OTIMIZAÇÃO DE AÇO LAMINADO A QUENTE PARA ESTAMPAGEM SEVERA PELO USO DE DESGASEIFICADOR RH E ADIÇÕES DE MICROLIGA
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- Neuza Carrilho Neiva
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1 OTIMIZAÇÃO DE AÇO LAMINADO A QUENTE PARA ESTAMPAGEM SEVERA PELO USO DE DESGASEIFICADOR RH E ADIÇÕES DE MICROLIGA Willy Ank de Moris 1 Lr Crysthine Pes Ret 2 Cláudio Pereir Diogo 3 Herert Christin Borges 4 Resumo O trlho descreve crição e uso de um ço lmindo quente com ixo crono e semi estilizdo o oro e titânio, elementos que vism reduzir quntidde de nitrogênio intersticil e tur como elementos de lterção de form de inclusões. O mteril foi trtdo em desgseificdor RH (Ruhrsthl-Hereus) visndo estreitr s fixs de vrição d composição de crono e mngnês, em como limitr os teores dos elementos residuis e pr otimizr o uso desse equipmento. Como critério de desempenho, vlim-se s proprieddes mecânics geris, principlmente su estmpilidde, estimd por um equção semi-quntittiv. Acompnhou-se o desempenho no uso finl do mteril em estmpgem. Plvrs-chve: Proprieddes mecânics; Estmpgem; Boin quente. OTIMIZATION OF HOT ROLLED STEEL DESTINATED TO DEEP DRAWING BYT THE USE OF RH DESGASSER AND MICROALLOY ADDICTIONS Astrct This work descries the development nd use of hot-rolled low cron steel, semi stilized with oron-titnium to reduce interstitil nitrogen nd to ct s inclusion morphology gent. The RH vcuum degssing process ws used to refine the content rnge of cron nd mngnese, s well to limit the content of residul elements nd to optimize the use of this equipment. As performnce, criteri ws evluted the mechnicl properties, minly the drwnility, estimted y semi-quntittive eqution. The drwing finl performnce t customers ws monitored. Key words: Mechnicl properties; Drwing; Hot coil. 1 INTRODUÇÃO Aços lmindos quente com melhor ductilidde (1) tem sido usdos pr fricção de componentes estmpdos de mior espessur, especilmente pr o setor utomoilístico (2) ou no setor de linh rnc. No cso de crcçs de compressores, estes componentes são otidos pel estmpgem reltivmente profund de um chp metálic de modo oter form finl, cuj integridde finl (usênci de trincs ou defeitos de conformção) pode ser reltivmente difícil, devido à própri geometri d peç, como é o cso de um cárter de cminhão. (1) É exigid um o conformilidde dos ços descritos, que é um crcterístic normlmente quntificd por resultdos otidos de ensios de trção, especilmente em ços lmindos frio. (3) Neste cso, conformilidde de um mteril está ssocid com os seguintes prâmetros otidos prtir de um ensio de trção simples: 1 Doutorndo, M.Sc., Engenheiro Metlurgist, Técnico em Metlurgi, Professor Fculdde de Engenhri, Universidde Snt Cecíli UNISANTA, Consultor Técnico d Inspers, Diretor d Divisão Técnic Aplicções de Mteriis d ABM, Especilist em Produto d Usimins Cutão, Rod. Cônego Domênico Rngoni, s/n, Jrdim ds Indústris, Cep , Cutão, SP, Brsil. E-mil: willy.moris@usimins.com 2 CQE/ASQ, Engenheir Metlurgist, Gerente do Acmento e Expedição de Plcs d Usimins-Cutão Cutão, Acmento e Expedição de Plcs, Rod. Cônego Domênico Rngoni, s/n, Jrdim ds Indústris, Cep , Cutão, SP, Brsil. E-mil: lr.ret@usimins.com 3 Técnico em Metlurgi, Técnico de Assistênci Técnic III, Assistênci Técnic, Usimins Cutão, Rod. Cônego Domênico Rngoni, s/n, Jrdim ds Indústris, Cep , Cutão, SP, Brsil. E-mil: cludio.diogo@usimins.com 4 Mestrndo, Engenheiro Metlurgist, Engenheiro de Produto Sênior, Usimins Cutão, Rod. Cônego Domênico Rngoni, s/n, Jrdim ds Indústris, Cep , Cutão, SP, Brsil. E-mil: herert.orges@usimins.com Tecnol. Metl. Mter. Miner., São Pulo, v. 9, n. 2, p , r.-jun
2 Otimizção de ço lmindo quente pr estmpgem sever pelo uso de desgseificdor RH e dições de microlig ixo limite de escomento de engenhri (S LE ); ixos vlores d rzão limite de escomento/ limite de resistênci (S LE /S LR ); grnde longmento (% Along. ). Pr oter ests crcterístics, é importnte que o mteril possu um projeto de lig dequdo. O tipo de processmento do ço tmém uxili stnte, por exemplo, qundo o ço sofre trtmento de modificção d morfologi de inclusões (gloulizção), otido eficientemente com dições de cálcio-silício (C-Si) em fios diretmente no metl líquido, o que lev um umento n ductilidde otid pr um determindo gru de resistênci. O processmento n lminção tmém influenci os vlores ds proprieddes mecânics no produto finl e, consequentemente, de su ductilidde. Esquems de psse, temperturs de lminção e métodos de resfrimento mis dequdos devem ser utilizdos propridmente, de form grntir um o conformilidde do mteril. Adicionlmente, estmpilidde é um tipo prticulr de conformilidde crcterístic de mteriis que presentm ductilidde dequd pr conformção por um processo de estmpgem, sem gerr rupturs e/ou defeitos que impeçm seu uso finl. Além do limite de escomento e do longmento, existem dus vriáveis de extrem importânci pr nálise d estmpilidde de chps: o expoente de encrumento (n) e o coeficiente de nisotropi plástic (R), tmém conhecido como coeficiente de Lnkford. Ests vriáveis, R e n, descrevem o comportmento do mteril o longo do processo de conformção e são empregdos pr quntificr o desempenho de chps pr estmpgem. (4-6) Muitos critérios têm sido propostos pr vlir estmpilidde (F) de um lig. (4) Um deles lev em considerção um série de proprieddes mecânics, podendo ser descrito por um equção semi-quntittiv (Equção 1) (5) : S 1 F R n LR =εu m S LE 2 λ onde: e u é deformção uniforme, té o início d estricção (em trção pur e u = n); R m é o coeficiente de nisotropi médio; n é o expoente de encrumento; S LR é o limite de resistênci; S LE é o limite de escomento e l é o gru de dificuldde reltivo pr se conformr peç. Apesr d Equção 1 ser pens um fórmul semi-quntittiv, el present sinteticmente importânci de cd propriedde mecânic pr mteriis destindos operções de estmpgem profund. Vlores mis elevdos do coeficiente de nisotropi são importntes pr melhorr o desempenho em operções de estmpgem profund, (6) porém não é possível otê-los em ços lmindos quente (7,8) os vlores elevdos oteníveis em ços lmindos frio (R>1,50). (3) Nestes ços, os vlores do coeficiente de nisotropi (1) são próximos d unidde, (6) devido o tipo de textur cristlin do mteril. (9) Pr compensr est limitção dos ços lmindos quente, usc-se umentr o máximo os vlores de longmento e expoente de encrumento que podem ser otidos. O ojetivo deste trlho é crir um projeto de ço lmindo quente de lt conformilidde com ixos teores de crono (%C < 0,03%). O ço presentdo neste trlho foi produzido industrilmente e trtdo em um desgseificdor RH, com dições de titânio e oro. 2 MATERIAIS E MÉTODOS O ço foi crido como um dequção mis primord, em termos de controle químico e de proprieddes mecânics, do gru EPA d norm NBR 5906 (7). Est norm present três grus com crescente gru de estmpilidde: EM, EP e EPA. Todos estes grus devem ser produzidos com ço clmdo o lumínio, com teor mínimo de lumínio metálico de 0,020% no cso de não serem usdos outros elementos pr fixção de nitrogênio. O uso finl típico deste ço é produção de peçs estmpds de mior espessur, empregáveis em componentes utomoilísticos e pr linh rnc, especilmente pr corpos de compressores. O ço foi processdo no desgseificdor RH d Usimins-Cutão. A Figur 1 ilustr o specto do desgseificdor RH (Ruhrsthl-Hereus) d Usimins-Cutão, equipmento chve utilizdo neste trlho. O modelo d Usimins-Cutão é do tipo RH Twin, de form que dois vsos independentes utilizm o mesmo sistem de gerção de vácuo. Assim, criou-se um ço cuj composição químic, definid pelo trtmento no desgseificdor RH, present lguns diferenciis: otenção e mnutenção de ixos teores e fixs mis estreits de crono e mngnês; mior limitção nos teores de fósforo, enxofre e nitrogênio; dição de oro e titânio. As dições de oro e de titânio têm como ojetivo melhorr conformilidde do ço, pois o oro e o titânio formm cronitretos que tornm estrutur mis homogêne. Além disso, o titânio pode reter o enxofre n form de inclusões mis endurecids e não longds, que são melhores pr ductilidde do metl. Isso pode ser melhor entendido nlisndo-se o produto de soluilidde (K S ) destes elementos em relção os demis presentes no ço. O produto de soluilidde (K S ) pode ser quntificdo pelo seu logritmo (Equção 2): ( ) [ ] [ ] log K = log (% X % Y ) = S A B / T (2) 156 Tecnol. Metl. Mter. Miner., São Pulo, v. 9, n. 2, p , r.-jun. 2012
3 Moris et l. Figur 1. () Figur esquemátic de um equipmento de desgseificção RH; () Desenho esquemático do sistem de desgseificção vácuo RH Twin d Usimins-Cutão. onde: [X] e [Y] são s concentrções dos elementos X e Y, formdores do composto XYn no meio estuddo; A e B constntes de correlção; T é tempertur do meio, em kelvin e KS é o produto de soluilidde (KS= [%X] [%Y]). Qunto mis ixo o produto de soluilidde, menor é quntidde dos elementos puros (X e Y) e mior quntidde do composto por eles formdo (XYn) no meio. Otendo-se ddos ds constntes A e B d Equção 2 de váris fontes iliográfics(10-15) é possível oter s curvs mostrds nos gráficos d Figur 2, clculds como médi ds equções otids n iliogrfi. Estes ddos iliográficos pontm que os primeiros compostos se formr n estrutur ustenític, durnte o resfrimento n lminção quente são, nest ordem,: Ti+N, Ti+S, B+N, Mn+S, Ti+C. O titânio tende regir e estilizr o nitrogênio já em lts temperturs, mis do que o oro ou o lumínio, conforme pode ser visto no gráfico d Figur 2. À medid que tempertur diminu, o oro tmém pss regir com o nitrogênio, deixndo que um eventul excesso de titânio rej com o enxofre, conforme mostrdo n Figur 2, cso isto já não tenh ocorrido ntes, durnte solidificção e o requecimento. É interessnte oservr que estilidde do TiS é mior do que o MnS, conforme pode ser visto n Figur 2c. Ests oservções estão presentds no gráfico d Figur 2d. O mteril produzido foi testdo internmente n Usimins-Cutão, pr verificr o tendimento e superção dos requisitos d norm NBR 5906.(7) Além disso, lgums ds oins lminds quente produzids com nov composição e rot de processmento no refino secundário form inspecionds ntes do envio finl os clientes. O processmento em lguns clientes tmém foi compnhdo pr verigur o desempenho finl do mteril. Esss tividdes tiverm o propósito de oferecer melhores ddos pr otimizr o processmento nos clientes e tmém servir de se pr eventuis justes e melhori no produto n Usimins-Cutão. 3 RESULTADOS Ao longo do no de 2010, form vzds qutro corrids, totlizndo cerc de 600 t de plcs. Algums crcterístics d composição químic desss corrids estão ilustrds n Tel 1. Nest tel é visível que relção Ti:N é proximdmente cinco vezes mior que B:N. Isto é feito pr permitir que, qundo o oro inicir precipitção com o nitrogênio, deixe o titânio em excesso tur n retenção de enxofre, como pode ser visto no gráfico d Figur 2. O excesso reltivmente grnde de lumínio vis reduzir o envelhecimento posterior do ço. Deve-se slientr que s concentrções de crono e nitrogênio são muito ixs, pesr de não descrits n Tel 1. A prtir desss 600 t de plcs, produziu-se um totl de 18 oins, tods comercilizds n qulidde NBR 5906 EPA.(7) As oins form processds em um ds dus linhs de decpgem ou em um linh preprdor de oins d Usimins-Cutão. Os ddos d Tel 1 podem ser comindos com lgums proprieddes mecânics, rngids pel equção de conformilidde (Equção 1), de tl form oferecer um visão d dependênci entre o desempenho do ço e os prâmetros de composição químic. Os gráficos d Figur 3 ilustrm ess dependênci, cujos resultdos são similres outros disponíveis n iliogrfi, como os pulicdos por De et l.(16) e Pju.(17) Tecnol. Metl. Mter. Miner., São Pulo, v. 9, n. 2, p , r.-jun
4 Otimizção de ço lmindo quente pr estmpgem sever pelo uso de desgseificdor RH e dições de microlig c d Figur 2. Produtos de soluilidde em função d tempertur pr lguns elementos metálicos (Al, B, Mn, Ti) e não metálicos (C, N e S) n ustenit. As curvs em destque são s médis e s curvs mis fins, os resultdos ds equções individuis otids n iliogrfi. (10-14) Tel 1. Algums crcterístics de composição químic ds corrids produzids com o ço estuddo Corrid %Ceq ( * ) %P %S %O Ti:C Ti:N B:C B:N Al:N Al:C ,066 0,010 0,012 0,0037 0,29 2,43 0,04 0,35 9,18 1, ,070 0,012 0,008 0,0033 0,68 5,15 0,14 1,03 6,61 1, ,047 0,011 0,009 0,0029 1,08 4,83 0,19 0,86 13,9 1, ,079 0,018 0,005 0,0046 0,38 3,26 0,07 0,59 21,7 1,30 Médi 0,065 0,013 0,008 0,0036 0,61 3,92 0,11 0,71 12,8 1,53 (*) Conforme Código AWS. (18) O processmento do mteril foi compnhdo junto dois clientes (A e B). Um dos clientes compnhdos (A) plicou o ço n estmpgem de corpos de compressores de sistems de refrigerção, com emissão de um reltório que pont um om desempenho do mteril, porém fzendo restrições o tipo de olemento em lgums oins, prejudicndo um pouco o processo de estmpgem do mteril. Form feits lgums reuniões sore o ssunto com s áres opercionis, de suporte técnico e com Assistênci Técnic pr oferecer 158 Tecnol. Metl. Mter. Miner., São Pulo, v. 9, n. 2, p , r.-jun. 2012
5 Moris et l. c d Figur 3. Vrição dos resultdos de ductilidde em função de prâmetros d composição químic otid no ço estuddo. As curvs são do tipo y = x 2 + x + c e R 2 é o coeficiente de determinção. Resultdos similres os de Pju. (17) um possível solução. A lterntiv dotd foi restringir o mteril pr pssr pens em um ds dus linhs de decpgem e somente utilizr outr linh qundo est estivesse n condição mis dequd pr plicção especificd. O outro cliente (B) receeu mteril pr produção de tmps de filtros de óleo. O mteril compnhdo presentou um om desempenho no processo de estmpgem, emor se dev levr em considerção que o processmento desse produto é mis simples. 4 DISCUSSÃO O trtmento de ços com ixos teores de C no equipmento RH é vntjoso, por serem otidos ços com ótim ductilidde. Aind melhor s condições opercionis do RH, levndo à mior limpidez dos ços IF. Os ddos otidos, especilmente de ductilidde (Along. Méd. =40%) pontm que o ço excede às exigêncis d norm NBR 5906 EPA (7) (Along. 34%). Deve-se destcr que se verific o mesmo tipo de correlção indicdo n iliogrfi (16,17) entre s principis proprieddes mecânics do ço e s rzões Ti:N e B:N. No cso do limite de escomento e rzão elástic (S LE /S LR ) há um melhor nos vlores desejdos pr estes prâmetros mecânicos, como estelecido pel Equção 1. É detectd um inflexão n tendênci de umento dos vlores do coeficiente de encrumento (n). Est tendênci tmém ocorre pr relção elástic, porém em menor gru. Já pr o longmento proporcionl, pesr de mior dispersão dos resultdos, é visível um tendênci contrári: o umento ns rzões Ti:N e B:N contriui pr otenção de menores vlores dest propriedde. Tecnol. Metl. Mter. Miner., São Pulo, v. 9, n. 2, p , r.-jun
6 Otimizção de ço lmindo quente pr estmpgem sever pelo uso de desgseificdor RH e dições de microlig Figur 4. () Curvs tensão-deformção (de engenhri) otids prtir de ensios de trção pr corpos de prov retirdos em diferentes direções do ço em nálise; () Metlogrfi com mplição óptic e tque Nitl 2%. Tmnho de grão em mm informdo. Aprentemente, o surgimento dos precipitdos nesse ço efetivmente diminui su resistênci e melhor estilidde no comportmento plástico (9,10), trduzido pelos vlores de n, té certo ponto. Contudo, estes precipitdos tmém diminuem cpcidde de longmento totl do mteril. Como o longmento uniforme está ssocido com o expoente de encrumento, (6) pode-se considerr que os precipitdos estão tundo especilmente n fse de estricção do mteril, induzindo com mis eficiênci formção de microvzios que ocorrem nest etp. Como form de ilustrr o resultdo dests nálises, dependênci entre tensão e deformção de engenhri é presentd n Figur 4. Ests curvs são otids em ensios de trção de um mostr do ço com composição químic dentro ds fixs ótims presentds pelos gráficos d Figur 3. Nest figur estão ilustrdos s curvs e os respectivos vlores do expoente de encrumento (n), otidos prtir de corpos de prov de trção preprdos ns direções trnsversl (90 ), digonl (45 ) e longitudinl (0 ) à direção de lminção do mteril. A microestrutur otid, ilustrd pel metlogrfi d Figur 4, present-se homogêne, inclusive nos extremos do mteril. O tmnho de grão otido é em homogêneo o longo d espessur e d lrgur do mteril, regiões onde trdicionlmente verificm-se normliddes no tmnho de grão pr ços lmindos quente de ixo crono. (1,9,11) 5 CONCLUSÃO A rot de produção vi RH é considerd de interesse estrtégico pr Usimins-Cutão, pois uxili n mnutenção do vso do desgseificdor RH ns melhores condições de tempertur e limpidez pr produção de ços IF. Assim, utilizndo est rot pr produção do mteril qui estuddo, verific-se um melhori de seu desempenho em termos de proprieddes mecânics e composição químic. O compnhmento relizdo uxili n determinção ds condições ns quis o mteril pode ser processdo de form presentr um condição superficil que tende às expecttivs dos clientes. Assim, conclui-se que tul especificção pr ços lmindos quente de mior gru de estmpilidde deve ser tendid com os prâmetros levntdos neste estudo. REFERÊNCIAS 1 MORALES, C.; MOREIRA, P. S.; LOPES, M. M. G. Melhoris no processo de estmpgem pr ços ixo crono. In: SEMINÁRIO DE LAMINAÇÃO, PROCESSOS E PRODUTOS LAMINADOS E REVESTIDOS, 40., 2003, Vitóri. Anis... São Pulo: ABM, 2003, p DAVIES, R. G. High strength steels in utomoiles. In: AUTOMOTIVE STEELS SEMINAR, 1988, Moscow. Proceedings Moscow: TSNIIVHM & CBMM, 1988, p ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5915: Chps fins frio de ço-crono pr estmpgem. Rio de Jneiro, MAGNABOSCO, A. S. Resistênci mecânic conformilidde. In: MORAIS, W. A.; MAGNABOSCO, A. S; NETTO, E. B. M. Metlurgi físic e mecânic plicd. 2. ed. São Pulo: ABM, v. 2, p Tecnol. Metl. Mter. Miner., São Pulo, v. 9, n. 2, p , r.-jun. 2012
7 Moris et l. 5 FONSTEIN, N. M. Low-lloy dul-phse steels for cold forming pplictions. In: AUTOMOTIVE STEELS SEMINAR, 1988, Moscow. Proceedings Moscow: TSNIIVHM & CBMM, p MORAIS, W. A. et l. Estudo ds vriáveis de deformção plástic em ços trvés de ensios de trção instrumentdos. In: CONGRESSO ANUAL DA ABM, 59., 2004, São Pulo. Anis... São Pulo: ABM, CD-ROM. 7 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5906: Chps fins quente de ço-crono pr estmpgem. Rio de Jneiro, DEUTSCHES INSTITUT FUR NORMUNG. DIN 1614: Steel flt products; Hot rolled sheet nd strip; Technicl delivery conditions; Mild unlloyed steels for cold reducing. Berlin, TOSAKA, A. et l. Hot rolled steel with good deep drwility nd good nti-secondry working emrittlement property, KFN5. Kwski Steel Technicl Report, n. 43, p. 46-8, Oct DUPUIS, G.; HUBERT, R. A.; TAILLARD, R. A Detiled study of sulphide precipittion in Ti-IF Steels. In: MECHANICAL WORKING AND STEEL PROCESSING (MWSP) CONFERENCE, 40., 1998, Pittsurgh. Proceedings Wrrendle: ISS, p YANG, X. et l. Soluility products of titnium sulphide nd crosulphide in ultr-low cron steels. ISIJ Interntionl, v. 36, n. 10, p , OIKAWA, K. et l. Soluility products of VS nd NS in iron lloys. ISIJ Interntionl, v. 49, n. 7, p , MAGNABOSCO, A. S. Coeficientes de soluilidde n ustenit. Anexo. In: MORAIS, W. A.; MAGNABOSCO, A. S; NETTO, E. B. M. Metlurgi físic e mecânic plicd. 2. ed. São Pulo: ABM, v. 2, p KRAUSS, G. Austenite in steels. In:. Steels: processing, structure, nd performnce. Mterils Prk: ASM Interntionl, p INOUE, K. et l. Soluility product of TiN in ustenite. ISIJ Interntionl, v. 38, n. 9, p , org/ /isijinterntionl DE, S. K. et l. Boron ering high formle low cron hot rolled steel for LPG cylinders. Steel Times Interntionl, v. 33, n. 3, p. 53-4, Apr PAJU, M. Effects of oron protection methods on properties of steel. Ironmking nd Steelmking, v. 19, n. 6, p , AMERICAN WELDING SOCIETY. AWS D1.1: structurl welding code: steel. Mimi, Receido em: 02/03/2012 Aprovdo em: 22/03/2012 Tecnol. Metl. Mter. Miner., São Pulo, v. 9, n. 2, p , r.-jun
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