BRPI0216103B1 - chapa de aço isotrópico e de alta resistência - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CHAPA DE AÇO ISOTRÓPICO E DE ALTA RESISTÊNCIA".

Dividido do PI 0216084-6, depositado em 21.01.2002. A presente invenção refere-se a um aço e a uma chapa em aço isotrópico de elevada resistência, apresentando propriedades mecânicas melhoradas e apto a sofrer um tratamento térmico, sem envelhecimento.

Esse tipo de aço é notadamente utilizado para a fabricação de peças de aspecto para o automóvel, comportando um revestimento orgâni- co.

Essas peças são geralmente enformadas por cunhagem, o que supõe que o aço apresente um bom nível de ductilidade, e seja o mais isó- tropo possível, para se obter uma boa manutenção de peças. Além disso, busca-se uma boa resistência à indentação, o que pode ser obtido graças a um limite de elasticidade elevado.

Antes dessa etapa de enformação, as peças são recobertas com revestimentos orgânicos que se faz cozer durante um tratamento térmico determinado, cuja temperatura máxima é atualmente da ordem de 250°C para uma duração próxima de 30 segundos.

Ora, esse tipo de tratamento térmico pode levar a um fenômeno de envelhecimento do aço que se traduz por um aumento do limite de elasti- cidade, uma redução da ductilidade e sobretudo pelo aparecimento de um patamar de limite de elasticidade. A existência desse patamar não é aceitá- vel, pois este é a origem do aparecimento de vermículos muito visíveis, quando do cunhagem, dando defeitos de aspecto redibitórios.

Assim, a partir da EP 0 870 848, é conhecido um aço ao nióbio extradoce e acalmado ao alumínio que apresenta boas propriedades de re- sistência mecânica, assim como boas propriedades de ductilidade, mas que está sujeito ao fenômeno de envelhecimento que acaba de ser descrito, e é, portanto, inapto ao depósito de um revestimento que necessita de um trata- mento térmico, antes da cunhagem. A presente invenção tem, portanto, por finalidade colocar à dis- posição um material metálico isotrópico que apresenta simultaneamente um limite de elasticidade elevada sem patamar, uma boa ductilidade e podendo sofrer um tratamento térmico consecutivo ao depósito de um revestimento orgânico, sem envelhecimento.

Para isso, um primeiro objeto da invenção é constituído por um aço cuja composição compreende, expressos em % em peso: 0,03 < C < 0,06 0,50 < Mn < 1,10 0,08 < Si <0,20 0,015 < Al <0,070 N < 0,007 Ni < 0,040 Cu < 0,040 P < 0,035 S< 0,015 Mo < 0,008 Ti < 0,005 naturalmente que esta compreende igualmente boro em uma quantidade tal que: o resto da composição sendo constituído de ferro e de impurezas resultantes da elaboração.

Os presentes inventores descobriram com efeito que o equilíbrio particular dos teores em elementos de ligas permitia obter, de forma surpre- endente, uma nuance de aço que apresenta o conjunto das propriedades buscadas. O teor em carbono da composição, de acordo com a invenção, está compreendido entre 0,03 e 0,06% em peso, pois esse elemento baixa sensivelmente a ductilidade. Todavia, é necessário ter um mínimo de 0,03% em peso para evitar qualquer problema de envelhecimento. O teor em manganês da composição, de acordo com a inven- ção, deve estar compreendido entre 0,50 e 1,10% em peso. O manganês melhora o limite de elasticidade do aço, reduzindo muito sua ductilidade. Es- te diminui igualmente a tendência ao envelhecimento. Aquém de 0,50% em peso, observam-se problemas de envelhecimento, enquanto que, além de 1,10% em peso, este prejudica muito a ductilidade. O teor em silício da composição, de acordo com a invenção, de- ve estar compreendido entre 0,08 e 0,20% em peso. Este melhora muito o limite de elasticidade do aço, reduzindo ligeiramente sua ductilidade, mas aumenta sensivelmente sua tendência ao envelhecimento. Se o teor for infe- rior a 0,08% em peso, o aço não apresentará boas características mecâni- cas, enquanto que se este ultrapassar 0,20% em peso, deparar-se-á com problemas de aspecto de superfícies sobre as quais aparecem manchas.

Em um modo de realização preferido da invenção, a relação do teor em manganês em relação ao teor em silício está compreendido entre 4 e 15, a fim de evitar qualquer problema de fragilidade de soldadura por cen- telhamento. Com efeito, caso seja colocado fora desses valores, observar-se a formação de óxidos fragilizantes, quando dessa operação de soldagem.

Em um outro modo de realização preferido da invenção, o teor em manganês está compreendido entre 0,55 e 0,65% em peso e o teor em silício está compreendido entre 0,08 e 0,12% em peso. Esse modo de reali- zação permite obter nuances que apresentam uma ductilidade melhorada, assim como um limite de elasticidade superior a 220 MPa.

Em um outro modo de realização preferido da invenção, o teor em manganês está compreendido entre 0,95 e 1,05% em peso e o teor em silício está compreendido entre 0,16 e 0,20% em peso. Esse modo de reali- zação permite obter nuances com ductilidade importante, apresentando uma resistência à tração melhorada, assim como um limite de elasticidade supe- rior a 260 MPa. O teor em nitrogênio da composição deve ser inferior a 0,007% em peso, de preferência inferior a 0,005% em peso, pois esse elemento é nefasto para as propriedades mecânicas do aço. Sua presença no aço, de acordo com a invenção, resulta da elaboração. O teor em boro da composição, de acordo com a invenção, deve ser tal que: O boro tem por função principal fixar o nitrogênio por precipita- ção precoce de nitretos de boro. Deve, portanto, estar presente em quanti- dade suficiente para evitar que uma quantidade muito grande de nitrogênio permaneça livre, sem, todavia, ultrapassar muito a quantidade estequiomé- trica, pois a quantidade residual livre poderia apresentar problemas metalúr- gicos, assim como uma coloração das bordas de bobina. A título indicativo, menciona-se que a estequiometria restrita é atingida para uma relação B/N de 0,77. O teor em alumínio da composição, de acordo com a invenção, está compreendido entre 0,015 e 0,070% em peso, sem que este apresente uma importância crítica. O alumínio está presente na nuance, de acordo com a invenção, devido ao processo de fundição durante o qual se acrescenta esse elemento para desoxidar o aço. É importante, todavia, não ultrapassar 0,070% em peso, pois seria encontrado então o problema de inclusões de óxidos de alumínio, nefastas para as características mecânicas do aço. O fósforo é limitado no aço, de acordo com a invenção, a um te- or inferior a 0,035% em peso, de preferência inferior a 0,015% em peso. Es- te permite aumentar o limite de elasticidade da nuance, mas aumenta para- lelamente sua tendência ao envelhecimento nos tratamentos térmicos, o que explica sua limitação. Este é igualmente nefasto para a ductilidade. O teor em titânio da composição deve ser inferior a 0,005% em peso, aquele em enxofre deve ser inferior a 0,015% em peso, aquele em níquel deve ser inferior a 0,040% em peso, aquele em cobre deve ser inferior a 0,040% em peso e aquele em molibdênio deve ser inferior a 0,008% em peso. Esses diferentes elementos constituem, na realidade, os elementos residuais provenientes da elaboração da nuance, que se encontra mais fre- qüentemente. Limitam-se seus teores, pois são capazes de formarem inclu- sões que diminuem as características mecânicas da nuance.

Um segundo objeto da invenção consiste em um processo de fabricação de uma chapa de composição, de acordo com a invenção, com- preendendo: a elaboração do aço e a fundição de um lingote; uma laminação a quente desse lingote para obtenção de uma chapa, a temperatura de fim de laminação sendo superior àquela do ponto Ar3; uma bobinagem da chapa a uma temperatura compreendida entre 500 e 700°C; uma laminação da chapa a frio com uma taxa de redução de 50 a 80%; um tratamento térmico de recristalização; um martelamento feito com uma taxa de laminagem ("skin-pass") com- preendida, de preferência, entre 1,2 a 2,5%. A composição, de acordo com a invenção, pode ser elaborada de forma clássica e por qualquer processo adaptado.

Ao final da elaboração, o aço pode ser fundido sob a forma de um semiproduto, como um lingote, que se aquece a uma temperatura da ordem de 1230 a 1260°C aproximadamente para laminá-lo a quente, a tem- peratura de fim de laminação sendo superior a Ar3, que é no caso da ordem de 810°C. Obtém-se assim uma chapa. A temperatura de fim de laminação é, de preferência, inferior àquela do ponto Ar3 aumentada de 20°C. Após essa operação, pode-se proceder à bobinagem da chapa assim produzida a uma temperatura compreendida entre 500 e 700°C.

Em um modo de realização preferido, bobina-se a chapa a uma temperatura compreendida entre 580 e 620°C, a fim de limitar o tamanho de grãos, o que permite aumentar o limite de elasticidade. A chapa é em seguida laminada a frio com uma taxa de redução de 50 a 80%, de preferência de 60 a 78%, e sofre um tratamento térmico de recristalização, compreendendo, de preferência, uma primeira etapa de re- cozimento estático sob hidrogênio a uma temperatura superior à temperatura de recristalização do aço, durante 5 a 15 horas. A título indicativo, essa tem- peratura de recristalização da nuance está geralmente compreendida entre 540 e 570°C. Esse recozimento é feito sob hidrogênio, a fim de evitar qual- quer problema de coloração das bordas da chapa. O tratamento térmico de recristalização compreende, além disso, de preferência, uma segunda etapa de resfriamento estático lento feito em uma duração de mais de 30 horas, de forma particularmente preferida supe- rior ou igual a 40 horas. Esse resfriamento é feito lentamente a fim de se assegurar da perfeita estabilidade dos precipitados de cementita na matriz férrica. É por essa mesma razão que se realiza de maneira estática o que permite obter esse tipo de resfriamento lento.

Continua, todavia, perfeitamente possível realizar um resfria- mento mais rápido e obter resultados buscados na presente invenção.

As chapas podem em seguida ser submetidas a um martelamen- to com um laminagem ("skin-pass") compreendido, de preferência, entre 1,2 e 2,5% e, por exemplo, da ordem de 1,5%, que permite reduzir ao máximo qualquer patamar de limite de elasticidade residual. É preferível não ultra- passar uma taxa de 2,5%, pois se degrada a ductilidade, mas é igualmente preferível não descer aquém de 1,2% para evitar qualquer problema de en- velhecimento.

Pode-se em seguida proceder ao depósito de um revestimento orgânico e ao tratamento térmico necessário à sua boa fixação. Esse trata- mento pode, por exemplo, consistir em um aquecimento rápido até 250°C com manutenção a essa temperatura durante 30 segundos aproximadamen- te, seguido de um resfriamento.

Para poder comparar entre si dois tratamentos térmicos feitos à temperaturas diferentes durante tempos diferentes, utiliza-se uma grandeza denominada PAREQ que é definida por: PAREQ = -0,76 x log (íexp(-AH/RT).dt) com: ΔΗ: energia de propagação do carbono no ferro (aproximada- mente 112 kJ/mol) T: temperatura do ciclo, que se integra sobre a duração do tra- tamento térmico.

Quanto mais o tratamento térmico for quente ou longo, mais bai- xo será o valor do PAREQ. Dois tratamentos térmicos diferentes, que têm um valor de PAREQ idêntico, chegarão ao mesmo resultado sobre uma mesma nuance de aço.

Caso se considere um tratamento térmico portando o aço a 250°C com uma manutenção de 30 segundos a essa temperatura, o valor de PAREQ será de 10,26. No âmbito da presente invenção, interessa-se mais particularmente pelos tratamentos térmicos com um valor de PAREQ com- preendido entre 9,80 e 11,5.

Os revestimentos orgânicos os quais são referidos na presente invenção designam, de preferência, revestimentos que compreendem uma resina reticulável e, eventualmente, esferas de metal como o zinco, por e- xemplo. Esses revestimentos são geralmente depositados em camada fina da ordem de alguns mícrons e servem notadamente para proteger o aço contra a corrosão.

Se o aço, de acordo com a invenção, for mais particularmente destinado a receber esse tipo de revestimento, naturalmente poderá ser utili- zado em qualquer aplicação que necessite resistir a tratamentos térmicos de PAREQ compreendido entre 9,80 e 11,50, independentemente de ocorrer após a aplicação de um revestimento de qualquer natureza ou não.

Um terceiro objeto da invenção é constituído pelas chapas de aço isotrópico de composição, de acordo com a presente invenção, e pelas chapas obtidas pela aplicação do processo, de acordo com a invenção, em suas diferentes variantes.

Preferem-se as chapas de aço isotrópico cujo aço compreende um teor em manganês compreendido entre 0,55 e 0,65% em peso e um teor em silício compreendido entre 0,08 e 0,12% em peso e que apresentam, após ter sofrido um tratamento térmico que tem um valor de PAREQ com- preendido entre 9,8 e 11,5, um limite elástico superior a 220 MPa, um alon- gamento a 36% e de um coeficiente de martelamento superior a 0,20.

Preferem-se igualmente as chapas de aço isotrópico cujo aço compreende um teor em manganês compreendido entre 0,95 e 1,05% em peso e um teor em silício compreendido entre 0,16 e 0,20% em peso e que apresentam, após ter sofrido um tratamento térmico que tem um valor de PAREQ compreendido entre 9,8 e 11,5, um limite elástico superior a 260 MPa, uma resistência à tração superior a 400 MPa, assim como um coefici- ente de martelamento superior a 0,18. A presente invenção será ilustrada a partir dos exemplos que se seguem, a tabela abaixo dando a composição dos diferentes aços testados em% em peso, dentre os quais as fundições 1 a 3 estão de acordo com a presente invenção, enquanto que a fundição 4 é utilizada a título de compa- ração: _______________________ O restante da composição das fundições 1 a 4 é naturalmente constituído de ferro e, eventualmente, impurezas resultantes da elaboração.

Abreviações empregadas A: alongamento à ruptura em% Re: limite de elasticidade em MPa Rm: resistência à tração em MPa n: coeficiente de martelamento Δπ coeficiente de anisotropia plana r: coeficiente de anisotropia Exemplo 1 - Limite de elasticidade e resistência à tração Fabrica-se uma chapa de aço que tem a composição de cada uma das fundições 1 a 3, de acordo com a invenção, assim como da fundi- ção 4 comparativa, fundindo-se um lingote que se aquece a 1230°C aproxi- madamente, depois que lamina-se a quente, com um fim de temperatura de laminação de 860°C em média. Bobina-se a uma temperatura de 585°C a- proximadamente, depois lamina-se a frio com uma taxa de redução de 73%.

Procede-se em seguida a um recozimento sob hidrogênio a 630°C aproxi- madamente durante 7 horas, seguido de um resfriamento lento durante 30 horas. Termina-se o processo por um martelamento com uma taxa de lami- nagem ("skin pass") de 1,5%.

Realiza-se então um primeiro teste em tração no sentido trans- verso de laminação, segundo a norma NF EN 10002-1 sobre amostras me- didas no começo e no fim de bobina.

Submete-se em seguida a chapa a um tratamento térmico que tem um PAREQ de 10,26 e procede-se a um segundo teste em tração, se- gundo a norma NF EN 10002-1. Esse tratamento térmico consiste em um a- quecimento a 250°C a uma velocidade de aquecimento de 35°C por segundo, seguido de uma manutenção durante 30 segundos a essa temperatura.

Determinam-se assim os valores de limite de elasticidade e de resistência mecânica da chapa e são obtidos os seguintes resultados: Vê-se que os níveis de Re e de Rm das fundições 1 a 3, de a- cordo com a invenção, não são degradados pelo tratamento térmico, o que confirma a aptidão do aço, de acordo com a presente invenção, para sofrer esse tratamento.

Constatam-se igualmente os excelentes valores obtidos pela fundição 2, de acordo com a invenção, que atinge um limite de elasticidade superior a 260 MPa e uma resistência à tração de 400 MPa.

Exemplo 2 - Ductilidade Graças aos mesmos testes de tração que aqueles praticados no exemplo 1, determina-se classicamente o alongamento à ruptura A, e o coe- ficiente de martelamento n para as quatro fundições.

As curvas de tração mostram inicialmente que nenhum patamar de limite de elasticidade foi observado para as fundições 1 a 3, de acordo com a invenção, quer seja antes ou após o tratamento térmico. Ao contrário, a fundição 4 comparativa que mostrava um pequeno patamar, antes do tra- tamento térmico apresenta um patamar de mais de 10%, após esse mesmo tratamento, o que a torna totalmente imprópria aos objetivos perseguidos pela presente invenção.

Os outros resultados foram reunidos na seguinte tabela: Com a leitura desses resultados, constatam-se notadamente bons valores de alongamento à ruptura, o que permite garantir a boa fabri- cação por cunhagem das peças. Obtém-se igualmente um bom coeficiente de martelamento n que garante a obtenção de um bom nível de limite de elasticidade para as peças acabadas, por efeito de consolidação por marte- lamento, quando da cunhagem (efeito denominado "Work Hardening").

Constata-se igualmente que a fundição 3, de acordo com a in- venção, apresenta excelentes valores de ductilidade, tanto para o alonga- mento à ruptura quanto para o coeficiente de martelamento.

Os valores obtidos para a fundição 4 comparativa são dados a tí- tulo indicativo, pois esses valores não são significativos em presença de um patamar de mais de 10%.

Exemplo 3 - Isotropia A anisotropia global de um aço é determinada pelo coeficiente de anisotropia normal médio r: na qual r(0), r(90) e r(45) são valores dos coeficientes de anisotropia normal r nas direções longitudinal, transversal e oblíqua a 45°, no sentido de lami- nação. O coeficiente de anisotropia planar Ar pode ser definido por: Determinam-se esses coeficiente sobre chapas antes e depois que estas sejam submetidas a um tratamento térmico análogo àquele do exemplo 1. Os resultados foram reunidos na seguinte tabela: Os valores obtidos para a fundição 4 comparativa são dados a tí- tulo indicativo, pois esses valores não são significativos em presença de um patamar de mais de 10%.

Constata-se que a isotropia das fundições de aço, de acordo com a invenção, é, em média, boa e as torna aptas a sofrer uma cunhagem profundo, a fundição 2 apresentando um valor Ar particularmente notável.

Com efeito, os presentes inventores constataram que os nitretos de boro, formados de forma controlada no aço, se precipitam sobre a chapa a quente e não vêm perturbar a recristalização posterior. A chapa, de acordo com a invenção, apresenta assim uma estrutura micrográfica de grãos cuja elonga- ção está próxima de 1 e dos valores do coeficiente de anisotropia r baixas.

Claims (5)

1. Chapa de aço isotrópico e de alta resistência sem apresentar um patamar de rendimento após ter sofrido um tratamento térmico que tem um valor de PAREQ compreendido entre 9,8 e 11,5, caracterizada pelo fato de que o aço tem uma composição que compreende, expressos em % em peso: 0,03 < C < 0,06 0,50< Mn < 1,10 0,08 < Si <0,20 0,015 <AI< 0,070 N < 0,007 Ni < 0,040 Cu < 0,040 P < 0,035 S< 0,015 Mo < 0,008 Ti < 0,005 sendo que esta composição compreende igualmente boro em uma quanti- dade tal que: o restante da composição sendo constituído de ferro e de impurezas resul- tantes da elaboração, em que os teores de manganês e de silício são tais em que a estrutura da chapa compreende precipitados de cementita estabili- zados em uma matriz férrica.

2. Chapa de aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que, além disso, o teor de manganês está compreendido entre 0,55 e 0,65% em peso e o teor de silício está compreendido entre 0,08 e 0,12% em peso.

3. Chapa de aço de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracte- rizada pelo fato de que, além disso, o teor de manganês está compreendido entre 0,95 e 1,05% em peso e o teor de silício está compreendido entre 0,16 e 0,20% em peso.

4. Chapa de aço de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 1 a 3, caracterizada pelo fato de que, além disso, o teor de nitrogênio é inferior a 0,005% em peso.

5. Chapa de aço de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 1 a 4, caracterizada pelo fato de que, além disso, o teor de fósforo é inferior a 0,015% em peso.