PT1129803E - Material preparado pela metalurgia dos pós com isotropia melhorada das propriedades mecânicas - Google Patents

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DESCRIÇÃO EPÍGRAFE: "MATERIAL PREPARADO PELA METALURGIA DOS PÓS COM ISOTROPIA MELHORADA DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS" O invento refere-se a um processo para o fabrico, pela metalurgia dos pós de isotropia melhorada das características mecânicas, de material largo e raso em aço ledeburitico com secção transversal rectangular ou elíptica rasa, especialmente material de partida para o fabrico de ferramentas de corte, ferramentas de cunhagem e ferramentas deformadoras, em cujo processo o pó de uma liga atomizado com nitrogénio é introduzido numa cápsula, comprimido, e esta fechada, eventualmente após uma evacuação, após o que ocorrem um aquecimento e uma prensagem isostática (HIP) da cápsula de pó, e a peça em bruto fabricada desta forma sujeita a prensagem isostática a temperaturas elevadas, é submetida a uma deformação por forjadura e/ou laminagem.

Na solidificação de ligas ocorrem, na maioria das vezes, separações da mistura, cuja compensação ou dissolução não é possível através de difusão em aços ledeburíticos. 0 tamanho das fases, nomeadamente grãos, separados da massa fundida, depende aqui do tempo de formação, nomeadamente tempo de solidificação.

Em aços ledeburíticos para ferramentas, fabricados usualmente por meio de fundição de lingotes, por exemplo, podem existir, no estado de fundição, carburetos de cálcio 1 primários grossos e uma rede de carburetos de cálcio. Caso estas peças de fundição ou lingotes sejam submetidos a uma deformação a quente, as caracteristicas mecânicas do material são, de facto, melhoradas, mas a extensão da melhoria depende, contudo, do sentido da sujeição de esforços. É aqui perfeitamente possível que, através de ensaios de flexão por choque, transversalmente ao sentido da deformação, se determinem apenas 25 a 30% dos valores de trabalho de flexão por choque em comparação com aqueles medidos no sentido da deformação. Esta dependência do sentido da tenacidade do material pode ser explicada no material fabricado usualmente com uma estrutura celular de carbureto de cálcio pronunciada, também demonstrável microscopicamente. A fim de obter caracteristicas mecânicas isotópicas do material, desenvolveu-se o processo para o fabrico pela metalurgia dos pós de peças a trabalhar. Ocorreu aqui uma separação de um caudal metálico líquido, especialmente através de correntes de gás com elevada velocidade e energia, em pequenas gotas, a seguir ao que as pequenas gotas solidificam em pouco tempo. Em cada um dos grãos de pó com um diâmetro em regra inferior a 0,3 mm, as fases de estrutura criadas são distribuídas de forma homogénea e muito finas devido ao tempo de solidificação extremamente curto. O pó obtido desta forma é então introduzido numa cápsula, sendo esta fechada e posteriormente exposta a temperaturas elevadas e a pressão elevada por todos os lados, ligando-se os grãos de pó metalicamente, nomeadamente sendo o pó soldado ou sinterizado. Este processo é designado de prensagem isostática a temperaturas elevadas (HIP).

Um material de partida fabricado deste modo pela metalurgia dos pós (material PM) pode ser cementado sem 2 deformação, ou deformado para elevação das características mecânicas.

Através da DE 3726447 A tornou-se conhecido um processo para o fabrico de PM com base em ligas de alumínio de têmpera por precipitação e/ou de têmpera por dispersão, no qual a peça prensada elaborada isostaticamente a uma temperatura de 400 a 450°C é submetida a uma deformação termomecânica.

Em peças em aços para ferramentas ricos em carbureto de cálcio, espera-se, através do fabrico de PM, uma microestrutura fina homogénea, o que é confirmado através de constituintes estruturais, que apresentam os carburetos de cálcio de tamanho reduzido e uniforme quase perfeitamente distribuídos de forma homogénea, e, com base nesta estrutura, nenhuma dependência de sentido das características mecânicas no material deformado digna de referência. Foram já relatadas as diferenças de tenacidade do material no sentido da deformação e transversalmente a este, importando estas diferenças, contudo, em no máximo 8 a 20%, e tendo sido, até á data, essencialmente atribuídas ao teor não possível de ser evitado de influências não metálicas e a uma assim chamada estrutura fibrosa.

Ferramentas de corte e ferramentas de cunhagem fabricadas pela metalurgia dos pós, tais como matrizes, moldes e similares, com secção transversal rectangular rasa demonstraram, na prática, possuir em parte uma vida útil reduzida, ocorrendo danos completamente imprevisíveis através de ruptura das ferramentas. Foram feitas extensas investigações das características mecânicas, especialmente dos esforços principais no que se refere á resiliência do material de partida, as chamadas barras largas e rasas. Os ensaios foram aqui feitos na barra no sentido longitudinal, sentido transversal e sentido da espessura, e os ensaios com o sentido 3 respectivamente orientado foram feitos com choques causadores de ruptura com 90° entre si. A marcação e a posição dos ensaios devem ser vistas na tabela seguinte e na Fig. 1. Significam: L-S Ensaio no sentido longitudinal, choque sobre o lado raso no sentido da espessura L-T Ensaio no sentido longitudinal, choque sobre o lado estreito no sentido da largura T-L Ensaio no sentido da largura, choque sobre o lado frontal no sentido longitudinal T-S Ensaio no sentido da largura, choque sobre o lado raso no sentido da espessura S-L Ensaio no sentido da espessura, choque sobre o lado frontal no sentido longitudinal S-T Ensaio no sentido da espessura, choque sobre o lado estreito no sentido da largura

Investigações no material de partida largo e raso (380 x 55 mm) em aço rápido (HS 6-5-3) revelaram o seguinte resultado em % comparativamente ao trabalho de choque no ensaio L-S. L-S 100% H 1 100% to 1 H 80% 1 H 80% CQ 1 H 25% S-L 25% A extremamente reduzida tenacidade à rotura por flexão do material de partida largo e raso fabricado pela metalurgia dos pós no sentido da espessura era completamente inesperada para o mundo cientifico, mas explicava as rupturas das ferramentas anteriormente referidas. Em investigações cientificas foi 4 desenvolvido um assim chamado modelo de fibras, cuja eficácia se baseia em defeitos de ligação e separações da mistura na superfície de separação das partículas atomizadas e deformadas. A isto opõe-se, contudo, uma uniformidade absoluta e uma pureza do material de partida pelo processo de atomização e processo HIP, que não deixa esperar e não deixa reconhecer uma estrutura fibrosa na matriz em regra corroída escura para apresentação da disposição do carbureto de cálcio e do tamanho do carbureto de cálcio.

Noutros ensaios microscópicos foram encontradas áreas de estrutura com diferente corrosão em comparação com as restantes áreas do material de partida, que suportam a teoria das fibras. Não foi possível de demonstrar matalograficamente uma estrutura com grãos grosseiros adaptados ao processo de deformação. 0 invento tem, pois, como objectivo criar um processo do tipo inicialmente descrito, através do qual é possível alcançar uma isotropia melhorada das características

mecânicas, especialmente um aumento da resiliência e tenacidade à rotura por flexão no sentido da espessura de material de partida largo e raso, de peças a trabalhar PM deformadas.

De acordo com o presente invento o objectivo é alcançado na medida em que uma peça em bruto é elaborada com uma forma da secção transversal rectangular ou elíptica rasa e submetida a uma deformação, de forma a que nesta a diferença entre a deformação no sentido da largura e a deformação no sentido da espessura da secção transversal dos material largo e raso importa, no máximo, em 2 vezes, preferencialmente das 1,5 vezes, o grau inferior de deformação.

De acordo com o presente invento, o objectivo acima referido é também alcançado se a peça em bruto sujeita a 5 prensagem isostática a temperaturas elevadas for submetida, no sentido da extensão longitudinal, a uma deformação por esforço de recalcamento com um grau de recalcamento mínimo duplo, a seguir ao que ocorre uma deformação por estiragem da peça em bruto recalcada mediante ausforming do material de partida largo e raso.

Um outro caminho para atingir o objectivo inicialmente referido consiste no facto de a peça em bruto sujeita a prensagem isostática a temperaturas elevadas ser submetida a um recozido isotérmico por difusão com uma temperatura máxima de 20°C abaixo da temperatura solidus da liga e a uma duração mínima do recozer de 4 horas, depois do que através de deformação por estiragem esta será laminada e /ou forjada num material de partida largo e raso. A vantagem do processo de acordo com o presente invento deve ser vista especialmente no facto de a eficácia das áreas no material que influenciam negativamente as características de tenacidade ser diminuída. O aparecimento destas áreas não está ainda cientificamente esclarecido, e também não pode ser mostrada com segurança a razão pela qual estas zonas do material influenciam negativamente as características mecânicas, na medida em que nestas áreas ou zonas, que num ensaio de polimento são causticadas mais escuras, existe uma estrutura globulítica de carbureto de cálcio mais fina.

Todavia, caso, tal como está previsto no presente invento, a peça em bruto seja fabricada com uma forma da secção transversal, que na deformação seguinte exija uma diferença dos graus de deformação no sentido da largura e no sentido da espessura de, no máximo, o dobro, existem nestes sentidos pequenas variações da característica mecânica, e são alcançados valores do trabalho de flexão por choque consideravelmente mais elevados do que aqueles existentes numa 6 peça a trabalhar não deformada e sujeita a prensagem isostática a temperaturas elevadas.

Quando, de acordo com o invento a peça em bruto sujeita a prensagem isostática a temperaturas elevadas é submetida a uma deformação por recalcamento à temperatura de forja, a seguir ao que ocorre o assim chamado estirar ou estiragem da peça forjada recalcada, na qual é produzido um perfil largo e raso, os valores para o trabalho de flexão por choque do material de partida no sentido transversal e no sentido da espessura do perfil são, tal como foi descoberto, essencialmente igualmente altos e são aproximadamente 80% dos valores, que se verificam no sentido longitudinal do material de partida.

Caso, tal como previsto numa outra forma de execução do invento, a peça em bruto prensada isostaticamente ou peça em bruto para forja pouco deformada for sujeita a um recozido isotérmico por difusão, a seguir ao que ocorre a deformação final, alcançam-se, de acordo com o presente invento, especialmente num material de partida largo e raso, elevados valores de tenacidade do material também no sentido da espessura.

Os processos de acordo com o presente invento solucionam o problema de uma anisotropia substancial no material de partida largo e raso fabricado pela metalurgia dos pós, especialmente em aços ledeburíticos com esta forma da secção transversal, e aumentam muito genericamente a qualidade de produtos fabricados desta forma. A vantagem do material de partida justifica-se essencialmente pelo facto de as ferramentas fabricadas a partir deste serem menos sensíveis ao entalhe, suportando, por isso esforços muito superiores e cargas tipo choque. Assim, são, por exemplo, fabricadas do lado frontal de um material de partida largo e raso, de fabrico tradicional e de fabrico de 7 acordo com o presente invento, matrizes de prensagem a quente, e ensaiadas na utilização prática. A vida útil da ferramenta em material tradicional era extremamente curta, ocorrendo após 33 prensagens com choque uma quebra de uma parte saliente do perfil, não sendo detectável qualquer outro tipo de desgaste ou abrasão. A matriz fabricada do mesmo modo para o mesmo produto a partir de material de partida largo e raso fabricado de acordo com o presente invento através de semelhantes deformações do material no sentido da largura e no sentido da espessura, atingiu mais de 3000 prensagens, após o que a ferramenta foi retirada por desgaste abrasivo.

Em seguida, o invento é explicado com base em exemplos retirados de ensaios de material.

De uma massa fundida com uma composição em % do peso de C=l,3, Si=0,63, Mn=0,24, S=0,013, P=0,019, Cr=3,83, 0=4,87, W=6,11, V=3,03, Co=0,40, Cu=0,013, Sn=0,011 foi fabricado, pelo processo de atomização de gás com nitrogénio, pó com um tamanho médio do grão de 0,09 mm.

Foi fabricado material de partida com o formato de 550 mm quadrado e 800 x 220 mm pelo processo HIP, após o que ocorreu por um lado uma deformação directa de um material quadrado e de um material rectangular num corte transversal da barra de 550 x 100 mm. Um outro material de partida quadrado foi recozido durante 43 horas antes da deformação a uma temperatura de 38°C abaixo da temperatura solidus da liga verificada no microscópio de placa aquecida. Finalmente procedeu-se, numa peça em bruto sujeita a prensagem isostática a temperaturas elevadas antes da deformação para o formato da secção transversal 550 x lOOmm, a um recalcamento para 48% da altura primitiva. Com fins comparativos, foi preparado um material não deformado sujeito a prensagem isostática a temperaturas elevadas. 8

De todos os materiais de partida largos e rasos fabricados deste modo, foram retiradas amostras de acordo com a posição indicada na Fig. 1, e melhoradas para uma dureza de 55 a 60 HRC. Tal como é habitual para ferramentas duras, foram utilizadas amostras para choque sem entalhe com medidas de 7x10x55 mm. Na marcação a primeira letra indica a posição da amostra no material de partida. A segunda letra indica o sentido do choque marcado através de uma seta. O ensaio dos valores de trabalho por choque em barras entalhadas dos materiais de partida obteve os resultados apresentados nas Fig. 2 a Fig. 5, sendo os valores de ensaio no sentido longitudinal da deformação apresentados respectivamente com 100%. A Fig. 2 refere-se a um material de partida largo e raso fabricado a partir de um lingote de 500 mm. A Fig. 3 refere-se ao material A, fabricado de acordo com a reivindicação 1. A Fig. 4 refere-se ao material B, fabricado de acordo com a reivindicação 2. A Fig. 5 refere-se ao material C, fabricado de acordo com a reivindicação 3.

Os valores de ensaio T-S e T-L, bem como S-T e S-L situam-se, sem excepção, na mesma margem de dispersão, de forma a que nas Fig. 2 a Fig. 5 só é tido em consideração um tamanho, nomeadamente um valor.

Nas representações significam ainda: S-Tu a tenacidade da amostra não deformada no sentido da espessura, e S-Tx a tenacidade de um material de partida largo e raso no sentido da espessura fabricado de forma convencional.

Lisboa, 8 de Março de 2007 9

Claims (3)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Processo para o fabrico pela metalurgia dos pós de isotropia melhorada das caracteristicas mecânicas de material largo e raso, em aço ledeburitico com secção transversal rectangular ou eliptica rasa, especialmente material de partida para o fabrico de ferramentas de corte, ferramentas de cunhagem e ferramentas deformadoras, em cujo processo o pó de uma liga atomizado com nitrogénio é introduzido numa cápsula, comprimido, e esta, eventualmente após uma evacuação, fechada, após o que ocorrem um aquecimento e uma prensagem isostática (HIP) da cápsula de pó, e a peça em bruto fabricada desta forma sujeita a prensagem isostática a temperaturas elevadas, é submetida a uma deformação por forjadura e/ou laminagem, caracterizado por uma peça em bruto ser elaborada com uma forma da secção transversal rectangular ou elíptica rasa e submetida a uma deformação, e sendo, a diferença entre a deformação no sentido da largura e a deformação no sentido da espessura da secção transversal dos material largo e raso importa, no máximo, em 2 vezes, preferencialmente das 1,5 vezes, o grau inferior de deformação.
2. 2- Processo para o fabrico pela metalurgia dos pós de isotropia melhorada das caracteristicas mecânicas de material largo e raso em aço ledeburitico com secção transversal rectangular ou eliptica rasa, especialmente material de partida para o fabrico de ferramentas de corte, ferramentas de cunhagem, em cujo processo o pó de uma liga atomizado com nitrogénio é introduzido numa cápsula, comprimido, e esta, eventualmente após uma evacuação, fechada, após o que ocorrem um aquecimento e uma prensagem isostática (HIP) da cápsula de pó, e a peça em bruto fabricada desta forma sujeita a prensagem isostática a temperaturas elevadas, é submetida a 1 uma deformação por forjadura e/ou laminagem, caracterizado por a peça em bruto sujeita a prensagem isostática a temperaturas elevadas ser submetida, no sentido da extensão longitudinal, a uma deformação por esforço de recalcamento com um grau de recalcamento mínimo duplo, a seguir ao que ocorre uma deformação por estiragem da peça em bruto recalcada mediante conformação do material de partida largo e raso.
3. 3- Processo para o fabrico pela metalurgia dos pós de isotropia melhorada das características mecânicas de material largo e raso em aço ledeburítico com secção transversal rectangular ou elíptica rasa, especialmente material de partida para o fabrico de ferramentas de corte, ferramentas de cunhagem, em cujo processo o pó de uma liga atomizado com nitrogénio é introduzido numa cápsula, comprimido, e esta, eventualmente após uma evacuação, fechada, após o que ocorrem um aquecimento e uma prensagem isostática (HIP) da cápsula de pó, e a peça em bruto fabricada desta forma sujeita a prensagem isostática a temperaturas elevadas, é submetida a uma deformação por forjadura e/ou laminagem, caracterizado por a peça em bruto, sujeita a prensagem isostática a temperaturas elevadas, ser submetida a um recozido isotérmico por difusão com uma temperatura máxima de 20°C abaixo da temperatura solidus da liga, e a uma duração mínima do recozer de 4 horas, depois do que, através de deformação por estiragem, esta será laminada e/ou forjada num material de partida largo e raso. Lisboa, 8 de Março de 2007 2