Palavras-chave: Aços, forjamento a quente, lingotamento continuo. 1. INTRODUÇÃO

Transcrição

1 6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 6 th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 11 a 15 de abril de 2011 Caxias do Sul RS - Brasil April 11 th to 15 th, 2011 Caxias do Sul RS Brazil COMPARAÇÃO PARA VALIDAÇÃO DE AÇOS BAIXO CARBONO DE MESMA COMPOSIÇÃO QUÍMICA PROVINDOS DO LINGOTAMENTO CONTINUO COM O PROCESSO DE AGITAÇÃO ELETROMAGNÉTICA E DA LAMINAÇÃO PARA PEÇAS FORJADAS A QUENTE Me.Engº Charles Chemale Yurgel, charles.chemale@fieb.org.br 1 Me.Engº Fabio Andre lora, fabio.lora@fieb.org.br 2 Me.Engº Sandro Gonçalves, sandro.goncalves@oi.com.br 3 Prof. Dr.- Ing Lirio Schaeffer, schaefer@ufrgs.br 4 1 SENAI CIMATEC, Av. Orlando Gomes, 1845 Piatã Salvador - BA, 2 SENAI CIMATEC, Av. Orlando Gomes, 1845 Piatã Salvador - BA, 3 Universidade Federal Fluminense - UFF 4 Laboratório de Transformação Mecânica LdTM/UFRGS Resumo: Este trabalho tem como objetivo comparar e analisar através da macrografia e pelo ensaio não destrutivo (END) de líquidos penetrantes (LP), aços de baixo carbono (0,25%C) forjados a quente em condições de fornecimento: provindo do lingotamento continuo (LC) com o processo de agitação eletromagnética e provindo da laminação. A agitação eletromagnética, normalmente, gera menos grãos colunares (prejudiciais para o aço forjado) do que aços provindos do LC simples (que tem uma grande quantidade de grãos colunares formados na solidificação). Esta estrutura de grãos colunares, pode ser eliminada em parte pela agitação eletromagnética e em parte pelo trabalho termomecânico de forjamento a quente. Após o forjamento em prensa e etapas de martelamento a temperatura de 1200 C, para fins de comparação e aprovação, se analisou os tipos citados para o forjamento a quente considerando os resultados da metalografia e do END por LP mostrando resultados próximos. Palavras-chave: Aços, forjamento a quente, lingotamento continuo. 1. INTRODUÇÃO Na abordagem da história da metalurgia observa-se que praticamente a maioria absoluta dos metais disponíveis na natureza na forma de minérios, ou seja, combinados com outros elementos químicos e na forma oxidada devem ter o processo de extração e purificação com a chamada oxi-redução. Isto porque ferro não é encontrado na natureza na forma elementar, mas sempre combinado com o enxofre ou com o oxigênio através de minérios mais comuns como Hematita (Fe2O3) e a Pirita (FeS2) [1]. Na produção do aço, quatro etapas são bem definidas: alto forno, aciaria (eliminação das impurezas do ferro gusa e oxidação das impurezas), vazamento e lingotamento, e finalmente a laminação. O aço é produzido basicamente a partir de minério de ferro, minério de manganês, carvão e calcário. Destes, o calcário separa a escória do ferro gusa, o minério de manganês é desulfurante e desoxidante e o carvão ou coque é combustível e redutor [2]. A maioria dos produtos metálicos, exceto aqueles fabricados por processos de eletrodeposição e metalurgia do pó, passam pela transformação em algum estágio de sua fabricação, do estado liquido para o estado sólido. A estrutura formada imediatamente após a solidificação determina as propriedades dos produtos finais, não somente no caso dos produtos fundidos, que são utilizados no estado bruto de fusão, mas também quando estes produtos são posteriormente trabalhados para a produção de barras, chapas e fios. Embora se acredite, incorretamente, que os defeitos são eliminados durante a conformação mecânica subseqüente, é muito perigoso ignorar a existência de macro-segregação, de poros de contração, de inclusões não metálicas e de outros defeitos nos lingotes [3]. 2. LINGOTAMENTO CONTÍNUO COM AGITAÇÃO ELETROMAGNÉTICA E LAMINAÇÃO Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011

2 A solidificação do material na fabricação do aço abrange detalhes importantes que farão grande diferença na peça que será fabricada e posteriormente solicitada mecanicamente em sua utilização. Alguns tópicos da solidificação devem ser conhecidos antes do material partir para a conformação mecânica, buscando a integridade do material ou do grupo de materiais conformados. Na indústria metal-mecânica cada vez mais a exigência de peças com diferentes requisitos e propriedades são solicitadas com isenção de defeitos e tensões internas nocivas a estrutura e propriedades mecânicas compatíveis com as cargas previstas em serviço. As características mecânicas de uma peça em serviço, ou o comportamento de um material, frente às diferentes etapas de processamento, como, por exemplo, as etapas de conformação, usinagem e tratamentos térmicos, dependem fundamentalmente das características internas da peça original [4]. O uso de agitadores eletromagnéticos durante a solidificação é estudada desde 1930 e as melhorias deste tipo de processo foi mais abordada a partir dos anos 80. A agitação ocorre perto da superfície de contato diminuindo a velocidade de resfriamento e induzindo a agitação pela indução da convecção próxima a fusão do material mostrando tamanhos menores de grãos colunares e eliminando o furo central da segregação, situação comum no aço do lingotamento contínuo sem agitação eletromagnética. Então, baixas freqüências nos campos magnéticos são utilizados para permitir forças de Lorentz (campos eletromagnéticos) para penetrarem profundamente na parte liquida antes da fusão durante o lingotamento [3]. No lingotamento contínuo a agitação eletromagnética é utilizada para diminuir o tamanho do grão colunar, que é prejudicial ao aço e gerado na sua solidificação. O controle do comportamento da solidificação através da utilização de artifícios para melhorar a estrutura do aço na sua solidificação, tem sido gradativamente implantado na indústria de fabricação de aço. A solidificação descreve o fenômeno da transformação do líquido em materiais solidificados como resultado da forma de controle e acompanhamento da diminuição da temperatura no estado líquido e com a agitação eletromagnética com alternativa de diminuição do tamanho de grãos colunares. Com isso, os campos magnéticos que diminuem a convecção durante a diminuição da temperatura no estado líquido e o comportamento do material na sua solidificação, têm sido aplicados com sucesso como controle de fundição de materiais na estruturação de mais grãos equiaxiais (bons para as propriedades dos aços) e menores tamanhos de grãos colunares (prejudiciais para estruturação e equilíbrio de propriedades dos aços) [5] Após a etapa do lingotamento continuo, segue a etapa de laminação que consiste em deformar a quente através de rolos de laminação com diminuições gradativas das dimensões do lingote para altarar aos poucos a estrutura do material. Os resultados da laminação e de seus benefícios para ser largamente utilizado na conformação mecânica, são devido ao controle de recristalização dinâmica e estática que culmina com a estrutura objetivada e obtida com o mínimo de defeitos decorrentes da solidificação do aço durante o lingotamento continuo. A forma da curva tensão x deformação a acompanhada e alterada desde a recuperação dinâmica até a recristalização dinâmica [6]. 3. PROCESSO DE FORJAMENTO A QUENTE Os produtos metálicos semi-acabados não alongados, geralmente, são fabricados através da conformação mecânica por meio de processos como o forjamento a quente. Neste processo, têm-se etapas como a de aquecimento, que visa à homogeneização da microestrutura para, em seguida, nas etapas de deformações, o produto se transformar de uma geometria simples para um outro de geometria complexa. Esta transformação ocorre através de matrizes e punções de penetração que determinam a geometria do produto [7]. Os elementos envolvidos neste processo (matrizes, punções, material a ser forjado) e suas características, para que as operações práticas de forjamento a quente ocorram com o mínimo de defeitos internos e externos na peça, devem assegurar o preenchimento e fluxo adequado de material na matriz em que está sendo forjado. Para que isso ocorra de forma otimizada, deve-se ter o conhecimento da resistência do material ao escoamento plástico e sua capacidade de fluir, isto é, sua tensão de escoamento, sua forjabilidade, o atrito, os efeitos do resfriamento no contato entre a matriz, o punção e o material que está sendo forjado [8, 9]. 4. ENSAIO NÃO DESTRUTIVO POR LIQUIDO PENETRANTE E METALOGRAFIA Devido às características básicas do Ensaio por Líquido Penetrante, estes podem ser aplicados em grande variedade de produtos metálicos e não metálicos, ferrosos e não ferrosos, sejam forjados, fundidos e cerâmicos de alta densidade, desde que não sejam porosos, com resultados técnicos e economicamente satisfatórios na revelação de descontinuidades superficiais, por menores que sejam. Pode ser aplicado durante o processo de fabricação, ao final deste ou durante a manutenção, para detectar o surgimento das descontinuidades em serviço. O líquido penetrante é aplicado com pincel, pistola, ou com lata de aerossol ou mesmo imersão sobre a superfície a ser ensaiada, que então age por um tempo de penetração. Efetua-se a remoção deste penetrante da superfície por meio de lavagem com água ou remoção com solventes. A aplicação de um revelador (talco) irá mostrar a localização das descontinuidades superficiais com precisão e grande simplicidade emborasuas dimensões sejam ligeiramente ampliadas. Este método está baseado no fenômeno da capilaridade que é o poder de penetração de um líquido em áreas extremamente pequenas devido a sua baixa tensão superficial. O poder de penetração é uma característica bastante importante uma vez que a sensibilidade do ensaio é enormemente dependente do mesmo [10].

3 A macrografia consiste no exame do aspecto de uma peça ou amostra metálica, segundo uma secção plana devidamente polida e em regra atacada por um reativo apropriado. O aspecto obtido chama-se macroestrutura. O exame é feito a vista desarmada ou com o auxilio de uma lupa com a ampliação máxima de dez vezes para ser considerada macrografia [2]. 5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Após uma breve revisão da literatura relacionada a fabricação do aço com a utilização da agitação eletromagnética durante o lingotamento continuo e da laminação, alem do processo de forjamento a quente, abordou-se também a revisão de ensaios comparativos de verificação dos resultados através de metalografia e de líquidos penetrantes. Através do fornecimento de um grupo de peças do fabricante de aço baixo carbono (0,25%) com bitola quadrada definida de 120mmX120mm, para forjar peças em uma empresa que trabalha com o processo de forjamento a quente de aços provindos da laminação, partiu-se para busca de uma comparação de resultados de ensaios não destrutivos de líquidos penetrantes e metalografia em flanges forjados para a indústria petrolífera (que é uma peça comum da produção desta empresa), entre a fornecida do lingotamento contínuo com agitação eletromagnética e provindo da laminação. Como primeira etapa do trabalho experimental, partiu-se do aquecimento a 1200 C de um corpo de prova de 120mmX120mmX58mm e posterior pré-forjamento em prensa e forjamento por martelamento para obtenção de peça com formato flangeado. Na figura 1 e 2, são observados o corpo de prova antes do forjamento e a peça após o forjamento, respectivamente. Figura 1: Corpo de prova Figura 2: Peça forjada Na sequência do trabalho partiu-se para o procedimento de corte longitudinal e central nas peças forjadas e posterior retificação para preparação para macrografia. Na figura 3 é observado o corte citado para ataque metalográfico com polimento realizado de ataque.

4 Figura 3: Forjado em corte devidamente polido para macrografia Neste processo foi realizada uma mistura de 50% de água limpa e 50% de HCL (concentração 37%) para o ataque a superfície polida. Na figura 4 é observada a macrografia do flange forjado provindo do LC com agitação eletromagnética, mostrando as linhas de fibramento e sem descontinuidades visíveis. Figura 4: Ataque macrográfico revelando linhas de fibramento sem descontinuidades. Na figura 5 é mostrado o resultado macrográfico do aço forjado provindo da laminação com uniformização de estrutura (situação comum para aços forjados a quente provindos da laminação). Figura 5: resultado macrografico do aço forjado provindo da laminação. Na realização de micrografias para a comparação entre os dois aços, procurou-se observar, principalmente, o resultado do aço forjado provindo da agitação eletromagnética. Neste, é necessário observar se a estrutura dendrítica primaria e a estrutura de grãos colunares foram eliminados em grande parte para aprovação da peça. Na figura 6 é observada a micrografia deste aço com um aumento microscópico de 120 vezes e ataque com mistura de 50% de água e 50% de HCL (concentração 37%), observando um grau considerável de recristalização devido a agitação

5 eletromagnética e processo termomecânico de forjamento, com conseqüente eliminação de grande parte da estrutura dendrítica primaria e o não aparecimento de grãos colunares. Figura 6: micrografia com aumento de 150 vezes Na figura 7, é observada a micrografia com um aumento de 120 vezes do aço forjado provindo da laminação mostrando grãos recristalizados e uniformizados como resultado do trabalho termomecânico de forjamento a quente. Figura 7: aço forjado provindo da laminação com aumento de 120 vezes. Após a verificação macrografica, partiu-se para o ensaio não destrutivo de líquidos penetrantes nos forjados com agitação e laminado. O procedimento para avaliar se existiam poros ou trincas superficiais provindos dos processos de fabricação seguiu a tecnica tipo 2C (colorido removivel a solvente). Na figura 6 são apresentados os produtos utilizados no processo, as quais tem a aplicação na primeira etapa do limpador para limpeza superficial o qual tem tempo de evaporação durante 5 minutos. Figura 6: produtos utilizados no processo de Liquidos Penetrantes.

6 Após esta etapa ocorreu a aplicação do penetrante em toda a superfície de interesse da peça com um tempo de penetração de 10 minutos. Na figura 7 é observado o penetrante aplicado em toda a superficie polida da peça forjada provinda do LC com agitação e laminada. Figura 7: penetrante em toda a secção das peças. Utilizaram-se panos limpos levemente umidecidos com removedor após o tempo de penetração para a remoção total do penetrante. Esperou-se 5 minutos após o inicio da remoção total do penetrante para a aplicação do revelador. Este foi aplicado de forma gradativa nas duas peças forjadas provindas da laminação e do LC com agitação eletromagnética. Esperou-se 20 minutos após a aplicação do revelador para a conclusão final. Na figura 8 é apresentado o resultado sem poros e trincas da peça forjada provinda do LC com agitação eletromagnética e na figura 9 da mesma forma o aço forjado provindo da laminação, assim validando as duas peças nesse sentido.. Figura 8: revelação da peça do LC com agitação sem defeitos aparentes. Figura 9: revelação da peça forjada provinda da laminação sem defeitos. 6. CONCLUSÕES Este trabalho apresentou um estudo parcial para aprovação de uma proposição mais econômica para as forjarias na compra de um tipo de matéria prima para forjamento a quente. Esta proposição de aços baixo carbono provindos do LC passando por agitação eletromagnética em sua fabricação sem passar pela etapa posterior de processo de laminação (mais utilizando e mais caro) apresentaram aprovação depois de forjados quente, quando verificados por metalografias e

7 END de LP. A macrografia apresentou linhas de fibramento constantes nos dois tipos, a micrografia mostrou uma quantidade razoavel de grãos recristalizados no aço forjado provindo do LC com agitação eletromagnética e o END de LP mostrou a ausência de defeitos na peça forjada observando-se uma situação próxima ao forjado provindo da laminação, os quais são alguns dos resultados desejados para aprovar a peça forjada. 7. REFERÊNCIAS [1] CHIAVERINI, V., Tecnologia Mecânica Processos de Fabricação, 2º Ed, Vol. 2, São Paulo, McGrarw. 380p. [2] COLPAERT, H., 1974, Metalografia dos Produtos Siderurgicos Comuns, Editora Blucher Ltda., São Paulo. [3] Li, B.Q., 1998, Solidification Processing of Materials in Magnetic Fields, JOM, volume 50, nº 2, Feb. [4] CHIAVERINI, V., Aços e Ferros Fundidos, ABM, 5º Ed, São Paulo. [5] Stahlbergª, U., March 1986, Influence of spread and stress on the closure of a central longitudinal hole in the hot rolling of steel, Journal of Mechanical Working Technology, Volume 13, Issue 1, Pages [6] Lin-xiu DU, Zhong-ping ZHANG, Guang-fu SHE, Xiang-hua LIU, Guo-dong WANG., May 2006, Austenite Recrystallization and Controlled Rolling of Low Carbon Steels, Journal of Iron and Steel Research, International, Volume 13, Issue 3, Pages [7] GENTILE, F.C.; NEVES, F.O.; REGONE, W.; BUTTON, S.T., 2002, Análise numérica e experimental da evolução microestrutural em forjamento a quente de um aço microligado ao V-Ti, Anais do Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos materiais. [8] ALTAN, T.; OH, S.; GEGEL, H., 1999, Conformação de metais fundamentos e aplicações, EESC-USP, São Carlos/SP, 350p. [9] ] SCHAEFER, L., 2001, Forjamento Introdução ao processo, Imprensa Livre, Porto Alegre/RS, 202p. [10] Disponível em: acessado em 21 de outubro de DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho. COMPARISON FOR THE VALIDATION OF LOW CARBON STEEL WITH THE SAME CHEMICAL COMPOSITION PROCEEDING FROM CONTINUOUS INGOT CASTING WITH THE ELECTRO MAGNETIC STIRRING PROCESS AND ROLLING FOR HOT FORGING PIECES M.SC.Eng. Charles Chemale Yurgel, charles.chemale@fieb.org.br 1 M.SC.Eng. Fabio Andre lora, fabio.lora@fieb.org.br 2 M.SC.Eng. Sandro Gonçalves, sandro.goncalves@oi.com.br 3 Prof. Dr.- Ing Lirio Schaeffer, schaefer@ufrgs.br 4 1 SENAI CIMATEC, Av. Orlando Gomes, 1845 Piatã Salvador - BA, 2 SENAI CIMATEC, Av. Orlando Gomes, 1845 Piatã Salvador - BA, 3 Universidade Federal Fluminense - UFF 4 Laboratório de Transformação Mecânica LdTM/UFRGS Abstract: The objective of this work is to compare and analyze through macrograph and non-destructive testing (NDT) of penetrating liquid (PL), hot forged low carbon steel (0, 25%C) in supplying conditions: coming from continuous ingot casting with the electromagnetic stirring process and rolling. The electromagnetic stirring, normally, produces less columnar grains (damaging for forged steel) than the steel came from simple continuous ingot casting (which has a great amount of columnar grains formed in solidification). This columnar grain structure can be eliminated partly by electromagnetic stirring and partly by hot forging thermo mechanic work. After press forging and hammering steps at 1200ᵒC, with the purpose of comparison and approval, the types of hot forging mentioned before were analyzed considering the results of metallography and of NDT by PL showing close results. Keywords: Steel, hot forging, continuous ingot casting.