BR112021007468A2

BR112021007468A2 - método para produzir uma liga de aço rápido.

Info

Publication number: BR112021007468A2
Application number: BR112021007468-6A
Authority: BR
Inventors: Stefan Sundin
Original assignee: Erasteel Sas
Priority date: 2018-10-26
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2021-08-10
Also published as: EP3870730A1; SE542781C2; SE1851330A1; CN113166895A; WO2020084352A1; EP3870730A4

Abstract

MÉTODO PARA PRODUZIR UMA LIGA DE AÇO RÁPIDO. Um método para produzir uma liga de aço rápido que contém, em porcentagem em peso (% em peso): C 1,00-1,10, N 0,005-0,025, Cr 3,80- 4,40, Mo 3,90-4,50, W 0-1,0, Co 0-0,99, V 1,8-2,2, Nb 0-0,30, Mn 0,20-0,40, Si 1,40-1,55, Ni 0-0,50 e Cu 0-0,50, o equilíbrio sendo Fe e impurezas de ocorrência normal, e em que o dito método compreende as seguintes etapas: provimento de uma fusão da dita liga, moldagem da dita fusão seguida por solidificação da mesma, formação a quente da liga em um corpo predeterminado, recozimento suave da liga solidificada e endurecimento do dito corpo da liga a uma temperatura de endurecimento T na faixa de 1100°C a 1200°C para um tempo predeterminado t que está na faixa de t1 a t2, em que t1 é um tempo que é suficiente para elementos de formação de carboneto da liga a ser dissolvida em uma estrutura austenítica apresentada pela liga. O tempo de endurecimento máximo t2 é abaixo de um tempo no qual um tamanho médio de grão de austenita da liga, como medido com o método Snyder-Graff, é de tal modo que o número de tamanho de grão de intercepto Snyder-Graff (SG) é pelo menos 13.

Description

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MÉTODO PARA PRODUZIR UMA LIGA DE AÇO RÁPIDO CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção se refere a um método para produzir uma liga de aço rápido que contém, em porcentagem em peso (% em peso): C 1,00-1,10, N 0,003-0,025, Cr 3,80- 4,40, Mo 3,90-4,50, W 0-1,0, Co 0-0,99, V 1,8-2,2, Nb 0-0,30, Mn 0,20-0,40, Si 1,40-1,55, Ni 0-0,50 e Cu 0-0,50, o equilíbrio sendo Fe e em que o teor de impurezas de ocorrência normal é menor que 1,0% em peso, e em que o dito método compreende as seguintes etapas: provimento de uma fusão da dita liga, moldagem da dita fusão após a solidificação da mesma, formação a quente da liga em um corpo predeterminado, recozimento suave da liga solidificada e endurecimento do dito corpo da liga a uma temperatura de endurecimento T na faixa de 1100°C a 1200°C para um tempo predeterminado t que está na faixa de t1 a t2, em que t1 é um tempo que é suficiente para elementos de formação de carboneto da liga a ser dissolvida em uma fase austenítica apresentada pela liga, e, após a dita etapa de endurecimento, essa compreende a etapa adicional de revenimento do dito membro de liga de molde.

FUNDAMENTOS E TÉCNICA ANTERIOR

[002] Os aços rápidos (HSS) são aços usados especialmente em ferramentas para tipos diferentes de usinagem, como perfuração, fresagem e serragem, mas outras aplicações também são concebíveis, como, por exemplo, em ferramentas para trabalho a quente, como matrizes para extrusão de perfis e rolos de alumínio para laminagem a quente, em elementos de máquina avançadas e rolos de prensa, isto é, ferramentas para estampagem de padrões ou perfis em metais, etc. Outra aplicação de tais aços ocorre em ferramentas de trabalho a frio, por exemplo, laminagem de rosca. Ferramentas de corte não revestidas de baixo custo, principalmente brocas, são produtos que preferivelmente podem ser feitos de um aço rápido. Uma alta tenacidade será necessária para tal material.

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[003] Outras propriedades importantes de tal aço rápido são dureza alta e resistência abrasiva ou ao desgaste, assim como facilidade para ser usinado após recozimento suave para fabricar ferramentas dos esboços de ferramenta de tal ácido. Uma outra propriedade frequentemente necessária é uma boa triturabilidade.

[004] O ácido rápido que ocorre mais frequentemente no mercado atualmente é o chamado M2, que pode ter composições que diferem levemente, mas tem principalmente a seguinte composição em % em peso: C 0,90, Cr 4,2, Mo 5,0, W 6,4 e V 2.0. Cr é usado para obter uma capacidade de endurecimento apropriada do aço, ao passo que os elementos de produção de liga Mo, W e V são usados juntamente com carbonetos de metal de formação de carbono necessários para obter a dureza e resistência abrasiva e ao desgaste almejadas.

[005] Aço rápido com teores mais baixos de elemento de produção de liga caro do que o que é usado em M2, mas ainda com propriedades mecânicas comparáveis àqueles de M2 que estão sendo desenvolvidos. O aço rápido produzido por meio do método sugerido nesse pedido é um tal aço.

[006] Elementos de produção de liga diferentes, como Mo, W, V e Nb são usados em aços rápidos de liga baixa conhecidos para formar carbonetos de metal no aço para obter uma tenacidade e resistência abrasiva altas desejas assim como uma tenacidade e dureza altas do aço.

[007] Durante o endurecimento de uma liga de molde com uma composição de um aço rápido com teor baixo de elementos de produção de liga, como definidos acima e abaixo, e a uma temperatura de endurecimento, como definida acima e abaixo, o tempo de retenção na temperatura de endurecimento é longo o suficiente para garantir que os carbonetos formados na liga durante resfriamento após a moldagem e durante recozimento suave subsequente sejam dissolvidos na fase austenítico da liga. A dureza solicitada da liga será alcançada enquanto liga, após ser mantida à temperatura de

3 / 10 endurecimento, é rapidamente resfriada o suficiente para formar uma estrutura martensítica e após revenimento a uma temperatura de revenimento adequada.

[008] Entretanto, o ácido rápido com a composição, definida acima e abaixo, tem uma tendência a ter uma tenacidade de impacto suprimida ao ser tratada termicamente de acordo com os ensinamentos da técnica anterior. Tal técnica anterior pode ser representada pelo documento WO2009/082328 A1 proposto pela presente requerente e que descreve aço com composições similares ao aço do presente pedido.

[009] É portanto um objetivo da presente invenção apresentar um método para produção de uma liga de aço rápido, como definida acima e abaixo, que resulta em um aço rápido com uma tenacidade de impacto aprimorada em comparação como se tivesse sido tratada termicamente de acordo com os ensinamentos da técnica anterior.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0010] O objetivo da presente invenção é alcançado por meio do método inicialmente definido, que é distinguido pelo fato de que t2 é abaixo de um tempo no qual um tamanho médio de grão de austenita da liga, como medido com o método Snyder-Graff, é de tal modo que o número de tamanho de grão de intercepto Snyder-Graff (SG) é pelo menos 13. A medição está de acordo com ASTM E112 “Standard test methods for determining average grain size”.

[0011] Os presentes inventores perceberam que, em particular, quando o aço rápido tem teores relativamente baixos de W e, em particular, Mo, uma taxa de crescimento acelerado dos grãos austeníticos na liga é obtida. Por conseguinte, Mo e W parecem ter um efeito de supressão de taxa de crescimento nos grãos austeníticos. Um tamanho grande de grão austenítico sobre o endurecimento foi observado para resultar em uma tenacidade de impacto reduzido da liga endurecida. Ao controlar o tempo na temperatura de endurecimento, e não deixando que seja muito longo, uma

4 / 10 tenacidade de impacto aprimorada é assim alcançada. O endurecimento é preferivelmente finalizado ao resfriar o dito corpo a partir da dita temperatura T de modo que pelo menos uma estrutura parcialmente martensítica é obtida.

[0012] De acordo com uma modalidade, t2 está abaixo de um tempo no qual um tamanho médio de grão de austenita da liga, como medido com o método Snyder-Graff, é de tal modo que o número de tamanho de grão de intercepto Snyder-Graff (SG) é pelo menos 14.

[0013] De acordo com uma modalidade, minutos.

[0014] De acordo com uma modalidade, minutos ou t2<25 minutos, o que for mais baixo.

[0015] De acordo com uma modalidade, 1100ºC<T<1180ºC. De acordo com outra modalidade, 1150ºC<T<1200ºC, e de acordo com ainda outra modalidade, 1150ºC<T<1180ºC.

[0016] De acordo com uma modalidade, , Mo e W sendo os teores de molibdênio e tungstênio expressos em percentual em peso.

[0017] De acordo com uma modalidade alternativa, .

[0018] De acordo com uma modalidade, o teor de Co é menor que 0,50% em peso.

[0019] De acordo com uma modalidade, o teor de W é menor que 0,50% em peso.

[0020] De acordo com uma modalidade, o teor de Mo é 3,90 a 4,10% em peso.

[0021] De acordo com uma modalidade, o método de acordo com a invenção é distinguido opcionalmente pelo fato de que, após a dita etapa de endurecimento, compreende a etapa adicional de revenimento do dito membro

5 / 10 de liga de molde.

[0022] De acordo com uma modalidade, o dito revenimento é realizado a uma temperatura de 500°C a 600°C por 0,5 a 2 horas 2 a 4 vezes. O revenimento é controlado de modo que uma estrutura totalmente martensítica é obtida no corpo formado pela liga.

[0023] De acordo com uma modalidade, a temperatura de endurecimento T está na faixa de 1140°C a 1160°C, e que o revenimento é realizado 3 vezes a uma temperatura na faixa de 535°C a 545°C. De acordo com uma modalidade, o comprimento de duração de cada sequência de revenimento (tempo na temperatura de revenimento) é de 45 a 75 minutos, seguido pelo resfriamento a menos que 25°C. De acordo com outra modalidade, o comprimento de duração de cada sequência de revenimento (tempo a temperatura de revenimento) é de 55 a 65 minutos. O tempo de endurecimento pode ser maior que 30 minutos.

[0024] Outros recursos e vantagens serão apresentados na seguinte descrição detalhada das modalidades.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0025] A Fig. 1 é um diagrama que mostra número de tamanho de grão de intercepto Snyder-Graff (SG) versus tempo t em temperatura de endurecimento T para três valores diferentes em T para um aço rápido com uma composição de acordo com o método da presente invenção, a Fig. 2 é um diagrama que mostra tenacidade de impacto, como medida de acordo com o padrão SEP1314, versus tamanho de grão de austenita expresso como número de tamanho de grão de intercepto Snyder- Graff (SG) para um aço rápido com uma composição de acordo com o método da presente invenção e endurecida a 1180°C, e a Fig. 3 é um diagrama que mostra dureza e tenacidade de impacto para amostras endurecidas a 1150°C, versus número de etapas de revenimento.

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DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES

[0026] Por razões a serem descritas abaixo, o aço rápido compreende o seguinte elemento de produção de liga nas quantidades que estão especificadas aqui e nas reivindicações anexas: Carbono (C) deve existir em um teor de 1,00 a 1,10% em peso para resultar em cerca de 3% de átomo na austenita a uma temperatura de endurecimento típica, como 1180°C, que é favorável para dar ao material uma dureza na condição endurecida e revenida que é adequada aos seus propósitos. O carbono contribui para a formação de uma quantidade adequada de carbonetos-MC principalmente precipitados, que podem ser do tipo M6C e MC como descrito a seguir. Esses carbonetos são importantes para obter dureza desejada e resistência abrasiva e ao desgaste.

[0027] Nitrogênio (N) pode substituir parcialmente carbono e tem a mesma função que o carbono enquanto forma nitretos-M e nitretos de carbono. Não deve estar presente em teor acima de 0,025% em peso, uma vez que esse deve resultar na produção de nitretos de vanádio grande já na fusão.

[0028] Cromo (Cr) deve existir no aço a um teor de pelo menos 3,8% em peso a fim de, quando dissolvido na matriz do aço, contribuir para que o aço alcance dureza e tenacidade adequadas após endurecimento e revenimento. O cromo também pode contribuir para a resistência ao desgaste do aço ao ser incluído em partículas de fase dura principalmente precipitadas, essencialmente carbonetos-M6C. O cromo não deve estar presente a um teor acima de 4,40% em peso, uma vez que resultaria apenas em custos de elemento de produção de liga extra sem adicionar nada à dureza do aço.

[0029] Molibdênio (Mo) é usado para formar carboneto-M6C contribuindo para dureza e a resistência de desgaste do aço. O teor deve ser pelo menos 3,9% em peso para obter contribuição suficiente para resistência a desgaste e dureza do aço, mas é caro e não deve estar acima de 4,5 em peso.

[0030] Tungstênio (W) forma carbonetos-M6C contribuindo para a

7 / 10 resistência ao desgaste do aço. Entretanto, o tungstênio não deve estar presente em um teor acima de 1,0% em peso, preferivelmente não acima de 0,5% em peso, uma vez que o relacionamento do teor de Mo/W deve ser alto, como pelo menos acima de 3 para permitir que Si contribua para a dureza do aço e substitua parcialmente Mo.

[0031] Vanádio (V) é usado para formar carbonetos-MC contribuindo para resistência ao desgaste e dureza do material. Os carbonetos-MC são mais duros que carboneto-M6C, de modo que seja melhor ter carbonetos-MC de um certo tamanho do que carbonetos-M6C daquele tamanho. Entretanto, o teor de V não pode estar acima de 2,2% em peso, uma vez que resultaria na formação de carbonetos grandes que reduzem a facilidade de usinar o material após o recozimento suave e que reduzem a triturabilidade e a tenacidade do material. Quantidades muito altas de V também envolvem um risco de formação de carbonetos-MC já no molde que tornam o processo de fabricação mais difícil.

[0032] Nióbio (Nb) pode substituir parcialmente vanádio em alguma medida e tem substancialmente o mesmo comportamento que vanádio em relação à formação de carbonetos-MC e às propriedades dos mesmos. Entretanto, V pode ser preferido, uma vez que resulta em manejo mais fácil de refugo da liga do que Nb. O teor da Nb não deve estar acima de 0,3% em peso.

[0033] Silício (Si) deve estar presente a um teor de pelo menos 1,40% em peso para contribuir para a dureza e resistência abrasiva do aço. Entretanto, teores mais altos são desejados pela capacidade de Si substituir Mo, de modo que o teor do Mo mais caro pode ser reduzido e, com isso, pode haver economia de custos. O teor de Si não deve exceder 1,55% em peso uma vez que a dureza após o recozimento suave será então muito alta para torná-lo confortável para usinar o material. Outro efeito de Si é tal que desestabiliza M2C, que pode estar presente no molde, em favor de carbonetos-M6C para

8 / 10 transformar o M2C em M6C e MC quando o molde é tratado termicamente. Si é um estabilizador de ferrita.

[0034] Manganês (Mn) é um estabilizador de austenita. A liga de aço compreende de 0,20 a 0,40% em peso de Mn. Se o teor de Mn é muito baixo, Fe formará FeS que acaba nos limites de grão, tornando assim o material frágil. Mn em combinação com Si também aprimora desoxidação durante a produção do aço e resulta em um aço com menos inclusões de óxido.

[0035] Níquel (Ni) é um estabilizador de austenita forte. Pode estar presente no aço, mas, a fim de evitar austenita remanescente após endurecimento e revenimento, a quantidade de Ni não deve ser acima de 0,5% em peso, preferivelmente não acima de 0,3% em peso. Se cobre estiver presente no aço, Ni + Cu não deve estar acima de 0,7% em peso, preferivelmente não acima de 0,5% em peso.

[0036] Cobre (Cu) pode estar presente no aço em quantidade até 0,5% em peso, preferivelmente não mais do que 0,3% em peso.

RESULTADOS EXPERIMENTAIS

[0037] Uma liga com a seguinte composição final foi fundida, moldada e permitida para solidificar em um lingote. C Si Mn P S Cr Ni Cu Mo W Co 1,04 1,42 0,26 0,019 0,001 4,00 0,07 0,043 3,91 0,42 0,28 V N Nb Fe 1,9 0,016 0.006 equilíbrio

[0038] Os níveis de impureza de alumínio (Al), titânio (Ti), chumbo (Pb) e estanho (Sn) estiveram também presentes no aço. O teor total de tais impurezas foi abaixo de 0,1% em peso.

[0039] As amostras de teste com o formato de hastes com um diâmetro de 6 a 13 mm foram formadas a partir do lingote através de um processo que incluiu forjamento e laminagem do lingote para hastes com um diâmetro de 6,5 a 13,5 mm, estiramento final da haste até a dimensão final e, finalmente, o corte do mesmos.

[0040] Antes do estiramento final, as hastes ou roscas foram então

9 / 10 recozidas suavemente a 880°C durante um período de tempo de 2 horas, seguido pelo resfriamento controlado a 700°C com uma taxa de resfriamento de aproximadamente 10°C/minuto, e posteriormente resfriamento livre a partir de 700°C para temperatura ambiente.

[0041] As amostras foram então submetidas à etapa de endurecimento a 1100°C, 1150°C e 1180°C. Para cada temperatura de endurecimento, as amostras foram mantidas à temperatura de endurecimento para tempos diferentes, nesse caso 2 minutos, 20 minutos e 60 minutos.

[0042] As amostras foram resfriadas a partir da temperatura de endurecimento respectiva com uma taxa de resfriamento de 7°C/segundo. Uma estrutura parcialmente austenítica e parcialmente martensítica foi obtida como um resultado da mesma.

[0043] As amostras endurecidas foram então submetidas a revenimento, que consistiu em aquecimento das amostras a uma temperatura de revenimento de 550°C, retendo a amostra à dita temperatura por 1 hora, e repetindo esse procedimento uma vez (duas vezes no total).

[0044] Para cada amostra, o tamanho de grão de austenita foi medido por meio do método Snyder-Graff, e o tamanho de grão de austenita foi expresso pelo número de tamanho de grão de intercepto Snyder-Graff (SG). Um número de SG maior indica um tamanho de grão menor. As medições foram desempenhadas de acordo com ASTM E112 “Standard test methods for determining average grain size”. Os resultados são mostrados na Fig. 1. Como pode ser visto, para cada temperatura de endurecimento, o tamanho de grão de austenita aumentou (como mostrado por um número de SG mais baixo) quase linearmente com o aumento do tempo de retenção na respectiva temperatura.

[0045] Então, a tenacidade de impacto foi medida de acordo com SEP1314 para amostras endurecidas a 1180°C e subsequentemente revenida e mostrando tamanho de grão de austenita diferente como resultado de tempos

10 / 10 de retenção diferentes à temperatura de endurecimento. Os resultados são mostrados na Fig. 2. Como pode ser visto, um aprimoramento notável de tenacidade de impacto foi reconhecido por amostras com um número de tamanho de grão de intercepto Snyder-Graff de aproximadamente 14 comparadas àquelas com um número de tamanho de grão de intercepto Snyder-Graff de aproximadamente 12. As amostras com um número de tamanho de grão de intercepto Snyder-Graff, isto é, um tamanho de grão de austenita maior, mostrou uma tenacidade de impacto notavelmente mais baixa.

[0046] As amostras de ligas com teores diferentes de Mo e W da liga usada para as amostras de teste acima foram usadas a fim de ver se há uma correlação entre o teor daqueles formadores fortes de carbonetos M6C e MC e o crescimento de grão de austenita como uma função de tempo e temperatura. Os testes correspondentes aos testes descritos aqui acima foram assim realizados e mostram que há tal correlação. A correlação entre o tempo máximo a uma dada temperatura de endurecimento e o teor de Mo e W pode ser escrita como segue: minutos.

[0047] A Fig. 3 mostra os resultados de teste para amostras que foram endurecidas a 1150°C por 60 minutos, arrefecidas a <50°C e então submetidas a revenimento, que consistiu em aquecer as amostras a 520°C, 540°C e 560°C respectivamente, retendo a amostra à dita temperatura por 60 minutos, resfriando a <25°C e repetindo esse procedimento em número de vezes diferentes. Pode ser visto a partir da Fig. 3 que uma combinação vantajosa de dureza e tenacidade de impacto foi alcançada por amostras com uma temperatura de revenimento de 540°C e submetida a três sequências de revenimento. O tamanho de grão foi 13,8 (número de tamanho de grão de intercepto Snyder-Graff).

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para produzir uma liga de aço rápido que contém, em porcentagem em peso (% em peso): C 1,00–1,10 N 0,003–0,025 Cr 3,80–4,40 Mo 3,90–4,50 W 0–1,0 Co 0–0,99 V 1,8–2,2 Nb 0–0,3 Mn 0,20–0,40 Si 1,40–1,55 Ni 0–0,50 Cu 0-0,50 o equilíbrio sendo Fe e impurezas de ocorrência normal, em que o teor de impurezas de ocorrência normal é menor que 1,0 % em peso, e em que o dito método compreende as etapas seguintes: - provimento de uma fusão da dita liga, - moldagem da dita fusão após a solidificação da mesma, - formação a quente da liga em um corpo predeterminado, - recozimento suave da liga solidificada, - endurecimento do dito corpo da liga em uma temperatura de endurecimento T na faixa de 1100°C a 1200°C para um tempo predeterminado t que está na faixa de t1 a t2, em que t1 é um tempo que é suficiente para elementos de formação de carboneto da liga para ser dissolvida em uma estrutura austenítica apresentada pela liga, e - após a dita etapa de endurecimento, essa compreende a etapa adicional de revenimento do dito membro de liga de molde, e em que o dito método é caracterizado pelo fato de que t2 está abaixo de um tempo no qual um tamanho médio de grão de austenita da liga, como medido com o método Snyder-Graff, é de tal modo que o número de tamanho de grão de intercepto Snyder-Graff (SG) é pelo menos 13.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que t2 é abaixo de um tempo no qual um tamanho médio de grão de austenita da liga, como medido com o método Snyder-Graff, é de tal modo que o número de tamanho de grão de intercepto Snyder-Graff (SG) é pelo menos 14.

3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de ser 1150ºC<T<1180ºC.

4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de ser minutos.

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de ser minutos ou t2<25 minutos, o que for mais baixo.

6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de ser .

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de ser .

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o teor de Co é menor que 0,50% em peso.

9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o teor de W é menor que 0,50% em peso.

10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o teor de Mo é de 3,90 a 4,10% em peso.

11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o teor de impurezas de ocorrência normal é menor que 0,50% em peso.

12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que o dito revenimento é realizado a uma temperatura de 500°C a 600°C por 0,5 a 2 horas 2 a 4 vezes

13. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, 6 a 12, caracterizado pelo fato de que a temperatura de endurecimento T está na faixa de 1140°C a 1160°C, e que o revenimento é realizado 3 vezes a uma temperatura na faixa de 535°C a 545°C.