BRPI0905064A2 - liga de aço para componentes de máquina - Google Patents

Abstract

LIGA DE AçO PARA COMPONENTES DE MáQUINA. A presente invenção refere-se a componentes de máquina ou elementos estruturais com uma resistência superior a 2000 [MPa] para cargas mecânicas, alternadas até uma temperatura de 160o C, feitos de uma liga de aço termicamente melhorada. Para obter propriedades de longa duração, especialmente segurança contra fadiga sob elevados esforços em um módulo E superior do material, está previsto, de acordo com a invenção, que a liga de aço apresente uma composição quimica em % em peso de Carbono (C) 0,48 a 0,55 Silício (Si) 0,18 a 0,25 Manganês (Mn) 0,35 a 0,45 Cromo (Cr) 4,40 a 4,70 Molibdênio (Mo) 2,90 a 3,10 Vanádio (V) 0,72 a 0,77 Ferro (Fe) e elementos de arraste condicionados à fundição e impurezas como resíduo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "LIGA DE AÇO PARA COMPONENTES DE MÁQUINA".

A presente invenção refere-se componentes de máquina ou e-lementos estruturais com uma resistência à ruptura por tração superior a2000 [MPa] para cargas mecânicas alternadas até uma temperatura de160°C, feitos de uma liga de aço termicamente melhorada. A invenção refe-re-se especialmente a componentes de motor e/ou de acionamento de veí-culos.

Componentes de máquina com esforço mecânico, alternado, sãosubmetidos, dentro da moderna tecnologia, cada vez mais a cargas até oslimites da resistência de material respectiva. Isso procede principalmentepara componentes em veículos, pois as reduções de peso assim obtidastambém podem ser úteis para economia de combustível.

Exige-se dos materiais, dos quais os componentes são feitos, noestado termicamente melhorado elevados valores para o perfil de prorieda-des tenacidade, resistência e ductibilidade, pois esses valores de prorieda-des possuem uma importância decisiva para o dimensionamento das peças.

Com base nas falhas de peças na operação de longa duração,como ficou evidente, também devem ser consideradas as propriedades dafadiga de material a fim de obter uma elevada segurança operacional.

Para peças com carga mecânica alternada relevante no setor deferrovias, automobilístico e da aviação são atualmente utilizados, de acordocom o estado da técnica, muitas vezes aços para melhoramento baixa liga.Um representante destes aços preferidos é a liga, de acordo com a normaDIN, o material N0 1.6928. Este material baixa liga contém 1,40 a 1,90 % empeso de silício para assegurar ao máximo uma elevada resistência a altastemperaturas em função do tempo. Também procurou-se vantajosamenteaumentar o teor de silício dessa liga para até 3,0% em peso a fim de obteras melhores propriedades de fadiga do material no caso das peças submeti-das a esforço.

O uso de ligas de aço com uma composição correspondente à-quela de aços para melhoramento do tipo anteriormente referido deu ótimosresultados para a fabricação de componentes de máquinas submetidos aelevado esforço, de acordo com o estado da técnica, porém suas proprieda-des de fadiga nem sempre são satisfatórias para uma carga alternada me-cânica na faixa do valor-limite de material utilizados na faixa de valor-limite.

Portanto, é tarefa da presente invenção apresentar componentesde máquina ou elementos estruturais com uma resistência à ruptura por tra-ção superior a 2000 [MPa], que são expostos no estado termicamente me-lhorado a cargas alternadas mecânicas até uma temperatura de 160° C, eque basicamente apresentam propriedades de longa duração e um elevadomódulo-E.

Esse objetivo é atingido através de uma liga de aço termicamen-te melhorada para componentes de máquina e/ou elementos estruturais dotipo inicialmente mencionado, que possui uma composição química em %em peso de

Carbono(C) 0,48 a 0,55

SiIicio(Si) 0,18 a 0,25

Manganês (Mn) 0,35 a 0,45

Cromo (Cr) 4,40 a 4,70

Molibdênio (Mo) 2,90 a 3,10

Vanádio (V) 0,72 a 0,77

Ferro (Fe) e elementos de arraste condicionados à fundição eimpurezas como resíduo.

As vantagens obtidas com o uso de um material, de acordo coma invenção, podem ser basicamente identificadas pelo fato de os componen-tes de máquina do tipo mencionado apresentarem, sob elevadas cargas,uma segurança contra fadiga bem maior no caso de propriedades de resi-tência mecânica, iguais ou melhoradas. Além disso, o material ou o compo-nente, de acordo com a invenção, apresenta um módulo-E bem maior, o queem caso de mesmo esforço mecânico específico produz fatores de extensãomenores na seção elástica e, consequentemente, uma vida útil maior daspeças.

Elementos de arraste e contaminantes representam circunstan-cialmente a causa de propriedades de longa duração serem reduzidas, poisesses elementos estão presentes de forma acumulada nos limites granula-res da microestrutura ou podem formar compostos. Verificou-se que as pro-priedades de material em caso de carga alternada de longa duração sãomuito pouco prejudicadas, quando os conteúdos máximos de um ou váriosdos elementos de arraste ou contaminantes representam em % em peso

<table>table see original document page 4</column></row><table>

No caso de um composto químico acima referido, uma distribui-ção homogênea ou uma dureza superior a 54 HRC1 especialmente superiora 55 HRC, livre de valores de pico, é vantajosamente ajustável através domelhoramento térmico, que aumenta a segurança contra fadiga.

O grau de pureza da liga de aço é especialmente importantecom relação a uma formação inicial de fissuras. Verificou-se que em um ma-terial termicamente melhorado quanto a elevados valores de resistência, pe-quenas inclusões não metálicas, inclusive com formatos de bordas um pou-co arredondados, interferem o mais negativamente possível na segurançacontra fadiga em caso de carga mecânica alternada. Esse fato também deveser levado em consideração do ponto de vista da técnica de fundição, sendoque após um tratamento de aço líquido cinético de reação, em geral, deve-se prever ainda uma segunda refundição a arco em vácuo da liga de aço, afim de ajustar um grau de pureza da liga de aço, de acordo com a invenção,inferior/igual D/0.5/FINO 1 (inclusões tipo A, B e C não presentes) conformeSTM E 45 (superfície de medição 160 mm2).

Se os componentes de máquina ou o componente possuírem(possuir) um módulo de elasticidade do material superior a 200 000 MPas,estes apresentarão ou este apresentará na seção elástica das tensões me-cânicas sob carga alternada fatores mínimos de extensão ou de recalque,sendo obtida uma vida útil maior ou ocorrendo fatores contra fadiga melhores.

A liga de aço melhorada ou o material mostrou-se especialmenteeficaz com relação ao perfil total de propriedades como componente de má-quina na construção automotiva, na verdade, especialmente como peça demotor e/ou de acionamento e/ou de mola.

A seguir, a invenção é mais detalhadamente apresentada comauxílio de resultados de pesquisa assim como de diagramas comparáveis,onde:

a figura 1 mostra resistência à ruptura por traçãoa figura 2 mostra limite de fluideza figura 3 mostra alargamento de ruptura e contraçãoa figura 4 mostra módulo-Ea figura 5 mostra número de ciclos até a rupturaa figura 6 mostra arranjo de teste,

de materiais comparativos e componentes de máquinas, de a-cordo com a invenção.

Ligas de aço, contendo basicamente os elementos em % empeso - carbono 0,49 a 0,53, silício 0,20 a 0,23, manganês 0,36 a 0,42, cro-mo 4,50 a 4,60, molibdênio 2,80 a 3,00, vanádio 0,70 a 0,85, resíduo de fer-ro e impurezas, foram detectadas como materiais com um potencial de pro-priedade, de acordo com a invenção, com base em resultados decorrentesde ensaios prévios e feitos com grau de pureza máximo.

Materiais quimicamente compostos desse tipo, tal como é co-nhecido pelo versado na técnica, são aços para trabalhos a quente em tem-peraturas de aplicação de até 500° C. Surpreendentemente verificou-se, queessas ligas podem ser vantajosamente usadas no estado termicamente me-lhorado para componentes de máquina ou elementos estruturais sob esforçomecânico alternado sob temperaturas baixas, se houver um composto quí-mico dentro de limites estreitos dos elementos de liga de acordo com a in-venção.

Amostras moldadas e termicamente melhoradas foram feitas deligas de aço, de acordo com a invenção, com alto grau de pureza, identifica-das pela sigla W366, as quais foram examinadas em ensaios para a deter-minação dos valores característicos de material.

Comparando com o material, de acordo com a invenção, foi feitauma verificação dos valores característicos de materiais igualmente tratados,empregados, de acordo com o estado da técnica, até então para componen-tes de máquina do tipo mencionado, e identificados de acordo com umanorma EUA pela designação 300M, correspondente ao material DIN N01.6928, assim como 300M "improved" comalto teor de Si nas comparações.

A figura 1 ilustra comparativamente a resistência à ruptura portração com os valores máximos para o material proposto de acordo com ainvenção.

A figura 2 mostra em um mesmo diagrama de barras, sugeridocomo na figura 1, os limites de elasticidade de 0,2% dos materiais, sendoque os valores das amostras de componentes com um composto W366 ocu-pavam o nível máximo.

A figura 3 indica que tanto os valores referentes a alongamentode ruptura como também aqueles referentes à redução da área quando daruptura do material W366 em comparação ao 300 M e 300M "improved" sãomuito superiores, o que revela vantagens fundamentais para sua aplicaçãoem componentes de máquina com esforço mecânico alternado.

O módulo de elasticidade do material W366, conforme pode-seobservar na figura 4, também é superior em comparação aos materiais deacordo com o estado da técnica, de forma que na aplicação difícil ocorramdeformações elásticas mínimas sob uma carga mecânica do material, sendoreduzida consideravelmente a falha de fadiga de uma peça feita do materialW366.

A figura 5 mostra o comportamento em fadiga das amostras ter-micamente melhoradas feitas das ligas pesquisadas na comparação.

Quanto ao compartamento em fadiga:

sob esforço ciclicamente repetido ocorre em um material o au-mento de fissuras subcrítico. As causas são deformações microplásticas quese acumulam no curso do esforço alternado formando uma deformação totalrelativamente grande. Essa forma de danificação do material é chamada defadiga. Tensões cíclicas, mecânicas, que se situam bem abaixo dos limitesde elasticidade, podem acarretar a formação de fissuras e o aumento de fis-suras ou até mesmo ocasionar a ruptura do material. O limite de resitência àfadiga por esforços alternados é o valor limite do esforço, no qual tambémapós inúmeros ciclos de vibração (alternância de carga) não ocorre maisruptura.

No caso dos aços de ferramenta podem ocorrer rupturas de até107 alternâncias de carga. Para essa margem de 2 χ 106 alternâncias análisefoi escolhida, entretanto, uma de carga.

Os ensaios de fadiga foram realizados em um equipamento deteste por ressonância do tipo "TESTRONIC" por meio de um arranjo de fle-xão-quatro pontos. O assim chamado equipamento de teste de fadiga porvibração é um equipamento de teste dinâmico, que opera por ressonânciatotal.

A figura 6 ilustra esquematicamente o arranjo de flexão-quatropontos. A carga das amostras foi feita através de rolos com um diâmetro de5 mm. A distância dos rolos entre si situou na faixa superior de 15 mm e nafaixa inferior 30 mm. Para este teste foram empregadas amostras quadradascom as seguintes dimensões: altura a= 5mm, largura l=7mm, comprimentoc= 55 mm.

A tensão em fibra extrema Ob foi determinada na aceitação deuma distribuição de tensão elástica linear correspondente à equação:

<formula>formula see original document page 7</formula>Neste caso Mb = χ' χ F/2 é o momento de flexão e Wb = b χ h2/6o momento de resistência da amostra. F é a força, que atua sobre os rolos ex' (= 7,5mm) é o braço de alavanca, que juntamente com a carga dependen-te do tempo F forma o momento de flexão.

Podem-se observar na figura 5 as vantagens referentes a umcomportamento em fadiga melhorado de componentes de máquina ou com-ponentes, de acordo com a invenção, sendo que a faixa de valor ,,nível depassagem" identifica aquela amplitude de tensão, até a qual não ocorre rup-tura da amostra sob ciclo de carga infinito.

Para verificar a ação de elementos de impureza e de arraste so-bre o perfil de propriedade, a liga de aço, de acordo com a invenção, foi do-tada desses elementos com concentrações diferentes e pesquisadas amos-tras melhoradas desta. A seguir, são apresentados os resultados dos ensai-os e os valores-limites delas resultantes.

Os elementos de impureza fósforo e enxofre acarretam deposi-ções quebradiças sob valores de resistência do material de mais de 53 HRC1tendo-se observado um aumento significativo da fragilidade a partir de0,005% em peso de P e 0,001% em peso de S.

Cálcio, magnésio, alumínio são elementos de desoxidação eformam inclusões oxídicas com oxigênio, as quais acarretam desvantagenscom relação à segurança contra fadiga do material em virtude da moldagemangulosa e da presença de materiais deformados do arranjo retilinear, quetambém eventualmente depende do sentido de deformação. Apesar de repe-tidas refundições a arco em vácuo as pesquisas de material deram comoresultado valores-limites superiores, que não devem ser ultrapassados nocaso de materiais, de acordo com a invenção. Esses valores-limites são0,01% em peso de Al, 0,001 % em peso de Ca, 0,001% em peso de Mg e0,002% em peso de O.

Nitrogênio, especialmente com elementos de liga assim comotitânio e oxigênio, pode formar nitretos angulosos, que através de uma resis-tência aumentada provocam picos de tensão na microrregião e, assim, umainiciação de fissura. Os valores-limites superiores encontrados dos conteú-dos situam-se em 0,003% em peso de N e 0,005% em peso de Ti.

Níquel, cobre e cobalto em concentrações mínimas representamelementos de deposição na formação de cristal da liga, porém não devemultrapassar teores de respectivamente 0,1% em peso, devido a uma açãodesvantajosa de distorções de retícula sobre as propriedades de longa dura-ção do material.

O estanho, devido à solubilidade extremamente baixa em mate-riais à base de ferro, pode ser considerado um elemento que comprova oslimites granulares e interfere de modo extremamente negativo sobre as pro-priedades contra fadiga e sobretudo de tenacidade de um componente comesforço mecânico alternado, a partir de uma concentração de 0,005% empeso.

Claims (6)

1. Componentes de máquina ou elementos estruturais com umaresistência à ruptura por tração superior a 2000 [MPa] para cargas mecâni-cas alternadas até uma temperatura de no máximo 160°C, feitos de uma ligade aço termicamente melhorada, contendo % em pesoCarbono (C) 0,48 a 0,55SiIicio(Si) 0,18 a 0,25Manganês (Mn) 0,35 a 0,45Cromo (Cr) 4,40 a 4,70Molibdênio (Mo) 2,90 a 3,10Vanádio (V) 0,72 a 0,77Ferro (Fe) e elementos de arraste condicionados à fundição eimpurezas como resíduo.

2. Componentes de máquina, de acordo com a reivindicação 1,com teores máximos de um ou vários dos seguintes elementos de arraste oude impurezas em % em pesoFósforo (P) 0,005Enxofre (S) 0,001Niquel (Ni) 0,1Cobre (Cu) 0,1CobaIto(Co) 0,1Titânio (Ti) 0,005Alumínio (Al) 0,01Nitrogênio (N) 0,003Oxigênio(O) 0,002Cálcio(ca) 0,001Magnésio(Mg) 0,001Estanho(Sn) 0,005.

3. Componentes de máquina, de acordo com a reivndicação 1ou 2, com uma dureza criada por um melhoramento térmico superior a 54[HRC], especialmente superior a 55 [HRC].

4. Componentes de máquina, de acordo com uma das reivindi-cações de 1 a 3, com um grau de pureza da liga de aço.

5. Componentes de máquina, de acordo com qualquer uma dasreivindicações de 1 a 4 com um módulo de elasticidade do material E= supe-rior a 200 000 Mpa1 especialmente superior a 205 000 Mpa.

6. Componentes de máquina, de aordo com uma das reivindica-ções de 1 a 5, empregados na construção de veículos, especialmente comopeça de motor e/ou de ancionamento e/ou de mola.