma alta dureza em toda a seção transversal em peças de grande espessura, tipicamente até 35,84 cm (14 polegadas), via a adição controlada de boro e elementos substitutos que favoreçam a formação de martensita a taxas de resfriamento baixas;
• Gerar um alto endurecimento por deformação a frio durante a operação em serviço quando é submetido a eventos repetitivos de abrasão e impacto, através da interação entre precipitados finamente dispersos e defeitos cristalinos.

Exemplos de Aplicação

[0040] Foram realizados diversos testes do método da presente invenção empregando composições químicas dentro das faixas mencionadas neste relatório.

[0041] A seguir são comparados dois aços com as composições descritas na técnica anterior e seis aços exemplificativos com composições químicas dentro das faixas divulgadas pela presente invenção. Todos estes aços foram submetidos ao método de fabricação descrito no presente pedido.

[0042] Tal como mencionado acima, os tensoativos foram realizados nas condições operacionais de endurecimento em ar, a uma taxa de resfriamento de 0,10 °C/s. A Tabela 1 mostra as composições químicas empregadas em cada caso, expressas em % p/p.
Tabela 1: Composição química de aços expressa em % p/p

[0043] Por sua vez, a Tabela 2 mostra a distribuição de fases e durezas obtidas nas condições de tratamento térmico aplicadas, cuja taxa de resfriamento corresponde àquelas tipicamente encontradas em peças de grande espessura.
Tabela 2: Microestrutura e dureza Brinell desenvolvida com o uso do método da presente invenção.

[0044] A velocidade crítica de endurecimento que figura na Tabela 2 foi obtida a partir da construção de diagramas CCT para cada liga e corresponde à taxa de resfriamento mínima que deve ser aplicada para obter uma microestrutura livre de perlita e bainita. Isto é, o valor mínimo da razão entre a temperatura de resfriamento média (THC) e o tempo de resfriamento médio (tHC) para a formação de 1% bainita e 1% ferrita-perlita, dadas pela fórmula:

em que AC3 corresponde ao limite do campo de fase Ferrita/Austenita sob resfriamento.

[0045] A partir da Tabela 2 observa-se que os aços proporcionados pela presente invenção em geral possuem uma microestrutura principalmente martensítica e maior dureza Brinell para taxas de resfriamento relativamente baixas, o que permitiria a fabricação de peças de grande espessura, tipicamente de até 35,84 cm (14 polegadas) (35,56 cm) de espessura, sem uma diminuição significativa da dureza para o interior da peça e empregando taxas de resfriamento mais baixas, o que implica uma menor tendência à formação de fissuras e um nível mais baixo de tensões residuais. Por sua vez, ao se empregar o método da invenção utilizando as composições descritas na técnica anterior só foi possível obter, no melhor dos casos, um aço com 34% de estrutura martensítica. Consequentemente, os aços com as composições químicas da técnica anterior obtidos pela presente invenção apresentam durezas muito mais baixas que os aços da invenção.

[0046] Adicionalmente, dado que a temperabilidade é inversamente proporcional à velocidade crítica de endurecimento, os aços descritos na invenção também possuem uma temperabilidade mais alta que aqueles descritos pela técnica anterior, particularmente pelos documentos EP 0648854 (Aço Técnica Anterior 1) e JP 2000 328180 (Aço Técnica Anterior 2).

[0047] Todo o acima exposto fica claramente evidenciado na Figura 5, onde estão mostradas as durezas Brinell obtidas para os dois aços da técnica anterior e para os aços exemplificativos 1, 4 e 6, ao serem submetidos a diferentes taxas de resfriamento. No referido gráfico é possível observar que os aços da presente invenção apresentam uma dureza e uma temperabilidade superiores àquelas dos aços da técnica anterior. Adicionalmente, observa-se que a presente invenção desenvolve uma dureza Brinell praticamente constante independentemente da taxa de resfriamento aplicada durante o tratamento térmico de endurecimento em ar, o que permite elaborar peças de grande espessura e geometria complexa com mudanças bruscas de seção, sem risco de trincamento por esforços residuais gerados por gradientes térmicos durante o resfriamento. Além disso, a presente invenção permite obter uma microestrutura principalmente martensítica a taxas de resfriamento muito baixas, tais como aquelas encontradas no núcleo de peças de grande espessura quando são resfriadas em ar parado. A temperatura ambiente condição não pode ser satisfeita com os aços da técnica anterior descritos, tal como indicam a Figura 5 e os resultados da Tabela 2.

[0048] Por outro lado, foram realizados ensaios de desgaste abrasivo a seco de acordo com norma ASTM G65, método de ensaio A. Nestes ensaios, foram comparadas a perda volumétrica e a taxa de desgaste relativa de um aço martensítico definido de acordo com a presente invenção, um aço bainítico descrito pelo pedido de patente CL N 2012-02218 e um aço Cr-Mo perlítico convencional amplamente usado em revestimentos de moinhos semiautógenos (SAG).

[0049] A Tabela 3 mostrada a seguir apresenta os resultados obtidos da realização dos referidos ensaios de desgaste abrasivo a seco, que confirmam que os aços martensíticos descritos pela presente invenção possuem uma excelente resistência ao desgaste, toda vez que um aço Cr-Mo perlítico convencional manifesta uma taxa de desgaste 2,48 vezes superior à presente invenção e um aço bainítico descrito pelo pedido de patente CL 2012-02218 possui uma taxa de desgaste 1,47 vezes superior. Os dados da Tabela 3 foram representados no gráfico da Figura 5.
Tabela 3: Ensaio de desgaste abrasivo de acordo com a norma ASTM G65 método A

[0050] A descrição precedente aborda os objetivos e vantagens da presente invenção. Deverá ficar entendido que é possível realizar diferentes modalidades desta invenção e que toda a matéria aqui divulgada deve ser interpretada de modo ilustrativo e em caso algum de maneira limitativa.

Claims

Método de produção de aço fundido, com microestrutura martensítica, em que a composição química utilizada, expressa em percentagem em peso, consiste em:
- 0,35-0,55 % p/p de C;
- 0,60-1,30 % p/p de Si;
- 0,60-1, 40 % p/p de Mn;
- 4,5-6,50 % p/p de Cr;
- 0,0-0,60 % p/p de Ni;
- 0,30-0,60 % p/p de Mo;
- 0, 00-0, 70 % p/p de Cu;
- 0,010-0,10 % p/p de Al;
- 0,00-0,10 % p/p de Ti;
- 0,00-0,10 % p/p de Zr;
- 0,00-0,050 % p/p de Nb;
- menos de 0,035 % p/p de P;
- menos de 0,035 % p/p de S;
- menos de 0,030 % p/p de N;
- opcionalmente boro na faixa de 0,0005-0,005 % p/p;
- opcionalmente terras raras na faixa de 0,015-0,080 % p/p;
- o restante sendo ferro;
o método sendo caracterizado pelo fato de que
compreende:
(a) fundir completamente o aço da composição mencionada;
(b) tratamento térmico de endurecimento que compreende austenitização a uma temperatura entre 950 e 1.050°C, por um período entre 3 e 10 horas, seguido de resfriamento em ar a uma taxa de resfriamento na faixa de 0,05 e 0,5°C/s, até uma temperatura compreendida na faixa de 120-80°C;
(c) tratamento térmico de revenimento a uma temperatura de até 650°C, por um período entre 3 e 10 horas.
Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a percentagem em peso de carbono na composição química do aço é preferivelmente 0,35-0,50 % p/p.
Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a percentagem em peso de silício na composição química do aço é preferivelmente 0,60-1,20 % p/p.
Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a percentagem em peso de cromo na composição química do aço é preferivelmente 4,8-6,0 % p/p.
Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que as terras raras correspondem a misturas comerciais de cério, lantânio e ítrio.
Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a etapa de fusão (a) é realizada em forno de arco elétrico.
Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o forno de arco elétrico possui refratário básico ou refratário ácido.
Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a etapa de fusão (a) é realizada em forno elétrico de indução.
Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a etapa de fusão (a) é realizada a uma temperatura máxima de 1.700°C.
Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o tratamento térmico de endurecimento (b) é realizado mediante resfriamento em ar forçado direto.
Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o tratamento térmico de endurecimento (b) é realizada mediante resfriamento em ar forçado indireto.
Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que o tratamento térmico de endurecimento (b) é realizada mediante resfriamento em ar parado.
Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que o tratamento térmico de endurecimento (b) é realizado mediante uma sequência de subetapas em ar parado e/ou ar forçado indireto e/ou ar forçado direto em qualquer ordem de precedência.
Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que o tratamento térmico de revenimento (c) é realizado a uma temperatura preferencial de até 350°C, sendo obtidas peças com dureza Brinell preferivelmente de 630 HBN.
Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de que o tratamento térmico de revenimento (c) é realizado a uma temperatura de até 650°C, sendo obtidas peças com dureza Brinell preferivelmente de 550 HBN.
Aço fundido, caracterizado pelo fato de que consiste em:
- - 0,35-0,55 % p/p de C;
- - 0,60-1,30 % p/p de Si;
- - 0,60-1,40 % p/p de Mn;
- - 4,5-6,50 % p/p de Cr;
- - 0,0-0,60 % p/p de Ni;
- - 0,30-0,60 % p/p de Mo;
- - 0,00-0,70 % p/p de Cu;
- - 0,010-0,10 % p/p de Al;
- - 0,00-0,10 % p/p de Ti;
- - 0,00-0,10 % p/p de Zr;
- - 0,00-0,050 % p/p de Nb;
- - menos de 0,035 % p/p de P;
- - menos de 0,035 % p/p de S;
- - menos de 0,030 % p/p de N;
- - opcionalmente boro na faixa de 0,0005-0,005 % p/p
- - opcionalmente terras raras na faixa de 0,015-0,080 % p/p
- - o restante sendo ferro;
em que o referido aço possui estrutura martensítica.
Aço fundido de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que a percentagem em peso de carbono na composição química do aço é preferivelmente 0,35-0,50 % p/p.
Aço fundido de acordo com a reivindicação 16 ou 17, caracterizado pelo fato de que a percentagem em peso de silício na composição química do aço é preferivelmente 0,60-1,20 % p/p.
Aço fundido de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 20, caracterizado pelo fato de que a percentagem em peso de cromo na composição química do aço é preferivelmente 4,8-6,0 % p/p.
Aço fundido de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que as terras raras correspondem a misturas comerciais de cério, lantânio e ítrio.