EFEITO DO TRATAMENTO TÉRMICO NA TRANSFORMAÇÃO DE FASES DE UM AÇO MICROLIGADO FORJADO

Transcrição

1 EFEITO DO TRATAMENTO TÉRMICO NA TRANSFORMAÇÃO DE FASES DE UM AÇO MICROLIGADO FORJADO B. C. Vieira 1, S. S. S. Scardua 1, A. Itman Filho 1,J. B. R. Martins 1 brunocam@hotmail.com 1 Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e Materiais Instituto Federal do Espírito Santo - IFES RESUMO O processo de laminação não é apropriado para fabricar componentes com geometrias complexas utilizados na indústria petroquímica. Neste trabalho o objetivo foi utilizar a técnica de forjamento seguida de tratamentos térmicos de têmpera e revenimento, para obter um aço com propriedades mecânicas capazes de atender a norma API 5L X70. Inicialmente um aço microligado foi elaborado e forjado na forma de barras quadradas. Amostras destas barras foram submetidas aos tratamentos térmicos de têmpera, com posterior revenimento em diferentes temperaturas. Medidas de dureza e análises microestruturais foram realizadas para comparar com as de um tubo comercial API 5L X70. A melhor condição foi selecionada para realizar tratamentos térmicos em corpos de prova posteriormente submetidos a ensaios de tração. Os resultados das análises microestruturais e das propriedades mecânicas revelam a possibilidade em obter aços microligados forjados com qualidade similar ao API 5L X70. Palavras-chave: Aço microligado, Tratamentos térmicos, Aços forjados. INTRODUÇÃO Os aços da série API (American Petroleum Institute) são utilizados em grande escala, principalmente na construção de dutos para transporte de petróleo e gás natural, que operam em grandes profundidades e suportam pressões de até 350 Bar em meio de cloretos, sulfetos e outros gases dissolvidos [1]. Para estes fins, os aços API devem apresentar resistência mecânica e à 4201

2 corrosão, tenacidade e soldabilidade adequada. O processo convencional destes aços é a laminação com controle da temperatura e da deformação plástica durante a conformação mecânica. No Brasil, a prospecção de petróleo em regiões profundas como o pré-sal, proporcionará o desenvolvimento tecnológico de novos materiais e técnicas de processamento, capazes de atender às solicitações de projetos estruturais para transporte de óleo e gás. Nestes casos são necessários aços com elevada resistência mecânica e tenacidade, para suportar as elevadas pressões geradas pela coluna da água oceânica e a vazão de óleo e gás na tubulação. Atualmente, tubos com diâmetros elevados são utilizados onde a menor espessura da parede é desejada, para redução do peso, diminuição da quantidade de solda em cada junta e redução de custos. Os vários aços para tubos, especificados pela norma API 5L, podem ser classificados como aços ARBL e usualmente contêm nióbio, titânio e vanádio, que garantem boa tenacidade à fratura, alta resistência à tração e resistência à fragilização por hidrogênio [2]. Tais propriedades são resultantes da combinação de uma microestrutura com grãos refinados, alta densidade de discordâncias e endurecimento por precipitação de carbonetos, nitretos e carbonitretos finamente dispersos na matriz. Na fabricação do aço API X70 para confecção de dutos é utilizado o processo de laminação com controle termo-mecânico, seguido de resfriamento acelerado [3]. Em componentes e acessórios com maior complexidade geométrica, tais como juntas e conexões para diferentes dimensões de tubos, a laminação não é a técnica mais adequada e o processo de forjamento pode ser uma alternativa interessante. Conexões fornecidas pela Vallourec & Manesmann Tubes atualmente são produzidas pela técnica de forjamento. Este processo, muito utilizado na indústria automotiva, permite uma ampla faixa de dimensões e formas complexas com controle da microestrutura e propriedades mecânicas após tratamentos térmicos adequados. Taxas de deformação, desde 10-1 s -1 em prensas hidráulicas e até 10 2 s -1 em martelos de queda, são empregadas nos processos normais de forjamento. Considerando o grande interesse da Petrobrás em desenvolver fornecedores no Brasil, o objetivo desta pesquisa foi a elaboração de um aço microligado forjado que atenda as exigências da norma API X70. Para avaliar a qualidade do aço 4202

3 elaborado, as análises microestruturais e as propriedades mecânicas foram comparadas às de um tubo com 60cm de diâmetro e espessura de 20mm, confeccionado com um aço comercial laminado API X70. MATERIAIS E MÉTODOS O aço foi elaborado em um forno de indução com capacidade para 100 kg, conforme os teores da Tab. 1. O vazamento do metal líquido foi realizado em uma lingoteira de ferro fundido. Os lingotes foram aquecidos em torno de 1050 o C e forjados com secção quadrada de 38mm de aresta e aproximadamente um metro de comprimento. Posteriormente as barras forjadas foram aquecidas a 930 o C e resfriadas no forno para homogeneização da microestrutura. Amostras cúbicas com 15mm de aresta cortadas de uma barra foram submetidas ao tratamento térmico de têmpera a 850 e 900 C, durante 30 minutos, em um forno tipo mufla. Em seguida foram revenidas nas temperaturas de 150, 250, 350, 450, 500, 550, 600 e 650 C durante 40 minutos. As medidas de dureza foram realizadas em um durômetro modelo HP 250 a partir do método Rockwell, escala B, com pré-carga de 10 kgf. Os valores da Tab. 2 representam a média de cinco medidas de dureza em cada amostra. Para caracterização microestrutural as amostras foram preparadas conforme os métodos convencionais de metalografia. O reagente utilizado foi Nital 2%, com um tempo de aplicação de aproximadamente 30 segundos. As microestruturas apresentadas nas Fig. 1 a 6 foram obtidas utilizando Microscopia Ótica (MO) e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). Para determinar as propriedades mecânicas foram confeccionados 10 corpos de prova conforme a norma ASTM E8. Cinco foram temperados a 850 C e revenidos a 250 C e outros cinco temperados a 900 C e revenidos a 450 C. Os ensaios de tração foram realizados em uma máquina universal EMIC DL10000 com velocidade do travessão igual a 1mm por minuto. 4203

4 RESULTADOS As composições químicas do aço microligado e do comercial laminado estão mostradas na Tab. 1. Nas Tab. 2, 3 e 4 são apresentados os valores da dureza e propriedades mecânicas. Tabela 1 - Percentuais em peso da composição química dos aços estudados. Elemento C Si Mn P S Cr Mo Ni Nb Ti V Laminado 0,10 0,15 1,63 0,02 0,003 0,03 0,01 0,16 0,05 0,02 0,04 Forjado 0,11 0,09 0,33 0,03 0,02 0,37 0,05 0,40 0,08 0,01 0,01 Fonte: Autoria própria. Tabela 2 - Dureza do aço forjado após têmpera a 850 e 900 ( C) e revenimento em diferentes temperaturas. Média de cinco medidas com valores em HRB. REVENIMENTO ( C) Têmpera Fonte: Autoria própria. Tabela 3 - Tensão de escoamento, resistência à tração e alongamento do aço laminado como recebido e do forjado após têmpera e revenimento em diferentes temperaturas. Aço Temp. X rev. E (MPa) MAX (MPa) Al(%) Norma API ,7 Laminado Recebido 555 ± ± 6 18 ± 2 Forjado 850 x 250 o C 528 ± ± 10 8 ± 1 Forjado 900 x 450 o C 610 ± ± 12 7 ± 1 Fonte: Autoria própria. Nas figuras abaixo são apresentadas as microestruturas características do aço forjado e do laminado após tratamentos térmicos. 4204

5 B Figura 1 - A) Micrografia do aço forjado recebido após recozimento. B) Micrografia do aço conformado por laminação contínua (tubo recebido). A B Figura 2 - A) Aço forjado recebido após têmpera a 850 C e revenimento a 250 C. B) Aço forjado recebido após têmpera a 900 C e revenimento a 450 C. DISCUSSÃO A amostra recozida do aço forjado é caracterizada por uma microestrutura homogênea de ferrita equiaxial ou ferrita poligonal e perlita. Esta morfologia é resultante da ferrita poligonal formada em taxas de resfriamento relativamente baixas e possui baixa densidade de discordâncias. Essa ferrita nucleia nos contornos de grão da austenita e é facilmente identificável ao microscópio ótico. É possível observar a presença de estruturas bandeadas de perlita. Foi observada a uniformidade da dureza, com valor aproximado de 52 HRB nas três seções da barra (longitudinal, transversal e normal). Após o tratamento térmico a 850 o C e revenimento a 250 o C ocorreu a formação de fases com textura acicular, como pode ser observado na Fig. 2A e 2B. Nas amostras resfriadas rapidamente a transformação da austenita ocorre com formação de estruturas não poligonais como a ferrita acicular, ferrita Widmanstatten, bainita e austenita retida. No caso da amostra temperada a 850 C a temperatura não foi suficiente para 4205

6 completa austenitização e o aço se encontra em um campo bifásico de austenita e ferrita. Na Fig. 3a é possível observar a presença de ferrita poligonal, na cor clara, com contornos de grão bem definidos. Durante o resfriamento contínuo, a decomposição da austenita deu origem a morfologias aciculares de ferrita, típicas dos aços de baixo e ultra-baixo carbono [3]. Na Fig. 2A observa-se principalmente a presença de ferrita acicular e em menor quantidade, bainita. Na têmpera a 900 C a amostra é completamente austenitizada e é observada a presença de constituintes aciculares com ausência da ferrita poligonal (Fig. 2B). Estes constituintes atuam no endurecimento por discordâncias com aumento da resistência mecânica do material. Os contornos de grão da ferrita acicular atuam ainda como efetivas barreiras para a propagação intergranular de trincas [4]. Nestes aços, os elementos nióbio, vanádio e titânio são fortes formadores de carbonetos. Mesmo com teores inferiores a 0,15% de (Ti+V+Nb) ocorre a precipitação destes carbonetos finamente dispersos na matriz durante a transformação austenita/ferrita [5]. Uma maior temperatura de austenitização proporciona o aumento da textura acicular. Após revenimento, não houve mudança significativa na microestrutura do aço. A Tab. 2 mostra a tendência de redução da dureza do material à medida que se aumenta a temperatura de revenimento, embora a diferença não seja acentuada. O comportamento da bainita e da ferrita acicular é diferente ao da martensita. A dureza da martensita cai drasticamente com o aumento da temperatura de revenimento, pois o carbono tem um grande efeito no endurecimento por solução sólida intersticial. No caso da bainita e ferrita acicular, o carbono está mais na forma de carbonetos grosseiros (cementita), minimizando o efeito de perda de dureza durante revenimento [6]. Com relação aos ensaios de tração, os aços forjados mostraram um menor valor de alongamento que o exigido pela norma. Isto provavelmente ocorre em razão da existência do microconstituinte MA, mistura de martensita com austenita retida após a têmpera. Espera-se com a adequação da temperatura e tempo de revenimento o controle efetivo da característica morfológica do material e das propriedades mecânicas exigidas pela norma. 4206

7 CONCLUSÕES O tratamento térmico de recozimento permitiu homogeneizar a microestrutura e a dureza do aço após o forjamento; Após a têmpera a 900 o C houve um acentuado aumento da dureza, justificado pela formação de constituintes aciculares na microestrutura; As variações da temperatura de revenimento não alteraram significativamente os valores da dureza do aço; AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Fapes pelo apoio financeiro, à Fundição Grupo Metal pelas amostras do aço forjado e à CAPES pela bolsa de mestrado. REFERÊNCIAS [1] HIPPERT Jr.E., Investigação experimental do comportamento dúctil de aços API X70 e aplicações de curvas de resistência J-Δa para previsão de colapso em dutos, Tese de D. Sc., Escola Politécnica -USP, São Paulo, SP, Brasil,2004. [2] HULKA, K. Sour Gas Resistant Stee,. Niobium Information 18/01, Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração. 8 p [3] KRAUSS, G.; THOMPSON, S.W., "Ferritic microestructures in continuously cooled low-and ultralow-carbon steel", ISIJ International, v. 35, n. 8, pp , May [4] YU, H., "Influences of microstructure and texture on crack propagation path of X70 acicular ferrite pipeline steel". Journal of University of Science and Technology, v. 15, n. 6, pp.683. Dec, [5] GORNI, A.A.; da SILVEIRA, J.H.D.; REIS, J.S., "Metalurgia dos aços microligados usados em tubos soldados de grande diâmetro", Corte & Conformação de Metais, pp , Mar [6] BHADESHIA, H.K.D.H., Bainite in Steels, 2 ed., Londres, [7] PORTER, D.A.; EASTERLING, K.E.; SHERIF, M.Y., Phase transformations in metals and alloys, 3 ed New York,

8 EFFECT OF HEAT TREATMENT ON THE PHASE TRANSFORMATION OF A FORGING MICROALLOYED STEEL ABSTRACT The rolling process is not suitable for manufacturing components with complex geometries used in the petrochemical industry. In this work the aim was to use the forging technique followed by heat treatment of quenching and tempering, for a steel with mechanical properties as standard API 5L X70. Initially a microalloyed steel was prepared and forged in the form of square bars. Samples of these bars were subjected to heat treatments of quenching with subsequent tempering at different temperatures. Hardness measurements and microstructural analyzes were performed to compare with those of a commercial pipe API 5L X70. The specimens that showed best results were chosen and subsequently subjected to tensile. The results of the microstructural and mechanical properties demonstrate that is possible to obtain forged microalloyed steels as API 5L X70. Keywords: Microalloyed steel, Heat treatments, Forged steels. 4208