INFLUÊNCIA DO POTENCIAL FERRÍTICO NA MICROESTRUTURA DE AÇOS PRODUZIDOS POR LINGOTAMENTO CONTÍNUO

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1 INFLUÊNCIA DO POTENCIAL FERRÍTICO NA MICROESTRUTURA DE AÇOS PRODUZIDOS POR LINGOTAMENTO CONTÍNUO F. R. Sant Anna, C. R. F. Ferreira Av. Bento Gonçalves, Bairro Agronomia CP , Porto Alegre, RS - felipe.santana@ufrgs.br Universidade Federal do Rio Grande do Sul RESUMO Solidificação peritética ocorre em aços com teores de carbono entre 0,09 e 0,53% de duas maneiras. A primeira caracteriza-se pelo movimento tríplice das fases líquida (L), sólido primário (δ) e sólido secundário (ɣ), chamada de reação peritética. Na segunda, a fase ɣ envolve a fase δ e cresce pelo movimento dos contornos das fases L/ɣ e δ/ɣ por difusão do C, e chama-se transformação peritética. Entender a cinética desses estágios facilita o controle microestrutural de solidificação. Neste trabalho avaliou-se, por metalografia óptica, quatro aços com composição química diferentes, obtidos por lingotamento contínuo. Foram quantificadas ferrita e perlita presentes na microestrutura e calculados os valores do potencial ferrítico em função do carbono equivalente. Comparou-se estas informações com dados fornecidos por um programa de simulação do lingotamento contínuo. Os resultados obtidos indicam boa correlação entre as taxas de resfriamento simuladas e características microestruturais descritas na literatura, baseada no conceito de potencial ferrítico. Palavras-chave: lingotamento contínuo, solidificação peritética, aços. 4887

2 INTRODUÇÃO O processo de lingotamento contínuo (LC) constitui-se da solidificação contínua do aço líquido num produto semiacabado de determinada forma geométrica através da extração de calor imposta ao mesmo (1). Como as propriedades mecânicas do aço lingotado estão diretamente ligadas à microestrutura formada, numerosos estudos (1, 2, 3, 4, 5, 6) são realizados a fim de se compreender a evolução da microestrutura durante o processo de solidificação. Uma das causas que dificulta esse entendimento é a existência do peritético(2). A solidificação de aço peritético ocorre em duas etapas distintas. Inicialmente, quando as três fases, líquido- δ - ɣ, estão em contato entre si, ɣ é formada e cresce ao longo da interface líquido/δ pela chamada reação peritética. O soluto rejeitado pela fase ɣ irá difundir-se através do líquido para a fase δ contribuindo para a sua dissolução (3). Quando a reação estiver completa e toda interface líquido/δ estiver separada por ɣ, inicia-se então a chamada transformação peritética. A transformação de δ em ɣ ocorre por difusão no estado sólido, enquanto ɣ cresce por solidificação direta no líquido (3). As taxas em que ocorrem a reação e a transformação peritética influenciam a redistribuição de soluto e a formação de trincas, respectivamente, por difusão e contração de volume (4). Recentemente, a reação hipoperitética em aços obtidos via lingotamento contínuo, tem chamado atenção pela formação de trincas superficiais (4). Isto é atribuído à formação de uma casca sólida irregular, devido ao grande volume de contração na transformação de δ para ɣ, o que faz com que ocorra uma separação localizada desta casca da parede do molde, formando um gap de ar entre o molde e o metal (4,5). Os gaps de ar diminuem a transferência de calor resultando em altas temperaturas e uma casca debilitada, ou seja, formação de pontos quentes isolados e por isso o surgimento de trincas. Wolf (6) analisou a tendência ao agarramento ou ao desprendimento do aço na parede do molde, no lingotamento contínuo baseado no conceito do potencial ferrítico (PF) e do carbono equivalente (C eq ), que leva em conta a presença dos elementos de liga em cada amostra, obtido através da Eq. (A). C eq = [%C] + 0,02.[%Mn] + 0,04.[%Ni] - 0,1.[%Si] - 0,04.[%Cr] - 0,1.[%Mo] (A) 4888

3 Indice de Tendência 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais O conceito do PF define a tendência do aço em contrair ou expandir durante a solidificação. Para os aços ao carbono e baixa liga o PF é determinado pela Eq. (B). PF = 2,5.(0,5 - [%C eq ]) (B) Valores de PF maior do que 1, indicam a formação de uma estrutura totalmente ferrítica. Ferro puro tem valor de 1,25 e as ligas Fe-C com estabilizadores de ferrita como Cr e Si tem valores maiores que 1. Valores de PF menores que zero indicam uma estrutura completamente austenítica. A Fig. 1 mostra o gráfico do potencial ferrítico versus índice de tendência ao agarramento obtido com a Eq. (B) Agarramento 2 1 Depressao Potencial Ferritico (PF) Figura 1. Gráfico do potencial ferrítico versus índice de tendência ao agarramento. Este trabalho busca correlacionar o PF com a microestrutura dos aços produzidos via LC, através da comparação de dados fornecidos pelo programa de simulação do processo de LC de aços InALC e macro e micrografias, obtidas a partir de quatro amostras de aço de diferentes qualidades. MATERIAIS E MÉTODOS O molde da planta utilizada para a realização dos estudos, com seção quadrada, 155 mm de lado, e comprimento de 900 mm, foi instrumentado com termopares para obtenção do perfil de temperatura. 4889

4 As amostras estudadas foram retiradas de tarugos produzidos pelo processo de LC e diferem entre si quanto à composição química e parâmetros de processo, velocidade de lingotamento e temperatura de vazamento, mostrados na Tab. 1. Tabela 1. Composição química das amostras. Amostra Altot C Cr Cu Mn Mo Ni P S Sn Ti V Tv ( C) v (m/min) 1 0,002 0,68 0,15 0,13 0,5 0,01 0,05 0,027 0,059 0,012 0,002 0, ,12 2 0,014 0,47 0,16 0,17 0,72 0,04 0,07 0,015 0,014 0,012 0,002 0, ,09 3 0,015 0,41 0,94 0,18 0,8 0,17 0,12 0,018 0,026 0,014 0,002 0, ,04 4 0,027 0,21 0,52 0,2 0,8 0,16 0,48 0,021 0,024 0,016 0,008 0, ,96 Após registro das macrografias, as amostras foram novamente cortadas, no meio de uma das faces, até o centro e preparadas para micrografia seguindo o procedimento padrão e ataque químico, por imersão, com Nital 5%. RESULTADOS E DISCUSSÃO O perfil de temperatura obtido experimentalmente pode ser visto na Fig. 2, onde nota-se um pico de aquecimento logo após a região do menisco, local de melhor contato entre o metal e o molde. Um decréscimo de temperatura pode ser observado a seguir, supõe-se que devido ao aumento do gap entre o metal e o molde. A seguir, diferentes comportamentos podem ser observados: nas Amostras 1 e 2 acontece um reaquecimento, próximo de 600 mm a partir do topo, até o final do molde, enquanto nas Amostras 3 e 4 o reaquecimento inicia em torno 400 mm e aumenta até próximo de 600 mm quando novamente volta a diminuir até o final do molde. Essa diferença de comportamento pode ser atribuída ao PF dos aços analisados. Aços com menores teores de C tendem à contração de volume causada pela transformação de ferro-δ para ferro-ɣ, aumentando o gap de ar, e deixando marcas de oscilação na superfície do lingote (7), o que também pode explicar o diferente comportamento nos gráficos de aquecimento do molde. Os valores do Ceq e do PF para cada uma das amostras estudadas, calculados pelas Eq. A e B e pelo programa de simulação InALC são apresentados na Tab

5 Figura 2. Perfil de temperatura obtido experimentalmente ao longo do comprimento do molde convex de lingotamento contínuo para os quatro aços analisados. Comparando-se os valores do Ceq e do PF mostrados nas Tab. 2, nota-se pequenas variações, exceto na amostra 3 onde o valor de PF apresenta uma variação de cerca de 65%, que apesar de alta, não provoca diferença significativa, já que ambos os resultados encontram-se dentro da mesma faixa de comportamento. Além dos valores de C eq e do PF, o programa de simulação InALC, calculou, também, a taxa de resfriamento, os percentuais de ferrita e perlita e as temperaturas solidus e liquidus para as quatro amostras analisadas, mostrados na Tab. 3. Tabela 2. Carbono equivalente e potencial ferrítico obtido pelas Eq. A e B e simulados pelo InALC. Amostra C eq (%) Eq. A C eq (%) InALC PF Eq. A PF InALC 1 0,68 0,62-0,44-0,43 2 0,47 0,44 0,07 0,06 3 0,37 0,32 0,33 0,20 4 0,21 0,16 0,72 0,68 Tabela 3. Resultados das simulações com o software InALC. Amostra Taxa( C/s) % perlita % ferita Tl ( C) Ts ( C) dt ( C) 1 78,8 77,3 22, ,7 54,2 45, ,8 39,1 60, ,0 18,5 81,

6 As macrografias devidamente preparadas podem ser vistas na Fig. 3. a) b) c) d) Figura 3. Macrografias. a) Amostra 1, b) Amostra 2, c) Amostra 3 e d) Amostra 4. Ataque Nital Tabela 4. Resultado da análise do percentual de fases para as quatro amostras estudadas, comparandose os valores obtidos pelo software de aquisição de imagens e os valores encontrados no equilíbrio. Amostra Micrografia Original Micrografia Processada Percentual de ferrita SAI Percentual de ferrita simulado Analisando as macrografias observa-se diferenças quanto a zona de transição colunar-equiaxial com colunas grosseiras. Grãos colunares grosseiros ocasionam o surgimento de trincas superficiais (8). A Tab. 4 apresenta as micrografias originais e processadas pelo sistema de aquisição de imagem (SAI) juntamente com os valores dos percentuais de ferrita determinados pelo SAI e simulados pelo InALC. Observase uma grande diferença nos percentuais de ferrita simulado e experimental. Atribuise esta discrepância ao fato que os valores simulados são calculados levando-se em 4892

7 conta o diagrama de fases Fe-C no equilíbrio, enquanto os resultados experimentais não o são. A Amostra 1, não peritética, apresenta a ferrita com morfologia alotriomorfa no contorno de grão (9), evidenciando a transição L/ɣ. A amostra 2 também apresenta ferrita no contorno de grão, porém em maior quantidade, em função do PF, e com morfologia de dente de serra de Widmanstätten secundária (9), em função da maior taxa de resfriamento. Na amostra 3 percebe-se uma estrutura dendrítica. A amostra 4, apresenta a maior quantidade de ferrita, porém com morfologia de agulhas Widmanstätten (9), supõe-se que devido ao maior PF e a maior taxa de resfriamento, respectivamente. CONCLUSÕES A quantificação de fases apresentou resultados esperados, em virtude das altas taxas de resfriamento, diferentemente dos resultados gerados por simulação, que considera o equilíbrio para estes cálculos. Os valores de C eq e PF calculados e simulados apresentaram boa correlação. Baseado no conceito de potencial ferrítico e, comparando-se às taxas de resfriamento, as estruturas macro e microscópicas formadas na solidificação apresentam boa correlação com os dados teóricos utilizados no processo. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a FAPERGS pelo apoio financeiro, via projeto n o , e o primeiro autor agradece pela bolsa de iniciação científica concedida. REFERÊNCIAS 1. KARLINSKI, V. et al. Engenharia Térmica. 01, 2009, DÄCKER, C., SOHLGREN, T. Steel Research International, 81, 2010, STEFANESCU, D. M. ISIJ International, 46, 2006,

8 4. SHIBATA, H., ARAI, Y., SUZUKI, M., EMI, T. M. Metallurgical and Materials Transitions B, 31, 2000, GRILL, A., BRIMACOMBE, J. K. Ironmaking and Steelmaking, 3 (2), 1976, WOLF, M. KURZ, W. Metallurgical Transactions B, 12B, 1981, HARSTE, K; SCHWERDTFEGER, K. ISIJ International, 43, 2003, OHNO, M., MARUYAMA, M., MATSUURA, K. Acta Materialia, 61, 2013, KRAL, M.V., SPANOS, G. Metallurgical and Materials Transactions A, 36A, 2005, THE INFLUENCE OF FERRITE POTENTIAL IN MICROSTRUCTURE OF CONTINUOUS CASTING STEELS ABSTRACT Peritectic solidification occurs in carbon-steels with carbon content between 0.09 and 0.53% in two ways. A triple movement of the liquid phase (L), primary solid (δ) and secondary solid (γ), called peritectic reaction, characterize the first way. In the second way, γ phase involves δ and grows by the movement of the contours of the phases L / γ and δ / γ by diffusion of C, called peritectic transformation. Understand the kinetics of these stages facilitates solidification microstructural control. In this paper, it was evaluated by optical metallography, four carbon-steels with different chemical compositions, obtained by continuous casting. Ferrite and pearlite microstructure present were quantified, and values of ferrite potential were calculated as a function of carbon equivalent. These information were compared with data provided by a simulation program of continuous casting. Results indicate good correlation between simulated cooling rates and microstructural characteristics described in the literature, based on the concept of ferrite potential. Key-words: continuous casting, peritectic solidification, carbon-steel. 4894