PT2252717E - Aço, processo para o fabrico de uma peça em branco de aço e processo para o fabrico de um componente do aço - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "Aço, processo para o fabrico de uma peça em branco de aço e processo para o fabrico de um componente do aço"

CAMPO TÉCNICO 0 invento refere-se a um aço, a um processo para o fabrico de uma peça em branco do aço e a um processo para o fabrico de um componente do aço. Em primeiro lugar, o aço destina-se a ser utilizado em aplicações que precisam de boas propriedades para trabalho a quente. 0 aço destina-se a corpos de ferramenta de corte, em primeiro lugar, mas também a apoios para ferramentas de corte. 0 mesmo também pode ser adequado para utilizar em outras aplicações com temperaturas de trabalho aumentadas ou moderadamente aumentadas, por exemplo, para ferramentas de trabalho a quente e ferramentas de moldagem de plástico. Os exemplos de ferramentas de trabalho a quente são ferramentas para prensas de forjar e matrizes de forjar assim como ferramentas de moldagem, matrizes de extrusão e mandris especialmente para metais leves e cobre. Os exemplos de ferramentas de moldagem de plástico são moldes para moldagem de plásticos por injeção e matrizes para o fabrico de perfis. Mais ainda, o material é adequado em aplicações onde a utilização tem lugar em ou abaixo da temperatura ambiente normal, por exemplo para peças de engenharia as quais são sujeitas a tensões elevadas, tais como veios de transmissão e rodas de engrenagem, onde existem elevados requisitos para a tenacidade do material, e em aplicações onde existem requisitos extremos relacionados com a formação de aparas.

ANTECEDENTES DO INVENTO 0 termo corpo de ferramenta de corte significa o corpo sobre o qual ou dentro do qual a porção de ferramenta ativa está montada na operação de corte. Os corpos de ferramenta de corte típicos são corpos de fresagem e perfuração, os quais estão providos de elementos de corte ativos de aço rápido, carboneto cimentado, nitreto de boro cúbico (CBN) ou cerâmica. 0 material em tais corpos de ferramenta de corte é normalmente aço, designando-se dentro da arte por aço de suporte. Muitos tipos de corpos de ferramenta de corte têm uma forma muito complicada e existem muitas vezes pequenos orifícios roscados e pequenos orifícios perfurados compridos e, por conseguinte, o material tem de ter uma boa capacidade de se poder maquinar. A operação de corte tem lugar em velocidades de corte sempre a aumentarem, o que implica que o corpo de ferramenta de corte possa ficar muito quente e, por conseguinte, é importante que o material tenha uma boa dureza e resistência a quente para amolecer a temperaturas elevadas. Para suportar as elevadas cargas de pulsação que certos tipos de corpos de ferramenta de corte estão sujeitos, tais como corpos de fresagem, o material tem de ter boas propriedades mecânicas, incluindo uma boa tenacidade e resistência à fadiga. Para melhorar a resistência à fadiga podem ser introduzidas tensões de compressão na superfície do corpo de ferramenta de corte, e o material tem, por conseguinte, de ter uma boa capacidade para manter as referidas tensões de compressão aplicadas a altas temperaturas, isto é, o material tem de ter uma boa resistência contra relaxação. Certos corpos de ferramenta de corte são endurecidos para ficarem resistentes, enquanto as superfícies contra as quais os elementos de corte são aplicados são endurecidas por indução e, por conseguinte, o material estará passível de ser endurecido por indução. Certos tipos dos corpos de ferramenta de corte, tais como certos corpos de perfuração com pontas de carboneto cimentado soldadas, são revestidos com PVD ou sujeitos a nitretação depois do endurecimento, de modo a aumentar a resistência contra o desgaste de apara no canal de apara e no corpo de perfuração. 0 material deverá, por conseguinte, ter possibilidade de ser revestido com PVD ou ser sujeito a nitretação sobre a superfície sem qualquer redução significativa da dureza.

Para além das propriedades acima mencionadas, o aço deverá preferivelmente ter qualquer das propriedades que se seguem: - boa resistência à têmpera; - boa ductilidade; boa capacidade de maquinagem também na condição endurecida e temperada; - boa capacidade de endurecimento com a possibilidade de endurecimento ao ar; - boa resistência ao desgaste, acima de tudo contra o desgaste de apara, o chamado desgaste abrasivo; - boa resistência contra a formação de apara; boa estabilidade dimensional durante o tratamento térmico e em utilização numa temperatura de trabalho aumentada; - boa capacidade para se soldar; - ser possível de sujeitar-se à nitretação de modo a aumentar a dureza; e - oferecer boa economia de produção, tanto ao fabricante do aço e à ferramenta de apoio, assim como ao utilizador final.

Hoje em dia são principalmente utilizados os aços de engenharia com baixa e média aplicação de ligas como material para corpos de ferramenta de corte. Um aço com aplicação de liga mais elevada para corpos de fresagem é conhecido através da WO 97/49838. Encontra-se descrita na US 6478898 BI uma outra composição de aço similar.

As composições de um número de aços de apoio conhecidos para ferramentas de corte são mostradas na tabela abaixo. Para além dos elementos mencionados na tabela, os quais são indicados em percentagem de peso, os aços contêm apenas ferro assim como impurezas e elementos acessórios.

Tabela 1 jAço§C, §Si, §Mn, IP, §S, §Cr, §Ni, §Mo, jv, §Cu, IA1, SN, § |% |% j% i% |% |% |% i% |% j% i% |% | |a |0,38jo,21 §0,62 §0,010§0,02 §0,69 11,75 §0,19 jo,001|θ,19 §0,020|0, 009 § B |0,36|0,18 §0,62 j<0,Oljo,03 jl,56 §1,51 |θ,16 §0,006§0,18 j0,008§0,013§ C |0,38|0,26 §1,30 jo,013 ^0, 004 jl,81 |θ,13 |θ,15 |θ,01 §0,12 §0,022§0, 006 § ID 10,4510,17 jo, 67 |θ,017|θ,01 |θ,91 |θ,41 |θ,87 |θ,10 |θ,11 |o,03l| | §E I 0,37 | 0,27 §0,72 §0,022§0,01 |θ,76 |l,80 10,15 §0,006§0,12 § 0,025 § 0 , 0 0 6 § F §0,37 | 0,49 §0,32 § 0,010 § 0,03 §5,03 §0,13 §1,22 §0,94 §0, 048 §0,022 §0, 025 § G | 0,41 § 0,16 §0,73 §0,008 §0,004 §1,05 §0,05 §0,17 § 0, 0 0 5 § 0,2 § § | H § 0,41 | 0,19 §0,69 § 0, 075 § 0, 027 §0,71 §2,22 §0,2 §0, 004 §0,13 § § 0, 0 0 9 § \l §0,57§0,22 §0,8 §0,01 §0,013 §1,0 §1,5 §0,5 §0,09 §0,1 § § § J §0,41§0,28 §0,7 §0,02 §0,009 §0,8 §1,6 §0,2 §0,09 §0,1 § § § §K j 0,40 §0,20 §0,65 §0,011§0, 008 §0,64 §1,73 §0,15 § 0, 005 § 0,14 § 0,013 § 0, 006 §

DESCRIÇÃO DO INVENTO O invento proporciona um aço o qual é extremamente adequado para ser utilizado como material para corpos de ferramenta de corte. 0 aço parece preencher os requisitos cada vez maiores quanto às propriedades do material que surgem por parte dos fabricantes de ferramentas de corte e por parte dos utilizadores das ferramentas de corte. Por exemplo, o aço provou ter uma capacidade de maquinagem, resistência ao desgaste e capacidade de endurecimento melhoradas. Graças ao perfil de propriedade muito bom do aço é possível também utilizar o aço para ferramentas de trabalho a quente, ferramentas de moldagem de plástico assim como para peças de engenharia as quais são sujeitas a tensões elevadas. Os testes preliminares também indicaram que o aço pode ser adequado para utilizar em aplicações onde uma boa resistência contra a formação de aparas é critica a baixas temperaturas, isto é, a partir da temperatura ambiente e abaixo de -40 a -50°C, em primeiro lugar graças ao aço manter uma boa tenacidade também a temperaturas baixas. O invento refere-se também a um processo para o fabrico de uma peça em branco do aço assim como a um processo para o fabrico de um corpo de ferramenta de corte ou um apoio para uma ferramenta de corte. A composição do aço é indicada nas reivindicações anexas. É explicada abaixo a importância dos elementos separados e a sua interação uns com os outros. Todas as percentagens para a composição química do aço referem-se à percentagem em peso. O carbono deverá estar presente num teor mínimo de 0,20%, preferivelmente pelo menos 0,25%, preferivelmente pelo menos 0,28%, de modo que o aço irá ter a dureza e resistência desejadas. O carbono também contribui para uma boa resistência ao desgaste ao formar carbonetos MC, onde M é vanádio, em primeiro lugar. No caso de o aço também conter outros fortes formadores de carboneto, tais como nióbio, titânio e/ou zircónio, os carbonetos MC também podem conter estes elementos. 0 molibdénio e o crómio também tendem a formar carbonetos mas, no aço do invento, a composição foi otimizada para evitar ou pelo menos minimizar a presença de outros carbonetos para além dos carbonetos MC. Em elevados teores de carbono o aço irá ficar demasiado duro e quebradiço. 0 teor de carbono deverá, por conseguinte, não exceder 0,5%. Preferivelmente, o teor de carbono está limitado a 0,40% e ainda mais preferido o teor de carbono está limitado a 0,32%. Nominalmente, o aço contém 0,30% de C.

Está presente silício no aço numa forma dissolvida e contribui para aumentar a atividade do carbono e dá, desta maneira, ao aço uma dureza desejada. O silício deverá, por conseguinte, estar presente em teores de 0,10% num máximo de 1,5%. Preferivelmente, o aço deverá conter pelo menos 0,30% e, ainda mais preferido, pelo menos 0,40% de Si. Com teores mais elevados observou-se uma deslocação do endurecimento secundário para temperaturas mais baixas. Se for dada prioridade às boas propriedades de trabalho a quente, o aço deverá, por conseguinte, conter um máximo de 1,0%, mais preferido um máximo de 0,80%, e o mais preferido um máximo de 0,60% de Si. Nominalmente, o aço contém 0,50% de Si. O silício também pode estar presente no aço num estado ligado na forma de óxidos de silício e cálcio, naqueles casos onde o aço está em liga com cálcio e oxigénio, e ainda melhor como óxidos de silício e cálcio e alumínio, naqueles casos onde o aço também está em liga com alumínio, o que de uma maneira positiva contribui para melhorar a capacidade de maquinagem no material, especialmente a velocidades de corte elevadas. A capacidade de maquinagem também pode ser mais melhorada se os referidos óxidos forem modificados por enxofre, o que em conjunto com manganês forma sulfuretos de manganês os quais podem envolver o óxido e funcionar como uma película de lubrificação na operação de corte do aço a velocidades de corte mais baixas. O manganês contribui para melhorar a capacidade de endurecimento do aço e, em conjunto com enxofre, o manganês contribui para melhorar a capacidade de maquinagem ao formar sulfuretos de manganês. 0 manganês deverá por conseguinte estar presente num teor mínimo de 0,20%, preferivelmente pelo menos 0,60%, e mais preferido pelo menos 1,0%. Em teores de sulfureto mais elevados, o manganês impede a fragilidade ao rubro no aço. O aço deverá conter um máximo de 2,0%, preferivelmente um máximo de 1,5% e, ainda mais preferido, um máximo de 1,3% de Mn. Um teor de manganês ótimo será 1,2%. O enxofre contribui para melhorar a capacidade de maquinagem do aço e deverá, por conseguinte, estar presente num teor mínimo de 0,01%, mais preferido pelo menos 0,015% para dar ao aço uma capacidade de maquinagem adequada. Em teores de enxofre mais elevados existe o risco da fragilidade ao rubro, o que não pode ser inteiramente compensado pelo teor de manganês correspondentemente elevado. Além do mais, em teores mais elevados o enxofre tem um efeito negativo nas propriedades de fadiga do aço. O aço deverá, por conseguinte, conter um máximo de 0,2%, preferivelmente um máximo de 0,15% e, ainda mais preferido, um máximo de 0,1% de S. Um teor de enxofre adequado encontra-se na gama de 0,025 a 0,035% de S. Um teor de enxofre nominal é 0,030%.

Em aplicações as quais não precisam de uma boa capacidade de maquinagem, por exemplo aços de trabalho a quente expostos a tensões elevadas, é desejável que o teor de enxofre seja mantido tão baixo quanto possível. Nesse caso não é feita uma adição intencional de enxofre, o que implica que o enxofre não deverá estar presente em teores acima dos teores de vestígios. Em adição, se o aço for fabricado em dimensões muito grandes, pode ser realizada uma Refundição Elétrica de Escória (ESR) de modo a remover ainda impurezas, i.a. enxofre. O crómio deverá estar presente no aço numa quantidade entre 1,5 e 4,0%, de modo a dar ao aço boa capacidade de endurecimento. Mais ainda, o crómio pode formar carbonetos em conjunto com o carbono, o que melhora a resistência ao desgaste. Os carbonetos, em primeiro lugar do tipo M7C3, são precipitados essencialmente como partículas sub-microscópicas precipitadas secundárias em têmpera de alta temperatura do aço e contribuem para o aço obter uma boa resistência à têmpera. Preferivelmente, o aço contém pelo menos 1,90% e, ainda mais preferido, pelo menos 2,20% de Cr. Em teores mais elevados de crómio, a resistência à têmpera e a capacidade de maquinagem do aço são prejudicadas, o que é uma desvantagem, especialmente quando o aço é utilizado para corpos de ferramenta de corte e outras aplicações de trabalho a quente. Por esta razão, é uma vantagem se o teor de crómio estiver limitado a 3,0%, e mais preferido a 2,5%. Um teor de crómio nominal é 2,30% de Cr. O níquel está presente de uma forma dissolvida no aço e melhora a capacidade de maquinagem do aço e dá ao aço uma boa capacidade de endurecimento, tenacidade e dureza a quente. Para alcançar a capacidade de endurecimento necessária para os corpos de ferramenta de corte, o aço deverá conter pelo menos 1,5% de Ni. Quando existem requisitos mais elevados quanto à capacidade de endurecimento, o teor de níquel poderá ser aumentado. É alcançada uma certa melhora a 2,0% de Ni e, se o teor de níquel for aumentado para 3,0%, é obtida uma capacidade de endurecimento muito boa, o que permite que dimensões comparativamente maiores possam ser endurecidas ao arrefecer ao ar, o que é vantajoso. A um teor de níquel de 4,0% os testes provaram que o aço obtém uma capacidade de endurecimento extremamente boa, o que na prática implica que o aço obtenha uma matriz inteiramente martensítica, sem qualquer risco quer de perlite ou bainite, apesar do arrefecimento muito lento das peças de trabalho de uma dimensão até 0 1000 mm. O níquel também é um elemento de estabilização de austenite e, para evitar ou pelo menos minimizar a quantidade de austenite retida na condição endurecida e temperada, o teor de níquel está limitado ao máximo de 5,0%, preferivelmente um máximo de 4,5%. Devido ao dispêndio, o teor de níquel do aço deve estar limitado tanto quanto possível, no entanto sem prejudicar as propriedades visadas. Uma gama preferida é 3,80-4,10% de Ni. Um teor de níquel nominal é de 4,00%. O molibdénio tornou-se ultimamente um metal de liga muito caro e muitos aços no mercado tornaram-se consideravelmente mais caros de fabricar devido a isto. Devido à despesa, muitas pessoas tentaram recentemente limitar a utilização do molibdénio, mas o seu efeito muito favorável na capacidade de endurecimento do aço e a sua influência sobre a resistência à têmpera e assim a dureza a quente impediu até aqui esta limitação. De modo muito surpreendente, provou-se que o aço do invento obtém um perfil de propriedade o qual é favorável para as aplicações com interesse apesar do teor comparativamente baixo de molibdénio. 0 teor de molibdénio minimo pode ser tão baixo quanto 0,5%, mas preferivelmente o aço contém pelo menos 0,7% de Mo. O molibdénio é um elemento de formação de carboneto. Dependendo da variação da composição do aço dentro das gamas especificadas, podem ser precipitados na matriz do aço até 2% em volume de carbonetos primários ricos em molibdénio do tipo ΜεΟ. Estes carbonetos são um tanto mais difíceis de dissolver em ligação com o endurecimento do que, por exemplo, os carbonetos MC, e não têm o mesmo efeito favorável sobre o perfil de propriedade do aço e, numa concretização preferida, é desejável minimizar a ocorrência destes carbonetos ΜεΟ. Sem nos afastarmos do requisito acerca da capacidade de maquinagem, pode permitir-se que o aço tenha um teor de 2,0% de Mo. Com este teor é obtida uma resistência ao desgaste e uma dureza a quente muito boas. Devido à despesa, o teor de molibdénio deve, no entanto, não exceder 1,0%, e uma gama preferida é 0,75 a 0,85% de Mo. Nominalmente, o aço contém 0,80% de Mo. Em princípio, o molibdénio pode pelo menos até uma certa extensão ser substituído em cerca do dobro do tungsténio. O tungsténio é, no entanto, um metal de liga muito caro e também complica o manuseamento da sucata. O cobalto deve pela mesma razão que o tungsténio não estar presente no aço mas pode ser tolerado em teores até ao máximo de 1,0%, preferivelmente um máximo de 0,20%. O cobalto contribui para aumentar a dureza da martensite e dá uma dureza a quente aumentada e, por esta razão, a capacidade de maquinagem na condição endurecida e temperada pode ser prejudicada. Possivelmente, o efeito do aumento da dureza do cobalto pode ser utilizado para reduzir a temperatura de austenitização no endurecimento, o que pode ser uma vantagem. O vanádio é favorável para a resistência à têmpera e a resistência ao desgaste do aço, dado que juntamente com o carbono formam até cerca de 3,5% em volume, preferivelmente um máximo de 2% em volume de carbonetos MC precipitados primários distribuídos de modo regular comparativamente redondos na matriz do aço. 0 vanádio deverá por conseguinte estar presente num teor mínimo de 0,20%, preferivelmente pelo menos 0,60% e, mais preferido, pelo menos 0,70%. Em ligação com o endurecimento, tem lugar uma dissolução dos referidos carbonetos e, dependendo da temperatura de austenitização escolhida, essencialmente todos os carbonetos MC precipitados primariamente podem ser dissolvidos, o que é visado numa concretização preferida do aço. Na têmpera subsequente, são precipitados em vez disso os chamados carbonetos secundários do tipo MC muito pequenos ricos em vanádio. Numa concretização preferida, o aço é assim caracterizado pelo facto de ter uma matriz que compreende martensite temperada, a qual está essencialmente livre de carbonetos primários do tipo MC mas com uma certa ocorrência de carbonetos MC precipitados secundariamente muito pequenos distribuídos de modo regular. Dentro do âmbito do invento, o aço pode, no entanto, ter permissão para ter um certo teor de carbonetos MC precipitados primariamente na condição endurecida e temperada. De modo a não prejudicar a capacidade de maquinagem do aço, o teor de vanádio não deve exceder 1,50%, mais preferivelmente não exceder 1,00% e, o mais preferido, não exceder 0,90%. Nominalmente, o aço contém 0,80% de V. O nióbio forma carbonetos primários os quais são difíceis de dissolver e deverão estar presentes em teores no máximo de 0,5%. Preferivelmente, o nióbio não deverá estar presente em quantidades acima dos teores de impurezas, isto é, um máximo de 0,030%. Além disso, o titânio, zircónio, alumínio e outros formadores fortes de carbonetos constituem impurezas não desejáveis e devem, por conseguinte, não estar presentes em teores acima do nível de impureza.

Naquelas aplicações onde é desejada uma boa capacidade de maquinagem e, especialmente, onde é desejável uma boa capacidade de maquinagem a velocidades de corte elevadas, é uma vantagem se o aço também contiver oxigénio e cálcio em quantidades eficazes de modo a formar óxidos de silício e cálcio em conjunto com silício. O aço deve, por conseguinte, conter 10 a 100 ppm de O, preferivelmente 30 a 50 ppm de O, e 5 a 75 ppm de Ca, preferivelmente 5 a 50 ppm de Ca.

Preferivelmente, também é ligado com 0,003 a 0,020% de alumínio, de modo que são formados óxidos de silício e cálcio e alumínio, o que melhora a capacidade de maquinagem numa extensão ainda maior do que os óxidos de silício e cálcio puros. Estes óxidos de silício e cálcio e alumínio podem vantajosamente ser modificados por enxofre, o que na forma de sulfuretos de manganês contribui também para melhorar a capacidade de maquinagem a velocidades de corte mais baixas.

Metais de terras raras, tais como cério, lantânio e outros, podem possivelmente ser adicionados ao aço para dar ao material propriedades isotrópicas, uma ótima capacidade de maquinagem, boas propriedades mecânicas e uma boa capacidade de trabalhar a quente e boa capacidade de soldadura. O teor total de metais de terras raras pode ir até ao máximo de 0,4%, preferivelmente um máximo de 0,2%. O cobre é um elemento o qual pode contribuir para aumentar a dureza do aço. No entanto, já em pequenas quantidades, o cobre influência negativamente a ductilidade a quente do aço. Mais ainda, não é possível extrair cobre do aço uma vez que tenha sido adicionado. Isto reduz drasticamente a possibilidade de recuperar o aço. É necessário que o manuseamento da sucata esteja adaptado a tirar para fora a sucata que contém cobre para evitar que o teor de cobre aumente em tipos de aço que não são tolerantes ao cobre. Por esta razão, o cobre deverá preferivelmente existir no aço apenas como uma impureza que não se pode evitar a partir da matéria prima de sucata.

Dentro do âmbito do invento, uma possível composição para o aço de acordo com o invento, a composição do qual foi adaptada também para dar ao aço uma boa capacidade de maquinagem, pode ser tal como se segue: 0,30 de C, 0,50 de Si, 1,20 de Mn, um máximo de 0,025 de P, 0,030 de S, 2,3 de Cr, 4,0 de Ni, 0,8 de Mo, um máximo de 0,20 de W, um máximo de 0,20 de Co, 0,8 de V, um máximo de 0,005 de Ti, um máximo de 0,030 de Nb, um máximo de 0,25 de Cu, 0,010 de Al, 5-50 ppm de Ca, 30-50 ppm de O, e resto de ferro.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS O invento vai agora ser descrito em detalhe com referência aos desenhos anexos, dos quais: a Fig. 1 mostra a microestrutura do aço; a Fig. 2 é um gráfico que mostra a dureza em relação à temperatura de têmpera; a Fig. 3 é um outro gráfico que mostra a dureza em relação à temperatura de têmpera; a Fig. 4 é um gráfico que mostra os resultados de testes de tenacidade ao impacto a várias temperaturas; a Fig. 5 é um diagrama que mostra a vida da fadiga a várias temperaturas; as Figs. 6a, b são gráficos que mostram a dureza a quente; a Fig. 7 é um gráfico que mostra a capacidade do aço para manter tensões de compressão residuais introduzidas no mesmo; as Figs. 8a a c mostram os resultados dos testes de perfuração; as Figs. 9a a c mostram os resultados dos testes de perfuração; as Figs. 10a a c mostram os resultados dos testes de perfuração; as Figs. 11a a c mostram os resultados dos testes de fresagem com ponta; as Figs. 12a a c mostram os resultados dos testes de fresagem com ponta; as Figs. 13a a c mostram os resultados dos testes de fresagem com ponta; as Figs. 14a a c mostram os resultados dos testes de roscar; a Fig. 15 mostra os resultados da fresagem com ponta; a Fig. 16 mostra uma comparação da influência da temperatura na resistência à fadiga; e a Fig. 17 mostra uma comparação da influência da temperatura sobre as tensões de compressão aplicadas; a Fig. 18 é um Diagrama de Transformação de Arrefecimento Continuo; a Fig. 19 é um diagrama que mostra a resistência à têmpera; a Fig. 20 é um diagrama que mostra a resistência à têmpera; e

a Fig. 21 a, b mostra as posições dos provetes de teste. TESTES REALIZADOS

Inicialmente foi proporcionado um número de corpos de corte de fresagem a partir de vários fabricantes e as composições dos aços foram analisadas. Mais ainda, foi examinado se os corpos de corte de fresagem foram tratados ao nivel da superfície, por exemplo, se os mesmos foram revestidos ao nível da superfície ou trabalhados a frio assim como se os mesmos fossem endurecidos e temperados. O exame mostrou que todos os corpos de corte de fresagem tinham composições as quais eram previamente conhecidas. Os corpos de corte de fresagem eram fabricados de uma maneira que era convencional para corpos de corte de fresagem e, por essa razão, foi concluído que os corpos de corte de fresagem não tinham quaisquer propriedades não esperadas e, assim, não preenchiam aqueles requisitos que aumentavam em propriedades que surgiram por último.

De modo a desenvolver um aço, o qual corresponde melhor aos novos e mais elevados requisitos de propriedades, i.a. melhor capacidade de maquinagem e propriedades de resistência a temperaturas de trabalho aumentadas, foi decidido produzir um número de ligas de teste. Os materiais para o exame foram produzidos quer numa escala de laboratório quer numa escala total, as composições dos quais foram mostradas na Tabela 2. Os teores da composição indicados referem-se a valores médios de medições em várias posições dos lingotes produzidos. Na Tabela 2 também são mostradas as composições de um número de materiais de referência, os quais são designados pelos Nos. 1, 3 e 5, e os quais estão comercialmente disponíveis. Os teores indicados para o material de referência são teores nominais. Os teores de alumínio, azoto, cálcio e oxigénio não foram registados. Para todos os materiais o equilíbrio é o ferro, para além das impurezas que podem ocorrer em quantidades normais em conjunto com as impurezas ou elementos acessórios indicados na tabela.

Inicialmente foram produzidos seis fundidos numa escala laboratorial, que foram moldados em lingotes de laboratório de 50 kg (Q9277 - Q9287), em que os fundidos Q9280 - Q9287 são exemplos do invento. Os lingotes Q produzidos foram forjados para testar provetes do tamanho 60 x 40 mm, os quais depois foram recozidos brandamente a uma temperatura de 850°C, 10 h, e depois arrefecidos num forno, 10°C/h, a 650°C, arrefecendo depois disso livremente ao ar à temperatura ambiente. Depois disso, os mesmos foram endurecidos na dureza desejada.

Começando a partir do Q9287, foi fabricado um fundido de 6 tons numa escala de produção (aço No. 6), a composição do qual é mostrada na Tabela 2. O processo de fabrico é descrito em detalhe mais à frente, mas a produção pode ser descrita resumidamente tal como se segue: os lingotes foram fabricados a partir de um fundido de 6 tons por enchimento pelo fundo convencional. Os lingotes foram laminados a quente em barras com um tamanho de 0 28 mm, 0 45 mm e 120x120 mm. A maioria das barras foi recozida brandamente e depois foram fabricados provetes de teste e corpos de corte de fresagem, os quais foram endurecidos e temperados. A não ser que seja enunciado de outro modo, é referida a têmpera de alta temperatura.

Algumas das barras do fundido de 6 tons não foram recozidas brandamente. Estas barras não foram sujeitas a qualquer operação de endurecimento convencional, dado que o arrefecimento depois da operação de laminagem a quente tinha dado ao material uma estrutura endurecida. Este material é designado por aço No. 6a na descrição que se segue dos testes realizados. As barras de teste foram produzidas a partir destas barras "endurecidas diretamente", barras de teste essas que foram temperadas na dureza desejada.

Os provetes de teste foram fabricados a partir dos materiais de referência, barras de teste essas que foram endurecidas e temperadas na dureza desejada de acordo com as instruções do fabricante. Mais ainda, foi produzido um número de corpos de corte de fresagem para testes de aplicação.

0 invento vai agora ser explicado com referência aos testes realizados.

Microestrutura A microestrutura de uma concretização preferida do aço do invento na condição endurecida e temperada (aço No. 6) é mostrada na fotografia da Fig. 1. 0 aço foi endurecido a uma temperatura de austenitização de 1020°C durante 30 minutos e temperado duas vezes durante duas horas com um arrefecimento intermédio a uma temperatura de 600°C, (600°C/2x2h) e obtida uma dureza de 45 HRC. Na concretização preferida o aço tem uma matriz que consiste em martensite temperada (1) sem austenite, perlite ou bainite retidas. Dado que o aço é referido como estando sem a presença de austenite retida, deve ser entendido que o aço pode conter até 2% em volume de austenite retida, dado que teores abaixo de 2% em volume são difíceis de estabelecer. A matriz tem um teor distribuído de modo comparativamente regular de até cerca de 2% em volume de carbonetos, do que cerca de 1% em volume dos carbonetos são carbonetos MC e ΜεΟ precipitados primariamente (2). Cerca de 1% em volume dos carbonetos tem forma redonda ou substancialmente redonda e tem um tamanho na sua extensão mais longa no máximo de 5 pm, preferivelmente no máximo de 2 pm e, ainda mais preferido, no máximo de 1 pm. Os referidos carbonetos substancialmente redondos são principalmente carbonetos MC, onde M é vanádio e algum molibdénio. Também se pode notar uma certa ocorrência de carbonetos ΜβΟ, onde M é substancialmente molibdénio. Para além dos carbonetos primários, o aço também contém cerca de 1% em volume de carbonetos (3) MC, M2C e/ou M3C precipitados secundários. A parte principal dos referidos carbonetos secundários tem forma redonda ou substancialmente redonda e tem um tamanho na sua extensão mais longa num máximo de 20 nm. Além disso, podem notar-se carbonetos um tanto mais alongados, os quais têm uma dimensão na sua extensão mais longa no máximo de 100 nm. Os referidos carbonetos contêm crómio, vanádio, molibdénio assim como ferro. O aço também é caracterizado por não existir ali a ocorrência de carbonetos nos limites do grão. A falta de carbonetos nos limites do grão contribui para uma capacidade de maquinagem e tenacidade melhoradas. É desejável eliminar ou pelo menos minimizar a quantidade de austenite retida no material. Tal como se pode ver a partir da Fig. 1, é possível eliminar a presença da austenite retida depois da têmpera de alta temperatura, quando for dada ao aço uma composição de acordo com uma concretização preferida do invento. Por outro lado, se o aço for temperado a baixa temperatura, pode haver uma certa presença de austenite retida, tipicamente cerca de 3%. Mais ainda, imediatamente depois do endurecimento, o teor de austenite retida é um tanto mais elevado, cerca de 4 a 6%. Tal como um homem especialista na arte pode aperceber-se, o teor de austenite retida também pode variar dependendo do equilíbrio entre os elementos de estabilização de austenite, para este aço carbono, manganês e níquel acima de tudo, e os elementos de estabilização de ferrite, para este aço silício, crómio e molibdénio acima de tudo. Os referidos elementos deverão ser equilibrados de modo que o teor de austenite na condição endurecida e temperada vá a um máximo de 10%, e preferivelmente um máximo de 5%, de modo que o aço venha a preencher o requisito de uma estabilidade dimensional adequada, entre outras coisas.

De modo a examinar a microestrutura das várias dimensões foi realizado um ensaio por dilatómetro, isto é, arrefecimento dos provetes de teste austenitizados a várias taxas de arrefecimento a partir de 800°C até 500°C. 0 aço foi austenitizado a 950°C durante 30 min. O ensaio por dilatómetro indicou que o aço do invento pode obter uma microestrutura em conformidade com aquilo que foi descrito com referência à Fig. 1 para dimensões até 01 m. Um diagrama de Transformação de Arrefecimento Continuo (CCT) é apresentado como suporte para isto, ver a fig. 18. No diagrama são mostradas diferentes curvas de arrefecimento. Os dados para estas curvas são tal como se seguem:

Resposta de Têmpera

A resposta de têmpera de algumas das ligas de teste produzidas foi examinada e os resultados são mostrados nas Figs. 2 a 4. A Fig. 2 é um gráfico que mostra a dureza dos lingotes laboratoriais produzidos, Q9277 a Q9287, depois do endurecimento a partir de uma temperatura de austenitização de 960°C, 30 minutos, e têmpera 2 x 2 h a várias temperaturas de têmpera. A figura mostra que os materiais Q9280 a Q9287 do invento têm um endurecimento secundário a uma temperatura de cerca de 550°C, enquanto o material de referência Q9277 obtém uma dureza um tanto mais elevada embora o endurecimento secundário ocorra a uma temperatura um tanto mais baixa, cerca de 500°C. Quando utilizado na condição a quente, o crescimento dos carbonetos é mais lento para os materiais que têm um endurecimento secundário que ocorre a temperaturas mais elevadas do que com os materiais que têm um endurecimento secundário que ocorre a temperaturas mais baixas. É refletido pelo facto de os materiais Q9280 a Q9287 do invento em conjunto com Q9279 também terem uma curva de têmpera comparativamente plana a temperaturas acima de 550°C e, assim, têm uma resposta de têmpera melhor do que outros materiais.

Foi examinada a resposta de têmpera para o aço No. 6 e aço No. 6a a várias temperaturas de austenitização e a dureza do aço depois da têmpera é mostrada na Fig. 3. Foi medido um endurecimento secundário distinto a temperaturas de têmpera de cerca de 500 a 550°C. A figura mostra que o aço No. 6a obteve a dureza mais elevada, enquanto o aço No. 6, o qual tinha sido endurecido de uma maneira convencional, obteve uma dureza um tanto mais baixa. Deve ser indicado que o aço No. 6 obteve um endurecimento secundário a uma temperatura de cerca de 550°C, enquanto o aço No. 6a obteve um endurecimento secundário a uma temperatura de cerca de 500°C. Também deve ser indicado que o aço No. 6a obteve principalmente a mesma resposta de têmpera que o aço No. 6 a temperaturas de cerca de 550°C até 650°C.

Resistência à têmpera É mostrada nas Figs. 19 e 20 uma comparação do efeito do tempo a altas temperaturas sobre a dureza. O aço do invento e um aço de referência são comparados depois da têmpera a 550°C e 650°C, respectivamente. Na Fig. 19 pode ver-se que o aço do invento tem uma resistência à têmpera significativamente melhor do que o aço de referência a 650°C. É mostrado o mesmo resultado na Fig. 20, onde é mostrado o efeito sobre a dureza depois de um tempo de retenção de 50 h a várias temperaturas. Pode ver-se que o aço do invento mantém a sua dureza melhor a temperaturas crescentes e tempos mais extensos do que o aço de referência. O aço do invento tem uma resistência à têmpera que proporciona uma redução na dureza de menos do que 15 unidades HRC depois do tratamento térmico durante 50 h a 500°C e 650°C, respetivamente, o que é muito bom. 50 h corresponde à vida de serviço normal para um corpo de ferramenta de corte.

Tenacidade ao impacto A tenacidade ao impacto do aço No. 6 a várias

temperaturas e a várias durezas foi examinada e comparada com o aço No. 1 pelos testes Charpy V (processo de teste: ASTM E399/DIN ΕΝ 10045) . Os provetes de teste foram tirados de barras de várias dimensões, o que resultou em vários graus de trabalho conjunto dos materiais. Como regra geral, um grau mais elevado de trabalho conjunto resulta numa resistência ao impacto mais elevada. Os resultados são mostrados na Tabela 3 e ali também a dureza dos aços é mostrada depois do endurecimento e da têmpera, a dimensão das barras a partir das quais os provetes de teste foram tirados, a posição dos provetes de teste nas barras, a que temperaturas os provetes de teste foram testados e as condições de tratamento térmico. A tenacidade ao impacto do aço No. 6 foi examinada também na condição laminado a quente e depois da têmpera na condição laminado a quente, de acordo com o que está descrito acima para material recozido de modo não brando.

Os testes mostraram que o aço No. 6 tem uma melhor tenacidade ao impacto do que o material de referência No. 1. Mais ainda, verificou-se que a tenacidade é melhor para este aço depois da têmpera a baixa temperatura, isto é, têmpera a temperaturas até ao máximo de 450 a 475°C, ao mesmo tempo que a dureza do aço é um tanto mais alta do que depois da têmpera de alta temperatura. No entanto, a mesma boa resistência ao desgaste não é alcançada à têmpera de baixa temperatura. Em adição, mostrou-se que o aço do invento não tem uma temperatura de transição dúctil-quebradiço a temperaturas abaixo da temperatura ambiente, pelo menos não para temperaturas abaixo de -40°C. Isto indica que o aço pode ser adequado também quando existem requisitos para boa tenacidade a baixas temperaturas.

Resistência à fadiga isotérmica A resistência à fadiga do aço No. 6 a várias temperaturas num tempo de espera de 2 h foi comparada com os materiais de referência Nos. 1 e 3, os quais se mostram na Fig. 5. Os materiais foram examinados na condição endurecida e temperada. Todos os materiais foram endurecidos e temperados até uma dureza de 45 HRC. Depois disso, alguns dos provetes de teste foram trabalhados a frio. 0 trabalhar a frio é um método para introduzir tensões de compressão na superfície do material. Dados de trabalho a frio:

Esferas de aço: 0 0,35 mm,

Dureza: 700 HV,

Pressão: 4 bars Ângulo: 90°

Tempo: 36 s Distância: 75 ± 5 mm Rotação: 37 rpm

Os resultados mostram que o aço No. 6 tem uma melhor resistência à fadiga do que os dois materiais de referência. O aço No. 6 tinha uma resistência à fadiga superior na condição de trabalhado a frio a 450°C, a qual é uma temperatura de trabalho a qual certos corpos de ferramenta de corte podem alcançar em casos extremos.

Dureza a quente A dureza a quente do aço No. 6 foi comparada com os materiais de referência. Os aços tinham sido endurecidos e temperados até uma dureza de 430 HV. A exceção foi o aço Q9287, o qual tinha uma dureza de 460 HV. Inicialmente, as ligas de teste fabricadas numa escala laboratorial foram comparadas com os aços de referência Nos. 1 e 3. Os resultados são mostrados na Fig. 6a. As ligas de teste Q9280 a Q9287 tinham a melhor dureza a quente, o que é mostrado pela redução na dureza ser comparativamente mais lenta e por uma redução mais pesada na dureza que surge a temperaturas mais elevadas para os materiais de referência. O aço No. 6, o qual tinha sido fabricado numa escala de produção, também foi comparado com os materiais de referência, o que é mostrado na Fig. 6b. É ainda aqui mais evidente que o aço do invento tinha uma dureza a quente muito boa.

Resistência de alivio de tensão

Para melhorar a resistência à fadiga podem ser introduzidas tensões de compressão na superfície do material. A este respeito, o termo superfície refere-se ao material na superfície e em baixo numa profundidade de ausência de tensões residuais abaixo da superfície real. A profundidade depende do método de tratamento de superfície. Na utilização a altas temperaturas é importante que o material tenha uma boa capacidade para manter as tensões de compressão introduzidas. A capacidade do aço do invento para manter estas tensões de compressão introduzidas depois do aquecimento (resistência contra relaxação) foi examinada e comparada com os materiais de referência, o que é mostrado na Fig. 7. As tensões de compressão no material foram introduzidas pelo trabalhar a frio tal como descrito acima. A Fig. 7 mostra que o aço (Q9287, aço No. 6) do invento tinha uma capacidade muito boa para manter as tensões de compressão aplicadas. 0 aço é particularmente bom na gama de temperaturas 300 a 450°C onde a resistência à relaxação é muito mais elevada do que para os aços de referência. A 350°C a tensão residual no aço do invento é aproximadamente 80%, a 400°C é aproximadamente 70% e a 450°C é aproximadamente 60%. Isto é melhor do que ambos os materiais de referência onde os valores comparativos nestas temperaturas são aproximadamente 65%, 55% e 52% para o Aço Q9277 e aproximadamente 55%, 40% e 20% para o Aço 3. Também é favorável que as tensões residuais diminuam comparativamente de modo regular. Também pode ser visto que o aço do invento mantém as suas tensões a temperaturas entre 650graus C e 700 graus C, em contraste com os aços de referência. Por exemplo, o aço 3 não tem tensões residuais acima de 540°C e o aço Q9277 não tem tensões residuais acima de 670°C.

Mais ainda, foi examinado quanto profundo as tensões de compressão aplicadas podem penetrar na superfície do aço No. 6 e os materiais de referência, assim como que efeito a temperatura tem sobre a capacidade do aço para manter estas tensões de compressão. O resultado é mostrado na Fig. 17. A comparação mostra que a tensão de compressão mais elevada na superfície pode ser alcançada com o aço No. 6 e que as tensões de compressão penetram mais profundamente na superfície deste aço. 0 aço No. 6 também mostra a melhor resistência contra a relaxação. Depois do tratamento térmico a 650°C as tensões de compressão máximas no aço 6 são aproximadamente -400 MPa para se compararem com aproximadamente -7 0 MPa para o Aço 1. O Aço 3 tem a menor capacidade para manter as tensões de compressão a altas temperaturas. Depois do tratamento térmico a 550°C as tensões de compressão residuais máximas no Aço 3 são aproximadamente -100 MPa. A partir do diagrama pode ver-se que depois do tratamento térmico durante 2 horas a 650°C, pelo menos 40% das tensões de compressão introduzidas permanecem na superfície (medidas a uma profundidade de 50pm).

Resistência

Através de testes de tração, o ponto de cedência e a tensão final do aço na condição endurecida e temperada foram examinados e comparados com os materiais de referência. Os resultados são mostrados na Tabela 4 e esta tabela mostra que o aço do invento tem a melhor ductilidade, a qual i.a. é entendida pela diferença entre o ponto de cedência e a tensão final que é a maior. O aço do invento mostra um ponto de cedência um tanto menor a uma dureza comparável, o que implica que o aço do invento seja mais facilmente plastificado do que os materiais de referência à carga de tensão. Por conseguinte, foi examinada a resistência à compressão dos aços, a qual é uma medição melhor da resistência do aço do que o ponto de cedência em testes de tração para exatamente esta aplicação. O teste de compressão mostrou que o aço do invento tinha uma resistência à compressão melhor (Rp 0.2) do que os materiais de referência, o que é mostrado na Tabela 4.

Resistência ao desgaste A resistência ao desgaste do aço na condição endurecida e temperada foi examinada com um pino no teste de disco, com SÍO2 como um meio abrasivo, 120 s, condição seca, e o resultado é mostrado na Tabela 5. Entre as ligas de teste Q9277 a Q9280, o aço Q9280 do invento mostra a segunda melhor resistência ao desgaste. Para o aço No. 6, fabricado numa escala total, foi medida uma perda de abrasivo um tanto inferior do que o que foi para o aço No. 1, o que pode ser parcialmente explicado pelo facto de o aço No. 6 ter uma dureza menor. Mais ainda, é notado que o aço No. 6 com uma dureza de 44 HRC mostra uma melhor resistência ao desgaste do que Q9280 com uma dureza de 45 HRC.

Capacidade de itiaquinagem

Foram realizados testes globais que dizem respeito à capacidade de maquinagem, i.a. ao medir com vários métodos de tratamento que desgaste os aços testados provocam nas arestas das ferramentas de corte, o que é descrito abaixo. Todos os testes, excepto o teste de tornear, foram realizados na condição endurecida e temperada a varias durezas. Inicialmente, a capacidade de maquinagem foi examinada com as ligas de teste Q9277 a Q9287 e, depois disso, a capacidade de maquinagem do aço No. 6 foi examinada e comparada com os materiais de referência Nos. 1 e 6. A capacidade de maquinagem dos aços (Q9277 a Q9287) foi examinada ao medir o número de orifícios perfurados até à falha nas duas velocidades de corte. A Tabela 6 mostra que os aços Q9280 e Q9287 assim como os aços Nos. 3 e 6 mostram uma capacidade muito boa de maquinagem na perfuração helicoidal. 0 aço Q9286, com uma dureza essencialmente mais elevada, tem uma capacidade de maquinagem nivelada com o material de referência Q9277.

A Fig. 15 mostra os resultados dos testes de fresagem com ponta. 0 desgaste de flanco da aresta de corte foi medido em relação ao comprimento que foi fresado. Na fresagem com ponta, a qual neste caso foi realizada com fresas muito pequenas, a aderência do material no canal de apara também é um problema expresso, o que depois de algum tempo conduz à falha da fresa. Entre os aços fabricados numa escala laboratorial, o Q9280 tem o melhor resultado. 0 aço preencheu

o requisito de 0,15 mm de desgaste de flanco sem falha. O comprimento cortado foi até 50000 mm. O Aço No. 6, o qual tinha sido fabricado numa escala de produção, também atingiu o requisito do máximo de 0,15 mm de desgaste de flanco sem falha e foi superiormente melhor com um comprimento fresado de 114000 mm. Os outros aços falharam antes de terem alcançado um desgaste de flanco de 0,15 mm. Dados do teste:

Ferramenta de Fresa de extremidade com ponta de corte: carboneto cimentado sólido, 05 mm

Velocidade de 100 m/min corte:

Alimentação: 0,05 mm/dente

Profundidade de Ap=4 mm, Ae= 2 mm corte:

Critério: Vbmax = 0,15 mm A capacidade de maquinagem foi examinada com testes de tornear de matérias numa condição de brandamente recozido a uma dureza de 300 HB. Para o aço No. 6 foi medido um valor V30 de 188 m/min, enquanto o aço No. 5 obteve um valor de 164 m/min. O valor V30 é a velocidade de corte que no girar proporciona uma vida de ferramenta de 30 min. De acordo com uma concretização preferida do invento, o aço deverá ter um valor V30 de pelo menos 150 m/min, preferivelmente pelo menos 170 m/min na condição de brandamente recozido. A capacidade de maquinagem do aço também foi testada através de testes de perfuração, testes de fresagem e testes de roscar num fabricante de corpos de ferramenta de corte. Os testes são mostrados nas Figs. 8a-c a 14a-c. Em todos eles, os testes mostraram que o aço do invento preenche os requisitos do fabricante quanto a uma capacidade de maquinagem melhorada.

As Figs. 8a-c, 9a-c e lOa-c mostram o desgaste que a perfuração de um certo número de orifícios gera na aresta de corte da broca quando a capacidade de maquinagem dos aços Nos. 1, 3 e 6 foi examinada. Os testes mostraram que o aço

No. 3 gera o menor desgaste de flanco e o aço No. 1 foi o mais difícil de trabalhar e resultou numa falha comparativamente rápida devido à formação de apara a 40 e 47 HRC. O aço No. 6 preencheu o requisito para os pelo menos 1000 orifícios perfurados e um máximo desgaste de flanco da aresta de corte de 0,15 mm a 30 e 40 HRC, e num dos testes de perfuração a 47 HRC. Dados de teste:

Ferramenta de Brocas de carboneto cimentado sólido, 0 corte: 4,3mm, para brocas de 33 HRC de carboneto

cimentado sólido, 0 4,6mm para 40 e 47 HRC

Velocidade de lOOm/min para 33 HRC e 50m/min para 40 HRC e corte: 47 HRC

Alimentação: 0,18 mm/rot. para 33 HRC e 0,1 mm/rot. para

40 HRC e 47 HRC

Profundidade de Ap=13mm corte:

Critério: Vbmax=0,15mm, ch>0,lmm, falha de broca, ou 1000 orifícios perfurados

Arrefecimento: Emulsão Castrol a 7% do lado de fora

Nas Figs, lla-c, 12a-c e 13a-c é mostrado o desgaste de flanco na aresta da ferramenta de fresar gerado a partir da fresagem durante um período de operação de 50 min. Também aqui o aço No. 3 mostrou a melhor capacidade de maquinagem, enquanto o aço No. 6 mostrou praticamente a mesma capacidade de maquinagem que o aço No. 1, mas com uma diferença que a 47 HRC o aço No. 1 gerou falha devido à formação de apara em 37 min., enquanto o aço No. 6 gerou falha devido à rotura da aresta em 25 min. Dados de teste:

Ferramenta de Fresa com ponta de carboneto cimentado corte: sólido, 01Omm

Velocidade de 150 m/min para 33 HRC e 100 m/min para 40

corte: HRC e 47 HRC

Alimentação: 0,072mm/dente

Profundidade de Ap=6mm, Ae=3mm corte: -Critério: Vbmax=0,lmm, ch>0,lmm, falha de fresa ou 50 min de tempo de operação

As peças em branco quadradas com um comprimento máximo de 150 mm foram fresadas com fresagem com inclinação e foi direcionado ar comprimido para a zona de corte.

As Figs. 14a-c mostram os resultados do teste de roscar. A propriedade de roscar é uma das propriedades absolutamente mais importantes entre as propriedades de maquinagem. Também aqui os testes foram descontinuados em 1000 orifícios roscados, os quais todos testaram aços conduzidos a uma dureza de 33 HRC. Verificou-se a partir dos testes que o aço No. 6 tinha propriedades de roscagem superiormente boas a uma dureza de 40 HRC. A 47 HRC foram medidas propriedades equivalentes para os aços Nos. 3 e 6, enquanto foi principalmente impossível roscar o aço No. 1 a 47 HRC. Dados de teste:

Ferramenta de Macho de roscar M5x0,8 PWZ Paradur Inox 20 corte: 513 temperado a vapor para 33 HRC;

Macho de roscar M5x0,5 PWZ Paradur Ni 10 26-19310 sem revestimento para 40 HRC e 47 HRC

Velocidade de 15 m/min para 33 HRC, 4 m/min para 40 HRC e

corte: 47 HRC

Alimentação em 99% do passo rotação

Profundidade de Ap=7 mm rosca completa rosca:

Critério: Falha do macho de roscar ou quando o macho estiver gasto de modo que seja alcançada uma rosca completa de 6,5 mm ou se o macho tiver feito 1000 roscas aprovadas.

Arrefecimento: Emulsão Castrol a 7%

Foram realizados testes de aplicação onde os corpos de ferramenta de corte foram fabricados a partir do aço do invento. As propriedades de fadiga dos corpos de ferramenta de corte foram examinadas ao simular os ciclos de carga que surgem durante a operação. Uma carga cíclica de 1780 MPa foi aplicada de modo perpendicular à bolsa de inserto no corpo de ferramenta de corte, isto é, onde o inserto se encontra montado. As tensões residuais no canto entre a aresta frontal da bolsa de inserto e a sua parede lateral de suporte interna, uma gama onde as roturas por fadiga se iniciam, foram medidas com uma difração de raios X. A Fig. 16 mostra os resultados do teste de fadiga. O exame foi feito nos corpos de ferramenta de corte os quais foram trabalhados a frio na condição endurecida e temperada, assim como nos corpos de ferramenta de corte trabalhados a frio os quais foram tratados termicamente a 550°C durante 2 h, de modo a simular a utilização. Os aços Nos. 1 e 3 também foram examinados na condição endurecida e temperada apenas. O exame mostra que o aço No. 6 tem melhores propriedades à fadiga do que tanto o aço No. 1 como o aço No. 3.

Produção do aço

Num processo para a produção de um aço com uma composição química de acordo com o invento, um fundido de aço é produzido pela técnica de fabrico metalúrgica de fusão convencional. O fundido é moldado em lingotes pela moldagem de lingotes, de modo adequado um enchimento pelo fundo. O fabrico metalúrgico por pó, formação por pulverização ou Refundição Elétrica de Escória parecem ser evitáveis e são apenas alternativas desnecessariamente dispendiosas. Os lingotes fabricados foram trabalhados a quente a uma temperatura entre 800 e 1300°C, preferivelmente 1150 a 1250°C para as dimensões desejadas perante a forjagem e/ou laminagem a quente e podem, depois disso, arrefecer livremente ao ar a uma temperatura de 20 a 200°C, preferivelmente 20 a 100°C, em que é obtido um endurecimento do aço. Depois disso, segue-se uma têmpera dupla durante 2 h (2 x 2 h) com um arrefecimento intermédio. A têmpera é realizada quer como uma têmpera de baixa temperatura a partir de uma temperatura entre 180 e 400°C, preferivelmente 180 a 250°C, ou como uma têmpera de alta temperatura a partir de uma temperatura entre 500 e 700°C. Numa condição endurecida e temperada, uma concretização preferida do aço tem uma matriz que consiste em martensite temperado com um teor de até cerca de 2% em volume de carbonetos essencialmente redondos distribuídos de modo regular, cuja matriz está essencialmente desprovida de carboneto nos limites do grão. A uma têmpera de baixa temperatura é obtido um aço com uma dureza elevada, tipicamente cerca de 50 HRC, e uma boa tenacidade. A têmpera de baixa temperatura pode, por conseguinte, ser vantajosa, quando o aço tiver de ser utilizado em aplicações à temperatura ambiente, onde existem requisitos extremos para a resistência à formação de apara. A têmpera de alta temperatura dá a possibilidade de controlar a dureza do aço dentro da gama de 34 a 50 HRC. A têmpera de alta temperatura também resulta num aço com tenacidade mais baixa, mas i.a. uma dureza a quente e uma resistência ao desgaste melhoradas. Por conseguinte, a têmpera de alta temperatura é preferida, caso o aço tenha de ser utilizado em aplicações com temperaturas de trabalho aumentadas.

Num processo de fabrico alternativo o aço é brandamente recozido, quando tiver arrefecido depois do trabalho a quente. O recozido brando tem lugar a uma temperatura de 650°C durante 10 h. Depois disso, o aço pode arrefecer num forno com uma redução de temperatura de 10°C/h para baixo até 500°C e, depois disso, arrefece livremente ao ar à temperatura ambiente em que o aço obtém uma dureza de cerca de 300 HB. Na condição de brandamente recozido, o aço tem uma matriz que consiste em martensite envelhecida com um teor de até cerca de 5% em volume de carbonetos essencialmente redondos distribuídos de modo regular, cuja matriz está essencialmente livre de carboneto nos limites do grão. Na condição de brandamente recozido, o aço pode ser trabalhado para um corpo de ferramenta de corte ou um apoio para ferramentas de corte. De modo alternativo é feita uma maquinagem inicial, enquanto a maquinagem final é realizada depois do endurecimento e da têmpera. Se for desejada uma dureza mais elevada do que 300 HB, a peça de obra acabada pode ser endurecida e temperada, o que é possível graças à muito boa capacidade de endurecimento do aço, que oferece um arrefecimento lento no ar depois da austenitização, o que minimiza o risco de deformações. O aço é endurecido a partir de uma temperatura de austenitização entre 850 e 1050°C, preferivelmente entre 900 e 1020°C. É vantajoso se a temperatura de austenitização for mantida baixa, dado que contraria o crescimento do grão e a ocorrência de austenite residual no material. Em adição, são obtidos carbonetos mais finos a temperaturas de austenitização mais baixas. Depois do endurecer é obtida uma dureza de 45 a 50 HRC. A têmpera é realizada na dureza desejada tal como acima descrito, em que é obtida uma matriz que consiste em martensite temperada, cuja matriz está essencialmente livre de carboneto nos limites do grão e tem um teor de até cerca de 2 % em volume de carbonetos essencialmente redondos distribuídos de modo regular.

Graças ao invento é proporcionado um aço o qual pode ser fabricado com boa economia de produção, i.a. quando nem sempre for necessária uma operação de endurecimento separada, dado que o aço pode ser endurecido em ligação com o arrefecimento depois do trabalhar a quente. Para clientes que irão fabricar um componente do aço, a boa capacidade de maquinagem e estabilidade dimensional do aço permite a maquinagem do aço numa condição endurecida e temperada. Isto implica que o cliente que fabrica um componente do aço não precisa de investir em equipamento para endurecer e temperar, não necessitando de modo alternativo de comprar esse serviço. Em adição, o tempo para a produção de um componente é reduzido graças a isso.

Os clientes que em si mesmos pretendem endurecer e temperar o seu material podem encomendar material numa condição de brandamente recozido. Depois de maquinar na forma desejada, o produto pode ser austenitizado sem requisitos demasiado específicos para a temperatura de austenitização, o que implica que o cliente possa endurecer o produto em conjunto com produtos produzidos de outros materiais e adaptar a temperatura de austenitização aos requisitos para os outros materiais. Depois disso, o material é temperado na dureza desejada. Caso seja desejado, podem ser introduzidas tensões de compressão na superfície da peça de obra acabada através de trabalho a frio. Certas superfícies podem ser endurecidas por indução, sujeitas a nitretação ou revestidas com PVD.

Em primeiro lugar, o aço foi desenvolvido para a utilização para corpos de ferramenta de corte. Uma vantagem económica importante a partir de um ponto de vista da produção pode ser oferecida ao utilizador final destes corpos de ferramenta de corte. Graças à muito boa resistência à têmpera, irá ser possível utilizar um corpo de ferramenta de corte a velocidades de corte mais elevadas mas com um requisito reduzido quanto a arrefecimento do corpo de ferramenta de corte. Isto resulta também numa fadiga térmica reduzida da aresta do inserto de carboneto. Deste modo são alcançados custos de produção reduzidos graças tanto a uma vida mais prolongada das ferramentas de corte como a taxas de produção mais elevadas.

Dado que o aço tem uma capacidade de endurecimento extremamente boa, pode ser obtido um produto completamente endurecido de lado a lado em arrefecimento ao ar de dimensões muito grandes, o que o teste pelo dilatómetro provou. A capacidade de endurecimento em combinação com uma capacidade muito boa de maquinagem, uma boa resistência ao desgaste, uma boa dureza a quente e uma boa resistência à compressão tornam o aço adequado para utilizar também para ferramentas de trabalho a quente como para ferramentas de moldagem de plástico. Se o aço tiver de ser utilizado para ferramentas de trabalho a quente ou ferramentas de moldagem de plástico com requisitos para uma boa capacidade de polimento, pode ser adequado suplementar o processo de fabrico com uma Refundição Elétrica de Escória para minimizar possíveis segregações no material e para obter um aço que esteja essencialmente livre de inclusões de escória.

Lisboa, 2015-10-20

Claims (17)

1. REIVINDICAÇÕES 1 - Aço que tem uma composição química que contém em percentagem de peso: C 0,25-0,5 Si 0,1-1,5 Mn 0,6-2,0 S máx. 0,2 Cr 1,5 - 4 Ni 3,0-5,0 Mo 0,7-1,0 V 0,6-1,0 opcionalmente REM < 0,4 Ca 5-75 ppm O 10-100 ppm Ai 0,003-0,020 resto de ferro e impurezas em teores normais.
2. 2 - Aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o mesmo conter pelo menos 0,28% de C e um máximo de 0,40%, preferivelmente um máximo de 0,32% de C.
3. 3 - Aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o mesmo conter pelo menos 0,3%, preferivelmente pelo menos 0,4% de Si, e um máximo de 1,0%, preferivelmente um máximo de 0,8%, e ainda mais preferido um máximo de 0,6% de Si.
4. 4 - Aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o mesmo conter pelo menos 1,0% de Mn e um máximo de 1,5%, preferivelmente um máximo de 1,3% de Mn.
5. 5 - Aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o mesmo conter pelo menos 1,9%, preferivelmente pelo menos 2,2% de Cr, e um máximo de 3,0%, preferivelmente um máximo de 2,6% de Cr.
6. 6 - Aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o mesmo conter pelo menos 3, 8% de Ni, e um máximo de 4,5%, preferivelmente um máximo de 4,1% de Ni.
7. 7 - Aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o mesmo conter pelo menos 0,75% de Mo e um máximo de 1,0% de Mo.
8. 8 - Aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o mesmo conter pelo menos 0,7% de V e um máximo de 1,0% de V.
9. 9 - Aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o mesmo conter pelo menos 0,010%, preferivelmente pelo menos 0,015%, e ainda mais preferido pelo menos 0,025% de S, e um máximo de 0,15%, preferivelmente um máximo de 0,10%, e ainda mais preferido um máximo de 0,035% de S.
10. 10 - Aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o mesmo conter 5 a 50 ppm de Ca e 30 a 50 ppm de O.
11. 11 - Aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por na sua condição endurecida e temperada ter uma matriz que compreende martensite temperada com um teor de até 2% em volume de carbonetos distribuídos regularmente, em que até 1% de volume dos referidos carbonetos são carbonetos MC e ΜβΟ precipitados primariamente, e em que até 1% em volume dos referidos carbonetos são carbonetos MC, M2C e/ou M3C precipitados secundários, e cuja matriz está desprovida de carbonetos nos limites do grão.
12. 12 - Aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por na sua condição recozida brandamente ter uma matriz que compreende uma martensite envelhecida com um teor de até cerca de 5% em volume de carbonetos essencialmente redondos distribuídos de modo regular, cuja matriz está essencialmente desprovida de carboneto nos limites do grão.
13. 13 - Aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por não ter uma temperatura de transição dúctil-quebradiço a temperaturas acima de -40°C.
14. 14 - Aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ter um valor V30 de pelo menos 150 m/min, preferivelmente pelo menos 170 m/min na condição de brandamente recozido.
15. 15 - Aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ter uma resistência à têmpera que proporciona uma redução em dureza de menos do que 15 unidades HRC depois do tratamento térmico durante 50 h a 500°C e 650°C, respetivamente.
16. 16 - Aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a tensão de compressão de amplitude máxima na superfície ser pelo menos 800 MPa depois do trabalho a frio com esferas de aço que têm uma dureza de 700 HV a uma pressão de 4 bars, e por as tensões de compressão serem introduzidas numa profundidade de pelo menos 100 pm, e por a tensão de compressão de amplitude residual depois do tratamento térmico a 650°C durante 2h ser pelo menos 300 MPa, preferivelmente pelo menos 350 MPa, e por pelo menos 70% das tensões de compressão introduzidas permanecerem na superfície do material depois do tratamento térmico a 400°C durante 2h, e por pelo menos 40% das tensões introduzidas permanecerem na superfície do material depois do tratamento térmico a 650°C durante 2h.
17. 17 - Processo para o fabrico de uma peça em branco de aço, caracterizado por compreender os passos de processo que se seguem: fabrico de um fundido de aço com uma composição química tal como se define em qualquer das reivindicações 1-10; - moldagem do fundido num lingote; - trabalho a quente do lingote a uma temperatura de 800 a 1300°C, preferivelmente 1150 a 1250°C, de modo a obter uma peça em branco que tem uma dimensão de até cerca de 0 1000 mm; - arrefecimento da peça em branco a uma temperatura de 20 a 200°C, preferivelmente 20 a 100°C, em que é obtido um endurecimento do aço; - têmpera da peça em branco duas vezes durante 2 h (2x2h) com arrefecimento intermédio, quer como têmpera de baixa temperatura a uma temperatura de 180 a 400°C, quer como têmpera de alta temperatura a uma temperatura de 500 a 700°C, em que é obtida uma peça em branco de aço, que tem uma matriz que compreende martensite temperada, tendo a referida matriz um teor de até 2% em volume de carbonetos redondos distribuídos de modo regular, e cuja matriz está desprovida de carbonetos nos limites do grão. Lisboa, 2015-10-20