BR122018069395B1 - Processo de fabricação de uma peça de aço de estrutura totalmente martensítica e peça de aço - Google Patents

Processo de fabricação de uma peça de aço de estrutura totalmente martensítica e peça de aço Download PDF

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Abstract

a presente invenção trata de um processo de fabricação de chapas ou de peças em aço com estrutura martensítica, com uma resistência mecânica superior àquela que poderia ser obtida por austenitização, após simples tratamento de resfriamento rápido com têmpera martensítica, e com propriedades de resistência mecânica e de alongamento que permitem sua aplicação na fabricação de peças de absorção de energia nos veículos automotivos.

Description

“PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE UMA PEÇA DE AÇO DE ESTRUTURA
TOTALMENTE MARTENSITICA E PEÇA DE AÇO”
Dividido do BR 11 2013 028931-7, de 20/04/2012 Campo da Invenção [001] A presente invenção trata de um processo de fabricação de chapas ou de peças em aço com estrutura martensítica, com uma resistência mecânica superior àquela que poderia ser obtida por austenitização, após simples tratamento de resfriamento rápido com têmpera martensítica, e com propriedades de resistência mecânica e de alongamento que permitem sua aplicação na fabricação de peças de absorção de energia nos veículos automotivos.
Antecedentes da Invenção [002] Em certas aplicações, procura-se realizar peças de aço que combinem alta resistência mecânica, grande resistência aos impactos e boa resistência à corrosão. Esse tipo de combinação é particularmente desejável na indústria automobilística onde se busca uma diminuição considerável de peso dos veículos. Isso pode ser particularmente obtido graças à utilização de peças de aço com característica mecânica muito elevada cuja microestrutura é martensítica ou bainito-martensítica. Peças anti-intrusão, de estrutura ou que participem da segurança dos veículos automotivos, tais como: barras de parachoques, barras de reforço de portas ou montante, eixo de roda, requerem, por exemplo, as qualidades acima mencionadas. Sua espessura é, preferencialmente, inferior a três milímetros.
[003] A patente EP0971044 divulga assim a fabricação de uma chapa de aço revestida de alumínio ou de uma liga de alumínio, cuja composição compreende em teor ponderal: 0,15-0,5%C, 0,5-3%Mn, 0,10,5%Si, 0,011%Cr, Ti<0,2%, Al<0,1%, P<0,1%, S<0,05%, 0,0005%<B<0,08%, sendo que o restante é constituído por ferro e impurezas inerentes à elaboração. Essa chapa é aquecida de modo a se obter uma transformação
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2/22 austenítica, depois estampada a quente, de modo a realizar uma peça, que, a seguir, é resfriada rapidamente de modo a se obter uma estrutura martensítica ou martensito-bainítica. Dessa forma, pode-se obter, por exemplo, uma resistência mecânica superior a 1500MPa. Procura-se, entretanto, obter peças com uma resistência mecânica ainda superior. Procura-se ainda, em determinado nível de resistência mecânica, diminuir o teor de carbono de aço de modo a melhorar sua aptidão à soldagem.
[004] É também conhecido um processo de fabricação chamado “ausforming” no qual um aço é totalmente austenitizado, depois resfriado rapidamente até uma temperatura intermediária, geralmente em torno de 700400°C, faixa na qual a austenita é metastável. Essa austenita é deformada a quente, depois resfriada rapidamente de modo a se obter uma estrutura totalmente martensítica. A patente GB1.080.304 descreve assim a composição de uma chapa de aço destinada a tal processo, que compreende 0,15-1%C, 0,25-3%Mn, 1-2,5%Si, 0,5-3%Mo, 1-3%Cu, 0,2-1 %V.
[005] Da mesma forma, a patente GB 1.166.042 descreve uma composição de aço adaptada a esse processo de ausforming, que compreende 0,1-0,6%C, 0,25-5%Mn, 0,5-2%Al, 0,5-3%Mo, 0,01-2%Si, 0,01-1%V.
[006] Esses aços comportam adições consideráveis de molibdênio, de manganês, de alumínio, de silício e/ou de cobre. Essas adições têm o objetivo de criar um campo de metaestabilidade maior para a austenita, ou seja, retardar o início da transformação da austenita em ferrita, bainita ou perlita, à temperatura em que é efetuada a deformação a quente. A maioria dos estudos consagrados ao ausforming foi realizada com aços que apresentavam um teor de carbono superior a 0,3%. Assim, essas composições adaptadas ao ausforming apresentam o inconveniente de necessitar de precauções especiais para a soldagem e apresentam igualmente dificuldades específicas no caso em
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3/22 que se deseja realizar um revestimento metálico por imersão. Além disso, essas composições comportam elementos de adição custosos.
[007] Procura-se dispor de um processo de fabricação de chapas ou de peças de aço que não apresentem os inconvenientes citados acima, dotadas de uma resistência à ruptura superior em mais de 50 Mpa à que poderia ser obtida graças a uma austenitização seguida de uma simples têmpera martensítica do aço em questão. Os inventores mostraram que, para teores de carbono que variam de 0,15 a 0,40% em peso, a resistência à ruptura em tração Rm de aços fabricados por austenitização total seguida de uma simples têmpera martensítica, praticamente só dependia do teor de carbono e estava ligada a esse teor com uma precisão muito boa, segundo a expressão (1): Rm (megapascal) = 3220(C) + 908.
[008] Nessa expressão, (C) designa o teor de carbono de aço expresso em porcentagem ponderal. Com o teor de carbono C dado para um aço, busca-se, portanto, um processo de fabricação que permita obter uma resistência à ruptura superior em 50 MPa na expressão (1), ou seja, uma resistência superior a 3220(C)+ 958 MPa para esse aço. Procura-se obter um processo que permita a fabricação de chapa com altíssimo limite de elasticidade, ou seja, superior a 1300 MPa. Procura-se igualmente dispor de um processo que permita a fabricação de chapas ou de peças utilizáveis diretamente, ou seja, sem necessidade imperativa de um tratamento de revenimento pós-têmpera. Procura-se igualmente obter um processo de fabricação que permita a fabricação de uma chapa ou de uma peça possa ser facilmente revestida por imersão em um banho metálico.
[009] Essas chapas ou essas peças devem ser soldáveis pelos processos usuais e não comportar adições custosas de elementos de liga.
Descrição da Invenção
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4/22 [010] A presente invenção tem o objetivo de resolver os problemas evocados acima. Ela visa, em particular, a disponibilizar chapas com um limite de elasticidade superior a 1300 MPa, uma resistência mecânica expressa em megapascals superior a (3220(C)+958) MPa, e de preferência um alongamento total superior a 3%.
[011] Com esse intuito, a presente invenção tem por objeto um processo de fabricação de uma chapa de aço de estrutura totalmente martensítica que apresenta um tamanho médio de ripas inferior a 01 micrômetro, sendo que o fator de alongamento médio das ripas está compreendido entre 2 e 5, devendo ficar claro que o fator de alongamento de uma ripa de dimensão máxima lmáx e mínima lmin é definido por l max l min com limite de elasticidade superior a 1300 MPa, com resistência mecânica superior a (3220(C)+958) megapascals, devendo ficar claro que (C) designa o teor de carbono em porcentagem ponderal de aço, compreendendo as etapas sucessivas e nesta ordem, segundo as quais:
- é fornecido um semiproduto de aço cuja composição compreende, estando os teores expressos em peso, 0,15% < C < 0,40%, 1,5%< Mn < 3%, 0,005% < Si < 2%, 0,005%< Al < 0,1%, 1,8% < Cr< 4%, 0%< Mo <2%, devendo ficar claro que 2,7%<0,5 (Mn)+(Cr)+3(Mo)<5,7%, S < 0,05%, P< 0,1%, e opcionalmente: 0%< Nb<0,050%, 0,01%< Ti<0,1%, 0,0005% < B < 0,005%, 0,0005% < Ca < 0,005%, sendo que o restante da composição é constituído de ferro e de impurezas inevitáveis resultantes da elaboração,
- o semiproduto é aquecido a uma temperatura T1 compreendida entre 1050°C e 1250°C, e a seguir:
- uma laminação de desbastamento do semiproduto aquecido é realizada a uma temperatura T2 compreendida entre 1000 e 880°C, com uma
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5/22 taxa de redução Sa acumulada superior a 30% de modo a se obter uma chapa com uma estrutura austenítica completamente recristalizada com tamanho médio de grão inferior a 40 micrômetros e preferencialmente a 5 micrômetros, sendo que a taxa de redução acumulada Sa é definida por:
e,.
Ln' eia designando a espessura do semiproduto antes da laminação a quente de desbastamento e efa a espessura da chapa após a laminação de desbastamento, e depois
- a chapa é resfriada não completamente até uma temperatura T3 compreendida entre 600°C e 400°C na faixa austenítica metastável, a uma velocidade Vr1 superior a 2°C/s, a seguir
- é realizada uma laminação a quente de acabamento à temperatura T3 da chapa não completamente resfriada, com um taxa de redução acumulada Sb superior a 30% de modo a obter uma chapa, sendo que a taxa de redução acumulada Sb é definida por:
ib
Ln fb eib designando a espessura da chapa antes da laminação a quente de acabamento e efa a espessura da chapa após a laminação de acabamento, e a seguir
- a chapa é resfriada a uma velocidade VR2 superior à velocidade crítica de têmpera martensítica.
[012] A presente invenção tem igualmente por objeto um processo de fabricação de uma peça de aço com estrutura totalmente martensítica que apresenta um tamanho médio de ripas inferior a 1 micrômetro, sendo que o fator de alongamento médio das ripas está compreendido entre 2 e 5, que compreende as etapas sucessivas e nesta ordem segundo as quais:
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6/22
- é fornecido um disco de aço cuja composição compreende, com os teores expressos em peso, 0,15% < C < 0,40%,1,5%< Mn < 3%, 0,005% < Si < 2%, 0,005%< Al < 0,1%, 1,8% < Cr< 4%, 0%< Mo <2%, devendo ficar claro que
2,7%<0,5 (Mn)+(Cr)+3(Mo)<5,7%, S < 0,05%, P< 0,1%, opcionalmente: 0%< Nb<0,050%, 0,01%< Ti<0,1%, 0,0005% < B < 0,005%, 0,0005% < Ca < 0,005%, sendo que o restante da composição é constituído de ferro e de impurezas inevitáveis resultantes da elaboração,
- o disco é aquecido a uma temperatura T1 compreendida entre AC3 e AC3+250°C de tal maneira que o tamanho médio de grão austenítico seja inferior a 40 micrômetros, e preferencialmente a 5 micrômetros, a seguir
- o disco aquecido é transferido para o centro de uma prensa de estampagem a quente ou de um dispositivo de modelagem a quente, depois
- o disco é resfriado até uma temperatura T3 compreendida entre 600°C e 400°C, a uma velocidade VR1 superior a 2°C/s de modo a evitar uma transformação da austenita,
- a ordem das duas últimas etapas pode ser invertida, a seguir, o disco resfriado é estampado ou modelado a quente à temperatura T3, de uma quantidade sc superior a 30% em pelo menos uma zona, para obter uma peça , sc estando definido por = +ε'ε2 +ε2) em que ε1 e ε2 são as deformações principais acumuladas no conjunto das etapas de deformação à temperatura T3, a seguir,
- a peça é resfriada a uma velocidade Vr2 superior à velocidade crítica de têmpera martensítica.
[013] De acordo com um modo preferido, o disco é estampado a quente de modo a se obter uma peça, depois a peça é mantida dentro do
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7/22 equipamento de estampagem de modo a resfria-a a uma velocidade Vr2 superior à velocidade crítica de têmpera martensítica.
[014] De acordo com um modo preferido, o disco é pré-revestido de alumínio ou de uma liga à base de alumínio.
[015] De acordo com outro modo preferido, o disco é prérevestido de zinco ou de um liga à base de zinco.
[016] Preferencialmente, a chapa ou a peça de aço obtida por qualquer um dos processos de fabricação acima, é submetida a um tratamento térmico ulterior de revenimento a uma temperatura T4 compreendida entre 150 e 600°C durante um período compreendido entre 5 e 30 minutos.
[017] A presente invenção tem igualmente por objeto uma chapa de aço não revenida, com limite de elasticidade superior a 1300 MPa, com resistência mecânica superior a (3220(C)+958) megapascals, devendo ficar claro que (C) designa o teor de carbono em porcentagem ponderal de aço, obtido de acordo com qualquer um dos processos de fabricação acima, de estrutura totalmente martensítica, que apresenta um tamanho médio de ripas inferior a 1 micrômetro, sendo que o fator de alongamento médio das ripas está compreendido entre 2 e 5 [018] A presente invenção tem igualmente por objeto uma peça de aço não revenida obtida por qualquer um dos processos de fabricação de peça acima, sendo que a peça comporta pelo menos uma zona de estrutura totalmente martensítica que apresenta um tamanho médio de ripas inferior a 1 micrômetro, sendo que o fator de alongamento médio das ripas está compreendido entre 2 e 5, o limite de elasticidade na referida zona é superior a 1300 MPa e a resistência mecânica é superior a (3220(C)+958) megapascals, ficando claro que (C) designa o teor de carbono em porcentagem ponderal de aço.
[019] A presente invenção tem igualmente por objeto uma chapa ou uma peça de aço obtida pelo processo com tratamento de revenimento acima,
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8/22 tendo o aço uma estrutura totalmente martensítica, que apresenta em pelo menos uma zona um tamanho médio de ripas inferior a 1,2 micrômetro, sendo que o fator de alongamento médio das ripas está compreendido entre 2 e 5.
[020] Os inventores demonstraram que os problemas expostos acima eram resolvidos graças a um processo de ausforming específico empregado em uma gama especial de composições de aços. Contrariamente aos estudos precedentes, que mostravam que o ausforming requeria a adição de elementos custosos de liga, os inventores mostraram de modo surpreendente que esse efeito pode ser obtido graças a composições nitidamente menos carregadas de elementos de liga.
Breve Descrição dos Desenhos [021] Outras características e vantagens da presente invenção aparecerão durante a descrição abaixo, feita a título de exemplo e realizada em referência às seguintes figuras anexas:
A figura 1 apresenta um exemplo de microestrutura de chapa de aço fabricada pelo processo de acordo com a presente invenção.
A figura 2 apresenta um exemplo de microestrutura do mesmo aço fabricado por um processo de referência, por aquecimento no campo austenítico, depois simples têmpera martensítica.
A figura 3 apresenta um exemplo de microestrutura de peça de aço fabricada pelo processo de acordo com a presente invenção.
Descrição de Realizações da Invenção [022] A composição dos aços utilizados no processo de acordo com a presente invenção vai, agora, ser detalhado.
[023] Quando o teor de carbono de aço é inferior a 0,15% em peso, a temperabilidade de aço é insuficiente levando-se em conta o processo empregado e não é mais possível obter uma estrutura totalmente martensítica.
Quando esse teor é superior a 0,40%, as juntas soldadas feitas a partir dessas
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9/22 chapas ou dessas peças apresentam uma tenacidade insuficiente. O teor ideal de carbono para a realização da presente invenção está compreendido entre 0,16 e 0,28%.
[024] O manganês abaixa a temperatura de início de formação da martensita e retarda a decomposição da austenita. A fim de obter efeitos suficientes para permitir a utilização do ausforming, o teor de manganês não deve ser inferior a 1,5%. Além disso, quando o teor de manganês ultrapassa 3%, zonas segregadas estão presentes em quantidade excessiva, o que prejudica o emprego da presente invenção. Uma gama preferencial para o emprego da presente invenção é de 1,8 a 2,5%Mn.
[025] O teor de silício deve ser superior a 0,005% de modo a contribuir para a desoxidação do aço em fase líquida. O silício não deve exceder 2% em peso, devido à formação de óxidos superficiais que reduzem notavelmente a revestibilidade nos processos que comportam uma passagem contínua da chapa de aço em um banho metálico de revestimento.
[026] O cromo e o molibdênio são elementos muito eficazes para retardar a transformação da austenita e para separar os campos de transformação ferrita-perlítica e bainítica, sendo que a transformação ferritaperlítica intervém em temperaturas superiores à da transformação bainítica. Esses campos de transformação se apresentam em forma de dois «narizes» bem distintos em um diagrama de transformação isotérmica TTT (Transformação-Temperatura-Tempo) a partir da austenita, o que permite o emprego do processo de acordo com a presente invenção.
[027] O teor de cromo de aço deve estar compreendido entre
1,8% e 4% em peso para que seu efeito de retardamento sobre a transformação da austenita seja suficiente. O teor de cromo de aço leva em consideração o teor de outros elementos aumentando a temperabilidade tais como o manganês e o molibdênio: em efeito, considerando-se os respectivos
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10/22 efeitos do manganês, do cromo e do molibdênio sobre as transformações a partir da austenita, uma adição combinada desses elementos deve ser realizada, respeitando-se a seguinte condição, com as quantidades respectivamente anotadas (Mn) (Cr) (Mo) sendo expressas em porcentagem ponderal: 2,7%<0,5 (Mn)+(Cr)+3(Mo)<5,7%.
[028] O teor de molibdênio, no entanto, não deve exceder 2% devido o seu custo excessivo.
[029] O teor de alumínio de aço segundo a presente invenção não é inferior a 0,005% de modo a se obter uma desoxidação suficiente de aço em estado líquido. Quando o teor de alumínio é superior a 0,1% em peso, problemas de moldagem podem aparecer. Da mesma forma, podem se formar inclusões de alumina em quantidade ou em tamanho bem importante que representam um papel nefasto na tenacidade.
[030] Os teores de enxofre e de fósforo de aço são respectivamente limitados a 0,05 e 0,1% para evitar uma redução da ductilidade ou da tenacidade das peças ou das chapas fabricadas segundo a presente invenção.
[031] O aço pode conter opcionalmente nióbio e/ou titânio, o que permite apurar um afinamento adicional do grão. Devido ao endurecimento a quente que essas adições conferem, essas adições devem, entretanto, ser limitadas a 0,050% para o nióbio e compreendidas entre 0,01 e 0,1% para o titânio de modo a não aumentar os esforços durante a laminação a quente.
[032] Em caráter excepcional, o aço pode igualmente conter boro: com efeito, a deformação importante da austenita pode acelerar a transformação em ferrita no resfriamento, fenômeno que convém evitar. Uma adição de boro, em quantidade compreendida entre 0,0005 e 0,005% em peso permite prevenir uma transformação ferrítica precoce.
[033] Em caráter opcional, o aço pode igualmente conter cálcio em quantidade compreendida entre 0,0005 e 0,005%: ao se combinar com o
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11/22 oxigênio e o enxofre, o cálcio permite evitar a formação de inclusões de grande porte, prejudiciais para a ductilidade das chapas ou peças assim fabricadas.
[034] O restante da composição de aço é constituído de ferro e de impurezas inevitáveis resultantes da elaboração.
[035] As chapas ou as peças de aço fabricadas segundo a presente invenção são caracterizadas por uma estrutura totalmente martensítica em ripas de grande finura: devido ao ciclo termomecânico e da composição específicos, o tamanho médio das ripas martensíticas é inferior a 1 micrômetro e seu fator de alongamento médio é compreendido entre 2 e 5. Essas características microestruturais são determinadas, por exemplo, ao se observar a microestrutura por meio de microscopia eletrônica com varredura, por meio de um canhão de efeito de campo (técnica «MEB-FEG») com um aumento superior a 1200x, acoplado a um detector EBSD («Electron Backscatter Diffraction»). Define-se que duas ripas contíguas são distintas quando sua desorientação é superior a 5 graus. O tamanho médio das ripas é definido pelo método de ângulo de intercepção conhecido em si mesmo: avaliase o tamanho médio das ripas interceptadas por linhas definidas, de modo aleatório em relação à microestrutura. A medida é realizada em, pelo menos, 1000 ripas martensíticas de modo a se obter um valor médio representativo. A morfologia das ripas individualizadas é determinada pela análise de imagens por meio de softwares conhecidos em si mesmos: determina-se a dimensão máxima lmáx e mínima lmin de cada ripa martensítica e seu fator de alongamento l max l min . [036] A fim de ser estatisticamente representativa, essa observação é feita em, pelo menos, 1000 ripas martensíticas.
[037] O fator de alongamento médio
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12/22 l max l min é a seguir determinado para o conjunto dessas ripas observadas.
[038] O processo de acordo com a presente invenção permite fabricar tanto chapas laminadas, quanto peças estampadas a quente ou moldadas a quente. Esses dois modos vão ser sucessivamente expostos.
[039] O processo de fabricação de chapas laminadas a quente segundo a presente invenção comporte as seguintes etapas:
[040] Obtém-se, primeiramente, um semiproduto de aço cuja composição a foi exposta acima. Esse semiproduto pode se apresentar, por exemplo, em forma de placa proveniente de vazamento (moldagem?) contínuo, de placa fina ou de lingote. Como exemplo indicativo, uma placa de vazamento contínuo tem uma espessura da ordem de 200mm, uma placa fina tem uma espessura da ordem de 50-80mm. Aquece-se esse semiproduto a uma temperatura T1 compreendida entre 1050°C e 1250°C. A temperatura T1 é superior à Ac3, temperatura de transformação total em austenita no aquecimento. Esse aquecimento permite, portanto, obter-se uma austenitização completa de aço assim que a dissolução de eventuais carbonitretos de nióbio existentes no semiproduto. Essa etapa de aquecimento permite igualmente realizar as diferentes operações ulteriores de laminação a quente que vão ser apresentadas: efetua-se uma laminação, chamada de desbastamento, do semiproduto a uma temperatura T2 compreendida entre 1000 e 880°C.
[041] A taxa de redução acumulada das diferentes etapas de laminação no desbastamento é identificada por Sa. Se eia designa a espessura do semiproduto antes da laminação a quente de desbastamento e efa a espessura da chapa após essa laminação, define-se a taxa de redução acumulada por
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13/22 ia £a = Ln' [042] De acordo com a presente invenção, a taxa de redução acumulada Sa durante a laminação de desbastamento deve ser superior a 30%. Nessas condições, a austenita obtida é totalmente recristalizada com um tamanho médio de grão inferior a 40 micrômetros, até mesmo a 5 micrômetros quando a deformação Sa é superior a 200% e quando a temperatura T2 está compreendida entre 950 e 880°C. A seguir, resfria-se não completamente a chapa, ou seja, até uma temperatura intermediária T3, de modo a evitar uma transformação da austenita, a uma velocidade VR1 superior a 2°C/s até uma temperatura T3 compreendida entre 600°C e 400°C, faixa de temperatura na qual a austenita é metastável, ou seja, em uma faixa em que ela não deveria estar presente em condições de equilíbrio termodinâmico. É efetuada, então, uma laminação a quente de acabamento à temperatura T3, sendo a taxa de redução acumulada Sb superior a 30%. Nessas condições, obtém-se uma estrutura austenítica plasticamente deformada, na qual a recristalização não intervém. A seguir, resfria-se à chapa a uma velocidade VR2 superior à velocidade de têmpera crítica martensítica.
[043] Embora o processo acima descreva a fabricação de produtos planos (chapas) a partir, notadamente, de placas, a presente invenção não é limitada a essa geometria e a esse tipo de produtos, e pode ser utilizada para a fabricação de produtos longos, de barras, de perfilados, por etapas sucessivas de deformação a quente.
[044] O processo de fabricação de peças estampadas ou moldadas a quente é o seguinte:
É fornecido, primeiramente, um disco em aço cuja composição contém em peso : 0,15% < C < 0,40%, 1,5%< Mn < 3%, 0,005% <
Si < 2%, 0,005%< Al < 0,1%, 1,8% < Cr< 4%, 0%< Mo <2%, devendo ficar claro
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14/22 que 2,7%<0,5 (Mn)+(Cr)+3(Mo)<5,7%, S < 0,05%, P< 0,1%, e opcionalmente : 0%< Nb<0,050%, 0,01%< Ti<0,1%, 0,0005% < B < 0,005%, 0,0005% < Ca < 0,005%.
[045] Esse disco plano é obtido por corte de uma chapa ou de uma bobina segundo uma forma em relação com a geometria final da peça visada. Esse disco pode ser não revestido ou opcionalmente pré-revestido. O pré-revestimento pode ser de alumínio ou de uma liga a base de alumínio. Neste último caso, a chapa pode ser vantajosamente obtida por passagem por imersão contínua em um banho de liga alumínio-silício compreendendo em peso 5-11% de silício, 2 a 4% de ferro, opcionalmente entre 15 e 30 ppm de cálcio, sendo o restante alumínio e impurezas inevitáveis resultantes da elaboração.
[046] O disco pode ser igualmente pré-revestido de zinco ou de um liga a base de zinco. O pré-revestimento pode ser notadamente do tipo galvanizado por imersão contínua (“GI”) ou liga galvânica (“GA”).
[047] O disco é aquecido a uma temperatura T1 compreendida entre Ac3 e Ac3+250°C. No caso em que o disco é pré-revestido, efetua-se preferencialmente o aquecimento em um forno sob atmosfera comum; assistese durante essa etapa a uma ligação entre aço e o pré-revestimento. O revestimento formado por ligação protege o aço subjacente da oxidação e da descarburização e se revela apto a uma deformação ulterior a quente. O disco é mantido à temperatura T1 para garantir a homogeneidade da temperatura no seu interior. De acordo com a espessura do disco, compreendida, por exemplo, entre 0,5 a 3 mm, a duração da manutenção à temperatura T1 varia de 30 segundos a 5 minutos.
[048] Nessas condições, a estrutura de aço do disco é completamente austenítica. A limitação da temperatura a Ac3+250°C tem como efeito restringir o espessamento do grão austenítico a um tamanho médio
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15/22 inferior a 40 micrômetros. Quando a temperatura está compreendida entre Ac3 e Ac3+50°C, o tamanho médio de grão é preferencialmente inferior a 5 micrômetros.
- o disco assim aquecido é transferido para dentro de uma prensa de estampagem a quente ou para dentro de um dispositivo de moldagem a quente: este último pode ser, por exemplo, um dispositivo de “roll-forming” no qual o disco é deformado progressivamente por perfilagem a quente em uma série de rolos até atingir a geometria final da peça desejada. A transferência do disco até a prensa ou até o dispositivo de moldagem deve ser realizada com rapidez suficiente para não provocar transformação da austenita.
- o disco é resfriado, a seguir, a uma velocidade Vr1 superior a 2°C/s de modo a evitar a transformação da austenita, até uma temperatura T3 compreendida entre 600°C e 400°C, faixa de temperatura na qual a austenita é metastável.
[049] De acordo com uma variante, é também possível inverter a ordem dessas duas últimas etapas, ou seja, primeiro resfriar o disco com uma velocidade Vr1 superior a 2°C/s, depois transferir esse disco para dentro da prensa de estampagem ou do dispositivo de moldagem a quente, de tal maneira que este possa ser estampado ou moldado a quente do modo que se segue.
[050] O disco é estampado ou moldado a quente a uma temperatura T3 compreendida entre 400 e 600°C, essa deformação a quente pode ser efetuada em uma única etapa ou em várias etapas sucessivas, como no caso do roll-forming acima mencionado. A partir de um disco inicial plano, a estampagem permite obter uma peça cuja forma não é desenvolvível. Qualquer que seja o modo de moldagem a quente, a deformação acumulada sc deve ser superior a 30% de modo a se obter uma austenita deformada não
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16/22 recristalizada. Como os modos de deformação podem variar de um luar a outro devido à geometria da peça e do modo local de solicitação (expansão, retração, tração ou compressão uniaxial), chama-se sc a deformação equivalente definida em cada ponto point da peça por
V(S1 + S1S2 + S2 ) onde 81 e 82 são as deformações principais acumuladas no conjunto das etapas de deformação à temperatura T3. Em uma primeira variante, o modo de enformação a quente é escolhido de tal maneira que a condição sc >30% é satisfeita em qualquer lugar da peça formada.
[051] Opcionalmente, é igualmente possível utilizar um processo de enformação a quente em que essa condição só se encontra preenchida em certos lugares específicos, correspondendo às zonas mais solicitadas das peças em que se deseja obter características mecânicas particularmente elevadas. Obtém-se, nessas condições, uma peça cujas propriedades mecânicas são variáveis, podendo resultar em certos locais uma têmpera martensítica simples (caso de zonas eventuais não deformadas localmente durante a moldagem a quente) e resultar em outras zonas do processo de acordo com a presente invenção que conduz a uma estrutura martensítica com um tamanho de ripas extremamente reduzido e propriedades mecânicas aumentadas.
[052] Após deformação a quente, a peça é resfriada a uma velocidade VR2 superior à velocidade crítica de têmpera martensítica de modo a obter uma estrutura totalmente martensítica. No caso da estampagem a quente, esse resfriamento pode ser realizado por meio de manutenção da peça no equipamento em estreito contato com o mesmo. Esse resfriamento por condução térmica pode ser acelerado por resfriamento do equipamento de
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17/22 estampagem, por exemplo, graças a canais fabricados no equipamento, permitindo a circulação de um fluido refrigerante.
[053] Além da composição de aço utilizada, o processo de estampagem a quente da presente invenção difere, portanto, do processo usual que consiste em iniciar a estampagem a quente desde que o disco tenha sido posicionado na prensa. De acordo com esse processo usual, o limite de escoamento de aço é o menor a alta temperatura e os esforços requeridos pela prensa são os mais baixos. Por comparação, o processo de acordo com a presente invenção consiste em observar um tempo de espera de modo a que o disco atinja uma faixa de temperatura adaptada ao ausforming, depois em estampar a quente o disco à temperatura nitidamente mais baixa que no processo usual. Para uma dada espessura de disco, o esforço de estampagem requerido pela prensa é ligeiramente mais elevado, mas a estrutura final obtida mais fina que no processo usual conduz a propriedades mecânicas mais importantes de limite de elasticidade, de resistência e de ductilidade. Para satisfazer um caderno de especificações técnicas correspondente a um dado nível de solicitação, é, pois, possível diminuir a espessura dos discos e assim até diminuir o esforço de estampagem das peças segundo a presente invenção.
[054] Além disso, segundo o processo de estampagem a quente usual, a deformação a quente imediatamente após a estampagem deve ser limitada, tendo essa deformação a alta temperatura tendência a favorecer a formação de ferrita nas zonas mais deformadas, o que se procura evitar.. O processo de acordo com a presente invenção não comporta essa limitação.
[055] Qualquer que seja a variante do processo de acordo com a presente invenção, as chapas ou as peças de aço podem ser utilizadas tais quais ou submetidas a um tratamento térmico de revenimento, efetuado a uma temperatura T4 compreendida entre 150 e 600°C durante um período compreendido entre 5 e 30 minutos. Esse tratamento de revenimento tem como
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18/22 efeito aumentar a ductilidade ao preço de uma diminuição do limite de elasticidade e da resistência. Os inventores mostraram, todavia, que o processo de acordo com a presente invenção, que confere uma resistência mecânica em tração Rm de pelo menos 50 MPa mais elevada que aquela obtida após têmpera convencional, conservava essa vantagem, mesmo após tratamento de revenimento com temperaturas variando de 150 a 600°C. As características de finura da microestrutura são conservadas por esse tratamento de revenimento, sendo que o tamanho médio de ripas é inferior a 1,2 micrômetro, e o fator de alongamento médio das ripas está compreendido entre 2 e 5.
[056] Como exemplo não limitativo, os seguintes resultados mostrarão as características vantajosas conferidas pela presente invenção.
[057] EXEMPLO 1 [058] Foram fornecidos semiprodutos de aço cujas composições, expressas em teores ponderais (%), são os seguintes:
Aço C Mn Si Cr Mo Al S P Nb Ti B 0,5Mn+C r+3Mo
A 0,195 1,945 0,01 1,909 0,05 0,03 0,003 0,02 0,01 0,012 0,0014 3,03
B 0,24 1,99 0,01 1,86 0,008 0,027 0,003 0,02 0,008 - - 2,88
[059] Semiprodutos de 31 mm de espessura foram aquecidos e mantidos 30 minutos a uma temperatura T1 de 1050°C depois submetidos a uma laminação de desbastamento em 5 partes a uma temperatura T2 de 910°C até uma espessura de 6 mm, ou seja uma taxa de redução acumulada Sa de 164%. Nessa fase, a estrutura é totalmente austenítica e completamente recristalizada com um tamanho médio de grão de 30 micrômetros. As chapas assim obtidas foram, a seguir, resfriadas à velocidade de 25°C/s até a temperatura T3 de 550°C em que elas foram laminadas em 5 partes com um taxa de redução cumulada Sb de 60%, depois resfriadas a seguir até a temperatura ambiente com uma velocidade de 80°C/s de modo a se obter uma microestrutura completamente martensítica. Por comparação, chapas de aços
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19/22 de composição acima foram aquecidas e mantidas 30 minutos a 1250°C, depois resfriadas por têmpera em água de modo a se obter uma microestrutura completamente martensítica (tratamento de referência).
[060] Por meio de testes de tração, determinou-se o limite de elasticidade Re, a resistência à ruptura Rm, e o alongamento total A das chapas obtidas por esses diversos modos de fabricação. Fez-se igualmente constar o valor estimado da resistência após têmpera martensítica simples (3220%(C)+908) (MPa) assim como a diferença ARm entre esse valor estimado e a resistência efetivamente medida.
[061] Observou-se igualmente a microestrutura das chapas obtidas por Microscopia Eletrônica de Varredura por meio de um canhão de efeito de campo (técnica “MEB-FEG”) e detector EBSD e quantificado o tamanho médio das ripas da estrutura martensítica assim como seu fator de alongamento médio. l max l min [062] Os resultados dessas diferentes caracterizações são apresentados abaixo. Os testes A1 e A2 que designam os testes realizados na composição de aço A em duas condições diferentes, o teste B1 foi realizado a partir da composição de aço B.
Teste Temperatura T3 (°C) Re (MPa) Rm (MPa) A (%) 3220 %C+90 8 (MPa) ARm (MPa) Tamanho médio das ripas (pm) l max l min
Invenção A1 550 1588 1889 5,9 1536 353 0,9 3
B1 550 1572 1986 6,5 1681 306 0,8 4
Referência A2 Sem 1223 1576 6,9 1536 40 2 7
Condições de testes e resultados mecânicos obtidos Valores sublinhados: não conformes à presente invenção [063] A figura 1 apresenta a microestrutura obtida no caso do teste A1. Por comparação, a figura 2 apresenta a microestrutura do mesmo aço simplesmente aquecido a 1250°C, mantido 30 minutos a essa temperatura e
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20/22 imerso a seguir na água (teste A2) O processo de acordo com a presente invenção permite obter uma martensita com um tamanho médio nitidamente mais fino das ripas e menos alongadas que na estrutura de referência.
[064] No caso do teste A2 (têmpera martensítica simples), observa-se que o valor estimado da resistência (1536MPa) a partir da expressão (1) é vizinho do determinado experimentalmente (1576MPa).
[065] Nos testes A1 e B1 segundo a presente invenção, os valores de ÁRm são de 353 e de 306 MPa respectivamente. O processo de acordo com a presente invenção permite, portanto, obter valores de resistência mecânica nitidamente superiores aos que seriam obtidos por uma têmpera martensítica simples. Esse aumento de resistência (353 ou 306 MPa) é equivalente ao que seria obtido, segundo a relação (1), por uma têmpera martensítica simples aplicada aos aços aos quais uma adição suplementar de 0,11% ou de 0,09% aproximadamente teria sido realizada. Tal aumento do teor de carbono teria, no entanto, consequências prejudiciais relativas à soldabilidade e a tenacidade, ao passo que o processo de acordo com a presente invenção permite atingir valores muito altos de resistência mecânica sem esses inconvenientes.
[066] As chapas fabricadas segundo a presente invenção, devido ao seu teor de carbono mais baixo, apresentam uma boa aptidão à soldagem pelos processos usuais, em particular, à soldagem por resistência por pontos.
[067] Tratamentos térmicos de revenimento foram a seguir realizados em diferentes condições de temperatura e de duração sobre o aço na condição B1 acima: para uma temperatura atingindo até 600°C e uma duração de até 30 minutos, o tamanho médio de ripas martensíticas permanece inferior a 1,2 micrômetro.
Exemplo 2
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21/22 [068] Foram obtidos discos de aço de 3 mm de espessura com a seguinte composição, expressa em teores ponderais (%):
Aço C Mn Si Cr Mo Al S P Nb 0,5Mn+Cr+3Mo
B 0,24 1,99 0,01 1,86 0,008 0,027 0,003 0,02 0,008 2,88
[069] Os discos foram submetidos a um aquecimento a 1000°C (ou seja Ac3+210°C aproximadamente) durante 5 minutos. A seguir, eles foram:
- ora resfriados a 50°C/s até a temperatura T3 de 525°C depois estampados a essa temperatura com uma deformação equivalente sc superior a 50%, e finalmente resfriados a uma velocidade superior à velocidade crítica de têmpera martensítica (teste B2).
- ora resfriados a 50°C/s até a temperatura de 525°C, depois resfriados a uma velocidade superior à velocidade crítica de têmpera martensítica (teste B3).
[070] A tabela abaixo apresenta as propriedades mecânicas obtidas:
Teste Temperatura T3 (°C) Re (MPa) Rm (MPa) 3220 %C+90 8 (MPa) ÍARmi (MPa) Tamanho médio de ripas (pm) l max l min
Invenção B2 525 1531 1912 1681 299 0,9 3
Referência B3 - 1320 1652 1681 29 18 5
Condições de testes e resultados mecânicos obtidos.
Valores sublinhados: não conformes à presente invenção.
[071] A figura 3 apresenta a microestrutura obtida na condição
B3 segundo a presente invenção, caracterizada por um tamanho médio de ripas muito fino (0,9 micrômetro) e um baixo fator de alongamento.
[072] Assim, a presente invenção permite a fabricação de chapas, ou de peças nuas ou revestidas, com características mecânicas muito altas, em condições econômicas muito satisfatórias.
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22/22 [073] Esses chapas ou essas peças serão utilizadas proveitosamente para a fabricação de peças de segurança, e notadamente de peças anti-intrusão ou de base, de barras de reforço, de montantes, para a construção de veículos automotivos.

Claims (7)

  1. Reivindicações
    1. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE UMA PEÇA DE AÇO DE ESTRUTURA TOTALMENTE MARTENSITICA, que apresenta um tamanho médio de ripas inferior a 1 micrômetro, estando o fator de alongamento médio das referidas ripas compreendido entre 2 e 5, estando entendido que o fator de alongamento de uma ripa de dimensão máxima lmáx e mínima lmin é definido por l max
    -J l min caracterizado pelo fato de compreender as etapas sucessivas e nesta ordem segundo as quais:
    - é fornecido um disco de aço cuja composição compreende, estando os teores expressos em peso,
    0,15% < C < 0,40%
    1,5%< Mn < 3%
    0,005% < Si < 2%
    0,005%< Al < 0,1%,
    1,8% < Cr< 4%
    0%< Mo <2% sendo que:
  2. 2,7%<0,5 (Mn)+(Cr)+3(Mo)<5,7%
    S < 0,05%
    P< 0,1% opcionalmente:
    0%< Nb<0,050%
    0,01%< Ti<0,1%
    0,0005% < B < 0,005%,
    0,0005% < Ca < 0,005%, sendo o restante da composição constituído de ferro e de impurezas inevitáveis resultantes da elaboração,
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    - referido disco é aquecido a uma temperatura Ti compreendida entre Ac3 e Ac3+250°C de tal forma que o tamanho médio de grão austenítico seja inferior a 40 micrômetros, e preferencialmente a 5 micrômetros, depois
    - o referido disco aquecido é transferido para o interior de uma prensa de estampagem a quente ou de um dispositivo de moldagem a quente, depois
    - o referido disco é resfriado até uma temperatura T3 compreendida entre 600°C e 400°C, a uma velocidade Vri superior a 2°C/s de modo a evitar uma transformação da austenita,
    - a ordem das duas últimas etapas pode ser intervertida, depois,
    - o referido disco resfriado é estampado ou modelado a quente à referida temperatura T3, de uma quantidade sc superior a 30% a pelo menos uma zona, para se obter uma peça, estando entendido que a referida quantidade sc é definida por +ε'ε2 +ε2) em que ει e ε2 são as deformações principais acumuladas no conjunto das etapas de deformação à temperatura T3, depois,
    - a referida peça é resfriada a uma velocidade Vr2 superior à velocidade crítica de têmpera martensítica.
    2. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o referido disco ser estampado a quente de modo a se obter uma peça, depois a referida peça é mantida dentro do equipamento de estampagem de modo a resfriar a referida peça a uma velocidade Vr2 superior à velocidade crítica de têmpera martensítica.
  3. 3. PROCESSO, de acordo com a qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo fato de o referido disco ser prérevestido de alumínio ou de um liga a base de alumínio.
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    4. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de o referido disco ser pré- revestido de zinco ou de um liga a base de zinco. 5. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das
    reivindicações 1 a
  4. 4, caracterizado pelo fato de a referida peça ser submetida a um tratamento térmico ulterior de revenimento a uma temperatura T4 compreendida entre 150 e 600°C durante um tempo compreendido entre
  5. 5 e 30 minutos.
  6. 6. PEÇA DE AÇO, caracterizada pelo fato de ser obtida por um processo conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, que comporta pelo menos uma zona de estrutura totalmente martensítica que apresenta um tamanho médio de ripas inferior a 1 micrômetro, sendo que o fator de alongamento médio das referidas ripas está compreendido entre 2 e 5, e o limite de elasticidade na referida uma zona pelo menos é superior a 1300 MPa e a resistência mecânica é superior a (3220(C)+958) MPa, sendo que (C) designa o teor de carbono em porcentagem ponderal do referido aço.
  7. 7. PEÇA DE AÇO, caracterizada pelo fato de ser obtida por um processo conforme definido na reivindicação 1, de estrutura totalmente martensítica, que apresenta em pelo menos uma zona um tamanho médio de ripas inferior a 1,2 micrômetro, e o fator de alongamento médio das referidas ripas está compreendido entre 2 e 5.
BR122018069395-9A 2011-05-12 2012-04-20 Processo de fabricação de uma peça de aço de estrutura totalmente martensítica e peça de aço BR122018069395B1 (pt)

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