BRPI0710842A2

BRPI0710842A2 - aço estrutural para máquinas excelente em propriedades de usinabilidade e resistência

Info

Publication number: BRPI0710842A2
Application number: BRPI0710842-7A
Authority: BR
Inventors: Miyanishi Kei; Hashimura Masayuki; Mizuno Atsushi; Miyamoto Kenichiro
Original assignee: Nippon Steel Corporation
Priority date: 2006-12-25
Filing date: 2007-12-25
Publication date: 2011-08-23
Also published as: US20090274573A1; KR20080102382A; KR101162743B1; EP2060647A4; AU2007342838A1; AU2010200638B2; AU2010200638A1; AU2007342838B2; JP4568362B2; CN101410541B; BR122013026772B1; CN101410541A; JPWO2008084749A1; US20100124515A1; EP2060647A1; BRPI0710842B1; KR20110133501A; EP2060647B1; WO2008084749A1

Abstract

AçO ESTRUTURAL PARA MáQUINAS EXCELENTE EM PROPRIEDADES DE USINABILIDADE E RESISTêNCIA. A invenção fornece um aço estrutural para máquinas excelente em capacidade de usinagem e propriedades de resistência que tenha boa capacidade de usinagem sobre uma ampla faixa de velocidades de usinagem e também tenha altas propriedades de impacto e alta razão de rendimento, o mencionado aço estrutural para máquinas compreendendo, em % em massa, C: 0,1 a 0,85%, Si: 0,01 a 1,5%, Mn: 0,05 a 2,0%, P: 0,005 a 0,2%; 5: 0,001 a 0,15%, Aí total: maior que 0,05% e não maior que 0,3%, Sb: menos que 0,0150% (incluindo 0%), e N total: 0,0035 a 0,020%, o N soluto sendo limitado a 0,0020% ou menos, e um saldo de Fe e as inevitáveis impurezas.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "AÇO ES-TRUTURAL PARA MÁQUINAS EXCELENTE EM PROPRIEDADES DEUSINABILIDADE E RESISTÊNCIA".

Campo da Invenção

Esta invenção refere-se a um aço estrutural para máquinas quedeve ser usinado e particularmente a um aço estrutural para máquinas exce-lente em propriedades de usinabilidade e resistência que seja receptivo àusinagem sobre um amplo espectro de velocidades de usinagem variandode usinagem a uma velocidade relativamente baixa com uma broca de açode alta velocidade para uma usinagem de alta velocidade tal como um tor-neamento longitudinal com uma ferramenta revestida de um super aço.Descrição da Arte Relativa

Embora os últimos anos tenham visto o desenvolvimento de a-ços de maior resistência, têm ao mesmo tempo emergido o problema de de-clínio da capacidade de usinagem. É portanto sentida uma necessidadecrescente de desenvolvimento de aços que mantenham excelente resistên-cia sem experimentar um declínio na performance de usinagem. A adição deelementos que aumentem a capacidade de usinagem tais como S, Pb e Bi éconhecida como sendo eficaz para melhorar a capacidade de usinagem doaço. Entretanto, enquanto Pb e Bi são conhecidos por melhorar a capacida-de de usinagem e ter um efeito relativamente pequeno na capacidade deforjamento, eles são também conhecidos por degradar as propriedades deresistência.

Além disso, o Pb está sendo usado atualmente em menoresquantidades devido à tendência para evitar seu uso por causa da preocupa-ção sobre a carga que o Pb coloca no ambiente natural. O S melhora a ca-pacidade de usinagem pela formação de inclusões, tais como MnS, que a-maciam em um ambiente de usinagem, mas os grãos de MnS são maioresque aqueles de Pb e similares, de forma que ele prontamente se torna umcriador de concentração de estresse. Deve ser particularmente notado nomomento do alongamento por forjamento ou laminação, o MnS produz ani-sotropia, o que torna o aço extremamente fraco em uma direção particular.Torna-se também necessário levar essa anisotropia em conta durante o es-boço do aço. Quando o S é adicionado, portanto, torna-se necessário utilizara técnica para reduzir a anisotropia.

Conforme apontado precedentemente, foi difícil alcançar boaspropriedades de resistência e boa capacidade de usinagem simultaneamen-te porque a adição de elementos que aumentam a capacidade de usinagemdegrada as propriedades de resistência. Também inovação tecnológica é,portanto, necessária para permitir simultaneamente a realização de capaci-dade de usinagem do aço e propriedades de resistência satisfatórias.

Esta situação levou a esforços para fornecer um aço estruturalpara máquinas permitindo o prolongamento da vida da máquina operatriz,por exemplo, pela incorporação de um total de 0,005% em massa ou maisde peolo menos um membro selecionado entre V soluto, Nb soluto e Al solu-to, e também incorporando 0,001% ou mais de N soluto, permitindo assimque nitretos formados pelo calor da usinagem durante a usinagem adiram àferramenta para funcionar como um revestimento protetor da ferramenta (ve-ja a Japanese Patent Publication (A) n° 2004-107787). Em adição, foi pro-posto um aço estrutural 'para máquinas que alcance uma remoção de frag-mentos e propriedades mecânicas melhoradas pela definição dos teores deC, Si, Mn, S e Mg, definindo a razão do teor de Mg para o teor de S1 e otimi-zando a razão de aspecto e o número de inclusões de sulfetos no aço (vejaa Japanese Patent n° 3706560). O aço estrutural para máquinas ensinadopela patente n9 3706560 defne o teor de Mg como 0,02% ou menos (nãoincluindo 0%) e o teor de Al, quando incluído, como 0,1% ou menos..

Resumo da Invenção

Entretanto, as tecnologias previamente existentes têm as des-vantagens a seguir. O aço apresentado pela Japanese Patent Publication (A)n° 2004-107787 é susceptível de não originar o fenômeno supramencionadoa menos que a quantidade de calor produzida pela usinagem exceda umcerto nível. A velocidade de usinagem deve, portanto, ser um tanto alta pararealizar o efeito desejado, então a invenção tem um problema no ponto emque o efeito não pode ser antecipado na faixa de baixa velocidade. A Japa-nese Patent η9 3706560 é totalmente omissa em relação às propriedades deresistência do aço que ela apresenta. Além disso, o aço dessa patente é in-capaz de alcançar as propriedades de resistência adequadas porque nãoleva em consideração a vida da ferramenta de usinagem ou a razão de ren-dimento.

A presente invenção foi alcançada à luz dos problemas prece-dentes e tem como seu objetivo fornecer um aço estrutural para máquinasque tenha boa capacidade de usinagem sobre uma ampla faixa de velocida-des de usinagem e também tenha altas propriedades de impacto e uma altarazão de rendimento.

O aço estrutural para máquinas excelente em capacidade deusinagem e propriedades de resistência conforme a presente invenção com-preende, em % em massa, C: 0,1 a 0,85%, Si: 0,01 a 1,5%, Mn: 0,05 a2,0%, P: 0,005 a 0,2%, S: 0,001 a 0,15%, Al total: maior que 0,05% e nãomaior que 0,3%, Sb: menos que 0,0150% (incluindo 0%), e N total: 0,0035 a0,020%, N soluto sendo limitado a 0,0020% ou menos, e um saldo de Fe eas inevitáveis impurezas.

O aço estrutural para máquinas pode também compreender, em% em massa, Ca: 0,0003 a 0,0015%.

O aço estrutural para máquinas pode também compreender, em% em massa, um ou mais elementos selecionados do grupo consistindo deTi: 0,001 a 0,1%, Nb: 0,005 a 0,2%, W: 0,01 a 1,0%, e V: 0,01 a 1,0%.

O aço estrutural para máquinas pode também compreender, em% em massa, um ou mais elementos selecionados do grupo consistindo deMg: 0,0001 a 0,0040%, Zr: 0,0003 a 0,01%, e REMs (metais terras raras):0,0001 a 0,015%.

O aço estrutural para máquinas pode também compreender, em% em massa, um ou mais elementos selecionados do grupo consistindo deSn: 0,005 a 2,0%, Zn: 0,0005 a 0,5%, B: 0,0005 a 0,015%, Te: 0,0003 a0,2%, Bi: 0,005 a 0,5%, e Pb: 0,005 a 0,5%.

O aço estrutural para máquinas pode também compreender, em% em massa, um ou dois elementos selecionados do grupo consistindo Cr:0,01 a 2,0% e Mo: 0,01 a 1,0%.

O aço estrutural para máquinas pode também compreender, em% em massa, um ou dois elementos selecionados do grupo consistindo deNi: 0,05 a 2,0% e Cu: 0,01 a 2.0%.

Breve Descrição dos Desenhos

A figura 1 é um diagrama mostrando uma região da qual foi cor-tada um corpo de prova para um teste de impacto Charpy.Descrição Detalhada da Invenção

Configurações preferidas da presente invenção são explicadasem detalhes a seguir. O aço estrutural para máquinas excelente em capaci-dade de usinagem e propriedades de resistência conforme a presente inven-ção alcança o objetivo precedentes pelo fornecimento de um aço estruturalpara máquinas onde o N soluto agindo para degradar a capacidade de usi-nagem e as propriedades de impacto é minimizado ajustando-se as quanti-dades adicionadas de N e dos elementos formadores de nitreto tais como Al,onde a performance de corte efetivo é estabelecida em relação a uma amplafaixa de velocidade de corte se estendendo da baixa até a alta velocidadepela garantia da presença de quantidades adequadas de Al soluto servindopara melhorar a propriedade de fragilização a alta temperatura e a capaci-dade de usinagem, e o Sb servindo para produzir um efeito de fragilizaçãoda matriz, e formar uma estrutura cristalina apresentando um efeito de fragi-lização a alta temperatura e segmentação, garantindo assim uma quantidadeadequada de AIN servindo para melhorar a capacidade de usinagem, e ondealtas propriedades de impacto são também realizadas pelo aumento da adi-ção de Al de forma que na etapa de placa a segregação seja tornada menore um MnS de capacidade de dispersão altamente uniforme (MnS tipo Ill pelaanálise SIMS) é tornado mais abundante que no aço convencional acalmadoao Al. Além disso, o aço também alcança uma alta razão de rendimento de-vido à fina precipitação de AIN e à presença de Al soluto.

Especificamente, o aço estrutural para máquinas conforme apresente invenção compreende, em % em massa, C: 0,1 a 0,85%, Si: 0,01 a1,5%, Mn: 0,05 a 2,0%, P: 0,005 a 0,2%, S: 0,001 a 0,15%, Al total: maiorque 0,05% e não maior que 0,3%, Sb: menos que 0,0150% (incluindo 0%), eN total: 0,0035 a 0,020%, N soluto sendo limitado a 0,0020% ou menos, eum saldo de Fe e as inevitáveis impurezas.

Os elementos individuais constituintes do aço estrutural para máquinas da presente invenção e os seus teores serão inicialmente explica-dos. Na explicação a seguir, a composição da porcentagem em massa doscomponentes do aço é denotada simplesmente pelo símbolo %.C: 0,1 a 0,85%

O C tem um efeito principal na resistência fundamental do aço. Quando o teor de C é menor que 0,1%, uma resistência adequada não podeser alcançada, de forma que grandes quantidade de outros elementos deligação devem ser incorporadas. Quando o teor de C excede 0,85%, a capa-cidade de usinagem cai notavelmente porque a concentração de carbonotorna-se quase hipereutectóide para produzir uma pesada precipitação de carbonetos duros. Para alcançar uma resistência suficiente, a presente in-venção, portanto, define o teor de C como 0,1 a 0,85%. O limite inferior pre-ferido do teor de C é 0,2%.Si: 0,01 a 1,5%

O Si é geralmente adicionado como elemento desoxidante, mastambém contribui para o reforço da ferrita e na resistência revenido-amolecimento. Quando o teor de Si é menor que 0,01%, o efeito desoxidanteé insuficiente. Por outro lado, um teor de Si acima de 1,5% degrada a fragili-zação do aço e outras propriedades e também prejudica a capacidade deusinagem. O teor de Si é, portanto, definido como 0,01 a 1,5%. O limite su- perior preferido do teor de Si é 1,0%.Mn: 0,05 a 2,0%

O Mn é necessário pela sua capacidade de fixar e dispersar oenxofre (S) no aço na forma de MnS e também por se dissolver na matriz,para melhorar a capacidade de endurecimento e garantir uma boa capacida- de de usinagem após o resfriamento. Quando o teor de Mn é menor que0,05%, o aço é fragilizado porque o S combina com o Fe para formar FeS.Quando o teor de Mn é alto, 3especificamente quando excede 2,0%, a dure-za do metal base aumenta para degradar a capacidade de trabalho a frio,enquanto seu efeito de melhorar a resistência e a capacidade de endureci-mento satura. O teor de Mn é, portanto, definido como 0,05 a 2,0%.P: 0,005 a 0,2%

OP tem um efeito favorável na capacidade de usinagem, mas oefeito não é obtido a um teor de P de menos de 0,005%. Quando o teor de Pé alto, especificamente quando ele excede 0,2%, a dureza do metal baseaumenta para degradar não apenas a capacidade de trabalho a frio, mastambém a capacidade de trabalho a quente e as propriedades de moldagem.O teor de P é, portanto, definido como 0,005 a 0,2%,S: 0,001 a 0,15%

O S combina com o Mn para produzir MnS que está presente noaço na forma de inclusões. O MnS melhora a capacidade de usinagem, maso S deve ser adicionado a um teor de 0,001% ou maior para alcançar esseefeito em um grau substancial. Quando o teor de S excede 0,15%, o valor deimpacto do aço cai notavelmente, no caso de adição de S para melhorar acapacidade de usinagem, portanto, o teor de S é feito 0,001 a 0,15%.Al Total: maior que 0,05% e não maior que 0,3%

O Al não apenas forma óxidos, mas também promove a precipi-tação de AIN, que contribui para controlar o tamanho de grão e a capacidadede usinagem, e também melhora a capacidade de usinagem ao passar nasolução sólida. O Al deve ser adicionado até um teor maior que 0,05% paraformar Al soluto na quantidade suficiente para aumentar a capacidade deusinagem.-O Al também afeta a forma dos grãos/precipitação de MnS. Alémdisso, quando o Al é adicionado em um quantidade excedendo 0,05%, a se-gregação no estágio de placa pode ser tornada menor e o MnS de capaci-dade de dispersão altamente uniforme (MnS tipo Il pela análise SIMS) sertornado mais abundante que em um aço convencional acalmado ao Al. Istotorna possível obter-se um aço estrutural para máquinas tendo também altaspropriedades de impacto e também alcançar uma alta razão de rendimentodevido à precipitação fina de AIN e à presença de Al soluto. Entretanto, acapacidade de usinagem começa a declinar quando o teor de Al total excede0,3%. O teor de Al total é, portanto, definido como maior que 0,05% e nãomaior que 0,3%. O limite inferior do teor de Al total é preferivelmente 0,08%e mais preferivelmente 0,1%.

Sb: menos de 0,0150% (incluindo 0%)

O Sb melhora a capacidade de usinagem ao fragilizar adequa-damente a ferrita. Esse efeito do Sb é particularmente pronunciado quando oteor de Al soluto é alto, mas não é observado quando o teor de Sb é menorque 0,0005%. Quando o teor de Sb é alto, especificamente quando ele atin-ge 0,0150% ou mais, a macro segregação do Sv torna-se excessiva, de for-ma que o valor de impacto do aço declina notavelmente. O teor de Sb é, por-tanto, definido como 0,0005% ou maior e menor que 0,0150%. Quando nãofor necessária uma alta capacidade de usinagem ou o Al total for maior que0,1%, a adição de Sb pode ser omitida (teor de Sb de 0%).

N total: 0,0035 a 0,020%

O N, que está presente não apenas como N soluto, mas tambémem nitretos de Ti, Al, V e similares, suprime o crescimento do grão de auste-nita. Entretanto, nenhum efeito substancial é obtido com um teor de N totalde menos de 0,0035%. Quando o teor de N total excede 0.020%, leva à o-corrência de marcas de cilindro durante a laminação. O teor de N total é,portanto, definido como 0,0035 a 0,020%.

N soluto: 0,0020% ou menos

O N soluto endurece o aço. Uma preocupação particular é queele encurta a vida útil da ferramenta de corte ao fazer o aço próximo à bordade corte endurecer sob ação de pressão dinâmica. Ele também provoca aocorrência de m,arcas de cilindro durante a laminação. Um alto teor de Nsoluto, especificamente um teor acima de 0,0020%, agrava o desgaste daferramenta durante o corte porque a resistência ao corte aumenta devido àdureza local aumentada. O teor de N soluto é, portanto, mantido em0,0020% ou menos. Isto ajuda a reduzir o desgaste da ferramenta. Além dis-so, um alto teor de N soluto também degrada as propriedades de impacto aoprovocar a fragilização da matriz, mas tal fragilização da matriz pode tam-bém ser mitigada pela manutenção do teor de N soluto em 0,0020% ou me-nos. O teor de N soluto conforme designado aqui significa o valor obtido sub-traindo-se o teor de N de AIN, NbN1 TiN1 VN e outros nitretos todo teor de Ntotal. Ele pode ser calculado, por exemplo, de acordo com a equação (1)mostrada abaixo, usando-se o teor de N total determinado pelo método decondutividade térmica de fusão do gás inerte e o teor de N dos nitretos de-terminado pela análise SPEED (Causticação Potenciostática Seletiva porDissolução Eletrolítica) e análise a absorvência de indofenol do resíduo ex-traído eletroliticamente usando-se um filtro de 0,1 μητι.

(Teor de N soluto) = (Teor de N total) - (Teor de N nos nitretos)... (1)

O teor de N soluto pode ser reduzido pelos métodos explicadosabaixo:

1) Manter o teor de N total em um baixo nível dentro da faixa definida pelapresente invenção. Embora o N total seja definido como 0,020% ou menos,ele é preferivelmente mantido em 0,01% ou menos, mais preferivelmente em0,006% ou menos.

2) Quando o teor de N total é alto, é de grande ajuda aumentar-se a quanti-dade de compostos de N pela adição de quantidades adequadas de Al, umelemento formador de nitretos, bem como de outros elementos formadoresde nitretos.

3) A redução do N soluto pela precipitação fina de nitretos é preferível emum aço estrutural para máquinas do ponto de vista de inibir o embrutecimen-to do grão. Levando em conta que a redução do teor de N soluto pela preci-pitação fina de nitretos requer a manutenção a uma alta temperatura permi-tindo um tratamento da solução mais complete no N e no teor de elementosformadores de nitretos, um tratamento térmico da solução é conduzido auma temperatura de 1100 °C ou maior, preferivelmente 1200 °C ou maior, emais preferivelmente 1250 °C ou maior, após o que a precipitação é execu-tada pela condução de um tratamento térmico tal como normalização oucarburação. É de particular nota que no caso do AIN, o N soluto pode serreduzido utilizando-se uma retenção prolongada próximo de 850 °C paraaumentar a precipitação. Por "prolongado" aqui entende-se 0.8 hr ou mais,preferivelmente 1 hr ou mais e mais preferivelmente 1.2 hr ou mais.O aço estrutural para máquinas da presente invenção pode con-ter Ca em adição aos componentes precedentes.Ca: 0,0003 a 0,0015%

O Ca é um elemento desoxidante que forma óxidos no aço. Noaço estrutural para máquinas da presente invenção, que tem um teor de Altotal maior que 0,05% e não maior que 0,3%, o Ca forma aluminato de cálcio(CaOAI2O3). Como o CaOAI2O3 é um oxido tendo um ponto de fusão menorque o AI2O3, ele melhora a capacidade de usinagem ao constituir uma pelí-cula protetora da ferramenta durante o corte a alta velocidade. Entretanto,esse efeito de melhoria da capacidade de usinagem não é observado quan-do o teor de Ca é menor que 0,0003%. Quando o teor de Ca excede0.0015%, o CaS se forma no aço, de forma que a capacidade de usinagemé, ao invés, degradada. Portanto, quando o Ca é adicionado, seu teor é defi-nido como 0,0003 a 0,0015%.

Quando é preciso dar ao aço estrutural para máquinas da pre-sente invenção uma alta resistência pela formação de carbonetos, pode serincluído em adição aos components precedentes um ou mais elementos se-lecionados do grupo consistindo de Ti: 0,001 a 0,1%, Nb: 0,005 a 0,2%, W:0,01 a 1,0%, e V: 0,01 a 1,0%.Ti: 0,001 a 0,1%

O Ti forma carbonitretos que inibem o crescimento do grão econtribuem para o fortalecimento. Ele é usado como elemento de controle dotamanho do grão para evitar o embrutecimento do grão em aços que requei-ram alta resistência e aços que requeiram baixa distorção. O Ti é tambémum elemento desoxidante que melhora a capacidade de usinagem pela for-mação de óxidos frágeis. Entretanto, esses efeitos do Ti não são observadosa um teor de menos de 0,001%, e quando o teor excede 0.1%, o Ti tem oefeito contrário de degradar as propriedades mecânicas por causar precipi-tação de carbonitretos brutos insolúveis que provocam fraturas a quente.Portanto, quando o Ti é adicionado, seu teor é definido como 0,001 a 0,1%.Nb: 0,005 a 0,2%

O Nb também forma carbonitretos. Como tal, ele é um elementoque contribui para a resistência do aço através do endurecimento de precipi-tação secundária e para a inibição do crescimento do grão de austenita epara o fortalecimento. O Ti é, portanto, usado como um elemento de controledo tamanho de grão para evitar o embrutecimento do grão em aços reque-rendo alta resistência e aços requerendo baixa distorção. Entretanto, ne-nhum efeito de transmissão de alta resistência é observado a um teor de Nbde menos de 0,005%, e quando o Nb é adicionado a um teor excedendo0,2%, ele tem o efeito contrário de degradação das propriedades mecânicaspela provocação da precipitação de carbonitretos brutos insolúveis que pro-vocam fraturas a quente. Portanto, quando Nb é adicionado, seu teor é defi-nido como 0,005 a 0,2%.

W: 0,01 a 1,0%

W é também um elemento que forma carbonitretos e pode forta-lecer o aço através de endurecimento por precipitação secundária. Entretan-to, nenhum efeito transmissor de alta resistência é observado quando o teorde W é menor que 0,01%. A adição de W acima de 1,0% tem o efeito contrá-rio de degrader as propriedades mecânicas ao provocar a precipitação decarbonitretos brutos insolúveis que provocam fraturas a quente. Portanto,quando W é adicionado, seu teor é definido como 0,01 a 1,0%.V: 0,01 a 1,0%.

V é também um elemento que forma carbonitretos e pode forta-lecer o aço através de endurecimento por precipitação secundária. É ade-quadamente adicionado a aços que requeiram alta resistência. Entretanto,nenhum efeito transmitindo alta resistência é observado quando o teor de Vé menor que 0,01. A adição de V acima de 1,0% tem o efeito contrário dedegradar as propriedades mecânicas ao causar a precipitação de carbone-tos brutos insolúveis que provocam fraturas a quente. Portanto, quando o Vé adicionado, seu teor é definido como 0,01 a 1,0%.

Quando o aço estrutural para máquinas da presente invenção ésubmetido ao controle da desoxidação para controlar a morfologia do sulfeto,ele pode compreender em adição aos componentes precedentes um oumais elementos selecionados do grupo consistindo de Mg: 0,0001 a0,0040%, Zr: 0,0003 a 0,01%, e REMs: 0,0001 a 0,015%.Mg: 0,0001 a 0,0040%

O Mg é um elemento desoxidante que forma óxidos no aço.Quando a desoxidação pelo Al é adotada, o Mg reforma o AI2O3, e dispersafinamente MgO e AI2Oa-Mg. Além disso, seu oxido age prontamente comonúcleo e precipitação do MnS e assim trabalha para dispersar finamente oMnS. Entretanto, esses efeitos não são observados a um teor de Mg de me-nos de 0,0001%. Além disso, enquanto o Mg age para tornar o MnS esféricopela formação de um complexo sulfeto metálico, uma adição excessiva deMg, especificamente uma adição até um teor de mais de 0,0040%, degradaa capacidade de usinagem ao promover a formação de MgS simples. Por-tanto, quando o Mg é adicionado, seu teor é definido como 0,0001 a0,0040%.Zr: 0,0003 a 0,01%.

O Zr é um elemento desoxidante que forma um oxido no aço. Ooxido é considerado como sendo ZrO2, que age como um núcleo de precipi-tação para MnS. Uma vez que a adição de Zr, portanto, aumenta o númerode locais de precipitação de MnS, ele tem o efeito de dispersar uniforme-mente o MnS. Além disso, o Zr se dissolve no Mns para formar um complexosulfeto metálico, diminuendo assim a deformação de MnS e, portanto, tam-bém trabalha para inibir o alongamento do grão de MnS durante a laminaçãoe do forjamento a quente. Dessa forma, o Zr reduz efetivamente a anisotro-pia. Mas nenhum efeito substancial a esse respeito é observado 0,0003%.Por outro lado, a adição de Zr acima de 0,01% degrada radicalmente o ren-dimento. Além disso, por provocar a formação de grandes quantidades deZrO2, ZrS e outros compostos duros, ele tem o efeito contrário de degradaras propriedades mecânicas tais como a capacidade de usinagem, valor deimpacto, propriedades de fadiga e similares. Portanto, quando o Zr é adicio-nado, seu teor é definido como 0,0003 a 0,01%.REMs: 0,0001 to 0,015%

Os REMs (metais terras raras) são elementos desoxidantes queformam óxidos de baixo ponto de fusão que ajudam a evitar o entupimentodos bocais durante o Iingotamento e também dissolve no MnS ou combinacom ele para diminuir a deformação de MnS, agindo assim para inibir o a-Iongamento da forma do MnS durante a laminação e forjamento a quente. AsREMs servem assim para reduzir a anisotropia. Entretanto, esse efeito nãoaparece em um teor de REM de menos de 0,0001%. Quando o teor excede0,015%, a capacidade de usinagem é degradada devido à formação degrandes quantidades de sulfetos de REM. Portanto, quando as REMs sãoadicionadas, seu teor é definido como 0,0001 a 0,015%.

Quando o aço estrutural para máquinas da presente invençãodeve ser melhorado quando à capacidade de usinagem, ele pode incluir emadição aos componentes precedentes um ou mais elementos selecionadosdo grupo consistindo de Sn: 0,005 a 2,0%, Zn: 0,0005 a 0,5%, B: 0,0005 a0,015%, Te: 0,0003 a 0,2%, Bi: 0,005 a 0,5%, è Pb: 0,005 a 0,5%.Sn: 0,005 a 2,0%

O Sn prolonga a vida da ferramenta pela fragilização da ferrita etambém melhora a rugosidade da superfície. Esses efeitos não são obser-vados quando o teor de Sn é menor que 0,005%, e os efeitos saturam quan-do o Sn é adicionado acima de 2,0%. Portanto, quando o Sn é adicionado,seu teor é definido como 0.005 a 2.0%.Zn: 0,0005 a 0,5%

O Zn prolonga a vida da ferramenta pela fragilização da ferrita etambém melhora a rugosidade da superfície. Esses efeitos não são obser-vados quando o teor de Zn for menor que 0,0005%, e os efeitos saturamquando o Zn é adicionado acima de 0,5%. Portanto, quando o Zn é adicio-nado, seu teor é definido como 0,0005 a 0,5%.B: 0,0005 a 0,015%

O B, quando em solução sólida, tem um efeito favorável na re-sistência nos limites dos grãos e na capacidade de endurecimento. Quandoele precipita, ele o faz como BN e, portanto, ajuda a melhorar a capacidadede usinagem. Esses efeitos não são notáveis a um teor de B de menos de0,0005%. Quando o B é adicionado a um teor maior que 0,015%, os efeitossaturam e as propriedades mecânicas são, ao contrário, degradadas, devidoà precipitação excessiva de BN. Portanto, quando o B é adicionado, seu teoré definido como 0,0005 a 0,015%.Te: 0,0003 a 0,2%

O Te melhora a capacidade de usinagem. Ele também formaMnTe e, quando co-presente com MnS, reduz a deformação do MnS, agindoassim para inibir o alongamento da forma do MnS. O Te é assim um elemen-to eficaz para reduzir a anisotropia. Esses efeitos não são observados quan-do o teor de Te é menor que 0,0003%, e quando o seu teor excede 0,2%, osefeitos saturam e a ductilidade na laminação a quente diminui, aumentandoa possibilidade de falhas. Portanto, quando o Te é adicionado, seu teor édefinido como: 0,0003 a 0,2%.Bi: 0,005 a 0,5%

O Bi melhora a capacidade de usinagem. Esse efeito não é ob-servado quando o teor de Bi é menor que 0,005%. Quando ele excede 0,5%,a melhoria da capacidade de usinagem satura, e a ductilidade na laminaçãoa quente declina, aumentando a possibilidade de falhas. Portanto, quando oBi é adicionado, seu teor é definido como 0,005 a 0,5%.Pb: 0,005 a 0,5%

O Pb melhora a capacidade de usinagem. Esse efeito não é ob-servado quando o teor de Pb é menor que 0,005%. Quando ele excede0,5%, a melhoria da capacidade de usinagem satura e a ductilidade na lami-nação a quente declina, aumentando a possibilidade de falhas. Portanto,quando o Pb é adicionado, seu teor é definido como 0,005 a 0,5%.

Quando resistência deve ser transmitida ao aço estrutural paramáquinas da presente invenção pela melhoria de sua capacidade de endu-recimento e/ou resistência ao revenido/amolecimento, podem ser incluídosem adição aos componentes precedentes um ou dois elementos seleciona-dos do grupo consistindo de Cr: 0,01 a 2,0% e Mo: 0,01 a 1,0%.Cr: 0,01 a 2,0%

O Cr melhora a capacidade de endurecimento e também trans-mite resistência ao revenido/amolecimento. Ele é, portanto, adicionado a umaço que necessite alta resistência. Esses efeitos não são obtidos a um teorde Cr de menos que 0,01%. Quando o teor de Cr é alto, especificamentequando ele excede 2,0%, o aço é fragilizado devido à formação de carbone-tos de Cr. Portanto, quando o Cr é adicionado, seu teor é definido como 0,01a 2,0%.

Mo: 0,01 a 1,0%

O Mo transmite resistência ao revenido/amolecimento e tambémmelhora a capacidade de endurecimento. Ele é, portanto, adicionado a umaço que necessite alta resistência. Esses efeitos não são obtidos a um teorde Mo de menos de 0,01%. Quando o Mo é adicionado acima de 1,0%, seusefeitos saturam. Portanto, quando o Mo é adicionado, seu teor é definidocomo 0,01 a 1,0%.

Quando o aço estrutural para máquinas da presente invençãodeve ser submetido ao reforço de ferrita, ele pode incluir em adição aoscomponentes precedentes um ou dois elementos selecionados do grupoconsistindo de Ni: 0,05 a 2,0% e Cu: 0,01 a 2,0%.

Ni: 0,05 a 2,0%

O Ni reforça a ferrita, melhorando, portanto, a ductilidade, e étambém eficaz para melhoria da capacidade de endurecimento e melhoriaanti-corrosão. Esses efeitos não são observados com um teor de Ni de me-nos de 0,05%. Quando o Ni é adicionado acima de 2,0%, o efeito de melho-ria das propriedades mecânicas satura e a capacidade de usinagem é de-gradada. Portanto, quando o Ni é adicionado, seu teor é definido como 0,05a 2,0%.

Cu: 0,01 a 2,0%

O Cu reforça a ferrita e é também eficaz para melhoria da capa-cidade de endurecimento e melhoria anti-corrosão. Esses efeitos não sãoobservados a um teor de Cu de menos de 0,01%. Quando o Cu é adicionadoacima de 2,0%, o efeito de melhoria das propriedades mecânicas satura.Portanto, quando o Cu é adicionado, seu teor é definido como 0,01 a 2,0%.

Uma preocupação particular em relação ao Cu é que seu efeito de diminuir acapacidade de laminação a quente pode levar à ocorrência de falhas durantea laminação. Q Cu é, portanto, preferivelmente adicionado simultaneamentecom o Ni.

Conforme explicado acima, o aço estrutural para máquinas dapresente invenção é minimizado em teor de N soluto e, portanto, alcançamelhores capacidade de usinagem e propriedades de impacto que os aços estruturais convencionais para máquinas. Além disso, os teores totais de Ale de Sb são controlados para níveis adequados para garantir a presença dequantidades adequadas de Al soluto, Sb e AIN servindo para melhorar a ca-pacidade de usinagem, estabelecendo assim uma performance de corte efi-caz em relação a uma ampla faixa de velocidades de corte se estendendo de baixa a alta velocidade. O aço também alcança uma alta razão de rendi-mento devido à precipitação fina de AIN e à presença de Al soluto. Em adi-ção, excelentes propriedades de impacto sã realizadas pelo controle ade-quado dos teores de elementos que afetam a precipitação de MnS de modoa obter uma abundância de MnS com uma capacidade de dispersão alta-mente uniforme.

O aço estrutural para máquinas excelente em capacidade deusinagem e propriedades de resistência conforme a presente invenção podeser produzido pelo forjamento a quente de um tarugo tendo a composição deaço anteriormente mencionada em uma barra a uma temperature de 1200°Cou maior, submetendo a barra ao tratamento térmico em solução a umatemperatura de 1100 0C ou maior, e então a um tratamento térmico tal comonormalização ou carburação. Deve ser particularmente notado que no casode um aço contendo o carboneto AIN, um aço estrutural para máquinas no-tavelmente reduzido em N soluto pode ser obtido pela retenção prolongadaapós o tratamento térmico em solução a 1100 0C ou maior por 0.8 h ou mais,preferivelmente 1 h ou mais, e mais preferivelmente 1,2 h ou mais.Exemplos

Primeiro Conjunto de Exemplos

Os efeitos da presente invenção serão agora explicados especi-ficamente através de Exemplos e Exemplos Comparativos. Nesse conjuntode Exemplos, os aços das composições mostradas na Tabela 1 e na Tabela2, 150 kg cada, foram produzidos em um forno a vácuo, forjados a quentesob uma condição de temperatura de 1250°C, e alongadas por forjamento ebarras de 65 mm de diâmetro. As propriedades dos aços do Exemplo e doExemplo Comparativo foram avaliados pela sujeição dos mesmos ao testede capacidade de usinagem, teste de impacto Charpy e teste de tração pe-los métodos especificados abaixo. Na Tabela 2, o sublinhado indica um valorfora da faixa da invenção.TABELA 1

<table>table see original document page 18</column></row><table>Continuacao...

<table>table see original document page 19</column></row><table>Continuacao:

<table>table see original document page 20</column></row><table><table>table see original document page 21</column></row><table>Tabela 2

<table>table see original document page 22</column></row><table><table>table see original document page 23</column></row><table>Teste de capacidade de usinaqem

O teste de capacidade de usinagem foi conduzido em relaçãoaos aços dos Exemplos e dos Exemplos Comparativos que foram alongadospor forjamento sob aquecimento a 1250°C ao submetê-los inicialmente a umtratamento térmico consistindo de normalização sob condições de tempera-tura de 850 0C por 1 h, 0,5 hr no caso dos Exemplos Comparativos ng 49 en9 50, seguido de resfriamento a ar. Um corpo de prova do teste de avalia-ção da capacidade de usinagem foi então cortado de cada aço termicamentetratado e a capacidade de usinagem dos aços dos Exemplo e dos ExemplosComparativos foram avaliados conduzindo-se testes de perfuração com bro-ca sob as condições de corte mostradas na Tabela 3 e testes de torneamen-to longitudinal sob as condições mostradas na Tabela 4. A velocidade máxi-ma de corte VL1000 que permite o corte até uma profundidade cumulativade furo de 1000 mm foi usada como índice de avaliação no teste de perfura-ção com broca, e a largura máxima VB_max de desgaste do flanco de relevoapós 10 minutos foi usada como o índice de avaliação do teste de tornea-mento longitudinal.

Tabela 3

<table>table see original document page 24</column></row><table>

Tabela 4

<table>table see original document page 24</column></row><table><table>table see original document page 25</column></row><table>

Teste de impacto Charpy

A figura 1 é um diagrama mostrando uma região da qual foi cor-tado um corpo de prova para o teste de impacto Charpy. No teste de impactoCharpy1 inicialmente, conforme mostrado na figura 1, um cilindro 2 medindo25 mm de diâmetro foi cortado de um aço 1 tratado termicamente pelo mes-mo método e sob as mesmas condições que o corpo de prova do anterior-mente mencionado teste de capacidade de usinagem de forma que seu eixofosse perpendicular à direção do forjamento de alongamento do aço 1. Aseguir, o cilindro 2 foi mantido sob condições de temperatura de 850 0C por1h, 0,5 h no caso dos Exemplos Comparativos nQ 49 e nQ 50, e então resfri-ados a óleo pelo resfriamento até 60°C, e posteriormente submetido a umrevenido com resfriamento a água no qual ele foi mantido sob condições detemperatura 550 0C por 30 minutos. A seguir, o cilindro 2 foi usinado parafabricar um corpo de prova do teste Charpy 3 em conformidade com a norma JIS Z 2202, que foi submetido a um teste de impacto Charpy à temperaturaambiente de acordo com o método prescrito pela norma JIS Z 2242. A ener-gia absorvida por unidade de área (J/cm2) foi adotada como índice de avali-ação.

Teste de tração

Um cilindro 2 amostrado paralelamente à direção de alongamen-to por forjamento, foi resfriado a óleo e revenido pelos mesmos métodos esob as mesmas condições que no teste de impacto Charpy anteriormentemencionado, posteriormente ele foi processado em um corpo de prova paraum teste de tração medindo 8 mm no diâmetro da seção paralela e 30 mmno comprimento da seção paralela, e então testado quanto à tração à tempe-ratura ambiente de acordo com o método prescrito pela norma JIS Z 2241. Arazão de rendimento = (0,2% do estresse de prova YP) / (limite de resistên-cia à tração TS) foi adotado como índice de avaliação.

Os resultados dos testes acima estão mostrados nas Tabelas 5Tabela 5

<table>table see original document page 26</column></row><table>Continuação...

<table>table see original document page 27</column></row><table>Continuação...

<table>table see original document page 28</column></row><table>

Os aços n° 1 a n° 42 mostrados nas Tabelas 1, 2 e 5 são Exem-plos da presente invenção e os aços n9 43 a n9 51 mostrados nas Tabelas 2e 6 são aços dos Exemplos Comparativos. Conforme mostrado nas Tabelas5 e 6, os aços dos Exemplos n9 1 a n9 42 apresentaram bons valores paratodos os índices de avaliação, a saber, VL1000, VB_max, valor de impacto(energia absorvida), e YP / TS (razão de rendimento), mas os aços dos E-xemplos Comparativos foram inferiores aos aços do s Exemplos em pelomenos uma das propriedades. Especificamente, os aços dos ExemplosComparativos n° 43 a n° 46 tiveram teores de Al total abaixo da faixa da pre-sente invenção e foram, portanto, inferiores aos aços dos Exemplos no índi-ce de avaliação da capacidade de usinagem VL1000 e razão de rendimento(YP / TS). Além disso, o aço do exemplo Comparativo n° 47 teve um teor deAl total bem abaixo da faixa da presente invenção, de forma que seu teor deN soluto estava da faixa da presente invenção, e o aço era, portanto, inferioraos aços dos Exemplos em capacidade de usinagem (VL1000, VB_max),valor de impacto, e razão de rendimento (YP / TS).

O aço do Exemplo Comparativo n° 48 teve um teor de Al totalacima da faixa da presente invenção, de forma que sua dureza aumentou, eo aço foi, portanto, inferior em capacidade de usinagem (VL1000, VB_max).Os aços dos Exemplos Comparativos n° 49 e n° 50 foram mantidos a850 °C, a temperatura na qual o AIN se precipita prontamente, por um tempode manutenção mais curto que nos aços dos Exemplos, de forma que seusteores de N soluto estivessem acima da faixa da presente invenção. E osaços foram, portanto, inferiores aos aços dos Exemplos em capacidade deusinagem (VL1000, VB_max) e valor de impacto. Os aços dos ExemplosComparativos n° 51 a n°54 tiveram teores de Sb acima da faixa da presenteinvenção e foram, portanto, inferiores aos aços dos Exemplos em valor deimpacto.

Segundo Conjunto de Exemplos

Nesse conjunto de Exemplos, aços das composições mostradasna Tabela 7 e na Tabela 8, 150 kg de cada, foram produzidos em um forno avácuo, forjados a quente sob uma condição de temperatura de 1250 °C, ealongados por forjamento em barras de 65 mm de diâmetro. As propriedadesdos aços dos Exemplos e dos Exemplos Comparativos foram avaliadassubmetendo-se os mesmos a um teste de capacidade de usinagem, a umteste de impacto Charpy, e a um teste de tração pelos métodos estipuladosabaixo. Nas Tabelas 7 e 8, o sublinhado indica um valor for a da faixa dainvenção.<table>table see original document page 30</column></row><table><table>table see original document page 31</column></row><table><table>table see original document page 32</column></row><table>Continuacao

<table>table see original document page 33</column></row><table><table>table see original document page 34</column></row><table><table>table see original document page 35</column></row><table><table>table see original document page 36</column></row><table>Continuacao...

<table>table see original document page 37</column></row><table>Continuacao...

<table>table see original document page 38</column></row><table><table>table see original document page 39</column></row><table><table>table see original document page 40</column></row><table>Teste de Capacidade de Usinagem

O teste de capacidade de usinagem foi conduzido em relaçãoaos aços dos Exemplos e dos Exempçlos Comparativos que foram alonga-dos por forjamento sob aquecimento a 1250°C inicialmente pela sujeiçãodos mesmos a um tratamento térmico consistindo de normalização sob con-dições de temperatura de 850°C por 1 h, 0,5 h no caso dos Exemplos Com-parativos n9 48, n9 49 e n9 97 a nQ 101, seguido de resfriamento a ar. Umcorpo de prova do teste de avaliação da capacidade de usinagem foi entãocortado de cada aço tratado termicamente e as capacidades de usinagemdos aços dos Exemplos e dos Exemplos Comparativos foram avaliados con-duzindo-se o teste de perfuração com brocas sob as condições de cortemostradas na Tabela 9 e para o teste de torneamento longitudinal sob ascondições mostradas na Tabela 10. A velocidade maxima de corte VL1000que permite o corte até uma profundidade cumulativa de furo de 1000 mm foiusada como índice de avaliação no teste de perfuração com brocas, e a lar-gura máxima VB_max de desgaste do flanco de relevo após 10 minutos foiusado como índice de avaliação no teste de torneamento longitudinal.

Tabela 9

<table>table see original document page 41</column></row><table><table>table see original document page 42</column></row><table>

Teste de Impacto Charpy

A figura 1 é um diagrama mostrando uma região da qual foi cor-tado um corpo de prova para o teste de impacto Charpy. No teste de impactoCharpy, inicialmente, conforme mostrado na figura 1, um cilindro 2 medindo25 mm de diâmetro foi cortado de um aço 1 termicamente tratado pelo mes-mo método e sob as mesmas condições do corpo do acima mencionado tes-te de capacidade de usinagem de forma que seu eixo fosse normal à direçãode alongamento por forjamento do aço 1. A seguir, o cilindro 2 foi mantidosob condições de temperatura de 850 0C por 1 h, 0,5 h no caso dos Exem-pios Comparativos nQ 48, nQ 49 e n- 97 a nQ 101, então resfriado a óleo peloresfriamento até 60°C, e também submetido ao revenido com resfriamento aágua no qual ele foi mantido sob condições de temperatura de 550 0C por 30minutos. A seguir, o cilindro 2 foi usinado para fabricar um corpo de prova doteste de impacto Charpy 3 em conformidade com a norma JIS Z 2202, quefoi submetido a um teste de impacto Charpy à temperatura ambiente de a-cordo com o método prescrito pela norma JIS Z 2242. A energia absorvidapor unidade de área (J/cm2) foi adotada como índice de avaliação.Teste de Tração

Um cilindro 2 resfriado a oleo e revenido pelos mesmos métodose sob as mesmas condições que no acima mencionado teste de impactoCharpy foi processado em um corpo de prova de tração medindo 8 mm nodiâmetro da seção paralela e 30 mm no comprimento da seca paralela, eentão testado quanto à tração à temperatura ambiente de acordo com o mé-todo prescrito pela norma JIS Z 2241. A razão de rendimento =(0,2% doestresse de prova YP) / (limite de resistência à tração TS) foi adotado comoíndice de avaliação.

Os resultados dos testes acima estão mostrados nas tabelas 11e 12.<table>table see original document page 43</column></row><table><table>table see original document page 44</column></row><table>Continuação...

<table>table see original document page 45</column></row><table>Continuação...

<table>table see original document page 46</column></row><table>

Os aços n° 1 nas Tabelas 7 e 11 são configurações da reivindi-cação 1 e os aços n° 2 a n° 42 nas mesmas tabelas são configurações dareivindicação 2. Os aços n° 52 a n° 93 na Tabela 8 e na Tabela 12 são confi-gurações da reivindicação 1. Os aços comparativos n° 43 a n§ 49 satisfazemos requisitos do teor de S e do teor de Ca da reivindicação 2, e os açoscomparativos n° 94 a n° 101 satisfazem os requisitos de teor de S e de teorde Ca da reivindicação 1.

Conforme mostrado nas Tabelas 11 e 12, os aços dos exemplosn° 1 a n° 42 e nQ 52 a n° 93 apresentaram bons valores para todos os índicesde avaliação, isto é, VL1000, VB_max, valor de impacto (energia absorvida),e YP / TS (razão de rendimento), mas os aços dos Exemplos Comparativosforam inferiores aos aços dos Exemplos em pelo menos uma das proprieda-des. Especificamente, os aços dos Exemplos Comparativos n° 43 a n° 46tiveram teores de Al total abaixo da faixa da presente invenção e foram, por-tanto, inferiores aos aços dos Exemplos em capacidade de usinagem(VL1000) e razão de rendimento (YP / TS). Além disso, o aço do ExemploComparativo nQ 47 teve um teor de Al total abaixo da faixa da presente in-venção, de forma que seu teor de N soluto estava acima da faixa da presen-te invenção, e o aço era, portanto, inferior aos aços dos Exemplos em capa-cidade de usinagem (VL1000, VB_max), valor de impacto, e razão de rendi-mento (YP/TS).

Os aços dos Exemplos Comparativos n° 48 e n° 49 foram manti-dos a 850 °C, temperatura na qual o AIN se precipita prontamente, por umperíodo de tempo mais curto que os aços dos Exemplos, de forma que seusteores de N soluto estivessem acima da faixa da presente invenção, e osaços foram, portanto, inferiores aos aços dos Exemplos em capacidade deusinagem (VL1000, VB_max) e valor de impacto. Além disso, os aços dosExemplos Comparativos n° 94 a n° 96 tiveram teores de Al total 96 abaixo dafaixa da presente invenção e foram, portanto, inferiores aos aços dos Exem-plos em capacidade de usinagem (VL1000, VB_max) e razão de rendimento(YP / TS). Além disso, os aços dos Exemplos Comparativos n9 97 a n9 101foram mantidos a 850 °C, temperatura na qual o AIN precipita prontamente,por um tempo de manutenção mais curto que o dos aços dos Exemplos, deforma que seus teores de N soluto estivessem acima da faixa da presenteinvenção, e os aços foram, portanto, inferiores aos aços dos Exemplos emcapacidade de usinagem (VL1000, VB_max) e valor de impacto.

Aplicabilidade Industrial

A presente invenção fornece um aço estrutural para máquinasque tenham boa capacidade de usinagem sobre uma ampla faixa de veloci-dade de usinagem e também tenha altas propriedades de impacto e alta ra-zão de rendimento.

Claims

1. Aço estrutural para máquinas excelente em capacidade deusinagem e propriedades de resistência compreendendo, em % em massa:C: 0,1 a 0,85%,Si: 0,01 a 1,5%,Mn: 0,05 a 2,0%,P: 0,005 a 0,2%,S: 0,001 a 0,15%,Al total: maior que 0,05% e não maior que 0,3%,Sb: menor que 0,0150% (incluindo 0%), eN total: 0,0035 a 0,020%,N soluto sendo limitado a 0.0020% ou menos, eUm saldo de Fe e as inevitáveis impurezas.

2. Aço estrutural para máquinas excelente em capacidade deusinagem e propriedades de resistência conforme a reivindicação 1, tambémcompreendendo, em % em massa, um ou mais elementos entre Ca: 0,0003a 0,0015%, Ti: 0,001 a 0,1%, Nb: 0,005 a 0,2%, W: 0,01 a 1,0%, V: 0,01 a-1,0%, Mg: 0,0001 a 0,0040%, Zr: 0,0003 a 0,01%, REMs: 0,0001 a 0,015%,Sn: 0,005 a 2,0%, Zn: 0,0005 a 0,5%, B: 0,0005 a 0,015%, Te: 0,0003 a-0,2%, Bi: 0,05 a 0,5%, Pb: 0,005 a 0,5%, Cr: 0,01 a 2,0%, Mo: 0,01 a 1,0%,Ni: 0,05 a 2,0% e Cu: 0,01 a 2,0%.