BRPI0904501A2 - liga de aço para trabalho a quente - Google Patents
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Abstract
LIGA DE AçO PARA TRABALHO A QUENTE. A presente invenção refere-se a uma liga de aço para trabalho a quente, contendo os elementos carbono (C), silício (si), manganês (Mn), cromo (Cr), molibdênio (Mo), vanádio (V), nitrogênio (N) e elementos de impurezas, assim como ferro como resíduo. A fim de se conseguir, no caso de uma têmpera térmica, uma elevada dureza e uma tenacidade aperfeiçoada do material, mesmo em taxas de resfriamento baixas, de acordo com a invenção é previsto que os e- lementos de liga apresentem teores, em % em peso de: Carbono (C) 0,35 até 0,42 Silício (Si) 0,15 até 0,29 Manganês (Mn) 0,40 até 0,70 Cromo (Cr) 4,70 até 5,45 Molibdênio (Mo) 1,55 até 1,95 Vanádio (V) 0,40 até 0,75 Nitrogênio (N) 0,011 até 0,016.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "LIGA DEAÇO PARA TRABALHO A QUENTE".
A presente invenção refere-se a uma liga de aço para trabalho aquente com elevada tenacidade e simultaneamente grande profundidade deendurecimento ou dureza completa martensítica aperfeiçoada no caso deum tratamento térmico de produtos tais como, por exemplo, formas de mol-dagem sob pressão ou matrizes para prensas de extrusão e similares.
Um tratamento térmico de uma peça, por exemplo, a partir deaço para trabalho a quente, para o ajuste de uma elevada dureza de materialem temperaturas de aplicação da peça de até 550°C e mais elevadas com-preende, essencialmente, um aquecimento do material para uma temperatu-ra, na qual esse tem uma estrutura atômica cúbica-plana centrada ou umaestrutura austenítica, seguido por um resfriamento forçado para a obtençãode uma estrutura martensítica e de um tratamento de têmpera eventualmen-te repetido, subsequente, em temperaturas, em geral, acima de 500°C. Du-rante a têmpera, por um lado, são pelo menos parcialmente diminuídas astensões no material formadas quando do resfriamento e transformação deestrutura e, por outro lado, é elevada a dureza do material por deposições decarbeto ou é alcançado um assim chamado aumento de dureza secundária.
Uma transformação de uma estrutura austenítica em uma estru-tura martensítica exige, como é de fato conhecido do versado na técnica,uma velocidade de resfriamento mínima do material, porque essa transfor-mação ocorre, devido a um sub-resfriamento pronunciadamente elevado,como processo de limitação da condutividade termal sem difusão da estrutu-ra atômica. Taxas de resfriamento mais baixas conduzem à formação deuma estrutura de bainita ou de perlita.
As propriedades de um material são dependentes de sua com-posição química e de sua estrutura cristalina ajustada por um tratamentotérmico e delas se origina um determinado perfil de propriedades de umapeça.
Em outras palavras: a composição química de um material e aintensidade do resfriamento ou da remoção de calor da superfície quando doendurecimento da peça determinam a estrutura cristalina na região da super-fície e, devido ao retroaquecimento a partir do interior da peça, a formaçãode estrutura em função da distância da superfície da peça.
Materiais para trabalho a quente para formas de moldagem sobpressão e similares suportam, por razões de uma preparação dos produtosprogressivamente econômica, solicitações crescentes por tempos seqüenci-ais encurtados e pressões de moldagens elevadas. Além disso, são previs-tos, em escala crescente, geometrias complexas do espaço oco de molda-gem, de modo que estejam presentes cargas globais da ferramenta sumari-amente essencialmente elevadas. Essas cargas globais podem provocarinterrupções da ferramenta por fraturas por tensão, fraturas por queima, fra-turas grosseiras, corrosão e erosão, de modo que sejam necessários mate-riais com dureza e resistência elevadas, assim como, simultaneamente, ele-vadas tenacidade e ductibilidade. Essas propriedades necessárias são, con-tudo, dependentes da composição química da liga e das suas propriedadesde tratamento térmico dela resultantes.
Há muito tempo, são utilizados aços de Cr-Mo-V para ferramen-tas para trabalho a quente, sendo que são adequadas as espécies de açoX38 CrMoV5 51 e X38 CrMoV 53 de maneira correspondente à Lista de Aço-Ferro DIN Material N0 1.2343 e Material N0 1.2367, tal como também da ma-neira indicada na lista, "altamente resistente à têmpera" e para "ferramentascom grandes dimensões".
O Material N0 1.2343 serve para "ferramentas, moldes e prensasaltamente solicitados".
Os materiais acima apresentam uma grande profundidade dedureza ou uma temperabilidade térmica, de alcance profundo, para valoresde dureza necessários entre 50 e 55 HRC. No entanto, suas propriedadesde tenacidade são baixas, o que pode ser desvantajoso para as proprieda-des de utilidade de formas de moldagem sob pressão.
No caso de um Material N0 1.2343, por uma diminuição do teorem silício predeterminado de 0,90 até 1,20% em peso para uma concentra-ção de 0,2% em peso, pode ser conseguida uma elevação substancial datenacidade do material depois de um tratamento térmico de têmpera, entre-tanto, são necessárias, para tal, elevadas velocidades de resfriamentoquando do endurecimento, as quais, freqüentemente, não podem ser conse-guidas.
A invenção, agora, se propõe como objetivo, conseguir um açopara trabalho a quente do tipo mencionado no início, o qual, no caso de umresfriamento forçado a partir da região austenítica, mesmo em baixas taxasde resfriamento, se forme uma estrutura de têmpera martensítica, substanci-almente completa, depois do que são conseguidas, por um tratamento detêmpera dirigida, uma elevada dureza e uma tenacidade aperfeiçoada domaterial.
Esse objetivo é alcançado com uma liga de aço para trabalho aquente pelo fato de que os elementos de liga apresentam teores em % empeso de:
Carbono (C) de 0,35 até 0,42Silício (Si) de 0,15 até 0,29Manganês (Mn) de 0,40 até 0,70Cromo (Cr) de 4,70 até 5,45Molibdênio (Mo) de 1,55 até 1,95Vanádio (V) de 0,40 até 0,75Nitrogênio (N) de 0,011 até 0,016
Ferro (Fe) e elementos de impurezas como resíduo.
A vantagem da composição de liga de acordo com a invençãodeve ser considerada, essencialmente, pelo fato de que os elementos, notodo, especialmente os elementos silício, molibdênio, vanádio e nitrogênio,são ajustados, um em relação ao outro, em estreitos limites de maneira liga-da à cinética de transformação, de modo que possam ser conseguidas umaresistência e uma dureza desejadas, com elevada tenacidade do material,no caso de um tratamento térmico de têmpera com taxa de resfriamento di-minuída, quando do endurecimento.
Por meio disso, é possível ou se alcançar maiores profundidadesde penetração de uma estrutura cristalina de dureza martensítica, favorávelpara as propriedades mecânicas da peça, em uma dada velocidade de res-friamento, ou se utilizar, com vantagem, por meio disso, minimizar as ten-sões de dureza na forma de moldagem sob pressão muitas vezes dotadascom gravações ou com uma forma negativa da peça de moldagem. Isso é deespecial importância, porque, na escala crescente, é utilizada uma assimchamada dureza de vácuo de peças de forma, sendo que também por ra-zões de se evitar oxidações e descarbonização das superfícies maquináveisdo componente ou da forma, no caso de uma austenitização, ocorre um a -quecimento no vácuo, depois do que é realizado um resfriamento forçadocom uma corrente de gás de nitrogênio. Para essa espécie do endurecimen-to de uma peça, deu bons resultados uma liga quimicamente composta deacordo com a invenção.
de do material tratado termicamente pode ser conseguido se a liga de açopara trabalho a quente apresentar concentrações máximas de um ou todoselementos, em % em peso, de:
Um aumento essencial adicional das propriedades de tenacida-
Fósforo (P) 0,005
Enxofre (S) 0,003
NiqueI(Ni) 0,10
Tungstênio (W) 0,10
Cobre(Cu) 0,10
Cobalto(Co) 0,10
Titânio (Ti) 0,008
Nióbio (Nb) 0,03
Oxigênio (O) 0,003
Boro (B) 0,001
Arsênio (As) 0,01
Estanho (Sn) 0,0025
Antimônio (Sb) 0,01
Zinco (Zn) 0,001
Cálcio (Ca) 0,0002
Magnésio (Mg) 0,0002Os elementos acima podem formar ou depósitos ou compostos,os quais são enriquecidos especialmente nos limites dos grãos e, dessa ma-neira, as propriedades de tenacidade do material diminuem de maneira in-termitente a partir de um limite de concentração ou elas provocam revesti-mentos-limites de grãos, que agem homogeneamente de maneira desfavo-rável.
Por uma composição química do material de acordo com a in-venção, ajustada em limites muito estreitos, de acordo com uma forma deconcretização preferida da mesma, a liga de aço para trabalho a quente con-tém um ou mais dos elementos de liga, em % em peso:
Carbono (C) de 0,37 até 0,40
Silício (Si) de 0,16 até 0,28, de preferência 0,18 até 0,25Manganês (Mn) de 0,45 até 0,60, de preferência 0,50 até 0,58Cromo (Cr) de 4,80 até 5,20, de preferência 4,90 até 5,10Molibdênio (Mo) de 1,50 até 1,90, de preferência 1,65 até 1,80
Vanádio (V) de 0,45 até 0,70, de preferência 0,52 até 0,60Nitrogênio (N) de 0,012 até 0,015
Ferro (Fe) e elementos de impurezas como resíduo.
Por meio dessa liga de acordo com a invenção, caracterizadapor limites especialmente estreitos na composição química, a qual impõeexigências especiais em uma tecnologia de fundição, é possível conseguirelevados valores de tenacidade do material mesmo em baixas taxas de res-friamento no processo de têmpera térmico com durezas de material elevadas.
A seguir, a invenção deve ser mais pormenorizadamente expli-cada com base nos resultados de investigações.
De maneira auxiliar, estão sumarizados na figura 1 os resultadosde investigações.
A figura 1 mostra: valores de ductibilidade de impacto de entalhedo material depois de uma têmpera térmica em função dos parâmetros deresfriamento no caso do tratamento de dureza.
Ligas com uma composição química de acordo com a invençãoe de acordo com DIN Material N0 1.2343, com teores em silício dirigidos pornorma e reduzidos, assim como de acordo com DIN Material N0 1.2367, talcomo indicado na tabela 1, foram examinados depois de um tratamento detêmpera térmico para uma dureza de material de 44 HRC com diferentesparâmetros de resfriamento, λ, quando do endurecimento. Nesse caso, ovalor, que caracteriza o parâmetro λ, é calculado conforme se segue:Parâmetro de resfriamento [λ] corresponde ao tempo [em segundos] paraum resfriamento de 800°C para 500°C dividido por 100.
A seguir, são mencionados os elementos de liga listados na ta-bela 1 dos materiais, sendo que o teor em ferro e de elementos acompa-nhantes, assim como de impurezas.
Composição de Liga em % em peso
<table>table see original document page 7</column></row><table>
A figura 1 mostra que, com um parâmetro de resfriamento, λ, deaté cerca de λ = 12 do Material N0 1.2343 com teores em Si diminuído paracerca de 0,20% em peso, no estado temperado termicamente para uma du-reza de material de 44 HRC, tem a tenacidade máxima, medida de acordocom Charpy-V. No entanto, em conseqüência, com parâmetros de resfria-mento, λ, crescentes, os valores de tenacidade caem de maneira intermiten-te para nível baixo.
Os materiais N0 1.2343 com teores em Si dirigidos por norma eN0 1.2367 apresentam, em uma dureza de têmpera de 44 HRC, uma menortenacidade, contudo, têm uma considerável dureza completa, o que é docu-mentado por valores de tenacidade somente decrescentes de maneira insig-nificante, em função do parâmetro de resfriamento.
Uma liga de teste W 350 de acordo com a invenção mostra, defato, em taxas de resfriamento elevadas, ou na região do parâmetro de res-friamento, λ, até 13, em comparação com o So-Material N0 1.2343 (Si «0,2% em peso) valores de tenacidade um pouco menores à temperaturaambiente no estado temperado de 44 HRC; a tenacidade do material perma-nece, contudo, mesmo em taxas de resfriamento decrescentes ou em parâ-metros de resfriamento mais elevados, essencialmente inalterados em valo-res superiores elevados.
Claims (4)
1. Liga de aço para trabalho a quente, contendo os elementoscarbono (C), silício (si), manganês (Mn), cromo (Cr), molibdênio (Mo), vaná-dio (V), nitrogênio (N) e elementos de impurezas, assim como ferro comorestante, com a medida de que os elementos de liga apresentam teores em% em peso de:Carbono (C) de 0,35 até 0,42Silício (Si) de 0,15 até 0,29Manganês (Mn) de 0,40 até 0,70Cromo (Cr) de 4,70 até 5,45Molibdênio (Mo) de 1,55 até 1,95Vanádio (V) de 0,40 até 0,75Nitrogênio (N) de 0,011 até 0,016.
2. Liga de aço para trabalho a quente de acordo com a reivindi-cação 1, contendo concentrações máximas de ou de todos os elementos,em % em peso, de:Fósforo (P) 0,005Enxofre (S) 0,003Níquel (Ni) 0,10Tungstênio (W) 0,10 Cobre (Cu) 0,10Cobalto (Co) 0,10Titânio (Ti) 0,008Nióbio (Nb) 0,03Oxigênio (O) 0,003Boro (B) 0,001Arsênio (As) 0,01Estanho (Sn) 0,0025Antimônio (Sb) 0,01 Zinco (Zn) 0,001Cálcio (Ca) 0,0002Magnésio (Mg) 0,0002
3.
Liga de aço para trabalho a quente, de acordo com a reivindi-cação 1 ou 2, contendo um ou mais elementos de liga em % em peso:Carbono (C) de 0,37 até 0,40Silício (Si) de 0,16 até 0,28, de preferência 0,18 até 0,25Manganês (Mn) de 0,45 até 0,60, de preferência 0,50 até 0,58Cromo (Cr) de 4,80 até 5,20, de preferência 4,90 até 5,10Molibdênio (Mo) de 1,50 até 1,90, de preferência 1,65 até 1,80Vanádio (V) de 0,45 até 0,70, de preferência 0,52 até 0,60Nitrogênio (N) de 0,012 até 0,015Ferro (Fe) e elementos de impurezas como resíduo.
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