WO2014008564A1

WO2014008564A1 - Aços especiais; processo criogênico para sua obtenção; uso de aços especiais em ambiente salino e/ou de alta pressão

Info

Publication number: WO2014008564A1
Application number: PCT/BR2013/000242
Authority: WO
Inventors: De Carvalho Eduardo Atem; DE CARVALHO Rogério ATEM
Original assignee: De Carvalho Eduardo Atem; Atem De Carvalho Rogerio
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2014-01-16
Also published as: BR112015000470A2; BR102012016870A2; BR112015000470B1

Abstract

A presente invenção proporciona aços especiais e processos para obtenção de melhoradas propriedades mecânicas, incluindo tensão de ruptura, tensão de escoamento, módulo de tenacidade e dureza. A invenção é particularmente útil a aços SAE 4140, que mediante processos de tratamento criogênico, adquirem melhoradas propriedades desejáveis ao uso na produção peças e/ou equipamentos submetidos a condições extremas, como ambientes salinos e/ou de altas pressões. A invenção proporciona aumento na Tensão de Escoamento de cerca de 8% e Aumento na Tenacidade em cerca de 53%. A invenção proporciona o aumento de propriedades que são fundamentais para o desempenho de peças e estruturas já projetadas, permitindo seu emprego em e condições mais severas e/ou profundidades maiores.

Description

Relatório Descritivo de Patente de Invenção

Aços ESPECIAIS; PROCESSO CRIOGÊNICO PARA SUA OBTENÇÃO; Uso DE Aços ESPECIAIS EM AMBIENTE SALINO E/OU DE ALTA PRESSÃO Campo da Invenção

A presente invenção pertence ao campo da engenharia de materiais e/ou de metalurgia. São revelados aços especiais e processos para obtenção de melhoradas propriedades mecânicas, incluindo tensão de ruptura, tensão de escoamento, módulo de tenacidade e dureza. A invenção é particularmente útil a aços carbono com composição típica 0.4 C, 0.87 Mn, 0.95 Cr, 0.20 Mo, 0.04 max S, que mediante processos de tratamento criogênico, adquirem melhoradas propriedades desejáveis ao uso na produção peças e/ou equipamentos submetidos a condições extremas, como ambientes salinos e/ou de altas pressões.

Antecedentes da Invenção

Historicamente, o tratamento criogênico tem sido aplicado a aços com objetivos de aumentar sua dureza e resistência à abrasão, sendo conhecidas as transformações metalúrgicas ocorridas mediante este tipo de tratamento.

A utilização de aços a temperaturas abaixo de 0^°C para melhoria das propriedades não é uma prática recente. Segundo Rick Frey (1986), os antigos fabricantes suíços expunham os componentes de seus relógios às severas temperaturas do inverno nos Alpes, com o objetivo de melhorar suas propriedades. Atualmente, os processos criogênicos são usados em vários campos da ciência e em diversas aplicações, como na medicina (Criobiologia), física (Supercondutores), dentre outros. Nas últimas décadas, um grande interesse tem sido demonstrado pelo efeito de baixas temperaturas no tratamento térmico dos aços, particularmente dos aços para ferramentas. Alguns dados da literatura indicam que a vida das ferramentas de corte e outros componentes podem aumentar significativamente após os mesmos serem submetidos ao tratamento térmico sub-zero (abaixo de 0°C). Nestes casos, diferentemente dos revestimentos, o tratamento térmico é aplicado em todo o volume e não apenas superficialmente, o que garante a manutenção de suas propriedades após reafiação.

O tratamento térmico em temperaturas abaixo de zero é um processo geralmente suplementar ao processo de tratamento térmico convencional em aços. Consiste no resfriamento do material a temperaturas extremamente baixas, o que afeta todo o volume do material e não apenas sua superfície, induzindo a transformação de fase e precipitação da fase martensítica, sendo geralmente usado anteriormente ao tratamento de revenimento. A forma de passagem de calor é do tipo sólido-sólido. Esse tipo de tratamento possibilita, entre outros aspectos, uma maior estabilidade dimensional e maior resistência à fadiga.

Os processos de tratamento encontrados na literatura são bastante variados. Eles são diferenciados principalmente pela temperatura, tempo de tratamento e formas de resfriamento. Collins (1996), entre outros autores, adotou a classificação do tratamento criogênico em duas categorias, tendo como referência faixas de valores da temperatura de tratamento preestabelecidas. São elas:

1 - Tratamento sub-zero: temperaturas até - 80 °C, em média.

2- Tratamento criogênico: temperaturas próximas à do nitrogénio líquido, cerca de -196 °C.

No âmbito patentário, foram localizados alguns documentos apenas parcialmente relevantes ao contexto da presente invenção, sendo descritos a seguir.

O documento US 5,259,200 descreve um processo para tratamento de artigo de metal com intuito de melhoria de propriedades como resistência ao impacto, estabilidade e dureza. Em uma realização, o processo compreende imergir o artigo de metal, que está inicialmente em temperatura ambiente, em nitrogénio líquido, por período de tempo definido como igual ou maior a seção transversal mínina vezes dez minutos. O artigo de metal é então retirado do contato com o material criogênico e posto em contato com fluxo de ar para o aumento gradual da temperatura por período de tempo definido como igual ou menor que dez minutos somados dez minutos pela mínima seção transversal em polegadas; o referido fluxo de ar deve ser suficiente para aumentar a temperatura do material de 1 °F por minuto. O referido documento US 5,259,200 não sugere ou cita tratamento de têmpera anterior ao tratamento criogênico; adicionalmente sugere tratamento térmico após tratamento criogênico a temperatura máxima de 500 °F (260 °C).

O documento US 2006/207690 descreve um aço tratado termicamente tendo microdureza na faixa de 60 HRC a 67 HRC a uma profundidade da superfície do aço até 6% da espessura da peça e com 36%, em volume, de austenita retida convertida em martensita. O documento adicionalmente descreve método para produção de pinos de aço compreendendo as etapas de: cementar o aço em atmosfera de 1 % de carbono ou maior em uma temperatura de 1550°F a 1750°F; resfriamento rápido em óleo do aço até temperatura ambiente, temperar o aço a uma temperatura de 375 °F ou menos; tratar o aço criogenicamente a uma temperatura de -300 °F ou inferior; temperar o aço a uma temperatura de 375 °F ou menos. O método é reivindicado para tratamento de pinos de corrente AISI 60 e o tratamento criogênico tem por objetivo transformar austenita revenida em martensita. O referido documento US 2006/207690 reivindica processo no qual o aço é inicialmente cementado e posteriormente temperado a 375°F (191 °C), e então é realizado tratamento criogênico por 24 horas; adicionalmente obtém aço com dureza de 60 HRC a 67 HRC.

O documento US 201 1/226386 descreve um aço no qual a composição em peso: C de 0,18% a 0,30%; CO de 1 ,5% a 4%; Cr de 2% a 5%; Al de 1% a 2%; além de elementos adicionais e adicionalmente descreve processo de produção de peça com o referido aço. O processo de produção de peça com o referido aço compreende: têmpera a uma faixa de temperatura de 600 °C a 675 °C por período de 4 horas a 20 horas e posterior resfriamento em ar; tratamento em solução em temperatura da faixa de 900^QC a 1000°C por período de 1 hora e posterior resfriamento rápido em óleo ou ar com intuito de evitar precipitação de carbetos intergranulares; endurecimento por precipitação a uma faixa de temperatura de 475 °C a 600 °C por período de 5 horas a 20 horas; tratamento criogênico a uma temperatura de -50 °C ou menor para transformação de austenita em martensita por período de 4 horas a 50 horas e posterior recozimento em faixa de temperatura de 150 °C a 200^QC pó período de 4 horas a 16 horas, seguido de resfriamento ao ar. O documento US 201 1/226386 propõe método criogênico a temperatura de cerca de -50^QC, podendo então ser considerado apenas tratamento sub-zero, além de reivindicar o tratamento criogênico a temperatura limite de -1 10°F(-79°C).

O documento US 2011/232809 descreve aço inoxidável endurecido por precipitação com uma liga que compreende, por peso: Cr de 14% a 16%; Ni de 6% a 8%; Cu de 1 ,25% a 1 ,75%; Mo de 1 ,5% a 2,0%; C de 0,001 % a 0,025%. O referido aço possui microestrutura e resistência a tração de ao menos 1 100 MPa e tenacidade ao teste Charpy com entalhe em V de 69J. A microestrutura inclui martensita e não mais de 10% de austenita. O método de produção do aço compreende: aquecer a liga a uma temperatura suficiente para solubilização dos elementos de liga a uma faixa de temperatura de 1850°F a 1950°F; resfriar a liga a uma temperatura criogênica a uma temperatura da faixa de -120°F a -350°F; proceder com endurecimento por precipitação a uma faixa de temperatura de 1000°F a 1100°F. O referido documento US 2011/232809 descreve método onde o aço é inicialmente aquecido a cerca de 1900°F, e após o tratamento criogênico, o aço é aquecido a cerca de 1050°F.

O documento WO 00/06960 descreve processo de tratamento de artigo de metal compreende etapa de tratamento criogênico a uma faixa de temperatura de -120°F ou menos por um período de, ao menos, 10 minutos, posteriormente submetendo o material a têmpera e posterior processo de nitretação na superfície do artigo para formação de nitretos na referida superfície. O objetivo é obter aço com propriedades superiores de lubricidade resistência a abrasão e/ou dureza, essencialmente mantendo as propriedades de ductilidade do metal. O referido documento WO 00/06960 propõe método no qual é realizado tratamento criogênico, posterior têmpera e então nitretação do material.

Os documentos antecedentes apresentados acima não citam e/ou sugerem um processo de tratamento térmico de aços com faixas de temperatura e faixas de tempo conforme serão descritas na presente invenção.

Do que se depreende da literatura pesquisada, não foram encontrados documentos antecipando ou sugerindo os ensinamentos da presente invenção, de forma que a solução aqui proposta, aos olhos dos inventores, possui novidade e atividade inventiva frente ao estado da técnica.

Sumário da Invenção

A presente invenção proporciona aços especiais, processos para a obtenção de melhoradas propriedades mecânicas de aços e seus usos. Os aços da invenção apresentam melhorada tensão de ruptura, tensão de escoamento, módulo de tenacidade e dureza quando comparados aos aços convencionais, como aços SAE 4140, Aços Carbono 0.4 C, 0.87 Mn, 0.95 Cr, 0.20 Mo, 0.04 max S. O processo da invenção compreende de tratamento criogênico controlado e específico a aços, proporcionando aos mesmos algumas propriedades desejáveis ao uso na produção peças e/ou equipamentos submetidos a condições extremas, como ambientes salinos e/ou de altas pressões.

A presente invenção proporciona uma série de vantagens, incluindo: melhoria de propriedades mecânicas; aumento da resistência mecânica; redução de material gasto na fabricação de peças; redução no teor da austenita retida; provoca precipitação de carbonetos; altera a morfologia da martensita, de martensita com interstícios tetraédricos para martensita com interstícios octaédricos. A invenção proporciona aumento na Tensão de Escoamento de cerca de 8% e Aumento na Tenacidade em cerca de 53%. A invenção proporciona o aumento de propriedades que são fundamentais para o desempenho de peças e estruturas já projetadas, permitindo seu emprego em e condições mais severas e/ou profundidades maiores. É, portanto, um objeto da presente invenção um processo de tratamento térmico para aços compreendendo as etapas de:

a) tratamento térmico de têmpera;

b) tratamento térmico com resfriamento;

c) imersão em material criogênico;

d) retorno à temperatura ambiente;

e) tratamento térmico de revenimento.

Em uma realização preferencial o tratamento térmico de têmpera ocorre a 850 ^SC por 25 minutos.

Em uma realização preferencial o tratamento térmico de têmpera compreende imersão em óleo à temperatura ambiente por 10 minutos.

Em uma realização preferencial o tratamento térmico com resfriamento ocorre a -82 ^QC por 48 horas.

Em uma realização preferencial o mergulho em material criogênico ocorre a -198 ^gC por 72 horas.

Em uma realização preferencial o revenimento ocorre a 200 ^SC por 25 minutos.

Em uma realização preferencial o aço tratado é SAE 4140.

É, adicionalmente, um objeto da presente invenção o uso de tratamento para aços empregados na produção de equipamentos utilizados em ambientes salinos e/ou ambientes de alta pressão.

Em uma realização preferencial o aço é empregado na produção de equipamentos utilizados em ambiente marinho.

Estes e outros objetos da invenção serão imediatamente valorizados pelos versados na arte e pelas empresas com interesses no segmento, e serão descritos em detalhes suficientes para sua reprodução na descrição a seguir. Breve Descrição das Figuras

Figura 1 representa gráfico tensão versus deformação (convencionais), onde: (A) representa o aço como recebido, (B) tratamento térmico convencional, (C) resfriamento a - 82 ^SC e (D) tratamento criogenico.

Figura 2 representa as curvas dos três tratamentos testados e do material como recebido, onde: (E) representa o tratamento resfriado, (F) representa o tratamento criogenico, (G) representa o tratamento convencional e (H) aço como recebido. (I) delimita a deformação de 0,2%. TRC representa a Tensão Real Calculada, em MPa.

Descrição Detalhada da Invenção

A presente invenção proporciona aços especiais, processos para a obtenção de melhoradas propriedades mecânicas de aços e seus usos. Os aços da invenção apresentam melhorada tensão de ruptura, tensão de escoamento, módulo de tenacidade e dureza quando comparados aos aços convencionais, como os aços SAE 4140. O processo da invenção compreende de tratamento criogênico controlado e específico a aços, proporcionando aos mesmos algumas propriedades desejáveis ao uso na produção peças e/ou equipamentos submetidos a condições extremas, como ambientes salinos e/ou de altas pressões

O processo da invenção compreende tratamento criogênico de aços, proporcionando melhoria de propriedades mecânicas como tensão de ruptura, tensão de escoamento, módulo de tenacidade e dureza, embora não seja restrito à melhoria de tais propriedades. O processo da presente invenção compreende as seguintes etapas:

a) tratamento térmico de têmpera;

b) tratamento térmico com resfriamento;

c) imersão em material criogênico;

d) retorno à temperatura ambiente;

e) tratamento térmico de revenimento. Em uma realização preferencial o tratamento térmico de têmpera ocorre a 850 ^QC por 25 minutos.

Em uma realização preferencial o mergulho em material criogênico ocorre a -198 ²C por 72 horas.

Em uma realização preferencial o revenimento ocorre a 200 ^QC por 25 minutos.

Em uma realização preferencial o aço tratado é SAE 4140.

Material criogênico

Na presente invenção, entende-se por material criogênico qualquer material, fluido ou sólido que seja inerte e estável a temperaturas criogênicas.

Os aços SAE 4140 são, preferencialmente, utilizados em construções mecânicas nas quais se requer temperabilidade média, alta resistência e grande tenacidade, podendo ser aplicado, mas não restrito a: virabrequins, bielas, braços, juntas, eixos, engrenagens, parafusos de alta resistência, peças para equipamento de perfuração.

Adicionalmente, a presente invenção proporciona o uso de aços tratados com o tratamento térmico criogênico para produção de peças e/ou equipamentos utilizados em ambientes de alta pressão e/ou ambientes de alta salinidade, especialmente ambiente marinho em altas profundidades.

A alteração nos valores de determinadas propriedades mecânicas é obtida através da modificação na estrutura interna do aço. Os aços da presente invenção tem minimizado teor de austenita retida, uma vez que o processo da invenção, entre outros efeitos, transforma a austenita em martensita, causa a precipitação de carbonetos; altera a morfologia da martensita de martensita com interstícios tetraédricos para martensita com interstícios octaédricos.

As mudanças microestruturais dos aços da invenção, obtidas em decorrência do processo da invenção resultam em diferentes efeitos. O processo da invenção proporciona a minimização do teor da austenita retida devido à diminuição da temperatura do material até temperaturas próximas do fim de transformação martensítica (M_f). Outro fenómeno provocado pelo processo da invenção é a precipitação de carbonetos, que são responsáveis pelo aumento da dureza e resistência ao desgaste dos componentes processados.

O tratamento criogênico profundo não deve ser confundido com o sub- zero, pois o primeiro se realiza a temperaturas muito mais baixas. O tratamento sub-zero é realizado a temperaturas na ordem de -80 °C, utilizando metanol, gelo seco ou freon, sendo a peça submersa nesses fluidos, objetivando a estabilização da martensita e a transformação da austenita retida após a têmpera. Entretanto esse processo é limitado em -80 °C e não alcança a linha M_f de alguns aços, sendo impossível a transformação completa da austenita em martensita. No tratamento sub-zero é possível observar um aumento da dureza, redução da tenacidade, estabilidade dimensional e pequeno aumento, em alguns casos, na resistência ao desgaste (Canale et al, 2008).

Grande parte da austenita retida é transformada em temperaturas entre - 1 10°C e 80 °C e apenas uma pequena quantidade se transforma entre -196°C e -1 10°C (Mariante, 1999). Assim, o tratamento sub-zero diminui substancialmente a quantidade de austenita retida em relação ao tratamento térmico convencional a baixas temperaturas.

O tratamento criogênico profundo é realizado a temperaturas próximas ao nitrogénio líquido (-196⁹C), e não só transforma a austenita retida em martensita como também altera a morfologia da martensita com interstícios tetraédricos para martensita com interstícios octaédricos. Então, após o tratamento criogênico, uma grande quantidade da austenita retida é transformada em martensita e subsequentemente decomposta. Ao revenir esta martensita tratada criogenicamente, ocorre a precipitação de finos carbonetos com uma distribuição mais homogénea na martensita revenida, o que produz maior resistência e tenacidade na matriz martensítica, aumentando, assim, a resistência ao desgaste (Collins, 1997; Yun, 2008). Concretizações Preferenciais

A presente invenção será exemplificada seguir a partir da aplicação do processo da invenção para a melhoria de propriedades mecânicas do aço SAE 4140, sendo descrita as etapas e a comparação dos resultados obtidos. Para tanto, foram realizados testes mecânicos comparativos para comprovação das características obtidas após o tratamento.

Tratamentos térmicos aplicados nas amostras

Para se identificar corretamente as modificações ocorridas nas propriedades mecânicas do material estudado, foram feitos 3 tratamentos térmicos diferentes, como descritos a seguir.

Dos 15 corpos de prova iniciais, 3 foram removidos do suporte para serem analisados em outros ensaios, os quais não foram contemplados por este estudo, sendo os 12 corpos de prova restantes divididos em 2 lotes, distribuídos da seguinte forma:

· O primeiro lote, com 6 amostras, foi separado para sofrer revenimento, como na sequência de tratamento térmico convencional.

• O segundo lote, também com 6 amostras, foi então submetido aos tratamentos térmicos de resfriamento e tratamento criogênico.

Tratamento térmico convencional

No tratamento térmico dito convencional, todas as amostras, tanto para metalografia, quanto para ensaios de tração, foram inicialmente submetidas à têmpera, permanecendo por 25 minutos com a temperatura de 850 ^QC. O forno foi aberto e todos os suportes contendo os corpos de prova foram imediatamente imersos em óleo de têmpera. Os suportes foram continuamente agitados por cerca de 10 minutos e depois deixados dentro de uma bandeja para escoamento do óleo e retorno à temperatura ambiente. Após isto, aguardou-se até que os outros 6 corpos de prova recebessem os novos tratamentos térmicos aqui abordados, para que todos fossem revenidos juntos.

O revenimento consistiu na permanência por 25 minutos a uma temperatura de 200 ^SC, seguido do desligamento do forno. O resfriamento natural do forno ocorreu e 24 horas depois as amostras foram removidas para teste.

Tratamento de resfriamento

As amostras do segundo lote foram resfriadas a -82 ^QC por 48 horas dentro de um freezer forma scientific - 72 horizontal e então 3 amostras deste lote foram colocados em uma caixa de isopor e deixadas até retornarem naturalmente à temperatura ambiente.

Tratamento criogênico

As últimas 3 amostras foram imersas em nitrogénio líquido por 72 horas (dentro do container Locator 8 Termoonline) após o resfriamento, a uma temperatura de -198 ²C, e depois deixadas também em caixa térmica para que retornassem suavemente em temperatura ambiente.

Revenimento das amostras

Conforme já descrito, todos os 12 corpos de prova foram novamente reunidos e sofreram revenimento a 200 ^QC por 25 minutos. O forno foi desligado e amostras retiradas do forno no dia seguinte.

Em todas estas etapas descritas, os ensaios metalográficos das amostras receberam exatamente o mesmo tratamento, de forma que a avaliação de sua microestrutura pudesse ser ligada à das propriedades mecânicas macroscópicas.

Das cabeças dos corpos de prova foram retiradas as amostras para medidas de dureza. O método a ser empregado foi o Brinell, com conversão por fórmulas/tabelas para Rockwell C.

Comportamento Geral das curvas de Tensão x Deformação

Dois corpos de prova de cada tratamento térmico estudado (como recebido, convencional, resfriado e criogênico) foram submetidos a ensaio de tração. Uma vez que o corpo de prova estava fixado, um extensômetro tipo "clip gage" era fixado na região de teste. Desta forma foi possível registrar para cada teste a deformação verdadeira, a carga aplicada e o deslocamento do travessão. Após o carregamento atingir um valor de máximo e começar a cair consistentemente (detectado automaticamente pela máquina de ensaio) indicando o início da estricção, o equipamento parava e o "clip-gage" era removido, e o ensaio então prosseguia até a ruptura final do corpo de prova.

As curvas Tensão Convencional x Deformação Convencional foram obtidas simplesmente dividindo-se o carregamento pela área resistente inicial. Para a deformação, dividiu-se o deslocamento pelo comprimento inicial da seção útil (L₀). A Erro! Fonte de referência não encontrada, apresenta estas curvas selecionadas, onde pode se notar claramente o efeito dos tratamentos criogênicos no material. O Módulo de Tenacidade (UT), representado pela área abaixo da curva de tensão x deformação, aumenta quando o material é submetido ao resfriamento, mas o tratamento criogênico praticamente dobra o valor em relação ao tratamento convencional. Pode-se observar também que o Coeficiente de Encruamento (n) diminui nos casos de resfriamento e tratamento criogênico estudados, enquanto o Coeficiente de Resistência (k) aumenta visivelmente, duas propriedades desejáveis para o aumento da vida útil dos materiais. O colapso da seção resistente (estricção) ocorre em pontos bem distintos de deformação nos três tratamentos aqui descritos, ainda que as tensões nas quais ocorram sejam próximas para o tratamento de resfriamento e de criogenia.

Módulo de elasticidade

O Módulo de Elasticidade (E) obtido pela inclinação da parte linear das curvas de carregamento é listado na Tabela 1.

Tabela 1 - Valores obtidos para Módulo de Elasticidade.

Tratamento Térmico E (Gpa)

Como recebido (1 ) 200

Como recebido (2) 198

Convencional (1 ) 208

Convencional (1 ) 97

Resfr. e Revenimento (1 ) 200

Resfr. e Revenimento (2) 197

Criogênico (1 ) 199 Criogênico (1 ) 198

Média 198

Literatura 195≤ E < 200

Obs.: Média exclui valor do ensaio convencional (1 ).

Pode-se notar, com exceção do primeiro corpo de prova que recebeu o tratamento térmico convencional, que todos os outros valores apresentaram pequena variação, a qual se situou dentro dos limites indicados na literatura para este material.

Tensão de escoamento e limite de proporcionalidade

Estas duas propriedades têm como característica a necessidade de definição de um critério para a determinação das mesmas, já que em materiais dúcteis não existem limites claros para elas. A Tensão de Escoamento (a_esc) é determinada pelo ponto de interseção entre a curva de tensão x deformação e uma reta paralela à sua porção linear e que dista 0,2% da origem do eixo das deformações.

O limite de proporcionalidade é definido pelo último ponto da porção elástica da curva de Tensão x Deformação. No caso de um teste realizado pela máquina Instron equipada com célula de carga de 100 kN, tem-se uma incerteza associada à medida que é de ± 2 N. Isto significa que qualquer valor situado neste intervalo pode ser o verdadeiro. Desta forma, tem-se que o último valor linear pode estar em qualquer ponto que diste até 4 N da porção reta. Este critério foi usado para se determinar o Limite de Proporcionalidade medido. A tabela apresenta os valores obtidos neste estudo.

Tabela 2 - Tensão de Escoamento (o_eSc) e Limite de Proporcionalidade (σ_ρΓορ)

Tratamento Térmico a_esc (Mpa) a_Prop (Mpa)

Como recebido (1 ) 710 410

Como recebido (2) 710 420

Convencional (1 ) 1570 1228

Convencional (1 ) 1560 1 165 Resfr. e Revenimento (1 ) 1700 1 129

Resfr. e Revenimento (2) 1690 1084

Criogênico (1 ) 1700 1077

Criogênico (1 ) 1700 1 176

A Erro! Fonte de referência não encontrada, apresenta os resultados para os três tratamentos, agora superpostos, além do limite que define a tensão de escoamento (0,2 %). Estas curvas foram geradas até o limite de cerca de 3% de deformação, como forma de proteger o sensor de deformação que mediu os valores das deformações. Quando este valor era atingido, interrompia-se o teste e removia-se o sensor. O tratamento convencional, como apresentado na curva G, apresentou um pequeno patamar logo após o inicio do escoamento. Depois disto, os mecanismos concorrentes, presentes na deformação de materiais dúcteis, definem o comportamento da curva. O resfriamento a -82^eC eliminou qualquer vestígio do patamar de escoamento, mas elevou consideravelmente a tensão durante a fase de deformação elasto- plástica. Os corpos de prova submetidos ao tratamento criogênico apresentaram comportamento bastante semelhante aos puramente resfriados, nesta fase do teste, mas divergiram fortemente a partir do início da fase elasto- plástica. A Erro! Fonte de referência não encontrada, apresenta superpostas as curvas dos 3 tratamentos, na qual se pode notar com mais clareza os efeitos aqui descritos.

Tensão máxima e de ruptura

A partir dos valores gravados pela máquina Instron para carga máxima e no momento da ruptura, pode-se calcular os valores das Tensões Máxima (Omax) e de Ruptura (a_rupt) , como sumarizado na Tabela 3.

Tabela 3 - Tensão Máxima Real e de Ruptura medidas nos corpos de prova.

Tratamento Térmico a_max (Mpa) o_rUpt (Mpa)

Como recebido (1 ) 1030 1431

Como recebido (2) 1033 1298 Convencional (1 ) 1890 2227

Convencional (1 ) 1907 2413

Resfr. e Revenimento (1 ) 2180 2918

Resfr. e Revenimento (2) 2142 2804

Criogênico (1 ) 2142 2895

Criogênico (1 ) 2163 2814

Literatura 1020 1020

A Tensão Máxima é obtida quando se passa pelo ponto de máximo do carregamento, o qual é imediatamente anterior ao início da estricção e, portanto, da queda da carga. Esta tensão é definida como sendo a carga máxima dividida pela área inicial. A Tensão de Ruptura é obtida dividindo-se a última carga registrada antes da quebra do corpo de prova pela área definida após a remoção do corpo de prova da máquina, medindo-se o diâmetro da área reduzida pela estricção. Este valor é meramente formal, já que assume um estado de tensões uniaxial, o que não é verdadeiro quando existe a estricção.

Ensaios de dureza

Após a realização dos ensaios de tração, foi retirada uma amostra com cerca de 10 mm de comprimento de uma das cabeças de cada corpo de prova representativo dos tratamentos térmicos. O corte foi feito com disco diamantado e refrigerado, evitando-se assim alterar propriedades do material devido ao procedimento de corte.

A Tabela 4 apresenta os valores encontrados usando-se um durômetro com penetrador tipo Brinell. Para comparação foi feita uma conversão para valores aproximados na escala Rockwell C.

Tabela 4 - Dureza Brinell medida e convertida para Rockwell C.

Tratamento HB HB med. RC med.

221 , 218

Como Recebido 232, 241 226 20 234, 210

481

Convencional 482 482 49

483

470

Resfriamento 473 472 48

474

495

Criogênico 496 496 50

497

Observa-se que praticamente não houve mudança na dureza das amostras e, portanto, o tratamento não teve influência nesta propriedade. Em geral, segundo a literatura, a dureza é uma propriedade que é pouco afetada pelo tratamento criogênico, geralmente em valores de 2 a 3 pontos na escala HRC.

Os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados e poderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outros variantes, abrangidos no escopo das reivindicações anexas.

Claims

Reivindicações

Aços ESPECIAIS; PROCESSO CRIOGENICO PARA SUA OBTENÇÃO; USO DE AÇOS ESPECIAIS EM AMBIENTE SALINO E/OU DE ALTA PRESSÃO 1 . Processo de tratamento criogenico de aços caracterizado por compreender as etapas de:

a) tratamento térmico de têmpera;

b) tratamento térmico com resfriamento;

c) imersão em material criogênico;

d) retorno à temperatura ambiente;

e) tratamento térmico de revenimento.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo tratamento térmico de têmpera ocorrer na faixa de temperatura de 600 °C a 1000°C por ao menos 25 minutos.

3. Processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo tratamento térmico de têmpera compreender imersão em óleo a temperatura ambiente por ao menos 10 minutos.

4. Processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por resfriamento ocorrer na faixa de temperatura de -50°C a -140°C por ao menos 48 horas.

5. Processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por tratamento criogênico ocorrer na faixa de temperatura de -150°C a -250 °C por ao menos 72 horas.

6. Processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo material criogênico ser nitrogénio líquido.

7. Processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por revenimento ocorrer na faixa de temperatura de 150^0 a 500 °C por ao menos 25 minutos.

8. Aço com melhoradas propriedades mecânicas, caracterizado por ser obtido pelo processo da reivindicação 1.

9. Uso de aços obtidos de acordo com o processo descrito na reivindicação 1 , caracterizado por ser para a produção de peças e/ou equipamentos utilizados em ambientes salinos e/ou ambientes de alta pressão.

10. Uso de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo ambiente salino e/ou de alta pressão compreender ambiente marinho.