Projeto de Pesquisa Processo Seletivo para Mestrado 2017 Universidade Federal de Minas Gerais

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1 Projeto de Pesquisa Processo Seletivo para Mestrado 2017 Universidade Federal de Minas Gerais Título do projeto: Efeito do Revestimento Galvannealed sobre a Formação de Trincas em Aços para o Processo de Estampagem a Quente Linha de Pesquisa: Estrutura, Propriedades Físicas e Mecânicas dos Metais e Ligas Justificativa/ motivação para realização do projeto: Atualmente, há uma crescente demanda da indústria automobilística por materiais com menor consumo de combustíveis, menor emissão de gases para a atmosfera e com níveis de segurança mais elevados. Nesse cenário, há boa expectativa para o aumento da utilização dos materiais galvanizados, especialmente o aço galvannealed (GA), para aplicação no processo de estampagem a quente, por ser um dos processos de revestimento metálico mais utilizado atualmente e a resistência galvânica oferecida por seus produtos. Contudo, um dos grandes desafios para esse aumento de utilização é garantir a integridade estrutural da camada de revestimento contendo Zn e se evitar o surgimento de trincas após o processo de conformação a quente. Objetivos: Determinar a influência da temperatura de galvannealing e das condições de austenitização na formação de trincas durante a estampagem a quente do aço 22MnB5-GA. Estratégia experimental planejada para se alcançar os objetivos: Amostras de aço 22MnB5 com revestimento GA serão austenitizadas em temperaturas superiores a 900ºC, estampadas a quente e temperadas com uma velocidade de resfriamento de 30ºC/s, e caracterizadas para a avaliação de presença de trincas. A influência da temperatura de galvannealing será avaliada no intervalo de 560ºC a 600ºC e as amostras serão austenitizadas na temperatura que apresentar o melhor resultado na análise anterior. Principais referências consultadas: FAN, D.W.; DE COOMAN, B.C. State-of-the-knowledge on Coating Systems for Hot Stamped Parts. Steel Research International, v.83, n.5, p , KARBASIAN, H., TEKKAYA, A.E. A Review on Hot Stamping. Journal of Materials Processing Technology, v.210, p , 2010 IMAI, K., YOSHIKAWA, Y., TOKI, T., NISHIBATA, T., UEMATSU, M., TAKAYAMA, T. Properties of Hot Stamped Galvannealed Steel Sheet. SEAISI Quarterly, n.34, p47-53,

2 1. Introdução Nos últimos anos, a necessidade da indústria automobilística em produzir veículos com menor consumo de combustíveis, menor emissão de gases para a atmosfera e com níveis de segurança mais elevados, gerou o aumento da demanda por materiais com menores espessuras, mais leves e com alto desempenho de segurança em serviço. Além disso, a crescente necessidade de se manter a boa característica de conformação dos aços durante a estampagem conjugada com o aumento da complexidade das peças estampadas, tornam o cenário bastante desafiador para os materiais utilizados atualmente. Com base nesse cenário os aços avançados de alta resistência (AHSS Advanced High Strength Steels) vêm ganhando espaço a cada ano na indústria automobilística por possuírem uma boa resistência mecânica conjugada com uma boa ductilidade. Dentre as qualidades de aço pertencentes a essa classe, destacam-se os aços estampados a quente, mais comumente representados pela qualidade 22MnB5 (DIN DEUTSCHES INSTITUT für NORMUNG, 2007). Essa qualidade de aço apresenta um bom comportamento durante a estampagem além de propriedades mecânicas interessantes. Inicialmente, esses aços apresentam uma microestrutura ferrita-perlita recozida, com limite de resistência (LR) em torno de 600 MPa, e com boa ductilidade. Após o processo de estampagem a quente, a microestrutura desses aços se transforma completamente em martensita, levando a um aumento considerável no LR, que atinge valores em torno de 1500 MPa. Atualmente, o principal foco é desenvolver revestimentos alternativos ao Al-Si, de maneira a oferecer melhor resistência a corrosão e proteção galvânica aos produtos estampados a quente. Os materiais galvanizados são aplicados no processo de estampagem a quente e há boa expectativa no aumento de sua utilização, pela resistência galvânica oferecida. Contudo, um dos grandes desafios para esse aumento de utilização é garantir a integridade estrutural da camada de revestimento contendo Zn e evitar o surgimento de trincas após o processo de conformação a quente. Essas trincas são características de processos que envolvem metais líquidos e sólidos com baixa solubilidade entre si, uma vez que as temperaturas envolvidas são superiores à de fusão do Zn puro. No presente estudo pretende-se determinar o efeito do revestimento galvanizado sobre a formação de trincas no aço 22MnB5, por ser a qualidade de aço mais utilizada para estampagem a quente, associado ao tratamento térmico de galvannealing no processo de galvanização e a parâmetros de processo na estampagem a quente, visando à melhoria da qualidade dos materiais após o processo de estampagem a quente. 2. Materiais e Métodos 2.1 Materiais Para a realização dos testes experimentais serão utilizadas amostras industriais de aço 22MnB5, com o revestimento GA, cuja composição química típica é mostrada na tabela 1. Este material foi processado na Usiminas, na Linha de Galvanização Contínua (CGL). 2

3 TABELA 1 Composição química básica do aço 22MnB5. Aço 22MnB5 Composição Química (% em massa) C Si Mn P S Al B Cr Ti Mo 0,22 a 0,27 0,15 a 0,50 1,10 a 1,40 0,025 0,015 0,02 a 0,06 0,002 a 0,005 0,10 a 0,30 0,02 a 0,05 0,35 Esse aço possui espessura de 1,80 mm e é revestido com revestimento GA, processado com tratamentos térmicos de galvannealing utilizando temperaturas de 560ºC, 585ºC, 590ºC e 600ºC. 2.1 Métodos Avaliação do tratamento térmico de austenitização Para avaliar a influência do tratamento térmico de austenitização na formação das trincas no aço 22MnB5 durante o processo de estampagem a quente será realizada, em escala de laboratório, a produção de amostras utilizando três ciclos de tratamento térmico de austenitização com diferentes taxas de aquecimento e patamar de encharque. Essas amostras de aço 22MnB5 serão processadas com tratamento de galvannealing de 590ºC. Serão realizados ciclos com as taxas de 11,0ºC/s e patamar de 900ºC, 12,5ºC/s e patamar de 910ºC e 15ºC/s e patamar de 930ºC. O tempo total de tratamento térmico, para cada ciclo, será de 240 segundos (4 minutos), equivalente ao tempo médio de processo utilizado em fornos industriais. Para avaliar o efeito na aderência do revestimento e penetração de Zn nos contornos de grãos do substrato durante o processo de austenitização, a cada intervalo de 10 segundos, durante cada ciclo, as amostras serão retiradas e imersas em um recipiente com água fria, para que a microestrutura do revestimento e do substrato seja congelada. Durante os testes serão utilizados termopares a fim de se controlar as taxas de aquecimento e resfriamento, e temperaturas a serem registradas durante o processo. Após os testes de austenitização, as amostras obtidas serão analisadas por microscopia eletrônica de varredura com espectrômetro por dispersão de energia acoplado (MEV/EDS), para avaliar a morfologia e a composição química das superfícies e seção dos revestimentos produzidos, além da presença de óxidos e intermetálicos no revestimento. Através das análises de MEV/Line Scan serão determinadas as distribuições dos elementos presentes em toda a seção da camada de revestimento, além de se verificar a ocorrência de penetração de Zn nos contornos de grãos. Será também utilizada a análise por espectroscopia de emissão ótica de descarga luminescente (GDOES) para determinar o perfil de composição química do revestimento. Para determinar a penetração de Zn nos contornos de grãos será realizado o mapeamento dos elementos nas amostras. Para a determinação das fases formada nos revestimentos será realizada análises por difração de raios X na superfície do material. Para verificar a microestrutura do material produzido serão realizadas análises de microscopia ótica da microestrutura do material, a fim de se verificar se a microestrutura esta de acordo com a solicitada, e o teste de tração nas amostras em corpos de prova sub-size, para verificar o valor das propriedades mecânicas pela norma ASTM A370. 3

4 Avaliação da formação do revestimento GA no processo de estampagem a quente Para avaliar a influência da formação do revestimento GA na estampagem a quente serão utilizadas amostras de aço 22MnB5 com revestimento GA, processadas com as temperaturas de aquecimento por indução de 560ºC, 585ºC, 590ºC e 600ºC no tratamento térmico de galvannealing. As amostras de cada condição serão submetidas inicialmente a um tratamento térmico de austenitização, utilizando o ciclo térmico que apresentou a melhor condição e formação da camada de revestimento na etapa 2.1.1, durante um período de 4 minutos. Após a austenitização do material, as amostras serão conduzidas imediatamente para a prensa com resfriamento, para a realização do processo de estampagem a quente. Serão utilizados termopares a fim de se controlar as taxas de aquecimento e resfriamento, e temperaturas a serem utilizadas durante o processo. Após o processo de estampagem a quente, as amostras serão encaminhadas às análises para se verificar a formação de trincas no substrato. Após o processo de estampagem a quente, as amostras obtidas serão encaminhadas para a realização de análises de MEV/EDS para se avaliar a morfologia e constituição química das superfícies e seção dos revestimentos produzidos e as distribuições dos elementos presentes em toda a seção da camada de revestimento, além de se verificar a presença de penetração de Zn nos contornos de grãos. Será realiza a análise de GDOES para se determinar a constituição química durante a seção do revestimento. Para se determinar a penetração de Zn nos contornos de grãos será realizado mapeamento dos elementos nas amostras. Será realizada a determinação das fases formadas via difratomeria de raios X. Para verificar a microestrutura do material produzido serão realizadas as análises de microscopia ótica da microestrutura do material, a fim de se verificar se a microestrutura esta de acordo com a solicitada, e o teste de tração nas amostras, para checar o valor das propriedades mecânicas das amostras. 3. Infraestrutura e Recursos Necessários O aço 22MnB5, na condição de revestido com os tratamentos térmicos de galvannealing com as temperaturas de 560ºC, 585ºC, 590ºC e 600ºC serão amostrados na CGL da Unigal Usiminas. Toda a preparação de corpos-de-prova será realizada no Centro de Pesquisa e Desenvolvimento da Usiminas *. Os ensaios a serem realizados consistirão, em escala de laboratório, em simulações de tratamentos térmicos de austenitização das amostras de aço 22MnB5 em um forno tipo mufla, com capacidade de aquecimento de até 1.200ºC e estampadas a quente, em uma prensa refrigerada a água, com matriz em formato de U *. Para a caracterização morfológica e química da superfície do revestimento das amostras serão utilizadas as seguintes técnicas: - SEM/EDS: microscópio eletrônico de varredura, modelo EV050, da fabricante Zeiss, acoplado com espectrômetro por dispersão de energia (EDS), modelo INCA350, da Oxford Instruments, do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento da Usiminas * ; - Difratometria de raios X (DRX): via difratômetro de raios X, modelo Advance D8, da fabricante Bruker do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento da Usiminas * ; A caracterização morfológica e química da seção do revestimento das amostras utilizará as seguintes técnicas: 4

5 - SEM/EDS/Line Scan: microscópio eletrônico de varredura, modelo EV050, da fabricante Zeiss, acoplado com espectrômetro por dispersão de energia (EDS), modelo INCA350, da Oxford Instruments, do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento da Usiminas * ; - Depth Profile via GDOES: espectroscópio de emissão ótica de descarga luminescente, modelo GDS 850A, da Leco, do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento da Usiminas * ; - Microscopia ótica: microscópio ótico, modelo AXIO, da fabricante Zeiss, do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento da Usiminas * ; A avaliação das propriedades mecânicas e microestrutura do aço, antes e após a estampagem a quente, utilizará as seguintes técnicas: - Ensaio de tração: máquina de tração - Microscopia ótica: microscópio ótico, modelo AXIO, da fabricante Zeiss, do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento da Usiminas * ; A composição química dos revestimentos galvannealed (GA) será analisada via ICP- OES, modelo 5300 DV, da fabricante Perkin-Elmer, do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento da Usiminas * ; * Toda a infraestrutura e recursos necessários a serem utilizados nesse projeto são de responsabilidade do candidato e estão disponíveis no Centro de Pesquisa e Desenvolvimento da Usiminas. 4. Cronograma de Execução Etapas Defesa de proposta Avaliação do tratamento térmico de austenitização Caracterização das amostras produzidas no tratamento térmico de austenitização Análise dos resultados do tratamento de austenitização Tratamento térmico para a estampagem a quente Realização de estampagem a quente dos materiais Caracterização das amostras produzidas na estampagem a quente Análise dos resultados de estampagem a quente Produção acadêmica e participação em eventos Elaboração e defesa da dissertação 5. Referências Bibliográficas B1 B2 B3 B4 B5 B6 B1 B2 B3 B4 B5 B6 BARBOSA, A.H.A., BUONO, V.T.L. Efeito das Condições de Tratamento Galvannealing na Qualidade do Revestimento Galvanizado a Quente GA Formado Sobre Aços de Alta Resistência Contendo P e B. Belo Horizonte: Escola de Engenharia da UFMG, p. (Tese, Doutorado em Engenharia Metalúrgica). BEAL, C., KLEBER, X., FABREGUE, D., BOUZEKRI, M. Embrittlement of a Zinc Coated High Manganese TWIP Steel. Material Science and engineering A, n.543, p76-83, DIN DEUTSCHES INSTITUT FUR NORMUNG, Berlin. DIN EN ; Steels for Quenching and Tempering. Brussels, p. DRILLET, P., GRIGORIEVA, R., LEUILLIER, T., VIETORIS, T. Study of Cracks Propagation Inside the Steel on Press Hardened Steel Zinc Based Coatings. La Metallurgia Italiana, n.1, p3 8,

6 FAN, D.W.; DE COOMAN, B.C. State-of-the-knowledge on Coating Systems for Hot Stamped Parts. Steel Research International, v.83, n.5, p , FAN, D.W., KIM, H.S., BIROSCA, S., DE COOMAN, B.C. Critical Review of Hot Stamping Technology for Automotive Steels. Material Science and Technology Congress, p99-110, IMAI, K., YOSHIKAWA, Y., TOKI, T., NISHIBATA, T., UEMATSU, M., TAKAYAMA, T. Properties of Hot Stamped Galvannealed Steel Sheet. SEAISI Quarterly, n.34, p47-53, KARBASIAN, H., TEKKAYA, A.E. A Review on Hot Stamping. Journal of Materials Processing Technology, v.210, p , KONDRATIUK, J., KUHN, P., LABRENZ, E., BISCHOFF, C. Zinc Coatings for Hot Sheet Metal Forming: Comparison of Phase Evolution and Microstructure During Heat Treatment. Surface & Coatings Technology, n.205, p , LEE, C. W., FAN, D. W., LEE, S. J., SOHM, R., DE COOMAN, B. C. Galvanized Coating Evolution During Hot Stamping. POSCO Technical Research Laboratories. Proc. Of Int. conf. on Zinc and Zinc Alloy Coated Steel Sheet (Galvatech), LEE, C. W., FAN, D. W., LEE, S. J., SOHM, R., DE COOMAN, B. C. Liquid-Metal-Induced Embrittlement of Zn-Coated Hot Stamping Steel. Metallurgical and Materials Transactions A, v.43a, p ,