PT674720E - Pecas de aco de lata resistencia modeladas a frio - Google Patents

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PT674720E PT94903589T PT94903589T PT674720E PT 674720 E PT674720 E PT 674720E PT 94903589 T PT94903589 T PT 94903589T PT 94903589 T PT94903589 T PT 94903589T PT 674720 E PT674720 E PT 674720E
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Hugh M Gallagher Jr
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Cons Metal Products Inc
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Description

1
Descrição “Peças de aço de alta resistência modeladas a frio”
Campo da invenção A presente invenção refere-se a um processo para a fabricação de peças de aço de alta resistência e, mais particularmente, refere-se a um processo no qual se modela a frio uma peça inicial, de aço de alta resistência, para obter uma peça com uma configuração geométrica desejada, de modo que a resistência da peça se mantenha substancialmente igual ou maior que a da peça inicial.
Fundamento da invenção
Até agora, tem sido usado um certo número de processos para a fabricação de peças de aço. Estes processos utilizam muitas vezes técnicas de modelação a frio, tais como o encalcamento, o cabeçamento e a extrusão, as quais são bem conhecidas dos técnicos. No encalcamento, aumenta-se a área da secção transversal de uma parte ou de toda a peça inicial de metal. O encabeçamento é uma forma particular de encalcamento, em que a peça inicial é um material de arame ou de barra. As cabeças dos parafusos são muitas vezes feitas com utilização das técnicas de encabeçamento. Na extrusão, a peça metálica inicial é forçada a passar através do orifício de uma matriz com um contorno da secção transversal desejado, para produzir um segmento com secção transversal uniforme.
Um desses processos para a fabricação de peças de aço de alta resistência, que é bem conhecido, começa por um recozimento ou o amolecimento da peça de aço inicial, por outro processo. A peça de aço inicial recozida é depois modelada a frio, num processo que se inclui numa das técnicas de modelação do tipo atrás referido, para obter a configuração geométrica desejada. Á peça, agora modelada, é depois sujeita a tratamento térmico, isto é, é austenitizada, temperada por arrefecimento e revenido, para obter as propriedades mecânicas de elevada resistência desejada. O material de aço da peça resultante tem uma microestrutura de martensite revenida. As propriedades mecânicas produzidas por tais tratamentos térmicos são muitas vezes inconsistentes e podem variar de peça para peça. Além disso, os passos de recozimento e tratamento térmico aumentam de maneira significativa os custos do processo global para a fabricação de peças de aço de alta resistência, devido em grande parte ao consumo de energia que está associado com o aquecimento da peça.
Num outro processo para a fabricação de peças de aço de alta resistência, a peça de aço inicial é inicialmente austenitizada, temperada por arrefecimento rápido e depois sujeitas a revenido até um ponto em que as propriedades mecânicas da peça inicial, depois do tratamento térmico, sejam tais que a peça inicial pudesse depois ser modelada a frio, num processo que inclui uma das três técnicas de modelação atrás referidas, para obter a configuração geométrica desejada. O material de aço da peça acabada obtida por este processo tem uma microestrutura martensítica não revenida. Embora este processo tenha aparentemente vantagens sobre o processo anteriormente descrito pelo facto de, como se afirmou, serem mais apertadas as tolerâncias de resistência de umas peças para as outras, que com ele podem obter-se, este processo usa, no entanto, ainda um processo de tratamento térmico caro. É conhecido o processo de modelar a frio peças iniciais de material de alta resistência. Na patente US 3 904 445, atribuída ao inventor da presente invenção, apresenta-se um processo para modelar a frio um segmento de material de barra de aço de alta resistência, para obter uma cavilha em U. A patente ‘445 apresenta um 3 tal comprimento do material de barra, feito de um material de aço com uma composição que consiste essencialmente em, em percentagem em peso: carbono, entre cerca de 0,50 e 0,55 %, manganês entre cerca de 1,20 e 1,65 %, vanádio entre cerca de 0,03 e 0,05 %, com o restante constituído substancialmente todo por ferro. No entanto, a modelação a frio de uma dobra, num segmento de material de barra, é menos severa que outras técnicas de formação a frio, tal como o encalcamento e a extrusão. Até agora, pensou-se genericamente que a modelação a frio de uma peça inicial de alta resistência para obter uma peça por técnicas de encalcamento ou extrusão, teria como consequência a formação de fendas, ou mesmo fracturas, na peça de aço de alta resistência acabada ou pelo menos seria provável exigir a formação gradual da peça por uma série de passos de modelação a frio, com um passo de recozimento ou redução das tensões, efectuados entre operações de modelação pelo frio. Tais fendas ou fracturas originariam provavelmente a ruína da peça. Além disso, a utilização de tal modelação a frio e recozimento, aumenta o tempo e os custos para a fabricação de tais peças de aço de alta resistência. A patente GB 1 535 775 descreve um processo para a produção de peças modeladas a frio, com uma resistência à tracção de pelo menos 750 N/mm2 e um ponto de cedência superior a 600 N/mm2 a partir de uma barra ou de um arame de aço, sem ou com pouca liga, com uma resistência à tracção superior a 500 N/mm2 na condição de recozimento doce ou de laminado. O aço é trabalhado a frio, por estiramento, e depois encalcado por compressão, no sentido oposto ao do estiramento. O aço compreende carbono, no máximo de 0,6 %, silício, manganês, enxofre e, num exemplo, crómio, sendo o restante ferro. A patente alemã DE 3 434 743 descreve um processo para a produção de 4 7Sd peças de máquinas, por laminagem a quente, de aço a uma temperatura de 800°C a 1 150°C e depois uma operação de arrefecimento controlado. As barras laminadas e arrefecidas podem depois ser acabadas por um processo de modelação a frio para modelar ou atarrachar as zonas das bordas. A patente US 4 289 548 descreve um processo para a produção de barras de aço de alta resistência, por estiramento a frio subsequente. As barras laminadas a quente de aço contendo vanádio são tomadas mais resistentes por estiramento a frio subsequente. Uma vantagem do processo é, como se afirma, ser necessária apenas uma tracção ligeira.
Um processo para a fabricação de uma peça de aço de alta resistência acabada, de acordo com a invenção compreende os passos de proporcionar uma peça inicial, de material de aço de elevada resistência com uma microestrutura de ferrite--perlite e uma resistência à deformação de pelo menos 621 N/mm2 (90 000 psi), uma resistência à tracção de pelo menos 827 N/mm2 (120 000 psi) que compreende, em peso: carbono 0,30 a 0,65 % manganês 0,30 a 2,5 % pelo menos um elemento refinador do grão, de entre o grupo formado por alumínio, móbio, titânio e vanádio e as suas misturas, em uma quantidade de 0,03 a 0,35%. ferro o restante, e modelar a frio a peça inicial à temperatura ambiente por encalcamento ou forjamento, para proporcionar a peça acabada com a configuração geométrica desejada, as propriedades mecânicas de resistência à tracção e à deformação da peça, substancialmente iguais ou maiores que as da peça original, e sem a necessidade de outros passos de processamento para melhorar a tenacidade. O termo “peça inicial”, como é aqui usado, tem o seu significado usual, isto é, uma peça de metal para ser modelada a frio, para obter uma peça acabada, com a configuração geométrica desejada. As peças iniciais incluem peças de metal, tais como materiais em barra (isto é, uma peça de aço com o comprimento em proporção com a sua espessura). A expressão “modelação a frio”, tal como é aqui usada, tem o seu significado usual, isto é uma operação de modelação feita à temperatura ambiente. É conhecido utilizar alumínio, nióbio, titânio e vanádio como refinadores do grão, no tratamento térmico a temperatura elevada do aço, sendo “refinadores de grão ferrosos” um nome colectivo para estes elementos específicos. A presente invenção refere-se a um processo para a fabricação de peças de aço de alta resistência, a partir de peças iniciais de material de aço de alta resistência, com microestrutura ferrítica-perlítica e uma resistência à tracção de pelo menos 827 N/mm2 (120 000 psi) e uma resistência à deformação de pelo menos 621 N/ram2 (90 000 psi), com a composição seguinte, em percentagem peso: carbono -0,30 a 0,65 %, manganês - 0,30 a 2,5 %, pelo menos um elemento refinador do grão, escolhido no grupo formado por alumínio, nióbio (isto é, colômbio), titânio e vanádio e suas misturas, numa quantidade de 0,03 a 0,35 % e o restante de ferro, como se indica na reivmdicação 1. A presente invenção proporciona um processo para a fabricação de peças de aço de alta resistência, a partir de peças iniciais, por modelação a frio da peça inicial, à temperatura ambiente, utilizando técnicas de encalcamento ou forj amento para 6 proporcionar uma peça com a configuração geométrica desejada, com microestrutura de ferrite-perlite, de modo que as propriedades mecânicas de resistência à tracção e resistência à deformação da peça sejam substancialmente iguais ou maiores que as da peça inicial e no qual a peça, com as propriedades mecânicas desejadas de resistência à tracção e à deformação, é produzida sem necessidade de outros passos de processamento para melhorar a tenacidade.
Nas reivindicações secundárias são indicadas formas de realização preferidas.
Pelo menos em parte em função da sua configuração geométrica, algumas peças podem necessitar de uma redução das tensões, numa gama de temperaturas entre 232°C (450°F) a 649°C (1 200°F), para elevar, baixar, ou modificar de outro modo as características físicas da peça de aço (por exemplo a resistência à tracção, a resistência à deformação, a percentagem de alongamento, a dureza, a percentagem de redução da área, etc.).
Os princípios da presente invenção, os seus objectivos e vantagens serão melhor entendidos com referência à descrição de pormenor que se segue.
Descrição pormenorizada da invenção O processo da presente invenção pode ser utilizado para a produção de uma grande variedade de peças de aço de alta resistência acabadas, onde se incluem cavilhas e parafusos de vários tipos (cavilhas em U, cavilhas com olhai, cavilhas em J, parafusos de cabeça hexagonal, parafusos de cabeça quadrada, etc.), eixos, veios de carnes, parafusos, barras resistentes à oscilação e outras susceptíveis de modelação pelo processo de modelação a frio à temperatura ambiente, aqui descrito.
Numa forma de realização preferida, o processo da presente invenção para a fabricação de peças de aço de alta resistência inclui a provisão de uma peça inicial, 7 de material de aço de alta resistência, com uma microestrutura de perlite fina numa matriz ferrítica, uma resistência à tracção de pelo menos 827 N/mm2 (120 000 psi) e de preferência pelo menos 1 034 N/mm2 (150 000 psi) e uma resistência à deformação de pelo menos 627 N/mm2 (90 000 psi) e de preferência pelo menos 896 N/mm2 (130 000 psi). Os constituintes perlíticos são geralmente considerados como “finos” quando as suas lamelas não são susceptíveis de definição com uma ampliação óptica de 1 000 vezes. Numa forma de realização, o material de aço de alta resistência utilizado como peça inicial foi reduzido e estirado a frio, para proporcionar uma peça inicial com propriedades mecânicas de resistência à tracção e de resistência à deformação atrás mencionadas. O material de aço de alta resistência usado para a fabricação da peça inicial tem a segumte composição, em percentagem em peso:
Carbono 0,30 a 0,65 %
Manganês 0,30 a 2,5 % pelo menos um refinador de grão ferroso, do grupo constituído por alumínio, nióbio, titânio e vanádio e as suas misturas, numa quantidade de 0,03 a 0,35%.
Ferro o restante.
De acordo com uma forma de realização mais preferida, o material de aço de alta resistência tem a seguinte composição, em percentagem em peso:
Carbono 0,50 a 0,55 %
Manganês 1,20 a 1,65 % pelo menos um refinador de grão ferroso, do grupo constituído por alumínio, nióbio, titânio e vanádio, e as suas misturas, em uma quantidade compreendida entre 8 0,03 a 0,15%
Ferro o restante.
Embora o alumínio, o nióbio (isto é o colúmbio), o titânio e o vanádio actuem como refinadores do grão, é o vanádio o mais preferido dos refinadores do grão. A peça inicial, que tem uma composição e propriedades mecânicas de resistência à tracção e de resistência à deformação como atrás se indicou, é depois modelada a frio, utilizando-se técnicas tais como encalcamento ou foijamento, à temperatura ambiente, para proporcionar uma peça com a configuração geométrica desejada, de modo que as propriedades mecânicas de resistência à tracção e de resistência à deformação da peça sejam substancialmente iguais ou maiores que as da peça inicial. A peça modelada, com as propriedades de resistência à tracção e de resistência à deformação dadas é produzida sem a necessidade de passos de processamento complementares, tais como o passo final de redução das tensões, para aumentar a tenacidade. Porém, para certas configurações geométricas e certas aplicações da peça, pode ser necessário um passo de redução das tensões. A peça inicial de material de aço de alta resistência com uma resistência à tracção de pelo menos 800 N/mm2 (120 000 psi) e uma resistência à deformação de pelo menos 600 N/mm2 (90 000 psi) é usada como peça inicial no processo da presente invenção e é produzida por qualquer processo apropriado conhecido na técnica. Apresenta-se um tal processo na patente US 3 904 445. A patente ‘445 apresenta uma sequência de processamento para produzir um material de barra de aço de alta resistência particularmente utilizável para a produção de peças de ligação roscadas, que incluem as cavilhas em U. No processo descrito, o material em barra v%f produzido tem uma estrutura de grão fino entre ASTM No 5-8. No processo apresentado sujeita-se um aço com uma composição química dentro de certos limites apresentados, a uma operação normalizada de redução a quente, dentro do intervalo de 10%-15% do calibre final. Depois, o material em barra reduzido a quente é cortado ou separado em troços individuais para o arrefecimento rápido, pelo ar. Depois disso, os troços individuais do material de barras reduzido a quente são sujeitos a um acabamento a frio até ao calibre final. O passo final é um passo de redução controlada das tensões, para aumentar as propriedades de resistência mecânica. Este passo de redução das tensões compreende o aquecimento dos troços de material em barra a uma temperatura de cerca de 260-450°C (500-850°F) durante cerca de uma hora, podendo no entanto não ser necessário. Assim, um tal material em barra, com ou sem qualquer redução das tensões, pode ser usado para modelar a peça inicial de aço de alta resistência. O exemplo seguinte ilustra a prática da presente invenção para produzir um parafuso de cabeça hexagonal a partir de material em barra de aço de alta resistência produzido de acordo com o processo apresentado na patente US 3 904 445, atrás descrito.
Exemplo .
Cortou-se um material em barra de aço de alta resistência equivalente ao aço de grau 8 de resistência, com um diâmetro de 1,25 cm (1/2”), em troços com aproximadamente 10 cm (4”). Este material tem uma resistência à tracção de pelo menos 1 000 N/mm2 (150 000 psi) e uma resistência à deformação de pelo menos 900 N/mm2 (130 000 psi), com uma microestrutura de ferrite-perlite fina e uma estrutura de grão fino. Roscou-se uma extremidade de cada troço do material em 10 barra, utilizando processos de roscamento conhecidos, por exemplo prensagem, para proporcionar nos mesmos 3,8 cm (1 1/2”) de rosca. Com o troço de material de barra mais ou menos à temperatura ambiente, formou-se a cabeça sextavada do parafuso, por encabeçamento, em uma ou mais vezes, na outra extremidade de cada troço de material em barra, com uma matriz de forma hexagonal, utilizando um processo de prensagem de forjamento mecânico, aplicando uma pressão de aproximadamente 150 toneladas. A cabeça hexagonal do parafuso resultante tem uma espessura de cerca de 1 cm (3/8”) e uma largura de cerca de 2 cm (3/4”). As propriedades mecânicas de resistência à tracção e de resistência à deformação do produto do parafuso de cabeça hexagonal são substancialmente iguais ou maiores que as possuídas originalmente pelo material de barra e, portanto, não são necessárias quaisquer operações complementares de reforço. O parafuso de cabeça hexagonal acabado tem também a desejada característica mecânica de ductilidade que a barra inicial tinha, não sendo portanto necessários outros passos de processamento para melhorar a tenacidade. Porém, para certas utilizações do parafuso de cabeça hexagonal, pode ser necessária uma operação de redução das tensões. Por exemplo, em algumas utilizações não é desejável que um parafuso sofra a rotura sob a sua cabeça, quando sujeito a Uma tracção. Usualmente, é mais desejável que sejam as roscas o ponto mais fraco do parafuso. Em alguns casos, a redução das tensões melhora a tenacidade do parafuso de modo que sofre rotura, sob esforços de tracção, nas roscas.
Comparadas com as produzidas pelos processos anteriores, que usavam um processo de tratamento térmico (isto é, austenitização, endurecimento por arrefecimento brusco e têmpera), em especial quando o tratamento térmico era usado 11 depois da modelação a frio, para produzir as propriedades mecânicas de elevada resistência da peça, as peças acabadas, feitas de acordo com a presente invenção têm maior probabilidade de ter consistentemente propriedades mecânicas contidas em intervalos de tolerância mais estreitos. Esta posição é confirmada pelos resultados de ensaios de resistência mecânica feitos em amostras de parafusos de cabeça hexagonal, produzidos por um processo de acordo com a presente invenção e em parafusos de cabeça hexagonal produzidos por um processo da técnica anterior, que inclui um processo de tratamento térmico efectuado depois da modelação a frio. Por exemplo, um total de 50 parafusos de cabeça hexagonal de grau 8, de 1,25 x 9 cm (1/2” x 3 1/2”), tratados termicamente, tinham resistências à tracção desde valores tão baixos como 1 000 N/mm2 (150 000 psi) até valores tão altos como 1 146 N/mm2 (172 000 psi), sendo a média 1 100 N/mm2 (160 000 psi). Por outro lado, 50 parafusos de grau 8 de cabeça hexagonal de 1,25 x 9 cm (1/2” x 3 1/2”) feitos de acordo com a presente invenção apresentaram valores de resistência à tracção que vão desde valores tão baixos como 1 145 N/mm2 (166 000 psi) a valores tão altos como 1 170 N/mm2 (170 000 psi), um valor médio de 1 160 N/mm2, (168 000 psi). Assim, com a presente invenção, é mais provável produzir consistentemente peças metálicas de aço de alta resistência dentro de um intervalo mais estreito.
Rua do Salitre, 395, r/c-Brt. 1250 LISBOA

Claims (7)

1 Reivindicações 1. Processo para a fabricação de uma peça de aço de alta resistência, que Y' compreende os passos de proporcionar uma peça inicial, de material de aço de alta resistência, com microestrutura de ferrite-perlite e uma resistência à deformação de pelo menos 621 N/mm2 (90 000 psi), uma resistência à tracção de pelo menos 827 N/mm2 (120 000 psi), que compreende, em peso: Carbono · 0,30 a 0,65 % Manganês 0,30 a 2,5 % pelo menos um elemento refinador do grão de entre o grupo constituído por alumínio, nióbio, titânio e vanádio e as suas misturas, numa quantidade de 0,03 a 0,35 %. Ferro o restante, e a modelação a frio da peça inicial, à temperatura ambiente, por encalcamento ou foijamento, para proporcionar uma peça que tem uma forma final com uma configuração geométrica desejada, sendo as propriedades mecânicas de resistência à tracção e de resistência à deformação da peça substancialmente iguais ou maiores que as da peça inicial, e sem a necessidade de outros passos de processamento para melhorar a tenacidade.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, no qual o material de aço de alta resistência foi previamente reduzido e estirado a frio, para proporcionar a peça inicial.
3. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1 ou 2, nó qual a / peça inicial de material de aço de alta resistência tem uma resistência à tracção de / pelo menos 1 034 N/mm' (150 000 psi) e uma resistência à deformação de pelo / / / / /
2 menos 896 N/mm2 (130 000 psi).
4. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, no qual o material de aço de elevada resistência compreende, em percentagem em peso: Carbono 0,50 a 0,55 % Manganês 1,20 a 1,65 % pelo menos um elemento refinador de grão, do grupo constituído por alumínio, nióbio, titânio e vanádio e as suas misturas, numa quantidade de 0,03 a 0,15% Ferro o restante.
5. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, no qual a peça inicial de material de aço de alta resistência tem uma microestrutura de perlite fina numa matriz ferrítica.
6. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, no qual a peça com as características mecânicas é sujeita a uma redução das tensões, a uma temperatura no intervalo de 232°C (450°F) e 649°C (1 200°F), para modificar as características físicas da peça.
7. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, no qual a peça é escolhida do grupo de peças formado por vários tipos de hastes roscadas, parafusos, eixos e veios de carnes.
1 Resumo “Peças de aço de alta resistência modeladas a frio” Apresenta-se um processo para a fabricação de peças de aço de alta resistência, que compreende a provisão de uma peça inicial, de aço de alta resistência, que possui uma microestrutura de ferrite-perlite e propriedades mecânicas de alta resistência, e a modelação a frio da peça inicial, por encalcamento, forjamento ou extrusão, para proporcionar uma peça com uma configuração geométrica desejada, enquanto que a resistência mecânica da peça se mantém substancialmente igual ou maior que a da peça inicial. Lisboa, 9 de Junho de 2000
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