PT1563110E

PT1563110E - Peça de aço de construção soldável e processo para a sua fabricação.

Info

Publication number: PT1563110E
Application number: PT03789465T
Authority: PT
Inventors: Jean Beguinot; Jean-Georges Brisson
Original assignee: Industeel Creusot
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2003-11-13
Publication date: 2007-09-12
Also published as: DK1563110T3; KR20050075033A; EP1563110B1; RU2321668C2; AU2003294049B2; US20060162825A1; AU2003294049A1; KR101051934B1; CA2506353A1; RU2005119207A; EP1563110A1; CA2506353C; PL375529A1; DE60315182T2; AR042069A1; BR0315696A; JP2006506530A; ZA200504149B; WO2004048631A1; FR2847273A1

Description

1

DESCRIÇÃO

"PEÇA DE AÇO DE CONSTRUÇÃO SOLDÁVEL E PROCESSO PARA A SUA FABRICAÇÃO" A presente invenção refere-se a peças de aço de construção soldáveis e ao processo para a sua fabricação.

Os aços de construção devem apresentar um certo nivel de caracteristicas mecânicas para estarem adaptados ao uso que deles se deseja fazer, e devem, em particular, apresentar uma dureza elevada. Para isso, utilizam-se aços susceptiveis de serem temperados, quer dizer, para os quais se pode obter uma estrutura martensitica ou bainítica quando se arrefecem de maneira suficientemente rápida e eficaz. Define-se assim uma velocidade crítica bainítica, para lá da qual se obtém uma estrutura bainítica, martensitica ou martenso-bainitica, em função da velocidade de arrefecimento atingida. A aptidão à têmpera destes aços depende do seu teor de elementos que conferem têmpera. Regra geral, quanto maior for a quantidade em que estes elementos estão presentes, tanto mais baixa será a velocidade crítica bainítica.

Para além das suas caracteristicas mecânicas, os aços de construção devem apresentar, também, uma boa soldabilidade. Ora, quando se solda uma peça de aço, a zona de soldagem, também chamada de "zona afectada termicamente", ou ZAT, é submetida a uma temperatura muito alta durante um tempo breve e em seguida a um arrefecimento brutal, que vão conferir a esta zona uma dureza elevada, que pode conduzir a fissurações e restringir assim a soldabilidade do aço. 2

De uma forma clássica, a soldabilidade de um aço pode ser estimada com o auxilio do cálculo do seu "carbono equivalente" dado pela seguinte fórmula:

Ceq = (% C + % Mn/6 + (% Cr + (% Mo + % W/2) + % V)/5 + % Ni/15)

Numa primeira aproximação, quanto mais baixo for o seu carbono equivalente, mais soldável será o aço. Compreende-se, portanto, que a melhoria da aptidão à têmpera, que passa por um maior teor de elementos que conferem têmpera, se faça em detrimento da soldabilidade.

Para melhorar a aptidão à têmpera destes aços, sem degradar a sua soldabilidade, desenvolveram-se então "nuances" micro-ligadas de boro, aproveitando-se do facto, nomeadamente, de a eficácia deste elemento para conferir têmpera diminuir quando a temperatura de austenização aumenta. Assim, a ZAT confere menos têmpera do que uma "nuance" da mesma aptidão à têmpera sem boro, e pode-se assim diminuir a aptidão à têmpera e a dureza desta ZAT.

Todavia, como o efeito de conferir têmpera do boro, na parte não soldada do aço, tende a saturar para teores eficazes de 30 a 50 ppm, pode fazer-se uma melhoria suplementar da aptidão à têmpera do aço somente adicionando-se os elementos que conferem têmpera, cuja eficácia não dependa da temperatura de austenização, o que penaliza a soldabilidade destes aços automaticamente. Da mesma maneira, a melhoria da soldabilidade passa pela diminuição dos teores de elementos que conferem têmpera, o que reduz automaticamente a aptidão à têmpera. O objectivo da presente invenção é remediar este inconveniente, propondo um aço de construção que tem uma 3 aptidão à têmpera melhorada, sem diminuição da sua soldabilidade.

Para este efeito, a invenção tem como primeiro objectivo uma peça de aço de construção soldável, cuja composição química compreende, em peso: 0,10% < C < 0,22% 0,50% < Si < 1,50% AI < 0,9% 0% < Mn < 3% 0% < Ni < 5% 0% < Cr < 4% 0% < Cu < 1% 0% < Mo + W/2 < 1,5% 0,0005% < B < 0,010% N < 0,025% eventualmente pelo menos um elemento tomado entre V, Nb, Ta, S e Ca, com teores inferiores a 0,3%, e/ou entre Ti e Zr com teores inferiores ou iguais a 0,5%, sendo o restante ferro e impurezas resultantes da produção, satisfazendo, além disso, os teores de alumínio, de boro, de titânio e de azoto, expressos em milésimos de %, da referida composição, à seguinte relação: B > 1/3 x K + 0,5, (1) com K = Min (I*; J*) I* = Max (0; I) e J* = Max (0; J) I = Min (N; N-0,29 (Ti-5)) J = Min [n; 0,5 N-0,52 AI +/ (N— 0,52 Al) + 283 verificando, além disso, os teores de silício e de alumínio da composição, as seguintes condições: 4 se C > 0,145, então Si + AI < 0,95, e cuja estrutura é bainítica, martensítica ou martenso-bainítica e compreende, além disso, de 3 a 20% de austenite residual, de preferência de 5 a 20% de austenite residual.

Num modo de realização preferido, a composição quimica do aço da peça de acordo com a invenção satisfaz, além disso, à relação: 1,1% Mn + 0,7% Ni + 0,6% Cr + 1,5(% Mo + % W/2) > 1, de preferência ^ 2 (2)

Num outro modo de realização preferido, a composição quimica do aço da peça de acordo com a invenção satisfaz, além disso, à relação: % Cr + 3(% Mo + % W/2) > 1,8, de preferência >2,0. A invenção tem igualmente como segundo objectivo um processo para a fabricação de uma peça de aço soldável, de acordo com a invenção, caracterizado por: - se austenizar a peça por aquecimento a uma temperatura compreendida entre AC3 e 1 000°C, de preferência compreendida entre Ac3 e 950°C, em seguida se arrefecer a mesma até uma temperatura inferior ou igual a 200°C, de tal maneira que, no interior da peça, a velocidade de arrefecimento entre 800°C e 500°C seja superior ou igual à velocidade critica bainitica, - eventualmente, se efectuar um revenido a uma temperatura inferior ou igual a Aci.

Entre cerca de 500°C e a temperatura ambiente e, nomeadamente, entre 500°C e uma temperatura inferior ou igual a 200°C, a velocidade de arrefecimento pode ser eventualmente retardada, nomeadamente para favorecer um fenómeno de auto-revenido e a retenção de 3% a 20% de 5 austenite residual. Preferencialmente, a velocidade de arrefecimento entre 500°C e uma temperatura inferior ou igual a 200°C estará então compreendida entre 0,07°C/s e 5°C/s, mais preferencialmente entre 0,15°C/s e 2,5°C/s.

Num modo de realização preferido, efectua-se um revenido a uma temperatura inferior a 300°C durante um tempo inferior a 10 horas, no final do arrefecimento até uma temperatura inferior ou igual a 200°C.

Num outro modo de realização preferido, o processo de acordo com a invenção não compreende um revenido no final do arrefecimento da peça até uma temperatura inferior ou igual a 200°C.

Num outro modo de realização preferido, a peça submetida ao processo de acordo com a invenção é uma chapa de espessura compreendida entre 3 e 150 mm. A invenção tem por terceiro objectivo um processo para a fabricação de uma chapa de aço soldável, de acordo com a invenção, cuja espessura está compreendida entre 3 mm e 150 mm, e que é caracterizado por se realizar uma têmpera da referida chapa, sendo a velocidade de arrefecimento VR no interior da chapa entre 800°C e 500°C, expressa em °C/hora, e a composição do aço tais que: 1,1% Mn + 0,7% Ni + 0,6% Cr + 1,5 (% Mo + % W/2) + log VR á 5,5, e de preferência h 6, sendo log o logaritmo decimal. A presente invenção é baseada no dado novo de que a adição de silicio, nos teores indicados acima, permite aumentar o efeito de conferir têmpera do boro de 30% a 50%. Esta sinergia intervém sem aumento da quantidade de boro 6 adicionada, ao passo que o silício não apresenta um efeito de conferir têmpera notável na ausência do boro.

Por outro lado, a adição de silício não afecta a propriedade do boro de ver a sua aptidão à têmpera reduzir-se e depois anular-se com temperaturas de austenização crescentes, como é o caso na ZAT. Vê-se, portanto, que a utilização de silício na presença de boro permite aumentar ainda a aptidão à têmpera da peça sem alterar a sua soldabilidade.

Por outro lado, descobriu-se igualmente que, graças à melhoria da aptidão à têmpera destas "nuances" de aços, e garantindo-lhes um teor mínimo de elementos geradores de carburetos, que são, nomeadamente, o crómio, o molibdénio e o tungsténio, se podiam fabricar estes aços efectuando-se apenas um revenido a baixa temperatura, ou mesmo suprimindo-o.

Com efeito, a melhoria da aptidão à têmpera permite arrefecer as peças mais lentamente, garantindo ao mesmo tempo uma estrutura essencialmente bainítica, martensítica ou martenso-bainitica. Este arrefecimento mais lento combinado com um teor suficiente de elementos geradores de carburetos, permite então a precipitação de carburetos finos de crómio, de molibdénio e/ou de tungsténio por um fenómeno chamado de auto-revenido. Este fenómeno de auto-revenido é, além disso, grandemente favorecido pelo afrouxamento da velocidade de arrefecimento abaixo dos 500°C. Da mesma maneira, este afrouxamento favorece também a retenção de austenite, preferencialmente numa proporção compreendida entre 3% e 20%. Simplifica-se, portanto, o processo de fabricação, melhorando-se, ao mesmo tempo, as características mecânicas do aço, que já não sofre um 7 amaciamento importante devido a um revenido a alta temperatura, como se pratica habitualmente. Permanece, no entanto, possível efectuar-se um revenido desta natureza às temperaturas usuais, quer dizer, inferiores ou iguais a Aci. A invenção vai agora ser descrita mais em pormenor, mas de maneira não limitativa. 0 aço da peça de acordo com a invenção contém, em peso: - mais de 0,10% de carbono, para permitir obter uma dureza suficiente, mas menos de 0,22% para se obter uma excelente soldabilidade, uma boa aptidão ao corte, uma boa aptidão à dobragem e uma tenacidade satisfatória; - mais de 0,50%, de preferência mais de 0,75%, e de maneira particularmente preferida mais de 0,85% em peso, de silício, a fim de se obter a sinergia com o boro, mas menos de 1,50% em peso para não fragilizar o aço; - mais de 0,0005%, de preferência mais de 0,001% de boro, para ajustar a aptidão à têmpera, mas menos de 0,010% em peso para evitar um teor demasiado grande de nitretos de boro, prejudiciais para as características mecânicas do aço; - menos de 0,025%, e de preferência menos de 0,015% de azoto, sendo o teor obtido função do processo de produção do aço; - de 0% a 3% e, de preferência de 0,3% a 1,8% de manganês, de 0% a 5% e, de preferência de 0% a 2% de níquel, de 0% a 4% de crómio, de 0 a 1% de cobre, sendo a soma do teor de molibdénio e de metade do teor de tungsténio inferior a 1,50%, de maneira a obter-se uma estrutura principalmente bainítica, martensítica ou martenso-bainítica, tendo, além disso, o crómio, o molibdénio e o tungsténio a vantagem de permitir a formação de carburetos favoráveis à resistência mecânica e ao desgaste, como foi indicado anteriormente; além disso, a soma % Cr + 3(% Mo + % W/2) é de preferência, superior a 1,8%, e de maneira particularmente preferida é superior a 2,0%, a fim de poder eventualmente limitar o revenido a 300°C, ou mesmo suprimi-lo; eventualmente pelo menos um elemento tomado entre V, Nb, Ta, S e Ca, com teores inferiores a 0,3%, e/ou entre Ti e Zr com teores inferiores ou iguais a 0,5%, e/ou alumínio com um teor inferior a 0,9%. A adição de V, Nb, Ta, Ti, Zr permite obter um endurecimento por precipitação sem deteriorar excessivamente a soldabilidade. O titânio, o zircónio e o alumínio podem ser utilizados para fixar o azoto presente no aço, o que protege o boro, podendo o titânio ser substituído, no todo ou em parte, por um peso duplo de Zr. O enxofre e cálcio permitem melhorar a aptidão ao trabalho mecânico da "nuance". O alumínio é limitado a 0,9% para evitar qualquer problema de obstrução das condutas aquando da vazão; satisfazendo, além disso, os teores de alumínio, de boro, de titânio e de azoto, expressos em milésimos de %, da referida composição, à seguinte relação: B > 1/3 x K + 0,5, (1) com K = Min (I*; J*) I* = Max (0; I) e J* = Max (0; J) I = Min (N; N-0,29(Ti-5)) J = Min N; 0,5 f-o. 52 AI +/(N-0,52 Al)z + 283 com a condição suplementar de: 9 - se C > 0,145 (e de preferência > 0,140), então Si + AI < 0,95, e de preferência < 0,90, a fim de delimitar claramente a invenção em relação ao pedido anterior EP 0 725 156, - sendo o restante ferro e impurezas resultantes da produção.

Para se fabricar uma peça soldável, produz-se um aço de acordo com a invenção, verte-se o mesmo sob a forma de um produto semi-acabado, que é então conformado por deformação plástica a quente, por exemplo, por laminagem ou por forjamento. A peça assim obtida é então austenizada por aquecimento a uma temperatura acima de Ac3, mas inferior a 1000°C, e de preferência inferior a 950°C, em seguida é arrefecida até à temperatura ambiente de tal maneira que, no interior da peça, a velocidade de arrefecimento entre 800°C e 500°C seja superior à velocidade critica bainitica. Limita-se a temperatura de austenização a 1000°C, porque, para lá desse valor, o efeito de conferir têmpera do boro torna-se demasiado baixo.

Todavia, é igualmente possível obter a peça por arrefecimento directo na calda de conformação (sem re-austenização) e neste caso, mesmo que o aquecimento antes da conformação ultrapasse 1000 °C, mas permanecendo inferior a 1300°C, conservando então o boro o seu efeito.

Para arrefecer a peça até à temperatura ambiente, desde a temperatura de austenização, pode-se dar têmpera, utilizando todos os processos de têmperas conhecidos (ar, óleo, água) desde que a velocidade de arrefecimento permaneça superior à velocidade crítica bainitica. 10

Em seguida submete-se eventualmente a peça a uma têmpera clássica, a uma temperatura inferior ou igual a Aci, mas prefere-se limitar a temperatura a 300°C, ou mesmo suprimir esta etapa. Com efeito, a ausência de têmpera pode ser, eventualmente, compensada por um fenómeno de auto-revenido. Este é, nomeadamente, favorecido, permitindo uma velocidade de arrefecimento a baixa temperatura (quer dizer, abaixo de cerca de 500°C), preferencialmente compreendida entre 0,07 °C/s e 5 °C/s, mais preferencialmente entre 0,15°C/s e 2,5°C/s.

Para este efeito, poder-se-ão empregar todos os meios de têmpera conhecidos, na condição de os controlar se necessário. Assim, poder-se-á, por exemplo, utilizar uma têmpera com água, se se reduzir a velocidade de arrefecimento quando a temperatura da peça descer abaixo de 500°C, o que poderá fazer-se, nomeadamente, retirando a peça da água para acabar a têmpera ao ar.

Obtém-se assim uma peça, e nomeadamente uma chapa, soldável, constituída por aço tendo uma estrutura bainítica, martensítica ou martenso-bainítica no interior, compreendendo de 3 a 20% de austenite residual. A presença de austenite residual oferece um interesse particular face ao comportamento do aço na soldagem. Com efeito, com vista a limitar o risco de fissuração na soldagem, e complementarmente à redução acima mencionada da aptidão à têmpera da ZAT, a presença de austenite residual no metal de base, na proximidade da ZAT, permite fixar uma parte do hidrogénio dissolvido, eventualmente introduzido na operação de soldagem, hidrogénio esse que, se não fosse assim fixado, viria aumentar o risco de fissuração. 11 A titulo de exemplo, fabricaram-se lingotes com os aços 1 e 2 de acordo com a invenção, e com os aços A e B de acordo com a técnica anterior, cujas composições, em milésimos de % em peso, e à excepção do ferro, são: C Si B Mn Ni Cr Mo W V Nb Ti AI N 1 145 875 3 1160 180 1600 170 0 0 0 0 55 7 A 147 310 3 1140 210 1610 175 0 0 0 0 52 6 2 215 740 2 1120 190 1550 90 240 55 0 120 10 6 B 212 280 3 1090 200 1590 120 190 65 0 95 12 6

Após o forjamento dos lingotes, a aptidão à têmpera dos quatro aços foi avaliada por dilatometria. A titulo de exemplo neste caso havia o interesse na aptidão à têmpera martensitica e, portanto, na velocidade critica martensitica VI após uma austenização a 900°C durante 15 minutos.

Deduziram-se desta velocidade VI as espessuras máximas das chapas que se podem obter conservando uma estrutura essencialmente martensitica no interior e compreendendo igualmente pelo menos 3% de austenite residual. Estas espessuras foram determinadas no caso de uma têmpera ao ar (A), em óleo (H) e em água (E).

Por fim, estimou-se a soldabilidade dos quatro aços, calculando a sua percentagem de carbono equivalente de acordo com a fórmula:

Ceq = (% C + % Mn/6 + (% Cr + (% Mo + % W/2) + % V)/5 + % Ni/15)

As caracteristicas dos lingotes LI e L2 de acordo com a invenção, e dos lingotes LA e LB, dadas a titulo de comparação, são: 12

Lingote VI espessura máxima (mm) Ceq (°C/h) A H E (%) LI 12000 6 50 80 0, 704 LA 30000 2 25 50 0, 708 L2 7500 9 60 110 0, 777 LB 17000 4 40 70 0, 781

Verifica-se que as velocidades criticas martensiticas das peças de acordo com a invenção são nitidamente inferiores às velocidades correspondentes dos lingotes de aço da técnica anterior, o que significa que a sua aptidão à têmpera foi sensivelmente melhorada, enquanto, ao mesmo tempo, a sua soldabilidade fica inalterada. A melhoria da aptidão à têmpera permite assim fabricar peças de estrutura temperada no interior, em condições de arrefecimento menos drásticas que as da técnica anterior e/ou com espessuras máximas superiores.

Lisboa, 30 de Agosto de 2007

Claims

1 REIVINDICAÇÕES 1. Peça de aço de construção soldável, caracterizada por a sus composição química compreender, em peso: 0,10% < C < 0,22% 0,50% < Si < 1,50% AI < 0,9% 0% < Mn < 3% 0% < Ni < 5% 0% < Cr < 4% 0% < Cu < 1% 0% < Mo + W/2 < 1,5% 0,0005% < B < 0,010% N < 0,025% eventualmente pelo menos um elemento tomado entre V, Nb, Ta, S e Ca, com teores inferiores a 0,3%, e/ou entre Ti e Zr com teores inferiores ou iguais a 0,5%, sendo o restante ferro e impurezas resultantes da produção, satisfazendo, além disso, os teores de alumínio, de boro, de titânio e de azoto, expressos em milésimos de %, da referida composição, à seguinte relação: B > 1/3 x K + 0 ,5, (D com K = Min (i*; J*) I* = Max (0; I) e J* = Max (0; J) I = Min (N; N-0, 29 (Ti -5) ) J = Min N; 0,5 N-0, 52 Al +J (N-0,52 Al)2 + 283 J verificando, além di. 3 SO, os teores de silício e alumínio da composição, as seguintes condições: se C > 0,145, então Si + Al < 0,95, 2 e cuja estrutura é bainítica, martensítica ou martenso-bainítica e compreende, além disso, de 3 a 20% de austenite residual.

2. Peça de aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a sua composição química satisfazer, além disso, à seguinte relação: 1,1% Mn + 0,7% Ni + 0,6% Cr + 1,5(% Mo + % W/2) > 1 (2)

3. Peça de aço de acordo com a reivindicação 2, caracterizada, além disso, por a sua composição química satisfazer à seguinte relação: 1,1% Mn + 0,7% Ni + 0,6% Cr + 1,5 (% Mo + % W/2) > 2 (2)

4. Peça de aço de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 3, caracterizada por a sua composição química satisfazer, além disso, à seguinte relação: % Cr + 3(% Mo + % W/2) > 1,8.

5. Peça de aço de acordo com a reivindicação 4, caracterizada por a sua composição química satisfazer, além disso, à seguinte relação: % Cr + 3(% Mo + % W/2) > 2,0.

6. Processo para a fabricação de uma peça de aço soldável, de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 5, caracterizado por: - se austenizar a peça por aquecimento a uma temperatura compreendida entre AC3 e 1000°C, em seguida se arrefecer a mesma até uma temperatura inferior ou igual a 200°C, de tal maneira que, no interior da peça, a velocidade de arrefecimento entre 800°C e 500°C seja superior ou igual à velocidade crítica bainítica, 3 - eventualmente, se efectuar um revenido a uma temperatura inferior ou igual a Aci.

7. Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por, no interior da referida peça, a velocidade de arrefecimento entre 500°C e uma temperatura inferior ou igual a 200°C estar compreendida entre 0,07°C/s e 5°C/s. Processo de acordo com as reivindicações 6 ou 7, caracterizado por se efectuar um revenido a uma temperatura inferior a 300°C durante um tempo inferior a 10 horas, no final do arrefecimento até uma temperatura inferior ou igual a 200°C. Processo de acordo com as reivindicações 6 ou 7, caracterizado por não se efectuar um revenido no final do arrefecimento até uma temperatura inferior ou igual a 200°C.

10. Processo para a fabricação de uma chapa de aço soldável, de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 5, cuja espessura está compreendida entre 3 mm e 150 mm, caracterizado por se realizar uma têmpera da referida chapa, sendo a velocidade de arrefecimento VR, expressa em °C/hora, no interior da peça entre 800°C e 500°C, e a composição do aço, tais que: 1,1% Mn + 0,7% Ni + 0,6% Cr + 1,5(% Mo + % W/2) + log VR ^ 5,5.

11. Processo para a fabricação de uma chapa de aço soldável, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por a velocidade de arrefecimento VR, 4 expressa em °C/hora, no interior da peça entre 800°C e 500°C, e a composição de aço, serem tais que: 1,1% Mn + 0,7% Ni + 0,6% Cr + 1,5 (% Mo + % W/2) + log VR > 6. Lisboa, 30 de agosto de 2007