INFLUÊNCIA DE TRATAMENTOS TÉRMICOS DE TÊMPERA E REVENIMENTO SOBRE VERGALHÕES DE AÇO ABNT 1015 DE 10mm

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1 INFLUÊNCIA DE TRATAMENTOS TÉRMICOS DE TÊMPERA E REVENIMENTO SOBRE VERGALHÕES DE AÇO ABNT 1015 DE 10mm Pedro Henrique da Costa Maciel (1) Geraldo Lúcio de Faria (1) Leonardo Barbosa Godefroid (1) (1) Campus Universitário do Morro do Cruzeiro, Bauxita. Ouro Preto-MG, CEP: Universidade Federal de Ouro Preto Rede Temática de Engenharia de Materiais RESUMO Historicamente, os vergalhões de aço grau CA50 (ABNT NBR 7480) eram fabricados a partir de aços médio carbono microligados. Com a evolução dos estudos sobre os tratamentos térmicos em aços baixo carbono, hoje é possível atingir o mesmo grau com aço carbono ABNT 1030, porém com restrições associadas a soldabilidade e disponibilidade de matéria-prima. Neste trabalho, estudou-se a influência de diferentes tratamentos térmicos sobre vergalhões fabricados ineditamente, em escala piloto, a partir do aço ABNT 1015 visando alcançar o grau CA50, atendendo aos requisitos microestruturais e de propriedades mecânicas. Para tal, selecionou-se amostras representativas do vergalhão e realizou-se nelas diferentes tratamentos térmicos de normalização, têmpera e revenimento. Cada uma das amostras foi estruturalmente caracterizada por microscopia óptica e eletrônica de varredura, assim como submetidas a ensaios de microdureza Vickers, tração e dobramento. Por meio dos resultados obtidos, foi possível concluir que é possível fabricar o vergalhão grau CA50 a partir do aço ABNT 1015 desde que este seja submetido a condições controladas de têmpera e revenimento após a laminação que confiram a ele uma microestrutura majoritariamente constituída por bainita. Estes resultados são inéditos e apontam possibilidades de adequação do processo de fabricação dos vergalhões CA50 que permitam usar o aço ABNT 1015, melhorando a soldabilidade, a disponibilidade de matéria-prima, e reduzindo custos com a manutenção da estrutura de laminação. Palavras-chave: Vergalhões, ABNT1015, Têmpera e Revenimento. 1 INTRODUÇÃO O aumento da resistência mecânica de aços através de tratamentos térmicos com resfriamento por água em produtos laminados a quente tornou-se uma atividade muito praticada e rentável no setor metalúrgico (1). Atualmente, na produção de vergalhões, tem-se trabalhado com o intuito de utilizar aços comuns com baixo teor de carbono em substituição aos aços microligados. Para se alcançar as propriedades requeridas pela norma ABNT NBR 7480, que regulamenta os pré

2 requisitos deste tipo de produto, nestes aços, a aplicação de tratamentos térmicos após a laminação a quente tem sido empregada. Dentre os processos mais usuais de tratamento térmico integrado à laminação de vergalhões, se destaca o Tempcore, que aplica jatos d'água sobre os vergalhões em fluxo contínuo após a saída dos mesmos do último conjunto de cilindros laminadores (2). A temperatura superficial do vergalhão é reduzida da ordem de 1000 C para 300 C em um intervalo de tempo médio de três segundos (3). Na primeira fase do ciclo térmico obtém-se martensita na superfície do material oriunda das altas taxas de resfriamento; na sequência do processo, o núcleo ainda com temperatura acima de A 3 reaquece a superfície da peça por condução favorecendo a formação da bainita entre o núcleo e a superfície, assim como revenindo a martensita presente na superfície; na etapa final, ocorre o resfriamento total do material ao ar atmosférico. A microestrutura usualmente obtida nos vergalhões é constituída por martensita revenida na superfície, bainita em uma larga faixa abaixo da superfície e por ferrita e perlita fina no centro. Os principais parâmetros controlados no ciclo térmico são: a vazão da água, o tempo de contato metal/água e a temperatura de autorevenimento das barras no leito de resfriamento. A elevada resistência mecânica associada a uma boa ductilidade das barras produzidas pelo processo Tempcore, se deve a esta microestrutura complexa distribuída por zonas (1, 4, 5). Após os tratamentos térmicos de têmpera e revenimento, os vergalhões fabricados a partir de aços baixo carbono possuem sua superfície constituída majoritariamente por martensita revenida com morfologia de ripas (6). Barras de aço quando aquecidas a 600 C e submetidas a uma rápida têmpera em água seguido de autorevenimento ao ar, gera uma estrutura bainítica grosseira. Como resultado se obtém um acréscimo na ductilidade do aço e uma diminuição aceitável nos limites de resistência mecânica (7). Amostras de aço baixo carbono microligado quando austenitizadas a 1250 C durante 600s e submetidos a tratamento isotérmico a 610 C durante 30s apresentam ferrita de Windmanstätten (8). Neste contexto, este trabalho tem o objetivo de estudar a influência de diferentes tratamentos térmicos de têmpera e revenimento sobre vergalhões fabricados em escala piloto a partir do aço ABNT 1015 visando alcançar o grau CA50, atendendo aos requisitos microestruturais e de propriedades mecânicas. Pretende-se conseguir melhorias na linha de laminação e tratamentos térmicos das 4258

3 barras de vergalhões visando menor custo de produção sem perdas na qualidade do produto. 2 MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Materiais Os materiais utilizados neste trabalho foram gentilmente doados pela ArcelorMittal Aços Longos unidade de Itaúna-MG. Utilizou-se amostras de vergalhões de 10mm de diâmetro fabricados a partir do aço ABNT Procedimentos Experimentais Com o objetivo de facilitar a identificação das amostras, convencionou-se nomeá-las por letras maiúsculas como apresenta a Tab. 1 Tab. 1 - Identificação das amostras utilizadas. Primeiramente, caracterizou-se o vergalhão fabricado a partir do aço SAE 1015 (Amostra A). As técnicas empregadas foram: análise química por espectrometria de emissão ótica, microscopia ótica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV), ensaio de tração, ensaio de dobramento e ensaio de microdureza Vickers. Em seguida, separou-se cinco amostras do mesmo vergalhão com 40mm de comprimento para submissão a um tratamento térmico de normalização ao ar sem agitação. Reservou-se uma amostra normalizada (Amostra B) para caracterização estrutural e medição de microdureza. As quatro amostras restantes foram novamente austenitizadas em um forno tipo Chevernard na temperatura de 900 C durante 25min e foram resfriadas com diferentes taxas. Todas as amostras foram caracterizadas com auxílio das técnicas de MO e MEV, além de terem sido submetidas a ensaios de microdureza Vickers. A amostra C, passou pelo tratamento térmico de têmpera convencional em água a 25 C. A amostra D, passou pelo tratamento térmico de têmpera convencional seguido de revenimento a 500 C por 15min. A amostra E, foi resfriada em água a 25 C durante 3s e em seguida terminou de resfriar-se ao ar atmosférico sem 4259

4 agitação. A amostra F, também foi imersa em água a 25 C, porém durante 6s. O resfriamento final da amostra também se deu ao ar atmosférico sem agitação. Com base nos ensaios realizados, selecionou-se a condição de tratamento térmico da amostra D para ser aplicado em amostras de 400mm dos vergalhões. Após os tratamentos térmicos realizados, amostras foram destinadas aos ensaios de tração e de dobramento. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Caracterização química do aço ABNT 1015 A composição química do aço utilizado neste trabalho pode ser observada na Tab. 2. Tab. 2 - Composição química do aço estudado (% em massa). Comparando-se os teores medidos com os especificados para o aço ABNT 1015, pode-se afirmar que o único elemento fora de faixa é o manganês. 3.2 Caracterização microestrutural A Fig. 1 ilustra a microestrutura da amostra A, onde é possível observar que na região central, a bainita se apresenta de forma majoritária com a presença de precipitados de carbonetos no interior de placas de ferrita. Nos intermédios e na superfície da amostra se nota a presença de bainita e martensita revenida. Os resultados obtidos se apresentam de acordo com a literatura destacando que a depender da composição química da liga, se observa uma mudança de características estruturais da superfície para o centro dos vergalhões (1,5). A Fig. 2 ilustra a micrografia (MO) da amostra B onde é possível observar uma estrutura característica do tratamento térmico de normalização constituída por ferrita e perlita. Os grãos de ferrita se apresentaram com morfologia de placas e em menor proporção equiaxial. A Fig. 3 retrata a micrografia da amostra C. Se observa uma estrutura em forma de ripas que configuram a presença majoritária de bainita e martensita. Na Fig. 4 se observa a microestrutura da amostra D, e percebe-se com aumentos maiores, uma estrutura ferrítica com precipitados de cementita (Fe 3 C) configurando estrutura bainítica que deve resultar em um acréscimo na ductilidade do aço e uma queda na resistência mecânica (8). 4260

5 Fig. 1 - Micrografia da amostra A, a) Região central, b) Região intermediária, c) Região da superfície - Ataque: Nital 2%, MEV, Aumento de 9000x. Fig. 2 - Micrografia da amostra B, a) Região central, b) Região intermediária, c) Região da superfície - Ataque: Nital 2%, MO, Aumento de 400x. Fig. 3 - Micrografia da amostra C, a) Região central, b) Região intermediária, c) Região da superfície - Ataque: Nital 2%, MEV, Aumento de 6000x. Fig. 4 - Microscopia eletrônica de varredura da amostra D evidenciando precipitados de cementita em (a)15000x e (b)20000x, e a estrutura bainítica em (c)15000x. Nas Fig. 5Fig. 6, é possível observar no centro das amostras, placas que crescem ao longo de planos bem definidos no interior do grão austenítico, configurando a ferrita de Windmanstätten, na região intermediária se observa precipitados de cementita (Fe 3 C) no grão da ferrita evidenciando a presença de bainita e martensita revenida na superfície do material. 3.3 Análise do perfil de microdureza O perfil de microdureza de cada amostra é apresentado na Fig. 7. Com base nos ensaios realizados, conclui-se que as amostras C, E e F apresentaram um perfil de microdureza mais elevado, pois devido ao tratamento de têmpera convencional e 4261

6 de autorevenimento ao ar, houve pouco tempo para a difusão do carbono configurando microconstituintes mais duros. Fig. 5 - Micrografia da amostra E, a) Região central, b) Região intermediária, c) Região da superfície - Ataque: Nital 2%, MEV, Aumento de 6000x. Fig. 6 - Micrografia da amostra F, a) Região central, b) Região intermediária, c) Região da superfície - Ataque: Nital 2%, MEV, Aumento de 6000x. A amostra que mais se aproxima da Amostra A, é a Amostra D, e portanto, ela foi escolhida para ser tratada termicamente em maior escala (400mm) e ensaiada por tração e dobramento. Fig. 7 - Perfil de microdureza das amostras A, B, C, D, E, e F. 3.4 Análise dos ensaios de tração para as amostras A e D Com base nos resultados apresentados na Fig. 8 (a), podemos destacar que o valor obtido no laboratório do DEMET para o limite de escoamento médio, se encontra acima de 500MPa e portanto se enquadra na norma ABNT NBR

7 NORMA NBR ABNT 7480 TESTE NO DEMET TESTE NO DEMET TESTE DA EMPRESA TESTE DA EMPRESA ESTADO DE ENTREGA ESTADO DE ENTREGA NORMA NBR ABNT 7480 TESTE NO DEMET TESTE DA EMPRESA ESTADO DE ENTREGA 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais A norma ainda exige uma relação para o limite de resistência (LR) e limite de escoamento (LE) de acordo com a equação: Pode-se observar na Fig. 8 (b) que, os resultados obtidos revelam que todos os ensaios realizados se encontram dentro do padrão estabelecido por norma. a) b) Tensão (MPa) 500 SAE 1015 SAE SAE LR/LE 1,08 1,20 1,20 1,23 SAE 1015 SAE 1015 SAE 1030 Limite mínimo de escoamento de escoamento (LE) de resistência (LR) de escoamento (LE) de resistência (LR) de escoamento (LE) de resistência (LR) Fig. 8 (a) Comparação do limite de escoamento exigido pela norma ABNT NBR7480 e do limite de escoamento médio obtido nos ensaios; (b) razão limite de resistência/limite de escoamento exigido por norma e do resultado médio obtido nos ensaios. 3.5 Análise dos ensaios de dobramento para as amostras A (teste da empresa) e D (ensaio no laboratório) De acordo com os ensaios de dobramento realizados, todas as amostras foram aprovadas, pois não apresentaram trincas na região solicitada. 4 CONCLUSÕES Os vergalhões fabricados a partir do aço SAE 1015 submetidos a tratamentos térmicos de têmpera e revenimento apresentam microestruturas constituídas majoritariamente por bainita e martensita revenida. Este fato confere a eles propriedades mecânicas que atendem à norma ABNT NBR O conjunto de tratamentos térmicos que conferiu tais propriedades ao vergalhão, foi uma têmpera em água a temperatura ambiente seguida de revenimento em um forno tipo mufla a 500 o C por 15 minutos e resfriamento ao ar até a temperatura ambiente. Com a utilização do aço SAE 1015 como matéria-prima para a fabricação de vergalhões, espera-se ser possível obter menores custos de fabricação devido à eliminação de gastos com aços ligados, além de, pelo fato do carbono ser baixo, o 4263

8 material apresenta melhor soldabilidade e menores níveis de desgaste mecânico dos componentes utilizados em sua fabricação. 5 AGRADECIMENTOS À Empresa Arcelor Mittal Itaúna por ter gentilmente cedido material para realização deste trabalho. 6 REFERÊNCIAS 1. ALVES FILHO, C.H.M. Análise da Influência da Taxa de Resfriamento no Gradiente Microestrutural de Barras Laminadas a Quente Tratadas Termicamente. Dissertação de Mestrado, Pontifícia Universidade Católica do Paraná, Curitiba ECONOMOPOULOS, M., RESPEN, Y.,LESSEL, G., STEFFES, G., Application of the Tempcore Process to the Fabrication of High Yield Strength Concrete-reinforcing Bars. C.R.M. n. 45, Dez apud BARRETO, M.F.O. Características mecânicas de vergalhões de aço autorevenido. Dissertação de mestrado, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte RODRIGUES, P.C.M. CETLIN, P.R, SILVA, A.P. e, AGUILAR, M.T.P. Perfil de Temperatura em Aço para Construção Civil Fabricado pelo Processo Tempcore. Revista Metalurgia & Materiais ABM, v. 49. n jun apud BARRETO, M.F.O. Características mecânicas de vergalhões de aço auto-revenido. Dissertação de mestrado, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte SIMON, P.; ECONOMOPOULOS, M.; NILLES, P. Tempcore: A New Process for the Production of High-Quality Reinforcing Bars. Iron and Steel Engineering, mar CADONI, E.; DOTTA, M.; FORNI D.; TESIO N.; ALBERTINI, C. Mechanical behaviour of quenched and self-tempered reinforcing steel in tension under high strain rate. Materials and Design, v. 49, p , fev., WANG, C.Y.; SHI, J.; CAO, W.Q.; DONG, H. Characterization of microstructure obtained by quenching and partitioning process in low alloy martensitic steel. Materials Science and Engineering A, v. 527, p , fev.,

9 7. ZAKY,A.I.; EL-MORSY, A.; EL-BITAR, T. Effect of different cooling rates on thermomechanically processed high-strength rebar steel. Journal of Materials Processing Technology, v. 209, p , abr., CHENG, L.; WAN, X.L.; WU, K.M. Three-dimensional morphology of grain boundary Widmanstätten ferrite in a low carbon low alloy steel. Materials Characterization, v. 61, p , nov., INFLUENCE OF HEAT TREATMENT QUENCHING AND TEMPERING ON REBAR STEEL ABNT mm DIAMETER ABSTRACT Historically, steel rebar classified as CA50 (ABNT NBR 7480) were made from medium carbon microalloyed steels. With the development of studies on heat treatments of low carbon steels, nowadays it is possible to get the same classification with common carbon steel ABNT 1030 with restrictions associated to the weldability and availability of raw materials. In this work, the influence of different heat treatments on rebar manufactured in pilot scale, from steel ABNT 1015 aimed at reaching the CA50 classification, meeting the microstructural and mechanical properties requirements was studied. Therefore, we selected representative samples of rebar and submitted them to different heat treatments of normalization, quenching and tempering. Each sample was structurally characterized by optical and scanning electron microscopy as well as tested by Vickers hardness, tensile and bending tests. The results showed that it is possible to manufacture rebar CA50 degree from ABNT 1015 steel submitted to controlled quenching and tempering conditions after rolling that give it a microstructure constituted mainly by bainite. These findings are novel and suggest possibilities for adaptation of the manufacturing process of rebar CA50 allowing use steel ABNT 1015, improving weldability, availability of raw materials, and reducing maintenance costs of the lamination machines. Key-words: Rebar, ABNT1015, Quenching and Tempering. 4265