BRPI0718512B1 - composição de pó metalúrgico e método de produção - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "COMPOSIÇÃO DE PÓ METALÚRGICO E MÉTODO DE PRODUÇÃO".

Campo da Invenção A presente invenção refere-se a um pó à base de ferro. Especialmente a invenção diz respeito a um pó adequado para a produção de produtos resistentes ao desgaste.

Antecedentes da Técnica Produtos tendo elevada resistência ao desgaste são extensivamente usados e há uma necessidade constante de produtos mais baratos tendo o desempenho igual ou melhor do que os produtos existentes. A fabricação de produtos tendo elevada resistência ao desgaste pode se basear em, por exemplo, pós, tais como pós de ferro ou à base de ferro, incluindo carbono sob a forma de carbonetos.

Geralmente, carbonetos são muito duros e têm pontos de fusão elevados, características as quais proporcionam aos mesmos uma elevada resistência ao desgaste em muitas aplicações. Esta resistência ao desgaste frequentemente torna os carbonetos desejáveis como componentes em a-ços, por exemplo, aços rápidos (HSS), que requerem uma elevada resistência ao desgaste, tais como aços para brocas, tornos mecânicos, sedes de válvulas, e similares.

Exemplos de pós à base de ferro com elevada resistência ao desgaste convencionais são divulgados, por exemplo, na patente norte-americana N° 6 679 932, relativa a uma mistura de pós incluindo um pó de aço de ferramentas com carbonetos finamente dispersados, e na patente norte-americana N° 5 856 625 relativa a um pó de aço inoxidável. W, V, Mo, Ti e Nb são fortes elementos formadores de carboneto os quais tornam estes elementos especialmente interessanets para a produção de produtos resistentes ao desgaste. Cr é outro elemento formador de carboneto. No entanto, a maioria destes metais formadores de carboneto convencionais são caros e resultam em um produto de preço inconvenientemente elevado. Portanto, existe a necessidade dentro da indústria metalúrgica de pós para um pó à base de ferro ou aço rápido mais barato propor- cionando suficiente resistência ao desgaste a produtos prensados e sinteri-zados tais como para sedes de válvulas ou similares.

Como cromo é um metal formador de carboneto muito barato e mais prontamente disponível do que outros metais semelhantes usados em pós convencionais e fases duras com elevada resistência ao desgaste, seria desejável ser capaz de usar cromo como principal metal formador de carboneto. Deste modo, o pó, e portanto o produto compactado, pode ser produzido de modo mais barato.

Os carbonetos de aços rápidos regulares são geralmente bastante pequenos, mas de acordo com a presente invenção foi agora mostrado inesperadamente que pós tendo resistência ao desgaste igualmente vantajosos, para, por exemplo, aplicações de sedes de válvulas, podem ser obtidos com cromo como o principal metal formador de carboneto, contanto que os carbonetos sejam suficientemente grandes.

Sumário da Invenção Um objetivo da presente invenção é portanto proporcionar um pó à base de ferro barato para a fabricação de produtos metalúrgicos de pós tendo uma elevada resistência ao desgaste.

Este objetivo, bem como outros objetivos evidentes a partir da discussão abaixo, são de acordo com a presente invenção atingidos através de um pó à base de ferro atomizado em água pré-ligado recozido, compreendendo 15 a 30% em peso de Cr, 0,5 a 5% em peso de cada de pelo menos um de Mo, W, e V, e 0,5 a 2%, preferencialmente 0,7 a 2% e o mais preferencialmente 1 a 2% em peso de C, em que o pó à base de ferro tem uma matriz compreendendo menos de 10% em peso de Cr, e em que o pó à base de ferro compreende grandes carbonetos de cromo.

Muito embora tenha sido visto que um teor de Cr na faixa 15 a 30% em peso resulte em quantidades suficientes de carbonetos de tipo, tamanho e dureza adequados, foi visto que um teor de Cr de 18% em peso ou acima reforça adicionalmente este efeito e resulta em uma quantidade particularmente elevada de carbonetos de um tipo, tamanho e dureza adequados. Por conseguinte, em algumas modalidades, o pó à base de ferro atomi- zado em água pré-ligado recozido compreende 18 a 30% em peso de Cr.

Em algumas modalidades, o pó à base de ferro atomizado em água pré-ligado recozido compreende 15 a 30% em peso de Cr, 0,5 a 5% em peso de Mo e 1 a 2% em peso de C.

De acordo com a presente invenção, este novo pó o qual atinge os ojetivos acima pode ser obtido através de um método para produzir um pó à base de ferro compreendendo submeter uma fusão à base de ferro incluindo 15 a 30% em peso de Cr, 0,5 a 5% em peso de pelo menos um de Mo, W, e V, e 0,5 a 2%, preferencialmente 0,7 a 2% e o mais preferencialmente 1 a 2% em peso de C a atomização em água de modo a obter partículas de pó à base de ferro, e recozer as partículas de pó em uma temperatura, e por um período de tempo suficiente para obter grandes carbonetos dentro das partículas.

Em modalidades preferenciais, foi visto que temperaturas na faixa de 900 a 1100°C e tempos de recozimento na faixa de 15 a 72 horas são suficientes para obter os desejados carbonetos dentro das partículas.

Em algumas modalidades, a fusão à base de ferro compreende 18a 30% em peso de Cr.

Em algumas modalidades, a fusão à base de ferro compreende 15a 30% em peso de Cr, 0,5 a 5% em peso de Mo e 1 a 2% em peso de C. Breve Descrição dos Desenhos: A Figura 1 mostra a microestrutura de material de teste à base de A3. A Figura 2 mostra a microestrutura de material de teste à base de M3/2.

Descrição Detalhada das Modalidades Preferenciais O pó pré-ligado da invenção contém cromo, 15 a 30%, preferencialmente 18 a 25% em peso de pelo menos um de molibdênio, tungstênio, e vanádio, 0,5 a 5% em peso de cada, e carbono, 0,5 a 2%, preferencialmente 0,7 a 2% e o mais preferencialmente 1 a 2% em peso, o restante sendo ferro, outros elementos de liga opcionais e impurezas inevitáveis. O pó pré-ligado pode incluir opcionalmente outros elementos de liga, tais como tungstênio, até 3% em peso, vanádio até 3% em peso, e silício até 2% em peso. Outros elementos de liga ou aditivos também podem ser incluídos opcionalmente. Em uma modalidade, o pó pré-ligado inclui silício até 2% em peso.

Deve ser observado especificamente que os metais formadores de carboneto muito caros nióbio e titânio não são necessários no pó da presente invenção. O pó pré-ligado preferencialmente tem um tamanho de partícula médio na faixa de 40 a 100 pm, preferencialmente de cerca de 80 pm.

Em modalidades preferenciais, o pó pré-ligado consiste em 20 a 25 % em peso de Cr, 1 a 2 % em peso de Mo, 1 a 2 % em peso de W, 0,5 a 1,5 % em peso de V, 0,2 a 1 % em peso de Si, 1 a 2 % em peso de C e o restante Fe, ou de 20 a 25 % em peso de Cr, 2 a 4 % em peso de Mo, 1 a 2 % em peso de C e o restante Fe.

Em outras modalidades preferenciais, o pó pré-ligado consiste em 19 a 23 % em peso de Cr, 1 a 2 % em peso de Mo, 1,5 a 3,5 % em peso de W, 0,5 a 1,5 % em peso de V, 0,2 a 1 % em peso de Si, 1 a 2 % em peso de C e o restante Fe, ou de 20 a 25 % em peso de Cr, 2 a 4 % em peso de Mo, 1 a 2 % em peso de C e o restante Fe.

Os carbonetos do pó da invenção preferencialmente têm um tamanho médio na faixa de 8 a 45 pm, mais preferencialmente na faixa de 8 a 30 pm, e preferencialmente compõem 20 a 40% em volume do pó total.

Como os carbonetos têm um formato irregular, por "tamanho" se pretende a mais longa extensão conforme medido em um microscópio.

Muito embora outros tipos de grandes carbonetos sejam adequados, em algumas modalidades os grandes carbonetos do pó da invenção são do tipo M23C6 (M = Cr, Fe, Mo, W,), isto é, além de Cr como o elemento formador de carboneto dominante um ou mais de Fe, Mo e W podem estar presentes. Os grandes carbonetos também podem conter outros diferentes dos elementos formadores de carboneto especificados acima em pequenas quantidades.

De modo a obter estes grandes carbonetos, o pó pré-ligado é submetido a recozimento prolongado, preferencialmente sob vácuo. O reco-zimento é realizado preferencialmente na faixa de 900 a 1100°C, o mais preferencialmente em cerca de 1000°C, temperatura na qual o cromo do pó pré-ligado reage com carbono formando carbonetos de cromo.

Durante o recozimento, novos carbonetos são formados e aumentados e os carbonetos existentes continuam a crescer através de reação entre cromo e carbono. O recozimento é preferencialmente continuado por 15 a 72 horas, mais preferencialmente por mais de 48 horas, de modo a obter carbonetos do tamanho desejado. Quanto mais longa a duração do recozimento, mais os grãos de carboneto crescerão. No entanto, o recozimento consume muita energia e pode ser um gargalo do fluxo da produção se continuar por um longo tempo. Portanto, embora um tamanho médio do grão de carboneto de cerca de 20 a 30 pm possa ser ótimo, dependendo da prioridade, pode ser mais conveniente de um ponto de vista econômico terminar o recozimento precocemente, quando o tamanho médio do grão de carboneto é cerca de 10 pm. É aplicado resfriamento muito lento, preferencialmente mais de 12 horas, a partir da temperatura de recozimento. O lento resfriamento permitirá o crescimento adicional de carbonetos, uma vez que uma maior quantidade de carbonetos é termodinamicamente estável em menores temperaturas. O lento resfriamento também garante que a matriz se torne ferrítica, o que é importante para a compressibilidade do pó. O recozimento do pó também tem outras vantagens além do crescimento de carbonetos.

Durante o recozimento também os grãos da matriz crescem e as tensões inerentes das partículas de pó, obtidas em consequência da atomi-zação em água, são relaxados. Estes fatores tornam o pó menos duro e mais fácil de compactar, por exemplo, dão ao pó maior compressibilidade.

Durante o recozimento, os conteúdos de carbono e de oxigênio do pó podem ser ajustados. Geralmente é desejável manter o teor de oxigênio baixo. Durante o recozimento, carbono é reagido com oxigênio para formar óxido de carbono gasoso, o que reduz o teor de oxigênio do pó. Se não houver carbono suficiente no próprio pó pré-ligado, tanto para formar carbo-netos quanto para reduzir o teor de oxigênio, carbono adicional, sob forma de pó de grafita, pode ser proporcionado para o recozimento.

Como grande parte do cromo do pó pré-ligado migra da matriz para os carbonetos durante o recozimento, a matriz do pó recozido resultante tem um teor de cromo dissolvido de menos de 10% em peso da matriz, preferencialmente menos de 9% em peso e o mais preferencialmente menos de 8% em peso, pelo que o pó não é inoxidável. A composição da matriz do pó é desenhada de tal modo que ferrita se transforma em austenita durante a sinterização. Deste modo, a austenita pode se transformar em martensita no resfriamento depois da sinterização. Grandes carbonetos em uma matriz martensítica darão boa resistência ao desgaste do componente prensado e sinterizado.

Embora a parte principal dos carbonetos do pó da invenção sejam carbonetos de cromo, alguns carbonetos também podem ser formados por outros compostos formadores de carboneto no pó pré-ligado, tais como o molibdênio, o tungstênio e o vanádio mencionados acima. O pó recozido da invenção pode ser misturado com outros componentes em pó, tais como outros pós à base de ferro, grafita, lubrificantes evaporativos, lubrificantes sólidos, agentes reforçadores da usinabilidade e etc, antes da compactação e da sinterização para produzir um produto com elevada resistência ao desgaste. Pode-se, por exemplo, misturar o pó da invenção com pó de ferro puro e pó de grafita, ou com um pó de aço inoxidável. Pode ser adicionado um lubrificante, tal como uma cera, estearato, sabão de metal ou similar, o qual facilita a compactação e em seguida evapora durante a sinterização, bem como um lubrificante sólido, tal como MnS, CaF2, M0S2, o qual reduz a fricção durante o uso do produto sinterizado e o qual também pode reforçar a usinabilidade do mesmo. Além disso podem ser adicionados outros agentes de reforço da usinabilidade, bem como outros aditivos convencionais do campo metalúrgico de pós.

Exemplo 1 Uma fusão de 21,5% em peso de Cr, 1,5% em peso de Mo, 1,5% em peso de W, 1 % em peso de V, 0,5% em peso de Si, 1,5% em peso de C e o restante Fe foi atomizado em água para formar um pó pré-ligado. O pó obtido foi em seguida recozido a vácuo a 1000°C por cerca de 48 horas, o tempo de recozimento total sendo cerca de 60 horas, depois do qual as partículas de pó continham cerca de 30% em volume de carbonetos de cro-mo de um tamanho de grão médio de cerca de 10 pm em uma matriz ferríti-ca.

Exemplo 2 Uma fusão de 21,5% em peso de Cr, 3% em peso de Mo, 1,5% em peso de C e o restante Fe foi atomizado em água para formar um pó pré-ligado. O pó obtido foi em seguida recozido a vácuo a 1000°C por cerca de 48 horas, o tempo de recozimento total sendo cerca de 60 horas, depois do qual as partículas de pó continham cerca de 30% em volume de carbonetos de cromo de um tamanho de grão médio de cerca de 10 pm em uma matriz ferrítica.

Exemplo 3 Uma fusão de 21,0% em peso de Cr, 1,5% em peso de Mo, 2,5% em peso de W, 1% em peso de V, 0,5% em peso de Si, 1,6% em peso de C e o restante Fe foi atomizado em água para formar um pó pré-ligado. O pó obtido foi em seguida recozido a vácuo a 1000°C por cerca de 48 horas, o tempo de recozimento total sendo cerca de 60 horas, depois do qual as partículas de pó continham cerca de 30% em volume de carbonetos de cromo de um tamanho de grão médio de cerca de 10 pm em uma matriz ferrítica. O pó obtido (referido a seguir como A3) foi misturado com 0,5% em peso de grafita e 0,75% em peso de um lubrificante evaporativo. A mistura foi compactada em barras de teste em uma pressão de 700 MPa. As a-mostras obtidas foram sinterizadas em uma atmosfera de 90N2/10H2 em uma temperatura de 1120°C. Depois da sinterização, as amostras foram submetidas a resfriamento criogênico em nitrogênio líquido seguido por temperamento a 550°C.

Uma mistura similar baseada no pó HSS M3/2 conhecido, foi preparada e foram produzidas barras de teste usando o mesmo processo que o processo descrito acima.

As barras de teste foram submetidas a testes de dureza de a-cordo com o método de Vickers. A dureza a quente foi testada em três temperaturas diferentes (300/400/500°C). Os resultados são resumidos na tabela abaixo. A microestrutura do material de teste A3 (vide a Figura 1) consiste em carbonetos muito grandes em uma matriz martensítica, ao passo que o material de referência tem uma microestrutura (vide a Figura 2) com carbonetos consideravelmente menores em uma matriz martensítica. O material A3 tem porosidade um tanto maior do que o material M3/2, o que explica porque os valores de dureza de A3 (HV5) são menores do que os valores para M3/2 embora os valores de microdureza (HV0,025) para os dois materiais sejam quase os mesmos. Na produção dos componentes PM VSI, a porosidade é normalmente eliminada por infiltração por cobre durante sinterização e semelhantes efeitos podem ser portanto desprezados. À luz disto, os valores de dureza do material A3 são comparáveis aos do material de referência M3/2, o que dá boa indicação de que os materiais devem ter resistência ao desgaste comparável. Especialmente, manter a dureza em temperaturas elevadas é importante para resistência ao desgaste em aplicações de VSI. Os resultados do teste de dureza a quente mostram que o material A3 satisfaz estes requisitos.

Exemplo 4 Uma fusão de 21,5% em peso de Cr, 3% em peso de Mo, 1,5% em peso de C e o restante Fe foi atomizada em água para formar um pó pré-ligado. O pó obtido foi em seguida recozido a vácuo a 1000°C por cerca de 48 horas, o tempo de recozimento total sendo cerca de 60 horas, depois do qual as partículas de pó continham cerca de 30% em volume de carbonetos de cromo de um tamanho de grão médio de cerca de 10 pm em uma matriz ferrítica Processando este pó, misturado com 0,5 por cento em peso de grafita e 0,75 por cento em peso de um lubrificante evaporativo, para produzir barras de teste do mesmo modo que no exemplo 3, resultou em uma mi-croestrutura muito similar àquela na Figura 1.

Claims (15)

1. Pó à base de ferro atomizado em água pré-ligado recozido, compreendendo: 15a 30% em peso de Cr; 0,5 a 5% em peso de cada de no mínimo um de Mo, W, e V; e 0,5 a 2%, preferencialmente 0,7 a 2% e o mais preferencial mente 1 a 2% em peso de C; 0 restante sendo ferro, opcionalmente outros elementos de liga tais como tungstênio até 3% em peso, vanádio até 3% em peso, e silício até 2% em peso de outros elementos de liga opcionais e impurezas inevitáveis; caracterizado pelo fato de que o pó à base de ferro tem uma matriz compreendendo menos de 10% em peso de Cr e compreende carbone-tos de cromo tendo um tamanho médio de 8 a 45 pm.

2. Pó à base de ferro de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende 18 a 25% em peso de Cr.

3. Pó à base de ferro de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende 15a 30% em peso de Cr; 0,5 a 5% em peso de Mo; e 1 a 2% em peso de C.

4. Pó à base de ferro de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que inclui carbonetos tendo um tamanho médio de 8 a 30 pm.

5. Pó à base de ferro de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que compreende 20 a 40% em volume de carbonetos.

6. Pó à base de ferro de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que os outros elementos de liga opcionais compreendem 0 a 3% de W, 0 a 3% de V, e 0 a 2% de Si.

7. Pó à base de ferro de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o pó compreende adicionalmente 0 a 2% de Si.

8. Pó à base de ferro de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que apresenta um tamanho de partícula médio em peso de 40 a 100 μm.

9. Pó à base de ferro de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que consiste em 20 a 25 % em peso de Cr, 1 a 2 % em peso de Mo, 1 a 2 % em peso de W, 0,5 a 1,5 % em peso de V, 0,2 a 1 % em peso de Si, 1 a 2 % em peso de C e o restante Fe.

10. Pó à base de ferro de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que consiste em 19 a 23 % em peso de Cr, 1 a 2 % em peso de Mo, 1,5 a 3,5 % em peso de W, 0,5 a 1,5 % em peso de V, 0,2 a 1 % em peso de Si, 1 a 2 % em peso de C e o restante Fe.

11. Pó à base de ferro de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que consiste em 20 a 25 % em peso de Cr, 2 a 4 % em peso de Mo, 1 a 2 % em peso de C e o restante Fe.

12. Método para produzir um pó à base de ferro caracterizado pelo fato de que compreende: submeter uma fusão à base de ferro incluindo 15 a 30% em peso de Cr, 0,5 a 5% em peso de cada de pelo menos um de Mo, W, e V, 0,5 a 2%, preferencial mente 0,7 a 2%, o mais preferencial mente 1 a 2% em peso de C, e equilibrada com ferro, opcionalmente outros elementos de liga tais como tungstênio até 3% em peso, vanádio até 3% em peso, e silício até 2% em peso de outros elementos de liga opcionais e impurezas inevitáveis a atomização em água de modo a obter partículas de pó à base de ferro; e recozer as partículas de pó em uma temperatura de 900 a 1100° C, e por um período de tempo de 15 a 72 horas para obter uma matriz compreendendo menos de 10% em peso de Cr e obter carbonetos de cromo tendo um tamanho médio de 8 a 45 pm.

13. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a fusão à base de ferro inclui 18 a 25% em peso de Cr.

14. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a fusão à base de ferro inclui

15a 30% em peso de Cr; 0,5 a 5% em peso de Mo; e 1 a 2% em peso de C.