BRPI0614983A2

BRPI0614983A2 - aço manufaturado metalurgicamente por pó, uma ferramenta compreendendo o aço, e um método para manufatura da ferramenta

Info

Publication number: BRPI0614983A2
Application number: BRPI0614983-9A
Authority: BR
Inventors: Sundin; Stefan
Original assignee: Erasteel Kloster Aktiebolag
Priority date: 2005-08-18
Filing date: 2006-08-18
Publication date: 2011-04-26
Also published as: EP1917376A1; EP1917376B1; WO2007021243B1; KR20080038130A; WO2007021243A9; EP1917376A4; KR101333740B1; RU2008104934A; SE0501827L; CN101243199B; JP2009504922A; CN101243199A; WO2007021243A1; JP5225843B2; SE529041C2; RU2415961C2

Abstract

AçO MANUFATURADO METALURGICAMENTE POR Pó, UMA FERRAMENTA COMPREENDENDO O AçO, E UM MéTODO PARA MANUFATURA DA FERRAMENTA. Um aço que foi manufaturado metalurgicamente por pá, e que é caracterizado por ter uma composição química contendo, em % por peso, 1,1-2,3 de C+N, 0,1-2,0 de Si, 0,1-3,0 de Mn, Máx 20 de Cr, 5-20 de (Mo+W/2), 0-20 de Co, onde os teores totais de niábio e vanádio (Nb+V) são equilibrados em relação à razão entre os teores de nióbio e vanádio (Nb/V), tal que os teores destes elementos, e a razão entre eles assentam dentro de uma área que é definida pelas coordenadas A, B, C no sistema de coordenadas da Figura 1, onde A: [4,0; 0,55], B: [4,4; 4,0], C: [7,0; 0,55], e, não mais do que 1% no total de Cu, Ni, Sn, Pb, Ti, Zr e A1, o restante ferro e purezas não-evitáveis a partir do manufaturamento do aço. A invenção também se refere a ferramentas para operação a quente, ou remoção de apara, ou operação a frio, ou elemento de máquina avançado, manufaturadas a partir do aço, bem como a um método para o manufaturamento de tais ferramentas.

Description

"AÇO MANUFATURADO METALURGICAMENTE POR PÓ, UMA FERRAMENTACOMPREENDENDO O AÇO, E UM MÉTODO PARA MANUFATURA DAFERRAMENTA"

CAMPO TÉCNICO

A invenção se refere a um novo aço, preferivelmente umaço de alta velocidade manufaturado metalurgicamente porpó, tendo moabilidade aperfeiçoada, e sendo adequado paraferramentas para remoção de apara, preferivelmenteferramentas revestidas, tais como ferramentas de corte deengrenagem, torneiras e cortadores de extremidade comseparadores de fatia fina para qual uma grande resistênciaé requerida, em combinação com uma boa dureza,especialmente dureza a quente. Ainda outro campo deaplicação é ferramentas para uso do qual requer uma grandedureza, em combinação com uma dureza e uma resistênciaadequadas para a aplicação. Entre as aplicações podem sermencionadas ferramentas para operação a quente, tais comomoldes para extrusão de perfis de alumínio e rolos paralaminação a quente, elementos de máquina avançados e rolosde prensa, isto é, ferramentas para a estampagem de modelosou perfis em metais, etc. Ainda outro campo de aplicaçãopode ser ferramentas de operação a frio para qual uma boamoabilidade e uma boa dureza são propriedades importantes.

Para aços a serem usados, por exemplo, em ferramentaspara a extrusão de perfis de alumínio, uma das propriedadesmais importantes é que o aço tenha uma alta resistência àtêmpera, o que significa que ele deve ser capaz de serexposto a altas temperaturas por um longo tempo sem perdera dureza que o aço ganhou a partir do endurecimento etêmpera. Por outro lado, esta dureza não necessita serextremamente alta, adequadamente na grandeza de 50-55 HRC.

Se o aço é para ser usado, ao invés, em elementos demáquina avançados, as propriedades principais são umadureza e resistência mais altas, em combinação com uma altaresistência, e existem também requerimentos estritos empropriedades homogêneas. Neste caso, a dureza após têmperapode tipicamente estar na faixa de 55-60 HRC.

Ainda demandas mais altas na dureza, 60-70 HRC, aindaem combinação com uma grande resistência, contudo, sãopostas no aço para ferramentas para a estampagem de modelosou perfis em metais, etc, bem como em aços para remoção deapara, torneiras e cortadores de extremidade comseparadores de fatia fina. As torneiras devem ter umadureza na faixa de 60-67 HRC, enquanto os cortadores deextremidade devem ter uma dureza na faixa de 62-70 HRC.Demandas similares são postas no aço se ele é para serusado em ferramentas para operação a frio.

A invenção também se refere a ferramentas paraoperação a quente, ou para remoção de apara, ou paraoperação a frio, ou um elemento de máquina avançado,manufaturadas a partir do aço, bem como a um método para a25 manufatura de tal ferramenta.

TÉCNICA ANTERIORUm tipo de aço que é usado para operação de corte é oaço de alta velocidade que é comercializado sob o nomecomercial ASP® 2052, e que é caracterizado pela seguintecomposição nominal em % por peso: 1,6 de C, 4,8 de Cr, 2,0de Mo, 10,5 de W, 8,0 de Co, 5,0 de V, o restante ferro eimpurezas não-evitáveis. Outro aço de alta velocidade é oASP® 2030 tendo a composição nominal de 1,28 de C, 4,2 deCr, 5,0 de Mo, 6,4 de W, 3,1 de V, 8,5 de Co, o restanteferro e impurezas inevitáveis. Ainda outro aço de altavelocidade é o ASP® 2060 tendo a composição nominal de 2,3de C, 4,2 de Cr, 7,0 de Mo, 6,5 de W, 6,5 de V, 10,5 de Co,o restante ferro e impurezas inevitáveis. Todos os teoressão em % por peso.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

É desejável aços a serem usados em ferramentas pararemoção de apara para aperfeiçoar a moabilidade à medidaque a moabilidade é uma operação que consome tempo nomanufaturamento de tais ferramentas. Conseqüentemente, oobjetivo da invenção é proporcionar um novo aço,preferivelmente um aço de alta velocidade, tendo as mesmaspropriedades benéficas conforme os aços da técnica anterioracima mencionados, mas cuja moabilidade do material tenhasido aperfeiçoada. Mais especificamente, o aço deve ter asseguintes propriedades:

uma boa moabilidade na condição endurecida e temperada;uma boa resistência na condição endurecida etemperada;

- uma boa dureza na condição endurecida e temperada;

- um alto ponto de rendimento;

- uma alta resistência à fadiga;

- uma alta resistência à flexão; e

- uma boa resistência ao desgaste.

Estes e outros pré-requisitos podem ser alcançados porum aço que tenha sido manufaturado metalurgicamente por pó,e que seja caracterizado por ter uma composição químicacontendo, em % por peso, 1,1-2,3 de C+N, 0,1-2,0 de Si,0,1-3,0 de Mn, Máx 20 de Cr, 5-20 de (Mo+W/2), 0-20 de Co,.onde o teor total de nióbio e vanádio (Nb+V) é equilibradoem relação à razão entre o teor de nióbio e vanádio (Nb/V),tal que o teor destes elementos, e a razão entre elesassentam dentro de uma área que é definida pelascoordenadas A, B, C no sistema de coordenadas na Figura 1,onde A: [4,0; 0,55], B: [4,0; 4,0], C: [7,0; 0,55], e, nãomais do que 1% no total de Cu, Ni, Sn, Pb, Ti, Zr e Al, orestante ferro e purezas não-evitáveis a partir domanufaturamento do aço.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A invenção será descrita em maiores detalhes nadescrição que se segue de testas realizados, e comreferência aos desenhos em anexo, dos quais:

A Figura 1 mostra a relação entre, por um lado, osteores totais de Nb e V (Nb+V) e, por outro lado, a relaçãoentre os teores de Nb e V (Nb/V), para o aço, de acordo coma invenção, na forma de um sistema de coordenadas;

A Figura 2 mostra um gráfico sobre o tamanho decarbetos-MX como uma função da porção de volume decarbetos-MX;

A Figura 3 mostra um gráfico sobre o tamanho deCarbetos-M6X como uma função da porção de volume deCarbetos-M6X;

A Figura 4 mostra um gráfico sobre a distribuição notamanho de carbeto para vários tratamentos térmicos erazões de Nb/V;

A Figura 5 mostra um gráfico sobre o espaçamento detreliça no plano d(hki) para d{m)MX- e d(33i)_o,5Á Carbetos-M6Xcomo uma função da razão Nb/V;

A Figura 6 mostra uma foto da microestrutura do aço Fde acordo com a invenção, após tratamento térmico n° 6;

A Figura 7 mostra um gráfico sobre a moabilidade,razão G, como uma função do tamanho de carbetos-MX; e

A Figura 8 mostra um gráfico sobre consumo de energiadurante moagem em relação à taxa de escavação de apara.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Sem ligar a invenção a qualquer teria particular, aimportância de vários materiais de ligação, bem como dosvários elementos estruturais no alcance do perfil depropriedade desejada, será explanada em maiores detalhes.No caso de teores de ligação, as percentagens são dadassempre em % por peso, e no caso dos elementos estruturais,as percentagens são dadas sempre em % por volume, a menosque, de outro modo, citado.

Junto com o nitrogênio, o carbono deve existir em umteor de pelo menos 1,1% e 2,3% no máximo, preferivelmentepelo menos 1,4% e 2,0% no máximo, e ainda, mais preferido,entre 1,60 e 1,90%, de modo a, quando dissolvido namartensita, dar ao material uma dureza na condiçãoendurecida e temperada que é adequada para sua proposta. Ocarbono e nitrogênio devem, além disso, em combinação comnióbio e vanádio, contribuírem para uma quantidade adequadade carbetos-MX precipitados primários, nitretos-,carbonitretos- do tipo (Nb,V)X, e, em combinação, comtungstênio, molibdênio e cromo, para contribuírem para oalcance de uma quantidade adequada de Carbetos-M6Xprecipitados primários, nitretos-, carbonitretos- namatriz. Para simplificar, tais partículas de fase dura sãomencionadas como carbetos na descrição continuada, mas deveser compreendido que se o aço contém nitrogênio, o termocarbetos também se refere a nitretos e/ou carbonitretos. Aproposta de tais carbetos é dar ao material sua resistênciadesejável a desgaste. Além disso, eles contribuem em dar aoaço uma estrutura granulada fina à medida que os carbetospodem funcionar para limitar o crescimento de grão. Em umaconcretização preferida, o aço contém entre 1,65 e 1,80% decarbono e nitrogênio, que, em combinação com uma quantidadeequilibrada de outros elementos de ligação, em particularsilício, cromo, vanádio e nióbio, dará ao aço um perfil depropriedade bem adequado para sua proposta, que pode seralcançado por um processo de manufaturamento padrão, istoé, o manufaturamento não requer quaisquer esforçosextraordinários, mas procede de acordo com métodos padrões.

Normalmente, o teor de nitrogênio é não mais do que0,1%, mas pela técnica de manufaturamento metalúrgico depó, é possível dissolver teores muito mais altos denitrogênio no aço. Uma concretização do aço éconseqüentemente caracterizada pelo aço contendo uma grandequantidade de nitrogênio, 2,3% no máximo, que pode serobtido por nitração de fase sólida do pó manufaturado.Desse modo, o nitrogênio pode substituir o carbono nosmateriais duros que são para serem parte do aço naferramenta final. Pela substituição do carbono pelonitrogênio, a vantagem é alcançada que a resistência adesgaste a adesivo aumenta, que é uma vantagemparticularmente quando a ferramenta opera em materiaispegajosos, tais como alumínio e certos aços inoxidáveis. Oaço também será mais fácil de temperar, que significa que atemperatura de têmpera pode ser abaixada, que pode servantajoso. Teores inferiores a 1,1% de carbono + nitrogênioresultarão em dureza e resistência a desgaste adequados,enquanto teores de mais do que 2,3% podem conduzir aproblemas de fragilidade.

O silício é adicionado ao aço em um teor de pelo menos0,1% de modo a aperfeiçoar a fluidez do aço, que éimportante no processo metalúrgico fundido. Pela adiçãoaumentada de silício, o aço fundido será mais fluido, que éimportante de modo a evitar entupimento na conexão comgranulação. De modo a evitar entupimento durantegranulação, o teor de silício deve ser pelo menos 0,2%, e,ainda mais preferido, pelo menos 0,4%. 0 silício podecontribuir para aumentar a atividade de carbono, e, em umaconcretização permitida de silício, pode estar presente emquantidades de até cerca de 2%. Problemas com fragilidadeocorrerão em teores acima de 2%, e, conseqüentemente, o açodeve adequadamente não conter mais do que 1,2% de Si com orisco de formação de Carbetos-M6X, e a dureza prejudicadana condição endurecida será maior do que em teores acima,que significa que é ainda mais preferido limitar o teor desilício a não mais do que 1,0%. Em uma concretizaçãopreferida, o teor de silício está entre 0,55% e 0,70%, que,em adição às vantagens acima mencionadas, tem se comprovadoresultar em um aço que, em combinação com o teor de carbonopreferido para o aço, é mais fácil de tratar com calor. Poristo, é significativo que o aço possa ser tratado por calordentro de uma faixa de temperatura ampla, enquanto retémseu perfil de propriedade, que dá vantagem nomanufaturamento.

O manganês pode também estar presente principalmentecomo um produto residual a partir do processo fundidometalúrgico no qual manganês tem o efeito conhecido de pôrimpurezas sulfúricas fora de ação pela formação de sulfetosde manganês e, para esta proposta, deve estar presente noaço em um teor de pelo menos 0,1. O teor máximo de manganêsno aço é 3,0%, mas pref erivelmente o teor de manganês élimitado a um máximo de 0,5%. Em uma concretizaçãopreferida, o aço contém 0,2 a 0,4% de Mn.

O enxofre pode estar presente no aço como um produtoresidual a partir do manufaturamento do aço, em teores até800 ppm, sem afetar as propriedades mecânicas do aço. Oenxofre pode ser deliberadamente adicionado como umelemento de ligação, até 1% no máximo, contribuindo, dessemodo, para aperfeiçoar a usinabilidade e operabilidade. Emuma concretização da invenção, tendo enxofredeliberadamente adicionado para esta proposta, o teor deenxofre dever ser entre 0,1 e 0,3%, e o teor de manganêsdeve, então, ser escolhido para ser um tanto mais alto doque na concretização permitida sem enxofre, adequadamentede 0,5% a um máximo de 1,0%.

Também fósforo pode estar presente no aço como umproduto residual a partir do manufaturamento do aço, emteores de até 800 ppm, sem afetar as propriedades mecânicasdo aço.

O cromo deve existir no aço em um teor de pelo menos3%, pref erivelmente pelo menos 3,5%, de modo a, quandodissolvido na matriz do aço, contribui para o aço alcançardureza e resistência adequadas após endurecimento etêmpera. O cromo pode contribuir para a resistência adesgaste do aço por ser incluído nas partículas de fasedura precipitadas primariamente, a saber, Carbetos-M6X.Também outros carbetos precipitados primariamente contêmcromo, contudo não na mesma extensão. Muito mais cromo,contudo resultará em um risco de austenita residual quepode ser dura ou se converter.

Pelo congelamento profundo do material, o teor deaustenita residual pode ser eliminado, ou pelo menosminimizado. Por esta razão, ao aço pode ser ligado um teorde cromo de até cerca de 20%, mas preferivelmente o teor decromo é limitado a um máximo de 12%. Nos campos deaplicação pretendidos para o aço, o aço não necessitaconter mais do que 6% de modo a alcançar o perfil depropriedade desejado. Em uma concretização preferida, o açocontém entre 3,5 e 4,5 de Cr, e, mais preferido, entre 3,8e 4,2% de Cr.

O molibdênio e tungstênio, como no caso do cromo,contribuirão para a matriz do aço obter dureza eresistência adequadas após endurecimento e têmpera. Omolibdênio e tungstênio podem também ser incluídos noscarbetos primariamente precipitados do tipo M6X decarbetos, e, como tal, contribuirão para a resistência adesgaste do aço. Também outros carbetos primariamenteprecipitados contêm molibdênio e tungstênio, contudo não namesma extensão. Os limites são escolhidos de modo a, pelaadaptação a outros elementos de ligação, resultarem empropriedades adequadas. Em princípio, o molibdênio etungstênio podem parcialmente ou totalmente substituir umao outro, que significa que o tungstênio pode sersubstituído por metade da quantidade de molibdênio, ou omolibdênio pode ser substituído pelo dobro da quantidade detungstênio. Por experiência, é, contudo sabido que cerca dequantidades iguais de molibdênio e tungstênio são paraserem preferidas, visto que isto resulta em certasvantagens na tecnologia de produção ou, maisespecificamente, na tecnologia de tratamento de calor. 0teor total de molibdênio + tungstênio deve ser na faixa de5 a 20%, mais preferido não mais do que 15%. Aspropriedades adequadas para a proposta serão alcançadas emcombinação com outros elemento de ligação em um teor deentre 9 e 12% (Mo + W/2) . Dentro destas faixas, o teor demolibdênio deve, em uma concretização preferida, serescolhido na faixa de 4,0 a 5,1%, e o teor de tungstêniodeve adequadamente ser escolhido na faixa de 5,0 a 7,0. Oteor máximo de molibdênio é 4,6%, e para tungstênio é 6,3%.

A presença opcional de cobalto no aço depende do usopretendido do aço. Para aplicações nas quais o aço énormalmente usado à temperatura ambiente, ou é normalmentenão aquecido a temperaturas particularmente alta em uso, oaço não deve conter deliberadamente cobalto adicionado,visto que o cobalto reduz a resistência do aço e o risco deaparamento no uso da ferramenta. Além disso, a dureza emuma condição recozida macia aumentará com um teor aumentadode cobalto, e, em teores acima de cerca de 14%, asferramentas tornam-se marcadamente difíceis de usinar, istoé, para girar, moer, perfurar, serrar, etc. Se o aço é paraser usado em ferramentas de corte de aparas, para qualdureza quente é de proeminência, é, contudo adequado paraele conter quantidades consideráveis de cobalto, que, nestecaso, pode ser permitida em teores de até 20%, mas umadureza quente desejada pode ser alcançada em um teor decobalto na faixa de 7 a 14%. Quando usado em ferramentas decorte de apara, o aço, de acordo com a invenção, deveainda, mais preferido, conter entre 8,0 e 10,0% de Co, e,ainda mais preferido, entre 8,8 e 9,3% de Co.

O nióbio é um elemento que desempenha um papelimportante no aço de acordo com a invenção. É previamentesabido que adições pequenas de nióbio, de até 1%, podemcontribuir na manutenção do tamanho de carbetos, que épositivo, entre outros, para a resistência e dureza domaterial. De acordo com os argumentos anteriores, o nióbiopode substituir o vanádio. Isto, contudo, afetará aresistência a desgaste, e o material também será duro paramoer, especialmente se o aço contém nióbio e/ou vanádio emteores de cerca de 4% ou mais.

Algo que não é anteriormente conhecido, pelo menos nãoao conhecimento da presente invenção, é que existe umarelação entre, por um lado, o teor total de vanádio enióbio, e, por outro lado, a razão entre vanádio e nióbio,onde o aço, apesar de um alto teor de tais formadores decarbeto é, não obstante, surpreendentemente fácil de moer.Esta relação forma a base para a idéia da invenção, etornou-se claro à presente requerente por testes extensivosque são descritos adicionalmente abaixo. De acordo com aidéia da invenção, o teor total de nióbio e vanádio, por umlado, deve ser equilibrado em relação à razão entre o teorde nióbio e vanádio (Nb/V) , por outro lado, tal que o teordaqueles elementos, bem como a razão entre eles estarádentro de uma área que é definida pelas coordenadas A, B, Cno sistema de coordenadas na Figura 1. Maispreferivelmente, o teor total destes elementos (Nb+V) e arazão entre eles (Nb/V) é equilibrada dentro de uma áreaque é definida pelas coordenadas D, E, F, e, ainda maispreferido, dentro de uma área que é definida pelascoordenadas G, Η, I, onde:

[(Nb+V); (Nb/V)]

A: [4,0; 0,55]

B: [4,0; 4,0]

C: [7,0; 0,55]

D: [4,25; 0,55]

E: [4,25; 3,5]

F: [6,7; 0,55]

G: [4,5; 0,55]

H: [4,5; 3,0]

I: [6,4; 0,55]

Foi mostrado dentro do escopo da invenção que apesarde um alto teor de ligação de nióbio e vanádio, o tamanhodos carbetos-MX primariamente pode ser limitado, quecontribui para a moabilidade aperfeiçoada.

Foi adicionalmente mostrado que um aço de acordo com ainvenção obterá menos crescimento de carbetos-MX nas váriasoperações a quente que o aço suporta durantemanufaturamento, tal como HIP: forjamento, laminação, amais alta da razão de Nb/V do aço.

Foi também verificado na investigação que existe umarelação entre o tamanho dos carbetos formados e seu teortotal no aço, o tamanho dos carbetos aumentando quanto maisalto o teor de carbeto está no aço. A relação é válida paraambos carbetos M6X e MX. A investigação, além disso,mostrou que em porções de volume fixo e parâmetros deprocesso, os carbetos-MeX são maiores do que os carbetos-MX. Isto significa que se um aço é desejado que tenha umdado tamanho maior dos carbetos, a composição de ligaçãopode ser equilibrada de modo a dar ao aço um teor decarbetos-MX que está entre 1,5 e 2 vezes maior do que oteor de carbetos M6X-

Verificou-se, além disso, que o aço que é ligado pelonióbio tem uma relação mais forte entre o aumento notamanho de carbetos-MX e o teor de carbetos MX, que o açosem adição de nióbio. Este resultado indica que uma adiçãode nióbio é somente vantajosa até um certo teor máximo decarbetos-MX, mas não acima.

De acordo com a idéia da invenção, um aço pode serprovido que preenche as demandas, altamente impostas naresistência e dureza, em combinação com um alto ponto derendimento, uma alta resistência à fadiga, uma altaresistência à flexão, e uma resistência a desgasterelativamente boa, e que também tem propriedadesaperfeiçoadas de moagem. Isto é alcançado se ao aço é dadauma composição de acordo com a presente reivindicação 1,onde a composição foi equilibrada em relação ao teor totalde nióbio e vanádio com uma certa razão entre nióbio evanádio. Conseqüentemente, o teor total de nióbio e vanádiodeve preencher a condição de 4,5 < Nb + V < 7,0,preferivelmente 4,25 < Nb + V < 6,7, e ainda mais preferido4,5 < Nb + V < 6, 4, ao mesmo tempo, conforme a razão entrenióbio e vanádio deve preencher a condição 0,55 < Nb/V <4,0, preferivelmente 0,55 < Nb/V <3,5, e ainda, maispreferido, 0,55 < Nb/V < 3,0. Na concretização maispreferida, o aço deve conter 2,0 a 2,3% de Nb e 3,1 a 3,4%de V. Em adição, o aço deve ter um teor de carbetos-MX denão mais do que 15% por volume, preferivelmente não mais doque 13% por volume, e ainda, mais preferido, não mais doque 11% por volume, onde pelo menos 80%, preferivelmentepelo menos 90%, e ainda, mais preferido, pelo menos 95% doscarbetos-MX, têm um tamanho de carbeto na extensão maislonga do carbeto de não mais do que 3 μπι, preferivelmentenão mais do que 2,2 μπι, e ainda, mais preferido, não maisdo que 1,8 μπι. Δ composição do aço deve também serequilibrada em relação aos elementos de formação deCarbetos-M6X cromo, molibdênio e tungstênio, tal que o teorno aço de carbetos M6X será não mais do que 15% por volume,preferivelmente não mais do que 13% por volume, e ainda,mais preferido, não mais do que 12%, onde pelo menos 80%,preferivelmente 90%, e ainda, mais preferido, pelo menos95% dos carbetos M6X, têm uma tamanho de carbeto naextensão mais longa do carbeto de não mais do que 4 μπι, e,ainda, mais preferido, não mais do que 2,5 μπι.

Além disso, o aço, de acordo com a invenção, não deveconter quaisquer elementos de ligação adicionaisadicionados. Cobre, níquel, estanho e chumbo, e formadoresde carbeto, tais como titânio, zircônio e alumínio, podemser ligados em um teor total de não mais do que 1%. Alémdestes e os elementos acima mencionados, o aço não contémoutros elementos do que impurezas inevitáveis e outrosprodutos residuais a partir do tratamento fundidometalúrgico do aço.

EXPERIMENTOS EM ESCALA DE LABORATÓRIO

Nove materiais testes foram manufaturados no total. Acomposição química destes materiais é apresentada na Tabela1 abaixo.

Tabela 1: Composição química em % por peso para açosexaminados; restante ferro e impurezas em teores normais

<table>table see original document page 17</column></row><table>

O pó foi manufaturado a partir de aços por atomizaçãode gás. Os pós de aço respectivos foram consolidados porprensagem isostática quente rápida, assim denominadaHIP/QIH, em cápsulas testes pequenas no topo de cápsulas deprodução maiores. As amostras foram tomadas a partir decápsulas testes pequenas, cujas amostras foram tratadas comcalor em vários modos, de modo a estimular condiçõestípicas para produção, de acordo com a Tabela 2 abaixo:

Tabela 2: Tratamento térmico para estimulação decondições típicas para produção no processo ASP

<table>table see original document page 18</column></row><table>

Teor e tamanho do carbeto

Os teores, bem como o tamanho de carbetos-MX nos açosexaminados varia, dependendo de quais dos tratamentostérmicos foram expostos. Isto está claro a partir da Tabela3 abaixo.

Tabela 3: Os teores de carbetos-MX no aço, o tamanhodestes em dependência do tratamento térmico<table>table see original document page 19</column></row><table><table>table see original document page 20</column></row><table><table>table see original document page 21</column></row><table><table>table see original document page 22</column></row><table>Uma investigação correspondente em relação ao teor deaço e tamanho dos carbetos M6X em dependência do qualtratamento térmico de acordo com a Tabela 2 acima que osaços foram expostos, está presente na Tabela 4 abaixo.

O teor máximo no qual uma adição de nióbio tem umefeito positivo no tamanho de carbetos-MX varia emdependência do tempo de parada e temperaturas duranteprocessos, tais como HIP, laminação, forja, a temperaturasque são típicas para aços de alta velocidade. Uma conclusãoa partir da investigação é que para um aço tendo um teor decarbetos-MX de não mais do que 15% por volume,pref erivelmente não mais do que 15% por volume,preferivelmente não mais do que 13% por volume, e, aindamais preferido, não mais do que 11% por volume, a adição denióbio parece ser vantajosa, enquanto a adição de nióbio,ao contrário, parece resultar em carbetos-MX maiores paraaços tendo uma porção maior de carbetos-MX.

Tabela 4: Os teores de Carbetos-M6X no aço, o tamanhodestes em dependência do tratamento térmico.

<table>table see original document page 23</column></row><table><table>table see original document page 24</column></row><table>de nióbio foram marcados por anéis. A partir da Figura,pode ser visto que a adição de Nb não tem qualquer efeitomensurável no tamanho dos Carbetos-M6X.

Foi adicionalmente mostrado que um aço de acordo com ainvenção será menos afetado em relação ao tamanho doscarbetos-MX em várias operações a quente que o aço suportadurante manufaturamento, tais como HIP, forja, laminação, amais alta razão de Nb/V do aço, conforme é claro a partirda Figura 4. A Figura 4 mostra que a operação a quente tempouco efeito no tamanho dos carbetos-MX em aços tendo umarazão de Nb/V de cerca de 0,6, ou mais.

A Figura 5 mostra um gráfico sobre o espaçamento detreliça no plano d(hki) para carbetos-MX e M6X como umafunção da razão de Nb/V. Para carbetos-MX, o espaçamento(111) foi medido, e para Carbetos-M6X, o espaçamento (331)foi medido. Aqui, é claro que a adição de nióbio parece nãoter efeito no espaçamento entre as treliças nos carbetos-M6X, indicando que uma adição de nióbio não tem efeito nacomposição dos Carbetos-M6X. Parece ser uma relação linearentre o espaçamento de treliça e o aumento na razão deNb/V, para carbetos-MX, indicando que nióbio é dissolvidonos carbetos-MX. 0 aço G, contudo, desvia disto, que é domesmo modo porque carbetos-MX grandes (> 20 μιη) sãoformados no fundido antes da granulação ocorrer, quesignifica que uma quantidade menor de Nb é disponível paracarbetos-MX formados durante ou após granulação.

MicroestruturaO aço de acordo com a invenção tem uma microestruturaque, na condição endurecida e temperada, consiste de umaestrutura de martensita temperada contendo carbetos-MX eCarbetos-M6X que são constantemente distribuídos namartensita, alcançáveis por endurecimento do produto de umatemperatura de austenização de entre 950 e 1250°C,arrefecendo a temperatura ambiente, e temperando a 480-650°C. O aço de acordo com a invenção deve ter um teor decarbetos-MX de não mais do que 15% por volume,preferivelmente não mais do que 13% por volume, e ainda,mais preferido, não mais do que 11% por volume, onde pelomenos 80%, preferivelmente 90%, e ainda, mais preferido,pelo menos 95% dos carbetos-MX tem um tamanho de carbeto naextensão mais longa do carbeto de não mais do que 3 μπι,preferivelmente de não mais do que 2,2 μπι, e ainda, maispreferido, não mais do que 1,8 μπι. A composição do aço devetambém ser equilibrada em relação aos elementos de formaçãode Carbetos-M6X, cromo, molibdênio e tungstênio, tal que oteor no aço de Carbetos-M6X será não mais do que 15% porvolume, pref erivelmente não mais do que 13% por volume, eainda, mais preferido, não mais do que 12% por volume, ondepelo menos 80%, preferivelmente 90%, e ainda, maispreferido, pelo menos 95% dos Carbetos-M6X, tem um tamanhode carbeto na extensão mais longa do carbeto de não mais doque 4 μπι, pref erivelmente de não mais do que 3 μπι, e ainda,mais preferido, não mais do que 2,5 μπι.

A Figura 6 é uma fotografia da microestrutura de umaço de acordo com a invenção, a saber, liga F na Tabela 2.A Figura mostra os carbetos-MX constantemente distribuídoscomo negros/cinzas escuros, e os Carbetos-M6X um tantomaiores são brancos/cinzas claros. O aço contém 5,5% porvolume de carbetos-MX tendo um tamanho médio de 0,5 μπι,onde os 100 carbetos-MX maiores dentro de uma área de cercade 20.000 pm têm um tamanho médio de 1,1 μπι, e 11,8% porvolume de Carbetos-M6X tendo um tamanho· médio de 1,2 μπι,onde os 100 Carbetos-M6X maiores dentro de uma área decerca de 20.000 μπι têm um tamanho médio de 2,2 μπι. As áreasclaras que circundam os carbetos-MX vêm da causticação, enão existe nada correspondente a isto no material narealidade.

Moabilidade

De acordo com um aspecto da invenção, o aço deve teruma boa moabilidade. 0 tamanho de todos os carbetos-MXacima afeta a moabilidade de um aço tal que a moabilidadefica prejudicada quanto maior os carbetos no aço. Amoabilidade de um aço pode ser dada como sua razão G, e éuma medição de quão duro é o material a moer. A razão G doaço foi medida na condição endurecida e recozida pelamoagem superficial de uma peça teste de 7 χ 7 χ 150 mm pordiscos comerciais de alumina, assim denominados discosbrancos, abaixo de um tamanho de 2 χ 7 χ 150 mm. A razão Gé usualmente dada como o volume de material de aço que émoído em relação ao volume de disco de moagem que éconsumido. Um material facilmente moído tem uma razão Galta, enquanto um material que é difícil de moer écaracterizado por um valor baixo da razão G. A Figura 7mostra a moabilidade como uma função do tamanho doscarbetos-MX. É claro que um aço tendo carbetos-MX detamanho pequeno é consideravelmente aperfeiçoado namoabilidade, conforme comparado a outros aços tendo um teorde carbetos-MX na mesma faixa de volume.

Pela comparação do consumo de energia durante moagem,valores da taxa de escavação de apara mais altos para o açode acordo com a invenção, denominados PUD 169, e tendo aseguinte composição: 1,69% de (C + Ν), 0,65% de Si, 0,3% deMn, 4,0% de Cr, 4,6% de Mo, 6,3% de W, 9,0% de Co, 3,2% deV e 2,1% de Nb, o restante ferro e impurezas, e um aço dereferência tendo a seguinte composição: 1,6% de C, 4,8% deCr, 2,0% de Mo, 10,5% de W, 8,0% de Co, 5,0% de V, orestante ferro e impurezas inevitáveis, denominado ASP2052. O resultado é mostrado na Figura 8, e é claro apartir deste que o aço de acordo com a invenção pode sermoido como uma taxa de escavação de apara que é cerca de60% mais alta do que para o material de referência no mesmoconsumo de energia, que é uma vantagem considerável apartir de um ponto de vista de manufaturamento.

A partir do aço de acordo com a invenção e do materialde referência, um número de insertos de ferramenta de corteforam produzidos que foram revestidos por TiAlN, assimdenominado revestimento Futura. As placas de aço foramusadas em um teste no qual a velocidade de corte quecorresponde a um período de vida de uma hora (1 hora) foideterminada para os dois materiais. Nos testes, osseguintes parâmetros foram usados:

profundidade de corte radial = 10 mm,

profundidade de corte axial = 3 mm,

alimentação =0,1 mm/ferramenta, usinagem seca,

material de operação = Impax.

No teste, uma velocidade de corte de 83 m/min foimedida para o aço de acordo com a invenção, enquanto avelocidade de corte para o material de referência foimedida para ser 77 m/min, que conseqüentemente significaque o aço de acordo com a invenção tem desempenhoconsideravelmente muito melhor do que o material dereferência.

EXPERIMENTOS DE ESCALA PILOTO

Dureza na condição endurecida e temperadaDuas variantes de cerca de 200 kg cada foramproduzidas a partir do aço, de acordo com a invenção, poratomização de gás e HIP: Cápsulas pilotos de cerca de 10 kgforam produzidas a partir deste pó, e as peças testes foramtomadas a partir das cápsulas de modo a avaliar a durezaapós endurecimento e têmpera. Estas variantes do aço deacordo com a invenção são pretendidas para aplicações comaltas demandas de dureza, ainda em combinação com umagrande resistência contudo, tal como para ferramentas demodelos ou perfis em metais, etc, bem como aços paraferramentas para remoção de apara, tais como torneiras ecortadores de extremidade com separadores de fatias finas.Demandas similares são impostas no aço se ele é para serusado em ferramentas para operação a frio. A composiçãoquímica destes aços é dada na Tabela 5. Os resultados sãomostrados na Tabela 6.

Tabela 5: Composição química em % por peso de duasvariantes do aço segundo a invenção; balanço ferro eimpurezas com teores normais

<table>table see original document page 30</column></row><table>

Tabela 6:Dureza do aço segundo a invenção para váriostratamentos térmicos, (HRC)

<table>table see original document page 30</column></row><table>Dependendo do campo de aplicação para qual o aço épretendido, uma dureza ótima é escolhida na faixa de durezade 50-70 HRC. Para campos de aplicação nos quais uma durezainferior é desejada, 50-55 HRC, mas uma resistência maisalta é preferida, o teor de C principalmente está sendolimitado, bem como qualquer N existente, e pelo menos algumdo W, V, Nb, Mo e Co, tal que os teores são em cerca de oslimites inferiores para o aço, e a temperatura deaustenização durante endurecimento é escolhida para sermenor do que 1100°C.

Para aços a serem usados para ferramentas de operaçãoa quente, tal como para extrusão de perfis de alumínio, umadas propriedades mais importantes é que o aço tenha umaresistência de têmpera alta, que significa que ele deve sercapaz de ser exposto a altas temperaturas por um longotempo sem perda da dureza que o aço ganhou a partir doendurecimento e têmpera. Por outro lado, esta dureza nãonecessita ser extremamente alta, adequadamente na grandezade 50-55 HRC. Se o aço é para ser usado, ao invés, emelementos de máquina avançados, as propriedades primáriassão uma dureza e resistência mais altas em combinação comuma resistência maior. Neste caso, a dureza após têmperapode tipicamente estar na faixa de 55-60 HRC. Para estesdois campos de aplicação, o aço é tratado com caloradequadamente em uma temperatura de austenização de 1000-1250°C, tipicamente 1150-1200°C, e é temperado em umatemperatura de têmpera de 550-600°C, 3x1 hora.Demandas ainda mais altas na dureza, 60-70 HRC, aindaem combinação com uma grande resistência contudo, sãoimpostas nos aços para ferramentas para a estampagem demodelos ou perfis em metais, etc, bem como em aços pararemoção de apara, tais como ferramentas de corte deengrenagem, torneiras e cortadores de extremidade comseparadores de fatias finas. As torneiras devem ter umadureza na faixa de 60-67 HRC, enquanto os cortadores deextremidade devem ter uma dureza na faixa de 62-70 HRC.

Demandas similares são impostas no aço se ele é para serusado em ferramentas para operação a frio. Para estes doiscampos de aplicação, o aço é tratado com caloradequadamente em uma temperatura de austenização de 1000-1250°C, tipicamente 1150-1200°C para ferramentas pararemoção de apara, e 1000-1200°C para ferramentas paraoperação a frio, e é temperado em uma temperatura detêmpera de 480-580°C, tipicamente 550-570, 3x1 hora, etem uma dureza na faixa de 50-55 HRC. No caso do açocontendo nitrogênio, a temperatura de têmpera pode serabaixada de acordo com o raciocínio acima.

Em uma concretização preferida, o aço tem umacomposição nominal de acordo com a seguinte: 1,69% de (C +N), 0,65% de Si, 0,3% de Mn, 4,0% de Cr, 4,6% de Mo, 6,3%de W, 9,0% de Co, 3,2% de V e 2,1% de Nb, o restante ferroe impurezas. Tal aço é particularmente bem adequado paraferramentas para corte para qual uma moabilidadeconsideravelmente aperfeiçoada foi notada comparada aosmateriais mencionados na introdução, outras propriedadesendo comparáveis. 0 aço foi também mostrado para terusinabilidade aperfeiçoada conforme comparadoprincipalmente ao ASP 2052.

Claims

1.- Aço para ferramenta para operação a quente, ou umaço para ferramenta para operação a frio, ou um aço paraferramenta para usinagem de corte de apara, ou um aço paraelementos de máquina avançados, que foram manufaturados pormetalurgia de pó, e que são caracterizados pelo fato de queapresentam uma composição química em % por peso,compreendendo:-1,1-2,3 de C+N;-0,1-2,0 de Si;-0,1-3,0 de Mn;Máx 2 0 de Cr;-5-20 de (Mo+W/2);-0-20 de Co;onde os teores totais de nióbio e vanádio (Nb+V) sãoequilibrados em relação à razão entre os teores de nióbio evanádio (Nb/V), tal que os teores destes elementos, bemcomo a razão entre eles assentam dentro de uma área que édefinida pelas coordenadas A, B, C no sistema decoordenadas da Figura 1, ondeA: [4,0; 0,55];B: [4,0; 4,0];C: [7,0; 0,55];e, não mais do que 1% no total de Cu, Ni, Sn, Pb, Ti,Zr e Al, o restante ferro e impurezas não-evitáveis apartir do manufaturamento do aço;e que o teor de carbetos-MX em uma condição endurecidae temperada não é mais do que 13% por volume;e que pelo menos 90% dos carbetos-MX têm um tamanho decarbeto na extensão mais longa do carbeto de não mais doque 1,8 μ.

2. - Aço, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o teor de carbetos-MX é nãomais do que 11% por volume.

3. - Aço, de acordo com a reivindicação 1 ou 2,caracterizado pelo fato de que pelo menos 95% dos carbetos-MX têm um tamanho de carbeto na extensão mais longa docarbeto de não mais do que 1,8 μ.

4. - Aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações- 1-3, caracterizado pelo fato de que o teor de Carbetos-M6Xem uma condição endurecida e temperada é não mais do que 15% por volume, pref erivelmente não mais do que 13% porvolume, ainda mais preferido não mais do que 12% porvolume, onde pelo menos 80%, preferivelmente pelo menos 90%, e ainda mais preferido pelo menos 95% dos carbetos M6Xtêm um tamanho de carbeto na extensão mais longa do carbetode não mais do que 2,5 μ.

5. - Aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-4, caracterizado pelo fato de que a microestrutura doscarbetos-MX e Carbetos-M6X é alcançável através doendurecimento a uma temperatura de austenização de 950-- 1250°C, e têmpera a uma temperatura de têmpera de 480-- 650 °C, 3x1 hora.

6.- Aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-5, caracterizado pelo fato de que ele tem uma dureza nafaixa de 50-70 HRC.

7.- Aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações-1-6, caracterizado pelo fato de que os teores totais denióbio e vanádio (Nb+V) são equilibrados em relação à razãoentre os teores de nióbio e vanádio (Nb/V) , tal que osteores destes elementos, bem como a razão entre elesassentam dentro de uma área que é definida pelascoordenadas D, E, F, onde:D: [4,25; 0,55];E: [4,25; 3,5];C: [6,7; 0,55] .

8.- Aço, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de que os teores totais de nióbio evanádio (Nb+V) são equilibrados em relação à razão entre os :teores de nióbio e. vanádio (Nb/V),. tal. que.os teores desteselementos, bem como a razão entre eles. assentam dentro deuma área que é definida pelas coordenadas G, Η, I, onde:G: [4,5; 0,55];H: [4,5; 3,0];I: [6,4; 0,55].

9.- Aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações-1-8, caracterizado pelo fato de que o teor total de carbonoe nitrogênio no aço está entre 1,4 e 2,0%, preferivelmenteentre 1,60 e 1,90.

10.- Aço, de acordo com a reivindicação 9,caracterizado pelo fato de que o teor total de carbono enitrogênio no aço está entre 1,65 e 1,80%.

11.- Aço, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1-10, caracterizado pelo fato de que o açocontém 0,2-1,2% de Si, preferivelmente 0,4-0,8% de Si.

12.- Aço, de acordo com a reivindicação 11,caracterizado pelo fato de que o aço contém 0, 55-0, 70% deSi.

13.- Aço, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1-12, caracterizado pelo fato de que o açocontém 0,1-0,5% de Mn, preferivelmente 0,2-0,4% de Mn.

14.- Aço, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1-13, caracterizado pelo fato de que o açocontém 3-6% de Cr, preferivelmente 3,5-4,5% de Cr.

15.- Aço, de acordo com a reivindicação. 14,caracterizado pelo fato de que o aço contém ,3, 8-4,2% de Cr..

16.- ·Aço, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1-15, caracterizado pelo fato de que o açocontém 5-15% de (Mo+W/2), preferivelmente 9-12% de(Mo+W/2).

17.- Aço, de acordo com a reivindicação 16,caracterizado pelo fato de que o aço contém 4,0-5,1 de Mo,e 5,0-7,0% de W.

18.- Aço, de acordo com a reivindicação 17,caracterizado pelo fato de que o aço contém 4,4-4,9% de Mo,e 6,1-6,7% de W.

19.- Aço, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1-18, caracterizado pelo fato de que o açocontém 5,0-14,0% de Co, preferivelmente 8,0-10,0% de Co,ainda mais preferido 8,8-9,3% de Co.

20.- Aço, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1-19, caracterizado pelo fato de que o açocontém 2,0-2,3% de Nb, e 3,1-3,4% de V.

21.- Ferramenta para operação a quente, ou parausinagem de corte de apara, ou para operação a frio, oupara um elemento de corte avançado, caracterizada pelo fatode que compreende um aço de acordo com qualquer uma dasreivindicações precedentes.

22.- Ferramenta para operação a quente, ou paraelemento de corte avançado, de acordo com a reivindicação-21, caracterizada pelo fato de que o aço é endurecido a umatemperatura de austenização de 950-1050°C, e é temperado auma temperatura de têmpera de 550-600°C, 3x1 hora, e temuma dureza na faixa de 50-55 HRC.

23.- Ferramenta para usinagem de corte de apara, oupara operação a frio, de acordo com a reivindicação 21,caracterizada pelo fato de que o aço é endurecido a umatemperatura de austenização de 1000-1250°C, e é temperado auma temperatura de têmpera de 480-580°C, 3x1 hora, e temuma dureza na faixa de 60-70 HRC.

24.- Método para o manufaturamento de uma ferramentapara operação a quente, ou para usinagem de corte de apara,ou para operação a frio, ou de um elemento de máquinaavançado, caracterizado pelo fato de que compreende omanufaturamento de um aço fundido ou atomização de gás, dereferido aço fundido, para formar um pó de aço,consolidação de referido pó de aço por prensagem isostáticaa quente, assim denominada HIP, para formar uma peça de açoou uma peça de ferramenta tendo quase a forma final daferramenta, com uma composição química de acordo comqualquer uma das reivindicações 1-14, que está sendoendurecido a uma temperatura de austenização de 950-1250°C,e é temperado a uma temperatura de têmpera de 480-650°C, 3χ 1 hora, dando ao aço uma dureza na faixa de 50-70 HRC, euma micro-estrutura composta de martensita temperada com umteor de carbetos-MX de não mais do que 15% por volume, ondepelo menos 80% dos carbetos-MX têm um tamanho de carbeto naextensão mais longa do carbeto de não mais do que 3 pm, eum teor de carbetos-MgX de não mais do que 15% por volume,onde pelo menos 8 0% dos Carbetos-M6X têm um tamanho decarbeto na extensão mais longa do carbeto de não mais doque 4 μπι, e moagem da peça de ferramenta às dimensõesfinais.

25.- Método para o manufaturamento de uma ferramentapara operação a quente, ou para usinagem de corte de apara,ou para operação a frio, ou de um elemento de máquinaavançado, de acordo com a reivindicação 24, caracterizadopelo fato de que a peça de aço suporta operação a quente,e/ou operação a frio da peça de aço para formar uma peça deaço antes do endurecimento e têmpera.

26.- Método para o manufaturamento de uma ferramentapara operação a quente, ou para usinagem de corte de apara,ou para operação a frio, ou de um elemento de máquinaavançado, de acordo com a reivindicação 24, caracterizadopelo fato de que a ferramenta está sendo revestida nasuperfície por, por exemplo, PVD ou CVD.