PT709481E

PT709481E - Aco fracamente ligado para a fabricacao de moldes para materias plasticas ou para borracha

Info

Publication number: PT709481E
Application number: PT95402230T
Authority: PT
Inventors: Jean Beguinot; Frederic Chenou; Gilbert Primon
Original assignee: Creusot Loire
Priority date: 1994-10-31
Filing date: 1995-10-06
Publication date: 2000-06-30
Also published as: DE69514755T2; FR2726287A1; FR2726287B1; CA2161740C; CN1049700C; JP3845805B2; EP0709481A1; EP0709481B1; US5645794A; ES2144113T3; TW420721B; JPH08209298A; CA2161740A1; DE69514755D1; ATE189269T1; CN1129744A

Description

DESCRIÇÃO “AÇO FRACAMENTE LIGADO PARA A FABRICAÇÃO DE MOLDES PARA MATÉRIAS PLÁSTICAS OU PARA BORRACHA” A presente invenção diz respeito à utilização de um aço fracamente ligado para a fabricação de moldes para matérias plásticas ou para borracha.

Os moldes para matérias plásticas ou para borracha são fabricados por maquinagem de blocos de metal maciços cuja espessura pode ultrapassar os 500 mm. A superfície da impressão obtida pela maquinagem é na maior parte dos casos ou polida ou granada quimicamente de modo a conferir aos objectos obtidos por moldagem o aspecto de superfície pretendido. Para reduzir ao máximo o desgaste dos moldes, qualquer ponto da sua superfície deve ter uma dureza elevada compreendida entre 250HB e 400HB e na maior parte dos casos entre 270HB e 350HB. Eles devem ter igualmente um limite de elasticidade o mais elevado possível e uma boa resiliência para resistir aos choques e às deformações.

Como a operação de maquinagem é muito importante, uma vez que ela representa correntemente 70 % do custo total de fabricação do molde, o metal deve ser o mais maquinável possível e, muito frequentemente, a aptidão para a maquinagem nào pode ser obtida por adições clássicas demasiadamente importantes tais como o enxofre ou o chumbo, uma vez que estas adições deterioram a aptidão para o polimento e para a granagem.

Como os moldes são bastante frequentemente reparados por soldadura, o 2 metal utilizado deve igualmente ser o mais soldável possível.

Finalmente, como a moldagem das matérias plásticas ou da borracha se faz a quente, o metal utilizado deve ter uma condutibilidade térmica tão elevada quanto possível de modo a facilitar as transferências térmicas que limitam a produtividade da fabricação de objectos moldados.

Para fabricar os moldes utilizam-se em geral blocos de aço fracamente ligado suficientemente temperável para se obter, após têmpera e revenido uma estrutura martensítica ou martensito-bainítica tendo uma dureza suficiente, um limite de elasticidade elevado e uma boa tenacidade. O aço mais utilizado é o aço P20 de acordo com a norma AISI ou os aços W1.2311 ou W1.2738 de acordo com a norma alemã WERKSTOFF. 0 aço P20 contém, em peso, entre 0,28 % e 0,4 % de Carbono, entre 0,2 % e 0,8 % de Silício, entre 0,6 % e 1 % de Manganês, entre 1,4 % e 2 % de crómio, entre 0,3 % e 0,55 % de Molibdénio, sendo o restante constituído por ferro e por impurezas ligadas à elaboração.

Os aços W1.2311 e W1.2738 contêm, em peso, entre 0,35 % e 0,45 % de Carbono, entre 0,2 % e 0,4 % de silício, entre 1,3 % e 1,6 % de manganês, entre 1,8 % e 2,10 % de crómio e entre 0,15 % e 0,25 % de molibdénio; o aço W 1.2738 contém além disso entre 0,9 % e 1,2 % de níquel, sendo o restante constituído por ferro e por impurezas ligadas à elaboração.

Estes aços têm uma boa resistência ao desgaste, mas têm uma soldabilidade, uma aptidão para a maquinagem, uma tenacidade e uma condutibilidade térmica insuficientes.

Para melhorar a aptidão para a soldadura, propôs-se, no pedido de patente de invenção EP 0 431 557, um aço que contém, em peso, entre 0,1 % e 0,3 % de carbono, menos de 0,25 % de silício, entre 0,5 % e 3,5 % de manganês, menos de 2 % de níquel, entre 1 % e 3 % de crómio, entre 0,03 % e 2 % de molibdénio, entre 0,01 % e 1 % de vanádio, menos de 0,002 % de boro, elemento considerado como sendo uma impureza prejudicial, sendo o resto constituído substancialmente por ferro; a composição deve além disso satisfazer à relação : BH = 326 + 847,3(%C) + 18,3 (%Si) - 8,6 (%Mn) - 12,5 (%Cr) < 460 Tendo em conta esta relação, o teor em Carbono deve permanecer inferior a 0,238 %.

Este aço que tem, evidentemente, uma boa soldabilidade e uma maquinabilidade aceitável apresenta, no entanto, uma condutibilidade térmica insuficiente.

Com efeito, o especialista na matéria escolhe sempre uma análise situada no interior dos limites indicados de modo a obter uma temperabilidade suficiente para poder realizar peças com uma espessura que pode ultrapassar os 400 mm; em particular, os diferentes elementos nunca podem ficar simultaneamente por baixo dos limites. Por esta razão, todos estes aços têm uma condutibilidade térmica inferior a 35 W/m/K e quando, em certos moldes, é necessário ter certas partes cuja condutibilidade térmica é sensivelmente superior, realizam-se as partes correspondentes em liga de Cobre/Alumínio/Ferro cuja condutibilidade térmica é superior a 40 W/m/K. No entanto, esta técnica apresenta o inconveniente de complicar a fabricação dos moldes uma vez que se trata então de objectos 4 compósitos e, além disso, as ligas utilizadas são muito mais caras que o aço. O objectivo da invenção é propor um aço para a fabricação de moldes para matérias plásticas ou para borracha que, ao mesmo tempo que tem pelo menos as mesmas propriedades mecânicas e de aptidão para a maquinagem dos aços conhecidos, tem uma condutibilidade térmica superior a 40 W/m/K de modo a permitir em particular fabricar moldes inteiramente em aço.

Para este efeito, a invenção tem por objecto a utilização, para a fabricação de moldes para matérias plásticas ou para a borracha, de um aço ffacamente ligado cuja composição química compreende, em peso : 0,25 % < C < 0,35 % 1 % < Mn < 2,5 % 0,3 % < Cr < 2,5 % 0,1 % < Mo + W/2 < 0,8 %

Ni < 2,5 % 0 % < V < 0,3 %

Si < 0,5 % 0,002 % < B < 0,005 % 0,005 % < AI < 0,1 % 0%<Ti<0,l % P < 0,02 %

Cu < 2 % eventualmente, pelo menos um elemento tomado entre Nb, Zr, S, Se, Te, Bi, Ca, Sb, Pb, In e Terras raras, em teores inferiores a 0,1 %, sendo o restante constituído por 5 ferro e por impurezas que resultam da elaboração, satisfazendo a composição química, além disso, as relações seguintes : U = 409 (%C) + 19,3[%Cr + %Mo + %W/2 + %V] + 29,4 (%Si) + 10 (%Mn) + + 7,2 (%Ni) < 200 e R = 3,82 (% C) + 9,79 (% Si) + 3,34 (% Mn) + 11,94 (% P) + 2,39 (% Ni) + + 1,43 (% Cr) + 1,43 (%Mo + % W/2) <11,14

De preferência, a composição química do aço é tal que 0,24 % < C < 0,28 % 1 %<Mn< 1,3% 1 % < Cr < 1,5 % 0,3 % < Mo + W/2 < 0,4 % 0,03 % < V < 0,1 %

De preferência, o teor em silício do aço é inferior a 0,1 %.

Ao aço pode, além disso, adicionar-se cobre de modo a obter-se um endurecimento suplementar quando do revenido, devendo então o aço conter entre 0,8 % e 2,5 % de níquel e entre 0,5 % e 2 % de cobre.

De uma maneira geral, a fabricação de moldes para matérias plásticas ou para borracha faz-se por maquinagem de blocos de aço temperados revenidos cuja dureza se encontra compreendida entre 270HB e 350HB.

Vai agora descrever-se a invenção com referência à figura 1 que representa um diagrama de medida de maquinabilidade por perfuração de acordo com o método de Taylor. O aço de acordo com a invenção é um aço fracamente ligado que contém pnncipalmente, em peso : - mais de 0,25 % de C para se obter após têmpera e revenido a mais de 500°C, uma dureza superior a 270HB, e menos de 0,35 % C para não deteriorar demasiadamente a soldabilidade e para limitar a importância das segregações desfavoráveis à maquinabilidade, à capacidade de polimento e à capacidade de formação de grão; de preferência, o teor de carbono deve encontrar-se compreendido entre 0,24 % e 0,28 %. - mais de 1 % de manganês para aumentar a capacidade de têmpera do aço e menos de 2,5 % e de preferência menos de 1,3 % para evitar diminuir demasiadamente a condutibilidade térmica do aço. - mais de 0,3 % de crómio, igualmente para aumentar a capacidade de têmpera e em especial para evitar a formação de fases ferrito-perlíticas desfavoráveis à capacidade de polimento e menos de 2,5 % para não deteriorar a soldabilidade e evitar a formação de uma quantidade demasiadamente importante de carbonetos de crómio desfavoráveis em especial à maquinabilidade; de preferência o teor de crómio deve encontrar-se compreendido entre 1 % e 1,5 %. - mais de 0,1 % e de preferência mais de 0,3 % de molibdénio para aumentar a capacidade de têmpera e para reduzir o amaciamento pelo revenido, mas menos de 0,8 % e de preferência menos de 0,4 % uma vez que, em quantidade demasiadamente grande, o molibdénio forma carbonetos muito duros desfavoráveis à maquinabilidade, e segrega fortemente em veias o que é desfavorável à capacidade de polimento, à capacidade de formação de grãos e pode igualmente gerar rupturas 7 7

das ferramentas no decurso da maquinagem. O molibdénio pode ser substituído total ou parcialmente pelo tungsténio à razão de 2 % de tungsténio para 1 % de molibdénio, se bem que o teor a ter em conta seja Mo + W/2. - entre 0 % e 0,3 % e de preferência entre 0,03 % e 0,1 % de vanádio, para produzir um endurecimento secundário no decurso do revenido. - entre 0,002 % e 0,005 % de boro acompanhado por entre 0,005 % e 0,1 % de alumínio e entre 0 % e 0,1 % de titânio de modo a aumentar signifícativamente a capacidade de têmpera sem deteriorar as outras propriedades. O alumínio e o titânio servem para evitar que o boro se combine com o azoto quase sempre em quantidade tal que é preciso proteger o boro.

Para que estas adições sejam eficazes, quando que o teor de azoto é superior a 50 ppm o teor de alumínio deve ser superior a 0,05 % quando o teor de titânio é inferior a 0,005 %; quando o teor de titânio é superior a 0,015 %, o teor de alumínio pode ser inferior a 0,03 % e de preferência encontra-se compreendido entre 0,020 % e 0,030 %. - menos de 0,02 % de fósforo que é uma impureza ffagilizante.

Além destes elementos principais de composição química, o aço contém ou pode conter elementos tais como o silício, o cobre, o níquel quer a título de impurezas ou a título de elementos de liga complementar. O aço, em especial quando é fabricado a partir de ferragens, contém um pouco de cobre e de níquel. Quando o níquel se encontra em pequena quantidade, o cobre, para teores demasiadamente importantes, cria defeitos quando da laminagem a quente ou do forjamento a quente uma vez que ele fragiliza as juntas de grão. Na δ ausência de adições particulares, os teores de níquel e de cobre permanecem inferiores a 0,5 % cada um.

Pode-se adicionar até 2,5 % de níquel para aumentar a capacidade de têmpera.

Pode-se igualmente adicionar cobre para se produzir um efeito de endurecimento estrutural. Neste caso, o teor de cobre deve encontrar-se compreendido entre 0,5 % e 2 % e ser acompanhado por um teor dè níquel compreendido entre 0,8 % e 2,5 %. A dureza pode igualmente ser ajustada por adições de nióbio em teores inferiores a 0,1 %.

Quando as exigências de aptidão para o polimento e para a granagem o permitirem, pode-se melhorar a maquinabilidade por adições de enxofre, telúrio, selénio, bismuto, cálcio, antimónio, chumbo, índio, zircónio ou terras raras em teores inferiores a 0,1 %.

Os inventores constataram que, neste domínio de composição química, quando : U = 409 (%C) + 19,3 [% Cr + (%Mo + %W/2)) + %V] + 29,4 (%Si) + 10 (% Mn) + + 7,2 (%Ni) < 200 a maquinabilidade é muito sensivelmente melhor que para os aços de tipo P20.

Finalmente, para que a condutibilidade térmica seja suficiente é preciso que : R = 3,82 (%C) + 9,79 (%Si) + 3,34(%Mn) + 11,94(%P) + 2,39(%Ni) + 1,43 (%Cr)+ + 1,43 (%Mo + %W/2) <11,14

De igual modo, a composição química deve ser escolhida de modo que U < 200 e R < 11,14. A condutibilidade térmica é então superior a 40 W/m/K.

Para fabricar um molde, elabora-se um aço cuja composição definida na reivindicação 1 se encontra divulgada no documento IP-A-5 302 117 fazendo eventualmente uma pré-desoxidação com silício, depois uma desoxidação com alumínio e depois uma adição do titânio e do boro. O metal líquido assim obtido é vazado sob a forma de um semi-produto tal como um lingote, uma massa de ferro para laminar ou uma pequena barra.

Volta então a aquecer-se o semi-produto a uma temperatura de preferência inferior a 1300°C e ou forja-se ou então lamina-se para se obter uma barra ou uma chapa! A barra ou a chapa são então submetidas a têmpera para se obter em toda a sua massa uma estrutura martensítica ou martensito-bainítica. A têmpera pode realizar-se quer directamente no calor da brasa de laminagem ou de forjamento se a temperatura de final de laminagem ou de final de forjamento for inferior a 1000°C, ou após austenitização a uma temperatura superior ao ponto Ac3 e de preferência inferior a 1000°C.

Após têmpera ao ar, com óleo ou com água consoante as dimensões, submetem-se as barras ou chapas a um revenido a uma temperatura superior a 500°C e de preferência superior a 550°C de modo a obter-se uma dureza compreendida entre 270HB e 350HB, e de preferência próxima de 300HB, em todos os pontos das barras ou chapas e de tal modo que as contracções internas geradas pela têmpera sejam relaxadas. 10 10

Cortam-se então blocos com a dimensão pretendida que são maquinados de modo em especial a formar a impressão do objecto que se pretende obter por moldação. A superfície da impressão pode ser então submetida a um tratamento de superfície tal como um polimento ou uma granagem para lhe conferir um aspecto de superfície pretendido e eventualmente ser nitrada ou cromada. A título de exemplo, realizaram-se moldes com o aço A de composição : (% em peso) C = 0,25 %

Si = 0,25 %

Mn = 1,1 %

Cr = 1,3%

Mo = 0,35%

Ni = 0,25 % V = 0,04 %

Cu = 0,3 % B = 0,0027 % AI = 0,025 %

Ti = 0,020 % S = 0,001 % P = 0,010%

Realizaram-se blocos com 400 mm de espessura, austenitizados a 900°C durante 1 hora, temperados com água e depois revenidos à temperatura de 550°C

durante 1 hora e arrefecidos ao ar. Obteve-se assim uma estrutura matensito-bainítica com uma dureza compreendida entre 300HB e 318HB em todos os pontos do produto. O limite de elasticidade Re é de 883MPa e a resistência à ruptura Rm de 970MPa, ou seja uma razão Re/Rm próxima de 0,91; a resiliência KCV a +20°C é da ordem de 60 J/cm2. O carbono equivalente deste aço calculado de acordo com a fórmula do IIW.

Ceq = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V) / 5 + (Ni + Cu ) / 15 é :

Ceq = 0,808 o índice BH é : BH = 508 o índice de maquinabilidade é : 1 U= 151 a condutibilidade térmica é : λ = 41 Wm-'Κ·1 A título de comparação, num bloco com as mesmas dimensões realizado com um aço de tipo P20 de composição, C = 0,34 %

Si = 0,45 %

Mn = 0,95 %

Cr =1,85%

Ni = 0,3 % 12

Mo = 0,38 % após austenitização à temperatura de 900°C, têmpera com água e revenido a 580°C durante 1 hora, a dureza era comparável e centrada em tomo de 300HB. O limite de elasticidade Re era de 825 MPa e a resistência à ruptura Rm de 1010 MPa ou seja uma razão Re/Rm próxima de 0,82. A resiliência KCV a +20°C era da ordem de 20 J/cm2. O carbono equivalente era :

Ceq = 0,964 O coeficiente BH : BH = 591 O índice de maquinabilidade : U = 207 A condutibilidade térmica: λ = 35 Wm^K'1 A diferença de índice de maquinabilidade U traduz-se por uma diferença de aptidão para a maquinagem conforme indicado na figura 1 que representa as rectas de Taylor em perfuração para o aço A e para o aço P20 tomado como exemplo. Constata-se nesta figura que para velocidade de corte igual, o comprimento que se pode perfurar no aço A é cerca de 10 vezes mais importante que no aço P20, ou, para um comprimento perfurado igual, a velocidade de corte admissível é 25 % mais importante no aço A do que no aço P20. A capacidade de soldadura era tanto melhor quanto o carbono equivalente ou o coeficiente BH é baixo e constata-se que o aço de acordo com a 13 invenção tem uma melhor capacidade de soldadura que o aço P20.

Constata-se que ao A tem uma condutibilidade térmica 17 % mais elevada que a do aço P20, e além disso tem um limite de elasticidade e uma resiliência nitidamente superior às do aço P20. A título de comparação igualmente, realizou-se um bloco de dimensões comparáveis de aço com a composição : C = 0,17 %

Si = 0,09 %

Mn = 2,15%

Cr = 1,45%

Mo = 1,08% V = 0,55 % B = 0,0007 %

Após austenitização à temperatura de 900°C, têmpera com água e revenido à temperatura de 570°C, o bloco tinha uma dureza próxima de 300HB em toda a massa e : O carbono equivalente era de :

Ceq= 1,144 O coeficiente BH era de : BH = 435 O índice de maquinabilidade U : U = 153 A condutibilidade térmica 14 λ = 35 Wm^K'1

Este aço tem um índice BH melhor que o do aço A mas ele tem um carbono equivalente pior. O seu índice de maquinabilidade é comparável ao do aço A mas a sua condutibilidade térmica é mais baixa do que 15 %.

Fabricaram-se igualmente blocos com 400 mm de espessura de aço B de acordo com a invenção austenitizados à temperatura de 920°C, temperados com água e revenidos à temperatura de 560°C e depois arrefecidos ao ar. A dureza em todos os pontos encontra-se compreendida entre 300HB e 315HB. O limite de elasticidade Re era de 878 MPa, e a resistência à ruptura Rm era de 969 MPa ou seja uma razão Re / Rm de 0,91. A composição do aço era : C = 0,25 %

Si = 0,1 %

Mn = 1,3 %

Cr =1,3%

Mo = 0,4 % V = 0,01% B = 0,0025 % AI = 0,055 % S = 0,002 % P = 0,015 % : Ni = 0,8%

Cu = 0,35 % 15 O carbono equivalente era de : Ceq = 0,83 O coeficiente BH era de : BH =512 O índice de maquinabilidade era de : U= 153 A condutibilidade térmica: λ = 44 Wm-'Κ·1

Este aço, cuja análise se destingue da do aço A principalmente pelo teor de silício e de níquel apresenta as mesmas vantagens que o aço A e, além disso, tem uma condutibilidade térmica bastante melhor.

Lisboa, 30 de Março de 2000

Claims

1 REIVINDICAÇÕES 1. Utilização para a fabricação de um molde para matérias plásticas ou para borracha de um aço cuja composição química consiste, em peso : 0,24 % < C < 0,35 % 1 % < Mn < 2,5 % 0,3 % < Cr < 2,5 % 0,1 % < Mo + W/2 < 0,8 % Ni < 2,5 % 0 % < V < 0,3 % Si < 0,5 % 0,002 % < B < 0,005 % 0,005 % < AI < 0,1 % 0%<Ti<0,l % P < 0,02 % Cu < 2 % eventualmente, pelo menos um elemento tomado entre Nb, Zr, S, Se, Te, Bi, Ca, Sb, Pb, In e Terras raras, em teores inferiores a 0,1 %, sendo o restante constituído por ferro e por impurezas que resultam da elaboração, encontrando-se o teor em Ni compreendido entre 0,8 % e 2,5 % quando o teor em Cu se encontra compreendido entre 0,5 % e 2 %, satisfazendo a composição química, além disso, às relações segumtes : U = 409 (%C) + 19,3[%Cr + (%Mo + %W/2) + %V] + 29,4 (%Si) + 10 (%Mn) + + 7,2 (%Ni) < 200 R = 3,82 (% C) + 9,79 (% Si) + 3,34 (% Mn) + 11,94 (% P) + 2,39 (% Ni) + 1 + 1,43 (% Cr) + 1,43 (%Mo + % W/2) <11,14

2. Utilização para a fabricação de um molde para matérias plásticas ou para borracha de um aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a composição química do aço ser tal que : 0,24 % < C < 0,28 % 1 % < Mn < 1,3 % 1 % < Cr < 1,5 % 0,3 % < Mo + W/2 < 0,4 % 0,03 % < V < 0,1 %

3. Utilização para a fabricação de um molde para matérias plásticas ou para borracha de um aço de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de : Si <0,1 %

4. Utilização para a fabricação de um molde para matérias plásticas ou para borracha de um aço de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo facto de ele conter ainda : 0,8 % < Ni < 2,5 % 0,5 % < Cu < 2 %

5. Utilização para a fabricação de um molde para matérias plásticas ou para borracha de um aço de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo facto de se realizar a fabricação por maquinagem de blocos temperados revenidos com dureza compreendida entre 270HB e 350HB. Lisboa, 30 de fidLrço de 2000

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