PT1051531E - Aco e processo para o fabrico de pecas mecanicas clivaveis - Google Patents

Description

1 I

Ί· ' -1 -

DESCRIÇÃO

"AÇO Ε PROCESSO PARA O FABRICO DE PEÇAS MECÂNICAS CLIVÁVEIS" O presente invento diz respeito a um aço para o fabrico de peças mecânicas cliváveis, e designadamente para o fabrico de bielas para motores de combustão intema.

Certas peças mecânicas tais como, por exemplo, as bielas de motores de combustão intema, são constituídas pelo menos por dois elementos separáveis que são ligados por meio de sistemas de fixação tais como parafusos. Essas peças podem ser em ferro fundido, em pó metálico sinterizado e foijado, ou em aço foijado. O invento diz respeito a peças, e designadamente a bielas, em aço forjado. O aço de que são constituídas as bielas em aço foijado deve poder ser facilmente foijado e maquinado, e apresentar características mecânicas que permitam assegurar um bom comportamento das bielas em serviço. As características mecânicas normalmente exigidas são uma dureza compreendida entre 210 HB e 360 HB e uma resistência à ruptura compreendida entre 650 MPa e 1.200 MPa, a fim de se obter uma suficiente resistência à fadiga e um limite de elasticidade compreendido entre 300 MPa e 800 MPa, a fim de se evitar as deformações por ultrapassagem do limite de elasticidade. Para certas bielas, o limite de elasticidade Re deve ser superior a 700 MPa e a resistência à tracção deve ser inferior a 1.100 MPa. -2-

As bielas que comportam duas pares separadas, um corpo e uma cabeça, podem ser fabricadas por forjamento de um esboço. O esboço é em seguida maquinado e depois separado em duas partes por meio de ruptura frágil segundo um plano predeterminado. Esta técnica, dita das peças clivadas, apresenta várias vantagens, e designadamente a de simplificar consideravelmente a gama de fabrico ao suprimir operações de maquinagem. Em contrapartida, exige a utili/ação de um aço "clivável", quer dizer, que permita efectuar a operação de ruptura frágil em boas condições.

Para se fabricar bielas cliváveis, no pedido de patente japonês JP 8-291373 foi proposta a utilização de uma aço contendo entre 0,4 % e 0,6 % de carbono, entre 0,5 % e 5 % de silício, entre 0,1 % e 0,8 % de manganês, entre 0,1 % e 0,5 % de crómio, entre 0,1 % e 0,5 % de vanádio, entre 0,01 % e 0,2 %, e de preferência mais de 0,05 %, de fósforo, sendo o resto constituído por ferro, impurezas e eventualmcnte pequenas adições destinadas a melhorar a capacidade de maquinagem. No entanto este aço apresenta o inconveniente de ter uma estrutura quase totalmente perlítica, o que limita a fraeção em ferrite e portanto o efeito de endurecimento por precipitação de nitretos de carbono, assim como a fragilização deste mesmo aço. Além disso, para estes aços, as características de traeção (Re e Rm) são muito sensíveis às condições de arrefecimento, o que diminui a fiabilidade do fabrico de peças em série.

No pedido de patente francês FR 2 742 448 foi igualmente proposta a utilização de uma aço contendo entre 0,25 % e 0,5 % de carbono, entre 0,2 % e 1,5 % de silício, entre 0,1 % e 2 % de manganês, menos de 0,15 % de crómio, menos de 0,15 % de níquel, menos de 0,05 % de molibdénio, menos de 0,35 % de cobre, entre 0 % e 0,2 % de vanádio, entre 0,04 % e 0,2 % de fósforo, e entre 0,005 % e 0,02 % de azoto, sendo o resto constituído por ferro, impurezas e eventualmente pequenas adições destinadas a melhorar a capacidade de -3- maquinagem. Este aço permite obter uma estrutura ferrito-perlitica facilmente clivável. Em contrapartida, não permite obter em simultâneo um limite de elasticidade superior a 700 MPa e uma resistência à tracção inferior a 1.100 MPa. Além disso, a capacidade de clivagem não pode ser obtida senão por meio de uma importante adição de fósforo, o que apresenta o inconveniente de fazer aumentar os riscos de segregação que tomam a maquinagem difícil. O objectivo do presente invento consiste em remediar estes inconvenientes ao propor um processo para o fabrico de peças mecânicas cliváveis cujo limite de elasticidade seja superior a 700 MPa e cuja resistência à tracção seja inferior a 1.100 MPa, tendo uma boa capacidade de maquinagem, e com as quais se possa realizar uma operação de ruptura frágil em condições industrialmente satisfatórias.

Para esse efeito, o invento tem como objecto um aço para o fabrico de peças mecânicas cliváveis, cuja composição química compreende, em peso: 0,2 % < C < 0,4 % 0,1 % < Si < 1,5 % 0,3 % < Mn < 1,4 % 0,2 % < V < 0,5 % P< 0,150% 0,005 % < N < 0,02 % - eventualmente um ou vários elementos escolhidos entre o chumbo até 0,1 %, o telúrio até 0,15 %, o bismuto até 0,15 %, o selénio até 0,02 %, o enxofre até 0,35 %, e o cálcio até 0,005 %, - eventualmente pelo menos um elemento escolhido entre o titânio até 0,05 %, o nóbio até 0,1 %, e o alumínio até 0,07 %, sendo o resto constituído por ferro e por impurezas e residuais resultantes da elaboração; -4- lerido υ aço uma estrutura essexxcialxnexxte ferrito-perlítica cuja fracção ferrítica é pelo menos de 20 %, sendo a resistência do aço à tracção inferior a 1.100 M Pa, o limite de elasticidade superior a 700 MPa, a relação Re/Rm superior a 0,73 e a resiliência Kcv inferior a 7 Joules/cm2.

De preferência, o teor de fósforo é inferior a 0,03 %. Igualmente de preferência, os residuais, que são o níquel, o crómio e o molibdénio, têm teores

Ni + Cr < 0,45 % Mo < 0,06 % O invento diz igualmente respeito a uma peça feita neste aço cuja estrutura é essencialmente ferrito-perlítica, sendo a fracção ferrítica pelo menos de 20 %, sendo a resistência do aço à tracção inferior a 1.100 MPa, o limite de elasticidade superior a 700 MPa, a relação Re/Rm superior a 0,73 e a resiliência y

Kcv inferior a 7 Joules/cm . Esta peça, que pode ser uma biela, é clivável.

Finalmente, o invento diz respeito a um processo para o fabrico de uma peça em aço comportando pelo menos duas partes separadas, de acordo com o qual: - se aquece um pedaço de aço tendo a composição do aço de acordo com o invento a uma temperatura compreendida entre Ac3 + 150°C e 1.370°C, - se forja o pedaço de aço, a fim de se obter um esboço de peça, - após o foqamento, se arrefece o esboço de peça até à temperatura ambiente a uma velocidade compreendida entre 0,4°C/s e l,5°C/s no momento da passagem a 700°C, de modo a obter-se uma estrutura essencialmente ferrito-perlítica cuja fracção ferrítica é pelo menos de 20 %, uma resistência à tracção inferior a 1.100 MPa, um limite de elasticidade superior a 700 MPa, uma relação Re/Rm superior a 0,73 e uma resiliência Kcv inferior a 7 Joules/cm2, - se efectua uma ou mais maquinagens do esboço de peça, e - se separa a peça obtida em pelo menos duas partes por ruptura frágil. O invento irá em seguida ser descrito de uma maneira mais precisa, mas não limitativa. O aço de acordo com o invento é um aço sem liga (aço carbono) ou de baixa liga, para construção mecânica, cuja composição química compreende, em peso: - mais dc 0,2 % de carbono, e de preferência mais de 0,21 %, para se obter uma resistência mecânica suficiente, mas menos de 0,4 %, a fim de se evitar que as suas características mecânicas tenham uma grande sensibilidade às condições de arrefecimento, e a fim de se evitar igualmente que a sua dureza seja muito grande, tomando difícil a maquinagem; - entre 0,1 % e 1,5 % de silício; o silício é um elemento desoxidante que deve ser adicionado em teores superiores a 0,1 %, a fim de assegurar uma boa desoxidação; em teores inferiores a 1,5 %, e de preferência compreendidos entre 0,6 e 1,2 %, este elemento endurece e fragiliza a ferrite, o que é favorável a uma boa capacidade de maquinagem e a uma boa aptidão para a ruptura frágil; - entre 0,3 % e 1,4 % de manganês, a fim de fixar o enxofre sob a forma de sulfureto de manganês e para ajustar a capacidade de têmpera, a fim de se obter uma estrutura essencialmente ferrito-perlítica contendo pelo menos 30 % de ferrite, o que é favorável à capacidade de maquinagem; de preferência, a estrutura contém pelo menos 90 % de fenite-perlite; - entre 0,2 % e 0,4 % de vanádio, e de preferência mais de 0,21 %, para endurecer a ferrite, obter um limite de elasticidade superior a 700 MPa, uma relação entre o limite de elasticidade e a resistência à ruptura superior a 0,75, o que é favorável a uma boa aptidão para a ruptura frágil; -6- - até 0,2 % de fósforo, mas de preferência menos de 0,03 %; um forte teor de fósforo é favorável a uma boa aptidão para a ruptura frágil, no entanto é preferível limitar o seu teor a 0,003 % para limitar as segregações desfavoráveis à aptidão para a maquinagem; - entre 0,005 % e 0,02 % de azoto para formar nitretos de vanádio que endurecem a ferrite; - eventualmente um ou vários elementos escolhidos entre o chumbo até 0,1 %, o telúrio até 0,15 %, o bismuto até 0,15 %, o selénio até 0,02 %, o enxofre até 0,35 %, e o cálcio até 0,005 %, a fim de melhorar a capacidade de maquinagem; - eventualmente pelo menos um elemento escolhido entre o titânio até 0,05 %, o nóbio até 0,1 %, e o alumínio até 0,07 %, para limitar o crescimento do grão por ocasião do forjamento; sendo o resto da composição constituído por ferro, impurezas e residuais resultantes da elaboração.

Os residuais introduzidos pelas matérias primas são designadamente o níquel, o crómio e o molibdénio. A fim de se obter uma estrutura essencialmente ferrito-perlítica contendo pelo menos 20 %, e de preferência mais de 30 %, de ferrite, os teores de residuais devem, de preferência, ser controlados de maneira a que a soma dos teores Ni + Cr se mantenha inferior a 0,45 %, e a que o teor de molibdénio se mantenha inferior a 0,05 %.

Além disso, a fim de se controlar a estrutura de uma maneira eficaz, é preferível que os teores de manganês e de vanádio sejam tais que Mn + 10 x V < 5,2 %.

Para se fabricar uma peça clivável, aquece-se um pedaço de aço tendo a composição do aço de acordo com o invento a uma temperatura -7- compreendida entre Ac3 + 150°C e 1.370°C, a fim de fazer com que o vanádio vá ser austenizado e posto em solução, procedendo-se depois ao foijamento a quente do pedaço de aço, a fim de se obter um esboço de peça, sendo o foijamento terminado a uma temperatura superior a 800°C. Imediatamente após o forjamento, o esboço de peça é arrefecido de modo controlado até à temperatura ambiente, por exemplo ao ar, a uma velocidade de arrefecimento compreendida entre 0,5°C/s e l,5°C/s no momento da passagem a 700°C. Procedendo-se desta maneira, consegue-sc obter uma estrutura essencialmente ferrito-perlítica (quer dizer, pelo menos 90 % ferrito-perlítica) comportando pelo menos 20 %, e de preferência mais de 30 %, de ferrite, cujo limite de elasticidade Re é superior a 700 MPa e cuja resistência à traeção Rm é inferior a 1.100 Mpa, e de preferência superior a 850 MPa. Além disso, a resiliência Kcv é inferior a 7 Joules/cm2 à temperatura ambiente e a relação Re/Rm é superior a 0,73, e de preferência superior a 0,75. Estas duas últimas condições permitem obter fracturas perfeitas, sem bordos deformados, o que define a boa capacidade de clivagem. O esboço de peça assim obtido irá então ser submetido a maquinagem e depois dividido em dois elementos por ruptura frágil. A título de primeiro exemplo, procedeu-se ao fabrico de bielas utilizando-se um aço conforme o invento cuja composição química compreendia, em peso: C = 0,319% Si = 0,61 % Mn =1,02% V = 0,3 % Ni = 0,214% Cr = 0,21 % Mo = 0,05 % -8-

Cu = 0,21 % S = 0,059 % P = 0,017% AI = 0,02 % N = 0,0085 % sendo o resto da composição constituído por ferro e por impurezas resultantes da elaboração.

Antes do forjamento, o pedaço de aço foi aquecido a 1.270°C; a temperatura de fim de forjamento foi de 1.005°C. Após o forjamento, o esboço foi arrefecido ao ar, a velocidades de arrefecimento médio a 700°C de 0,9°C/s. As características obtidas foram: estrutura: ferrito-perlítica a 98 % com 60 % de ferrite, Rm= 1.050 MPa,

Re = 840 MPa, A % = 14,5 %,

Kcv = 4 Joules/cm2 à temperatura ambiente.

Depois os esboços foram maquinados e em seguida todos separados em dois elementos por ruptura frágil. Essa separação por ruptura frágil foi feita sem dificuldades. A título de segundo exemplo, procedeu-se ao fabrico de bielas utilizando-se um aço de acordo com o invento cuja composição química compreendia, em peso: C = 0,208 % -9-

Si = 0,605 % Μη = 1,02% V = 0,3 %

Ni = 0,212%

Cr = 0,211 %

Mo = 0,05 %

Cu = 0,205 % S = 0,059 % P = 0,016% AI = 0,022 % N = 0,0077 % sendo o resto da composição constituído por ferro e por impurezas resultantes da elaboração.

Antes do forjamento, o pedaço de aço foi aquecido a 1.270°C; a temperatura de fim de forjamento foi de 1.025°C. Após o forjamento, o esboço foi arrefecido ao ar, a velocidades de arrefecimento médio a 700°C de 0,9°C/s. As características obtidas foram: estrutura: ferrito-perlítica a 98 % com 60 % de ferrite,

Rm = 950 MPa,

Re = 740 MPa, A% = 17%,

Kcv = 5 Joules/cm2 à temperatura ambiente.

Depois os esboços foram maquinados e em seguida todos separados em dois elementos por ruptura frágil. Essa separação por ruptura frágil foi feita - 10- sem dificuldades.

Lisboa, 13 de Novembro de 2001

LUiS SILVA CARVALHO Agente Cflcisi í% Prcpsásda industrial RUA VtCTOR CORDOiN, 14 1200 LISBOA

Claims (9)

1. - 1 - REIVINDICAÇÕES 1. Aço para o fabrico de peças mecânicas cliváveis, cuja composição química compreende, em peso: 0,2 % < C < 0,4 % 0,1 % < Si < 1,5 % 0,3 % < Mn < 1,4 % 0,2 % < V < 0,5 % P< 0,150% 0,005 % < N < 0,02 % - cventualmente um ou vários elementos escolhidos entre o chumbo até 0,1 %, o telúrio até 0,15 %, o bismuto até 0,15 %, o selénio até 0,02 %, o enxofre até 0,35 %, e o cálcio até 0,005 %, - eventualmente pelo menos um elemento escolhido entre o titânio até 0,05 %, o nóbio até 0,1 %, e o alumínio até 0,07 %, sendo o resto constituído por ferro e por impurezas e residuais resultantes da elaboração; tendo o aço uma estrutura essencialmente ferrito-perlítica, sendo a fracção ferrítica pelo menos de 20 %, sendo a resistência do aço à tracção inferior a 1.100 MPa, o limite de elasticidade superior a 700 MPa, a relação Re/Rm superior a 0,73 e a resiliência Kcv inferior a 7 Joules/cm2.
2. 2. Aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a sua composição química ser tal que: P < 0,03
3. % 3. Aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os residuais, que são o níquel, o crómio e o molibdénio, terem teores tais que: -2- Ni + Cr < 0,45 % Mo < 0,06
4. % 4. Aço de acordo com as reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado por a fracção ferrítica ser pelo menos de 30 %.
5. 5. Aço de acordo com as reivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado por a relação Re/Rm ser superior a 0,75.
6. 6. Aço de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por a resistência à tracção Rm ser superior ou igual a 850 MPa.
7. 7. Peça em aço de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6.
8. 8. Peça de acordo com a reivindicação 7, caracterizada por ser uma biela.
9. 9. Processo para o fabrico de uma peça em aço comportando pelo menos duas partes separadas, de acordo com o qual: - se aquece a uma temperatura compreendida entre AC3 + 150°C e 1.370°C um pedaço de aço cuja composição química compreende, em peso: 0,2 % < C < 0,4 % 0,1 % < Si < 1,5 % 0,3 % < Mn < 1,4 % 0,2 % < V < 0,5 % P< 0,150% 0,005 % < N < 0,02 % e eventualmente um ou vários elementos escolhidos entre o chumbo até -3- 0,1 %, o telúrio até 0,15 %, o bismuto até 0,15 %, o selénio até 0,02 %, υ enxofre até 0,35 %, e o cálcio até 0,005 %, eventualmente pelo menos um elemento escolhido entre o titânio até 0,05 %, o nóbio até 0,1 %, e o alumínio até 0,07 %, sendo o resto constituído por ferro e por impurezas e residuais resultantes da elaboração, - se forja o pedaço de aço, a fim de se obter um esboço de peça, - após o forjamento, se arrefece o esboço de peça até à temperatura ambiente a uma velocidade compreendida entre 0,4°C/s e l,5°C/s no momento da passagem a 700°C, de modo a obter-se uma estrutura essencialmente ferrito-perlítica cuja ífaeção ferrítica é pelo menos de 20 %, uma resistência à traeção inferior a 1.100 MPa, um limite de elasticidade superior a 700 MPa, uma relação Re/Rm superior a 0,73 e uma resiliência Kcv inferior a 7 Joules/cm2, - se efectua uma ou mais maquinagens do esboço de peça, e - se separa a peça obtida em pelo menos duas partes por ruptura frágil. Lisboa, 13 de Novembro de 2001

   LUIS silva carvalho Agente Oficial da Propriedade industrial RUA VíCTOR CORDCM, 14 1200 LiSBOA