BR112019008105B1

BR112019008105B1 - Processo para fabricar um artigo de manufatura a partir de uma liga fe-co magnética- macia

Info

Publication number: BR112019008105B1
Application number: BR112019008105-4A
Authority: BR
Inventors: Eric M. Fitterling
Original assignee: Crs Holdings, Llc
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2017-10-20
Publication date: 2022-10-18
Also published as: US20180112287A1; EP3529386B1; ES2880382T3; JP2019537664A; KR102318304B1; MX2019004479A; CN110268075A; US20210207239A1; BR112019008105A2; CA3040715C; EP3529386A1; KR20190074294A; IL266024A; WO2018075882A1; CA3040715A1

Abstract

É divulgado um processo para fabricar um artigo de manufatura a partir de uma tira alongada de liga Fe-Co magnética-macia. O processo inclui uma etapa de recozimento pré-fabricação na qual a tira alongada é recozida antes dela ser fabricada em partes. A etapa de recozimento pré-fabricação é efetuada em uma temperatura que é maior do que a temperatura de ordenamento da liga. O processo inclui ainda a etapa de arrefecimento da liga a partir da temperatura de recozimento a uma taxa que é selecionada para provocar a transformação substancial da fase desordenada da liga Fe-Co magnética-macia para uma fase ordenada da mesma. É também descrito um artigo de manufatura feito usando o processo.

Description

Antecedentes da invenção Campo de invenção

[0001] Esta invenção refere-se a um processo para fabricar um artigo de manufatura a partir de uma liga Fe-Co macia magnética, equiatômica, e a um artigo útil feita da mesma. Descrição da técnica relacionada

[0002] As ligas de Fe-Co magnéticas-macias equiatômicas, incluindo a liga Fe-Co-2V, são conhecidas e têm sido usadas principalmente para fazer componentes laminados para os estatores e rotores de motores elétricos e geradores. As ligas de Fe-Co conhecidas proveem uma combinação de propriedades magnéticas macias em conjunto com boa resistência, ductilidade e processabilidade. As peças fabricadas a partir destas ligas são geralmente recozidas para reduzir as tensões no material da liga e para se obter a combinação desejada de propriedades magnéticas e mecânicas. As ligas sofrem uma transição a partir do estado desordenado a um estado ordenado quando tratadas termicamente. A fase desordenada é caracterizada por uma distribuição aleatória dos átomos de Fe e de Co nas células unitárias da estrutura reticular (colmeia) de corpo- centralizado-cúbico da liga. Na fase ordenada, os átomos de Fe e Co ocupam locais específicos nas unidades de célula ao longo da estrutura reticular cristalina.

[0003] Antes do tratamento térmico de recozimento de pós- fabricação, a liga está no estado desordenado. No entanto, quando a liga é arrefecida, a partir da temperatura de recozimento, ela se transforma no estado ordenado à medida que ela se arrefece através da temperatura de ordenação (Tarranjo). Tarranjo é de cerca de 730 °C (cerca de 1345 °F) para as ligas de Fe-Co magnéticas-macias às quais a presente invenção se aplica. A fase desordenada da liga tem um coeficiente maior de expansão térmica (CTE) do que a fase ordenada. Consequentemente, durante o tratamento térmico de pós-fabricação as peças feitas a partir da liga sofrem um aumento da rede (“net”) no tamanho em função da CTE diferente das duas fases. Em outras palavras, a liga se torna maior durante o aquecimento do que encolhe durante o arrefecimento. Esse fenômeno resulta no aumento da rede no tamanho de uma peça feita a partir da liga após o tratamento térmico pós-fabricação.

[0004] O aumento de tamanho da rede é difícil de explicar uma vez que o inventor determinou que o aumento de tamanho da rede é significativamente maior na direção da laminação do que na direção transversal à direção da laminação. Os fabricantes de peças laminadas feitas a partir de ligas de Fe-Co magnéticas-macias têm poucas técnicas para considerar alterações do tamanho da rede não-simétrica das peças acabadas recozidas. A extensão da alteração de tamanho da rede é difícil de avaliar pois que é afetada por fatores tais como as formas complexas que podem ser fabricadas, as tensões térmicas induzidas durante o tratamento térmico e as tensões mecânicas associadas com as técnicas de fabricação utilizadas, tais como estampagem. Consequentemente, a alteração de tamanho da rede não é sempre uniforme ou consistente.

[0005] Existe uma crescente demanda por laminações de tolerância mais restritivas e peças feitas de ligas de Fe-Co magnéticas-macias para satisfazer os critérios de projeto de engenharia cada vez mais desafiadores para motores elétricos e geradores. A fim de atender a essa demanda surgiu a necessidade de ser capaz limitar ou controlar a alteração do tamanho da rede de peças fabricadas a partir das ligas de Fe- Co magnéticas-macias equiatômicas a fim de melhor atender os requisitos de tolerância mais restritivas.

Sumário da invenção

[0006] Os problemas relacionados com a dimensão associados com a manufatura de peças a partir das ligas de Fe-Co equiatômicas conhecidas são resolvidos em grande medida pelo processo de acordo com a presente invenção. De acordo com um primeiro aspecto da invenção, é provido um processo para fabricar um artigo de manufatura a partir de uma liga Fe-Co magnética-macia. O processo inclui uma etapa de prover uma liga Fe-Co magnética-macia de comprimento alongado, substancialmente plana, sendo que a liga Fe-Co tem uma estrutura que é caracterizada por consistir essencialmente de uma fase desordenada. O processo também inclui uma etapa de recozimento intermediária ou pré-fabricação, na qual o comprimento alongado da liga de aço macio-magnético é recozido antes de ser fabricado em partes. A etapa de recozimento pré-fabricação é efetuada em uma temperatura que é maior do que a temperatura de ordenamento da liga. O processo inclui ainda a etapa de arrefecimento da liga a partir da temperatura de recozimento a uma taxa que é selecionada para provocar a transformação substancial da fase desordenada da liga Fe-Co magnética-macia para uma fase ordenada da mesma, sendo que a liga Fe-Co magnética-macia sofre uma alteração no tamanho. Após a etapa de recozimento pré-fabricação, o comprimento alongado da liga é fabricado em um artigo de manufatura. Ao artigo é então dado um tratamento térmico de recozimento pós-fabricação que é realizado sob condições de atmosfera, temperatura, e duração selecionadas para se obter uma combinação desejada de propriedades magnéticas e mecânicas do artigo de manufatura.

[0007] De acordo com um outro aspecto da presente invenção é provido um artigo magnético macio alongado feito de uma liga Fe-Co magnética-macia. O artigo é caracterizado pela liga ter uma quantidade substancial de uma fase ordenada da referida liga. O artigo é ainda caracterizado por exibir uma alteração no tamanho da rede que é substancialmente simétrico em extensão nas direções longitudinal (laminação) e transversal após o recozimento pós-fabricação.

[0008] Aqui e em toda esta descrição aplicar as seguintes definições. O termo “liga Fe-Co” significa uma liga tendo um teor de Fe+Co total de mais do que 90 por cento atómico e no qual a proporção Fe:Co é de cerca de 0,33 a cerca de 3. A liga pode incluir pequenas quantidades de elementos adicionais que são adicionados para beneficiar propriedades particularmente desejadas e incluirá tipicamente as impurezas usuais encontradas em outras ligas destinadas para o mesmo ou semelhante serviço. O termo “por cento” ou o símbolo “%” significa porcentagem em peso, salvo indicação ao contrário. O termo “desordenada” significa uma estrutura reticular cristalina tendo células unitárias, nas quais os átomos de ferro e de cobalto são arranjados aleatoriamente. O termo “ordenado” significa uma estrutura reticular cristalina com células unitárias nas quais os átomos de ferro e de cobalto ocupam locais específicos na célula unitária da rede cristalina ao longo da liga.

Breve descrição dos desenhos

[0009] A descrição detalhada a seguir bem como o sumário acima da presente invenção serão melhor compreendidos quando lidos em conjunto com os desenhos, nos quais:

[0010] A Figura 1 é um diagrama de blocos de uma concretização do processo de acordo com a presente invenção;

[0011] A Figura 2 é uma ilustração esquemática de um artigo de liga Fe-Co magnética-macia feito pelo processo conhecido; e

[0012] A Figura 3 é uma ilustração esquemática de um artigo de liga Fe-Co magnética-macia feito pelo processo de acordo com a presente invenção.

Descrição detalhada

[0013] Referindo-se agora à Figura 1, mostra-se uma concretização do processo de acordo com a presente invenção. As etapas iniciais 100-300 do processo de acordo com esta invenção proveem uma liga de aço macio-magnético de comprimento alongado substancialmente plano. O comprimento alongado da liga é preparado como indicado na etapa 100 pela fundição de uma liga Fe-Co. A liga pode conter pequenas quantidades de outros elementos que beneficiam particularmente propriedades desejadas, como é conhecido dos técnicos no assunto. Por exemplo, em uma concretização, a liga pode conter cerca de 2% de vanádio. Em outra concretização, a liga pode conter cerca de 0,3% de colúmbio. Em uma outra concretização, a liga pode conter cerca de 0,3% de tântalo e cerca de 1,15% de vanádio. Em uma ainda outra concretização, a liga pode conter cerca de 0,3% de cada um de tântalo e vanádio. A liga pode conter cerca de 0,010% de carbono e em algumas concretizações não mais do que cerca de 0,001% de carbono. O processo desta invenção é particularmente aplicável para as ligas de Fe-Co descritas nos documentos US 5.501.747; US 3.634.072; e EP 1.145.259, a totalidade dos quais são aqui incorporadas por referência. Mais especificamente, o processo da presente invenção é amplamente aplicável para ligas magnéticas-macias contendo 45-55% de cobalto, 0,5-2,5% de vanádio, opcionalmente, 0,02-0,5% de nióbio e/ou tântalo, 0,003-0,50% de carbono, ou 0,07-0,3 % de zircônio, e o restante sendo ferro e impurezas.

[0014] A liga pode ser fundida através de qualquer técnica convencional de fundição, mas a liga é, preferivelmente, fundida por fundição por indução à vácuo (VIM). A liga fundida é moldada em um ou mais lingotes e deixada para se solidificar e arrefecer à temperatura ambiente. Na etapa 200 o lingote da liga é, preferivelmente, trabalhado quente, tal como, por prensagem, desbaste, ou laminagem para formar um tarugo ou barra, seguido pela laminagem a quente para prover um artigo alongado intermediário tal como uma tira espessa, haste ou barra. O artigo alongado intermediário é laminado a frio como na etapa 300 para uma área de seção transversal e espessura que são selecionadas com base na forma final das peças a serem fabricadas a partir do material. Preferivelmente, o artigo intermediário laminado a frio é concretizado como material em tira tendo uma espessura e largura que são selecionadas para fazer peças laminadas para estatores e rotores usados em motores e geradores elétricos. A etapa de laminagem a frio pode ser realizada em uma ou mais reduções.

[0015] Antes da fabricação das peças laminadas, a liga utilizada para fazer o artigo intermediário alongado laminado a frio tem uma estrutura reticular que é constituída essencialmente por uma fase desordenada tal como descrito acima. Na etapa 400, o artigo intermediário alongado laminado a frio é recozido antes da fabricação das laminações das peças a fim de minimizar a alteração de tamanho da rede nas laminações e nas peças montadas das mesmas que poderiam, de outro modo, ocorrer durante o recozimento pós-fabricação de tais peças. A etapa de recozimento pré-fabricação é realizada sob condições de temperatura, duração e atmosfera que promovem a transformação da liga para a fase ordenada. É apenas necessário que uma porção substancial da liga transforme para a fase ordenada para se obter o benefício da etapa de recozimento pré-fabricação. Uma porção substancial da liga é considerada para ser transformada para a fase ordenada quando o grau de ordenação alcançada é maior do que 40% em volume e, preferivelmente, maior do que 50% em volume. Mais especificamente, a etapa de recozimento pré- fabricação inclui aquecer o artigo alongado intermediário laminado a frio a uma temperatura que é maior do que a temperatura de ordenamento da liga Fe-Co. O artigo alongado intermediário laminado a frio é, em seguida, arrefecido, como indicado na etapa 500, a uma taxa que é suficiente para fazer com que a liga se transforme no estado ordenado conforme a liga se arrefece abaixo através da temperatura de ordenação a partir da temperatura de recozimento.

[0016] A etapa de recozimento pré-fabricação pode ser efetuada através do aquecimento da forma intermediária alongada da liga a uma temperatura que está acima da temperatura à qual a fase ordenada se torna metaestável (por exemplo, cerca de 600 °C), mas não maior do que a temperatura à qual a fase austenítica se torna termodinamicamente estável (por exemplo, cerca de 871 °C). Preferivelmente, a etapa de pré-fabricação de recozimento é realizada através do aquecimento da forma intermediária alongada da liga a uma temperatura que está acima da temperatura à qual a fase ordenada se torna estável (por exemplo, cerca de 700 °C), mas não maior do que a temperatura à qual a fase austenítica se torna termodinamicamente estável. A forma intermediária alongada é, preferivelmente, filamento recozido em uma atmosfera não-oxidante com uma taxa de passagem de alimentação suficiente para aquecer a liga a uma temperatura de recozimento durante pelo menos cerca de 1 minuto. A forma intermediária alongada é, preferivelmente, arrefecida ao ar a partir da temperatura de recozimento. A atmosfera não- oxidante é, preferivelmente, hidrogênio seco, isto é, gás hidrogênio tendo um ponto de orvalho de -40 °C (-40 °CF) ou inferior.

[0017] Após o artigo alongado intermediário ser arrefecido até à temperatura ambiente ele pode ser formado em laminações, tendo uma forma que é selecionada com base no desenho da peça a ser feita a partir das laminações. As laminações podem ser fabricadas por estampagem do artigo alongado laminado a frio como indicado na etapa 600. As laminações podem ser formadas por outras técnicas de corte conhecidas dos técnicos no assunto incluindo, mas não limitado a, corte a laser, maquinário de descarga elétrica (EDM), fotogravura, e corte por jato de água. As laminações são recozidas em lote como na etapa 700 em uma atmosfera protetiva sob condições de temperatura e de duração que são selecionadas para prover uma combinação de propriedades mecânicas e magnéticas suficientes para suportar as altas tensões físicas que serão encontradas em serviço. Por exemplo, as peças laminadas podem ser recozidas através do aquecimento a uma temperatura de 704-871 °C (1300 a 1600 °F) durante 2-4 horas em hidrogênio seco. As partes aquecidas são, em seguida, arrefecidas a partir da temperatura de recozimento a uma taxa de 139-222 °C (250-400 F°) por hora até cerca de 316 °C (600 °F) após o qual as partes podem ser arrefecidas em qualquer taxa à temperatura ambiente. A atmosfera protetiva é, preferivelmente, hidrogênio seco. As laminações moldadas são então empilhadas e ligadas entre si para formar o componente magnético como indicado na etapa 800.

[0018] O processo de acordo com a presente invenção proporciona uma vantagem significativa em comparação com os processos conhecidos para a fabricação de artigos magnéticos macios laminados a partir de ligas de Fe-Co equiatômicas. A etapa de recozimento intermediário de pré-fabricação fornece um artigo de liga alongado tendo uma estrutura que é caracterizada pela transformação substancial da fase desordenada para a fase ordenada da liga. Quando as laminações formadas são subsequentemente recozidas, o aumento da rede no tamanho das laminações após o tratamento térmico de recozimento pós-fabricação é significativamente menor do que quando a etapa de recozimento pré-fabricação não é realizada. O inventor observou que o uso da etapa de recozimento intermediário resulta em uma redução de cerca de 63% na alteração tamanho na direção da laminação e cerca de uma redução de 55% na alteração no tamanho na direção transversal. Além disso, o inventor determinou que a alteração do tamanho da rede na direção transversal é significativamente mais simétrica com a mudança do tamanho da rede na direção de laminação.

[0019] A vantagem proporcionada pelo processo de acordo com a presente invenção é ilustrada nas Figuras 2 e 3. A Figura 2 mostra um segmento de material em tira ou uma lâmina estampada feita por um processo conhecido. O segmento ou lâmina em tira 10 tem um primeiro perfil 12 na condição de laminado a frio, como descrito acima. Após o segmento ou a lâmina em tira ser recozido tem-se uma alteração no tamanho da rede, tal como ilustrado pelo segundo perfil maior 14. Como pode ser visto na Figura 2, a alteração do tamanho da rede é maior na direção da laminação do que na direção transversal. A Figura 3 mostra um segmento ou uma lâmina do material em tira 10’ feito pelo processo da presente invenção. O segmento ou lâmina em tira 10’ tem um primeiro perfil 12’ após ter sido laminado a frio e em seguida tratado termicamente com o tratamento térmico de recozimento intermediário de acordo com a presente invenção. Após o segmento ou a lâmina ser recozido após a fabricação, ele sofre uma alteração de tamanho da rede, tal como ilustrado pelo segundo perfil 14’. Como pode ser visto na Figura 3, a alteração de tamanho da rede do segmento ou lâmina em tira é geralmente menor do que com o processamento conhecido. Além disso, a alteração do tamanho da rede é mais simétrica tanto na direção da laminação quanto na direção transversal.

Exemplos de trabalho

[0020] A fim de demonstrar a eficácia do processo de acordo com a presente invenção, os testes comparativos foram realizados em amostras de liga de ferro-cobalto-vanádio HIPERCO® 50. A liga HIPERCO 50 tem uma composição por cento em peso nominal de 0,01% de carbono, 0,05% de manganês, 0,05% de silício, 48,75% de cobalto, 0,05% de nióbio e 1,90% de vanádio. O equilíbrio da liga é ferro e impurezas habituais. Os corpos de ensaio foram preparados a partir de dois lingotes que foram moldados após a fundição por indução à vácuo e, em seguida, refundidos em arco sob vácuo (VAR), após a solidificação. Os lingotes VAR foram forjados em forma de tarugos e em seguida laminados a quente a forma de tira tendo uma primeira espessura intermediária. A tira de cada lingote foi recozida, laminada a frio para uma segunda espessura intermediária, laminada a frio até à espessura final e em seguida cortada para uma largura final pré- selecionada.

[0021] A tira produzida a partir de um lingote foi recozida de acordo com o processo de acordo com a presente invenção, tal como descrito acima e, em seguida, arrefecida até à temperatura ambiente. A tira produzida a partir de outro lingote não foi recozida. Dois conjuntos de laminações moldadas foram fabricados por estampagem do material em tira recozido. O primeiro conjunto de laminações moldadas tinha um diâmetro interno de 6,807 cm (2,680 polegadas) e um diâmetro externo de 13,9093 cm (5,4761 polegadas) e o segundo conjunto de laminações moldadas tinha um diâmetro interno de 14,0189 cm (5,51925 polegadas) um diâmetro de externo de 18,0454 cm (7,1045 polegadas). Dois conjuntos adicionais de laminações moldadas foram estampados a partir do material em tira não recozido. O primeiro conjunto de laminações moldadas adicional tinha um diâmetro interno de 6,807 cm (2,680 polegadas) e um diâmetro externo de 13,9093 cm (5,4761 polegadas) e o segundo conjunto de laminações moldadas adicional tinha um diâmetro interno de 14,0189 cm (5,51925 polegadas) e um diâmetro externo de 18,0454 cm (7,1045 polegadas). Os quatro conjuntos de laminações moldadas foram recozidos em lotes e, em seguida, arrefecidos até à temperatura ambiente de acordo com a prática usual para a liga HIPERCO 50 e tal como descrito geralmente na página 9 acima.

[0022] Os diâmetros internos e externos de onze (11) laminações moldadas com diâmetro externo de 13,9093 cm (5,4761 polegadas) pré-recozidas e doze (12) laminações moldadas com diâmetro externo de 18,0454 cm (7,1045 polegadas) pré-recozidas foram medidos após a fabricação e novamente após recozimento de pós-fabricação. Os diâmetros internos e externos de nove (9) laminações moldadas não- recozidas, foram medidas após a fabricação e novamente após o recozimento pós-fabricação. A quantidade de crescimento percebida após o recozimento de pós-fabricação foi determinada para cada parte. Os diâmetros medidos (DI e DE) são apresentados nas Tabelas 1A e 1B abaixo em centímetros (polegadas).

Tabela 1B

[0023] As extensões do crescimento no tamanho das peças (Δ) foram determinadas através do cálculo das diferenças dos diâmetros internos e externos medidos dos conjuntos de peças a partir das medidas apresentadas nas Tabelas 1A e 1B e são apresentados na Tabela 2 abaixo. Todos os valores estão em centímetros (polegadas). Tabela 2

[0024] É claro a partir dos dados da Tabela 2 que a extensão do aumento de tamanho das laminações anelares processadas de acordo com a presente invenção é significativamente menor do que a extensão do aumento de tamanho das laminações anelares especificado no processamento padrão. Para realçar a diferença percebida a partir do uso do processo da presente invenção em comparação com a Tabela 3 de processamento padrão abaixo apresenta o crescimento médio das peças processadas de acordo com a invenção como uma porcentagem do crescimento médio das peças de processamento padrão. Tabela 3

[0025] É evidente a partir da Tabela 3 que as laminações processadas com o método de acordo com a presente invenção tiveram significativamente menos crescimento após o tratamento térmico de recozimento final do que as peças preparadas com o processo padrão.

[0026] Os termos e expressões que foram empregados na presente descrição são utilizados como termos de descrição e não de limitação. Não existe intenção no uso de tais termos e expressões de excluir quaisquer equivalentes das características mostradas e descritas ou suas porções. É reconhecido que várias modificações são possíveis no dentro da invenção descrita e aqui reivindicada.

Claims

1. Processo para fabricar um artigo de manufatura a partir de uma liga Fe-Co magnética-macia, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: - prover um artigo alongado, plano, formado da liga Fe-Co magnética-macia, a referida liga Fe-Co tendo uma estrutura reticular cristalina que consiste essencialmente por uma fase desordenada através da execução das seguintes etapas: - derreter e fundir a liga Fe-Co para prover um lingote (100); - trabalhar a quente o lingote para formar uma tira alongada intermediária (200); e então - laminar a frio a tira alongada intermediária até uma espessura final (300); - recozer tira alongada intermediária (400) de liga Fe-Co a uma primeira temperatura de recozimento de 600-870 °C em uma atmosfera não oxidante seguida por resfriamento (500) ao ar para temperatura ambiente, pelo qual uma quantidade substancial da fase desordenada é transformada em uma fase ordenada da liga Fe-Co; - fabricar o artigo de manufatura (600) a partir da tira alongada intermediária (400) recozida de liga Fe-Co; e em seguida - recozer o artigo de manufatura (700) a uma segunda temperatura de recozimento de 704-871 °C em uma atmosfera protetora seguida por resfriamento em 133-222 °C/h a 316 °C e, em seguida, resfriamento adicional à temperatura ambiente.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a liga Fe-Co compreender, em porcentagem em peso, 45-55% de cobalto, 0,5-2,5% de vanádio, 0,02-0,5% de nióbio-mais-tântalo, opcionalmente, 0,003-0,50% de carbono ou 0,07-0,3% de zircônio e sendo o restante ferro e impurezas.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a etapa de fundição compreender as etapas de fundir por indução à vácuo a liga Fe-Co, moldar a liga em um lingote VIM e, em seguida, refundir o lingote VIM em arco sob vácuo.

4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a primeira temperatura de recozimento ser 700 °C a 870 °C.

5. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a etapa de fabricar o artigo de manufatura (700) compreender a formação de laminações (600) a partir do artigo alongado recozido da liga Fe-Co.

6. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a tira alongada intermediária (400) ser filamento recozido a uma taxa de passagem de alimentação que é selecionada para aquecer a liga a uma primeira temperatura de recozimento durante pelo menos 1 minuto.

7. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a atmosfera não-oxidante ser gás hidrogênio seco.

8. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a atmosfera protetiva ser gás hidrogênio seco.