Influência do Nióbio em molas produzidas no aço SAE 6150

Transcrição

1 Copyright 2011 International Influência do Nióbio em molas produzidas no aço 6150 Scuracchio, Bruno Geoffroy Engenheiro de Pesquisa e Desenvolvimento da ThyssenKrupp Bilstein Brasil bruno.scuracchio@thyssenkrupp.com Barbosa, Sidney Calheira Engenheiro de Pesquisa e Desenvolvimento da ThyssenKrupp Bilstein Brasil sidney.barbosa@thyssenkrupp.com Curitiba, José Roberto Gerente de Pesquisa e Desenvolvimento da ThyssenKrupp Bilstein Brasil jose.curitiba@thyssenkrupp.com RESUMO Foram investigados os efeitos da adição de Nióbio na microestrutura e nas propriedades mecânicas do aço mola Estes aços são amplamente utilizados na indústria de molas pela sua alta temperabilidade e resiliência. Foram realizados ensaios de fadiga, ensaios de tração e metalografia, e os resultados mostraram que a adição de Nióbio não refletiu em um maior refino de grão como esperado, e também sem impacto na vida em fadiga ou nas propriedades mecânicas. A função do amortecedor é justamente dissipar esta energia, tornando possível a dirigibilidade do veículo mesmo quando em terrenos irregulares [1]. INTRODUÇÃO SISTEMAS DE SUSPENSÃO O sistema de suspensão automotiva é, basicamente, o elo entre a estrutura do veículo e as suas rodas. Conseqüentemente, ele também é responsável pela absorção das vibrações ocasionadas por irregularidades no solo, melhorando a dirigibilidade e o conforto dos usuários do veículo. [1] Os principais componentes do sistema de suspensão são as molas (figura 1), os amortecedores, e as barras estabilizadoras (figura 2). A barra estabilizadora, como o próprio nome diz, tem a função de estabilizar o veículo principalmente durante curvas, ou seja, ela é quem dá sustentação durante o giro do veículo em seu próprio eixo longitudinal. As molas, por princípio, são os componentes que suportam o peso do veículo e que absorvem a maior parte da energia gerada pelas irregularidades do solo durante a movimentação do automóvel. Tanto as molas quanto as barras estabilizadoras são componentes que trabalham sempre dentro da zona elástica determinada pela Lei de Hooke (a deformação é proporcional à tensão), portanto esta energia gerada é absorvida através da própria deformação elástica das peças. Figura 1 Molas usadas na suspensão de veículos (A) Mola do tipo helicoidal; (B) Mola do tipo feixe de lâminas. [1] Figura 2 Barra estabilizadora de veículo leve [1]

2 As molas para veículos rodoviários podem ser de quatro tipos: helicoidal, em lâminas, pneumática ou de torção. As molas helicoidais, por serem menores e mais leves, são utilizadas mais comumente em veículos leves de passeio. Já as molas em lâminas são mais pesadas, e normalmente são utilizadas em veículos de médio e grande porte, devido exercer também uma função estrutural. As molas de torção geralmente são utilizadas quando há algum problema de espaço para a instalação de molas helicoidais. As molas a ar, ou pneumáticas, conferem maior conforto aos passageiros, mas constituem uma solução mais cara. [2] As molas planas, utilizadas nos estudos do presente trabalho, podem ser classificadas em basicamente dois tipos diferentes: molas trapezoidais (convencionais) e molas parabólicas (figura 3). Em ambos os casos são utilizadas lâminas, porém no caso das parabólicas elas têm espessura variável. Já as convencionais possuem a mesma espessura ao longo do comprimento de cada lâmina. Em ambos os casos, as lâminas podem ser montadas em feixes, ou principalmente no caso das parabólicas podemos ter lâminas únicas no sistema monolâmina. A grande diferença das duas está na distribuição das tensões ao longo do comprimento das lâminas, que no caso das parabólicas é constante, aperfeiçoando o projeto e diminuindo o peso comparando-se com uma mola trapezoidal de mesma tensão de trabalho. [2] Matéria-Prima Atualmente, são utilizados principalmente os materiais 6150 e 5160 para fabricação de molas em lâmina [3]. Porém, uma série de materiais para beneficiamento podem ser utilizados para este fim [4]. O material é recebido das usinas siderúrgicas na forma de barras chatas de diferentes bitolas (larguras e espessuras), em comprimentos por volta de 6 metros. A estrutura do material, nesta etapa, é basicamente perlita+ferrita bruta de laminação a quente. Conformação Mecânica Com o material já no comprimento pré-definido, a lâmina é levada para o primeiro processo de conformação: a laminação a quente. Dependendo do tipo de mola a ser produzida, o perfil laminado será parabólico (com espessura variável ao longo do comprimento) ou convencional (espessura constante ao longo do comprimento). As extremidades da lâmina são aquecidas a aproximadamente 1000º C, e é realizada a laminação a quente em laminador quadruo, do centro para a ponta, a fim de formar o perfil desejado, em cada lado da peça. Após a laminação, a lâmina segue para os processos de forjamento a quente, que pode ser o enrolamento dos olhais nas extremidades, e/ou estampagem de furos e ressaltos, dependendo do projeto mecânico do veículo e, conseqüentemente, da mola. Tratamento Térmico O material, após a laminação, apresenta uma estrutura basicamente de perlita+ferrita recristalizada, bruta de laminação, e bastante heterogênea. O limite de resistência do material, nesta etapa, é de aproximadamente 1000 MPa. O tratamento térmico de têmpera e revenimento é utilizado para elevarmos a resistência do material para a casa dos 1700 MPa, e transformamos a sua estrutura para 100% martensita revenida. Figura 3 Tipos de molas em lâminas [2] Para conferir as propriedades elásticas necessárias às molas, e devido às altas solicitações que este componente sofre durante o uso, o processo de fabricação destas peças deve garantir um alto limite de escoamento e um alto limite de resistência, conferidos através de tratamento térmico de têmpera. Além disso, para garantir a resistência da mola aos esforços cíclicos, ela também deve ter sua superfície tratada através de shotpeening. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE MOLAS EM LÂMINA Tratamento Superficial Após o tratamento térmico, a peça segue para o processo de shot-peening. Existe uma série de processos de shotpeening diferentes com a finalidade de se inserir tensões compressivas na superfície dos componentes, com diferentes parâmetros. Em todos os casos, o processo consiste no martelamento da superfície de material com granalha de aço, a fim de encruar e inserir tensões residuais compressivas na superfície da peça. Após o processo de shot-peening, o material segue para a montagem de acessórios, montagem do feixe, e pintura. A pintura, com tinta epóxi, é realizada a fim de proteger o material contra corrosão atmosférica durante o uso. Podemos dividir o processo de fabricação de molas em lâmina da ThyssenKrupp Bilstein Brasil em quatro etapas distintas: matéria-prima, conformação mecânica, tratamento térmico, e tratamento superficial.

3 ADIÇÃO DO NIÓBIO COMO ELEMENTO DE LIGA NOS AÇOS A adição do Nióbio como elemento micro-ligante nos aços tem principalmente como objetivo o refino do tamanho de grão final do material. Isso se dá pelo fato de que o Nióbio tem forte potencial de se unir ao Carbono e ao Nitrogênio (carbo-nitretos de Nióbio), formando compostos que precipitam na forma de partículas de segunda fase. Estas partículas atuam como âncoras e barram o crescimento dos grãos. Os carbo-nitretos de nióbio precipitam durante o resfriamento do material, nas interfaces Austenita Ferrita, e só serão solubilizados novamente em temperaturas acima de 1100º C. [5] Quanto mais finas e homogeneamente dispersas estas partículas estiverem, melhores serão os resultados visando refino de grão. O tamanho médio destes precipitados é da ordem de 3 a 10 nanômetros, vistos exclusivamente através de microscopia eletrônica. respeitados para uma perfeita reprodução das condições normais de produção. Além disto, todos os 12 feixes foram produzidos ao mesmo tempo, para respeitar os mesmos parâmetros de laminação, tratamento térmico, e shot-peening. Foram analisadas as propriedades mecânicas de todas as peças através de ensaio de tração, e através de ensaio de fadiga. Além disso, o tamanho de grão austenítico foi medido em todas as amostras, pelo procedimento da norma ASTM E112 [10], em várias etapas do processo, para caracterizar a evolução do tamanho de grão do material. RESULTADOS Os resultados da evolução do tamanho de grão do material encontram-se a seguir: São descritos na literatura uma série de trabalhos visando melhorar a durabilidade de molas em laminas com a adição de Nióbio[6, 7, 8], e é objetivo deste trabalho colocar à prova esta hipótese. METODOLOGIA Foram produzidos 12 feixes de mola [9], metade usando o material 6150, e metade utilizando o material 6150+Nb. As composições químicas de ambas as corridas encontram-se abaixo na tabela I. Tabela I Composição das ligas %C %Mn %Si %P %S %Cr ,49 0,85 0,27 0,019 0,006 1,02 Figura 4 Matéria-Prima SEM Nióbio (100x) 6150+Nb 0,51 0,84 0,28 0,023 0,005 0,99 %Nb %Al %V %Mo %Cu Nb 0,001 0,026 0,18 0,04 0,14 0,094 0,009 0,19 0,04 0,12 Podemos perceber que a diferença entre as duas corridas é somente no teor de Nióbio utilizado na segunda, e uma pequena correção no teor de Alumínio por conseqüência disto. Figura 5 Matéria-Prima COM Nióbio (100x) O modelo de feixe de mola escolhido para o trabalho é composto por três laminas, de projeto já conhecido. Para ambos os materiais, todos os parâmetros de processo foram

4 Figura 6 Após laminação a quente SEM Nióbio (100x) Figura 8 Após têmpera e revenimento SEM Nióbio (200x) Figura 7 Após laminação a quente COM Nióbio (100x) Figura 9 Após têmpera e revenimento COM Nióbio (200x) O tamanho de grão austenítico encontrado na matéria prima pode ser classificado como de 8 a 10 (figura 4 e 5), e no material após a laminação a quente de 9 a 10 (figura 6 e 7). Portanto, mesmo com um leve refino de grão, o comportamento foi semelhante aos dois materiais (com e sem Nióbio). Abaixo encontram-se as micrografias do material após a têmpera e o revenimento. O tamanho de grão, mesmo após têmpera e revenimento, se manteve igual entre os dois materiais, não demonstrando nenhum efeito refinador adicional do Nióbio (figura 8 e 9). Após a têmpera, além do tamanho de grão, foram medidas as propriedades mecânicas do material em tração, e a durabilidade das molas. Os resultados encontram-se nas tabelas II e III:

5 Tabela II Resultados T.G. L.R. (ASTM E112) (MPa) L.E. (MPa) Along. (%) Vida em Fadiga (Ciclos) 1 9, , , , houve diferença significativa entre os materiais, mesmo havendo alguma dispersão nos resultados individuais em ambos os casos. Portanto, esta dispersão na vida em fadiga não pode ser justificada pela mudança no material, e sim por fatores estatísticos. Esta afirmação é reforçada quando levamos em consideração que todas as propriedades mecânicas e o tamanho de grão de todas as amostras estão similares. Os resultados encontram-se nas figuras 10 e , , , , , , , , Nb 9, , Nb 9, , Nb , Nb , Nb 9, , Figura 10 Vida em fadiga do material SEM nióbio, com a respectiva média B10 6Nb , T.G. Tamanho de Grão L.R. Limite de Resistência L.E. Limite de Escoamento Along. Alongamento Tabela III Resumo dos Resultados L.R. L.E. T.G. (MPa) (MPa) Along. (%) Vida em Fadiga B10 (Ciclos) [11] Média sem Nb 9, , Figura 11 Vida em fadiga do material COM nióbio, com a respectiva média B10 Média com Nb 9,0 a 9, , Podemos perceber que não existe nenhuma tendência de alteração de propriedades mecânicas no material com Nióbio comparando-se com o material sem Nióbio. No caso da vida em fadiga, quando levamos em conta a vida B10 [11], não Estes resultados nos mostram claramente que a presença do Nióbio na liga de 6150 não alterou suas propriedades mecânicas em tração e em fadiga. Todos os resultados, dentro de uma dispersão natural, foram semelhantes. O efeito refinador de grão do Nióbio, que implicaria em um maior limite de resistência e um maior alongamento nas ligas onde ele está presente [12], não se concretizou. Acreditamos que o teor de Vanádio (aprox. 0,2%) já presente em teores semelhantes em ambas as ligas, já atua como forte refinador de grão, suprimindo qualquer efeito que o Nióbio teria durante o processamento a quente das peças.

6 CONCLUSÃO - Diferentemente do esperado, o teor de Nióbio não teve influência na definição do tamanho de grão da matéria prima, tanto no material bruto de laminação, quanto no material temperado e revenido. Como ambos os materiais apresentam um teor de Vanádio de aproximadamente 0,20%, este elemento já funciona como forte refinador de grão, e possivelmente suprime qualquer efeito refinador do Nióbio. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer a todos os colegas da ThyussenKrupp Bilstein Brasil pela discussões e contribuições ao trabalho, em especial ao setor de amostras pelos resultados de fadiga, e ao laboratório metalográfico pelas análises de falha. Em especial, gostaríamos de agradecer à direção da empresa pelo apoio no desenvolvimento deste e de outros trabalhos científicos. - As propriedades mecânicas analisadas através de ensaio de tração confirmaram os resultados, demonstrando que o alongamento, limite de resistência, limite de escoamento e dureza foram semelhantes em todas as amostras, inclusive não existindo uma correlação entre vida em fadiga e as pequenas variações entre as propriedades mecânicas. - Com base em todos os resultados, podemos perceber que o Nióbio não teve influência na vida em fadiga dos feixes. Não foi encontrada variação significativa entre a vida B10 do material com e sem Nióbio. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. LONGHURST, C.; The Suspension Bible, 2000, disponível em: 2. THYSSENKRUPP BILSTEIN BRASIL.; Apresentação Institucional e Catálogo de Produtos, YAMADA, Y.; Materials for Springs. Japan Society of Springs Engineers, DIN EN10089; Hot Rolled Steels for Quenched and Tempered Springs, Properties and Selection Iron, Steels and High Performance Alloys, vol. 1, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, ARNDT, J.; LEHMANN, G.; LEHNERT, W.; Improving fatigue strength of leaf springs by thermomechanical treatment; ATZ Automobiltechnische Zeitschriff, v. 100, PETERS, A.; KASPAR, R.; JANOVEC, J.; PAWELSKI, O.; Austenite in the Process of thermomechanical treatment of microalloyed spring steels; Steel Research, V. 67, KASPAR, R.; PETERS, A.; Efficient steel processing by disciplined hot forming and microalloying; Steel Research, V. 69, LEE, Y.L.; PAN, J.; HATHAWAY, R.; BARKEY, M.; Fatigue Testing and Analysis Theory and Practice, Cap. 4, ELSEVIER, ASTM E112; Standard Test Methods for Determining Average Grain Size, FIAT GROUP AUTOMOBILE; Weibull Analysis, Norma 07691, PLEKHOV, O.; PAGGI, M.; NAIMARK, O.; CARPINTERI, A.; A Dimensional Analysis Interpretation to Grain Size and Loading Frequency Dependencies of the Paris and Wöhler Curves. International Journal of Fatigue, vol. 33, 2011, p