BR112021015592A2 - Carbureto cimentado de metal duro - Google Patents

Abstract

carbureto cimentado de metal duro. um carbureto cimentado adequado como um material de metal duro de alto desempenho para trefilação de ligas de alta resistência à tração é fornecido. o carbureto cimentado compreende um teor de ligante relativamente baixo com aditivos cr, ta e/ou nb para fornecer alta resistência ao desgaste e à corrosão, alta condutividade térmica, alta dureza e uma dureza desejada para correlação de tenacidade à fratura.

Description

“CARBURETO CIMENTADO DE METAL DURO” Campo da Divulgação

[0001] A presente matéria objeto refere-se a um carbureto cimentado tendo uma dureza desejada para tenacidade desejada e exibindo alta condutividade térmica junto com alta resistência ao desgaste e à corrosão. O presente carbureto cimentado de acordo com as implementações específicas pode encontrar uso como uma matriz de trefilação para ligas de alta resistência à tração. Fundamentos

[0002] Por meio de uma combinação de um ligante à base de Co macio e dúctil com carboneto duro e resistente ao desgaste, como WC, carbonetos cimentados exibem propriedades excelentes que combinam alta dureza e tenacidade moderada em temperaturas de até 400 °C. Suas características físicas e mecânicas, incluindo resistência, refratariedade, condutividade térmica, resistência à deformação compressiva e resistência ao desgaste e à corrosão, viram carbonetos cimentados explorados extensivamente para várias aplicações de alta demanda, como matrizes de corte, ferramentas de deformação de material, componentes estruturais, brocas de mineração, moldes de prensa, brocas em miniatura para placas de circuito impresso altamente integradas, brocas de rocha, rolamentos, selos mecânicos e peças de desgaste.

[0003] A falha da ferramenta em tais aplicações pode ser desencadeada por uma série de mecanismos de desgaste (por exemplo, fratura frágil,

fadiga, abrasão, atrito e deformação plástica, possivelmente assistida em vários graus por corrosão e difusão) que podem variar de acordo com as condições de serviço e podem ocorrem em níveis macroscópicos e/ou microscópicos.

[0004] Entre processos de formação de metal, uma aplicação em que as ferramentas sofrem um efeito sinérgico de desgaste mais corrosão é a trefilação. Durante a trefilação (que é um processo de trabalho a frio), o material é puxado através de uma matriz para reduzir sua seção transversal ao formato e tamanho desejados. Com base em sequências de trefilação repetidas e recozimento intermediário, várias formas e tamanhos de fios podem ser trefilados. O processo é uma interação complexa de muitos parâmetros e uma prática de trefilação bem-sucedida envolve a seleção cuidadosa deles. Esses parâmetros podem ser listados da seguinte forma: propriedades do fio (resistência ao escoamento, módulo de elasticidade, expoente de endurecimento por deformação), lubrificante (coeficiente de atrito, viscosidade), geometria da matriz (ângulo de redução, comprimento da região de rolamento, área de redução e material) e parâmetros de processo (temperatura, velocidade de desenho, tratamento de superfície do material).

[0005] Aço, alumínio e cobre são os três metais amplamente utilizados para produzir fios. O aço é o principal material constituinte para uma ampla gama de aplicações e produtos de mercado, como nos setores automotivo, construção, mineração e embalagens. Nos últimos anos, tem havido uma tendência crescente para produzir fios de aço de ultra alta resistência. O desgaste das matrizes de trefilação é uma limitação fundamental no processo de trefilação. Durante o processo de trefilação, ocorre atrito entre o fio e as matrizes. As matrizes gastas resultam em custos diretos, sendo a substituição da matriz e o tempo de recondicionamento uma penalidade de custo adicional. O desgaste da matriz deve ser detectado antes que quantidades substanciais de fio fora do tamanho ou manchadas sejam produzidas.

[0006] As matrizes de carboneto de tungstênio cimentadas têm sido usadas em trefilação por muitos anos. Uma combinação de força e resistência ao desgaste torna este material amplamente aceito na indústria de fios de aço, particularmente na trefilação de filamentos de cabos de aço. As propriedades do material que influenciam o grau de desgaste em matrizes de carboneto cimentado incluem dureza, condutividade térmica, microestrutura e composição, lubrificação ou falta dela, bem como as condições operacionais específicas.

[0007] O fio grosso é geralmente trefilado a seco por graus com 10 % em peso ou 6 % em peso de Co e uma dureza 1600 e 1750 Vickers, respectivamente. A trefilação úmida de 1,5 a 2 mm até a dimensão final, 0,15 a 0,3 mm, é geralmente feito com matrizes de trefilação em graus com uma dureza de cerca de 1900 a 2000HV e teor de Co < 6,5 % em peso, mais frequentemente em torno de 3 a 5 % em peso. Para reduzir o atrito durante a trefilação úmida, um lubrificante de emulsão (óleo em água) é borrifado no fio ou usado em condições de imersão total. O processo envolve várias condições de pressão,

temperatura e velocidade para diferentes contatos. Os modos mais comuns de desgaste (que podem resultar em falha nas matrizes durante o uso) incluem fratura, desgaste abrasivo, desgaste por atrito (às vezes chamado de arrancamento de partículas), desgaste corrosivo e escoriação.

[0008] Com relação à composição, ligas contendo TaNbC demonstraram ter a vida mais longa, embora ligas contendo VC tenham o tamanho de grão mais fino e maior dureza. Além disso, embora o níquel possa ser considerado para melhorar a resistência à corrosão, os graus de carboneto cimentado com Co + Ni como ligante e Cr3C2 não exibiram propriedades de trefilação adequadas, indicando que a resistência à corrosão não influencia diretamente os resultados da eficácia da trefilação [M. Takada, H. Matsubara e Y. Kawagishi, “Wear of Cemented Carbide Dies for Steel Cord Wire Drawing”, Mater. Trans., Vol. 54, nº 10, páginas 2011-2017, 2017].

[0009] EP 1726672 Al descreve um carboneto cimentado para trefilação de cabo de pneu de aço compreendendo WC com um tamanho de grão ultrafino e entre 5 a 10 % em peso Co. Os inibidores de crescimento de grão incluem V e/ou Cr para fornecer uma dureza Vickers HV30 de cerca 1900.

[0010] Entretanto, uma melhoria adicional dos carbonetos cimentados existentes para aplicações de alta demanda (por exemplo, como matrizes de trefilação de metal) é desejada no que diz respeito à resistência ao desgaste, resistência à corrosão, condutividade térmica, dureza e tenacidade de modo a fornecer o desempenho de qualidade desejado estenda tanto quanto possível a vida útil do serviço operacional. Sumário

[0011] A presente divulgação é direcionada a um material de alta dureza e alto desempenho adequado para aplicações fisicamente exigentes, como trefilação de ligas de alta resistência à tração. Também é fornecido um material com alta resistência ao desgaste e à corrosão, alta condutividade térmica, alta dureza e, em particular, uma relação entre dureza e tenacidade à fratura melhorada.

[0012] As vantagens do presente material são fornecidas em parte porque o presente material tem um teor de ligante relativamente baixo e tamanhos de grãos finos. Além disso, como a dureza e a tenacidade são tipicamente mutuamente exclusivas, um aumento na relação entre dureza e tenacidade é fornecido por meio da adição seletiva de aditivos, incluindo Cr e Ta e/ou Nb. As concentrações de tais aditivos são controladas para atingir a dissolução no ligante e, de preferência, evitar a precipitação que, de outro modo, seria prejudicial para as características físicas e mecânicas desejadas do material. Os tamanhos dos grãos são controlados seletivamente para melhorar ainda mais as propriedades desejadas do material.

[0013] É fornecido um carbureto cimentado compreendendo: pelo menos 93 % em peso de WC; Co de 3 a 5 % em peso; Cr de 0,1 a 0,5 % em peso; Ta e/ou Nb presentes sozinhos ou em combinação em 0,05 a 0,35 % em peso; e V de 0,05 a 0,2 % em peso.

[0014] De preferência, o carbureto cimentado compreende um quociente de % em peso de Cr/Co está em uma faixa de 0,04 a 0,1. Tal configuração fornece um material de carboneto com um teor de ligante relativamente baixo e uma concentração de Cr que também é minimizada para reduzir a tendência de precipitação do Cr. Isso, por sua vez, fornece um material adequado para suprimir o crescimento de grãos e minimizar ou eliminar a precipitação de fases adicionais em relação à fase dura e à fase ligante.

[0015] Referência dentro deste relatório descritivo ao “quociente de % em peso” abrange uma razão de um % em peso de Cr para % em peso de Co cada uma como uma respectiva % em peso de fração do peso total do material de carbureto cimentado.

[0016] Dentro deste relatório descritivo, os valores de tamanho de grão são determinados por interceptação linear.

[0017] De modo a alcançar tamanhos de grão ultrafinos e níveis de dureza extremamente altos (acima de 1900 HV30), o presente material compreende aditivos inibidores de crescimento de grão (GGI). VC é um dos GGIs mais eficazes e geralmente é adicionado em metais duros que requerem tamanhos de grãos ultrafinos e/ou finos. Entretanto, os inventores identificaram que VC, mesmo abaixo do limite de solubilidade, fragiliza parcialmente os metais duros através da precipitação de fases baseadas em V nas interfaces de WC que por sua vez reduz a força de adesão (poder de retenção do grão de WC) e, portanto, compromete relações HV para KIc. Consequentemente, a quantidade de VC (em comparação com o teor de ligante)

adicionada às classes atuais foi parcialmente diminuída ou eliminada. Porém, para manter alta dureza e granulometria média ultrafina, foi necessário adicionar outros GGIs que, apesar de serem menos eficazes que o VC na redução do tamanho de grão, ainda apresentam um efeito relevante como refinadores de grãos. Os elementos selecionados incluem Cr (ou seja, em razões Cr/Co mais altas em relação aos graus de referência existentes, como pontas de trefilação de metal duro comerciais), Ta e/ou Nb. Esses elementos têm a vantagem de que: (i) se dissolvem no ligante e aumentam a resistência do ligante e a capacidade de endurecimento por trabalho, (ii) aumentam significativamente a resistência à corrosão, (iii) têm um forte efeito de refino de grãos que não compromete o HV para a relação KIc. Era um objetivo adicionar tais componentes abaixo ou em torno do limite de solubilidade no ligante, a fim de evitar ou minimizar a precipitação de fases de carboneto adicionais (isto é, além das fases de WC e ligante) que poderiam comprometer a resistência e tenacidade do material. Essas fases tendem a ser difíceis, mas frágeis. Entretanto, os inventores identificaram que se tais componentes forem de tamanho pequeno (ou seja, relativamente menores do que o tamanho médio de grão de WC), os carbonetos são amplamente distribuídos dentro da microestrutura e é sugerido que são benéficos para melhorar a resistência ao desgaste sem comprometer a tenacidade.

[0018] O presente carbureto cimentado compreende preferencialmente duas fases incluindo uma fase dura e uma fase ligante. De preferência, o presente material compreende exclusivamente duas fases e é desprovido de quaisquer outras fases, tais como uma fase gama (carboneto cúbico ou fase de carboneto misto). Em particular, é preferido que os componentes do material que são adicionados para alcançar altos níveis de dureza e/ou tenacidade, endurecimento por trabalho, alta resistência à corrosão e condutividade térmica estejam presentes em solução sólida dentro do ligante e não precipitem separadamente e fase posterior distinta. Consequentemente, Nb, Ta, Cr e/ou V são adicionados nas respectivas concentrações para evitar a precipitação de uma terceira fase dentro do carboneto cimentado final e, em particular, para evitar a presença de uma fase de carboneto cúbico misto (gama).

[0019] Conforme detalhado neste documento, carbonetos de Nb, Cr, Ta e V podem ser adicionados como materiais de partida, por exemplo, como respectivos carbonetos singulares ou carbonetos mistos, conforme disponíveis na maioria dos fornecedores. Tais carbonetos e materiais de partida de carboneto misturado são tipicamente considerados como materiais de partida adequados para a fabricação de carboneto de cimento com base no custo e disponibilidade. Como será apreciado, o carbono de tais carbonetos ou carbonetos mistos pode então estar presente na fase dura e, até certo ponto, na fase ligante.

[0020] O presente carbureto cimentado é fornecido especificamente com tamanhos de grãos finos e teor de ligante relativamente baixo para atingir a alta dureza e uma relação de dureza (HV) para tenacidade (KIc) desejada. Conforme indicado, isso pode ser alcançado, em parte, minimizando ou evitando qualquer ou altas concentrações do poderoso refinador de grãos VC, além do presente material compreendendo Ta, Nb ou uma combinação de Ta e Nb como inibidores de crescimento de grãos juntamente com Cr ( que também contribui para a inibição do crescimento do grão de WC). Além disso, verificou-se que a adição de tais aditivos representando componentes “menores” do material em relação à% em peso fornece uma influência positiva no aumento do endurecimento por trabalho do ligante. É importante ressaltar que quaisquer quantidades de Ta, Nb e Cr são controladas para garantir que tais componentes se dissolvam na matriz metálica (Co) e não sejam precipitados. Vantajosamente, durante qualquer processo de trefilação da matriz, a deformação plástica do ligante é evitada de modo que haja menos extrusão do ligante e os grãos do WC sejam melhor suportados.

[0021] O uso de altas velocidades no processo de trefilação de cabos de alta resistência à tração, a fim de atender às demandas de aumento de produtividade, tem um efeito importante no aumento do calor gerado devido à deformação plástica e atrito entre o fio e as ferramentas de trefilação. A maior parte da energia mecânica se converte em calor e resulta em aumentos de temperatura da ordem de centenas de graus. Esse aumento de temperatura afeta muito as condições de lubrificação, a vida útil da ferramenta e as propriedades do produto final. Embora o uso de uma técnica de lubrificação adequada reduza substancialmente a quantidade de calor gerado durante a trefilação e, consequentemente, reduza o consumo de energia, quanto maior a condutividade térmica do material da matriz de trefilação, melhor para induzir a dissipação de calor e melhorar a vida útil da ferramenta.

[0022] De modo a dissipar o calor gerado, é benéfico ter uma ponta de trefilação com alta condutividade térmica. A condutividade térmica aumenta ao diminuir o teor de ligante e/ou aumentar o tamanho do grão. Entretanto, tamanhos de grãos finos ou ultrafinos são necessários se a dureza e a resistência ao desgaste devem ser aumentadas. Por conseguinte, os presentes graus desenvolvidos combinam teores de ligante relativamente baixos (entre 3 % em peso a 5 % em peso), e tamanhos de grãos finos ou ultrafinos (abaixo de 0,8 µm) de modo a combinar com sucesso alta dureza e resistência ao desgaste, alta dureza para relações KIc e uma condutividade térmica moderada ou alta (acima de 50 W/mK, de preferência acima de 60 W/mK, de preferência acima de 70 W/mK).

[0023] Os inventores fornecem um metal duro de carboneto cimentado que é adequado, em uma aplicação, como pontas para trefilar aço de alta resistência que combina alto nível de dureza (acima de 1900 HV30, de preferência acima de 1950HV30, de preferência acima de 2000HV30), um moderado a alto nível de resistência à fratura (acima de 8 MPa x m1/2, preferencialmente acima de 8,3 MPa x m1/2, preferencialmente acima de 8,5 MPa x m1/2) uma relação de dureza para resistência à fratura melhorada, alta resistência à corrosão, alta condutividade térmica, forte Interfaces de WC/WC e WC/ligante e maior resistência da pasta e taxas de endurecimento. Os presentes graus de material combinam as propriedades mencionadas acima por meio de um projeto microestrutural que consiste em um metal duro com um baixo teor de ligante, um tamanho de grão ultrafino e uma quantidade ótima de Cr e Ta e/ou Nb dissolvidos no ligante abaixo ou em torno do limite de solubilidade dentro do ligante.

[0024] Opcionalmente, o carbureto cimentado compreende o Ta de 0,05 a 0,3 % em peso; 0,1 a 0,2 % em peso; 0,16 a 0,26 % em peso; 0,12 a 0,16 % em peso ou 0,2 a 0,22 % em peso. Opcionalmente, o carbureto cimentado pode compreender o Nb de 0,05 a 0,3 % em peso; 0,1 a 0,2 % em peso; 0,01 a 0,07 % em peso; 0,02 a 0,06 % em peso; 0,01 a 0,05 % em peso; 0,02 a 0,06 % em peso ou 0,02 a 0,04 % em peso. Opcionalmente, o carbureto cimentado pode compreender o Ta e o Nb em combinação em 0,05 a 0,35 % em peso; 0,1 a 0,3 % em peso; 0,14 a 0,28 % em peso; 0,16 a 0,2 % em peso ou; 0,2 a 0,28 % em peso. A incorporação de tais componentes é eficaz para melhorar a dureza, resistência ao desgaste, resistência à corrosão, resistência e resistência à abrasão.

[0025] Opcionalmente, o quociente de % em peso de Cr/Co está na faixa de 0,05 a 0,1; 0,05 a 0,09; 0,06 a 0,09; 0,06 a 0,08; 0,06 a 0,07; 0,07 a 0,1; 0,08 a 0,09. A razão Cr para Co, conforme descrito e reivindicado neste documento, fornece um metal duro com um baixo teor de ligante, um tamanho de grão ultrafino e a solubilidade desejada dos componentes de refino de grão dentro do ligante. Em particular, evita-se a precipitação de fases adicionais de carboneto (além das fases de WC e ligante).

[0026] Opcionalmente, V está incluído na faixa de 0,06 a 0,2 % em peso; 0,08 a 0,2 % em peso; 0,1 a 0,2 % em peso; 0,12 a 0,18 % em peso ou 0,13 a 0,17 % em peso A adição de V é vantajosa para aumentar a inibição do crescimento do grão, mas minimizar qualquer fragilização do material.

[0027] Opcionalmente, o carbureto cimentado pode compreender o WC tendo um tamanho de grão na faixa de 0,2 a 0,8 ou 0,2 a 0,6 µm de material sinterizado, conforme determinado por interceptação linear. Os tamanhos médios de grão definidos (em particular das fases de WC) fornecem a dureza, resistência ao desgaste, resistência e resistência à abrasão desejadas. Opcionalmente, o presente carboneto cimentado pode compreender o WC de não menos que 94 % em peso ou 95 % em peso.

[0028] Opcionalmente, o carbureto cimentado compreende duas fases incluindo uma fase dura de WC e uma fase ligante; o carbureto cimentado ainda compreendendo Co de 3 a 5 % em peso; Cr de 0,1 a 0,5 % em peso; Ta e/ou Nb presentes sozinhos ou em combinação em 0,05 a 0,35 % em peso; e V de 0,05 a 0,2 % em peso; De preferência, WC está incluído como equilíbrio.

[0029] Opcionalmente, o carbureto cimentado consiste em pelo menos 93 % em peso de WC; Co de 3 a 5 % em peso; Cr de 0,1 a 0,5 % em peso; Ta e/ou Nb presentes sozinhos ou em combinação em 0,05 a 0,35 % em peso; e V de 0,05 a 0,2 % em peso.

[0030] Opcionalmente, o carbureto cimentado pode compreender uma densidade na faixa de 14,5 a 15,5 g/cm3; uma dureza Vickers de HV30 de 1950 a 2150 ou 2000 a 2100 e/ou uma tenacidade à fratura Palmqvist de 8 a 9,5 MPa√m. Consequentemente, os presentes graus compreendem uma alta relação dureza para tenacidade e taxas de desgaste minimizadas em relação aos graus comparativos de metal duro existentes.

[0031] Opcionalmente, é fornecido um carbureto cimentado compreendendo uma fase dura de WC e uma fase ligante de Co, o carbureto cimentado ainda compreendendo: pelo menos 93 % em peso de WC; Co de 3 a 5 % em peso; Cr de 0,1 a 0,5 % em peso; Ta e/ou Nb presentes sozinhos ou em combinação em 0,05 a 0,35 % em peso; e V de 0,05 a 0,2 % em peso.

[0032] Opcionalmente, o carbureto cimentado compreende WC como equilíbrio de % em peso. De preferência, a fase ligante compreende Co, Cr, Ta e/ou Nb, e V. De preferência, Co, Cr, Ta e/ou Nb e V estão presentes na fase ligante à base de Co em solução sólida.

[0033] De preferência, o presente carbureto cimentado compreende um teor de fase ligante de menos de 5 % em peso, menos de 4 % em peso, menos de 3 % em peso ou na faixa de 2 a 5 % em peso, 2 a 4 % em peso, 2 a 3 % em peso com base no peso total do carboneto cimentado.

[0034] De preferência, o presente material é desprovido de nitretos e/ou nitretos de carbono. Opcionalmente, o carboneto cimentado pode compreender nitretos e/ou carbonitretos presentes em níveis de impurezas. De preferência, o carboneto cimentado é desprovido de Ti e carbonetos, nitretos e/ou carbonitretos de Ti de modo a ser isento de Ti em termos de composição.

[0035] Em um aspecto, o presente carbureto cimentado pode compreender: um equilíbrio de WC; Co de 3 a 5 % em peso; Cr de 0,1 a 0,5 % em peso; e Ta e/ou Nb; em que um quociente de % em peso de Cr/Co está em uma faixa de 0,04 a 0,1. Opcionalmente, tal carbureto cimentado pode compreender uma fase dura de WC e uma fase ligante à base de Co. De preferência, um tal carbureto cimentado não compreende uma terceira fase como uma fase de carboneto cúbico (gama).

[0036] Opcionalmente, o presente material pode compreender impurezas incluindo formas elementares, de carboneto, nitreto ou carbonitreto de Fe, Ti, Re, Ru, Zr, Al e/ou Y. O nível de impureza é um nível como menor que 0,1 % em peso, menor que 0,05 % em peso ou menor que 0,01 % em peso dentro do carbureto cimentado.

[0037] De acordo com um aspecto adicional da presente invenção é fornecido uma matriz de trefilação de metal compreendendo um carbureto cimentado como reivindicado aqui.

[0038] Existe também fornecido um método de fabricar um artigo de carbureto cimentado compreendendo: preparar um lote de materiais em pó incluindo WC de pelo menos 93 % em peso, Co de 3 a 5 % em peso, Cr de 0,1 a 0,5 % em peso, Ta e/ou Nb sozinhos ou em combinação em 0,05 a 0,35 % em peso, e V de 0,05 a 0,2 % em peso; pressionar o lote de materiais em pó para formar uma pré- forma; e sinterizar a pré-forma para formar o artigo.

[0039] Opcionalmente, os materiais de partida em pó podem estar em sua forma elementar, forma de carboneto, forma de carboneto misto ou uma combinação das mesmas.

[0040] Opcionalmente, os materiais de partida em pó são tal que um quociente de % em peso de Cr/Co está em uma faixa de 0,04 a 0,1.

[0041] Opcionalmente, a etapa de sinterizar pode compreender vácuo ou processamento HIP. Opcionalmente, a etapa de sinterizar compreende processamento a uma temperatura na faixa de 1360 a 1500 °C a uma pressão na faixa de 0 a 20 MPa.

[0042] Opcionalmente, o artigo ou componente fabricado a partir do presente carboneto cimentado pode ser uma matriz de trefilação de metal. Opcionalmente, o presente carboneto cimentado pode ser formado como ou um componente de uma matriz de corte, uma ferramenta de deformação de material, um componente estrutural, uma broca de mineração, um molde de prensa, uma broca em miniatura para placas de circuito impresso altamente integradas, uma perfuratriz, um rolamento, um selo mecânico ou uma peça de desgaste.

[0043] Opcionalmente, o lote de material em pó pode compreender WC de não menos que 93,94; Co de 3 a 5 % em peso; Cr3C2 de 0,1 a 0,5 % em peso; e 0,05 a 0,35 % em peso; 0,1 a 0,3 % em peso; 0,14 a 0,28 % em peso ou 0,16 a 0,26 % em peso de qualquer um dentre: i) TaC e NbC; ii) TaC sem NbC ou iii) NbC sem TaC; e VC de 0,05 a 0,25 ou 0,1 a 0,2 % em peso. Breve descrição dos desenhos

[0044] Implementações específicas da presente divulgação serão agora descritas com referência aos vários exemplos e desenhos anexos nos quais:

[0045] A Figura 1 é um gráfico de uma relação dureza para tenacidade para materiais de carboneto cimentado de acordo com aspectos da presente invenção, onde a linha pontilhada corresponde a uma correlação linear;

[0046] A Figura 2 são micrografias de um metal duro grau A em: (a) amplificações de 2000X e (b) amplificações de 5000X;

[0047] A Figura 3 são micrografias de um metal duro grau B em: (a) amplificações de 2000X e (b) amplificações de 5000X;

[0048] A Figura 4 são micrografias de um metal duro grau C em: (a) amplificações de 2000X e (b) amplificações de 5000X;

[0049] A Figura 5 são micrografias de um metal duro grau D em: (a) amplificações de 2000X e (b) amplificações de 5000X;

[0050] A Figura 6 são micrografias de um metal duro grau E em: (a) amplificações de 2000X e (b) amplificações de 5000X;

[0051] A Figura 7 são micrografias de um metal duro grau F em: (a) amplificações de 2000X e (b) amplificações de 5000X;

[0052] A Figura 8 imagens SEM de superfícies desgastadas de vários graus de amostra de acordo com aspectos da presente invenção após o teste de desgaste por deslizamento;

[0053] A Figura 9 é um gráfico da largura da faixa de desgaste de vários graus de amostra após o teste conforme medido por análise SEM;

[0054] A Figura 10 é um gráfico de condutividade térmica de grau de amostra A e um grau de amostra de referência F. Descrição detalhada

[0055] Um material de carboneto de metal duro de alto desempenho foi desenvolvido preferencialmente para trefilação de metal de ligas de alta resistência à tração. O presente material é particularmente adaptado com alta resistência ao desgaste e à corrosão, alta condutividade térmica, alta dureza e, em particular, uma dureza melhorada para correlação de resistência à fratura. Tais características são obtidas por meio do controle seletivo do tamanho do grão, do teor e da composição do ligante. Em particular, o presente carboneto cimentado compreende um tamanho de grão ultrafino, teor de ligante relativamente baixo e uma resistência de ligação ligante-WC melhorada correspondente. Exemplos

[0056] Métodos convencionais de metalurgia de pó, incluindo moagem, prensagem, moldagem e sinterização, foram usados para fabricar vários graus de amostra de um carboneto cimentado de acordo com a presente invenção. Em particular, os graus de carboneto cimentado com% em peso das composições de acordo com as Tabelas 1 e 2 (elementares) foram produzidos usando métodos conhecidos. Os graus A a G foram preparados a partir de pós que formam os constituintes duros e pós que formam a fase ligante. Cada uma das misturas de amostra Graus A a F foram preparadas a partir de pós que formam os constituintes duros e pós que formam o ligante. O seguinte método de preparação corresponde ao Grau A da Tabela 1 abaixo tendo materiais em pó de partida: 93,08 g de WC, 0,30 g de Cr3C2, 3,92 g de Co, 0,03 g de NbC, 0,16 g de TaC, 0,14 g de VC, 0,01 g de W, 2,25 g de PEG, 50 ml de Etanol. Será apreciado por aquelas pessoas versadas na técnica que são as quantidades relativas dos materiais em pó que permitem ao especialista e o ajuste adequado é necessário para fazer o lote em pó e atingir a composição final totalmente sinterizada dos carbonetos cimentados da Tabela 1. Consequentemente, a Tabela 1 lista os materiais de partida, com exceção do cobalto, em sua forma de carboneto. Como será apreciado, os respectivos materiais de partida de carboneto são usados por conveniência e custo de fornecedores padrão. Em particular, TaC e NbC podem ser adicionados como um material de partida de carboneto misto com suas respectivas quantidades em peso indicadas na Tabela 1.

[0057] Cada uma das misturas de amostras foi submetida a 8h de moagem de esferas utilizando etanol como meio líquido e posteriormente seca em forno (65 °C) e peneirada. Os pós foram prensados uniaxialmente a 4 Tm. Os compactos verdes foram então depegados a 450 °C e sinterizados em um SinterHIP a 1450 °C (70 min) em atmosfera de argônio (50 bar). O PEG foi introduzido em todas as composições. Grau Composição, % em peso WC NbC Co Cr3C2 TaC VC A 95,35 0,05 4,00 0,30 0,15 0,15 B (comparativo) 94,24 0,03 5,00 0,50 0,23 - C (comparativo) 96,45 0,03 3,00 0,30 0,23 - D (comparativo) 95,34 0,03 4,00 0,40 0,23 -

E (comparativo) 96,55 - 3,30 - - 0,15 F (comparativo) 92,90 - 6,20 0,30 - 0,60 Tabela 1 - Exemplo de composições de material de partida em pó A a D de acordo com aspectos da presente invenção e graus comparativos E e F. Grau Composição, % em peso Ta Cr V Nb W Cr/Co (Ta+Nb) (Ta+Nb) Ta + /Cr /Co Nb A 0,140 0,259 0,121 0,044 89,5052 0,06499 0,711 0,046 0,184 B 0,216 0,433 - 0,027 88,461 0,086657 0,559 0,048 0,243 (comparativo) C 0,216 0,260 - 0,027 90,526 0,08666 0,932 0,081 0,242 (comparativo) D 0,215 0,346 - 0,027 89,493 0,08665 0,698 0,060 0,242 (comparativo) E - - 0,121 - 90,929 - - - (comparativo) F - 0,259 0,485 - 87,203 00,4193 - - (comparativo) Tabela 2 - detalha as composições elementares e razões dos graus A a F.

Caracterização

[0058] Os vários lotes de pó de material de partida da Tabela 1 foram processados para produzir os materiais finais totalmente sinterizados. A caracterização dos graus A a F sinterizados foi então realizada incluindo análise microestrutural usando microscopia eletrônica de varredura (SEM) Tabela 2 e espectroscopia de raios-X dispersiva de energia (EDS); dureza e tenacidade, atrito de deslizamento e testes de desgaste e condutividade térmica.

Microestrutura

[0059] As amostras sinterizadas foram montadas em resina de baquelite e polidas até 1 tm antes de posterior caracterização. A análise microestrutural foi realizada por meio de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDS). As amostras polidas foram atacadas com ácido Murakami para revelar a microestrutura e, de acordo com o ATM 4499-1: 2010, a técnica de interceptação linear foi usada para medir o tamanho do grão de WC.

[0060] O método de interceptação linear (ISO 4499-2: 2008) é um método de medição do tamanho de grão de WC. As medições do tamanho do grão são obtidas a partir de imagens de MEV da microestrutura. Para um material nominal de duas fases, como um carboneto cimentado (fase dura e fase ligante), a técnica de interceptação linear fornece informações sobre a distribuição do tamanho do grão. Uma linha é desenhada através de uma imagem calibrada da microestrutura do metal duro. Onde esta linha intercepta um grão de WC, o comprimento da linha (4) é medido usando uma regra calibrada, (onde i = 1,2,3, ... n para o primeiro 1º 2º 3º, enésimo grão). Pelo menos 100 grãos foram contados para as medições. O tamanho médio do grão de WC será definido como: 𝑑𝑑𝑊𝑊𝑊𝑊 = � 𝑙𝑙𝑖𝑖 ⁄𝑛𝑛 Dureza e tenacidade

[0061] O teste de indentação Vickers foi realizado usando 30 kgf (HV30) para avaliar a dureza. A tenacidade à fratura Palmqvist foi calculada de acordo com:

𝑃𝑃 𝐾𝐾1𝑐𝑐 = 𝐴𝐴√𝐻𝐻𝐻𝐻� ∑ 𝐿𝐿

[0062] onde A é uma constante de 0,0028, H é a dureza (N/mm2), P é a carga aplicada (N) e/ΣL, é a soma dos comprimentos de fissura (mm) das impressões. Atrito de deslizamento e teste de desgaste

[0063] A metodologia utilizada para avaliar o comportamento ao desgaste foi: • Amostras sinterizadas foram montadas em resina de baquelite e polidas até 1 µm. • As amostras foram posteriormente desmontadas da baquelite e colocadas em um suporte de geometria circular projetado para o testador de desgaste Wazau. • O testador de desgaste Wazau no módulo alternativo linear foi usado de acordo com ASTM G133. Esferas de Al203 de Ɵ mm foram utilizadas para caracterizar o desgaste abrasivo. As condições usadas foram: carga = 150 N, velocidade = 250 rpm, comprimento do curso = 10 mm, frequência de amostra = 100 Hz (para teste de 1 h). As amostras foram imersas em lubrificante durante o teste para simular o processo real. • Durante cada experiência de desgaste, a força de contato normal imposta (FN) e a força de atrito tangencial concomitante (FT) de pares deslizantes pino-sobre-plano foram continuamente registradas. O coeficiente de atrito (µ) é calculado a partir da razão de forças FT/FN.

• Após o teste, o padrão de dano por desgaste foi avaliado por análise SEM e a espessura da faixa de desgaste medida. Condutividade térmica

[0064] O calor específico e a difusividade térmica foram avaliados em cinco temperaturas diferentes (30, 100, 200, 300, 400 e 500 °C) pelo centro tecnológico CIC Energigune. A condutividade térmica foi calculada a partir das medições de densidade e difusividade térmica de acordo com a fórmula: Com: λ - Condutividade térmica ρ - Densidade (determinada por picnometria) Cp – Calor Específico α - Difusividade Térmica T - Temperatura

[0065] Para a determinação do calor específico (Cp), foi utilizado um calorímetro DSC (Calorimetria Exploratória Diferencial), equipamento DSC Discovery 2500. A difusividade térmica foi medida com o aparelho NETZSCH laser flash LFA 457 MicroFlash®. O LFA 457 calcula a difusividade térmica usando a “Equação de Parker” Com: L = espessura da amostra (mm) t0,5 = tempo em 50 % do(s) aumento(s) de temperatura

Resultados

[0066] Com referência às tabelas 1 e 2, os presentes graus de metal duro combinam teor de Co entre 3% em peso e 5 % em peso e adições ideais de VC, Cr3C2, NbC e TaC como inibidores de crescimento de grãos. A Figura 1 mostra as relações de tenacidade HV30 a Palmqvist para os graus desenvolvidos A a D em comparação com os graus de referência E e F. Como pode ser visto, os materiais propostos exibem melhores níveis de dureza para tenacidade do que os graus de referência E e F. provavelmente relacionado à substituição de VC como GGI por maiores quantidades de outros elementos (com mais benefícios) como Cr, Ta e Nb. Os valores de HV30 e tenacidade são mostrados na tabela 3. Composição, HV30 Mc (MPa x m0,5) % em peso A 2074 8,6 Comparativo B 1975 9,3 Comparativo C 2073 8,4 Comparativo D 2008 8,8 Comparativo E 1923 8,6 Comparativo F 2042 8,2 Tabela 3 - Valores de dureza e tenacidade para o presente grau A e comparativos B a F

[0067] As microestruturas das classes de metal duro de referência e desenvolvidas são mostradas em 2000X e 5000X da Figura 2 à Figura 7. A Figura 2 são micrografias de metal duro classe A em: (a) ampliações de 2000X e (b) ampliações de 5000X. A Figura 3 são micrografias de metal duro comparativo grau B em: (a)

ampliações de 2000X e (b) ampliações de 5000X. A Figura 4 são micrografias de metal duro comparativo grau C em: (a) ampliações de 2000X e (b) ampliações de 5000X. A Figura 5 são micrografias de metal duro comparativo grau D em: (a) ampliações de 2000X e (b) ampliações de 5000X. A Figura 6 são micrografias de metal duro comparativo grau E em: (a) ampliações de 2000X e (b) ampliações de 5000X. A Figura 7 são micrografias de metal duro comparativo grau F em: (a) ampliações de 2000X e (b) ampliações de 5000X. Resposta ao desgaste

[0068] O dano por desgaste em termos de abrasão foi avaliado usando esferas A1203. Como pode ser visto na Figura 8, as faixas de desgaste revelaram que todas as amostras sofreram o mesmo mecanismo de desgaste baseado na retirada do grão devido ao efeito abrasivo da contraparte dura. Apesar dessas semelhanças no mecanismo, a amostra de referência E sofreu mais desgaste do que as demais devido à sua menor dureza. Além disso, a amostra E não contém Ta, Nb e Cr, mas apenas VC como refinador de grãos, que fragilizou o material. Estas observações estão em total concordância com as medições de largura da faixa de desgaste mostradas na Figura 9. Condutividade térmica

[0069] A Condutividade térmica de metais duros de WC/Co padrão é cerca de duas vezes mais alta do que a do aço rápido. Tanto a condutividade térmica quanto a expansão térmica podem ser ajustadas alterando a fração de volume da fase ligante e o tamanho de grão da fase de carboneto duro. A alta condutividade térmica é uma propriedade chave em aplicações de trefilação para dissipar o calor ao longo da ferramenta e evitar falha prematura devido à degradação das propriedades em altas temperaturas e danos térmicos. A Figura 10 compara a condutividade térmica da amostra A com a amostra de referência F da temperatura ambiente até 500 °C. Como pode ser visto na Figura 10, por esta propriedade ser muito sensível ao tamanho do grão, F apresenta valores menores de condutividade térmica. A presença de VC (um poderoso refinador de grãos) em uma quantidade maior em comparação com o grau A, torna este material menos condutor térmico devido ao seu tamanho de grão mais fino. Além disso, o teor de Co no grau F é maior do que no grau A, fato que contribui ainda mais para sua menor condutividade térmica.

[0070] A menos que definido de outra forma, todos os termos técnicos e científicos usados neste documento têm o mesmo significado como comumente entendido por alguém versado na técnica ao qual a matéria objeto presentemente descrita pertence.

[0071] A menos que de outro modo indicado, qualquer referência a “% em peso” se refere à fração de massa do componente em relação à massa total do carboneto cimentado.

[0072] Quando uma faixa de valores é fornecida, por exemplo, faixas de concentração, faixa de porcentagem ou faixas de razão, entende-se que cada valor interveniente, até o décimo da unidade do limite inferior, a menos que o contexto dite claramente o contrário, entre o limite superior e inferior dessa faixa e qualquer outro valor declarado ou intermediário nessa faixa declarada está englobado na matéria objeto descrita. Os limites superior e inferior dessas faixas menores podem ser incluídos independentemente nas faixas menores e tais modalidades também são abrangidas dentro da matéria objeto descrita, sujeito a qualquer limite especificamente excluído na faixa declarada. Quando o intervalo declarado inclui um ou ambos os limites, os intervalos excluindo um ou ambos os limites incluídos também estão incluídos na matéria objeto descrita.

[0073] Deve ser entendido que os termos “um” e “uma”, conforme usados acima e em outros lugares neste documento, referem-se a “um ou mais” dos componentes enumerados. Será claro para uma pessoa versada na técnica que o uso do singular inclui o plural, a menos que especificamente indicado de outra forma. Portanto, os termos “um”, “uma” e “pelo menos um” são usados indistintamente neste pedido.

[0074] A menos que de outro modo indicado, todos os números que expressam quantidades de ingredientes, propriedades como tamanho, peso, condições de reação e assim por diante usados no relatório descritivo e reivindicações devem ser entendidos como sendo modificados em todos os casos pelo termo “cerca de”. Consequentemente, a menos que indicado em contrário, os parâmetros numéricos estabelecidos no relatório descritivo a seguir e nas reivindicações anexas são aproximações que podem variar dependendo das propriedades desejadas a serem obtidas pela presente matéria objeto. No mínimo, e não como uma tentativa de limitar a aplicação da doutrina dos equivalentes ao escopo das reivindicações, cada parâmetro numérico deve ser interpretado pelo menos à luz do número de dígitos significativos relatados e aplicando técnicas de arredondamento comuns.

[0075] Ao longo do pedido, as descrições de várias modalidades usam linguagem “compreendendo”; no entanto, será entendido por aquelas pessoas versadas na técnica que, em alguns casos, uma modalidade pode, alternativamente, ser descrita usando a linguagem “consistindo essencialmente em” ou “consistindo em”.

[0076] A presente matéria objeto sendo assim descrita, será evidente que a mesma pode ser modificada ou variada de muitas maneiras. Tais modificações e variações não devem ser consideradas como um desvio do espírito e escopo da presente matéria objeto, e todas essas modificações e variações se destinam a ser incluídas dentro do escopo das seguintes reivindicações.

Claims (21)

REIVINDICAÇÕES

1. Carbureto cimentado compreendendo: pelo menos 93 % em peso de WC; Co de 3 a 5 % em peso; Cr de 0,1 a 0,5 % em peso; Ta e/ou Nb presentes sozinhos ou em combinação em 0,05 a 0,35 % em peso; e V de 0,05 a 0,2 % em peso.

2. Carbureto cimentado, de acordo com a reivindicação 1, em que um quociente de % em peso de Cr/Co está em uma faixa de 0,04 a 0,1.

3. Carbureto cimentado, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, compreendendo o Ta de 0,05 a 0,3 % em peso; 0,1 a 0,2 % em peso ou; 0,16 a 0,26 % em peso.

4. Carbureto cimentado, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, compreendendo o Nb de 0,01 a 0,07 % em peso; 0,02 a 0,06 % em peso ou; 0,01 a 0,05 % em peso.

5. Carbureto cimentado, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, compreendendo o Ta e/ou Nb presentes sozinhos ou em combinação em 0,1 a 0,3 % em peso; 0,14 a 0,28 % em peso; 0,14 a 0,2 % em peso ou; 0,2 a 0,28 % em peso.

6. Carbureto cimentado, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o quociente de % em peso de Cr/Co está na faixa de 0,06 a 0,09.

7. Carbureto cimentado, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores em que o Co está incluído na faixa de 3 a 4,5 % em peso ou; 3,5 a 4,5 % em peso.

8. Carbureto cimentado, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores compreendendo o WC tendo um tamanho de grão na faixa de 0,2 a 0,8 µm.

9. Carbureto cimentado, de acordo com a reivindicação 8, em que a dita faixa é de 0,2 a 0,6 µm.

10. Carbureto cimentado, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, compreendendo o WC de não menos que 94 % em peso ou 95 % em peso.

11. Carbureto cimentado, de acordo com as reivindicações 3, 4, 5, 6, 9, e 10, compreendendo uma densidade na faixa de 14,5 a 15,5 g/cm3.

12. Carbureto cimentado, de acordo com as reivindicações 3, 4, 5, 6, 9 e 10, compreendendo uma dureza Vickers HV30 de 1950 a 2150 ou 2000 a 2100.

13. Carbureto cimentado, de acordo com as reivindicações 3, 4, 5, 6, 9 e 10 e 12 compreendendo uma tenacidade à fratura Palmqvist de 8 a 9,5 MPA √m.

14. Matriz de trefilação de metal compreendendo um carbureto cimentado, de acordo com qualquer reivindicação anterior.

15. Método para fabricar um artigo de carbureto cimentado compreendendo: preparar um lote de materiais em pó incluindo pelo menos 93 % em peso de WC, Co de 3 a 5 % em peso, Cr de 0,1 a 0,5 % em peso, Ta e/ou Nb sozinhos ou em combinação em 0,05 a 0,35 % em peso, e V de 0,05 a 0,2 % em peso; pressionar o lote de materiais em pó para formar uma pré-forma; e sinterizar a pré-forma para formar o artigo.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, em que dentro do lote de materiais em pó um quociente de % em peso de Cr/Co está em uma faixa de 0,04 a 0,1.

17. Método, de acordo com a reivindicação 15 ou 16, em que a etapa de sinterizar compreende vácuo ou processamento HIP.

18. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 15 a 17, em que a etapa de sinterizar compreende o processamento a uma temperatura na faixa de 1360 a 1520 °C a uma pressão na faixa de 0 a 20 MPa.

19. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 15 a 18 em que o artigo é uma matriz de trefilação de metal.

20. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 15 a 19, em que os materiais em pó compreendem: WC de não menos que 93 % em peso; Co de 3 a 5 % em peso; Cr3C2 de 0,1 a 0,5 % em peso; 0,05 a 0,35 % em peso de qualquer um dentre: i) TaC e NbC; ii) TaC sem NbC ou iii) NbC sem TaC; e VC de 0,05 a 0,25 % em peso.

21. Método, de acordo com a reivindicação 20 em que os materiais em pó ainda compreendem VC de 0,1 a 0,2 % em peso.