BR112017000078B1

BR112017000078B1 - aço ferramenta para trabalho a frio

Info

Publication number: BR112017000078B1
Application number: BR112017000078-4A
Authority: BR
Inventors: Petter Damm; Thomas Hillskog; Kjell Bengtsson; Annika ENGSTRÖM SVENSSON; Sebastian Ejnermark; Lars Ekman; Victoria Bergqvist
Original assignee: Uddeholms Ab
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2021-05-04
Also published as: CA2948143C; US10472705B2; EP3169821B1; EP3169821A4; EP3169821A1; DK3169821T3; KR20170029008A; CN106795611A; BR112017000078A2; JP6615858B2; TW201606095A; PL3169821T3; WO2016010469A1; TWI650433B; RU2017102699A3; SG11201609197SA; HRP20200517T1; PT3169821T; CN113913679A; JP2017525848A

Abstract

A invenção refere-se a um aço ferramenta para trabalho a frio. O aço compreende os seguintes principais componentes (em % em peso): C: 0,5 ? 2; N: 1,3 ? 3; Si: 0,05 ? 1,2; Mn: 0,05 ? 1; Cr: 2,5 ? 5,5; Mo: 0,8 ? 2,2; V: 6 ? 18; o balanço sendo de opcionais elementos, ferro e impurezas.

Description

CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção está correlacionada a um aço ferramenta para trabalho a frio, em liga com nitrogênio.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[0002] Os aços tipo ferramenta para metalurgia do pó (PM) em liga com nitrogênio e vanádio têm obtido um considerável interesse, pelo fato de uma inigualável combinação de alta dureza, alta resistência ao desgaste e uma excelente resistência ao esfolamento. Esses aços apresentam uma ampla faixa de aplicações, em que os predominantes mecanismos de deficiências incluem desgaste adesivo ou esfolamento. As áreas típicas de aplicação incluem, por exemplo, estampagem e modelagem, estampagem fina, extrusão a frio, repuxamento profundo e compressão de pó. A composição básica do aço é atomizada, submetida à nitrogenação e, após isso, o pó é preenchido dentro de uma cápsula e submetido a um procedimento de compressão isostática a quente (HIP), a fim de produzir um aço isotrópico. Um aço de alto desempenho produzido desse modo é o aço VANCRON®40. Esse aço apresenta altos teores de carbono, nitrogênio e vanádio e também forma liga com substanciais quantidades de Cr, Mo e W, o que resulta em uma microestrutura compreendendo fases duras do tipo MX (14% em volume) e M6C (5% em volume). Esse aço é descrito no documento de patente WO 00/79015 A1.

[0003] Conquanto que o VANCRON®40 tenha um perfil de propriedades bastante atraente existe um esforço contínuo para melhorar o material da ferramenta, a fim de melhorar ainda mais a qualidade da superfície dos produtos produzidos, bem como prolongar a vida útil da ferramenta, onde o esfolamento constitui o principal problema.

DIVULGAÇÃO DA INVENÇÃO

[0004] O objetivo da presente invenção é proporcionar um aço ferramenta para trabalho a frio, produzido por meio de metalurgia do pó (PM) e com formação de liga com nitrogênio, com um perfil de aperfeiçoadas propriedades para trabalho a frio antecipado.

[0005] Outro objetivo da presente invenção é proporcionar um aço ferramenta para trabalho a frio, produzido por meio de metalurgia do pó (PM), tendo uma composição e microestrutura que proporcionam melhorias na qualidade de superfície das peças produzidas.

[0006] Os objetivos acima mencionados, assim como, adicionais vantagens, são obtidos em significativa proporção mediante provisão de um aço ferramenta para trabalho a frio, o qual apresenta uma composição que é estabelecida nas reivindicações anexas. A presente invenção é definida pelas referidas reivindicações. DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO 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 expressas em % em peso em toda a presente descrição. Os limites superior e inferior dos elementos individuais podem ser livremente combinados dentro dos limites estabelecidos na reivindicação 1.

Carbono (0,5-2,1%)

[0010] O carbono deve estar presente com um teor mínimo de 0,5%, preferivelmente, de pelo menos 1,0%. O limite superior para o carbono pode ser estabelecido em 1,8% ou 2,1%. Faixas preferidas para a presença de carbono são de 0,8-1,6%, 1,0-1,4% e 1,25-1,35%. O carbono é importante para a formação do MX e para o endurecimento, onde o metal M é principalmente V, mas Mo, Cr e W também podem estar presentes. X é um ou mais de C, N e B. De preferência, o teor de carbono é ajustado de modo a obter 0,4-0,6% de C dissolvido na matriz, à temperatura de austenitização. Em qualquer caso, a quantidade de carbono deve ser controlada, de modo que a quantidade de carbetos do tipo M23C6, M7C3 e M6C no aço seja limitada, preferivelmente, o aço deve ser isento dos ditos carbetos.

Nitrogênio (1,3 - 3,5%)

[0011] O nitrogênio é essencial para a presente invenção, no que diz respeito à formação de carbonitretos duros, do tipo MX. Assim, o nitrogênio deve estar presente numa quantidade de pelo menos 1,3%. O limite inferior pode ser de 1,4%, 1,5%, 1,6%, 1,7%, 1,8%, 1,9%, 2,0% 2,1% ou mesmo 2,2%. O limite superior é de 3,5%, podendo ser estabelecido em 3,3%, 3,2%, 3,0%, 2,8%, 2,6%, 2,4%, 2,2%, 2,1%, 1,9% ou 1,7%. Faixas preferidas incluem 1,6 - 2,1% e 1,7 - 1,9%.

Cromo (2,5 - 5,5%)

[0012] O cromo deve estar presente com um teor de pelo menos 2,5%, a fim de prover uma satisfatória temperabilidade. O cromo é preferivelmente de alto teor para proporcionar 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 carbetos indesejáveis, tais como, M7C3. Além disso, também pode aumentar a propensão de austenita retida na microestrutura. O limite inferior para o cormo pode ser 2,8%, 3,0%, 3,2%, 3,4%, 3,6%, 3,8%, 4,0%, 4,2%, 4,35%, 4,4% ou 4,6%. O limite superior pode ser de 5,2%, 5,0%, 4,9%, 4,8% ou 4,65%. O teor de cromo é preferivelmente na faixa de 4,2 - 4,8%.

Molibdênio (0,8 — 2,2%)

[0013] 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 endurecimento. O teor mínimo é de 0,8%, podendo ser estabelecido em 1%, 1,25%, 1,5%, 1,6%, 1,65% ou 1,8%. O molibdênio é um forte elemento de formação de carbeto. Além disso, o molibdênio é também um forte formador de ferrita. O Mo precisa ser também limitado, devido à limitação da quantidade de outras fases duras diferentes da MX. Em particular, a quantidade de carbetos MgC deve ser limitada, preferivelmente, para < 3% em volume. Mais preferivelmente, nenhum carbeto de MgC deve estar presente na microestrutura. Assim, o teor máximo de molibdênio é de 2,2%. Preferivelmente, o Mo é limitado para 2,15%, 2,1%, 2,0% ou 1,9%.

Tungstênio (< 1%)

[0014] O efeito do tungstênio é similar ao do molibdênio. Entretanto, para obtenção do mesmo efeito é necessário se adicionar duas vezes, tanto W como Mo, em uma base de % em peso. O tungstênio é caro e também complica o manuseio de sucata. Como o Mo, o W também forma carbetos M6C. A quantidade máxima é portanto limitada a 1%, de preferência, 0,5%, mais preferivelmente, 0,3% e, mais ainda preferivelmente, o W não é de nenhum modo deliberadamente adicionado. Ao não adicionar o W e restringir o Mo, como acima descrito, é possível evitar completamente a formação de carbetos M6C.

Vanádio (6 - 18 %)

[0015] O vanádio forma carbetos e carbonitretos primários, do tipo MX, que são precipitados e uniformemente distribuídos. Os precipitados podem ser representados pela fórmula M(N,C) e são também comumente chamados de nitrocarbetos, devido ao alto teor de nitrogênio. O aço conforme a invenção M é, principalmente, de alto teor de vanádio, mas, o Cr e o Mo podem estar presentes em alguma proporção. O vanádio deve estar presente numa quantidade de 6 - 18%, a fim de se obter a desejada quantidade de MX. O limite superior pode ser estabelecido em 16%, 15%, 14%, 13%, 12%, 11%, 10,25%, 10% ou 9%. O limite inferior pode,ser de 7%, 8%, 8,5%, 9%, 9,75%, 10%, 11% ou 12%. Faixas preferidas incluem 8 - 14%, 8,5 - 11,0% e 9,75 - 10,25%.

Nióbio (< 2%)

[0016] O nióbio é similar ao vanádio no que tange à formação de MX ou de carbonitretos do tipo M(N,C). No entanto, o Nb resulta em um formato mais angular do tipo M(N,C). Consequentemente, a máxima adição de nióbio (Nb) é limitada a 2,0% e a quantidade máxima preferida é de 0,5%. Preferivelmente, nenhuma quantidade de nióbio é adicionada.

Silício (0,05 - 1,2%)

[0017] O silício é usado para desoxidação. O silício também aumenta a atividade do carbono e é benéfico para a usinabilidade. Portanto, o silício está presente numa quantidade de 0,05 - 1,2%. Para uma satisfatória desoxidação, é preferido ajustar o teor de Si para pelo menos 0,2%. O limite inferior do silício pode ser estabelecido em 0,3%, 0,35% ou 0,4%. No entanto, o silício é um forte formador de ferrita e deve ter a sua quantidade limitada para 1,2%. O limite superior do silício pode ser estabelecido em 1,1%, 1%, 0,9%, 0,8%, 0,75%, 0,7% ou 0,65%. Uma faixa preferida é de 0,3 - 0,8%.

Manganês (0,05 - 1,5%)

[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 0,05%, preferivelmente, pelo menos 0,1%, e mais preferivelmente, pelo menos 0,2%. Com teores de enxofre mais altos, o manganês impede a fragilidade vermelha no aço. O aço deve conter um máximo de 1,5% de Mn. O limite superior pode ser estabelecido em 1,4%, 1,3%, 1,2%, 1,1%, 1,0%, 0,9%, 0,8%, 0,7%, 0,6% ou 0,5%. No entanto, as faixas preferidas são de 0,2 — 0,9%, 0,2 — 0,6% e 0,3 — 0,5%.

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 o manuseio da sucata. Por essa razão, normalmente, o cobre não é adicionado de forma deliberada.

Cobalto (< 12 %)

[0021] O cobalto é um elemento opcional. O cobalto se dissolve no ferro (ferrita e austenita) e reforça os mesmos, ao mesmo tempo em que confere resistência a altas temperaturas. O Co aumenta a temperatura Ms. Durante o tratamento térmico em solução, o Co ajuda a resistir ao crescimento do grão, de modo que podem ser utilizadas temperaturas da solução mais elevadas, o que garante uma maior percentagem de carbonetos dissolvidos, resultando numa aperfeiçoada resposta de endurecimento secundário. O Co também retarda a coalescência dos carbetos e carbonitretos, e tende a causar endurecimento secundário a ocorrer em temperaturas mais elevadas. Além disso, o Co contribui para aumentar a dureza da martensita. A quantidade máxima de Co é de 12%. O limite superior pode ser estabelecido em 10%, 8%, 7%, 6%, 5% ou 4%. O limite inferior pode ser estabelecido em 1%, 2%, 3%, 4% ou 5%. No entanto, por razões práticas, tais como o manuseio da sucata, não há adição deliberada de Co. Um teor máximo preferido é de 1%.

Fósforo (< 0.05%)

[0022] O fósforo (P) é um elemento sólido de reforço à solução. No entanto o P tende a segregar nas vizinhanças do grão, reduzindo a coesão e, desse modo, a tenacidade. Portanto, a adição de fósforo é limitada para < 0,05%.

Enxofre (< 0,5%)

[0023] O enxofre (S) 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 uma quantidade < 0,5%, preferivelmente, < 0,03% de enxofre.

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 do aço reivindicado.

Boro (< 0,6%)

[0025] Substanciais quantidades de boro, opcionalmente, podem ser usadas para auxiliar a formação da fase dura MX. O boro (B) pode ser usado para aumentar a dureza do aço. A quantidade é então limitada para 0,01%, preferivelmente, < 0,004%.

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] Os aços ferramenta tendo a composição química reivindicada podem ser produzidos mediante convencional atomização de gás, seguido por um tratamento de nitrogenação. A nitrogenação pode ser realizada mediante submissão do pó atomizado a uma mistura gasosa à base de amônia, à temperatura de 500-600°C, em que o nitrogênio se difunde dentro do pó, reage com o vanádio e promove a nucleação de diminutos carbonitretos. Normalmente, o aço é submetido aos procedimentos de endurecimento e têmpera, antes de ser usado.

[0028] A austenitização pode ser realizada a uma temperatura de austenitização (TA) na faixa de 950-1150°C, tipicamente, 1020-1080°C. Um tratamento típico compreende a austenitização à temperatura 1050°C por 30 minutos, resfriamento rápido a gás e têmpera por três vezes à temperatura de 530°C, durante 1 hora, seguido de resfriamento por ar. Isso resulta em uma dureza de 60-66 HRC.

EXEMPLO

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

[0030] As composições básicas da invenção foram fundidas e submetidas à atomização de gás, nitrogenação, formação de cápsula e procedimento de compressão isostática a quente (HIP).

[0031] Os aços assim obtidos apresentaram as seguintes composições (em % em peso):

[0032] A microestrutura dos dois aços foi examinada e foi descoberto que o aço da invenção continha cerca de 20% em volume de MX (fase negra), com as partículas sendo de pequeno tamanho e uniformemente distribuídas dentro da matriz, conforme é mostrado na figura 1.

[0033] Por outro lado, o aço de comparação continha cerca de 15% em volume de MX e cerca de 6% em volume de M6C (fase branca), conforme mostrado na figura 2. É evidente dessa figura que os carbetos M6X são maiores do que as partículas de MX e que existe um certo espalhamento na distribuição do tamanho de partícula dos carbetos M6C.

[0034] Os aços foram austenitizados à temperature de 1050°C por 30 minutos e endurecidos por resfriamento rápido de gás e têmpera à temperatura de 550°C por 1 hora (3 x 1 hora), seguido de arrefecimento ao ar. Isso resultou em uma dureza de 63 HRC para o aço conforme a invenção e de 62 HRC para o material de comparação. A composição de equilíbrio da matriz e a quantidade de MX e M6C primários à temperatura de austenitização (1050°C) foram calculadas por meio de uma simulação Thermo-Calc, mediante uso do software de versão S-build-2532 e da base de dados TCFE6. Os cálculos mostraram que o aço conforme a invenção foi isento de carbetos M6C e apresentou 16,3% em volume de MX. O aço de comparação, por outro lado, foi encontrado contendo 5,2% em volume de M6C e 14,3% em volume de MX.

[0035] Os dois materiais foram usados em rolos para laminação a frio de aço inoxidável e foi observado que o material da invenção resultou em uma micro rugosidade superficial melhorada do aço laminado a frio, o que pode ser atribuído à microestrutura mais uniforme e à ausência de grandes carbetos M6C.

APLICABILIDADE INDUSTRIAL

[0036] O aço ferramenta de trabalho a frio da presente invenção é particularmente útil em aplicações que exigem uma resistência ao desgaste ou esfolamento bastante alta, tal como, em procedimentos de estampagem e modelagem de aços inoxidáveis austeníticos. O pequeno tamanho dos carbonitretos MX em combinação com sua distribuição uniforme é também esperado de resultar em uma aperfeiçoada resistência ao esfolamento.

Claims

1. Aço para trabalho a frio caracterizado por consistir nos seguintes componentes (em % em peso): C: 0,5 - 2,1; N: 1,3 - 3,5; Si: 0,05 - 1,2; Mn: 0,05 - 1,5; Cr: 2,5 - 5,5; Mo: 0,8 - 2,2; V: 6 - 18; opcionalmente, um ou mais de: P < 0,05; S < 0,5; W < 1,0; Cu < 3; Co < 12; Ni < 3; Nb < 2; 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; Mg < 0,01; REM < 0,2; o balanço sendo Fe, além das impurezas.

2. Aço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por preencher pelo menos um dos seguintes requisitos: C: 0,6 — 1,8; N: 1,4 - 3,3; Si: 0,2 — 1,1; Mn: 0,1 - 1,1; Cr: 2,8 - 5,2; Mo: 1,25 - 2,15; W < 0,5; V: 7 - 16; P < 0,03; S < 0,03; Cu: 0,02 - 2,0; Co < 1,0; Ni < 1,0; Nb < 1,0; Ti < 0,01; Zr < 0,01; Ta < 0,01; B < 0,005; Be < 0, 02; Se < 0, 03; Mg  0, 001 .

3. Aço, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por preencher pelo menos um dos seguintes requisitos: C: 0,8 - 1,6; N: 1,6 - 3,2; Si: 0,25 -0,85; Mn: 0,2 - 0,9; Cr: 3,2 - 5,0; Mo: 1,5 - 2,1; W  0,45; V: 8 - 14; Co  1,0; Cu  0,5; Ni  0,3; Nb  0,5.

4. Aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por preencher pelo menos um dos seguintes requisitos: C: 1,0 - 1,4; N: 1,6 - 2,1; Si: 0,3 - 0,8; Mn: 0,2 - 0,6; Cr: 4,2 - 4,8; Mo: 1,6 - 2,0; W  0,40; V: 8,5 - 11.0.

5. Aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por preencher pelo menos um dos seguintes requisitos: C: 1,25 - 1,35; N: 1,7 - 1,9; Si: 0,35 - 0,65; Mn: 0,3 - 0,5; Cr: 4,35 - 4,65; Mo: 1,65 - 1,95; W  0,30; V: 9,75 - 10,25.

6. Aço, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por consistir em: C: 1,0 - 1,4; N: 1,6 - 2,1; Si: 0,3 - 0,8; Mn: 0,2 - 0,6; Cr: 4,2 - 4,8; Mo: 1,6 - 2,0; W < 0,40; V: 8,5 - 11.0; o balanço sendo Fe, além das impurezas.

7. Aço para trabalho a frio produzido por metalurgia do pó caracterizado por ter uma composição conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 6, em que a quantidade de carbetos e carbonitretos presentes no aço preenche os seguintes requisitos, em % em volume: MX: 15 - 35; MeX  3,0; M7X3 < 1,0; M23X6 < 1,0; em que M é um ou mais de V, Cr e Mo e X é C e/ou N, e, opcionalmente, B.

8. Aço para trabalho a frio produzido por metalurgia do pó, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por preencher o requisito de: MX: 15 - 3 0; MGX  1,0; M7X3  0,2; M23X6  0,2.

9. Aço para trabalho a frio produzido por metalurgia do pó, de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que a quantidade de carbetos e carbonitretos presentes no aço preenche os seguintes requisitos, em % em volume: MX: 15 - 3 0; M6X  0,1, em que a microestrutura é isenta de M7X3 e M23X6, preferivelmente, a microestrutura é isenta de M6X.

10. Aço para trabalho a frio produzido por metalurgia do pó, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado pelo fato de que o Diâmetro de Círculo Equivalente (ECD) dos carbetos e carbonitretos na microestrutura é inferior a 1,5 μm, preferivelmente, inferior a 1,0 μm.