BRPI0619892A2

BRPI0619892A2 - aço de molas, processo de fabricação de aço de molas e mola fabricada com tal aço

Info

Publication number: BRPI0619892A2
Application number: BRPI0619892-9A
Authority: BR
Inventors: Nao Yoshihara; Kazuhisa Kawata; Julie Mougin; Jacques Languillaume
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Ascometal Sa
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2011-10-25
Also published as: WO2007080256A1; NO20082766L; BRPI0619892B1; ME01062B; CA2633153A1; KR20080090424A; KR101048946B1; CN101400818A; CN101400818B; CA2633153C; RU2008128865A; EP1966407A1; EP1966407B1; SI1966407T1; FR2894987A1; JP2007224413A; RU2397270C2; US20080308195A1; PL1966407T3; FR2894987B1

Abstract

AçO DE MOLAS, PROCESSO DE FABRICAçãO DE AçO DE MOLAS E MOLA FABRICADA COM TAL AçO. A presente invenção refere-se a um aço de molas de elevada resistência à fadiga ao ar e sob condições corrosivas e de alta resistência à deformação cíclica, de composição em porcentagem em peso: C = 0,45 - 0,70%; Si = 1,65 - 2,50%; Mn = 0,20 - 0,75%; Cr = 0,60- 2%; Ni = 0,15 - 1%; Mo = traços - 1%; V = 0,003 - 0,8%; Cu = 0,10- 1%; Ti = 0,020 - 0,2%; Nb = traços - 0,2%; AI = 0,002 - 0,050%; P = traços - 0,015%; 5 = traços - 0,015%; O = traços - 0,0020%; N = 0,0020 -0,0110%; o balanço sendo ferro e impurezas que resultam da elaboração, e cujo teor de carbono equivalente Ceq, calculado de acordo com a fórmula Ceq% = [C%] + 0,12 [Si%] + 0,17 [Mn%] - 0,1 [Ni%] + 0,13 [Cr%] - 0,24 [V%] está compreendido entre 0,80 e 1,00%, e cuja dureza, depois de têmpera e revenido, é superior ou igual a 55 HRC.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "AÇO DE MO- LAS, PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE AÇO DE MOLAS E MOLA FA- BRICADA COM TAL AÇO".

A presente invenção refere-se à fabricação de aços e, mais pre- cisamente ao domínio dos aços para fabricação de molas.

De maneira geral, com o aumento das tensões de fadiga aplica- das às molas, a dureza e a resistência à tração exigidas para as molas au- mentam continuamente. Conseqüentemente, a suscetibilidade às fraturas começa em defeitos, tais como inclusões ou defeitos de superfície gerados durante a fabricação das molas, aumenta, e a resistência à fadiga tende a se tornar limitada. Por outro lado, as molas utilizadas em um ambiente altamen- te corrosivo, tais como as molas de suspensão, devem apresentar proprie- dades de fadiga sob condições corrosivas pelo menos equivalentes e de pre- ferência, melhores propriedades em fadiga em condições corrosivas visto que elas utilizam aços que apresentam uma dureza e uma resistência à tra- ção superiores. Assim, tais molas tendem a se romper em nível de defeitos, imediatamente durante ciclos de fadiga ao ar, e mais tardiamente durante ciclos de fadiga em um meio corrosivo. Em particular, para a fadiga sob con- dições corrosivas, os defeitos podem ser iniciados em pontos de início de corrosão. Além disso, com o aumento das tensões aplicadas, é mais difícil melhorar a duração de vida em fadiga sob condições corrosivas ou mantê-la em um nível equivalente, considerando-se o fato de que os efeitos da con- centração de tensões nos pontos de início de corrosão, nos defeitos de su- perfície das molas que possam ser eventualmente gerados por ocasião do 25 enrolamento da mola, em outras etapas no processo de fabricação, ou nas inclusões não metálicas, se tornam mais críticos quando a dureza da mola aumenta.

De acordo com o estado da técnica, os documentos FR-A-2 740 476 e JP-A-3 474 373 descrevem um grau de aço de molas que apresenta uma boa resistência à fragilização pelo hidrogênio e uma boa resistência à fadiga, no qual as inclusões de carbonitrossulfetos que contêm pelo menos um dos elementos titânio, nióbio, zircônio, tântalo ou háfnio, são controladas de maneira a ter um tamanho médio reduzido, inferior a 5 μη em diâmetro, e a serem muito numerosas (10.000 ou mais em uma seção de corte).

No entanto, esse tipo de aço leva, depois de uma têmpera e um revenido de acordo com o processo industrial de fabricação das molas, a um nível de dureza de somente 50 HRC ou um pouco mais, que corresponde a uma resistência à tração de 1700 MPa ou um pouco mais, mas não superior a 1900 MPa, que corresponde a uma dureza de 53,5 HRC. Por causa desse nível de dureza moderado, esse aço só apresenta uma resistência à defor- mação moderada, um aço que apresenta uma resistência à tração mais ele- vada sendo necessário para melhorar a resistência à deformação. Assim, tal aço não assegura um excelente compromisso entre uma resistência eleva- da, que seria superior a 2100 MPa, uma dureza que seria superior a 55 HRC, uma resistência à fadiga elevada ao ar e uma resistência à fadiga sob condições corrosivas pelo menos equivalente, se não superior ao que é necessário para molas.

O objetivo da invenção é propor meios para realizar simultanea- mente, em relação aos aços de molas conhecidos, um aumento da dureza e da resistência à tração das molas, propriedades de fadiga superiores ao ar, propriedades pelo menos equivalentes, em fadiga sob condições corrosivas e mesmo superiores, uma resistência à deformação da mola superior e uma menor sensibilidade aos defeitos de superfície que podem ser gerados du- rante o enrolamento da mola.

Com isto em mente, o objetivo da invenção é um aço de molas de elevada resistência à fadiga ao ar e sob condições corrosivas e de alta resistência à deformação cíclica, de composição, em porcentagens em peso: C = 0,45 - 0,70% Si = 1,65 - 2,50% Mn = 0,20 - 0,75% Cr = 0,60 - 2% Ni = 0,15-1%

Mo = traços -1 % V = 0,003 - 0,8% Cu = O1IO-1% Ti = 0,020 - 0,2% Nb = traços - 0,2% Al = 0,002 - 0,050% P = traços - 0,015% S = traços - 0,015% O = traços - 0,0020% N = 0,0020-0,0110%

o balanço sendo ferro e impurezas que resultam da elaboração, e cujo teor de carbono equivalente Ceq, calculado de acordo com a fórmula

Ceq% = [C%] + 0,12 [Si%] + 0,17 [Mn%] - 0,1 [Ni%] + 0,13 [Cr%] - 0,24 [V%] está compreendido entre 0,80 e 1,00%, e cuja dureza, depois de têmpera e revenido, é superior ou igual a 55 HRC.

O tamanho máximo dos nitretos e carbonitretos de Ti observa- dos a 1,5 + 0,5 mm da superfície de uma barra, ou de um fio máquina, de uma porção ou de uma mola em 100 mm2 da superfície de corte é de prefe- rência inferior ou igual a 20 μιη, o dito tamanho sendo a raiz quadrada da superfície das inclusões consideradas como quadrados.

De preferência, a composição do aço é:

C = 0,45 - 0,65% Si = 1,65 - 2,20% Mn = 0,20 - 0,65% Cr = 0,80-1,7% Ni = 0,15-0,80% Mo = traços - 0,80% V = 0,003 - 0,5% Cu = 0,10-0,90% Ti = 0,020 - 0,15% Nb = traços - 0,15% Al = 0,002 - 0,050% P = traços-0,010% S = traços - 0,010% O = traços - 0,0020%

N = 0,0020-0,0110% o balanço sendo ferro e impurezas que resultam do processo de fabricação do aço.

A invenção também tem como objetivo um processo de fabrica- ção de um aço de molas de elevada resistência à fadiga ao ar e sob condi- ções corrosivas e de alta resistência à deformação cíclica, de acordo com o qual elabora-se um aço líquido em um conversor ou um forno elétrico, ajus- ta-se sua composição, vaza-se o mesmo sob a forma de blocos ou de Iingo- tes quadrados de Iingotamento contínuo ou de lingotes que se deixa resfriar à temperatura ambiente, lamina-se então o aço para a forma de barras, fios máquinas ou material a ser forjado e transforma-se o mesmo em molas, ca- racterizado pelo fato de que:

- o aço é do tipo precedente;

- impõe-se aos blocos, lingotes quadrados ou lingotes durante ou depois de sua solidificação, uma velocidade de resfriamento média míni- ma de 0,3°C/s entre 1450 e 1300°C;

- laminam-se os ditos blocos, lingotes quadrados ou lingotes en- tre 1200° e 800°C em um ou dois ciclos de reaquecimento e laminação;

- e realiza-se nas barras, nos fios máquinas ou material a ser forjado, ou nas molas que são provenientes dos mesmos, uma austenitiza- ção entre 850 e 1000°C, seguida por uma têmpera em água, uma têmpera polimérica ou uma têmpera em óleo, e por um revenido a 300-500°C, de maneira a conferir ao aço uma dureza superior ou igual a 55 HRC.

A invenção também tem como objetivo produzir molas de um tal aço, e molas feitas de um aço obtido pelo processo precedente.

De maneira inesperada, os inventores perceberam que um aço que apresenta as características de composição e de morfologia de inclu- sões precitadas permitia assegurar, depois de elaboração, vazamento, Iami- nação, têmpera e revenido realizados em condições específicas, uma dure- za superior a 55 HRC, ao mesmo tempo em que obtém um excelente com- promisso entre uma longa duração de vida em fadiga ao ar e em fadiga sob condições corrosivas, uma resistência à deformação cíclica elevada e uma pequena sensibilidade aos defeitos de superfície que sobrevêm por ocasião da fabricação da mola.

A invenção será melhor compreendida com a leitura da descri- ção que se segue, dada em referência às figuras anexas seguintes:

- a figura 1 que mostra os resultados de ensaios de dureza e de deformação cíclica para aços de acordo com a invenção e aços de referên- cia;

- a figura 2 que mostra os resultados de ensaios de fadiga ao ar em função da dureza do aço, para aços de acordo com a invenção e aços de referência;

- a figura 3 que mostra os resultados de ensaios de resiliência Charpy em função da dureza do aço, para aços de acordo com a invenção e aços de referência;

- a figura 4 que mostra os resultados de ensaios de fadiga sob condições corrosivas em função da dureza do aço para aços de acordo com a invenção e aços de referência.

A composição do aço de acordo com a invenção deve responder às exigências seguintes.

O teor de carbono deve estar compreendido entre 0,45 e 0,7%.

O carbono permite, depois da têmpera e do revenido, aumentar a resistência à tração e a dureza do aço. Se o teor de carbono for inferior a 0,45%, na fai- xa de temperatura habitualmente utilizada para a fabricação das molas, ne- nhum tratamento de têmpera e de revenido levaria a uma alta resistência e a uma alta dureza do aço descrito na invenção. Por outro lado, se o teor de carbono exceder 0,7% e mesmo 0,65%, carbonetos grosseiros e muito du- ros, combinados com cromo, molibdênio e vanádio, podem permanecer no estado não dissolvido durante a austenitização executada antes da têmpera, e podem significativamente afetar a duração de vida em fadiga ao ar, a resis- tência à fadiga sob condições corrosivas e também a tenacidade. Em con- seqüência disso, teores de carbono acima de 0,7% devem ser excluídos. De preferência, eles não devem exceder 0,65%. O teor de silício está compreendido entre 1,65 e 2,5%. O silício é um elemento importante que permite assegurar, graças a sua presença em solução sólida, altos níveis de resistência e de dureza, assim como valores de carbono equivalente Ceq e de resistência à deformação elevados. Para obter os valores de resistência à tração e de dureza do aço de acordo com a invenção, o teor de silício não deve ser inferior a 1,65%. Além disso, o silício contribui pelo menos parcialmente para a desoxidação do aço. Se o teor ex- cede 2,5%, e mesmo 2,2%, o teor de oxigênio do aço pode ser, por reação termodinâmica, superior a 0,0020 preferencialmente 0,0025%. Isso envolve a formação de óxidos de diversas composições que são prejudiciais para a resistência à fadiga ao ar. Além disso, para teores de silício superiores a 2,5%, segregações de diferentes elementos combinados tais como o man- ganês, o cromo ou outros, podem sobrevir durante a solidificação, depois do vazamento. Essas segregações são muito prejudiciais para o comportamen- to em fadiga ao ar e para a resistência à fadiga sob condições corrosivas. Finalmente, para um teor de silício superior a 2,5%, a descarbonetação na superfície das barras ou dos fios destinados a formar as molas se torna grande demais para as propriedades em serviço da mola. É por essa razão que o teor de silício não deve exceder 2,5%, e de preferência 2,2%.

O teor de manganês está compreendido entre 0,20 e 0,75%. O manganês em combinação com o enxofre residual compreendido entre tra- ços e 0,015%, deve ser acrescentado a um teor pelo menos superior a dez vezes o teor de enxofre de maneira a evitar a formação de sulfetos de ferro extremamente prejudiciais para a aptidão à laminação do aço. Em conse- qüência disso, um teor mínimo em manganês de 0,20% é necessário. Além disso, o manganês contribui para o endurecimento em solução sólida duran- te a têmpera do aço, ao mesmo título que o níquel, o cromo, o molibdênio e o vanádio, o que permite obter os valores de resistência à tração e de dure- za elevados e os valores de carbono equivalente Ceq do aço de acordo com a invenção. Para teores em manganês superiores a 0,75% e mesmo 0,65%, segregações, em combinação com o silício, podem sobrevir durante a fase de solidificação que segue a elaboração e o vazamento do aço. Essas se- gregações são prejudiciais para as propriedades em serviço do aço e para a homogeneidade do aço. É por essa razão que o teor de manganês do aço não deve exceder 0,75%, ou melhor 0,65%.

O teor de cromo deve estar compreendido entre 0,60 e 2%, e de preferência entre 0,80 e 1,70%. O cromo é adicionado para obter, em solu- ção sólida depois de austenitização, têmpera e revenido, valores elevados de resistência à tração e de dureza, e para contribuir para a obtenção do valor do carbono equivalente Ceq, mas também para aumentar a resistência à fadiga sob condições corrosivas. Para assegurar essas propriedades, o teor de cromo deve ser de pelo menos 0,60%, e de preferência de pelo me- nos 0,80%. Acima de 2%, e mesmo de 1,7%, carbonetos de cromo especi- ais, grosseiros e muito duros, em combinação com vanádio e molibdênio, podem subsistir depois do tratamento de austenitização executado antes da têmpera. Tais carbonetos afetam bastante a resistência à fadiga ao ar. É por essa razão que o teor de cromo não deve exceder 2%.

O teor de níquel está compreendido entre 0,15 e 1%. O níquel é adicionado de maneira a aumentar a aptidão para a têmpera do aço, assim como a resistência à tração e a dureza depois de têmpera e revenido. Como ele não forma carbonetos, o níquel contribui para o endurecimento do aço, assim como o cromo, o molibdênio e o vanádio, sem formação de carbone- tos especiais grosseiros e duros que não seriam dissolvidos durante a aus- tenitização executada antes da têmpera e poderiam ser prejudiciais para a resistência à fadiga ao ar. Ele permite também ajustar o carbono equivalente entre 0,8 e 1% no aço de acordo com a invenção como é necessário. Como elemento não oxidável, o níquel melhora a resistência à fadiga sob condi- ções corrosivas. Para se assegurar que esses efeitos sejam significativos, o teor de níquel não deve ser inferior a 0,15%. Ao contrário, acima de 1% e mesmo 0,80%, o níquel pode levar a um teor de austenita residual muito e- levado, cuja presença é muito prejudicial para a resistência à fadiga sob condições corrosivas. Além disso, teores elevados de níquel aumentam sig- nificativamente o custo do aço. Por todas essas razões, o teor de níquel não deve exceder 1%, melhor 0,80%. O teor de molibdênio deve estar compreendido entre traços e 1%. Como o cromo, o molibdênio aumenta a aptidão para a têmpera do aço, assim como sua resistência. Além disso ele tem um baixo potencial de oxi- dação. Por essas duas razões, o molibdênio é favorável à resistência em fadiga ao ar e sob condições corrosivas. Mas para teores superiores a 1%, e mesmo 0,80%, carbonetos de molibdênio grosseiros e muito duros podem subsistir, eventualmente combinados com vanádio e com cromo, depois da austenitização que precede a têmpera. Esses carbonetos especiais são mui- to prejudiciais para a resistência em fadiga ao ar. Finalmente, uma adição de molibdênio que excede 1% aumenta inutilmente o custo do aço. É por essa razão que o teor de molibdênio não deve exceder 1%, melhor 0,80%.

O teor de vanádio deve estar compreendido entre 0,003 e 0,8%. O vanádio é um elemento que permite aumentar a temperabilidade, a resis- tência à tração e a dureza depois de têmpera e revenido. Além disso, em combinação com o nitrogênio, o vanádio permite formar um grande número de finos nitretos de vanádio ou de vanádio e de titânio submicroscópicos que permitem afinar o grão e aumentar o nível de resistência à tração e de dure- za, graças a um endurecimento estrutural. Para obter a formação de nitretos submicroscópicos de V e de Ti para o afinamento do grão, o vanádio deve estar presente com um teor mínimo de 0,003%. Mas esse elemento é onero- so e ele deve ser mantido próximo desse limite inferior se um compromisso entre o custo da elaboração e a afinação do grão é procurado. O vanádio não deve exceder 0,8% e, de preferência, 0,5%, pois acima desse valor, uma precipitação de carbonetos que contêm vanádio grosseiro e muito duro, combinados com cromo e molibdênio, pode permanecer no estado não dis- solvido durante a austenitização que ocorre antes da têmpera. Isso pode ser muito desfavorável para a resistência à fadiga ao ar, para os altos valores de resistência e de dureza do aço de acordo com a invenção. E uma adição de vanádio acima de 0,8% aumenta inicialmente o custo do aço.

O teor de cobre deve estar compreendido entre 0,10 e 1%. O cobre é um elemento que endurece o aço quando ele está em solução sólida depois do tratamento de têmpera e de revenido. Assim, ele pode ser adicio- nado com outros elementos que contribuem para aumentar a resistência e a dureza do aço. Como ele não se combina com o carbono, ele proporciona um endurecimento do aço sem formação de carbonetos duros e grosseiros prejudiciais para a resistência à fadiga ao ar. Do ponto de vista eletroquími- co, seu potencial de apassivação é mais elevado do que aquele do ferro e, em conseqüência disso, ele é favorável à resistência à fadiga sob condições corrosivas do aço. Para se assegurar que seus efeitos são significativos, o teor de cobre não deve ser inferior a 0,10%. Ao contrário, para teores supe- riores a 1% e mesmo 0,90%, o cobre tem uma influência muito prejudicial sobre o comportamento na laminação a quente. É por essa razão que os teores de cobre não devem exceder 1%, melhor 0,90%.

O teor de titânio deve estar compreendido entre 0,020 e 0,2%. O titânio é adicionado para formar, em combinação com o nitrogênio, e mesmo também com o carbono e/ou o vanádio, finos nitretos ou carbonitretos sub- microscópicos que permitem afinar o grão austenítico durante o tratamento de austenitização que ocorre antes da têmpera. Assim, ele aumenta a super- fície das junções de grãos no aço, levando assim a uma redução da quanti- dade de impurezas inevitáveis segregadas nas junções de grãos, tal como o fósforo. Tais segregações intergranulares seriam muito prejudiciais para a tenacidade e para a resistência à fadiga ao ar se elas estivessem presentes em concentrações por unidade de superfície elevada em nível de junções de grãos. Além disso, combinado com o carbono e com o nitrogênio, e mesmo com o vanádio e como nióbio, o titânio leva à formação de outros nitretos ou carbonitretos finos que produzem um efeito de captura irreversível de certos elementos, tais como o hidrogênio formado durante as reações de corrosão, e que podem ser extremamente prejudiciais para a resistência à fadiga sob condições corrosivas. Para uma boa eficácia, o teor de titânio não deve ser inferior a 0,020%. Ao contrário, acima de 0,2% e mesmo 0,15%, o titânio pode levar à formação de nitretos ou de carbonitretos grosseiros e duros, muito prejudiciais para a resistência à fadiga ao ar. Esse último efeito é ain- da mais prejudicial para os altos níveis de resistência à tração e de dureza do aço de acordo com a invenção. Por essas razões o teor de titânio não deve exceder 0,2%, melhor 0,15%.

O teor de nióbio deve estar compreendido entre traços e 0,2%. O nióbio é adicionado para formar, em combinação com o carbono e o nitro- gênio, precipitados submicroscópicos extremamente finos de nitretos e/ou de carbonetos que permite, em especial quando o teor de alumínio é baixo (0,002% por exemplo), terminar o afinamento do grão austenítico durante o tratamento de austenitização executado antes da têmpera. Assim, o nióbio aumenta a superfície das junções de grãos no aço, e contribui para o mesmo efeito favorável que o titânio no que diz respeito à fragilização das junções de grãos por impurezas inevitáveis tais como o fósforo, cujo efeito é muito prejudicial para a tenacidade e para a resistência à fadiga sob condições corrosivas. Além disso, precipitados extremamente finos de nitretos ou car- bonitretos de nióbio contribuem para o endurecimento do aço por endureci- mento estrutural. No entanto, o teor de nióbio não deve exceder 0,2% e mesmo 0,15%, de modo que os nitretos ou os carbonitretos permanecem muito finos, para assegurar o afinamento do grão austenítico e evitar a for- mação de fissuras ou de fendas por ocasião da laminação a quente. Por es- sas razões, o teor de nióbio não deve exceder 0,2%, melhor 0,15%.

O teor de alumínio deve estar compreendido entre 0,002 e 0,050%. O alumínio pode ser adicionado para terminar a desoxidação do aço e obter teores de oxigênio que sejam os mais baixos possíveis, e em todo caso inferiores a 0,0020% no aço de acordo com a invenção. Além dis- so, combinado com o nitrogênio, o alumínio contribui para o afinamento do grão pela formação de nitretos submicroscópicos. Para assegurar essas du- as funções, um teor de alumínio que não seja inferior a 0,002% é exigido. Ao contrário, um teor de alumínio que exceda 0,05% pode levar à presença de grandes inclusões isoladas ou a aluminatos mais finos, mas duros e angulo- sos, sob a forma de longos rosários, prejudiciais para a duração de vida de fadiga ao ar e para a limpeza do aço. É por essa razão que o teor de alumí- nio não deve exceder 0,05%.

O teor de fósforo deve estar compreendido entre traços e 0,015%. O fósforo é uma impureza inevitável no aço. Durante um tratamento de têmpera e de revenido, ele co-segrega com elementos tais como o cromo ou o manganês nas antigas junções de grãos austeníticos. Disso resulta uma redução da coesão das junções de grãos e uma fragilização intergranu- lar muito prejudicial para a tenacidade e para a resistência à fadiga ao ar.

Esses efeitos são mesmo ainda mais prejudiciais para as altas resistências à tração e dureza exigidas para os aços de acordo com a invenção. Com o objetivo de obter simultaneamente uma alta resistência à tração e uma alta dureza do aço de molas e uma boa resistência à fadiga ao ar e à fadiga sob condições corrosivas, o teor de fósforo deve ser o mais baixo possível e não deve exceder 0,015%, de preferência 0,010%.

O teor de enxofre está compreendido entre traços e 0,015%. O enxofre é uma impureza inevitável nos aços. Seu teor deve ser o mais baixo possível, entre traços e 0,015%, e de preferência no máximo de 0,010%. É desejado assim evitar a presença de sulfetos desfavoráveis à resistência à fadiga sob condições corrosivas e à resistência à fadiga ao ar, para os altos valores de resistência e de dureza do aço de acordo com a invenção.

O teor de oxigênio deve estar compreendido entre traços e 0,0020%. O oxigênio é também uma impureza inevitável nos aços. Combi- nado com elementos desoxidantes, o oxigênio pode levar ao aparecimento de inclusões grosseiras, isoladas, muito duras e angulosas, ou a inclusões mais finas mas sob a forma de longos rosários que são muito prejudiciais para a resistência à fadiga ao ar. Esses efeitos são ainda mais prejudiciais para os valores elevados de resistência à tração e de dureza dos aços de acordo com a invenção. Por essas razões, a fim de assegurar um bom com- promisso entre altas resistências à tração e dureza e altas resistências à fadiga ao ar e à fadiga sob condições corrosivas para o aço de acordo com a invenção, o teor de oxigênio não deve exceder 0,0020%.

O teor de nitrogênio deve estar compreendido entre 0,0020 e 0,0110%. O nitrogênio deve ser controlado dentro dessa gama de maneira a formar, em combinação com o titânio, o nióbio, o alumínio ou o vanádio nitre- tos, carbonetos muito finos ou carbonitretos submicroscópicos em número suficiente, que permitem uma afinação do grão. Assim, com essa finalidade, o teor mínimo em nitrogênio deve ser de 0,0020%. Seu teor não deve exce- der 0,0110% de maneira a evitar a formação de nitretos ou de carbonitretos de titânio grosseiros e duras maiores do que 20 μιτι, observados a 1,5 mm ± 0,5 mm da superfície das barras ou dos fios máquinas utilizados para a fa- bricação das molas. Essa localização é o lugar que é o mais crítico no que diz respeito à solicitação em fadiga das molas. De fato, tais nitretos ou car- bonitretos de grande tamanho são muito desfavoráveis para a resistência à fadiga ao ar para os valores elevados de resistência e de dureza dos aços de acordo com a invenção, considerando-se o fato de que durante os ensai- os de fadiga ao ar, a ruptura das molas sobrevém na localização de tais grandes inclusões precisamente situadas na proximidade da superfície das molas como mencionado, quando essas inclusões estão presentes.

Para estimar o tamanho dos nitretos e carbonitretos de titânio, considera-se as inclusões como quadrados e estabelece-se que o tamanho das mesmas é igual à raiz quadrada de sua superfície.

Agora vai ser descrito um processo de fabricação de molas de acordo com a invenção.

Um exemplo não Iimitativo do processo de elaboração de um aço de acordo com a invenção é o seguinte: o aço líquido é produzido em um conversor ou em um forno elétrico, e depois é submetido a um tratamen- to de metalurgia na panela durante o qual as adições de elementos de liga e a desoxidantes são executadas, e, em geral, todas as operações de meta- lurgia secundária que permitem obter um aço que tem a composição de a- cordo com a invenção e que evita a formação de sulfetos complexos ou de "carbonitrossulfetos" de elementos tais como o titânio e/ou o nióbio e/ou o vanádio. Para evitar a formação de tais precipitados grosseiros durante a elaboração, os inventores descobriram, de maneira inesperada, que os teo- res de diferentes elementos, em especial os teores de titânio, de nitrogênio, de vanádio e de enxofre, devem ser cuidadosamente controlados dentro dos limites precitados. Depois da elaboração que acaba de ser descrita, o aço é em seguida vazado, ou por Iingotamento contínuo sob a forma de blocos ou de lingotes quadrados, ou sob a forma de lingotes. Mas para evitar comple- tamente ou o máximo possível a formação de nitretos ou de carbonitretos de titânio grosseiros durante e depois da solidificação desses produtos, foi des- coberto que a velocidade de resfriamento média desses produtos (blocos, lingotes quadrados ou lingotes) deve ser regulada de maneira a ser igual a 0,3eC/s ou mais entre 1450 e 1300QC. Quando se opera nessas condições durante a etapa de solidificação e de resfriamento, observa-se de maneira inesperada que o tamanho dos maiores nitretos ou carbonitretos de Ti ob- servados nas molas é sempre inferior a 20 μιη. Será falado mais adiante so- bre a situação e sobre o tamanho desses precipitados de titânio.

Depois de sua passagem para a temperatura ambiente, os pro- dutos que têm a composição precisa de acordo com a invenção (blocos, lin- gotes quadrados ou lingotes) são em seguida reaquecidos e laminados entre 1200 e 800°C sob a forma de fios máquina, ou de barras em uma seqüência única ou dupla de aquecimento e de laminação. De maneira a obter as pro- priedades do aço específicas da invenção, as barras, os fios, as porções, ou mesmo as molas produzidas a partir dessas barras ou fios máquinas, são em seguida submetidos a um tratamento de têmpera com água, de têmpera polimérica ou de têmpera com óleo depois de uma austenitização dentro de uma faixa de temperatura de 850 a 1 OOOqC, de maneira a obter um grão austenítico fino tal para que não haja grãos mais grosseiros do que 9 na es- cala ASTM de tamanho do grão. Esse tratamento de têmpera é em seguida seguido por um tratamento de revenido executado especificamente entre 300 e 550SC, que permite obter os altos níveis exigidos de resistência à tra- ção e de dureza do aço, e evitar por um lado, uma microestrutura que levaria a uma fragilidade no revenido, e por outro lado, uma presença muito grande de austenita residual. Descobriu-se que uma fragilização no revenido e uma presença muito grande de austenita residual são extremamente prejudiciais para a resistência à fadiga sob condições corrosivas do aço de acordo com a invenção. No caso em que as molas são fabricadas a partir de barras não tratadas termicamente ou a partir de fios máquinas ou de porções provenien- tes de tais barras, os tratamentos acima mencionados (têmpera e revenido) devem ser executados sobre as próprias molas nas condições que foram ditas. No caso em que as molas são fabricadas por conformação a frio, es- ses tratamentos térmicos podem ser conduzidos nas barras, ou nos fios má- quinas ou nas porções provenientes dessas barras antes da fabricação da mola.

É bem conhecido que a dureza de um aço depende não somen- te de sua composição, mas também da temperatura do revenido ao qual ele foi submetido. Deve ser entendido que para todas as composições da inven- ção, é possível encontrar temperaturas de revenido dentro da faixa industrial de 300-550ºC que permitem obter uma dureza mínima de 55 HRC objetiva- da.

Os nitretos e carbonitretos sendo muito duros, seu tamanho tal como definido precedentemente praticamente não evolui por ocasião das etapas da transformação do aço. É portanto sem importância que ele seja medido no semiproduto (barra, fio máquina ou porção) que vai servir para fabricar a mola ou na própria mola.

A invenção permite obter aços de molas capazes de conciliar uma dureza e uma resistência à tração elevadas e melhoradas em relação à técnica anterior, ao mesmo tempo em que as propriedades de fadiga ao ar e uma resistência à deformação são melhoradas, as propriedades de fadiga sob condições corrosivas pelo menos equivalentes àquelas dos aços conhe- cidos para esse uso, e mesmo melhores, e uma menor sensibilidade às con- centrações de tensões produzidas pelos defeitos de superfície que podem sobrevir por ocasião da fabricação da mola, graças a uma adição de elemen- tos de microliga, uma diminuição dos elementos residuais e um controle da análise e do canal de produção do aço.

A invenção vai agora ser demonstrada com o auxílio de exem- plos e de exemplos de referência. A tabela 1 mostra as composições de aço de acordo com a invenção e de aços de referência. O carbono equivalente Ceq é dado pela fórmula seguinte:

Ceq = [C] + 0,12 [Si] + 0,17 [Mn] - 0,1 [Ni] + 0,13 [Cr] - 0,24 [V] onde [C], [Si], [Mn], [Cr] e [V] representam o teor de cada elemento em por- centagem em peso. <table>table see original document page 16</column></row><table> A tabela 2 mostra os valores de dureza obtidos para aços de acordo com a invenção e aços de referência, em função da temperatura de revenido que foi aplicada a eles.

Tabela 2: Dureza e resistência à tração em função da temperatura de reve- nido

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A tabela 3 mostra o tamanho máximo das inclusões de nitretos ou carbonitretos de titânio observadas a 1,5 mm da superfície de aços de acordo com a invenção e de aços de referência, tais como definidos prece- dentemente. Também foram relatados os teores em titânio dos diversos a- ços.

O tamanho máximo das inclusões de nitretos ou carbonitretos de titânio é determinado como se segue. Em uma seção de barra ou de fio má- quina que provém de um vazamento de aço dado, uma superfície de 100 mm2 é examinada a uma localização situada a 1,5 mm ± 0,5 mm sob a su- perfície da barra ou do fio máquina. Depois dessas observações, o tamanho da inclusão de nitreto ou carbonitreto de titânio que tem a maior superfície é determinado considerando-se que as inclusões são quadradas e que o ta- manho de cada uma dessas inclusões, inclusive a inclusão que tem a maior superfície, é igual à raiz quadrada dessa superfície. Todas as inclusões são observadas em um corte de barra ou de fio máquina para molas, as obser- vações sendo executadas em 100 mm2 dessa seção. O vazamento de aço está de acordo com a invenção quando o tamanho máximo das inclusões mencionadas acima observadas em 100 mm2 a 1,5 mm ± 0,5 mm sob a su- perfície é inferior a 20 μιτι. Os resultados correspondentes obtidos em aços de acordo com a invenção e aços de referência aos dados na tabela 3. No que diz respeito aos ensaios de referência 1 e 3, o seu teor de titânio é prati- camente nulo e o tamanho dos nitretos e carbonitretos observados é sem objeto.

Tabela 3: Tamanhos máximos das maiores inclusões de nitretos ou carboni- tretos de titânio encontrados a 1,5 mm da superfície das amostras.

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Não foi medido o tamanho das inclusões dos aços de referência 1 e 3, como teor de Ti dos mesmos era pequeno e não de acordo com a in- venção: o resultado teria sido sem significação.

Amostras para ensaios de fadiga foram retiradas em barras, o diâmetro final das amostras de corpos de provas sendo de 11 mm. A prepa- ração das amostras de ensaios em fadiga compreende uma usinagem gros- seira, uma austenitização, uma têmpera com óleo, um revenido, um esmeri- Ihamento e uma projeção de Iimalhas sob a superfície das amostras. Essas amostras foram testadas em fadiga-torção ao ar. A tensão de cisalhamento aplicada foi de 856 ± 494 MPa e o número de ciclos até a ruptura foi conta- do. Os ensaios foram interrompidos depois de 2.106 ciclos se as amostras não estavam rompidas. As amostras para ensaio de fadiga sob condições corrosivas foram retiradas em barras, o diâmetro final dos corpos de prova sendo de 11 mm. A preparação das amostras para ensaios em fadiga compreende uma usinagem grosseira, uma austenitização, uma têmpera com óleo, um reveni- do, um esmerilhamento e uma projeção de Iimalhas sob a superfície das amostras. Essas amostras foram testadas em fadiga sob condições corrosi- vas, quer dizer que uma corrosão foi aplicada ao mesmo tempo que uma carga em fadiga. A carga de fadiga é uma tensão de cisalhamento igual a 856 ± 300 MPa. A corrosão aplicada era uma corrosão cíclica em duas eta- pas alternadas:

- uma etapa sendo uma etapa úmida com a pulverização de uma solução salina que contém 5% de NaCI durante 5 minutos a 359C;

- uma etapa sendo uma etapa a seco sem pulverização, com duração de 30 minutos a uma temperatura mantida a 35SC.

O número de ciclos até a ruptura foi considerado como a dura- ção de visa em fadiga sob condições corrosivas.

A resistência à deformação foi determinada utilizando-se um en- saio de compressão cíclica em amostras cilíndricas. O diâmetro das amos- tras sendo de 7 mm e sua altura de 12 mm. Elas foram retiradas nas barras de aço. 1

A preparação das amostras de ensaios de deformação compre- endida uma usinagem grosseira, uma austenitização, uma têmpera em óleo, um revenido e um esmerilhamento fino final. A altura da amostra foi medida precisamente antes do início do teste utilizando-se para isso um comparador de uma precisão de 1 μιτι. Uma pré-carga foi aplicada de maneira a simular a tensão prévia das molas, essa tensão prévia sendo uma tensão de com- pressão de 2200 MPa.

E depois o ciclo de carga de fadiga foi aplicado. Essa tensão era de 1270 ± 730 MPa. A perda de altura da amostra foi medida durante a exe- cução de um certo número de ciclos, até 1 milhão. No final do ensaio, a de- formação total foi determinada por uma medição precisa da altura subsisten- te comparada com a altura inicial, quanto menor era a diminuição da altura, em porcentagem da altura inicial melhor era a resistência à deformação.

Os resultados dos ensaios de fadiga, de fadiga sob condições corrosivas e de deformação nos aços da invenção e nos aços de referência são dados na tabela 4.

Tabela 4: Resultados de ensaios de fadiga, fadiga sob condições corrosivas e deformacao

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Dessas tabelas, se destaca que os diferentes aços de referência são insatisfatórios, notadamente pelas razoes que se seguem.

O aço de referência 1 tem, notadamente, um teor de enxofre e- levado demais para realizar um bom compromisso entre a resistência em fadiga ao ar e o teor de fadiga sob condições corrosivas. Além disso, seu teor de manganês é elevado demais, o que acarreta segregações prejudici- ais para a homogeneidade do aço e para a resistência em fadiga ao ar.

O aço de referência 2 tem um teor de carbono e um carbono e- quivalente muito baixos para assegurar uma dureza elevada. Sua resistência à tração é baixa demais para uma boa resistência à fadiga ao ar.

O aço de referência 3 tem, notadamente, um teor de silício baixo demais para assegurar uma boa resistência à deformação, e também uma boa resistência à fadiga ao ar.

A resistência à deformação é maior para os aços da invenção do que para os aços de referência, como o mostra a figura 1, na qual está claro que, de acordo com as medições de deformação mencionadas acima, os valores de deformação são de pelo menos 32% inferiores para o pior caso dos aços de invenção (aço da invenção 1) em relação ao melhor caso dos aços de referência (aço de referência 1).

A duração de vida em fadiga ao ar é nitidamente maior para os aços da invenção em relação aos aços de referência. Isso é devido ao au- mento da dureza, como o mostra a figura 2. Mas um aumento da dureza não é suficiente. De fato, de modo geral, aços de dureza elevada são ainda mais sensíveis aos defeitos, tais como as inclusões e os defeitos de superfície, quanto maior for a dureza. Assim, os aços de acordo com a invenção são menos sensíveis aos defeitos, em especial às grandes inclusões tais como os nitretos ou carbonitretos de titânio, considerando-se que a invenção evita o aparecimento de tais inclusões de tamanho grande demais. Como o mos- tra a tabela 3, as maiores inclusões encontradas nos aços de acordo com a invenção não excedem o tamanho de 14,1 μm, enquanto que inclusões mai- ores do que 20 μm se encontram n aço de referência 2. Além disso, a menor sensibilidade aos defeitos de superfície tais como aqueles que podem so- brevir por ocasião da fabricação da mola ou de outras operações quando são utilizados aços da invenção pode ser ilustrada por ensaios de resiliência executados nos aços da invenção e nos aços de referência que foram sub- metidos a um tratamento térmico e que têm durezas de 55 HRC ou mais, ver a figura 3. Os valores medidos por ocasião dos ensaios de Charpy nos aços da invenção (onde o entalhe do corpo de prova simula uma concentração de tensão como outras concentrações de tensões que podem ser encontradas em defeitos de superfície produzidos por ocasião da fabricação da mola ou de outras operações) são maiores do que os valores medidos nos aços de referência. Isso mostra que os aços de acordo com a invenção são menos sensíveis às concentrações de tensões nos defeitos do que os aços de refe- rência de acordo com a arte anterior.

Sabe-se que um aumento da dureza reduz a resistência à fadiga sob condições corrosivas. Assim, é revelado que os aços de acordo com a invenção têm a vantagem de que sua resistência à fadiga sob condições corrosivas é maior do que aquela dos aços de referência de acordo com a técnica anterior, e em especial para as durezas superiores a 55 HRC como o mostra a figura 4.

Assim, a invenção permite obter uma dureza maior com um bom compromisso entre a duração de vida em fadiga ao ar e uma resistência à deformação que são bastante aumentadas, e uma duração de vida em fadi- ga sob condições corrosivas que é melhor do que aquela dos aços de refe- rência de acordo com a arte anterior. Além disso, uma menor sensibilidade a possíveis defeitos de superfície, em especial aqueles gerados durante a fa- bricação da mola ou outras operações, também é obtida.

Claims

1. Aço de molas, de elevada resistência à fadiga ao ar e sob condições corrosivas, e de alta resistência à deformação cíclica, caracteri- zado por ter uma composição em porcentagem em peso: C = 0,45 - 0,70% Si = 1,65 - 2,50% Mn = 0,20 - 0,75% Cr = 0,60 - 2% Ni = 0,15- 1% Mo = traços -1 % V = 0,003 - 0,8% Cu = 0,10- 1% Ti = 0,020 - 0,2% Nb = traços - 0,2% Al = 0,002 - 0,050% P = traços - 0,015% S = traços - 0,015% O = traços - 0,0020% N = 0,0020-0,0110% o resto sendo ferro e impurezas que resultam da elaboração, e cujo teor de carbono equivalente Ceq, calculado de acordo com a fórmula Ceq% = [C%] + 0,12 [Si%] + 0,17 [Mn%] - 0,1 [Ni%] + 0,13 [Cr%] - 0,24 [V%] está compreendido entre 0,80 e 1,00%, e cuja dureza, depois de têmpera e revenido, é superior ou igual a 55 HRC.

2. Aço de molas, de acordo com a reivindicação 1, caracteriza- do pelo fato de que o tamanho máximo dos nitretos e carbonitretos de Ti observados a 1,5 + 0,5 mm da superfície de uma barra, ou de um fio máqui- na, de uma porção ou de uma mola em 100 mm2 da superfície de corte é inferior ou igual a 20 μηι, o dito tamanho sendo a raiz quadrada da superfície das inclusões consideradas como quadrados.

3. Aço de molas, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracte- rizado pelo fato de que sua composição é: C = 0,45 - 0,65% Si = 1,65 - 2,20% Mn = 0,20 - 0,65% Cr = 0,80-1,7% Ni = 0,15-0,80% Mo = traços - 0,80% V = 0,003 - 0,5% Cu = 0,10-0,90% Ti = 0,020-0,15% Nb = traços-0,15% Al = 0,002 - 0,050% P = traços-0,010% S = traços - 0,010% O = traços - 0,0020% N = 0,0020-0,0110% o resto sendo ferro e impurezas que resultam da elaboração.

4. Processo de fabricação de um aço de molas de elevada resis- tência à fadiga ao ar e sob condições corrosivas e de alta resistência à de- formação cíclica, de acordo com o qual elabora-se um aço líquido em um conversor ou um forno elétrico, ajusta-se sua composição, vaza-se o mesmo sob a forma de blocos ou de lingotes quadrados em Iingotamento contínuo ou de lingotes que se deixa esfriar à temperatura ambiente, lamina-se o mesmo sob a forma de barras, de fios máquinas ou de porções e transfor- ma-se o mesmo em molas, caracterizado pelo fato de que: - o aço é do tipo como definido em uma das reivindicações 1 a 3; - impõe-se aos blocos, lingotes quadrados ou lingotes durante ou depois de sua solidificação, uma velocidade de resfriamento média míni- ma de 0,3QC/s entre 1450 e 1300QC; - lamina-se os ditos blocos, lingotes quadrados ou lingotes entre -12009 e 8009C em um ou dois ciclos de reaquecimento e laminação; - e realizam-se nas barras, nos fios máquinas ou nas porções, ou nas molas que são provenientes dos mesmos, uma austenitização entre -850 e 1000ºC, seguida por uma têmpera em água, uma têmpera polimérica ou uma têmpera em óleo, e por um revenido a 300-500ºC, de maneira a con- ferir ao aço uma dureza superior ou igual a 55 HRC.

5. Mola, caracterizada pelo fato de que ela é feita de um aço como definido em uma das reivindicações 1 a 3.

6. Mola de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que ela é feita de um aço obtido pelo processo como definido na rei- vindicação 4.