Processo e material para fabricação de parafusos de alta resistência

  • Número do pedido da patente:
  • PI 8906781-9 A2
  • Data do depósito:
  • 27/12/1989
  • Data da publicação:
  • 27/08/2002
Inventores:
  • Classificação:
  • C22C 38/00
    Ligas ferrosas, p. ex. ligas de a?o;
    ;
    C21D 1/02
    M?todos ou dispositivos gerais para tratamentos t?rmicos p. ex. recozimento, endurecimento, t?mpera ou revenimento; / Endurecimento de artigos ou de materiais formados por forjamento ou lamina??o; sem aquecimento adicional al?m do exigido para a forma??o;
    ;
    B21K 1/44
    Fabrica??o de pe?as de m?quinas; / parafusos, pernos ou similares;
    ;
    B21H 9/02
    Disposi??es de alimenta??o de m?quinas para laminar ou aparelhos para manufaturar artigos inclu?dos nesta subclasse; / para lamina??o de parafusos;
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Documento

‘    Relatório descritivo da Patente de in

venção: "PROCESSO E MATERIAIS PARA FABRICAÇÃO DE PARAFUSOS DE ALTA RESISTÊNCIA.

Os parafusos de alta resistência, correspondentes âs classes 8.8 e 10.9 das normas SAE J429 ou ISO-898-1, -são normalmente fabricados através de um dos* dois processos abaixo, a saber:

PROCESSO - 1    PROCESSO - 2

1)    Aço médio carbono    Aço microligado

2)    Laminação contínua    Laminação controlada

3)    Pré-trefilação    ----------------------

4)    Recozimento    ----------------------

5)    Trefilação    Trefilação

6)    Forjamento do parafuso    Forjamento do parafuso

7)    Austenitização e têmpera    ----------------------

8)    Revenimento    Envelhecimento

9)    Acabamento    Acabamento

O processo 2 é considerado moderno e eficaz energeticamente, uma vez que as etapas 3, 4 e 7 são eliminadas e a etapa 8 é feita a uma temperatura mais baixa. O aço trabalhado neste processo é de baixo-carbo-no, com manganês alto e micro-ligantes como o niõbio, ti tãnio ou vanãdio, sendo utilizada no processamento a téc nica de Laminação Controlada. O aço trabalhado no procejs so 1 é médio carbono, muitas vezes com adições de elemen tos influentes na temperabilidade, como o cromo, níquel ou molibdênio, por isso podendo ser temperado e reveni-do. O processamento da etapa 2 é contínuo, ou seja, sem "tempos de espera" entre passes para controle de tempera tura.

Os valores mínimos de resistência da

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■classe 8.8 são ditados pelas normas mencionadas iniciab mente como sendo 80 Kgf/mm2 de limite de resistência e 64 Kgf/mm2 de limite de escoamento. Tais normas exigem ainda que a ductilidade dos parafusos fabricados tenham valores mínimos de 12% de alongamento e 35% de redução de área no ensaio de tração em corpo de prova de compri. .mento igual a cinco vezes o diâmetro. Jã aos parafusos da classe 10.9 devem apresentar 100 Kgf/mm2 como limite de resistência, 90 Kgf/mm2, como limite de escoamento, 9% de alongamento e 35% de redução de área. Como estes valores de resistência são muito altos para se obter dl retamente da laminação a quente, o processo 1 utiliza o método de endurecimento por austenitização e tempera se guidas de revenimento (etapas 7 e 8),'enquanto que no processo 2, o endurecimento é obtido por refino de grão na laminação controlada, seguida de encruamento durante a trefilação da etapa 5 e ganho final através de envelhecimento na etapa 8. No artigo, por exemplo "Microal-loyed Steel Wire for Automotive Fasteners" de K. NAMIKI et alii, publicado na coletânea "Fundamentais of MicroaJL loying Forging Steels", AIME, Pennsylvania, 1987, utiLi za-se o processo 2 para descrição de um método de fabrjL cação de parafusos da classe 8.8. A página 530 deste ar tigo lê-se que apõs a etapa 2 (laminação controlada) o material apresentou limite de escoamento de 48,3 Kgf/mmlimite de resistência de 69,2 Kgf/mm2, alongamento de 36,2% e redução de área de 68,5%, que são valores típicos de aços microligados baixo-carbono obtidos no processo de laminação controlada. Estes autores utilizaram um encruamento de 25% na trefilação da etapa 5. O parafuso final destes autores apresentou os seguintes valores nas suas propriedades: limite de resistência de 88. 1 Kgf/mm2, limite de escoamento de 79.9 Kgf/mm3, alonga mento de 15% e redução de área de 62%. Estes parafusos atendem perfeitamente a classe 8.8, mas não atendem a classe 10.9.

A presente invenção apresenta como 1 -principal objetivo a eliminação da etapa 5 durante uma*

.fabricação de parafusos via um procedimento similar ao definido pelo processo 2. Tal fato pode ser conseguido se forem processados aços micro-ligados baixo-carbono era Laminação Contínua desde que se promova a formação de ferrita acicular ou bainita superior na estrutura final. Esta última condição, é conseguida com a adição de elementos influentes na temperabilidade, como o cromo e o boro, ou, opcionalmente, através da adoção de métodos de resfriamento acelerado posteriormente â Laminação Con tínua. O processo de fabricação de parafusos segundo o princípio da presente invenção constitui-se nas seguintes fases:

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1)    Aço microligado modificado

2)    Laminação Contínua com resfriamento acelerado

3)    ----------------------------------

4)    ----------------------------------

5)    ----------------------------------

6) Forjamento do parafuso

7,    ----------------------------------

8)    Envelhecimento

9)    Acabamento

Enquanto que a etapa 6, Forjamento do Parafuso, e a etapa 9, Acabamento, são as mesmas utilizadas no processamento tradicional. Processo 1 ou 2, a etapa 8, de Envelhecimento, deve ser feita entre 250 e 350QC, preferencialmente a 300QC por 30 minutos, o que leva a um aumento de resistência de 10 Kgf/mm2.

Como a etapa que estã sendo eliminada nesta invenção (etapa 5 de trefilação) tem duas funções básicas, ou seja, de bitolamento para o diâmetro final e encruamento, para que os valores de resistência sejam obtidos, o método inventado aqui exige que os parafusos sejam forjados em máquina ("bolt maker"), onde o bitola mento é feito intrinsicamente na própria máquina de parafusos. Assim, supõe-se que a etapa 6 jã inclui o bito lamento. Nesta etapa 6, existe um ganho de cerca de 7-10 Kgf /mm2 no limite de resistência do material. Uma vez^

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que a etapa 8 trás um ganho, também de cerca de 10 kgf/ mma, o aço desta invenção terá de produzir um material com pelo menos 63 kgf/mm2 após a etapa 2, para atender a classe 8-8. Assim o material terá um mínimo de 63 kgf 5. /mm2 ao sair da etapa 2, ganhando pelo menos 7 kgf/mmna etapa 6 e outros 10 kgf/mm2 na etapa 8, perfazendo o mínimo necessário de 80 kgf/mm2 da classe 8.8. Similarmente, os aços para parafusos da classe 10.9 deverão ser produzidos com um mínimo de 83 kgf/mm2 após a etapa 2. 0. Caso a máquina de forjamento de parafusos não disponha deste dispositivo, então o aço deve ser produzido com 70 kgf/mm2 e 90 kcrf/mm2 de limite de resistência,respec tivamente para as classes 8.8 e 10.9. Neste caso, o limite de escoamento também terá de ser mais elevado, ou 5. seja, 54 kgf/mm2 e 80 kgf/mm2, para as classes 8.8 e 10 .9 respectivamente, considerando-se somente o ganho da etapa 8.

EXEMPLO 1: Quatro aços microligados baixo-carbono de composição nominal básica 0,08%C-1,8% 0.    Mn-0,05%Nb-0,02%Ti (Impurezas de Al, Si, P e S) foram

produzidos industrialmente, sendo gue o primeiro aço identificado como N.l, não continha elementos de alta temperabilidade, o segundo continha adições de boro, o terceiro continha adições de cromo e o quarto continha 5. adições de cromo e boro. Após a laminação contínua de fios-mãquinas de 13 mm destes aços utilizou-se dois esquemas de resfriamentos resfriamento ao ar calmo e resfriamento acelerado com taxa aproximada de 6QC/s. Com isto gerou-se um total de oito combinações com as pro-0. priedades mecânicas como mostrado na tabela abaixo. LE é o limite de escoamento em kgf/mma, LR o limite de resistência em kgf/mm2, ALO o alongamento em porcentagem e RA é a redução de área em porcentagem. Os primeiros números são os obtidos utilizando-se resfriamento acele rado e os números entre parenteses são os obtidos com refrigeração ao ar calmo.

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N.3

76

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92

(82)

15 (18)

65

(56)

N.4

85

(55)

98

(87)

16 (16)

66

(57)

OBSERVAÇÕES:

A)

Todas as

combinações

da tabela

acima produzem

aços


com ductilidade para atender ambas as classes 8.8 e 10.9.

B)    O valor mínimo de 63 Kgf/mm2 de LR para se fabricar parafusos da classe 8.8 na máquina "bolt maker',' tam bém pode ser atendido por todas as combinações de fabricação acima.

C)    O valor mínimo de 83 Kgf/mm2 de LR para atender a classe 10.9 pode ser obtido pelo aço N.3 com resfria. mento acelerado, ou pelo aço N.4 com qualquer tipo de resfriamento.

D)    Para a classe 10.9 o elemento proporcionador de alta temperabilidade, o boro, de aço N.2, não foi suficiente para levar a resistência no nível desejado, nem com resfriamento acelerado de 6QC/s.

E)    Caso o parafuso seja fabricado em máquina que não tenha o dispositivo de bitolamento, então somente os aço N.2, com resfriamento acelerado e Ns. 3 e 4 com qualquer resfriamento poderão atender a classe 8.8, pois somente estas combinações apresentam limite de escoamento superiores a 54 Kgf/mm2.

P) Caso o parafuso seja fabricado em máquina que não tenha o dispositivo de bitolamento, então somente o aço N.4 com resfriamento acelerado poderá atender a classe 10.9, pois somente esta combinação apresenta limite de escoamento superior a 80 Kgf/mm2.

EXEMPLO 2:    Utilizou-se o aço N.l,

com resfriamento acelerado, para a fabricação de parafu sos de 12 mm-classe 8.8 na máquina "bolt maker", seguin do-se o fluxo de fabricação como indicado para o proces* so da invenção. Destes parafusos foram usinados corpos #de prova para ensaios de tração que acusaram os seguin-


-tes resultados: Limite de escoamento de 74 Kgf/mm2, Limite de resistência de 85 Kgf/mm2, alongamento de 15% e redução de área de 70%. Todos estes valores estão dentro do requerido pelas normas para parafusos da classe 8.8, comprovando o atestado nesta invenção.

EXEMPLO 3: Utilizou-se o aço N. ,3, com resfriamento acelerado, para a fabricação de parafusos de 12mm, classe 10.9, na máquina "bolt maker", seguindo-se o fluxo de fabricação como indicado para o propesso da invenção. Destes parafusos foram usinados corpos de prova para ensaios de tração que acusaram os seguintes resultados: Limite de escoamento de 94 Kgf/ mm2, limite de resistência de 104 Kgf/mm2, alongamento de 14% e redução de área de 69%. Todos estes valores es tão dentro da requerida pelas normas para parafusos da classe 10.9, comprovando o atestado nesta invenção.

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,    REIVINDICAÇÕES

1)    "PROCESSO E MATERIAIS PARA FABRICA ÇÃO DE PARAFUSOS DE ALTA RESISTÊNCIA", destinados a pos sibilitar a obtenção de parafusos que possam atender com pletamente as especificações das classes 8.8r 10.9, caracterizados por etapa de laminação contínua em equipamento convencional que é seguida de etapa de resfriamen to acelerado em torno de 6QC/s de maneira que se tenha a formação de ferrita acicular ou bainita superior na estrutura final; de etapa de forjamento do parafuso; de etapa de envelhecimento entre 250 e 350QC e, finalmente de uma etapa de acabamento do parafuso, sendo que, para completo atendimento das classes 8.8 e 10.9, na mencionada etapa de Laminação Continua são processados materiais de baixo-carbono micro-ligados ao niõbio e titânio, de alto manganês e com adições de elementos influentes na temperabilidade, como o cromo ou boro.

2)    "MATERIAL PARA FABRICAÇÃO DE PARAFUSOS DE ALTA RESISTÊNCIA" microligado ao niõbio o titã nio, baixo-carbono, alto manganês, com adições de elementos influentes na alta temperabilidade como cromo ou boro fabricado pelo processo de Laminação Contínua com resfriamento acelerado apõs último passe de laminação, caracterizado por apresentar limite de resistência maior que 63 Kgf/mm2 e ductilidade maior que 12% de a-longamento e maior que 35% de redução de área quando me d idos no ensaio da tração, produto este que quando utilizado no processo de fabricação de parafusos descrito na reivindicação número 1, produz parafusos que atendem completamente as especificações da classe 8.8.

3)    "MATERIAL PARA FABRICAÇÃO DE PARA-.FUSOS DE ALTA RESISTÊNCIA" microligado ao niõbio e titã


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■nic, baixc-carbono, alto manganês, coir adições de elementos influentes na alta temperabilidade como o cromc ou boro fabricado pelo processo de laminação contínua com resfriamento acelerado após último passe de lammaçãoi ca racterizado por apresentar limite de resistência maior que 83 Kgf/mm2 e ductilidade maior que 9% de alongamen-, to e maior que 35% de redução de área guando medidos no ensaio de tração, produto este que quando utilizado no processo de fabricação de parafusos descrito na reivindicação número 1, produz parafusos que atendem completa mente as especificações da classe 10.9.

4)    "MATERIAL PARA FABRICAÇÃO DE PARA

FUSOS DE ALTA RESISTÊNCIA" microligado ao niõbio e titâ nio, baixo-carbono, alto manganês, com adições de elementos influentes na alta temperabilidade como c cromc ou boro fabricado pelo processo de laminação contínua com resfriamento acelerado após último passe de laminação caracterizado por apresentar limite de escoamento maior que 54 Kgf/mm2, limite de resistência maior que 70 Kgf/mm2 e ductilidade maior que 12% de alongamento e maior que 35% de redução de área quando medidos no ensaio de tração, produto este que quando utilizado nc processo de fabricação de parafusos descrito na reivindicação número 1, mesmo em máquina que não dispõe de di£ positivo de bitolamento, produz parafusos que atendem completamente às especificações da classe 8.E.

5J    "MATERIAL PARA FABRICAÇÃO DE PARA

FUSOS DE ALTA RESISTÊNCIA" microligado ao niõbio e titã nio, baixo-carbono, alto manganês, com adições de elementos influentes na alta temperabilidade como o cromc e boro fabricado pelo processo de laminação contínua com resfriamento acelerado após último passe de laminação caracterizado por apresentar limite de escoamento maior que 80 Kgf/mm2, limite de resistência maior que 90 Kgf/mm2 e ductilidade maior que 9% de alongamentoemaior que 35% de redução de área quando medidos no ensaio de tração, produto este que quando utilizado no processe ‘


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•de fabricação de parafusos descrito na reivindicação nú. mero 1, mesmo em maquina que não dispõe de dispositivo de bitolamento, produz parafusos que atendem completamente as especificações da classe 10.9.

Patente de Invenção: "PROCESSO E MATERIAIS PARA FABRICAÇÃO DE PARAFUSOS DE ALTA RESISTÊN CIA".

A invenção se refere a processo e materiais que possibilitam a obtenção de parafusos de alta resistência que atendem completamente as especificações das classes 8-8e 10.9 das Normas SAE J429 ou ISO 898-1.

O processo trata de etapas de La-minação Contínua com resfriamento acelerado, seguidas e tapas de forjamento, envelhecimento e acabamento. Os ma teriais processados devem ser baixo-carbono micro-liga-dos ao niõbio e titânio, de alto manganês e com adições de elemento influentes na temperabilidade, como o cro-mo ou boro.