PT777752E

PT777752E - Processo para a fabricacao de perfis de aco de elevada resistencia com pelo menos uma aba

Info

Publication number: PT777752E
Application number: PT95923960T
Authority: PT
Inventors: Hugh M Gallagher Jr
Original assignee: Cons Metal Products Inc
Priority date: 1994-07-15
Filing date: 1995-06-16
Publication date: 2001-12-28
Also published as: BR9508280A; US5454888A; JPH10502706A; KR100386389B1; WO1996002675A1; DE69522228D1; JP4049809B2; KR970704893A; DE69522228T2; MX9700410A; EP0777752B1; JP2007332464A; DK0777752T3; AU697328B2; EP0777752A1; CA2194067C; CA2194067A1; ES2160711T3; ATE204341T1; AU2865395A

Description

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Descrição “Processo para a fabricação de perfis de aço estruturais de elevada resistência com pelo menos uma aba” A presente invenção refere-se a um processo para a fabricação de componentes estruturais de aço de elevada resistência e, mais particularmente, refere-se a um processo no qual se molda a quente uma peça em bruto, de aço de elevada resistência, para obter um componente estrutural que possui a configuração da secção transversal desejada, mantendo no entanto as propriedades de elevada resistência de aço em bruto.

Fundamento da invenção

As peças e componentes estruturais de aço de elevada resistência têm, até agora, sido moldadas utilizando técnicas de foijamento a frio ou foijamento a quente, que são bem conhecidas na técnica, no forçamento ou laminagem a quente do aço, o material é inicialmente aquecido até cerca de 1 100°C (2 000°F) e superiores. A estas temperaturas de moldação a quente, pode verificar-se uma descamação e uma descaburação substanciais do aço, Para muitas aplicações as superfícies descamadas e descaburadas têm de ser removidas, para obter o componente ou a peça acabados, resultando das técnicas de modelação conhecidas o desperdício de uma certa quantidade de material; além disso, tais técnicas são dispendiosas, devido ao maior número de passos do processamento, requeridos para a remoção da crosta, e um maior consumo de energia devido às temperaturas elevadas.

Por outro lado, há também inconvenientes na modelação a frio de peças e de componentes estruturais. Como o componente ou a peça são formados à temperatura ambiente, ou próximo da mesma, os passos de remoldação e moldação exigem forças substancialmente maiores. Isso exige frequentemente uma série de passos de modelação a frio, nos quais o material é sequencialmente levado à forma desejada. Isso aumenta o desgaste das matrizes e o ruído associado com tais processos. Além disso, se o material for trabalhado num grau substancial, numa série de estádios de modelação, aumenta-se a resistência do componente ou da peça, sendo necessário que sejam sujeitos a um recozimento entre as sucessivas operações de modelação a frio, para reduzir as tensões internas, o que aumenta o tempo consumido e os custos desses processos.

Para evitar os inconvenientes anteriores, pode utilizar-se o forjamento a quente para formar componentes e peças estruturais a partir de materiais, a uma temperatura intermédia, suficientemente elevada para reduzir a resistência do material, facilitando desse modo a modelação, mas ainda inferior à temperatura de foijamento a quente à qual se verifica a descamação e a descarburação. Apresenta-se um tal processo de modelação a quente na patente US 3 557 587. Certas outras patentes publicam processos que incluem passos de laminagem e extrusão, efectuados a temperaturas “quentes”, de modo a evitar os inconvenientes da descarburação e escamação e/ou para produzir ou melhorar as características metalúrgicas do aço. Ver as patentes US 2 767 836, 2 767 837, 3 076 361, 3 573 999 e “Warm Working of Steel”, Gokyu et al., tradução do Japonese Institute of Metal, 1968, Vol. 9, Supplement, p. 177-181.

Além disso, há outros processos conhecidos para a dobragem ou o foijamento de barras, barretas ou varões de aço, para formar um produto desejado, incluindo esses processos um passo de modelação a quente ou de forjamento a quente. Ver as patentes US 2 953 794, 3 720 087, 3 877 281, 4 312 210, 4 317 355, 4 608 851 e 4 805 437. Não é feita qualquer representação em qualquer das referências atrás citadas que representem de qualquer modo a técnica anterior ou que tais referência sejam as referências mais materiais. A patente US 5 094 698 descreve um processo para a fabricação de peças de aço de elevada resistência a partir de peças em bruto de material de aço de elevada resistência de pelo menos 800 N/mm2 e uma resistência à deformação de pelo menos 600 N/mm2. A peça em bruto é modelada a quente, para proporcionar uma peça com a configuração geométrica desejada. As propriedades mecânicas da peça são substancialmente as mesmas que as da peça em bruto sem qualquer passo de processamento de aumento da resistência. O material de aço de elevada resistência é constituído, em peso, por 0,30% a 0,65% de carbono, 0,30% a 2,50% de manganês e até 0,35% de vanádio, sendo o restante ferro. O pedido de patente internacional WO 95/02 705 (publicado em 26 de Janeiro de 1995) apresenta um processo que difere do da patente US 5 094 698 por o material de aço compreende adicionalmente alumínio e/ou nióbio e/ou titânio.

Nas páginas 901-909 de “Making, Shaping amd Treating of Steel”, por WT. Lankford et al., lth Edition, descreve que são formadas vigas com abas, por laminagem de pegas em bruto aquecidas até 1232°C (2 250°F).

Tem faltado até ao presente um processo para a fabricação de um componente estrutural de aço a partir de uma peça em bruto de aço que possua as desejadas propriedades de elevada resistência, método que incluísse um passo de modelação a quente, de modo que a peça em bruto seja modelada com a forma desejada e de modo que as propriedades mecânicas do componente estrutural se 4

mantivessem iguais ou superiores às possuídas originalmente pela peça em bruto, e no qual o componente fosse produzido sem passos adicionais de aumento da resistência, para lhe conferir propriedades de resistência mecânica. A presente invenção dirige-se a um processo para a fabricação de um componente estrutural, de aço de elevada resistência, com uma configuração uniforme da secção transversal, que inclui pelo menos uma aba com uma espessura menor que toda a dimensão periférica da referida configuração da secção transversal, compreendendo o material de aço de elevada resistência, em percentagens em peso:

Carbono 0,30 a 0,65%

Manganês 0,30 a 2,5% pelo menos um afinador do grão escolhido no grupo formado por alumínio, nióbio, titânio e vanádio e misturas dos mesmos, numa quantidade eficaz para a afinação do grão e 0,03 a 0,35% ferro o restante consistindo a peça em bruto num material de aço de alta resistência, com uma resistência à tracção de pelo menos 827 N/mm2 (120 000 psi) e uma resistência à deformação de pelo menos 621 N/mm2 (90 000 psi) e sendo modelado a quente, a 149°C-649°C (300 - 1 200°F), para proporcionar o componente estrutural com propriedades mecânicas de resistência à tracção e resistência à deformação, substancialmente iguais ou maiores que as do material em bruto, e sendo as referidas propriedades mecânicas de resistência à tracção e de resistência à deformação obtidas sem passos adicionais de processamento para aumento da resistência. O processo da presente invenção é utilizável para a produção de uma ampla variedade de componentes estruturais de aço de elevada resistência a partir de peças em bruto, de aço de elevada resistência. Em particular, componentes de aço de alta resistência com secção transversal de configuração uniforme em todo o seu comprimento. Por exemplo, componentes estruturais com a forma em O, L, C, Z, T, I, U, V e outros componentes susceptíveis de modelação pelo processo de foqamento ou modelação a quente aqui apresentado. O teimo “peça em bruto” aqui usado tem o seu significado usual, isto é, uma peça de metal para ser modelada a quente, para obter um componente acabado, com a configuração geométrica desejada. As peças em bruto incluem peças de metal tais como arames, barras, varões e troços cortados dos mesmos (isto é, uma peça de aço comprida, em proporção com a sua largura e a sua espessura). Uma peça em branco diferencia-se de um componente estrutural por um componente estrutural ter pelp menos uma aba incluída na configuração da sua secção transversal. A aba é um componente que tem uma espessura menor que a dimensão exterior total da configuração da secção transversal e proporciona uma capacidade de suporte de carga mais elevada ao componente estrutural. É conhecido utilizar o alumínio, o nióbio, o titânio e o vanádio, como afinadores de grão, no tratamento do aço termicamente a temperaturas elevadas. Uma designação colectiva apropriada para os mesmos é, por conseguinte, a de “afinadores de grãos ferrosos”, e é a que aqui será usada.

Os princípios da presente invenção, os seus objectivos e vantagens serão melhor compreendidos com referência à seguinte descrição de pormenor.

Descrição de pormenor da invenção

Distingue-se aqui uma peça em bruto de um componente estrutural pelo facto de o componente estrutural ser alongado e ter uma secção transversal uniforme, que inclui pelo menos uma aba. A aba é um componente que tem uma espessura menor que a dimensão exterior total da configuração da secção transversal (isto é, a largura, a altura ou o diâmetro exterior do componente estrutural). A aba distingue-se do componente estrutural proveniente de uma peça em bruto por a aba proporcionar ao componente uma maior capacidade de suporte de cargas. Por outras palavras, o componente estrutural tem uma maior capacidade de suporte de cargas com a aba do que um componente sem aba, com a mesma composição do material e as mesmas propriedades do componente estrutural. A carga pode ser axial, como no caso de uma carga aplicada de topo, lateral, como no caso de uma carga aplicada de lado, ou qualquer outro tipo de carga aplicada ao componente estrutural. A aba é formado integral, contínuo ou descontinuamente, relativamente ao restante do componente estrutural. São exemplos de abas descontínuas as porções superior e inferior de uma viga em I, relativamente à porção central, ou de cada uma das pernas de uma asna em L, em relação à outra pema da asna. Um exemplo de uma aba contínua é qualquer cordão, ou porção da configuração da secção transversal de um componente estrutural aberto em O. Exemplos de componentes estruturais com pelo menos uma aba são componentes com formas em O, L, C, Z, I, T, U, V e W.

Numa forma de realização preferida, o processo da presente invenção para a fabricação de componentes estruturais de aço de alta resistência inclui a provisão de uma peça em bruto de material de aço de alta resistência, com uma microestrutura de ferrite-perlite e uma resistência à tracção de pelo menos cerca de 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. 621 N/mm2 (90 000 psi) e, de preferência, pelo menos cerca de 896 N/mm2 (130 000 psi). Numa forma, o material de aço de alta resistência utilizado na peça em bruto foi reduzida a quente e estirada a frio, para proporcionar a peça em bruto com as propriedades mecânicas de resistência à tracção e resistência à deformação atrás referidas. O material de aço de alta resistência pode ser exemplificado pela composição seguinte, expressa em % em peso:

Carbono cerca de 0,30% acerca de 0,65%

Manganês cerca de 0,30% a cerca de 2,5% pelo menos um afinador do grão de ferro, retirado do grupo de alumínio, nióbio e titânio e suas misturas, sós ou com vanádio numa quantidade efectiva, até cerca de 0,35%

Ferro o restante.

Numa forma mais preferida, o material de aço de alta resistência tem a seguinte composição, em % em peso:

Carbono cerca de 0,40% a cerca de 0,55%

Manganês cerca de 0,30% a cerca de 2,5% pelo menos um afinador do grão de ferro, retirado do grupo de alumínio, nióbio e titânio e suas misturas, sós ou com vanádio numa quantidade efectiva até cerca de 0,20%

Ferro o restante.

Numa forma ainda mais preferida, o material de aço de alta resistência tem a composição seguinte, em % em peso:

Carbono cerca de 0,50% a cerca de 0,55%

Manganês cerca de 1,20% a cerca de 1,65% 8 Ρ pelo menos um afinador do grão do ferro, retirado do grupo constituído por alumínio, nióbio e titânio e suas misturas, sós ou com vanádio, numa quantidade efectiva de cerca de 0,03% a cerca de 0,20%

Ferro o restante.

Deve compreender-se que as composições listadas e reivindicadas aqui podem incluir outros elementos que não têm qualquer impacto na prática da presente invenção. A peça em bruto, com a composição e as propriedades mecânicas de resistência à tracção e resistência à deformação dadas anteriormente, é depois disso modelada a quente, a uma temperatura de cerca de 150°C a 650°C (300°F a cerca de 1 200°F), para proporcionar um componente estrutural com a configuração geométrica desejada, de modo que as propriedades mecânicas de resistência à tracção e de resistência à deformação do componente estrutural sejam substancialmente iguais ou maiores que as da peça em bruto. A temperatura à qual se modela o componente estrutural está relacionada com a composição química do material de aço usado. O componente estrutura modelado, com as propriedades mecânicas de resistência à tracção e de resistência à deformação, é produzido sem quaisquer passos de processamento para aumento da resistência subsequentes à sua modelação a quente. A peça em bruto de material de aço de alta resistência com uma resistência à tracção de pelo menos cerca de 827 N/mm2 (120 000 psi) e uma resistência à deformação de pelo menos 612 N/mm2 (90 000 psi), que é usada como peça inicial no processo de acordo com a invenção, é produzida por qualquer processo conhecido na técnica apropriado. Um tal processo está descrito na patente US 3 904 445, do presente inventor, incorporando-se aqui, por referência, a respectiva memória descritiva. A patente ‘445 descreve uma sequência de processamento para produzir um material em barra de aço de alta resistência, do tipo particularmente utilizável para a produção de ligadores de fixação roscados, incluindo as cavilhas e, U. No processo descrito, o material de barras produzido tem uma estrutura de grão fino, entre cerca de ASTM N.° 5 e 8. No processo descrito, sujeita-se um aço com uma composição que se situa num dos intervalos apresentados, a uma operação normalizada de redução pelo calor, até um calibre dentro do intervalo de 10% - 15% do calibre final. O material de barra reduzido a quente é depois cortado em troços individuais, para um arrefecimento rápido no ar. Depois disso, os troços individuais de material reduzido pelo calor são sujeitos a um acabamento a frio para obter o calibre final. O passo final é uma redução controlada das tensões, para aumentar as propriedades de resistência mecânica. Este passo de redução das tensões compreende o aquecimento dos troços de material de barra até uma temperatura entre cerca de 260°C a 454°C, durante cerca de 1 hora, podendo este passo ser ou não ser necessário. Assim, um tal material de barra, com ou sem redução ulterior das tensões, pode ser usado para formar o material em peça em bruto inicial, de aço de alta resistência. O exemplo seguinte ilustra a prática da presente invenção, para produzir um componente estrutural a partir de material em barra de alta resistência produzido de acordo com o processo apresentado na patente US 3 904 445, atrás descrito.

Exemplo

Um material de viga I de aço 1552, de alta resistência, tem a composição seguinte, em peso:

Carbono 0,52%

Manganês 1,43% Fósforo 0,009%

Enxofre 0,017%

Silício 0,22%

Vanádio 0,075%

Crómio 0,05%

Molibdénio 0,01%

Ferro

Restante

Uma acção central do material tinha uma espessura de 0,450 cm (0,177”) e cada aba, superior e inferior, tinha uma espessura de cerca de 0,407 cm (0,16”). A altura total da viga I do material inicial era 6,71 cm (2,64”) e a largura total era igual à largura de cada aba, especialmente 4,636 cm (1,825”). Um filete de 0,318 cm (0,125”) unia cada uma das faces da secção central de cada aba. A matéria prima da viga I foi seccionada em troços de cerca de 0,305 cm (1 pé). Ensaiou-se o material inicial, para determinar a resistência à íracção 911 N/mm2 (133 000 psi) e a resistência à deformação 610 N/mm2 (89 000 psi).

Aqueceu-se o material da viga I a 425°C (800°F) e fez-se a sua extrusão através de uma matriz inclinada, com uma força de 290 KN (65 000 libras), para moldar a quente um componente estrutural na forma de uma viga I acabada. A viga I modelada a quente tinha uma largura total de 4,636 cm (1,825”) e uma altura total de 6,71 cm (2,64”). Uma secção central da viga I tinha a espessura de 0,41 cm (0,16”) e estendia-se entre duas abas, superior e inferior, afastadas, com a espessura de 0,394 cm (0,155”). Portanto, a espessura de cada aba (0,394 cm - 0,155”) é menor do que 11

a dimensão exterior total da viga, isto é, a largura (4,636 - 1,825”) ou a altura (6,71 cm - 2,64”). Formou-se um filete com um raio de 0,316 cm (0,125”), em cada face da união entre a secção central ou alma e as abas superior e inferior. Ensaiou-se a viga I modelada a quente, que tinha uma resistência à tracção de 970 N/mm2 (141 600 psi) e uma resistência à deformação de 80 N/mm2 (117 300 psi).

As propriedades mecânicas de resistência à tracção e de resistência à deformação do componente estrutural da viga I acabada são maiores que as possuídas originalmente pela matéria prima e portanto não são necessários passos adicionais de processamento para aumentar a resistência. O componente acabado tem também a propriedade mecânica de ductilidade, suficiente originalmente possuída pelo material original ou lingote para que possa geralmente eliminar-se a necessidade de passos adicionais de processamento para melhorar a tenacidade. No entanto, para certas utilizações do componente estrutural de viga I, pode ser necessário um passo de redução das tensões.

Em comparação com os processos anteriores que usavam um processo de tratamento térmico (isto é, austenitização, endurecimento por arrefecimento rápido e têmpera), especialmente quando fosse usado o tratamento térmico depois da modelação a frio, para produzir as propriedades mecânicas de alta resistência do componente, os componentes estruturais acabados, feitos de acordo com a presente invenção, têm maior probabilidade de consistentemente ter as propriedades mecânicas dentro de um intervalo mais apertado. Assim, a presente invenção tem maior probabilidade de produzir consistentemente componentes estruturais de aço de maior resistência, dentro de um intervalo mais estreito.

Assim, de acordo com outras características da presente invenção o processo 12 proporciona a modelação a quente de uma peça em bruto para obter um componente estrutural, de modo que as propriedades mecânicas de resistência à tracção e à deformação podem ser substancialmente iguais ou melhores que as da peça em bruto.

Lisboa, 27 de Setembro de 2001

O Agente Oíicial da Propriedade industrial

Una do Salitre, 195. r/e-Drí.

Claims

1 7% Reivindicações 1. Processo para a fabricação de um componente estrutural, de aço de alta resistência, com uma configuração com secção transversal uniforme, que inclui pelo menos uma aba, com uma espessura inferior à dimensão total do perímetro da referida configuração da secção transversal, a partir de uma peça em bruto, que tem uma configuração da secção transversal semelhante, compreendendo o material de aço de alta resistência, em percentagens em peso: Carbono cerca de 0,30% a cerca de 0,65% Manganês cerca de 0,30% a cerca de 2,5% pelo menos um afinador do grão de ferro, retirado do grupo de alumínio, nióbio e titânio e suas misturas, numa quantidade efectiva para a afinação do grão de cerca de 0,03% a 0,35% Ferro o restante, no qual a peça em bruto consiste num material de aço de alta resistência com uma resistência à tracção de pelo menos 827 N/mm2 (120 000 psi) e uma resistência à deformação de pelo menos 621 N/mm2 (90 000 psi), para proporcionar ao componente estrutural as propriedades mecânicas de resistência à tracção e resistência à deformação, substancialmente iguais ou superiores às da peça em bruto, no qual as referidas propriedades mecânicas de resistência à tracção e de resistência à deformação são obtidas sem passos adicionais de processamento para aumentar a resistência.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, no qual o material de aço de elevada resistência não foi previamente reduzido nem estirado a frio para proporcionar a peça em bruto. 2

3. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1 ou 2, no qual o material de aço de elevada resistência tem uma resistência à tracção de pelo menos 1 034 N/mm2 (150 000 psi) e uma resistência à deformação de pelo 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 peso: Carbono 0,40% a 0,55% Manganês 0,30% a 2,5% Alumínio e/ou nióbio e/ou Titânio e/ou vanádio 0,03% a 0,20% Ferro o restante.

5. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, no qual o material de aço de elevada resistência compreende, em peso: Carbono 0,50% a 0,55% Manganês 1,20% a 1,65% Alumínio e/ou nióbio e/ou Titânio e/ou vanádio 0,03% a 0,20% Ferro o restante.

6. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, no qual a modelação a quente é feita a uma temperatura entre 148,9°C e 648,9°C (300°F a 1 200°F).

7. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, no qual a configuração da secção transversal uniforme é escolhida do grupo constituído pelas formas em L, C, Z, I, T, U, V ou W. 3 > *

8. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, no qual a peça em bruto de material de aço de alta resistência tem uma microestrutura de ferrite-perlite. Lisboa, 27 de Setembro de 2001 O Agopte Oficial da Propriedade industriai

Rr.a do Salitre, 195. r/c-Drt-1269-963 LISBOA