BR112016029865B1 - método de formação de uma liga ferrosa e material de liga ferrosa - Google Patents

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Abstract

LIGA FERROSA. São reveladas ligas ferrosas e métodos de formação das ligas ferrosas. Em pelo menos uma modalidade, um material de liga ferrosa inclui ferro e boro e tem uma camada de invólucro externa. A camada de invólucro externa pode ter um tamanho de grão médio de ASTM 9 ou mais fino e pode ter uma espessura de invólucro de pelo menos 0,025 mm (0,001 polegadas). A concentração de boro da camada de invólucro externa pode ser maior que uma concentração de boro de um núcleo do material. O material de liga ferrosa também pode incluir um agente removedor de nitrogênio e pode ter uma concentração de nitrogênio na camada de invólucro externa que é maior que uma concentração de nitrogênio no núcleo do material. A liga pode ser formada por meio da realização de uma etapa de carburação e de uma etapa de nitretação acima da temperatura crítica superior em um aço de boro. 0 método pode incluir apenas um ciclo único de aquecimento e arrefecimento brusco.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS
[001] Este pedido reivindica o benefício do pedido provisório n° de série U.S. 62/ 014.962 depositado em 20 de junho de 2014, cuja revelação está aqui incorporada em sua totalidade a título de referência.
CAMPO DA TÉCNICA
[002] Este pedido de patente refere-se a uma liga ferrosa, por exemplo, uma liga ferrosa que tem uma camada de invólucro de grão fino.
ANTECEDENTES
[003] Ligas ferrosas são usadas em muitas aplicações, incluindo componentes veiculares. Em algumas aplicações, a robustez e a resistibilidade/dureza podem ser propriedades importantes da liga ferrosa. Entretanto, em geral, conforme a resistibilidade/dureza de um material aumentam, a robustez tipicamente diminui. A fim de mitigar a redução na robustez, elementos de liga adicionais são tipicamente adicionados à liga e/ou a liga pode ser submetida a múltiplos tratamentos térmicos.
SUMÁRIO
[004] Em pelo menos uma modalidade, é fornecido um método de formação de uma liga ferrosa. O método pode incluir tratar um material ferroso precursor que compreende ferro, um agente removedor de nitrogênio, e boro em uma atmosfera enriquecida com nitrogênio a uma temperatura acima de uma temperatura crítica superior do material ferroso precursor. O método pode incluir adicionalmente resfriar o material ferroso precursor abaixo da temperatura crítica superior para formar a liga ferrosa. A liga ferrosa pode incluir uma camada de invólucro de grão fino que tem um tamanho de grão médio de ASTM 9 ou menos.
[005] O método pode incluir adicionalmente introduzir o material ferroso precursor em uma atmosfera enriquecida com carbono quando a temperatura estiver acima da temperatura critica superior. Em uma modalidade, o método pode incluir tratar o material ferroso precursor em uma atmosfera enriquecida com carbono a uma primeira temperatura acima da temperatura crítica superior, em que o tratamento do material ferroso precursor na atmosfera enriquecida com nitrogênio é realizado a uma segunda temperatura acima da temperatura crítica superior.
[006] A segunda temperatura pode ser menor que a primeira temperatura. Em uma modalidade, o método pode incluir tratar o material ferroso precursor na atmosfera enriquecida com carbono a uma temperatura de cerca de 787 a 1.204 °C (1.450 a 2.200 °F) por um período de tempo de 1 a 28 horas e tratar o material ferroso precursor na atmosfera enriquecida com nitrogênio à segunda temperatura por um segundo período de tempo. A segunda temperatura pode ser pelo menos 25 °F menor que a primeira temperatura.
[007] O material ferroso precursor pode incluir carbono em uma faixa de quantidade de 0,17 a 1,5% em peso, manganês em uma quantidade na faixa de 0,07 a 1,75% em peso, silício em uma quantidade na faixa de 0,15 a 0,6% em peso, fósforo em uma quantidade menor que 0,03% em peso, enxofre em uma quantidade menor que 0,05% em peso, e ferro em uma quantidade maior que 80% em peso. Em uma modalidade, o material ferroso precursor inclui um total menor que 1, 0% em peso de molibdênio, cromo, níquel, cobre e tungsténio.
[008] A camada de invólucro de grão fino pode ter uma espessura de pelo menos 0,025 mm (0,001 pol) . 0 material ferroso precursor pode incluir pelo menos 0,0005% em peso de boro. 0 agente removedor de nitrogênio pode incluir dentre vanádio, titânio, tungsténio, aluminio, zircônio, nióbio, cromo e molibdênio e pode estar presente em uma quantidade de cerca de 0,01 a 0,1% em peso do material ferroso precursor. Em uma modalidade, o material ferroso precursor é bruscamente arrefecido apenas uma vez para formar a camada de invólucro de grão fino.
[009] Em pelo menos uma modalidade, é fornecido um material de liga ferrosa. 0 material pode incluir ferro, um agente removedor de nitrogênio, e boro, em que o material tem uma camada de invólucro de grão fino. A camada de invólucro fina pode ter um tamanho de grão médio de ASTM 9 ou menos, em uma concentração de nitrogênio que é maior que uma concentração de nitrogênio de um núcleo do material. A camada de invólucro de grão fino pode ter um tamanho de grão médio na faixa de ASTM 12 a ASTM 14. Um núcleo do material de liga ferrosa pode incluir pelo menos 0,0005% em peso de boro e a camada de invólucro de grão fino pode incluir uma concentração de boro maior que o núcleo. Em uma modalidade, o material de liga ferrosa inclui um total menor que 1,0% em peso de molibdênio, cromo, níquel, cobre e tungsténio. A concentração de nitrogênio da camada de invólucro de grão fino pode ser mais de duas vezes a concentração de nitrogênio do núcleo do material.
[010] Em pelo menos uma modalidade, é fornecido um material ferroso. 0 material pode incluir ferro e boro atômico, em que o material tem uma camada de invólucro externa. A camada de invólucro externa pode ter uma espessura de invólucro de 0,025 mm (0,001 pol) a 12,7 mm (0,500 pol), uma concentração de nitrogênio que é maior que uma concentração de nitrogênio de um núcleo do material, e uma concentração de boro que é maior que uma concentração de boro do núcleo do material.
[011] O material também pode incluir uma camada de invólucro interna disposta entre a camada de invólucro externa e o núcleo. A camada de invólucro interna pode ter uma concentração de boro que é menor que as concentrações de boro tanto da camada de invólucro externa como do núcleo. A camada de invólucro externa pode ter um tamanho de grão médio de ASTM 9 ou menos. Em uma modalidade, a camada de invólucro externa tem um tamanho de grão médio na faixa de ASTM 12 a ASTM 14.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[012] A Figura 1 mostra um fluxograma de um processo para produzir uma liga ferrosa de acordo com modalidades descritas no presente documento;
[013] A Figura 2 mostra um micrográfico óptico de uma liga ferrosa de acordo com uma modalidade descrita no presente documento;
[014] A Figura 3 mostra um micrográfico óptico de uma porção da liga ferrosa da Figura 2;
[015] A Figura 4 mostra um micrográfico óptico de outra porção da liga ferrosa da Figura 2;
[016] A Figura 5 mostra um micrográfico óptico de outra porção da liga ferrosa da Figura 2;
[017] A Figura 6 mostra um gráfico de medições de estresse na fadiga da liga ferrosa da Figura 2; e
[018] A Figura 7 mostra um gráfico de porcentagem ponderal elementar a distâncias de uma superfície da liga ferrosa da Figura 2 e de outra liga ferrosa.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[019] Conforme exigido, são reveladas no presente documento modalidades detalhadas da presente invenção; entretanto, deve ser entendido que as modalidades reveladas são meramente exemplificadoras da invenção que podem ser concretizadas de várias formas alternativas. As Figuras não estão necessariamente desenhadas em escala; alguns recursos podem ser exagerados ou minimizados para mostrar detalhes de componentes particulares. Portanto, detalhes estruturais e funcionais específicos revelados neste documento não devem ser interpretados como limitantes, mas meramente como uma base representativa para ensinar uma pessoa versada na técnica a empregar de modo variado a presente invenção.
[020] Conforme descrito nos Antecedentes, ligas com alta resistibilidade e/ou dureza tendem a ter robustez reduzida. A fim de aumentar a robustez desses materiais, elementos de liga como molibdênio, crômio, niquel, cobre e tungsténio são tipicamente adicionados como elementos de liga. Esses elementos adicionais podem acrescentar custos significativos ao material. Outro método de aumento da robustez é realizar múltiplos tratamentos térmicos na liga. Os tratamentos térmicos podem ser realizados para reaustenitizar as ligas para refinar o tamanho de grão. Esses tratamentos térmicos acrescentam tempo e custos ao processamento de material.
[021] Foi constatado que uma liga ferrosa de alta resistibilidade e de alta robustez pode ser produzida com elementos de liga enormemente reduzidos tratamento térmico reduzidos (por exemplo, aquecimento e arrefecimento brusco). Por exemplo, os elementos de liga tipicos de molibdênio, crômio, niquel, cobre e tungsténio podem ser reduzidos para um total menor que 1% em peso da liga ferrosa e pode haver apenas um único ciclo de tratamento térmico e arrefecimento brusco. Conforme descrito em mais detalhes abaixo, o material de liga ferrosa pode ser formado mediante a carburização e a nitretação de uma liga ferrosa que inclui boro (por exemplo, aço de boro) . Esse é um resultado surpreendente e inesperado. 0 conhecimento convencional ensina contra a nitretação de aço de boro, visto que a adição de boro torna o aço já endurecivel, o que tornaria a nitretação desnecessária e redundante. A carbonitretação de aço de boro é, portanto, contraintuitiva, devido ao fato de que o propósito de adição de nitrogênio durante o processo de carburação é aumentar o endurecimento de invólucro de aços lisos ou de baixa liga. Além disso, a adição de nitrogênio durante o processo de carbonitritetação é tipicamente realizada abaixo de 841 °C (1.600 °F) , o que aumentaria significativamente o ciclo de carburação e o custo de fabricação da liga ferrosa sem nenhum beneficio previsível.
[022] A Figura 1 mostra um método 100 para produzir uma liga ferrosa de grão fino ou uma liga ferrosa com uma camada de invólucro de grão fino. 0 método 100 pode produzir uma liga ferrosa que é forte e resistente, enquanto reduz a quantidade de elementos de liga dispendiosos e tratamentos térmicos prolongados e dispendiosos. Embora modalidades sejam descritas com referência a um método exemplificador e a materiais e produtos produzidos por meio desse método, também deve ser entendido que esta revelação não limita o escopo às modalidades especificas descritas abaixo, visto que componentes e condições especificas podem variar. Por exemplo, a descrição de um grupo ou classe de materiais conforme adequado para um dado propósito não indica necessariamente preferência por aqueles materiais em relação a outros materiais igualmente adequados que proporcionam efeitos ou propriedades similares. Em detalhe para as modalidades no presente documento, exceto nos exemplos, ou onde indicado expressamente de outra forma, todas as quantidades numéricas nesta descrição que indicam quantidades de material ou condições de reação devem ser entendidos conforme modificado pelo termo "cerca de" na descrição do escopo mais amplo. A prática dentro dos limites numéricos estabelecida pode ser geralmente preferencial, mas não são necessariamente limitadores. Também deve ser observado que, conforme usado no relatório descritivo e nas reivindicações anexas, a forma singular "um", "uma" e "o/a" compreende referentes no plural exceto se o contexto indicar o contrário.
[023] Na etapa 102 do método 100, um material ferroso é tratado a uma temperatura selecionada acima da temperatura critica superior (doravante chamada de "Temperatura Acs") do material ferroso quando exposto a uma atmosfera selecionada, ou seja, quando exposto a pressões parciais selecionadas de vários constituintes gasosos. Embora, por uma questão de clareza, o termo "material ferroso" seja geralmente usado na descrição do material que é tratado nas várias etapas do método 100, deve ser entendido que o material ferroso é submetido a mudanças microestruturais e/ou composicionais ao longo do método 100. Portanto, o material ferroso pode ser geralmente identificado como um material ferroso precursor ao ser introduzido na etapa 102 do método 100, vários materiais intermediários quando são submetidos a tratamentos ao longo do método 100, e uma liga ferrosa final quando concluir o método 100. A temperatura critica superior (temperatura Acs) é a temperatura-limite inferior para manter o material ferroso em uma fase totalmente austenitica. A temperatura Acj depende da composição específica do material ferroso sendo utilizado. Além da seleção de uma temperatura acima da Temperatura Acs, a temperatura de tratamento pode ser selecionada com base na espessura de camada de invólucro desejada, no tempo de processamento e nas capacidades de forno. Em uma modalidade, podem ser utilizadas temperaturas de 787,8 °C a 982,2 °C (1.450 °F a 1.800 °F).
[024] O material ferroso pode ser introduzido em uma atmosfera enriquecida com carbono na etapa 102, em que o potencial de carbono atmosférico pode ser selecionado com base no tempo de processamento e nas propriedades de material desejadas. Conforme usado no presente documento, uma atmosfera enriquecida com carbono descreve uma condição na qual átomos de carbono de componentes da atmosfera estão disponíveis para difusão para o material ferroso (por exemplo, a um potencial de carbono acima do teor de carbono da liga precursora) . A título de exemplo, o potencial de carbono na atmosfera de carburação pode ser acima de 0,5% em peso de carbono e pode se encontrar na faixa de 0,5% em peso de potencial de carbono a 1, 4% em peso de potencial de carbono. A atmosfera de carburação pode ser fornecida por um período de tempo suficiente para fornecer uma difusão de carbono desejada para o material ferroso.
[025] Tempos de tratamento na atmosfera de carburação podem variar para aplicações selecionadas com base na profundidade de camada de invólucro e nas propriedades de invólucro desejadas. Em geral, tempos de tratamento mais longos irão resultar em uma maior concentração de carbono (até o potencial de carbono) e maior profundidade de invólucro. Em uma modalidade, o tempo de tratamento pode se encontrar na faixa de uma (1) a vinte e oito (28) horas. Em outra modalidade, o tempo de tratamento pode se encontrar na faixa de quatro (4) a vinte (20) horas. A temperatura de tratamento da etapa de carburação pode variar para aplicações selecionadas com base na profundidade de camada de invólucro e nas propriedades de invólucro desejadas. Em geral, temperaturas de tratamento superiores irão resultar em uma maior concentração de carbono (até o potencial de carbono) e maior profundidade de invólucro. Em uma modalidade, a temperatura de tratamento pode ser da temperatura Aca a 1.204,4 °C (2.200 °F). Em outra modalidade, a temperatura de tratamento pode ser de 787,8 °C a 1204,4 °C (1.450 °F a 2.200 °F). Em outra modalidade, a temperatura de tratamento pode ser de 787,8 °C a 982,2 °C (1.450 °F a 1.800 °F).
[026] Na etapa 104 do método 100, o material ferroso pode ser introduzido em uma atmosfera enriquecida com nitrogênio. Conforme usado no presente documento, enriquecido(a) com nitrogênio descreve uma condição na qual o nitrogênio de componentes da atmosfera está disponivel para difusão para o material ferroso (por exemplo, a um potencial de nitrogênio acima do teor de nitrogênio da liga precursora) . Em uma modalidade, uma atmosfera que contém niveis selecionados de amónia é utilizada para induzir nitrogênio no material ferroso. Os tempos de tratamento de enriquecimento de nitrogênio podem variar para aplicações selecionadas com base na profundidade de camada de invólucro e nas propriedades de invólucro desejadas. Em uma modalidade, o tempo de tratamento pode se encontrar na faixa de meia (0,5) a três (3) horas. Em geral, temperaturas de tratamento superiores irão resultar em uma maior concentração de nitrogênio (até o potencial de nitrogênio) e maior profundidade de invólucro. Em uma modalidade, a temperatura de tratamento pode ser da temperatura Acs a 982,2 °C (1800 °F). Em outra modalidade, a temperatura de tratamento pode ser de 787,8 °C a 982,2 °C (1.450 °F a 1.800 °F).
[027] Em uma modalidade, o material ferroso é tratado em uma atmosfera neutra de nitrogênio enriquecida com carbono a uma primeira temperatura de tratamento. Neutra de nitrogênio pode significar que a atmosfera é tal que o teor de nitrogênio do material ferroso nâo será aumentado pelo tratamento. Subsequentemente, o material ferroso pode ser tratado em uma atmosfera enriquecida com carbono em combinação com uma atmosfera enriquecida com nitrogênio a uma segunda temperatura de tratamento. A segunda temperatura de tratamento pode ser menor que a primeira temperatura de tratamento, em que se acredita que a diferença de temperatura desencoraje o crescimento de grão enquanto fornece taxas de absorção de nitrogênio suficientes. Em uma modalidade, a segunda temperatura de tratamento é pelo menos 25 °F ou °C menor que a primeira temperatura de tratamento. Em outra modalidade, a segunda temperatura de tratamento é pelo menos 50 °F ou °C menor que a primeira temperatura de tratamento. Em outra modalidade, a segunda temperatura de tratamento é pelo menos 100 °F ou °C menor que a primeira temperatura de tratamento.
[028] Em uma modalidade, o material ferroso é submetido a um tratamento de austenitização em que o material ferroso é aquecido a uma temperatura de 912,8 °C (1.675 °F) na etapa 102, em que a liga é exposta à atmosfera neutra de nitrogênio enriquecida com carbono com um potencial de carbono de 0,75 % em peso de carbono por treze (13) horas. A temperatura é, então, diminuida para 843,3 °C (1.550 °F) e é adicionada amónia à atmosfera como um gás de arrasto para átomos de nitrogênio na etapa 104, em que os materiais ferrosos são mantidos na atmosfera contendo carbono e nitrogênio por 1,25 hora. A introdução da atmosfera enriquecida com carbono e a introdução da atmosfera enriquecida com nitrogênio ou com carbono mais nitrogênio pode ocorrer quando o invólucro do material ferroso estiver em uma fase totalmente austenitica. Em outras modalidades, a difusão de nitrogênio para o material ferroso pode ser realizada sem a exposição a uma atmosfera enriquecida com carbono antes e/ou durante, o tratamento de austenitização.
[029] Na etapa 106, o material ferroso é bruscamente arrefecido. A temperatura de arrefecimento brusco e a duração do arrefecimento brusco podem ser selecionadas para fornecer características microestruturais determinadas ou selecionadas. Em uma modalidade, o material ferroso é bruscamente arrefecido em um banho de sal a uma temperatura acima da temperatura inicial de martensita (Ms) para fornecer um invólucro com uma microestrutura principalmente bainitica ou uma mistura de microestruturas bainiticas e martensitica, por exemplo, a uma temperatura acima 273,9 °C (525 °F) como uma temperatura de 276,7 °C (530 °F). Além disso, o material ferroso pode ser bruscamente arrefecido por um instante suficiente para assegurar uma transformação isotérmica no material ferroso. Em uma modalidade, o material ferroso é mantido no banho de sal na temperatura de arrefecimento brusco desejada por uma hora. Em uma modalidade, o material ferroso é bruscamente arrefecido a uma temperatura abaixo da temperatura inicial de martensita (Ms) para fornecer um invólucro com uma microestrutura principalmente martensitica, por exemplo, bruscamente arrefecida a uma temperatura de 93,3 °C (200 °F).
[030] As modalidades acima podem produzir material ferroso com tamanhos de grão fino sem submeter os materiais a múltiplas operações de aquecimento e de arrefecimento brusco (por exemplo, o material ferroso é aquecido acima da temperatura Acs e bruscamente arrefecido abaixo da temperatura Acs apenas uma vez) . Subsequente ao arrefecimento brusco, a liga ferrosa pós-tratada pode ser submetida a outras etapas de condicionamento de material. Por exemplo, em uma modalidade, a liga ferrosa pós-tratada pode ser submetida à têmpera. Em uma modalidade, a liga ferrosa pós- tratada pode ser submetida à granalhagem.
[031] Em uma modalidade, o material ferroso precursor compreende agente removedor de boro atômico e de nitrogênio. O boro atômico ou não ligado pode estar presente em uma quantidade variada em várias modalidades. Em pelo menos uma modalidade, o material de precursor pode incluir pelo menos 0,0005% em peso de boro. Por exemplo, para algumas aplicações, o boro atômico pode se encontrar na faixa de cerca de 0,0005% em peso a cerca de 0,006% em peso. 0 agente removedor de nitrogênio pode ser um elemento ou substância que evita que o boro atômico ou não ligado na liga interaja com o nitrogênio que pode estar presente no volume da liga. A quantidade de agente removedor de nitrogênio pode ser selecionada para diminuir adequadamente a interação entre boro e nitrogênio no material ferroso precursor e com base nas propriedades de material e nos custos de material desejáveis. Por exemplo, o agente removedor de nitrogênio pode estar presente em um nivel de cerca de 0,01% em peso a 0,1% em peso e pode compreender um ou mais dos seguintes elementos: vanádio, titânio, tungsténio, aluminio, zircônio, nióbio, crômio e molibdênio.
[032] Em pelo menos uma modalidade, a liga ferrosa pode incluir mais que quantidades-traço de boro, como pelo menos 0,0001% em peso. Por exemplo, a liga pode incluir pelo menos 0,0005% em peso, pelo menos 0,001% em peso, pelo menos 0,005% em peso ou pelo menos 0,01% em peso. 0 boro pode ser boro atômico ou não ligado, por exemplo, devido à presença de um agente removedor de nitrogênio. Em uma modalidade, a composição de liga ferrosa inclui boro em uma quantidade na faixa de cerca de 0,001% em peso a 0,004% em peso, ou qualquer subfaixa entre isso, como 0,0015% em peso a 0,0035% em peso ou 0,002% em peso a 0,003% em peso. Em uma modalidade, a composição de liga ferrosa inclui titânio em uma quantidade na faixa de cerca de 0,02% em peso a 0,08% em peso, ou qualquer subfaixa entre isso, como 0,03% em peso a 0,07% em peso ou 0,04% em peso a 0,06% em peso.
[033] O material ferroso pode compreender qualquer um dos diversos graus de aço comercial junto com várias outras classes de material à base de ferro. Sem limitação ao escopo das modalidades, exemplos desses aços comerciais podem incluir 10B35, 10B36, 15B21, 15B28H, 15B29, 15B30H, 15B35H, 15B37H, 15B41H, 15B48H e 15B62H. Sem limitação ao escopo das modalidades, faixas composicionais gerais de materiais ferrosos incluem carbono na faixa de quantidade de 0,17 a 1,5% em peso, manganês na faixa de quantidade de 0,07 a 1,75% em peso, silicio na faixa de 0,15 a 0,6% em peso, fósforo em quantidade menor que 0,030% em peso, enxofre em quantidade menor que 0,050% em peso, e ferro em quantidade maior que 80% em peso. As ligas ferrosas descritas no presente documento podem ter propriedades de alta dureza e fadiga desejadas a custos inferiores àquelas que utilizam agentes de liga tradicionais (por exemplo, "aços de liga"). O material ferroso pode alcançar propriedades de fadiga e alta desejadas enquanto compreende menos que 1% em peso de agentes de liga tradicionais incluindo um ou mais dos seguintes elementos: molibdênio, crômio, níquel, cobre e tungsténio. A liga pode ter menos que 1% em peso de cada elemento de liga individualmente e no total (por exemplo, molibdênio + crômio + níquel + cobre + tungsténio 1% em peso).
[034] A Figura 2 mostra um micrográfico de um corte transversal de uma liga ferrosa 10 criada por meio do tratamento de um material precursor de aço 15B29 por meio do método 100. 0 micrográfico é magnificado de modo que a linha de escala 11 represente 0,254 mm (0,01 pol). A liga ferrosa 10 inclui as porções 20, 30 e 40, que são camadas representativas da liga pós-tratada 10.
[035] A Figura 3 mostra a porção 20 magnificada de modo que a linha de escala 21 represente 0,127 mm (0,005 pol). A porção 20 pode ser chamada de camada de invólucro, de camada de invólucro de grão fino ou de camada de invólucro externa. A camada de invólucro 20 pode se estender de uma superfície da liga para dentro da direção de um núcleo da liga. A camada de invólucro 20 pode circundar pelo menos parcialmente o núcleo da liga. Em uma modalidade, a camada de invólucro 20 circunda de modo completo ou substancialmente completo o núcleo da liga (por exemplo, pelo menos 95%) . Amostras de grão na porção 20 têm tamanhos, medidos através do método de interceptação de linha, representados na Tabela 1, abaixo:
Figure img0001
[036] A amostragem de tamanho de grão na porção 20 mediu tamanhos de grão substancialmente na faixa de 12 a 13. A distribuição de tamanho de grão da camada de invólucro é substancialmente homogênea com 90% a 100% dos grãos dentro das faixas de tamanho acima. Em outra modalidade, os tamanhos de grão listados podem ser tamanhos de grão médios ou medianos. Embora uma modalidade mostre grãos ASTM 12 e menor na porção 20, em outras modalidades, o tamanho de grão pode ser controlado por meio da variação da composição e das temperaturas para alcançar outros tamanhos de grão. A porção 20 pode ter qualquer tamanho de grão, como ASTM 0 a ASTM 14. Por exemplo, o tamanho de grão médio pode ser ASTM 9 ou menor (por exemplo, < 15,9 μm ou 0, 625 x 10-3pol), ASTM 10 ou menor (por exemplo, < 11,2 μm ou 0,442 x 10-3pol), ASTM 11 ou menor (por exemplo, <7,9 μm ou 0,313 x 10-3 pol), ASTM 12 ou menor (por exemplo, < 5,6 μm ou 0,221 x 10-3 pol) , ASTM 13 ou menor (por exemplo, <4,0 μm ou 0,156 x 10~3pol), ou ASTM 14 ou menor (por exemplo, < ou 2,8 μm ou 0,111 x 10-3 pol) . 0 tamanho de grão médio também pode estar dentro de uma faixa dentre qualquer uma das faixas acima, por exemplo, de ASTM 9 a ASTM 14, ASTM 9 a ASTM 12, ASTM 12 a ASTM 14, ou qualquer outra subfaixa. Embora os grãos na porção 20 possam ter uma microestrutura principalmente martensitica, a temperatura de arrefecimento brusco junto com outros processos de aquecimento e de resfriamento pode ser ajustada para fornecer outras microestruturas que têm faixas de tamanho de grão substancialmente similares. Por exemplo, em uma modalidade alternativa, uma liga ferrosa pode ter uma microestrutura principalmente bainitica enquanto tem um tamanho de grão substancialmente similar conforme descrito acima. A profundidade da camada de invólucro de grão fino pode ser selecionada com base no tempo de tratamento, na temperatura de tratamento, na composição atmosférica de tratamento e nas características de liga de base. Em uma modalidade, a profundidade de invólucro das ligas ferrosas (por exemplo, a espessura da camada de invólucro de grão fino 20) pode ser de 0,0000254 mm a 12,7 mm (0,001 pol a 0,500 pol). Em outra modalidade, a profundidade de invólucro pode ser de 0,254 mm a 7,62 mm (0,01 a 0,3 pol). Em outra modalidade, a profundidade de invólucro pode ser de 0,762 mm a 2,54 mm (0,03 a 0,1 pol).
[037] A Figura 4 mostra a porção 30 da liga ferrosa 10 magnificada de modo que a linha de escala 31 represente 0,127 mm (0,005 pol) . A porção 30 inclui uma transição entre o invólucro e o núcleo da liga ferrosa 10. A porção 30 pode ser chamada de camada de invólucro interna ou de camada intermediária ou de transição. A Figura 5 mostra a porção 40 magnificada de modo que a linha de escala 41 represente 0, 127 mm (0,005 pol). A porção 40 está em um núcleo da liga ferrosa 10 ou pode ser chamada de volume da liga 10. Em pelo menos uma modalidade, a camada de invólucro interna 30 pode estar diretamente entre (ou ensanduichada por) a camada de invólucro externa 20 e a porção 40. Por exemplo, a camada de invólucro interna 30 pode estar entre em contato direto com a camada de invólucro externa 20 e o núcleo 40.
[038] A Figura 6 mostra um gráfico 110 de medições de estresse na fadiga na flexão em MPa (quilolibras por polegada quadrada (ksi)) da liga ferrosa 100 em vários ciclos. Conforme mostrado em dados de gráfico 112, o estresse na fadiga está acima de 2.068 MPa (200 ksi) e acima de 30.000 ciclos, o que demonstra um aprimoramento em relação a um teste de fadiga substancialmente similar em ligas ferrosas anteriores. Por exemplo, a liga ferrosa 100 supera ligas que têm concentrações maiores de elementos de liga, particularmente altos estresses.
[039] A Figura 7 mostra um gráfico 200 de porcentagem ponderai elementar a distâncias de uma superficie da liga ferrosa 10 e uma liga ferrosa 2. Assim como a liga ferrosa 10, a liga ferrosa 2 compreende um aço de boro comercial 15B29, tratado de acordo com o método 100 descrito acima.
[040] Um corte transversal de cada uma dentre a liga 10 e a liga 2 foi cortado e o percentual em peso de elementos a várias distâncias da superficie da liga 10 foi medido. Os niveis de boro 202, os niveis de nitrogênio 204 e os níveis de carbono 206 da liga 10 denominada "Amostra 10"no gráfico 200 sâo plotados como percentual em peso (eixo geométrico y) da liga 10 versus distâncias (eixo geométrico x} da superfície da liga 10. Da mesma forma, os níveis de boro 212, os níveis de nitrogênio 214 e os níveis de carbono 216 da liga 2 denominada "Amostra 2"sâo plotados como percentual em peso (eixo geométrico y) da liga 10 versus distâncias (eixo geométrico x) da superfície da liga 2.
[041] O gráfico 200 mostra segmentos com base em uma distância da superfície de cada respectiva liga 2 e a liga 10, em que um invólucro externo 220 (similar à camada de invólucro externa 20) é designado a distâncias da superfície a cerca de 0,432 mm (0,017 pol); um invólucro interno 222 (similar à camada de invólucro interna 30) é designado a distâncias de 0,432 mm a 2,032 mm (0,017 a 0,080 pol) e um núcleo 224 (similar ao núcleo ou volume 40) é designado a distâncias maiores que 2,032 mm (0,080 pol) da superfície. Conforme mostrado no gráfico 200, o invólucro externo 220 apresenta níveis enriquecidos de boro 0,050% em peso a 0,070% em peso em relação aos níveis de boro (0, 022% em peso a 0,023% em peso) em comparação ao núcleo 224. O invólucro interno tem niveis esgotados de boro (menos que 0,020% em peso em comparação com o núcleo 224.
[042] Sem se ater a nenhuma teoria particular, o boro do material ferroso parece migrar do invólucro interno para o invólucro externo durante o tratamento 100, fornecendo, assim, um material que tem as propriedades benéficas descritas no presente documento. Acredita-se que o boro migre do invólucro interno devido à concentração de nitrogênio aumentada no invólucro externo. O boro em migração pode ser boro atômico ou não ligado, que pode ser devido à presença de agentes removedores de nitrogênio na liga. O boro ligado pode não migrar da mesma maneira devido ao fato de estar travado no lugar por suas ligações a outros elementos. O boro pode reagir com o nitrogênio no invólucro externo para formar precipitados de nitrogênio e boro, compostos ou intermetálicos, como BN. Acredita-se que esses compostos de nitrogênio e boro contribuem para o refino do tamanho de grão. Os precipitados de nitrogênio e boro pode proporcionar ao material ferroso (ou pelo menos ao invólucro externo) uma resistibilidade que é consistente com aços endurecidos/reforçados de precipitado.
[043] Embora sejam fornecidas distâncias especificas para definir o invólucro externo, o invólucro interno e o núcleo nas ligas exemplificadoras 10 e 2, deve ser entendido que tempos e temperaturas variadas de tratamento e niveis variados de amónia ou outra substância doadora de nitrogênio durante a etapa de nitretação podem produzir diferentes profundidades e niveis de boro em camadas das ligas 2, 10. Além disso, a transição de uma zona para outra (por exemplo, do invólucro externo para o invólucro interno) pode ser gradual ou continua, e não marcada por uma mudança repentina.
[044] Consequentemente, em pelo menos uma modalidade, pode ser fornecida uma liga ferrosa 10 que tem um invólucro externo 20 que tem um tamanho de grão fino (por exemplo, média de ASTM 9 ou menor) em comparação com um volume ou núcleo 40 da liga. O invólucro externo 20 também pode ter uma concentração aumentada de nitrogênio e/ou boro, em comparação com o núcleo 40 da liga. Em algumas modalidades, o invólucro externo 20 também pode ter uma concentração aumentada de carbono em comparação com o núcleo 40. A concentração aumentada de nitrogênio no invólucro externo 20 pode ser de um processo de enriquecimento de nitrogênio (por exemplo, a etapa 104), enquanto a concentração aumentada de boro no invólucro externo 20 pode ser da migração de boro para o invólucro externo 20 de fora do invólucro externo 20 (por exemplo, o invólucro interno 30). Se houver uma concentração aumentada de carbono no invólucro externo 20, a mesma pode ser de um processo de carburação (por exemplo, a etapa 102). Conforme descrito acima, a migração do boro pode ser proveniente de um invólucro interno 30 entre o invólucro externo 20 e o núcleo 40. Essa migração pode ocorrer durante os processos de nitretação e/ou dos processos de carburação e nitretação (por exemplo, as etapas 102 e/ou 104) . A migração pode resultar no invólucro interno sendo exaurido de boro em relação ao invólucro externo 20 e ao núcleo 40 (por exemplo, que tem uma concentração menor do que ambos). O invólucro interno 30 pode ter uma concentração de carbono e/ou nitrogênio que geralmente diminui do invólucro externo adjacente 20 para o núcleo adjacente 40.
[045] Em pelo menos uma modalidade, o invólucro externo pode ter uma concentração de nitrogênio que é pelo menos duas vezes a concentração de volume. Por exemplo, a concentração de nitrogênio pode ser pelo menos cinco vezes ou pelo menos dez vezes a concentração de volume. Em uma modalidade, a concentração de nitrogênio do invólucro externo 20 pode ser pelo menos 0,02% em peso, como pelo menos 0,03% em peso ou 0,05% em peso. Em uma modalidade, a concentração de nitrogênio do núcleo 40 pode ser menor que 0,01% em peso ou menor que 0,015% em peso.
[046] Partes que compreendem a liga ferrosa 10 podem ser cortadas, forjadas, fundidas, usinadas ou fabricadas de outro modo antes ou após o processo de tratamento acima. Por exemplo, em uma modalidade, engrenagens são cortadas da liga ferrosa precursora, e as engrenagens são, então, submetidas a tratamentos do método 100 descrito acima.
[047] Em modalidades exemplificadoras, componentes de um sistema de transmissão veicular compreendem a liga ferrosa 10. Por exemplo, componentes de transmissão de veiculo para trabalho pesado e componentes de transmissão de veiculos fora de estrada podem compreender a liga ferrosa 10. Em uma modalidade, engrenagens de um sistema de transmissão veicular compreendem a liga ferrosa 10. Engrenagens que utilizam a liga ferrosa 10 podem incluir engrenagens utilizadas em inclusive aqueles de transferência de potência, engrenagens utilizadas em diferenciais e engrenagens utilizadas para modificar niveis de razão de torque incluindo aquelas em sistemas de transmissão e pontas do eixo. A liga ferrosa pode ser usada ou incorporada a qualquer componente em que for desejada boa resistência ao desgaste, como em hastes ou mancais. A liga ferrosa também pode ser usada ou incorporada a qualquer componente em que uma combinação de alta resistibilidade e robustez é desejada.
[048] Embora modalidades exemplificativas sejam descritas acima, não se pretende que essas modalidades descrevam todas as formas possíveis da invenção. Ao invés disso, as palavras utilizadas no relatório descritivo são palavras de descrição ao invés de limitação e deve-se compreender que várias mudanças podem ser feitas sem se separar do espírito e do escopo da invenção. Adicionalmente, os recursos de várias modalidades de implantação podem ser combinados para formar modalidades adicionais da invenção.

Claims (8)

1. Método de formação de uma liga ferrosa (10) caracterizadopor compreender: tratar um material ferroso precursor que compreende ferro, um agente removedor de nitrogênio, e boro em uma atmosfera enriquecida com carbono a uma primeira temperatura acima da temperatura crítica superior Ac3, em que o material ferroso precursor inclui carbono em quantidade na faixa de 0,17 a 1,5% em peso, manganês na faixa de 0,07 a 1,75% em peso, silício na faixa de 0,15 a 0,6% em peso, fósforo em quantidade menor que 0,03% em peso, enxofre em quantidade menor que 0,05% em peso, ferro em quantidade maior que 80% em peso, um total de menos que 1,0% em peso de molibdênio, cromo, níquel, cobre e tungstênio, e pelo menos 0,0005% em peso a 0,006% em peso de boro e o agente removedor de nitrogênio inclui um ou mais de vanádio, titânio, tungstênio, alumínio, zircônio, nióbio, cromo e molibdênio e está presente em uma quantidade de cerca de 0,01 a 0,1% em peso; e subsequentemente, tratar o material ferroso precursor que compreende ferro, um agente removedor de nitrogênio, e boro em uma atmosfera enriquecida com nitrogênio a uma temperatura acima da temperatura crítica superior Ac3 do material ferroso precursor, em que tratar o material ferroso precursor na atmosfera enriquecida com nitrogênio é realizado a uma segunda temperatura acima da temperatura crítica superior Ac3 e a segunda temperatura é menor que a primeira temperatura; e resfriar o material ferroso precursor abaixo da temperatura crítica superior Ac3 para formar a liga ferrosa.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda introduzir o material ferroso precursor em uma atmosfera enriquecida com carbono quando a temperatura estiver acima da temperatura crítica superior Ac3.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda: tratar o material ferroso precursor na atmosfera enriquecida com carbono a uma temperatura de 787,8°C a 1.204,4°C (1.450°F a 2.200°F) por um período de tempo de 1 a 28 horas; e tratar o material ferroso precursor na atmosfera enriquecida com nitrogênio à segunda temperatura por um segundo período de tempo, em que a segunda temperatura é pelo menos 25°C menor que a primeira temperatura.
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma camada de invólucro de grão fino (20) tem uma espessura de pelo menos 0,0254 mm (0,001 polegadas).
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material ferroso precursor é arrefecido bruscamente apenas uma vez para formar uma camada de invólucro de grão fino (20).
6. Material de liga ferrosa (10) caracterizado por compreender: ferro, um agente removedor de nitrogênio e boro, o material tendo uma camada de invólucro de grão fino (20), em que a camada de invólucro de grão fino (20) tem um tamanho de grão médio na faixa de ASTM 12 a ASTM 14 e uma concentração de nitrogênio que é maior que uma concentração de nitrogênio de um núcleo do material, em que o núcleo do material de liga ferrosa inclui pelo menos 0,0005% a 0,006% em peso de boro e a camada de invólucro de grão fino (20) inclui uma concentração de boro maior que o núcleo, em que o material de liga ferrosa inclui um total de menos que 1,0% em peso de molibdênio, cromo, níquel, cobre e tungstênio juntamente com o agente removedor de um ou mais de vanádio, titânio, tungstênio, alumínio, zircônio, nióbio, cromo e molibdênio presente em uma quantidade de 0,01 a 0,1% em peso.
7. Material de liga ferrosa, de acordo com a reivindicação 6, caracterizadopor incluir: ferro e boro atômico, e a camada de invólucro de grão fino (20) tem uma espessura de 0,0254 mm a 12,7 mm (0,001 polegadas a 0,500 polegadas), uma concentração de nitrogênio que é maior que uma concentração de nitrogênio de um núcleo (40) do material, e uma concentração de boro que é maior que uma concentração de boro do núcleo (40) do material.
8. Material de liga ferrosa, de acordo com a reivindicação 6, caracterizadopor compreender ainda uma camada de invólucro interna (30) disposta entre a camada de invólucro de grão fino (20) e o núcleo (40), a camada de invólucro interna (30) tendo uma concentração de boro que é menor que as concentrações de boro tanto da camada de invólucro de grão fino (20) quanto do núcleo (40).
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