BR112016023887B1

BR112016023887B1 - aço ferramenta para trabalho a frio

Info

Publication number: BR112016023887B1
Application number: BR112016023887-7A
Authority: BR
Inventors: Thomas Hillskog; Kjell Bengtsson; Petter Damm; Annika ENGSTRÖM SVENSSON; Rikard Robertsson; Kristoffer STEINER; Amanda FORSBERG; Magnus Tidesten; Pär Emanuelsson
Original assignee: Uddeholms Ab
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2015-04-10
Publication date: 2021-05-18
Also published as: RU2016136909A; CN106164312A; DK3132066T3; AU2015246667A1; CA2940641C; JP2021011637A; CA2940641A1; EP3132066B1; BR112016023887A2; MX2016012254A; KR102436462B1; US20170016099A1; JP2018159133A; RU2016136909A3; ES2745199T3; AU2015246667B2; EP3132066A1; JP2017514016A; JP6979927B2; CN106164312B

Abstract

AÇO FERRAMENTA PARA TRABALHO A FRIO. A invenção refere-se a um aço ferramenta para trabalho a frio. O aço compreende os seguintes principais componentes (em % em peso): C: 2,2-2,4; Si: 0,1-0,55; Mn: 0,2-0,8; Cr: 4,1-5,1; Mo: 3,1- 4,5; V: 7,2-8,5, o balanço sendo de opcionais elementos, ferro e impurezas.

Description

CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO

[0001] A invenção está correlacionada a um aço ferramenta para deformação a frio.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[0002] Os aços ferramenta para metalurgia do pó (PM) com liga de vanádio são disponibilizados há décadas no mercado, tendo obtido um considerável interesse pelo fato de combinar uma alta resistência ao desgaste com uma excelente estabilidade dimensional, e ainda por apresentar uma satisfatória tenacidade. Esses aços apresentam uma ampla faixa de aplicações, como, por exemplo, para fabricação de facas, punções e matrizes para estampagem, perfuração e extrusão a frio. Os aços são produzidos mediante processos de metalurgia do pó. A composição básica do aço é primeiramente atomizada e, após isso, o pó é preenchido dentro de uma cápsula e submetido a um procedimento de prensagem isostática a quente (HIP), a fim de produzir um aço isotrópico. O desempenho dos aços tende a aumentar com o aumento do teor de vanádio. Um aço de alto desempenho produzido dessa maneira é o aço CPM®10V. Este aço apresenta altos teores de carbono e vanádio, conforme descrito na Patente U.S. No. 4.249.945. Outro aço desse tipo é divulgado no documento de patente EP 1 382 704 A1.

[0003] Embora o conhecido aço produzido pela metalurgia do pó (PM) tenha uma maior tenacidade do que os aços ferramenta convencionalmente produzidos, existe a necessidade de adicionais melhorias para se reduzir o risco de ruptura da ferramenta, como, também, da formação de lascas e fraturas, e ainda de melhorar a usinabilidade. Até o momento, a medida padrão tomada para neutralizar a formação de lascas é reduzir a dureza da ferramenta.

DIVULGAÇÃO DA INVENÇÃO

[0004] O objetivo da presente invenção é proporcionar um aço ferramenta para trabalho a frio, produzido por meio de processo de metalurgia do pó (PM), que tenha um aperfeiçoado perfil de propriedade e que proporcione um aumento do tempo de vida da ferramenta.

[0005] Outro objetivo da presente invenção consiste em otimizar as propriedades, mantendo uma satisfatória resistência ao desgaste, ao mesmo tempo em que melhora a usinabilidade.

[0006] Um específico objetivo da invenção é proporcionar uma liga de aço ferramenta martensítico para trabalho a frio, tendo um aperfeiçoado perfil de propriedade para processamento a frio.

[0007] Os objetivos acima, assim como, adicionais vantagens, são alcançados em significativa proporção, mediante provisão de um aço ferramenta de trabalho a frio, o qual apresenta uma composição conforme estabelecido nas reivindicações referentes à liga.

[0008] A invenção se encontra definida pelas reivindicações anexas.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0009] A importância da separação de elementos e da sua interação entre si, assim como, das limitações dos ingredientes químicos da liga reivindicada serão brevemente explicadas a seguir. Todas as percentagens indicadas para a composição química do aço são fornecidas em % em peso (% peso), em toda a presente descrição. Carbono (2,2-2,4%)

[0010] O carbono deve estar presente com um teor mínimo de 2,2%, preferivelmente, de pelo menos 2,25%. O limite superior para o carbono pode ser estabelecido em 2,4% ou 2,35%. Faixas preferidas para a presença de carbono são de 2,25-2,35% e 2,26-2,34%. Em qualquer caso, a quantidade de carbono deve ser controlada, de modo que a quantidade de carbetos do tipo M23C6 e M7C3 no aço seja limitada a menos de 5% em volume, mas, preferivelmente, o aço sendo isento dos ditos carbetos. Cromo (4,1-5,1%)

[0011] O cromo deve estar presente com um teor de pelo menos 4,1%, a fim de prover uma satisfatória temperabilidade em seções transversais de maiores dimensões, durante o tratamento térmico. Se o teor de cromo for demasiadamente alto, isso pode levar à formação de ferrita de alta temperatura, o que reduz a usinabilidade a quente. Portanto, o teor de cromo preferível é de 4,5-5,0%. O limite inferior pode ser de 4,2%, 4,3%, 4,4% ou 4,5%. O limite superior pode ser de 5,1%, 5,0%, 4,9% ou 4,8%. Molibdênio (3,1-4,5%)

[0012] O molibdênio é conhecido por apresentar um favorável efeito com relação à temperabilidade. O molibdênio é essencial para que se obtenha uma satisfatória resposta secundária ao têmpera. O teor mínimo é de 3,1%, podendo ser estabelecido em 3,2%, 3,3%, 3,4% ou 3,5%. O molibdênio é um forte elemento de formação de carbeto e, também, um forte formador de ferrita. Assim, o teor máximo de molibdênio é de 4,5%. Preferivelmente, o molibdênio é limitado a 4,2%, 3,9%, ou mesmo, 3,7%. Tungsténio (< 2%)

[0013] Em princípio, o molibdênio pode ser substituído por duas vezes mais de tungstênio. No entanto, o tungstênio é caro e também complica a manipulação da sucata. Assim, o teor máximo é limitado a 2%, preferivelmente, 1%, mais preferivelmente, 0,3%, ainda mais preferivelmente, não sendo feitas adições deliberadas. Vanádio (7,2-8,5%)

[0014] O vanádio forma precipitados primários de carbetos e carbonitretos, uniformemente distribuídos, do tipo M(C,N) na matriz do aço. Nos aços em questão, M é principalmente vanádio, mas, significativas quantidades de Cr e Mo podem estar presentes. Desse modo, o vanádio pode estar presente numa quantidade de 7,2-8,5%. O limite superior pode ser estabelecido em 8,4%, 8,3%, ou 8,25%. O limite inferior pode ser estabelecido em 7,3%, 7,4%, 7,5%, 7,6%, 7,7%, 7,75%, e 7,8%. Os limites superior e inferior podem ser livremente combinados dentro dos limites estabelecidos na reivindicação 1. Faixas de limites preferidos incluem 7,7-8,3%. Nitrogênio (0,02-0,15%)

[0015] O nitrogênio, opcionalmente, pode ser introduzido no aço numa quantidade de 0,02-0,15%, preferivelmente, 0,02-0,08% ou 0,03-0,06%. O nitrogênio ajuda a estabilizar os compostos do tipo M(C,N), devido à estabilidade térmica dos carbonitretos de vanádio ser melhor que a dos carbetos de vanádio. Nióbio (< 2%)

[0016] O nióbio é similar ao vanádio no que tange à formação de carbonitretos do tipo M(C,N) e, em princípio, pode ser usado para substituir o vanádio, mas, exige o dobro da quantidade de nióbio, se comparado ao vanádio. Consequentemente, a máxima adição de nióbio (Nb) é de 2,0%. A quantidade combinada de (V + Nb/2) deve ser de 7,2-8,5%. No entanto, o Nb resulta em uma forma mais angular dos M(C,N). Assim, a quantidade máxima preferida é de 0,5%. Preferivelmente, nenhuma quantidade de nióbio é adicionada. Silício (0,1-0,55%)

[0017] O silício é usado para desoxidação. O silício está presente no aço numa forma dissolvida. O silício aumenta a atividade do carbono e é benéfico para a usinabilidade. Portanto, o silício está presente numa quantidade de 0,1-0,55%. Para uma satisfatória desoxidação, é preferido ajustar o teor de Si para pelo menos 0,2%. O silício é um forte formador de ferrita e, preferivelmente, deve ter a sua quantidade limitada para < 0,5%. Manganês (0,2-0,8%)

[0018] O manganês contribui para melhorar a temperabilidade do aço e juntamente com o enxofre, o manganês contribui para melhorar a usinabilidade mediante a formação de sulfetos de manganês. Portanto, o manganês deve estar presente com um teor mínimo de 0,2%, preferivelmente, de pelo menos 0,22%. Com teores de enxofre mais altos, o manganês impede a fragilidade vermelha no aço. O aço deve conter um máximo de 0,8%, preferivelmente, um máximo de 0,6% de manganês. As faixas preferidas são de 0,22-0,52%, 0,3-0,4% e 0,30-0,45%. Níquel (< 3,0%)

[0019] A adição de níquel é opcional, podendo estar presente numa quantidade de até 3%. O níquel proporciona ao aço uma satisfatória temperabilidade e tenacidade. Devido ao custo, o teor de níquel do aço deve ser limitado o máximo possível. Consequentemente, o teor de níquel é limitado a 1%, preferivelmente, 0,3%. Mais preferivelmente, nenhuma adição de níquel deve ser feita. Cobre (< 3,0%)

[0020] O cobre é um elemento opcional, que pode contribuir para aumentar a dureza e resistência à corrosão do aço. Caso seja usado, a faixa preferida é de 0,02-2% e a mais preferida de 0,04-1,6%. No entanto, não é possível se extrair cobre do aço, uma vez o mesmo tenha sido adicionado. Isso torna acentuadamente mais difícil a manipulação da sucata. Por essa razão, o cobre não é adicionado de forma deliberada. Cobalto (< 5 %)

[0021] O cobalto é um elemento opcional. Ele contribui para aumentar a dureza da martensita. A quantidade máxima permitida é de 5% e, caso adicionado, uma efetiva quantidade é de cerca de 4 a 5%. No entanto, por razões práticas, como, por exemplo, a manipulação da sucata, não ocorre uma deliberada adição de cobalto. Um teor máximo preferido é de 1%. Enxofre (< 0,5%)

[0022] O enxofre contribui para melhorar a usinabilidade do aço. Em teores mais altos de enxofre, ocorre o risco do surgimento da propriedade de fragilidade vermelha. Além disso, um teor de enxofre mais alto pode proporcionar um efeito negativo com relação às propriedades de fadiga do aço. Portanto, o aço deve conter < 0,5%, preferivelmente, < 0,03% de enxofre. Fósforo (<0.05%)

[0023] O fósforo (P) é um elemento considerado como impureza, que pode provocar fragilidade de revenido. Portanto, a adição de fósforo é limitada para < 0,05%. Berilo, Bismuto, Selênio, Cálcio, Magnésio, Oxigênio e Metais de Terra Rara

[0024] Esses elementos podem ser adicionados ao aço nas quantidades reivindicadas, a fim de melhorar mais ainda a usinabilidade, processabilidade à quente e/ou a soldabilidade. Boro (< 0,6%)

[0025] Substanciais quantidades de boro, opcionalmente, podem ser usadas para auxiliar a formação da fase dura MX. Quantidades menores de boro (B) podem ser usadas para aumentar a dureza do aço. A quantidade é então limitada para 0,01%, preferivelmente, < 0,004%. Geralmente, nenhuma adição de boro é feita. Titânio, Zircônio, Alumínio e Tântalo

[0026] Esses elementos são formadores de carbeto e podem estar presentes na liga nas faixas reivindicadas, para alteração da composição das fases duras. No entanto, normalmente, nenhum desses elementos é adicionado. Produção de Aço

[0027] O aço ferramenta tendo a composição química reivindicada pode ser produzido mediante convencional atomização de gás. Normalmente, o aço é submetido aos procedimentos de têmpera e revenido, antes de ser usado.

[0028] A austenitização pode ser realizada a uma temperatura de austenitização (TA) na faixa de 950-1200°C, tipicamente, 1000-1100°C. Um tratamento típico é o têmpera à temperatura de 1020°C por 30 minutos, resfriamento rápido a gás e revenido à temperatura de 550°C, de duas em duas horas. Isso resulta em uma dureza de 59-61 HRC.

EXEMPLO

[0029] No presente exemplo, um aço de acordo com a invenção é comparado ao conhecido aço CPM®10V. Ambos os aços foram produzidos por metalurgia do pó.

[0030] A composição básica do aço foi submetida à fusão e a um procedimento de atomização de gás.

[0031] Os aços assim obtidos apresentaram a seguinte composição (% em peso):

[0032] O aço foi austenitizado à temperatura de 1100°C durante 30 minutos, temperado mediante resfriamento rápido com gás, e revenido duas vezes à temperatura de 540°C por 2 horas (2x2h), seguido de arrefecimento com ar. Isso resulta em uma dureza de 63 HRC para ambos os materiais.

[0033] A composição da matriz e a quantidade de MX primário em três diferentes temperaturas de austenitização foram calculadas em um programa de simulação “Thermo-Calc”, com a versão do software S-build-2532.

[0034] Os resultados são mostrados na seguinte Tabela 1.

[0035] A Tabela 1 mostra que a quantidade de fase dura no aço da invenção foi somente 1,5% menor que a correspondente quantidade no aço de comparação. Além disso, a simulação indica que a matriz continha quantidades significativamente maiores de carbono e molibdênio do que no aço de comparação. Consequentemente, uma aperfeiçoada resposta de revenido, assim como, uma maior dureza, devem ser esperados dessa simulação. Isso foi também confirmado por meio de valores calculados, que indicaram uma maior dureza para o aço da invenção.

[0036] Além disso, o aço da invenção é menos sensível à redução de dureza em altas temperaturas, de modo que temperaturas de revenido mais altas podem ser usadas para remover a austenita retida, sem que a dureza seja prejudicada.

[0037] De forma surpreendente, foi descoberto que o aço da invenção também apresentou uma tenacidade muito melhor. A energia de impacto não entalhado na direção transversal foi de 41J, quando comparado com a energia de 11J do aço de comparação. A razão para essa melhoria não está ainda totalmente esclarecida, mas, parece que o baixo teor de silício em combinação com um alto teor de molibdênio melhora a resistência dos limites dos grãos. Consequentemente, a aperfeiçoada tenacidade do aço da invenção torna possível manter uma alta dureza sem causar problemas relativos à formação de lascas e, desse modo, melhora a durabilidade e tempo de vida das ferramentas de trabalho a frio. Teste de Usinabilidade

[0038] A usinabilidade constitui um tópico complexo e pode ser determinada por um número de diferentes testes para diferentes características. As principais características são: tempo de vida da ferramenta, velocidade limitativa de remoção do material, forças de corte, superfície usinada e quebra de cavacos. No presente caso, a usinabilidade do aço ferramenta de trabalho a quente foi examinada mediante perfuração.

[0039] O teste de usinabilidade relativo a torneamento foi realizado em um Torno NC, da Oerlikon Boehringer, VDF 180C. As dimensões da peça de trabalho foram de Φ 0115 x 600 mm.

[0040] O valor V30 foi usado para comparar a usinabilidade dos aços. O valor V30 é especificado como velocidade de corte, o que proporciona um desgaste de flanco de 0,3 mm após 30 minutos de torneamento. V30 é um método de ensaio padronizado, descrito na Norma ISO 3685 de 1977. A operação de torneamento foi realizada em três diferentes velocidades de corte, até o desgaste do flanco ser de 0,3 mm. O desgaste do flanco foi medido usando microscópio ótico de luz. O tempo para alcançar o desgaste de flanco de 0,3 mm foi observado. Usando valores de velocidades de corte e os correspondentes tempos de torneamento, foi plotado o gráfico de logaritmo duplo de Taylor - tempo versus velocidade de corte - VxT“= constante, a partir do qual foi possível estimar a velocidade de corte para o exigido tempo de vida da ferramenta de 30 minutos. O teste de usinabilidade de torneamento foi realizado sem resfriamento, usando uma pastilha de metal duro Coromant S4 SPGN 120304, com uma alimentação de 0,126 mm/volta e uma profundidade de corte de 1,0 mm.

[0041] O aço da invenção que teve o valor V30 de 51 m/min foi considerado de melhor desempenho do que o aço da comparação, que apresentou o valor de V30 de apenas 39 m/min.

APLICABILIDADE INDUSTRIAL

[0042] O aço ferramenta de trabalho a frio da presente invenção é particularmente útil em aplicações que exigem satisfatória resistência ao desgaste, em combinação com uma alta resistência formação de lascas (estilhaçamento).

Claims

1. Aço ferramenta produzido por metalurgia do pó para trabalho a frio, caracterizado por consistir em (em % em peso): C: 2,2-2,4; Si: 0,1-0,55; Mn: 0,2-0,8; Cr: 4,1-5,1; Mo: 3,1-4,5; V: 7,2-8,5, e, opcionalmente, um ou mais dentre: N: 0,02-0,15; P < 0,05; S < 0,5; Cu < 3; Co < 5; Ni < 3; W < 2; Nb < 2; Al < 0,1; Ti < 0,1; Zr < 0,1; Ta < 0,1; B < 0,6; Be < 0,2; Bi < 0,2; Se < 0,3; Ca: 0,0003-0,009; O: 0,003-0,01; Mg < 0,01; REM < 0,2, O restante sendo de Fe, além de impurezas.

2. Aço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por atender a pelo menos uma dentre as seguintes exigências: C: 2,25-2,35; Si: 0,2-0,5; Mn: 0,2-0,6; Cr: 4,5-5,0; Mo: 3,5-3,7; V: 7,7-8,3; N: 0,02-0,08; P < 0,03; S < 0,03; Cu: 0,02-2; Co < 1; Ni < 1; W < 0,3; Nb < 0,5; Al < 0,06; Ti < 0,01; Zr < 0,01; Ta < 0,01; B < 0,01; Be < 0,02; Se < 0,03; Mg < 0,001.

3. Aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado por atender a pelo menos uma das seguintes exigências: C: 2,26-2,34; Si: 0,22-0,52; Mn: 0,22-0,52; Cr: 4,58-4,98; Mo: 3,51-3,69; V: 7,75-8,25; Cu < 0,5; Ni < 0,3.

4. Aço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender: C: 2,2-2,4; Si: 0,1-0,55; Mn: 0,2-0,8; Cr: 4,1-5,1; Mo: 3,1-4,5; V: 7,2-8,5; N: 0,02-0,08, o restante sendo de Fe, além de impurezas.

5. Aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por atender a pelo menos uma das seguintes exigências: C: 2,26-2,34; Si: 0,22-0,52; Mn: 0,22-0,52; Cr: 4,58-4,98; Mo: 3,51-3,69; V: 7,75-8,25; N: 0,03-0,06.

6. Aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por atender a todas as seguintes exigências: C: 2,26-2,34; Si: 0,22-0,52; Mn: 0,22-0,52; Cr: 4,58-4,98; Mo: 3,51-3,69; V: 7,75-8,25;

7. Aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os teores de Mo e V são ajustados para atender à seguinte exigência: Mo/V: 0,4-0,5.

8. Aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por apresentar uma tenacidade de impacto não entalhado na direção LT, a 25°C, de 30 J a 80 J, em uma dureza de 60 HRC, na condição temperada e revenida.

9. Aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por apresentar um limite convencional de escoamento por compressão de pelo menos 2400 MPa, a 60 HRC.

10. Aço, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que os teores de Mo e V são ajustados para atender à seguinte exigência: Mo/V: 0,42-0,48.

11. Aço, de acordo com a reivindicação caracterizado por apresentar uma tenacidade de impacto entalhado na direção LT, a 25°C, de 35 J a 55 J, em dureza de 60 HRC, na condição temperada e revenida.