Título do projeto: Aço ao boro laminado a frio com revestimento Zn-Fe para conformação a quente: influência da taxa de aquecimento sobre a

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1 Título do projeto: Aço ao boro laminado a frio com revestimento Zn-Fe para conformação a quente: influência da taxa de aquecimento sobre a microestrutura do revestimento e substrato em blanks patchwork. Linha de Pesquisa: Processamento Termomecânico e Químico de Metais Justificativa/Motivação para realização do projeto: A demanda de aços temperáveis e revestidos, dedicados a produção de autopeças relacionadas com a segurança de passageiros, através do processo de conformação e têmpera simultâneas (CTS), vem crescendo no Brasil. A previsão da demanda de peças irá saltar de 5 milhões em 2015 para 19 milhões de peças em 2020 (Hirota et al.; 2015). Aços revestidos com a liga alumínio silício (Al-Si) atualmente têm sido os mais utilizados no processo CTS (Ghanbari et al.; 2013). No entanto fissuras podem ser geradas pela deformação durante a conformação, e a corrosão pode ocorrer nas áreas onde a camada de revestimento é danificada (Lee et al.; 2012). Para superar tais limitações, revestimentos à base de Zn estão sendo estudados para esta aplicação, por ser muito eficiente para promover a proteção catódica do aço (Autengruber et al.; 2012). Outros benefícios do Zn-Fe seria comportamento mais estável no processo de solda (Ighodaro et al.; 2016) e a maior disponibilidade no mercado em função de ser utilizado em grande escala pela indústria automobilística em peças estampadas a frio (Fang et al.; 2016). Apesar das características relevantes do revestimento Zn-Fe, o processamento desse aço exige controles mais restritos da taxa de aquecimento no processo CTS, devido ao ponto de fusão mais baixo do Zn-Fe quando comparado a liga de Al-Si (Drillet et al.; 2012) e (Järvinen et al.; 2016). Neste sentido se faz necessário avaliar a influência de taxa de aquecimento sobre a microestrutura do revestimento e substrato de um aço ao boro com revestimento Zn-Fe em peças produzidas a partir de partes soldadas a ponto (blanks tipo patchwork) com espessuras variadas, pois além da necessidade de austenitização homogênea do substrato é desejado obter no final do CTS um revestimento íntegro, isento de trincas e capaz de fornecer proteção catódica ao substrato. Objetivos: Estudar a influência da taxa de aquecimento de partes soldadas a ponto de tiras laminadas a frio, de um aço carbono micro ligadas ao boro, revestido com Zn-Fe, na produção de peças pelo processo de conformação e têmpera simultâneas (CST) com resistência mecânica e à corrosão extras. Estratégia experimental planejada para se alcançar os objetivos: (i)-produção dos blanks tipo pathwork soldados a ponto para simulação em CTS a partir de amostras de um aço ao boro revestido com Zn-Fe produzidos em escala industrial na Usiminas. (ii)- Simulação das etapas e do processo CTS em 3 taxas de aquecimento, alta, média e baixa utilizado um equipamento desenvolvido no centro de pesquisa da Usiminas para avaliação do comportamento do material em temperaturas entre 500 e 900 C. (iii)- Caracterização do revestimento e substrato: propriedades mecânicas, composição química, microestrutura e fases utilizando MEV/EDS; microscopia ótica, difração de raios X. Principais referências consultadas: - Fan, D. W.; Cooman B.C. State-of-the-Knowledge on Coating Systems for Hot Stamped Parts. Steel research int., Weinheim, v.83, No. 5, Cho L.; Kang H..; Lee c; Cooman B. C. Microstructure of liquid metal embrittlement cracks on Zn-coated 22MnB5 press-hardened steel. Science Direct, Scripta Materia lia, p.90-91, julho de

2 1. Introdução A evolução dos projetos dos automóveis em busca da melhor relação entre segurança automotiva e redução de peso das carrocerias, resulta atualmente, entre outros, na demanda de aços temperáveis e revestidos, dedicados à produção de peças de alta resistência com formas complexas, especialmente no caso de peças relacionadas com a segurança de passageiros, através do processo de conformação a quente, conhecido também HS (Hot Stamping) ou PHS (Press Hardened Steels) (Ghanbari et al.; 2013). A produção mundial de peças conformadas a quentes cresceu rapidamente nos últimos anos, saltando de 107 milhões de peças em 2007 (FAN et al 2012), para um volume próximo a 275 milhões de peças em No Brasil, a previsão da demanda de peças irá saltar de 5 milhões em 2015 para 19 milhões de peças em 2020 (HIROTA et al.; 2015). A figura 1 abaixo ilustra as aplicações típicas das peças conformadas a quente (Pereira 2015). Figura 1 Aplicações usuais das peças produzidas por conformação a quente. (Pereira 2015). Para um aço com uma determinada composição química, o maior valor de limite de resistência possível é obtido quando sua microestrutura é completamente martensítica (Fan et al.; 2009). Neste sentido, a conformação a quente contribui para a produção de peças de alta resistência aquecendo o blank para austenitização do aço e, em seguida, conformando em uma ferramenta refrigerada promovendo a têmpera e conseqüentemente a predominância de estrutura martensítica na peça. Aços ao boro revestidos com a liga alumínio silício (Al-Si) atualmente têm sido os mais utilizados pela indústria automobilística em peças produzidas por conformação e têmpera simultâneas (CTS), visto que oferecem uma proteção de barreira adequada contra a corrosão (Ghanbari et al.; 2013). No entanto fissuras podem ser geradas pela deformação durante a conformação, e a corrosão pode ocorrer nas áreas onde a camada de revestimento é danificada (Lee et al. 2012). Para superar tais limitações, revestimentos Zn-Fe estão sendo recentemente estudados para aplicações em CTS com o objetivo de substituir o revestimento Al-Si convencional (Ghiotti et al.; 2014). Revestimento Zn-Fe pode ser uma das alternativas viáveis para conformação a quente, pois além da proteção de barreira contra corrosão, é muito eficiente para promover a proteção catódica do aço (Autengruber et al.; 2012). Aços revestidos a base de Zn são utilizados em grande escala pela indústria automobilística em peças estampadas a frio (Fang et al.; 2016), o que poderia oferecer benefícios econômicos por representar uma maior disponibilidade de material no mercado. Outra vantagem do 2

3 revestimento Zn-Fe é o seu comportamento mais estável no processo de solda, por apresentar menor resistência a passagem de corrente quanto comparado ao Al-Si (Ighodaro et al. 2016) Apesar das características relevantes dos aços ao boro com revestimento Zn-Fe destacadas acima, o processamento desse aço exige controles mais restritos da taxa de aquecimento no processo CTS, devido ao ponto de fusão mais baixo do Zn-Fe quando comparado a liga de Al-Si (Drillet et al.; 2012) e (Järvinen et al.; 2016). O controle da taxa de aquecimento é necessário de forma a permitir a menor perda possível de Zn do revestimento original, seja por evaporação ou penetração no substrato, o que poderia causar no ato da conformação a quente, trincas no substrato do tipo LME (Liquid Metal Embrittlement) (Cho et al. 2014). No diagrama Fe-Zn da figura 2, podem ser observados na região destacada os locais susceptíveis a ocorrência de trincas do tipo LME, baseados na composição química do revestimento Zn-Fe e a temperatura de aquecimento dos blanks antes da conformação a quente (Lee et al.; 2012). Figura 2- Diagrama de fases Zn-Fe com destaque para as fases predominantes no blank (Zn > 70%) e da peça após CTS (Zn < 45%), além da região susceptível a ocorrência de trincas ( LEE et al.; 2012). Além de peças formadas a partir de blank simples, é comum a aplicação de blanks do tipo patchwork em colunas B, como por exemplo, mostrado na figura 3 abaixo, do qual apresenta um componente de reforço soldado a ponto no centro da peça para garantir a segurança dos passageiros durante um impacto lateral (Xu et al.; 2014). Neste caso se faz necessário avaliar a influência de taxa de aquecimento sobre a microestrutura do revestimento e do substrato em peças produzidas a partir de blanks com espessuras variadas, pois além da necessidade de austenitização homogênea do substrato é desejado obter no final do CTS um revestimento íntegro isento de trincas e capaz de fornecer proteção catódica ao substrato. Figura 3- (a) Blank, adaptado de Xu et al. (2014) e (b) Peça patchwork adaptado de Ahmad et al.;

4 2. Materiais e métodos Para a realização dos trabalhos experimentais serão utilizadas amostras do aço ao boro 22MnB5 com revestimento Zn-Fe com espessuras de 1,2 mm, 1,8 mm e 2,2 mm produzidos em escala industrial na Usiminas. Com esses materiais serão confeccionados dois modelos de blanks do tipo patchwork, um com espessura total de 3,0 mm e outro 3,4 mm. Os blanks serão submetidos a tratamento de austenitização em um forno mufla. A avaliação da taxa de aquecimento é importante para determinar os limites (taxa) que garantem austenitização preservando o revestimento da peça. Desta forma serão avaliadas 3 taxas de aquecimento, alta, média e baixa. Os ensaios serão realizados inserindo os blanks na mufla, com a câmara de aquecimento estabilizada na temperatura programada, de forma a possibilitar ao blank, atingir as taxas de aquecimento desejadas que serão monitoradas por meio da utilização de termopares fixados nos blanks e por um sistema de aquisição de dados. O experimento será dividido em duas etapas. Na primeira será avaliada a transformação do revestimento durante o aquecimento antes da conformação a quente. A medida que se eleva a temperatura, ocorre difusão de ferro do substrato para a camada de revestimento, consumindo as fases zeta (ζ),delta (δ) e gama (Γ), e além disso podendo provocar a fusão destas fases, respectivamente, de acordo com o diagrama Fe-Zn da figura 2, nas temperaturas de 530 C, 672 C e 782 C. Desta forma, nesta primeira etapa, os blanks serão retirados do forno e resfriados em água assim que atingirem estas 3 temperaturas de fusão das fases ζ, δ e Γ, quando submetidos as taxas de aquecimento alta, média e baixa. Na segunda etapa do experimento, será avaliada a qualidade superficial e a integridade do revestimento e substrato após o processo CTS. Desta forma, nesta segunda etapa, os blanks serão retirados do forno e submetidos ao processo CTS assim que os atingirem a temperatura de encharque de 900 C, quando submetidos as taxas de aquecimento alta, média e baixa. A conformação a quente da peça será feita no centro de pesquisa da Usiminas, em uma prensa hidráulica de simples efeito, a partir de um ferramental desenvolvido para possibilitar a execução do processo de CTS (Rosa; 2015). A figura 4 abaixo ilustra esquema do corpo de prova reproduzindo o blank patchwork e a um exemplo da peça a ser estampada. Figura 4 - CP simulando o blank patchwork (a) e exemplo de peça estampada (b). Para a caracterização do revestimento e substrato do material nestas duas etapas, pretende-se realizar análises de: (i) qualidade superficial; (ii) morfologia, composição química e microestrutura da camada formada, via MEV/EDS; (iii) qualidade do substrato na interface com o revestimento, via microscopia ótica e MEV/EDS; (iv) identificação das fases cristalinas presentes via difração de raios X; (v) microestrutura do substrato, via técnica metalográfica (ataque Nital-4%) e MO; (vi) propriedades mecânicas do substrato, utilizando corpos de prova subsize, que atendem a norma ASTM-A370. 4

5 3. Infraestrutura e Recursos Necessários Todos os equipamentos e recursos necessários para a realização do projeto se encontram na empresa Usiminas em Ipatinga e está a disposição para a utilização: - Equipamento piloto para conformação a quente. - Máquina de tração INSTRON. - Microscópio eletrônico de varredura (MEV/EDS/ Line Scan). - Microscópio ótico. - Difratômetro de raios X. - Amostra de aço 22MnB5-GA nas de espessuras de 1,2; 1,8 e 2,2, mm. - Mão de obra do Centro de Tecnologia da Usiminas para a realização dos testes necessários para a realização do projeto. 4. Cronograma de Execução Produção dos corpos de Prova Tratamento térmico nos Blanks Análise microestrutural do revestimento Simulação do processo CTS Análise microestrutural do revestimento e substrato Ensaio de tração Análise dos dados dos testes B 1B 2B 3B 5B 6B 1B 2B 3B 4B Elaboração da dissertação Publicação do tema da dissertação Apresentação da dissertação do mestrado 5. Referências bibliográficas Ahmad, M. A.; Zakaria, a. Optimization of Spot-welds on Patchwork Blank for Hot Forming Process. Trans Tech Publications, Applied Mechanics and Materials Vol. 606, pp , Suíça Autengruber R.; Luckeneder G.; Hassel A. W. Corrosion of press-hardened galvanized steel. Corrosion Science, Lins, v 63, p , 2012 Cho L.; Kang H.; Lee C.; Cooman B. C. Microstructure of liquid metal embrittlement cracks on Zn-coated 22MnB5 press-hardened steel. Science Direct, Scripta Materia lia, p.90-91, julho de Drillet, P.; Grigorieva, R.; Leuillier, G; Vietoris, T. Study of Cracks Propagation Inside the Steel on Press Hardened Steel Zinc Based Coating. La Metallurgia Italiana, Genova, n 1, Fan, D. W., Kim, H. S., & de Cooman, B. C. - A Review of the Physical Metallurgy Related to the Hot Press Forming of Advanced High Strength Steel - Material Technology, n 3, pp ,

6 Fan, D. W.; Cooman B.C. State-of-the-Knowledge on Coating Systems for Hot Stamped Parts. Steel research int., Weinheim, v.83, No. 5, Ghanbari, N. Z. Zinc Coated Sheet Steel for Press Hardening. Golden, Colorado, USA: Faculty and the Board of Trustees of the Colorado School of Mines, p. (Dissertação, Department of Metallurgical and Materials Engineering) Fang F.; Hu K.; Wei H.; Chen Y.; Huang F. Morphology of Iron-zinc Coating for Hot Press Forming Steel, Materials Science Forum, Trans Tech Publications, Suíça, v.850, p , março 2016 Ghiotti A.; Bruschi S.; Sgarabotto F. Tribological performances of a Zn-based coating in direct hot stamping. Tribology International, Pádua, Maio 2014 Hirota F.; Shroter M.. Simulation method for advanced hot forming design. In: Simposio SAE Brasil Car body, São Paulo, Ighodaro O. L.; Biro E.; Zhou Y. N.. Comparative effects of Al-Si and galvannealed coatings on the properties of resistance spot welded hot stamping steel joints. Journal of Materials Processing Technology. Canada, março Järvinen, H.;Järn S.; Lepikko E.; Järvenpää M.; Peura P. ZnFe Coated 22MnB5 Steels in Direct Press Hardening: the Relationships between Coating Structure and Process Parameters. Trans Tech Publications, Key Engineering Materials Vol. 674 Suíça. Janeiro Lee C. W.; Fan, D. W.; Sohn L.R.; Lee S.J; Cooman B.C. Liquid-Metal-Induced Embrittlement of Zn-Coated Hot Stamping Steel. Metallurgical and materials transactions, p , v. 43a, december Pereira J. F. B. Conformação a quente dos aços; Hot Forming. In: 70º Congresso Anual da ABM, 2015, Rio de Janeiro, Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração, Rosa J. H. A. Desenvolvimento de Sistema Piloto para Estampagem a Quente. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica). Universidade Federal de Minas Gerais, 79 f Xu, w.; Huang, Z.; Wan, Y. Research Status of Advanced Hot forming Technology. Advanced Materials Research, Trans Tech Publications, Vol. 1063, pp Suíça