PT104076A

PT104076A - Processo de refinamento de grão de elementos metálicos por alteração da trajectória de carga

Info

Publication number: PT104076A
Application number: PT104076A
Authority: PT
Inventors: Jose Joaquim De Almeida Gracio; Edgar Fernand Rauch; Frederic Barlat; Jeong-Whan Yoon; Gabriela Vincze
Original assignee: Univ Aveiro
Priority date: 2008-05-28
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2009-11-30
Also published as: US20110114227A1; BRPI0912773A2; WO2009144676A2; CN102066585A; WO2009144676A3

Abstract

A PRODUÇÃO DE ELEMENTOS METÁLICOS, NOMEADAMENTE CHAPAS METÁLICAS, COM ELEVADA RESISTÊNCIA MECÂNICA E FORMABILIDADE É, ACTUALMENTE, UM DOS MAIORES DESAFIOS LANÇADOS PELAS INDÚSTRIAS AUTOMÓVEL, AEROESPACIAL E ALIMENTAR. A PRESENTE INVENÇÃO DIZ RESPEITO A UM NOVO PROCESSO DE CONFORMAÇÃO PLÁSTICA QUE PERMITE, ATRAVÉS DA ALTERAÇÃO DA TRAJECTÓRIA DE CARGA, A PRODUÇÃO DE CHAPAS METÁLICAS COM UM TAMANHO DE GRÃO DE 1/2 MICRON E, CONSEQUENTEMENTE, COM UMA TENSÃO LIMITE DE ELASTICIDADE 3 A 4 VEZES SUPERIOR À OBTIDA, POR EXEMPLO, APÓS LAMINAGEM CONVENCIONAL, MANTENDO INALTERADA A FORMABILIDADE. O PROCESSO É DE FÁCIL INDUSTRIALIZAÇÃO E A SUA OPTIMIZAÇÃO REQUER APENAS DOIS PARÂMETROS OPERATÓRIOS QUE CARACTERIZAM A TAXA DE REDUÇÃO DE ESPESSURA VERSUS/DEFORMAÇÃO DE CORTE E A AMPLITUDE DE INVERSÃO DE CARGA.

Description

1

DESCRIÇÃO "PROCESSO DE REFINAMENTO DE GRÃO DE ELEMENTOS METÁLICOS POR ALTERAÇÃO DA TRAJECTÓRIA DE CARGA"

Domínio Técnico da Invenção A produção de elementos metálicos, nomeadamente chapas metálicas, de elevada resistência mecânica e elevada formabilidade constitui, hoje em dia, um dos maiores desafios lançados pelas indústrias automóvel, aeroespacial e alimentar. A ideia fundamental reside no aligeiramento do peso dos veiculos ou embalagens, o que permite por um lado, uma maior poupança de matérias-primas e, por outro lado, uma menor emissão de poluentes para o meio ambiente. A produção de chapas metálicas realiza-se há longas décadas através do Processo de Laminagem. Neste processo os biletes metálicos passam entre dois rolos com velocidades de rotação iguais, cuja distância define a redução de espessura desejada. Após o processo de laminagem, o material apresenta uma textura de laminagem, o que obriga à realização de tratamentos térmicos de recristalização. Nestas condições, obtêm-se metais com tamanhos de grão que variam, geralmente entre os 20-65 micron. Convém salientar, que segundo a lei de Hall-Petch, a tensão limite de elasticidade dos materiais é inversamente proporcional ao tamanho de grão. A fim de dar resposta aos novos desafios tecnológicos, lançaram-se no mercado novas ligas metálicas, como por exemplo os aços de elevada resistência ou as ligas de alumínio da série 5XXX, 6XXX e 7XXX. A adição de elementos de liga, apesar de permitir o aumento da resistência 2 mecânica dos materiais, acarretou novos problemas, alguns deles bastante negativos do ponto de vista tecnológico. Os aços de elevada resistência apresentam um elevado retorno elástico gue é necessário contemplar nos esforços desenvolvidos pelas ferramentas de estampagem ou corte. As ligas de aluminio, por seu turno, apresentam uma sensibilidade negativa à velocidade de deformação, o que representa uma deterioração das suas propriedades a cadências de produção industriais.

Face ao anteriormente exposto, o desenvolvimento de uma tecnologia que permita a produção de chapas metálicas com grão refinado e com uma textura cristalográfica que conduza a um coeficiente de anisotropia compatível com elevada formabilidade é de crucial importância para dar resposta efectiva aos anseios das indústrias de ponta atrás referidas. É neste contexto, que se insere a presente invenção.

Sumário da Invenção

De forma sucinta, a presente invenção descreve um processo de refinamento de grão de elementos metálicos por alteração de trajectória de carga que compreende deformar plasticamente os materiais por compressão-corte simples em sucessivas deformações, através da inversão alternada das velocidades relativas dos rolos superior e inferior entre cada uma das referidas deformações. desta invenção, os por compressão-corte através da inversão dos rolos superior e

Numa realização preferencial materiais a deformar plasticamente, simples em sucessivas deformações, alternada das velocidades relativas 3 inferior, entre cada uma das referidas deformações, são chapas metálicas.

Numa realização ainda mais preferencial desta invenção, o processo compreende deformar plasticamente os materiais por compressão-corte simples em sucessivas deformações, em pelo menos duas estações de trabalho sucessivas, através da inversão alternada das velocidades relativas dos rolos superior e inferior, entre cada uma das referidas estações de trabalho.

Numa outra realização, igualmente preferencial, da presente invenção, a amplitude da alteração da trajectória de deformação (a) é inferior a 0,5. Numa realização mais preferencial, a amplitude da alteração da trajectória de deformação (a) está compreendida entre -0,13 e 0,5. Numa realização ainda mais preferencial, a amplitude da alteração da trajectória de deformação está compreendida entre -0,13 e 0,13.

Numa outra realização, invenção, o parâmetro a é na relação seguinte entre r, e a deformação de corte igualmente preferencial, desta superior a 1, conforme expresso a taxa de redução de espessura, aparente, Yapp:

Tapp 2(1-r)2

Numa compreendido preferencial 2,5. realização mais entre 1,2 e , o parâmetro preferencial, o parâmetro a 2,5. Numa realização ainda a está compreendido entre 1 está mais 75 e 4

Numa outra realização, igualmente preferencial, desta invenção, o processo reivindicado compreende produzir chapas metálicas com níveis de redução de espessura superiores a 500%. Numa ainda outra realização preferencial, o processo descrito compreende produzir chapas metálicas com tamanhos de grão da ordem dos 1-2 micron gue podem ser estabilizados através de tratamento térmico a baixas temperaturas. Numa outra, igualmente preferencial, realização, o processo compreende produzir chapas com uma tensão limite de elasticidade 3 a 4 vezes superior à obtida em processos sem inversão alternada das velocidades relativas dos rolos superior e inferior, mantendo inalterada a sua formabilidade.

Numa realização preferencial desta invenção, o processo descrito é efectuado por um dispositivo que compreende uma ou mais estações de trabalho que deformam plasticamente os materiais por compressão-corte simples através da inversão alternada das velocidades relativas dos rolos superior e inferior entre cada uma das referidas deformações.

Numa invenção, processo através deformaçã simples, alternada inferior ainda outra realização preferencial desta o elemento metálico, produzido de acordo com o descrito, é adquirido pelo refinamento de grão da alteração de trajectória de carga, por o plástica dos materiais por compressão-corte em sucessivas deformações, através da inversão das velocidades relativas dos rolos superior e entre cada uma das referidas deformações.

Numa metálico realização preferencial referido é uma chapa desta invenção, metálica. Numa o elemento realização 5 ainda mais preferencial, esta chapa metálica é de aço ou alumínio.

Antecedentes da Invenção O processo de laminagem a frio tem sido alvo de desenvolvimentos recentes. Por exemplo, no documento US 5666842, deu-se ênfase à obtenção de elevadas propriedades magnéticas ao longo da direcção de laminagem através do alinhamento dos grãos e posterior realização de tratamentos de recristalização primária e secundária. Noutro documento, US 3861188, a principal preocupação reside no aumento da redução por passe entre laminadores. Neste caso, a chapa circula, sob a forma de serpentina nos rolos, estando sujeita a estados de tracção e contra-tracção. Esta patente tem, obviamente, um enorme impacto económico, mas não resolve o problema fundamental, r. e. aumento da resistência e formabilidade de chapas metálicas laminadas. Na presente invenção, e contrariamente às anteriores, a taxa de redução por passe não se apresenta como parâmetro fundamental. Em primeiro lugar, o processo aqui preconizado, não implica esforços de tracção, mas sim esforços de corte ao longo de toda a espessura da chapa. Deste modo, a taxa de redução deverá ser relacionada com a deformação de corte produzida nas chapas após cada etapa do processo. Além disso, na presente invenção, o controlo da trajectória de deformação entre passes de laminagem afigura-se como outro parâmetro operatório fundamental. Assim, é possível conciliar elevada resistência mecânica por refinamento de grão com obtenção de elevada formabilidade por criação de elevada anisotropia plástica e ocorrência de fenómenos de restauração dinâmica. 6

Descrição das Figuras

Figura 1: Representação esquemática da transformação de um elemento de secção rectangular definido pelos pontos OABC para o paralelogramo representado pelos pontos OA'B'C' seguindo uma trajectória de deformação plana sem alteração de volume, em que (1) representa a secção OABC e (2) representa a secção OA'B'C'.

Figura 2: deformação espessura, da de

Representação esquemática da evolução de corte aparente com a taxa de redução para diferentes valores do parâmetro a.

Figura 3: traj ectória sucessivas, inversão de da inversão

Representação esquemática da alteração da de carga que ocorre entre deformações onde (3) representa a chapa metálica antes da carga e (4) representa a chapa metálica depois

Figura 4: Representação esquemática da deformação da chapa ao longo de várias etapas, nas quais, para cada manipulação sucessiva, para cada estação de serviço, as velocidades dos rolos laminadores, que são distintas, invertem-se suce ssivamente. (5) representa a < (8) e (9) repr es entam os rolos (12) e (13) ] representam AI te rnadamente, para cada estação dos rolos superiores ( 6, 8) é ma rolo s inferiores (10, 12) , e supe riores (7, 9) é menor que inf e riores (11, 13)

Figura 5: ao longo

Representação esquemática da deformação de corte da espessura da chapa e que pode ser medida 7 directamente na chapa através da leitura do ângulo Θ como ilustrado. (14) representa a chapa antes da deformação e (15) representa a chapa após a deformação.

Figura 6: Representação esquemática da evolução de a com a.

Figura 7: Representação esquemática das propriedades mecânicas de um Alumínio da série 1XXX (AA1050-O) obtidas em tracção uniaxial após o processo. Para efeitos de comparação, mostra-se as propriedades mecânicas do mesmo material após laminagem e recristalização.

Descrição da Invenção A presente invenção diz respeito a um novo processo de laminagem para aumento, simultâneo, de resistência mecânica e formabi1idade de chapas metálicas. Para o efeito, as chapas (1, 2) são deformadas (Figura 1) em várias etapas equaçao: (Figura 4) com as seguintes particularidades. Em cada manipulação sucessiva, nomeadamente em cada estação de serviço, as velocidades dos rolos laminadores (6, 10) são distintas de modo a produzir uma deformação de corte ao longo de toda a espessura da chapa e que pode ser medida directamente na chapa (14, 15) através da leitura do ângulo Θ como ilustrado na figura 5. A relação entre a taxa de redução de espessura r, e a respectiva deformação de corte aparente yapp, gue se relaciona com o ângulo Θ através de γ = tan(0), é estabelecida através da

Yapp — r(2-r) 2(1-r)2 8 8 taxa de parâmetro A evolução da deformação de corte aparente com a redução de espessura, para diferentes valores do a é ilustrada na Figura 2.

Na segunda estação de serviço (7, 11), as velocidades relativas entre o rolo superior e inferior são invertidas (Figura 4). Em condições optimizadas, obtém-se uma alteração da trajectória de carga (Figura 3), continuando o material a reduzir a sua espessura e sofrer deformação de corte adicional. A alteração de trajectória de deformação é caracterizada por um parâmetro cí através da equação: i-íÓ α = 4 α 1 + A evolução de α com a encontra-se representada na figura 6. A amplitude da alteração da trajectória de deformação (a) é definida pelo co-seno do ângulo definido entre os dois vectores que definem a velocidade das duas deformações sucessivas.

Como se pode depreender, a chave fundamental do Processo reside na mudança da trajectória de deformação. Neste processo, essa alteração é induzida pela inversão das velocidades relativas dos rolos superior e inferior entre cada estação de trabalho. Ou seja, as chapas metálicas são submetidas, numa primeira etapa, a uma pressão entre rolos, sendo a velocidade de rotação do rolo superior (6) maior que a velocidade do rolo inferior (10), e numa segunda etapa a uma pressão entre rolos sendo a velocidade do rolo inferior (11) maior do que a velocidade do rolo superior 9 (7). Esta sequência poderá ser repetida (8, 9, 12, 13) até a obtenção da espessura final desejada. A redução de secção e a ocorrência de deformação de corte ao longo de toda a espessura da chapa asseguram o refinamento de grão e a produção de um material com elevado coeficiente de anisotropia, compatível com a obtenção de elevada resistência mecânica e apetência para processos de conformação plástica. A inversão de carga, assegura a ocorrência de restauração dinâmica e consequentemente de elevada formabilidade.

De qualquer modo, o material deverá ser submetido a um tratamento de estabilização dos grãos, por exemplo durante 10-20 minutos, a uma temperatura mínima de restauração.

As condições operatórias fundamentais do processo deverão ser extraídas do gráfico a vs a Figura 6. A condição optimizada de trabalho está compreendida para valores de α situados entre 0,13 e -0,13, enquanto o parâmetro a se situa em valores compreendidos entre 1,75 e 2,5.

Mais genericamente, as condições do processo para as quais se verifica aumento de formabilidade estão compreendidas na gama de cx entre 0,5 e -0,13, enquanto o parâmetro a está entre 1,2 e 2,5.

No entanto, verificou-se, experimentalmente, que para valores de (a<0,5 e a>l) os resultados são já bastante positivos, mostrando as chapas maior resistência mecânica e 10 formabilidade do que as chapas obtidas por processos de laminagem tradicionais.

Em suma, após este processo, os metais e ligas apresentam um tamanho de grão de 1-2 micron, podendo ser facilmente estabilizados através de tratamento térmico a baixas temperaturas, e uma tensão limite de elasticidade 3-4 vezes superior à tensão limite de elasticidade obtida em processos tradicionais por exemplo após laminagem e recristalização, mantendo praticamente inalterado o grau de formabilidade. Este processo permite produzir chapas metálicas com niveis de redução de espessura superiores a 500% . A titulo de exemplo, mostra-se na Figura 7 as propriedades mecânicas de um Alumínio da série 1XXX (AA1050-0) obtidas em tracção uniaxial após o processo. Para efeitos de comparação, mostra-se as propriedades mecânicas do mesmo material após laminagem e recristalização.

Com as devidas adaptações, a presente invenção pode aplicar-se ainda a outros elementos metálicos, obtidos por deformação plástica por compressão-corte, como por exemplo perfis metálicos.

Data: 28 de Maio de 2008

Claims

1 REIVINDICAÇÕES 1. Processo de refinamento de grão de elementos metálicos por alteração de trajectória de carga caracterizado por deformar plasticamente os materiais por compressão-corte simples em sucessivas deformações, através da inversão alternada das velocidades relativas dos rolos superior e inferior entre cada uma das referidas deformações.

2. Processo de refinamento de grão de elementos metálicas por alteração de trajectória de carga, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os materiais a deformar plasticamente por compressão-corte simples em sucessivas deformações, através da inversão alternada das velocidades relativas dos rolos superior e inferior, entre cada uma das referidas deformações, serem chapas metálicas.

3. Processo de refinamento de grão de chapas metálicas por alteração de trajectória de carga, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por deformar plasticamente os materiais por compressão-corte simples em sucessivas deformações, em pelo menos duas estações de trabalho sucessivas, através da inversão alternada das velocidades relativas dos rolos superior e inferior, entre cada uma das referidas estações de trabalho.

4. Processo de refinamento de grão de elementos metálicos por alteração de trajectória de carga, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, 2 caracterizado por a amplitude da alteração da trajectória de deformação (a) ser inferior a 0,5.

5. Processo de refinamento de grão de elementos metálicos por alteração de trajectória de carga, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por a amplitude da alteração da trajectória de deformação (a) estar compreendida entre -0,13 e 0,5.

6. Processo de refinamento de grão de elementos metálicos por alteração de trajectória de carga, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por a amplitude da alteração da trajectória de deformação estar compreendida entre -0,13 e 0,13. 7 . Processo de refinamento de grão de elementos metálicos por alteração de trajectória de carga, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por o parâmetro ser superior 1, conforme expresso na relaçao seguinte entre a taxa de redução de espessura, r, e a deformação de corte aparente, Yapp · Tapp alPzíi 2(1-r)2

8. Processo de refinamento de grão de elementos metálicos por alteração de trajectória de carga, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por o parâmetro 'a' estar compreendido entre 1,2 e 2,5, conforme expresso na relação seguinte entre a taxa de redução de espessura, r, e a deformação de corte aparente, Y app · 3 3 Yapp ar(2-r) 2(1-r)2

9. Processo de refinamento de grão de elementos metálicos por alteração de trajectória de carga, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por o parâmetro 'a' estar compreendido entre 1,75 e 2,5, conforme expresso na relação seguinte entre a taxa de redução de espessura, r, e a deformação de corte aparente, Yapp · Yapp a r(2-r) 2(1-r)2

10. Processo de acordo com as reivindicações 2 a 9, caracterizado por produzir chapas metálicas com niveis de redução de espessura superiores a 500%.

11. Processo de acordo com as reivindicações 2 a 9, caracterizado por produzir chapas metálicas com tamanhos de grão da ordem dos 1-2 micron que podem ser estabilizados através de tratamento térmico a baixas temperaturas.

12. Processo de acordo com as reivindicações 2 a 9, caracterizado por produzir chapas com uma tensão limite de elasticidade 3 a 4 vezes superior à obtida em processos sem inversão alternada das velocidades relativas dos rolos superior e inferior, mantendo inalterada a sua formabilidade. elementos carga de Dispositivo para refinamento de grão de metálicos por alteração de trajectória de 13. 4 acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por compreender uma ou mais estações de trabalho que deformam plasticamente os materiais por compressão-corte simples através da inversão alternada das velocidades relativas dos rolos superior e inferior entre cada uma das referidas deformações.

14. Elemento metálico produzido de acordo com o processo de qualquer uma das reivindicações 1 a 12 caracterizado pelo refinamento de qrão obtido através da alteração de trajectória de carqa, por deformação plástica dos materiais por compressão-corte simples, em sucessivas deformações, através da inversão alternada das velocidades relativas dos rolos superior e inferior entre cada uma das referidas deformações.

15. Elemento metálico de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por ser chapa metálica.

16. Chapa metálica de acordo com a reivindicação anterior caracterizada por ser de aço ou alumínio. Data : 28 de Maio de 2008