PT779375E

PT779375E - Aco para a fabricacao de pecas mecanicas secaveis e peca obtida

Info

Publication number: PT779375E
Application number: PT96402534T
Authority: PT
Inventors: Marc Robelet; Jacques Bellus
Original assignee: Ascometal Sa
Priority date: 1995-12-14
Filing date: 1996-11-26
Publication date: 2000-10-31
Also published as: DE69608773T2; CA2192509A1; EP0779375B1; MX9606392A; NO965318L; PL317455A1; US5769970A; EP0779375A1; ES2148705T3; FR2742448B1; CN1158908A; JPH09176796A; DE69608773D1; GR3034003T3; AR004375A1; NO965318D0; FR2742448A1; BR9606002A; ATE193733T1; PL192823B1

Description

DESCRIÇÃO

“AÇO PARA A FABRICAÇÃO DE PEÇAS MECÂNICAS SECÁVEIS E PEÇA OBTIDA" A presente invenção diz respeito a um aço para a fabricação de uma peça mecânica secável, e em especial para a fabricação de uma biela para um motor de combustão interna.

Algumas peças de mecânica tais como. por exemplo, as bielas de um motor de combustão intema são constituídas por pelo menos dois elementos separáveis associados por meios de fixação tais como parafusos. Estas peças podem ser de ferro fundido, de pó metálico sinterizado e forjado, ou de aço forjado. A invenção refere--se às peças, e em especial às bielas, de aço forjado. O aço que constitui as bielas de aço foijado deve ser foijável, maquinável facilmente e apresentar características mecânicas que permitam garantir uma boa resistência em serviço das bielas. As características mecânicas geralmente requeridas são uma dureza compreendida entre 210 HB e 360 HB e uma resistência à ruptura compreendida entre 650 MPa e 1200 MPa, para se obter uma resistência à fadiga suficiente, e um limite de elasticidade compreendido entre 300 MPa e 800 MPa de modo a evitar as deformações por ultrapassagem do limite de elasticidade. A escolha exacta das características requeridas para uma biela particular destinada a um motor particular depende do desenho da biela e da natureza do motor no qual é incorporada. O aço que a constitui é escolhido em função dessas características mecânicas e do processo de fabricação que comporta, após o forjamento, um arrefecimento controlado destinado a obter uma estrutura ferrito--perlitica que possui as características mecânicas requeridas e uma 2 2V\ maquinabilidade satisfatória. Os aços utilizados são, de uma maneira geral, aços com carbono do tipo XC42 ou aços ffacamente ligados do tipo 45M5, 30MSV6, 38MVS5 (de acordo com a norma francesa). O teor de carbono é escolhido pnncipalmente em função do nível de dureza requerido, e os elementos de liga são adicionados quer para aumentar a temperabilidade do aço a fim de aumentar a proporção de perlite, o que é favorável à maquinibilidade, ou para endurecer a ferrite e melhorar a razão limite de elasticidade sobre a resistência à ruptura. Com esses aços, a separação das diferentes partes da biela só pode fazer-se por maquinagem o que exige uma gama de maquinagem complexa e dispendiosa.

Algumas bielas de ferro fundido ou obtidas por metalurgia dos pós podem ser separadas em dois elementos por uma operação de ruptura frágil segundo um plano pré-determinado. Esta técnica, dita das peças secáveis, apresenta diversas vantagens e, em especial, a de simplificar consideravelmente a gama de fabricação ao suprimir operações de maquinagem, mas tem como contra inconvenientes que resultam da natureza dos materiais utilizáveis. A fim de aproveitar as vantagens da técnica das bielas secáveis para a aplicar às bielas de aço, foi proposto, na patente de invenção US 5 135 587, utilizar um aço cuja composição química compreende, em peso: de 0,6% a 0,75% de carbono, de 0,2% a 0,5% de manganês, de 0,04% a 0,12% de enxofre com Mn/S > 3, sendo o restante constituído por ferro e impurezas; sendo o teor de impurezas inferior a 1,2%, sendo a estrutura praticamente 100% perlitica e encontrando-se o tamanho do grão compreendido entre 3 e 8 ASTM. As impurezas tomadas entre P, Si, Ni, V, Cu, Cr e Mo têm teores individuais de preferência tais que: Ni < 0,2%,

Mo < 0,02%, Cr < 0,1%, Cu < 0,15%, V < 0,035%, 0,15% < Si < 0,35%, e 3 Ρ < 0,03%. Mas este aço, que é do tipo XC70 (de acordo com a norma francesa), apresenta o inconveniente de ter um comportamento irregular quando da operação de ruptura frágil, em especial porque é praticamente impossível controlar industrialmente a proporção de fase pró-eutectóide, a qual pode variar de 0% a 15% em função da análise química exacta do aço e dos meios de fabricação utilizados, o que o toma difícil de utilizar industnalmente, e além disso, só permite obter as características próprias do XC70 o que limita a sua utilização às peças para as quais essas características são adaptadas. O objectivo da presente invenção é remediar esses inconvenientes ao propor um aço que permite obter as características mecânicas requeridas para uma larga gama de aplicações, em especial no domínio das bielas, e uma boa maquinabilidade, ao mesmo tempo que permite realizar a operação de ruptura frágil em condições industriais satisfatórias.

Para esse efeito, a invenção tem por objecto um aço para a fabricação de uma peça de mecânica secável cuja composição química compreende, em peso: 0,25% < C < 0,75%, 0,2% < Si < 1,5%, 0,1% < Mn < 2%, 0% < Ni < 1%, 0% < Cr < 1%, 0% < Mo < 1%, 0% < Cu < 1%, 0% < V < 0,2%, 0,02% < S < 0,35%, 0,04% < P < 0,2%, 0% < AI < 0,005%, 0,005% < N < 0,02%, eventualmente pelo menos um elemento tomado de entre o chumbo, o telúrio e o selénio em teores inferiores a 0,1 %, sendo o resto constituído por ferro e impurezas que resultam da elaboração, sendo o aço eventualmente tratado com cálcio.

De preferência, a composição química do aço satisfaz a pelo menos uma das relações seguintes: 0,06% < P < 0,12%, 0,8% < Si < 1,2%, 0,05% < V < 0,15%. 4 A composição química do aço pode ser tal que: 0,65% < C < 0,75%, 0,25% < Mn < 1%, Ni < 0,15%, Cr < 0,15%, Mo < 0,05%, Cu < 0,35%. A composição química do aço pode igualmente ser tal que: 0,25% < C < 0,5%, Ni < 0,15%, Cr < 0,15%, Mo < 0,05%, Cu < 0,35%, com, de preferência, 0,25% < Mn < 1,3%. A invenção refere-se igualmente à utilização de um aço de acordo com a invenção para a fabricação de uma peça de mecânica que comporta pelo menos dois elementos obtida por ruptura frágil de uma peça em bruto da referida peça, assim como a referida peça. Essa peça pode ser, em especial, uma biela para um motor de combustão interna constituída por exemplo por um aço cuja dureza se encontra compreendida entre 210 HB e 360 HB, a resistência à ruptura se encontra compreendida entre 650 MPa e 1200 MPa, com uma maioria de grãos relativamente grossos, cujo o índice de tamanho ASTM dos grãos austeníticos é inferior a 5, tendo, de preferência, uma estrutura que comporta pelo menos 70% de perlite.

Vai agora descrever-se a invenção de maneira mais precisa mas não limitativa. O aço de acordo com a invenção é um aço de construção mecânica com carbono ou fracamente ligado cuja composição química compreende, em peso: - mais de 0,25% de carbono para permitir obter uma estrutura ferrito-perlítica ou perlítica com uma dureza superior a 210 HB, mas menos de 0,75% de modo a evitar a formação de carbonetos de ferro desfavoráveis à maquinabilidade; - entre 0,04% e 0,2% de fósforo, e de preferência, entre 0,06% e 0,12% a fim de ffagilizar a estrutura, e em particular a ferrite, obtida após forjamento e tratamento térmico; em particular quando a estrutura é essencialmente perlítica, este

teor de fósforo permite obter uma boa reprodutibilidade da ruptura frágil de peças em bruto de peças de mecânica; de preferência, o teor de fósforo deve ser tal que : P > 0,18 - 0,2 x C. Obtém-se assim uma resiliência Kcv inferior a cerca de 7 Joules à temperatura ambiente, necessária para se obter uma boa aptidão à ruptura 100% frágil com uma deformação lateral inferior ou igual a 120 pm, - menos de 0,005% e de preferência menos de 0,003% de alumínio a fim de evitar a presença de inclusões de alumina defavoráveis à maquinabilidade, e igualmente para evitar a formação de mtretos de alumínio que impedem o grão de crescer durante o reaquecimento antes do foijamento, o que é desfavorável à aptidão à ruptura frágil; - entre 0,2% e 1,5% de silício; o silício é um elemento desoxidante que deve ser adicionado em teores superiores a 0,2% para assegurar uma boa desoxidaçâo, mas, para teores mais fortes, este elemento endurece e fragiliza a ferrite o que é favorável a uma boa maquinabilidade; para se obter este efeito favorável, o seu teor pode ser fixado entre 0,8% e 1,2%; - entre 0% e 0,2%, e, de preferência, entre 0,05% e 0,15% de vanádio para endurecer a ferrite e melhorar a razão limite de elasticidade sobre a resistência à ruptura; - entre 0,02% e 0,35%, e, de preferência, entre 0,05% e 0,12% de enxofre para melhorar a maquinabilidade; - eventual mente, pelo menos um elemento tomado de entre o chumbo, o telúrio e o selénio em teores inferiores a 0,1% de modo a melhorar a maquinabilidade, - entre 0,1% e 2% de manganês e de preferência mais de 0,25% a fim de fixar 6 o enxofre sob a forma de sulfuretos de manganês, e neste caso, o teor de enxofre pode ficar limitado a 1%; no entanto, o manganês pode ser igualmente adicionado para aumentar a capacidade de têmpera a fim de baixar a temperatura de início de transformação ferrito-perlítica e assim limitar o teor de ferrite, o que é favorável à maquinabilidade; - eventualmente um ou mais elementos escolhidos de entre o níquel, o crómio, o molibdénio e o cobre, para teores compreendidos entre 0% e 1% a fim de ajustar a capacidade de têmpera; quando esses elementos não são adicionados voluntariamente, eles podem apesar de tudo existir a titulo de resíduos fornecidos pelas matérias primas quando da elaboração, e, nesse caso, os teores de níquel e de crómio são inferiores a 0,15%, o teor de molibdénio é inferior a 0,05% e o teor de cobre é inferior a 0,35%.

Nesta família de aços, pode-se escolher, conforme a utilização pretendida, por exemplo, um aço próximo do entectóide que compreende entre 0,65% e 0,75% de carbono, menos de 1% de silício, entre 0,25% e 1% de manganês, menos de 0,15% de níquel, menos de 0,15% de crómio, menos de 0,05% de molibdénio, menos de 0,35% de cobre e menos de 0,005% de alumínio.

Pode-se igualmente utilizar um aço menos carregado de carbono cuja composição química compreende em especial 0,25% < C < 0,5%, Ni < 0,15%, Cr < 0,15%, Mo < 0,05%, Cu < 0,35%. Este aço pode ser um aço com carbono, caso esse em que ele contém menos de 0,5% de manganês. Mas pode tratar-se igualmente de um aço fracamente ligado com manganês, com silício, ou eventualmente com vanádio. Pode então conter entre 1% e 2% de manganês, e/ou entre 0,5% e 1,5% de silício, e/ou entre 0,5% e 0,2% de vanádio. 7

Para fabricar uma peça secável, aprovisiona-se um pedaço de aço de acordo com a invenção, aquece-se o mesmo a uma temperatura compreendida entre 1100°C e 1300°C de modo, por um lado para a austenitizar, por outro lado para fazer crescer o grão e, finalmente, para lhe conferir a ductilidade necessária ao foijamento, e depois forja-se o mesmo para lhe conferir a forma pretendida; o forjamento termina a uma temperatura superior a 850°C. Directamente após o forjamento, arrefece-se de maneira controlada até à temperatura ambiente, por exemplo num túnel de arrefecimento, com uma velocidade de arrefecimento média entre a temperatura de fim de forjamento e 200°C compreendida entre 0,5°C/'s e 15°C/s. Procedendo deste modo, obtém-se uma estrutura ferrito-perlítica com uma maioria de grãos relativamente grandes, cujo índice de tamanho ASTM do grão austenítico é inferior a 5, contendo menos de 30% de ferrite, tendo as características de dureza e de tracção requeridas, e uma resiliência inferior a 7 Joules à temperatura ambiente. A peça em bruto da peça assim obtida é então maquinada e depois dividida em dois elementos por ruptura frágil produzida por um choque. A título de primeiro exemplo, fabricaram-se bielas mediante utilização de um aço de tipo XC70 cuja composição química compreendia, em peso: C = 0,71%

Si = 0.250%

Mn = 0,8%

Ni = 0,08%

Cr = 0,05%

Mo = 0.01%

Cu = 0,3%

S = 0,07% P = 0,045% A! = 0,002% N = 0,012% sendo o resto constituído por ferro e por impurezas que resultam da elaboração.

Antes do forjamento, aqueceram-se os pedaços de aço à temperatura de 1250°C; a temperatura de fim de forjamento foi de 1000°C. Após forjamento, arrefeceu-se a peça em bruto mediante passagem num túnel de arrefecimento controlado para velocidades de arrefecimento médias compreendidas entre l°C/s e 3°C/s a fim de simular o efeito das dispersões próprias para uma fabricação industrial. As características obtidas foram: estrutura: perlítica com 0% a 15% de ferrite, HB compreendido entre 270 e 310 Rm compreendido entre 900 MPa e 1050 MPa,

Re compreendido entre 500 MPa e 600 MPa,

Kcv inferior a 7 Joules à temperatura ambiente.

Maquinaram-se então as peças em bruto e depois separaram-se em dois elementos por ruptura frágil. Esta separação por ruptura frágil tem lugar sem dificuldades qualquer que seja o teor de ferrite. A título de segundo exemplo, fabricaram-se bielas mediante utilização de um aço do tipo 50M5 cuja composição química compreendia, em peso: C = 0,505%

Si = 0,240% 9

Mn = 1.3%

Ni = 0,11%

Cr = 0,08%

Mo = 0,01%

Cu = 0,32% S = 0,085% P = 0,075% AI = 0,003% N = 0,011% sendo o resto constituído por ferro e por impurezas que resultam da elaboração.

Antes do forjamento, aqueceu-se o pedaço de aço à temperatura de 1250°C; a temperatura de fim de forjamento foi de 1000°C. Após forjamento, arrefeceu-se a peça em bruto mediante passagem num túnel de arrefecimento controlado para velocidades de arrefecimento médias compreendidas entre l°C/s e 6°C/s a fim de simular o efeito das dispersões apropriadas para uma fabricação industrial. As características obtidas foram: estrutura: perlítica com 0% a 20% de ferrite, HB compreendido entre 260 e 300 Rm compreendido entre 860 MPa e 1000 MPa,

Re compreendido entre 400 MPa e 650 MPa,

Kcv inferior a 6 Joules à temperatura ambiente.

Maquinaram-se então as peças em bruto e depois separaram-se todas em dois elementos por ruptura frágil. Esta separação por ruptura frágil tem lugar sem dificuldades qualquer que seja o teor de ferrite. 10 A título de terceiro exemplo, fabricaram-se bielas mediante utilização de um aço do tipo 38MSV5 cuja composição química compreendia, em peso: C = 0,39%

Si = 0,75%

Mn = 1,24%

Ni = 0,13%

Cr = 0,15%

Mo = 0,005%

Cu = 0,2% V = 0,105% S = 0,11% P = 0,103% AI = 0,004% N = 0,009% sendo o resto constituído por ferro e por impurezas que resultam da elaboração.

Antes do forjamento, aqueceu-se o pedaço de aço à temperatura de 1260°C; a temperatura de fim de forjamento foi de 1030°C. Após o forjamento, arrefeceu-se a peça em bruto mediante passagem num túnel de arrefecimento controlado para velocidades de arrefecimento médias compreendidas entre l°C/s e 6°C/s a fim de simular o efeito das dispersões apropriadas para uma fabricação industrial. As características obtidas foram: estrutura: perlítica com 0% a 25% de ferrite, HB compreendido entre 260 e 310 Rm compreendido entre 880 MPa e 1050 MPa, 11

Re compreendido entre 500 MPa e 700 MPa,

Kcv inferior a 6,5 Joules.

Maquinaram-se então as peças em bruto e depois separaram-se todas elas em dois elementos por ruptura frágil. Esta separação por ruptura frágil tem lugar sem dificuldades qualquer que seja o teor de ferrite.

Estes exemplos mostram que com os aços de acordo com a presente invenção é possível fabricar de maneira fiável bielas secáveis e mais geralmente peças secáveis tendo estruturas de tipo ferrito-perlítica fáceis de maquinar a baixa velocidade e com elevada velocidade de corte.

Lisboa, 18 de Julho de 2000

Claims

1 REIVINDICAÇÕES 1. Aço para a fabricação de uma peça de mecânica secável, caracterizado pelo o facto de a sua composição química compreender, em peso: 0,25% < C < 0,75% 0,2% < Si < 1,5% 0,1% < Mn <2% 0% < Ni < 1% 0% < Cr <1% 0% < Mo < 1 % 0% < Cu < 1% 0% < V < 0,2% 0,02% < S < 0,35% 0,04% < P < 0,2% 0% < AI < 0,005% 0,005% < N < 0,02% - eventualmente pelo menos um elemento escolhido de entre o chumbo, o telúrio e o selénio em teores inferiores a 0,1 %, sendo o restante constituído por ferro e por impurezas que resultam da elaboração, sendo o aço eventualmente tratado com cálcio. 2. Aço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a sua composição química ser tal que: 0,06% <P <0,12% 3. Aço de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 2, 2 2

caracterizado pelo facto de a sua composição química ser tal que: 0,8% < Si < 1,2% 4. Aço de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo facto de a sua composição química ser tal que: 0,05% < V <0,15% 5. Aço de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo facto de a sua composição química ser tal que: 0,65% < C < 0,75% 0,25% < Mn < 1% Ni <0,15% Cr <0,15% Mo < 0,05% Cu < 0,35% AI < 0,005% 6. Aço de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo facto de a sua composição química ser tal que. 0,25% < C < 0,5% Ni <0,15% Cr <0,15% Mo < 0,05% Cu < 0,35% 7. Aço de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo facto de a sua composição química ser tal que. I 3 0,25% < Μη < 1,3%

8. Utilização de um aço de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 7, para a fabricação de uma peça de mecânica que comporta pelo menos dois elementos obtida por ruptura frágil de uma peça em bruto.

9. Utilização de um aço de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo facto de a peça ter uma estrutura ferrito-perlítica.

10. Peça de mecânica que comporta pelo menos dois elementos obtida por ruptura frágil de uma peça em bruto, e em especial uma biela por exemplo para um motor de combustão interna, caracterizada pelo facto de ser constituída por um aço de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 7.

11. Peça de acordo com a reivindicação 10, caracterizada por o facto de o aço que a constitui ter uma dureza compreendida entre 210 HB e 360 HB, uma resistência à ruptura compreendida entre 650 MPa e 1200 MPa, e uma maioria de grãos cujo o índice de tamanho ASTM de grão austenítico é inferior a 5.

12. Peça de acordo com a reivindicação 10 ou a reivindicação 11, caracterizada pelo facto de o aço que a constitui ter uma estrutura que comporta pelo menos 70% de perlite.

1 RESUMO “AÇO PARA A FABRICAÇÃO DE PEÇAS MECÂNICAS SECÁVEIS E PEÇA OBTIDA” Aço para a fabricação de uma peça mecânica secável cuja composição química compreende, em peso: 0,25% < C < 0,75%, 0,2% < Si < 1,5%, 0,1% < Mn < 2%, 0% < Ni < 1%, 0% < Cr < 1%, 0% < Mo < 1%, 0% < Cu < 1%, 0% < V < 0,2%, 0,02% < S < 0,35%, 0,04% < P < 0,2%, 0% < AI < 0,005%, 0,005% < N < 0,02%; eventualmente pelo menos um elemento escolhido de entre o chumbo, o telúrio e o selénio em teores inferiores a 0,1%, sendo o restante constituído por impurezas que resultam da elaboração, sendo o aço eventualmente tratado com cálcio. Utilização do aço para a fabricação de uma peça secável e peça obtida. Lisboa, 18 de Julho de 2000 k?dçde Industrial

i&aa dc SaEftrc, 195, r/c-Brt. 1251) LISBOA 7/ f fl O Agente Cíic;