SIMULAÇÃO DA LAMINAÇÃO A QUENTE PARA A PRODUÇÃO DE AÇO BIFÁSICO

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1 SIMULAÇÃO DA LAMINAÇÃO A QUENTE PARA A PRODUÇÃO DE AÇO BIFÁSICO Mário R. B. Tasca 1 *, Marcelo L. P. Machado 2 1 Aluno de Mestrado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais do Instituto Federal de Educação do Espírito Santo, IFES, Vitória, ES, 2 Professor Doutor dos Cursos de Mestrado e Engenharia Metalúrgica e de Materiais IFES, Vitória, ES. * Autor para correspondência (mariotasca@hotmail.com) Resumo: A industria automotiva vem crescendo tanto em produtividade como em segurança, portanto novas tecnologias e materiais cada vez mais versáteis são utilizados. O aço bifásico do tipo Martensita-Ferrita tem como principal aplicação compor peças automotivas relacionadas diretamente com segurança, justamente por fornecer boa resistência mecânica aliada à conformabilidade. Com o intuito de simular a produção de microestrutura de um aço bifásico, é utilizado ensaio de torção a quente seguido de têmpera de um aço SAE Desta forma, podem ser comparados parâmetros da laminação a quente e a morfologia da microestrutura final. Assim como nos processos de laminação a quente, os primeiros passes são feitos em temperaturas e deformações superiores, e os últimos passes são feitos a menores deformações e taxas de deformação maiores. Portanto, o tempo entre passes também é reduzido a fim de reproduzir a velocidade da tira entre os trens acabadores. O resfriamento feito por têmpera na zona de transformação intercrítica gera estrutura bifásicas de maioria ferrita e martensita. As relações entre as diferentes rotas de processamento é feita por comparação dos parâmetros utilizados nos testes, e as microestruturas obtidas, que são analisadas via microscopia ótica. Palavras-chave: Laminação a quente; torção; aço bifásico; simulação de processos. 1

2 1 Introdução A constante necessidade de redução da emissão de poluentes e do consumo de combustíveis por parte dos automóveis tem forçado os fabricantes a adotar diferentes soluções para o projeto e a construção dos seus novos modelos de veículos. Uma das medidas mais efetivas, nesse sentido, é a ampla utilização de aços de alta resistência, que permite uma redução da espessura das chapas empregadas, sem prejuízo da segurança dos passageiros na eventualidade de uma colisão[1]. Os aços bifásicos são um importante ramo de aços de alta resistência e baixa liga (ARBL). Esses materiais combinam propriedades mecânicas singulares propriedades como alta resistência mecânica, altas taxas de endurecimento por trabalho a frio nos estágios iniciais tão boas quanto sua ductilidade, que o destaca dos outros aços ARBL[4,5]. Interromper um processo industrial para realização de testes ou montar uma planta piloto para realizar estudos muitas vezes torna-se inviável. Um dos métodos utilizados para o estudo dos fenômenos ocorridos durante a laminação é o ensaio de torção a quente. A reprodução das condições de processo em que o material é submetido durante a laminação e o controle isolado de vários parâmetros permite um estudo mais aprofundado deste processo.[3] Estes tipos de testes feitos em laboratório refletem com bastante precisão tanto o processo de desbaste quanto as operações de laminador de chapas grossas, sendo que as taxas de deformação e tempos de passes são relativamente baixos. Estender os resultados conseguidos às condições industriais de laminação de tiras a quente é uma tarefa difícil, devido às altas taxas de deformação e tempo entre passes curto em relação aos usados em um laminador acabador de tiras a quente.[6] Para produzir a estrutura bifásica do tipo ferrita e martensita, foi feita a simulação da laminação a quente seguida de resfriamento. É comum encontrar, além da martensita, outros microconstituintes presentes como bainita e traços de austenita retida[7]. A presensa e quantidades destes outros microconstituintes foram considerados como sendo segunda fase. Para efeito de cálculo e avaliação de quantidade relativa de fases a microestrutura foi contada como ferrita em relação ao restante. O objetivo principal deste trabalho foi comparar as microestruturas obtidas após a simulação da laminação via ensaio de torção a quente. É importante que a segunda fase se encontre bem distribuida na matriz ferrítica, que se deve a dois principais motivos: - evitar o acumulo de tensões que surge durante a posterior conformação do material final; - evitar a deformação não homogênea, que pode ocorrer também durante a conformação. 2 Materiais e métodos O material para a confecção dos corpos de prova foram extraídos de uma chapa com 15 mm de espessura de aço ao manganês SAE A composição química se encontra na Fig. 1 e é compatível com a produção de aço bifásico do tipo ferrita-martensita [8;9;10;11]. Elemento C Mn Si P S Al Cr Ni Nb (p/p) % 0,21 1,25 0,19 0,013 0,025 0,042 0,076 0,038 0,005 Fig. 1. Composição química do aço estudado. O teor de carbono, e de manganês, foram levados em consideração para o cálculo das temperaturas de transformação e quantidade de fases formadas após o resfriamento. O manganês presente tem a principal finalidade de atrasar a transformação perlítica, facilitando assim a obtenção de martensita ou bainita[12]. Esta chapa foi cortada em pedaços que depois foram usinados como mostra a Fig Preparação do material As medidas do corpo de prova foram definidas tomando como base os limites de dimensões, geometria e potência da maquina de torção. Após os testes as passas foram cortadas, lixadas, polidas e atacadas com uma solução de 5ml de HCl, 1g de ácido pícrico em 100ml de álcool etílico (95%), por um tempo de 10 a 25 segundos. A região observada foi a superfície da seção útil da peça, onde se encontravam as maiores deformações e taxas de deformação. As medidas do corpo de prova foram definidas tomando como base os limites de dimensões e potência da maquina de torção. 2

3 Fig. 2. Desenho esquemático do corpo de prova. Após os testes as passas foram cortadas, lixadas, polidas e atacadas com uma solução de 5ml de HCl, 1g de ácido pícrico em 100ml de álcool etílico (95%), por um tempo de 10 a 25 segundos. A região observada foi a superfície da seção útil da peça, onde se encontravam as maiores deformações e taxas de deformação. 2.2 Equipamentos Para estudar a microestrutura formada a partir do aço SAE 1518 foram usados ensaios de torção a quente seguidos de resfriamento controlado, reproduzindo as etapas do processamento termomecânico de um laminador de tiras a quente.[6] Os ensaios foram realizados utilizando uma máquina horizontal de torção a quente INSTRON, modelo 55MT do laboratório de conformação mecânica do IFES. Para evitar a corrosão, as amostras foram mantidos em um tubo de quartzo com passagem contínua de gás Argônio durante o aquecimento. A injeção de gás CO 2 para resfriamento e têmpera também foi feita com tubo de quartzo montado, possibilitando o tratamento de têmpera dos corpos de prova sem a necessidade de retirá-los da máquina de torção. O controle da temperatura foi monitorado com a utilização de um termopar do tipo K (Cromel- Alumel) que foi inserido em um furo na extremidade do corpo de prova localizado logo após a seção útil. O aquecimento da peça foi feito por indução. O corpo de prova foi dimensionado para que o aquecimento se dê de maneira uniforme ao longo da secção útil e a bobina também tem o formato otimizado para este fim específico. Testes realizados com vários termopares simultâneos foram realizados para averiguar a homogeneidade da temperatura. A variação de temperatura ao longo da secção útil do corpo de prova foi inferior a 4 C e a temperatura no centro em relação ao ponto de medição foi de +5 C a 1200 C e de -12 C a 650 C. Estes valores se repetiram com precisão de ±2 C. Desta forma, uma relação entre a temperatura medida e a temperatura real no centro do corpo de prova foi estabelecida e levada em consideração durante a realização dos testes. A atmosfera inerte foi mantida durante as deformações a quente injetando argônio com vazão de 5 L/min. Este procedimento foi suficiente para evitar a formação de óxidos na superfície do material. Os ensaios mecânicos de torção a quente forneceram resultados na forma de curvas momento torçor (M) x ângulo de rotação (θ). Então, os valores de tensões e deformações equivalentes são calculados utilizando expressões matemáticas Eq. (1) Eq. (2) [13; 3; 14] (1) (2) Embora os valores de m e n variem com a deformação, como simplificação foi admitido m = 0,17 e n = 0,13, que são os valores utilizados na literatura [2]. 2.4 Procedimentos Os corpos de prova foram aquecidos até 1200 C a uma taxa de aquecimento média de 3 C/s. Esta temperatura foi mantida durante 3 minutos. Este primeiro passo foi executado para que haja completa solubilização do material. Após esta fase o material foi resfriado a 2 C/s e sofreu torções para simular as deformações que o aço é submetido durante o processo de laminação a quente. Após as torções o corpo de prova continuou resfriando até à uma temperatura entre T AR3 e T AR1, ou seja, na região em 3

4 que se encontram presentes tanto a austenita como a ferrita. A Fig. 3 mostra o esquema termomecânico dos testes. Temperatura Fig. 3 Representação esquemática do ciclo termomecânico da simulação. Fazendo uma comparação com os passes de acabamento em uma planta de laminação a quente, a chapa de aço entra nos primeiros cilindros de laminação com baixa velocidade porem sofrem grandes reduções. Já nos passes finais, a velocidade de saída da chapa é bem superior e as reduções são menores. 2.4 Sequencia de passes Tempo Sequência de passes Para simular a laminação a quente, passes de deformações variáveis foram aplicados durante o resfriamento controlado. Seguindo o mesmo raciocínio, as deformações nos primeiros passes foram maiores, e taxas de deformação foram menores. A medida que a temperatura diminuía, foram aplicadas deformações cada vez menores, porém à taxas de deformação superiores. A programação dos passes se encontra da Fig. 4. As deformações e taxas de deformações se encontram na mesma faixa que outros trabalhos semelhantes [15,16,17]. Após os passes a temperatura foi reduzida até uma temperatura entre T AR3 e T AR1. A tempera foi realizada com um jato de CO 2 direcionado ao centro da secção útil. Em seguida a peça foi mergulhada em água a temperatura ambiente para terminar o processo de resfriamento. Temperatura ( C) Sequência de passes Deformação Taxa de deformação (s -1 ) ,8 0, ,8 0, ,5 0, ,5 0, ,15 0, ,15 0,8 Fig. 4 Fotores usados nas deformações para a simulação de laminação. 2.4 Tempetaturas de transformação Para emcontrar os valores da temperatura de não recristalização (T NR ) e das temperaturas de início e fim de transformação (T AR3 e T AR1, respectivamente) foi feito um teste de multiplas deformações em resfriamento contínuo. A taxa utilizada foi de 0,2 s -1 e deformação equivalente de 0,2 por passe. O resfriamento foi feito a 1 C/s e as deformações ocorreram a cada 30 segundos Na Fig. 5 estão plotadas as TEM de cada curva em função da temperatura. Para facilitar a visualização o eixo da temperatura está invertido, assim como segue a sequência do ensaio. Fig. 5 Tenções de escoamento média em relação à temperatura 4

5 O acumulo de encruamento no material tem uma ascensão maior em temperaturas abaixo da TNR, pois não há mais a formação de novos grãos. A partir da T AR3 se inicia a transformação da austenita em ferrita e há um amaciamento, reduzindo os valores da TEM. Com o fim da transformação (T AR1 ) o material volta a sofrer encruamento sem alivio de tenções, até a sua ruptura. A Eq. (3), proposta por Boratto, Barbosa e Santos [18], determina a Tnr a partir de resultados obtidos por ensaios de torção a quente com múltiplos passes: 3 Resultados Na região intercrítica os grãos de ferrita começam a se formar e crescem fazendo em que o carbono dissolvido migre para a austenita presente, Fig 7. Isso acontece pela maior capacidade de dissolução de carbono da austenita, que por sua vez acumula maiores concentrações de carbono [8]. Este enriquecimento de carbono pela austenita restante favorece a sua posterior têmpera e gera uma martensita de maior dureza.[12] T NR = %C %Nb 644 %Nb %V -230 %V %Ti %Al 357 %Si. (3) MARTENSITA FERRITA O cálculo da T AR3 pode ser feito como função da composição química utilizando a Eq. (4), desenvolvida por Ouchi [19]: BAINITA T AR3 = %C 80 %Mn 20 %Cu 15 %Cr 55 %Ni 80 %Mo + 0,35 (t 8) (4) onde t é a espessura da chapa em mm. Os valores das temperaturas de transformações T NR e T AR3 foram calculados conforme as equações empíricas de Boratto e Ouchi, respectivamente, com base na composição química do aço. Os valores encontrados nos testes estão apresentados na Fig. 6, e mostraram se de acordo com os valores calculados pelas equações da literatura. Transformação Encontrado ( C) Estimativa ( C) T NR T AR T AR Fig. 6 Temperaturas de transformação encontradas no teste de torção a quente e calculadas segundo a composição química. Fig. 7 Fases presentes após o processamento com resfriamento a 680 C: martensita (escuro) ferrita (claro) bainita (cinza). Em algumas regiões da microestrutura final, é possível notar o alinhamento dos grãos de ferrita no sentido das linhas de torção. A formação destes grãos se dá preferencialmente nas regiões de maior energia, como contornos de grão, contornos de subgrão, e também onde há acúmulo de tenções. A combinação do teor de carbono e manganês presentes neste aço favorece a formação de bandas de deslizamento durante a deformação. Essas bandas de deslizamento geram regiões de maior energia alinhadas com a deformação, onde são gerados núcleos para a formação de ferrita. Na Fig. 8 é possível observar grãos de ferrita gerados de forma alinhada (destacados em claro), porém este arranjo não predominou sobre a microestrutura de forma geral. 5

6 REGIÕES PREFERENCIAIS Fig. 8 Detalhe da microestrutura formada após a sequência de passes e temperado a 680 C. 3.1 Fases presentes Como podemos ver na figura 9 a quantidade de ferrita presente (grãos claros) é maior quanto menor for a temperatura de têmpera. A temperaturas maiores Fig. 9(a) e 9(b), também pode-se observar a maior presença de outros microconstituintes além da martensita (escuro), como a bainita (cinza) e perlita (lamelar)[9]. Isso se explica peça baixa concentração de carbono na austenita dificultando a formação de martensita.[20] Conforme mostrado na Fig. 12 o tamanho de grão obtido com os três tipos de resfriamento foram praticamente os mesmos. Este tamanho varia de 8 a 9 µm e tem um tamanho próximo aos produzidos em outros trabalhos com processamento similar [15]. O tempo desde a última deformação até a têmpera variou entre cada teste, já que a taxa de resfriamento foi a mesma. A pequena variação pode ser efeito do tempo maior em que foram submetidas as peças resfriadas à temperaturas mais baixas. 3.2 Tamanho de grão Para revelar o tamanho do grão austenítico, uma amostra foi aquecida conforme o procedimento da Fig 3. Durante o resfriamento não houve deformação e quando a peça atingiu 1000 C (região austenítica) foi temperada em água. A fig. 10 mostra a microestrutura obtida com a têmpera na região austenítica, enquanto a Fig. 11 mostra uma peça processada e temperada na região intercrítica. Notase claramente que microestrutura formada com o processamento gerou grãos mais finos. A boa distribuição da segunda fase sugere que houve recristalização na região austenítica, promovendo a nucleação de ferrita de forma homogênea. Fig. 9 Microestruturas obtidas após a sequência de passes e temperados (a) 720 C; (b) 705 C; (c) 680 C. 6

7 Fig. 10 Microestrutura obtida sem deformação e temperado na região austenítica. Fig. 11 Microestrutura obtidas após a sequência de passes e temperada na região intercrítica. Temperatura de têmpera ( C) Ferrita encontrada Ferrita estimada Tamanho de grão µm ASTM ,1% 30,7% 8,1 10, ,7% 41,2% 8,91 10, ,4% 51,6% 8,76 10,4 Fig. 12. Quantidade de ferrita e tamanho de grão encontrados em cada temperatura de têmpera. Conclusões De acordo com a quantidade das fases encontradas na microestrutura final, o processo se mostrou coerente com a teoria. Apesar de algumas regiões apresentarem grãos ferríticos alinhados este tipo de arranjo não foi o predominante. Houve boa distribuição da segunda fase, mostrando que a ferrita se formou homogeneamente após os passes de deformação. A simulação de laminação via torção a quente se mostrou confiável sendo ainda um método mais prático e barato se comparado, por exemplo, a uma planta piloto de laminação. Mesmo o aço SAE 1518 tendo a composição química diferente dos aços Dual Phase produzidos industrialmente, as microestruturas bifásicas do tipo ferrita-martensita puderam ser produzidas. Isso mostrou ser possível produziz estruturas mais arrojadas a partir de um aço não ligado. Porém, como esperado, a quantidade de martensita presente em relação à ferrita se mostrou superior. Tomando como base os resultados aqui mostrados, o teste de torção a quente se mostrou útil tanto no aperfeiçoamento de processo já existentes como para base de pesquisas em novos materiais e processos. Sugestões Realizar estudos mais detalhados com relação ao tempo de resfriamento, e verificar a possível influencia no tamanho de grão resultante. Testar rotas de processamento com deformações na região intercrítica e averiguar o impacto sobre a microestrutura resultante. Simular o processo de produção aplicando parâmetros similares ou equivalentes aos industriais, visando a produção de um produto existente no mercado. Agradecimentos Os autores agradecem ao IFES pela disponibilização dos laboratórios e à FAPES pela bolsa de Pós- Graduação. 7

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