PT2236639E - Aço de ferramentas de trabalho a quente com uma tenacidade e condutividade térmica excepcionais - Google Patents

Description

ΡΕ2236639 - 1 - DESCRIÇÃO "AÇO DE FERRAMENTAS DE TRABALHO A QUENTE COM UMA TENACIDADE E CONDUTIVIDADE TÉRMICA EXCEPCIONAIS"

Campo da invenção A presente invenção refere-se a um aço para ferramentas de trabalho a quente com uma condutividade térmica muito elevada e uma baixa sensibilidade ao entalhe proporcionando uma resistência à fadiga térmica e choque térmico excepcional. 0 aço também apresenta uma temperabilidade em profundidade muito elevada.

Sumário

Os aços para ferramentas de trabalho a quente para muitos processos industriais são, muitas vezes, submetidos a cargas termomecânicas elevadas. Estas cargas conduzem, muitas vezes, ao choque térmico ou fadiga térmica. Para a maioria destas ferramentas, os principais mecanismos de falha compreendem fadiga térmica e/ou choque térmico, muitas vezes em combinação com outros mecanismos de degradação, como fadiga mecânica, desgaste (abrasivo, adesivo, erosivo ou mesmo cavitativo) fractura, afundamento ou outros tipos de deformação plástica, para citar os mais relevantes. Em muitas outras aplicações para além das ferramentas acima referidas, empregam-se materiais que também requerem uma elevada resistência à fadiga térmica, - 2 - ΡΕ2236639 frequentemente em combinação com resistência a outros mecanismos de falha. 0 choque térmico e fadiga térmica são originados por gradientes térmicos, em muitas aplicações nas quais não se conseguem obter regimes de transmissão estacionários, frequentemente devido a tempos de exposição curtos ou a uma quantidade de energia limitada da fonte conduzindo a uma diminuição da temperatura, sendo a magnitude do gradiente térmico no material para ferramentas também uma função da sua condutividade térmica (proporcionalidade inversa aplica-se a todos os casos com um número de Biot suficientemente pequeno).

Neste cenário, para uma dada aplicação com uma dada função de densidade de fluxo térmico, um material com uma maior condutividade térmica sofre uma carga superficial menor, dado que o gradiente térmico resultante é menor.

Tradicionalmente, para muitas aplicações nas quais a fadiga térmica é o mecanismo de falha principal, como em muitos casos de fundição a alta pressão, a medição da tenacidade mais habitual para avaliar os diferentes materiais para ferramentas é o ensaio de resiliência Charpy com entalhe em forma em V (CVN - Charpy V-notch). Também se podem utilizar outras medições que são, ainda, mais representativas para algumas aplicações, como resistência à fractura ou deformação elástica, deformação à fractura ... Estas medições, juntamente com medições relacionadas com - 3 - ΡΕ2236639 resistência mecânica (como o limite de elasticidade, resistência mecânica ou limite de fadiga), medições relacionadas com desgaste (normalmente, peso K perdido, em alguns testes tribométricos) podem ser utilizadas como indicadores do comportamento do material para fins comparativos entre diferentes candidatos a materiais para ferramentas.

Por conseguinte, um número de mérito para comparar a resistência teórica de diferentes materiais para uma dada aplicação pode ser:

Me.Nr= CVN-k / (Ε·α) em que: CVN- ensaio de impacto Charpy com entalhe em V k - Condutividade térmica E - Módulo de elasticidade oí - Coeficiente de expansão térmica

Na maior parte da literatura cientifica, o termo CVN seria substituído por KiC, resistência à fadiga mecânica ou resistência à deformação à temperatura de trabalho. Mas o exemplo acima apresentado de número de Mérito é, indiscutivelmente, um dos mais intuitivos entre especialistas industriais. É, então, evidente que, para melhorar a resistência à fadiga térmica, devem ser feitas tentativas - 4 - ΡΕ2236639 para, simultaneamente, aumentar a condutividade térmica, tenacidade e diminuir o módulo de elasticidade e o coeficiente de expansão térmica.

Em muitas aplicações, utilizam-se ferramentas espessas e, assim, se for necessária uma resistência mecânica suficiente para implicar tratamento térmico, então, uma boa temperabilidade em profundidade é também desejável. A temperabilidade também é muito interessante no caso de aços para ferramentas de trabalho a quente, porque é muito mais fácil atingir uma maior tenacidade com uma microestrutura de martensite temperada do que com uma microestrutura de bainite temperada. Assim, com uma maior temperabilidade é necessária uma menor brusquidão no arrefecimento de endurecimento. Um arrefecimento brusco é mais difícil de conseguir e, além disso, mais dispendioso, e dado que as formas das ferramentas e componentes construídos são, muitas vezes, complexos, isso pode levar à fissuração das peças tratadas termicamente.

Resistência ao desgaste e resistência mecânica são, muitas vezes, inversamente proporcionais à tenacidade. Assim, não é fácil obter um aumento simultâneo na resistência ao desgaste e resistência à fadiga térmica. A condutividade térmica, neste caso, ajuda, ao permitir um grande aumento da resistência à fadiga térmica, mesmo que se reduza ligeiramente o CVN para aumentar as resistências ao desgaste ou mecânica. - 5 - ΡΕ2236639

Existem muitas outras propriedades desejáveis, quando não necessárias, para um aço para ferramentas de trabalho a quente que não influenciam necessariamente a longevidade da ferramenta ou componente, mas os seus custos de produção, como: a facilidade de maquinagem, de soldadura ou das reparações em geral, suporte fornecido ao revestimento, custo,...

Na presente invenção, desenvolveu-se uma familia de materiais para ferramentas com maior resistência à fadiga térmica e ao choque térmico, que pode ser combinada com uma melhor resistência ao colapso mecânico ou desgaste. Estes aços também apresentam uma maior temperabilidade em profundidade e maior CVN relativamente a outros aços para ferramentas com uma elevada condutividade térmica e caracteristicas mecânicas (WO/2008/017341).

Os autores descobriram que o problema de obter, simultaneamente, uma condutividade térmica elevada, temperabilidade em profundidade, tenacidade e caracteristicas mecânicas, pode ser resolvido mediante a aplicação de determinadas regras de composição e tratamentos termomecânicos dentro da gama composicional seguinte: %Ceq = 0,20-1,2 %C = 0,20-1,2 %N = 0-1 %B = \—1 1 o %Cr<l,5 %Ni = 1,0-9 %Si<0,4 %Mn = 0-3 %A1 = 0-2,5 %Mo = 0-10 %W = 0-15 %Ti = 0-3 - 6 - ΡΕ2236639 %Ta = 0-3 %Zr = 0-3 %Hf = 0-3, %V = 0-4 %Nb = 0-3 %Cu= 0-4 %Co = 0-6 %S = 0-1 %Se = 0-1 %Te = 0-1 %Bi = 0-1 %As = 0-1 %Sb = 0-1 %Ca =0-1, sendo o restante constituído por ferro e impurezas inevitáveis, em que %Ceq = %C + 0.86 * %N + 1.2 * %B, caracterizado por %Mo + 'Λ %W > 1.2 desde que W não esteja ausente.

Quanto mais restritivo se for com a %Si e %Cr, melhor será a condutividade térmica, mas mais dispendiosa é a solução (também algumas propriedades, que podem ser relevantes para determinadas aplicações, sendo, assim, desejável mantê-las para essas aplicações, podem degradar-se com a redução desses elementos abaixo de determinados níveis, como é, por exemplo, a tenacidade devido a inclusões de óxidos aprisionadas se se utilizarem percentagens demasiado baixas de Al, Ti, Si (e qualquer outro desoxidante) , ou determinados casos de resistência à corrosão se %Cr ou %Si forem demasiado baixas) e, portanto, obtém-se, muitas vezes, um compromisso entre o aumento de custos, redução de tenacidade, resistência à corrosão ou - 7 - ΡΕ2236639 outras características relevantes para determinadas aplicações, e o benefício de uma maior condutividade térmica. A maior condutividade térmica só pode ser conseguida quando os níveis de %Si e %Cr são inferiores a 0,1% e melhor ainda se forem inferiores a 0,05%. Além disso, os níveis de todos os outros elementos além de %C, %Mo, %W, %Mn e %Ni têm que ser tão baixos quanto possível (menos de 0,05 é tecnologicamente possível com um custo admissível para a maioria das aplicações, é claro que a obtenção de um valor inferior a 0,1 é menos dispendiosa). Em várias aplicações onde a tenacidade é especialmente relevante, níveis menos restritivos de %Si (é o menos prejudicial para a condutividade térmica de todos os elementos desoxidantes de ferro) têm de ser adoptados, renunciando, assim, a alguma condutividade térmica, a fim de assegurar que o nível de inclusões não é muito alto. Dependendo dos níveis de %C, %Mo e %W utilizados, a temperabilidade em profundidade pode ser suficiente, especialmente na zona perlítica. Para aumentar a temperabilidade em profundidade na zona bainítica, o Ni é o melhor elemento a empregar (a quantidade necessária é também uma função, para além da acima mencionada, do nível de determinados outros elementos de aliagem, como a %Cr, %Mn, ...). Os níveis de %Mo, %W e %C utilizados para obter as propriedades mecânicas desejadas têm de ser equilibrados entre si para a obtenção de uma condutividade térmica elevada, de modo a que tão poucos destes elementos quanto possível permaneçam em solução sólida na matriz. O mesmo se aplica a todos os outros formadores de carboneto que podem - 8 - ΡΕ2236639 ser utilizados para obter uma determinada resposta tribológica (como %V, %Zr, %Hf, %Ta%,. . .) .

No presente documento, o termo carboneto refere-se a carbonetos primários e secundários.

Em geral, é conveniente, para obter uma condutividade térmica elevada, aderir à seguinte regra de aliagem (para minimizar a %C em solução sólida), se se quiser obter uma microestrutura de martensite temperada ou bainite temperada que resista às solicitações mecânicas. A fórmula tem que ser corrigida se se utilizarem formadores de carboneto de grande intensidade (como Hf, Zr ou Ta e mesmo Nb): 0,03 < xCeq - AC - [xMo / (3 AMo) + xW / (3- AW) + xV / AV] >0,165 em que: xCeq - Percentagem de Carbono em peso; xMo - Percentagem de Molibdénio em peso; xW - Percentagem de Tungsténio em peso; xV - Percentagem de Vanádio em peso; AC - Massa atómica do Carbono (12,0107 u); AMo - Massa atómica do Molibdénio (95, 94 u) ; AW - Massa atómica do Tungsténio (183,84 u); AV - Massa atómica do Vanádio (50,9415 u). É ainda mais desejável, para uma condutividade térmica ainda mais melhorada, ter: - 9 - ΡΕ2236639 0,05 < xCeq - AC · [xMo / (3* AMo) + xW / (3- AW) + xV / AV] > 0,158 E ainda melhor: 0,09 < xCeq - AC · [xMo / (3· AMo) + xW / (3· AW) + xV / AV] > 0.15

Para corrigir a presença de outros formadores de carboneto de grande intensidade, tem de adicionar-se à fórmula um termo extra para cada tipo de formador de carboneto de grande intensidade: -AC*xM/(R*AM) em que: xM - Percentagem de formador de carboneto em peso; AC - Massa atómica do carbono (12,0107 u); R - Número de unidades de formador de carboneto por unidade de carboneto (e. g., 1 se é o tipo de carboneto for MC, 23/7 se o tipo de carboneto for M23C7. . . .) AM - Massa atómica de formador de carboneto (??? u);

Este equilíbrio proporciona uma condutividade térmica excepcional se os elementos de formação de partículas de reforço cerâmicas, incluindo a parte não-metálica (%C, %B e %N) , forem, efectivamente, dirigidos para os carbonetos (em alternativa, nitretos, boretos ou substâncias intermédias). Assim, tem de aplicar-se um tratamento térmico adequado. Este tratamento térmico terá uma fase em que a maioria dos elementos são dissolvidos (austenitização a uma temperatura suficientemente elevada, -10- ΡΕ2236639 normalmente acima de 1040 °C e, muitas vezes, acima de 1080 °C) , seguida por um arrefecimento brusco, cuja intensidade é determinada principalmente pelas propriedades mecânicas desejadas, devendo, no entanto, evitar-se microestruturas estáveis porque implicam fases com uma grande quantidade de %C e formadores de carboneto em solução sólida. Microestruturas meta-estáveis são ainda piores per se, já que a distorção na microestrutura provocada por carbono é ainda maior e, portanto, a condutividade térmica é menor, embora, depois de estas estruturas meta-estáveis se terem relaxado, é quando os formadores de carboneto se encontram na colocação desejada. Assim, neste caso, a martensite temperada e bainite temperada serão as microestruturas pretendidas.

De um modo genérico, pode-se dizer que quanto maior o teor de Mn e Si utilizado para a obtenção de algumas propriedades especificas, menor deve ser a %Ni utilizada, porque o efeito sobre a condutividade térmica por electrões na matriz é demasiado elevado. Isto pode ser, grosseiramente, representado por: %Ni+9*%Mn+5*%Si < 9 ou ainda melhor quando o limite superior pode ser reduzido para 8% em peso.

Para melhorar a capacidade de maquinagem, podem utilizar-se S, As, Te, Bi ou mesmo Pb. O mais comum deles, -11- ΡΕ2236639

Enxofre, tem um efeito negativo comparativamente baixo sobre a condutividade térmica da matriz nos niveis normalmente empregues para melhorar a capacidade de maquinagem, mas a sua presença tem de ser bem equilibrada com a presença de Mn, para tentar que todos eles tenham uma forma de dissulfeto de manganês esférico, menos prejudicial para a tenacidade, e uma quantidade tão pequena quanto possível dos dois elementos remanescentes em solução sólida se se quiser maximizar a condutividade térmica.

Como mencionado anteriormente, obter um baixo nível de determinados elementos nos aços é dispendioso devido a limitações tecnológicas. Por exemplo, um aço que é classificado como desprovido de Cr (0% de Cr na composição nominal), especialmente se for uma liga de aço para ferramentas de qualidade, terá, provavelmente, uma %Cr real > 0,3. Já para não mencionar que a %Cr numa composição significa que nem a sua presença é considerada importante nem a sua ausência. O caso de %Si é um pouco diferente, uma vez que o seu teor pode ser, pelo menos, reduzido pela utilização de processos de refinação como ESR, mas, neste caso, é muito difícil, tecnologicamente, devido à pequena janela do processo (e, assim, dispendioso, e, portanto, só é feito quando há um propósito subjacente), reduzir a %Si abaixo dos 0,2% e, simultaneamente, obter um baixo nível de inclusões (especialmente óxidos). Todo o aço para ferramentas existente que, devido à gama de composição -12- ΡΕ2236639 nominal, poderia ter uma condutividade térmica elevada, não o tem devido às seguintes duas razões principais: A proporção entre a %C e a de formadores de carboneto não é bem equilibrada para minimizar a solução sólida na matriz metálica, especialmente de %C. Muitas vezes, isso acontece porque a solução sólida é intencionalmente empregue para aumentar a resistência mecânica.

Os niveis de %Si e %Cr, por exemplo, podem ser %Cr<l (ou não haver, mesmo, qualquer menção à %Cr, onde se pode induzir, indevidamente, que esta é 0%) e %Si<0,4 o que significa que acabam sendo %Cr>0,3% e %Si>0,25. Isso também se aplica a todos os elementos vestigiais com forte incidência na condutividade de matriz e mais ainda aos que têm elevada solubilidade nos carbonetos e um grande potencial de distorção de estrutura. Em geral, além da %Ni e, em alguns casos, da %Mn, não se deseja qualquer outro elemento em solução dentro da matriz acima de 0,5%. De preferência, esta quantidade não deve exceder 0,2%. Se maximizar a condutividade térmica for o objectivo principal para uma dada aplicação, então, qualquer elemento, com excepção de %Ni e, em alguns casos, %C e %Mn, em solução na matriz não deve exceder 0,1% ou, ainda melhor, 0,05%.

Descrição pormenorizada da invenção

Em aços para ferramentas de trabalho a quente, a tenacidade é uma das caracteristicas mais importantes, especialmente resistência à sensibilidade ao entalhe e resiliência. Ao contrário das aplicações de trabalho a frio, onde, uma vez mais, sendo a tenacidade proporcionada -13- ΡΕ2236639 para evitar fissuração ou estilhaçamento, uma tenacidade suplementar não proporciona qualquer aumento da vida útil das ferramentas, em aplicações de trabalho a quente, onde a fadiga térmica é um mecanismo de falha relevante, a vida das ferramentas é directamente proporcional à tenacidade (tanto sensibilidade ao entalhe como resiliência). Outra caracteristica importante é a resistência à deformação à temperatura de trabalho (uma vez que a resistência à deformação diminui com o aumento da temperatura) e, em algumas aplicações, mesmo resistência à conntracção. A resistência mecânica e tenacidade tendem a ser inversamente proporcional, mas microestruturas diferentes dao origem a relações diferentes, isto é, podem obter-se diferentes niveis de tenacidade para a mesma resistência à deformação a uma dada temperatura em função da microestrutura. Neste contexto, é bem sabido que, para a maioria dos aços para ferramentas de trabalho a quente, uma microestrutura de martensite temperada pura é a que proporciona um melhor compromisso no que se refere às propriedades mecânicas. Isto significa que é importante evitar a formação de outras microestruturas como ferrite-perlite estável ou bainite metaestável, durante o arrefecimento, após austenitização no processo de tratamento térmico. Por conseguinte, vão ser necessárias velocidades de arrefecimento rápidas ou, quando se deseja uma temperabilidade em profundidade ainda maior, devem empregar-se alguns elementos de aliagem para atrasar a cinética da formação dessas estruturas mais estáveis e, de todas as alternativas possíveis, devem empregar-se os -14- ΡΕ2236639 que tiverem o menor efeito negativo na condutividade térmica.

Uma estratégia para proporcionar resistência ao desgaste e uma maior resistência à deformação a temperaturas elevadas, obtendo, ao mesmo tempo, uma elevada condutividade térmica, é o emprego de carbonetos MsFesC secundários e, por vezes, mesmo primários, com alta densidade de electrões (M deveria ser apenas Mo ou W para uma condutividade térmica melhorada). Existem alguns outros carbonetos (Mo, W, Fe) com uma densidade de electrões consideravelmente alta e tendência para solidificar com pequenos defeitos estruturais. Alguns elementos, como Zr e, em menor grau, Hf e Ta, podem dissolver-se nestes carbonetos com menor efeito prejudicial para a regularidade da estrutura e, assim, para a dispersão de portadores e, por conseguinte, para a condutividade, do que, por exemplo Cr e V, e também tendem a formar carbonetos MC separados, devido à sua elevada afinidade com C. Em geral, deseja-se ter, predominantemente, carbonetos (Mo, W, Fe) (em que, naturalmente, parte da C% pode ser substituída por %N ou %B), normalmente mais do que 60% e, idealmente, mais de 80% ou mesmo 90% desse tipo de carbonetos. Pequenas dissoluções de outros elementos metálicos (obviamente, no caso de carbonetos, esses elementos metálicos serão, normalmente, elementos de transição) podem estar presentes nos carbonetos, mas é desejável limitá-los para garantir uma condutividade de fonões elevada. Normalmente, nenhum outro elemento metálico, para além de Fe, Mo e W, deveria exceder -15- ΡΕ2236639 20% da percentagem em peso dos elementos metálicos do carboneto. De preferência, esta não deve ser superior a 10% ou, ainda melhor, a 5%. Este é, frequentemente, o caso, porque tendem a formar estruturas com densidades extremamente baixas de defeitos de solidificação, mesmo para cinéticas de solidificação rápidas (ou seja, menos elementos estruturais para provocar a dispersão de portadores). Neste caso, impedimentos suficientes para a formação de estruturas estáveis (perlite e ferrite) são proporcionados pelo Mo e W, mas a formação de bainite acontece muito rapidamente. Em alguns aços, estruturas super-bainiticas podem ser formadas por aplicação de um tipo de tratamento térmico com têmpera martensitica, consistindo numa solubilização completa de elementos de aliagem e, depois, num arrefecimento rápido até uma determinada temperatura (para evitar a formação de ferrite) na gama de formação bainitica inferior, e numa longa manutenção da temperatura para obter uma estrutura 100% bainitica. Na maioria dos aços, deseja-se uma estrutura martensitica pura e, assim, nesse sistema, alguns elementos têm de ser adicionados para atrasar a transformação bainitica, dado que Mo e W são muito ineficientes neste aspecto. Normalmente, emprega-se Cr para esta finalidade, mas este tem um efeito extremamente negativo na condutividade térmica, neste sistema, uma vez que se dissolve nos carbonetos MsFesC e provoca uma grande distorção, pelo que é muito melhor utilizar elementos que não se dissolvem nos carbonetos. Estes elementos irão reduzir a condutividade da matriz e, assim, devem -16- ΡΕ2236639 empregar-se os que tiverem o menor efeito negativo. Um candidato natural é, então, Ni, mas podem empregar-se outros paralelamente. Normalmente, entre 3% e 4% será suficiente para obter a desejada temperabilidade e contribuir para aumentar a tenacidade, sem prejudicar excessivamente a condutividade. Em algumas aplicações, menos %Ni também tem os efeitos desejados, especialmente se %Mn e %Si forem um pouco mais elevadas ou se se empregarem secções mais reduzidas. Assim, 2%-3% ou mesmo l%-3% de Ni pode ser suficiente para algumas aplicações. Finalmente, em algumas aplicações onde CVN é prioritário relativamente a uma condutividade térmica máxima, teores mais elevados de %Ni serão empregues, normalmente até 5,5% e, excepcionalmente, até 9%. Uma outra vantagem da utilização de %Ni, é que tende a diminuir o coeficiente de expansão térmica para este tipo de aços disponíveis com estes niveis de concentração, com a consequente vantagem de aumentar a resistência à fadiga térmica (número de Mérito superior).

Utilizando apenas %Mo é ligeiramente vantajoso em termos de condutividade térmica, mas tem a desvantagem de proporcionar um maior coeficiente de expansão térmica e, assim, diminuir a resistência global a fadiga térmica. Assim, é normalmente preferível ter entre 1,2 e 3 vezes mais Mo do que W, mas não a ausência de W. Uma excepção são as aplicações em que se quer maximizar apenas a condutividade térmica, juntamente com a tenacidade, mas não, particularmente, a resistência à fadiga térmica. -17- ΡΕ2236639

Quando se permanece no sistema de carbonetos MoxW3_xFe3C e se mantêm os níveis de Cr tão baixos quanto possível, uma forma preferida para equilibrar o teor de %W, %Mo e %C é aderindo à reqra de aliaqem sequinte:

%C«, = 0,3+(%Moeq-4)O,04173 em que: Mocq=%Mo + l/2%W A variação permitida na %Ceq resultante da fórmula precedente, a fim de optimizar alquma propriedade mecânica ou tribológica, mantendo, ao mesmo tempo, a desejada condutividade térmica elevada é:

Idealmente: -0,03 / +0,01;

Preferivelmente: -0,05 / +0,03 Admissivelmente: -0,1 / +0,06

Esta regra de aliagem pode ser reformulada de modo a adaptar-se melhor a diferentes ligas de %C e, assim, a aplicações, diferentes: %Ceq (preliminar) = %Moeq. 0,04173 Em que: Moeq=%Mo+l/2%W. E, então,

Se %Ceq (preliminar)<=0,3, então %Ceq (final) =%Ceq (preliminar) +Κχ

Se %Ceq (preliminar)>0,3, então -18- ΡΕ2236639 %Ceq (final) =%Ceq (preliminar) +K2 em que Ki e K2 são escolhidos para serem:

Idealmente: Kl no intervalo [0,10; 0,12]; e K2 no intervalo [0,13; 0,16]

Preferivelmente: Kl no intervalo [0,08; 0,16]; e K2 no intervalo [0,12; 0,18]

Admissivelmente: Kl no intervalo [0,06; 0,22]; e K2 no intervalo [0,10; 0,25]

Neste caso, a temperabilidade para evitar a formação de Ferrite ou perlite é boa para C% acima de 0,25%. Mas, se se quiser evitar a formação de bainite, a quantidade de Ni necessária excede, normalmente, 3%.

Pode empregar-se outros mecanismos de reforço, em busca de uma combinação especifica de propriedades mecânicas ou de resistência à degradação provocada pelo ambiente de trabalho. Deseja-se, sempre, tentar maximizar a propriedade desejada tendo o menor efeito negativo sobre a condutividade térmica. Solução sólida com Cu, Mn, Ni, Co, Si.... (incluindo alguns formadores de carboneto com menor afinidade ao carbono como Cr) e solução sólida intersticial (principalmente C, N e B) . Também se pode empregar precipitação para esta finalidade, com formação intermetálica como N13M0, NiAl, NÍ3TÍ.... (e, assim, além de Ni e Mo, os elementos Al, Ti podem ser adicionados em pequenas quantidades, especialmente Ti que se dissolve no carboneto M3Fe3C) . E, finalmente, podem utilizar-se outros -19- ΡΕ2236639 tipos de carbonetos, mas é, então, normalmente muito mais difícil de manter um nível de condutividade térmica elevada, a menos que os formadores de carboneto tenham uma afinidade muito elevada ao carbono, como é o caso de Hf, Zr e, até mesmo, Ta. Nb e V são normalmente utilizados para reduzir o custo de resposta a uma tribologia determinada, mas têm uma forte incidência sobre a condutividade térmica, pelo que só serão utilizados quando o custo for um factor importante, e em quantidades menores. Alguns desses elementos também não são prejudiciais quando se dissolvem no carboneto MsFesC, isto é especialmente o caso para Zr e, com menor grau, para Hf e Ta. A quantidade de um elemento utilizado é grande ou pequena, quando a quantidade é medida em percentil de peso, dependendo da massa atómica e do tipo de carboneto formado. A título de exemplo, uma 2%V é muito mais do que uma 4% W. V tende a formar tipos de carbonetos MC, a menos que se dissolva noutros carbonetos existentes. Assim, apenas uma unidade de V é necessária para formar uma unidade de carboneto, e a massa atómica é 50,9415. W tende a formar um tipo de carbonetos M3Fe3C em aços para ferramentas de trabalho a quente. Assim, três unidades de W são necessárias para formar uma unidade de carboneto, e a massa atómica é 183,85. Por conseguinte, podem formar-se 5,4 vezes mais unidades de carboneto com 2%V do que com 4%W.

Até ao desenvolvimento dos aços para ferramentas de alta condutividade térmica (WO/2008/017341) , o único -20- ΡΕ2236639 meio conhecido para aumentar a condutividade térmica de um aço para ferramentas era manter uma baixo aliagem e, portanto, tendo caracteristicas mecânicas reduzidas, especialmente a altas temperaturas. Acreditava-se que aços para ferramentas de trabalho a quente aptos a atingir mais de 42 HRC depois de uma exposição prolongada a 600 °C ou mais, tinham um limite superior na condutividade térmica de 30W/mK e na difusividade térmica de 8 mm2/s. Os aços para ferramentas da presente invenção, emboram tenham essas propriedades mecânicas e uma boa temperabilidade em profundidade apresentam uma difusividade térmica superior a esses 8 mm2/s e, em geral, superior a 11 mm2/s. A difusividade térmica é escolhida como a propriedade térmica relevante porque é mais fácil de medir com precisão e porque a maioria das ferramentas são aplicadas em processos ciclicos e, então, a difusividade térmica é ainda mais relevante para avaliar o comportamento do que a condutividade térmica. O aço para ferramentas da presente invenção pode ser produzido por qualquer processo metalúrgico, sendo o mais comum: fundição em areia, fundição por cera perdida, vazamento continuo, fusão em forno eléctrico, fusão por indução em vácuo. Também se podem utilizar processos de metalurgia de pó, incluindo qualquer tipo de atomização e método de compactação posterior como HIP, CIP, prensagem a frio ou quente, sinterização, aspersão térmica ou revestimento, para citar alguns. A liga pode ser obtida directamente com a forma desejada ou ser, ainda, -21- ΡΕ2236639 metalurgicamente melhorada. Podem aplicar-se quaisquer processos de refinação metalúrgica como ESR, AOD, VAR . . . forjamento ou laminagem são, muitas vezes, empregues para melhorar a tenacidade, mesmo forjamento tridimensional de blocos. 0 aço para ferramentas da presente invenção pode ser obtido em forma de barra, arame ou em pó para ser empregue como liga de soldadura durante soldadura. Pode mesmo construir-se uma liga de fundição de baixo custo e fornecer o aço da presente invenção às partes essenciais da matriz soldando com uma barra ou arame constituídos pelo aço da presente invenção ou mesmo soldando com laser, plasma ou feixe de electrões utilizando pó fabricado com o aço da presente invenção. Além disso, o aço para ferramentas da presente invenção poderia ser utilizado com qualquer técnica de projecção térmica para o fornecer a partes da superfície de outro material. 0 aço para ferramentas da presente invenção também pode ser utilizado para a construção de peças que são submetidas a grandes cargas termomecânicas ou, basicamente, qualquer peça propensa a falhar devido à fadiga térmica, ou com requisitos de elevada tenacidade e que beneficiam de uma elevada condutividade térmica. Resultando o benefício de um transporte mais rápido de calor ou da temperatura inferior de trabalho. Como exemplos: componentes para motores de combustão (como segmentos de bloco de motor), reactores (também na indústria química), dispositivos permutadores de calor, geradores ou, em geral, qualquer máquina para transformação -22- ΡΕ2236639 de energia. Matrizes para o forjamento (em matriz aberta ou fechada), extrusão, laminagem, fundição e tixoconformação de metais. Matrizes para a formação plástica, em todas as suas formas, de materiais termoplásticos e termoendureciveis. Em geral, qualquer matriz, ferramenta ou peça que possa beneficiar de uma maior resistência à fadiga térmica. Também matrizes, ferramentas ou peças que beneficiam de uma melhor gestão térmica, como é o caso de matrizes para a formação ou corte de materiais com libertação de grandes quantidades de energia (como aço inoxidável) ou a temperatura elevada (corte a quente, estampagem a quente).

EXEMPLOS

Proporcionam-se alguns exemplos que explicam como é que a composição do aço da invenção pode ser especificada com mais precisão para diferentes aplicações tipicas de trabalho a quente:

Exemplo 1

Na fundição de aluminio de peças pesadas com uma espessura de parede considerável, em cujo caso se deseja uma condutividade térmica tão elevada quanto possível, mas com uma temperabilidade em profundidade muito elevada para uma microestrutura puramente martensítica e em que a sensibilidade ao entalhe deve ser tão baixa quanto possível, e a tenacidade à fractura tão elevada quanto possível. Esta solução maximiza a resistência à fadiga térmica, com uma temperabilidade em profundidade muito boa, -23- ΡΕ2236639 dado que as matrizes ou peças construídas com o aço para ferramentas de trabalho a quente têm, frequentemente, secções muito pesadas. Neste caso, poder-se-ia empregar a seguinte gama de composição:

Ceq: 0,3-0,34 Cr<0,l (de preferência %Cr<0,05%) Ni: 3,0-3,6 Si: <0,15 (de preferência, %Si<0,l, mas com um nível aceitável de inclusões de óxidos)

Mn: <0,2 Moeq: 3,5-4,5

em que Moeq =%Mo + l/2%W

Todos os outros elementos devem permanecer tão baixos quanto possível e, em qualquer caso, abaixo de 0,1%. Todos os valores são em percentagem em peso.

As propriedades relevantes atingíveis são mostradas com dois exemplos: ' 5 $ Difusividade ' 5 í CVN térmica %c %Mo %W |%Ni|%Cr \% Si %Mn J mm2/ S $ Í $ Tamb 400 °C 0,31 3,2 1,9j3,2j0,05|0,12 0,19 39 13,2 | 8,7 0,32 3,3 1, 9j3,4j0,07|0,15 0,23 50 12,3 | 8,3

Exemplo 2

Em fundições de matriz fechada. Neste caso, uma optimização simultânea de resistência ao desgaste e resistência à fadiga térmica tem de ser alcançado, assim, -24- ΡΕ2236639 deseja-se uma CVN máxima e difusividade térmica com um aumento da resistência ao desgaste (presença de carbonetos primários). Neste caso, poder-se-iam empregar os aços para ferramentas metalúrgicas em pó dentro do gama composicional seguinte:

Ceq: 0,34-0,38 Cr<0,l (de preferência, %Cr<0,05%)

Ni: 3,0-3,6

Si: <0,15 (de preferência, %Si<0,l, mas com um nível aceitável de inclusões de óxidos)

Mn: <0,2 Moeq: 5,0-7,0

em que Moeq=%Mo-l-l/2%W

Todos os outros elementos devem permanecer tão baixos quanto possível e, em qualquer caso, abaixo de 0,1%. Todos os valores são em percentagem em peso.

As propriedades relevantes atingíveis são mostradas com dois exemplos:

Difusividade térmica %C %Mo %W %Ni %Cr %Si \ %Mn | | | j mm2/ S Tamb 400 0 0,345 |4,4 |3,4 3,1 0,05 0,05I0,20 j 36 12,4 8,5 0,357^4,6|3,5 3,4 0,07 0,11fo,21| 32 12,2 8,4 -25- ΡΕ2236639

Exemplo 3

Corte a quente de folhas. Neste caso, a resistência ao desgaste tem de ser maximizada, com uma temperabilidade em profundidade e tenacidade boas. A condutividade térmica é muito importante para manter a temperatura na aresta de corte tão baixa quanto possível. Neste caso, poder-se-ia empregar a seguinte gama composicional:

Ceq: 0,72-0,76 Cr<0,l (de preferência, %Cr<0,05%)

Ni: 3,4-4,0

Si: <0,15 (de preferência, %Si<0,l)

Mn: <0,4 Mocq: 12-16

em que Moeq=%Mo + l/2%W

Todos os outros elementos devem permanecer tão baixos quanto possível e, em qualquer caso, abaixo de 0,1%. Todos os valores são em percentagem em peso.

As propriedades relevantes atingíveis são mostradas com dois exemplos:

Difusividade

Resil %C \ %Mo ! %W s %Ni | %Cr \ %Si \ %Mn

J

térmica mm2/ S

Tamb 400 ° C

Lisboa, de 26 de Julho de 2012

Claims (18)

1. - 1 - ΡΕ2236639 REIVINDICAÇÕES 1. Aço, em particular, um aço para ferramentas de trabalho a quente, tendo a seguinte composição, sendo todas as percentagens em percentagem em peso: %Ceq : =0,20-1,2 %C = 0,20-1,2 %N = 0-1 %B = 0-1 %Cr < 1,5 %Ni = 1,0-9 %Si < 0,4 %Mn = 0-3 %A1 = 0-2,5 %Mo = 0-10 %W = 0-15 %Ti = 0-3 %Ta = 0-3 %Zr = 0-3 %Hf = 0-3, %V = 0-4 %Nb = 0-3 %Cu= 0-4 %Co = 0-6 %S = 0-1 %Se = 0-1 %Te = 0-1 %Bi = 0-1 %As = 0-1 %Sb = 0-1 %Ca =0-1, sendo o restante constituído por ferro e impu] inevitáveis, em que %Ceq = %C + 0.86 * %N +1.2 * %B, caracterizado por %Mo + !4 · %W > 1,2 f desde que W não esteja ausente.
2. 2. Aço, de acordo com a reivindicação 1, em que, pelo menos, 80% em peso dos carbonetos são carbonetos - 2 - ΡΕ2236639 de, principalmente, Fe, Mo ou W, isoladamente ou em combinação.
3. 3. Aço, de acordo com a reivindicação 2, em que nenhum outro elemento metálico individual se encontra presente em solução sólida no interior dos carbonetos Fe, Mo e/ou W com uma concentração superior a 10% em peso.
4. 4. Aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 ou 3, em que a %C nos carbonetos é, pelo menos parcialmente, substituída por %N e/ou %B.
5. 5. Aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, em que nenhum único elemento está presente em solução sólida no interior da matriz metálica de Fe embebendo os carbonetos com uma concentração superior a 0,5%, excepto a %Ni e/ou %Mn.
6. 6. Aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, em que nenhum único elemento está presente em solução sólida no interior da matriz metálica de Fe embebendo os carbonetos com uma concentração superior a 0,1%, excepto a %Ni.
7. 7. Aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por: 0,03 < xCeq - AC - [xMo / (3· AMo) + xW / (3· AW) + xV / AV] > 0,165 em que: - 3 - ΡΕ2236639 xCeq - Percentagem de Carbono em peso; xMo - Percentagem de Molibdénio em peso; xW - Percentagem de Tungsténio em peso; xV - Percentagem de Vanádio em peso; AC - Massa atómica do Carbono (12,0107 u) ; AMo - Massa atómica do Molibdénio (95,94 u); AW - Massa atómica do Tungsténio (183, 84 u) ; AV - Massa atómica do Vanádio (50,9415 u).
8. 8. Aço, de acordo com qualquer uma reivindicações 1 a 7, em que: %Ni+9 *%Mn+5 *%Si < 8.
9. 9. Aço, de acordo com qualquer uma reivindicações 1 a 8, em que: %ceq= 0,26-0,55, %C=0,20-0,55, %N=0-0,6 e %B=0-0,45
10. 10. Aço, de acordo com qualquer uma reivindicações 1 a 9, em que: %Cr<0,2, %Si<0,2 e %Ni>2,99
11. 11. Aço, de acordo com qualquer uma reivindicações 1 a 10, em que %Cr<0,l.
12. 12. Aço, de acordo com qualquer uma reivindicações 1 a 11, em que %Si<0,l. das das das das das - 4 - ΡΕ2236639
13. 13. Aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, em que %Cr<0,05 e %Si<0,05.
14. 14. Aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, em que %Mo = 2 - 10, caracterizado por 3 < %Mo + Vi · %W < 11
15. 15. Aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, em que: %Ceq=0,26-0,4 %C = 0,26-0,4 %N = 0-0,45 %B = 0-0,3 %Cr<0,5 %Ni = 2,99-6 %Si<0,3 %Mo = 2,5-8 %W = 0 - 5.
16. 16. Aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, em que: %Ceq= 0,28-0,36 %C = 0.28-0,36 %N = 0-0,4 %B = 0-0,25 %Cr<0,3 %Ni = 2,99-5 %Si<0,25 %Mo = 3-6,5 %W = 1-4
17. 17. Aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 16, caracterizado por: xCcq*(xMo+0,5*xW)/(xCr+xV+xNb) > 8 em que: - 5 - ΡΕ2236639 xCeq- Percentagem de Carbono em peso; xMo - Percentagem de Molibdénio em peso; xW - Percentagem de Tungsténio em peso; xV - Percentagem de Vanádio em peso; xNb - Percentagem de Nióbio em peso; em gue xCR, xV e xNb são as percentagens em peso reais mesmo se presentes em concentrações inferiores a 0,05%.
18. 18. Matriz, ferramenta ou peça compreendendo pelo menos, um aço de acordo com gualguer uma da reivindicações 1 a 17. Lisboa, 26 de Julho de 2012 - 1 - ΡΕ2236639 REFERÊNCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO Esta lista de referências citadas pelo requerente é apenas para conveniência do leitor. A mesma não faz parte do documento da patente Europeia. Ainda que tenha sido tomado o devido cuidado ao compilar as referências, podem não estar excluídos erros ou omissões e o IEP declina quaisquer responsabilidades a esse respeito. Documentos de patentes citadas na descrição WO 2008017341 A