Desenvolvimento de rolos de aço austemperado para a indústria automotiva. Development of austempered steel coils for the automotive industry

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1 Desenvolvimento de rolos de aço austemperado para a indústria automotiva Development of austempered steel coils for the automotive industry Copyright 2006 Society of Automotive Engineers, Inc Luis Fernando Maffeis Martins Mangels Divisão Aços Pesquisa e Desenvolvimento Gilberto Belan Mangels Divisão Aços Engenharia de Produto e Aplicação ABSTRACT It is presented the development of austempered steel coils for application by the automotive industry. The austempered steels have bainitic microstructure, that results high ductility and high hardness. The main advantage of this material is to allow the stampping of parts from previus hardened coils, eliminating the necessity of hardening the parts, reducing the cost of production. There are presented examples developed to the automotive industry. RESUMO Este trabalho apresenta o desenvolvimento de rolos de aço austemperado para a indústria automotiva. Os aços austemperados apresentam microestrutura bainítica, o que confere ao material alta ductilidade aliada a alta dureza. A principal vantagem deste material é permitir a estampagem de peças a partir de rolos previamente tratados termicamente, eliminando a necessidade de se realizar o tratamento térmico após a conformação das peças, o que reduz seu custo de fabricação. São apresentados exemplos desenvolvidos para a indústria automotiva. INTRODUÇÃO Aços são ligas ferrosas contendo manganês, geralmente carbono e freqüentemente outros elementos de liga, conforme a definição adotada pela American Society for Metals.[1] Os aços apresentam diferentes constituintes, em função de diferentes composições químicas e faixas de temperatura. Os principais constituintes presentes nos aços são: austenita, ferrita, perlita, cementita, martensita e bainita. A austenita é uma solução sólida de um ou mais elementos em ferro com estrutura cúbica de faces centradas, presente em temperaturas acima de 727 ºC. A ferrita é uma solução sólida de um ou mais elementos em ferro com estrutura cúbica de corpo centrado. Existem dois tipos de ferrita, a ferrita α (alfa), presente em temperaturas abaixo de 885 ºC, e a ferrita δ (delta), presente em temperaturas entre 1395 e 1540 ºC. A cementita é um composto de ferro e carbono, com estequiometria próxima a Fe 3 C. A cementita tem em sua composição a presença de manganês e outros elementos formadores de carboneto e apresenta estrutura ortorrômbica. A perlita é um constituinte formado por duas fases, a ferrita e a cementita, presentes sob a forma de lamelas paralelas. A perlita é formada a partir da decomposição da austenita a temperaturas abaixo de 727 ºC e acima da temperatura onde há formação de bainita (aproximadamente 540ºC). A martensita é uma fase metaestável supersaturada em carbono, resultante da decomposição da austenita a partir de um resfriamento rápido o suficiente para que não ocorra difusão, tendo estrutura tetragonal de corpo centrado. Quando a martensita é revenida ocorre a precipitação de carbonetos (cementita) e a estrutura torna-se composta de 1

2 duas fases, cementita e ferrita, similares à perlita, porém com morfologia de ripas ou agulhas. A bainita é um constituinte metaestável formado por duas fases, ferrita e cementita, originada da decomposição da austenita a temperaturas abaixo da faixa de formação da perlita e acima da faixa de formação da martensita. As principais vantagens dos aços bainíticos, quando comparados com os aços temperados e revenidos são suas propriedades mecânicas melhoradas, particularmente maior ductilidade e tenacidade a uma dada dureza e menor tendência à formação de trincas e distorções, em razão da transformação em bainita ocorrer em temperaturas superiores à transformação em martensita. A produção de aços bainíticos se dá através dos tratamentos térmicos de austêmpera, que consiste nas seguintes etapas: austenitização, resfriamento rápido em óleo, banho de sal ou banho de liga metálica, manutenção da temperatura, onde ocorre a transformação da austenita em bainita e resfriamento até a temperatura ambiente, conforme esquematizado no diagrama de transformação isotérmica apresentado na figura 1. os aços bainíticos fossem produzidos comercialmente, em razão da dificuldade em se obter microestruturas totalmente bainíticas. [4] Após aquecer o aço de modo a transformar sua estrutura em austenítica, a bainita pode ser obtida através de tratamentos térmicos isotérmicos ou de resfriamento contínuo. Através de resfriamento contínuo, é necessário processar o aço com taxas de resfriamento altas o suficiente para evitar a formação de ferrita e perlita, mas não suficientemente alta a ponto de ocorrer transformação martensítica. Para a obtenção de bainita através de tratamentos isotérmicos, é necessário resfriar rapidamente o material até uma temperatura acima da Ms, temperatura de início de formação da martensita, e abaixo da temperatura requerida para a formação de ferrita e perlita. O tratamento isotérmico para a formação de bainita é denominado austêmpera e é apresentado esquematicamente pelo diagrama de transformação isotérmica na figura 2. A natureza da bainita é alterada em função de sua temperatura de transformação, sendo classificada como bainita superior, quando transformada a temperaturas mais altas, usualmente entre 550 e 400 C, e bainita inferior, quando transformada a temperaturas mais baixas, usualmente entre 400 e 250 C [5]. A bainita superior é composta por duas fases, finas plaquetas de ferrita separadas por partículas de cementita. A bainita inferior tem uma estrutura similar, porém com a presença de partículas de cementita também no interior das plaquetas de ferrita. Não há um consenso na literatura sobre os mecanismos da transformação bainítica. Desde a metade do século passado grupos de pesquisadores têm estudado a natureza da transformação bainítica e divergem quanto aos resultados obtidos [6]. Uma linha teórica considera que a bainita seja formada por um mecanismo de cisalhamento [7], enquanto que outros autores defendem que a bainita seja formada por difusão [8]. Figura 1 Diagrama de transformação isotérmica do tratamento térmico de austêmpera. [2] A bainita foi detectada pela primeira vez em um estudo de transformações isotérmicas da austenita, em 1929, por Davenport e Bain [3], tendo sido denominada martensita-troostita e descrita como um agregado acicular, escuro ao ser atacado, bastante diferente da perlita ou martensita observadas no mesmo aço. [4] Posteriormente foi adotado o nome bainita, em homenagem a Bain. Sua importância está na desejada combinação de propriedades mecânicas, apresentando alta ductilidade e tenacidade, aliada a alta dureza. Apesar do grande interesse que sua descoberta gerou, muito tempo se passou até que MATERIAIS E MÉTODOS PROCESSO DE FABRICAÇÃO A matéria prima para a fabricação das tiras de aço austemperado são bobinas laminadas a quente, produzidas pelas usinas siderúrgicas. A partir do recebimento das bobinas, onde são conferidas as dimensões e composição química do aço, inicia-se o processo de relaminação, com a seguinte seqüência de etapas de produção: decapagem, corte circular, laminação de desbaste, recozimento, laminação de acabamento, recorte, usinagem das bordas, tratamento térmico de austêmpera, embalagem e expedição. Em uma linha de decapagem contínua, conforme figura 2, a bobina é desenrolada e imersa em tanques contendo ácido clorídrico para remoção dos óxidos (carepa) provenientes da laminação a quente. São três tanques de 2

3 ácido clorídrico com concentrações entre 5 e 15% e temperatura entre 50 e 90 ºC, e dois tanques de água, para lavagem e retirada do ácido. Nesta etapa é também realizada a inspeção visual da superfície da bobina. A bobina, recebida com largura superior a 1000 mm, é então cortada longitudinalmente, por facas circulares, em rolos de largura adequada às limitações dos laminadores, tipicamente entre 300 e 400 mm, podendo chegar a 500 mm. A figura 3 ilustra uma máquina de corte circular. de aço. Em razão do encruamento que o material sofre durante a laminação a frio, não é possível fazer reduções de espessura acima de 50%, sendo necessário interromper o processo de laminação para a realização do tratamento térmico de recozimento. O recozimento é realizado em fornos do tipo campânula, também denominados fornos sino, com atmosfera controlada com uma mistura de gases de composição de aproximadamente 95% de nitrogênio e 5% de hidrogênio, e temperatura sub-crítica, ou seja, abaixo da temperatura de austenitização do aço. A temperatura utilizada, que varia em função da taxa de redução de espessura ao qual o material foi submetido durante a laminação a frio, é da ordem de 700 C, com tempos de encharque maiores que 10 horas. Os fornos têm altura suficiente para permitir um empilhamento de até 3500 mm de rolos, e podem ter aquecimento elétrico ou a gás natural. A maior variação de temperatura permitida em toda carga é de 10 ºC, o que é garantido pela circulação controlada dos gases no interior dos fornos. A figura 5 ilustra alguns dos fornos utilizados. Figura 2: Linha de decapagem contínua Figura 4: Laminador reversível utilizado na laminação a frio de rolos de aço. Figura 3: Corte realizado longitudinalmente, através de facas circulares. Os rolos são, então, laminados a frio em um processo denominado laminação de desbaste, realizado em laminadores reversíveis com rígidos sistemas de controle de variação de espessura que monitoram a espessura do material e ajustam automaticamente a distância entre os cilindros de laminação, visando minimizar a variação de espessura longitudinalmente (ao longo do comprimento dos rolos). Para minimizar a variação de espessura transversalmente (ao longo da largura dos rolos), os cilindros de laminação são retificados de modo a apresentar um abaulamento apropriado. A figura 4 apresenta um laminador reversível utilizado na laminação a frio de rolos Figura 5: Fornos campânula utilizados no recozimento de rolos de aço. 3

4 Uma vez recozido, o material pode novamente ser laminado até a espessura do produto final, desde que a redução de espessura seja inferior a 50%. Em caso contrário, novos ciclos de recozimento serão necessários. Esta etapa do processo é denominada laminação de acabamento e é também responsável pela definição da rugosidade da superfície do material, que é conferida pelo acabamento superficial dos cilindros de laminação. Quanto maior a rugosidade da superfície do cilindro de laminação, maior será a rugosidade do rolo laminado a frio. A laminação de acabamento pode ser realizada no mesmo equipamento utilizado na laminação de desbaste, conforme figura 4. Em seguida os rolos relaminados são recortados longitudinalmente com a largura com as quais serão fornecidos em máquinas similares à apresentada na figura 3. Em alguns casos, como na produção de molas, onde as bordas dos rolos não serão refiladas no processo de estampagem das peças, é necessário fazer uma usinagem das bordas dos rolos, de modo que a sua geometria torna-se redonda, garantindo a isenção de rebarba. A etapa final é a do tratamento térmico de austêmpera, que é realizado em fornos contínuos, compostos por vários equipamentos. A parte inicial dos fornos é composta por desenroladores, onde os rolos são desbobinados antes do material entrar na zona de austenitização, uma máquina de solda, para unir rolos seqüenciais e garantir que o processo seja contínuo, isto é, sem paradas entre diferentes rolos, e um poço acumulador. O material, então, é introduzido na câmara de austenitização, conforme ilustra a figura 5, que é revestida com refratários, com aquecimento por resistências elétricas e contém um mufla em seu interior, por onde passa o material. A atmosfera é controlada, com adição de nitrogênio, evitando-se a ocorrência de oxidação, e a temperatura é mantida entre 900 e 950 ºC, dependendo das dimensões do material. A relação entre temperatura e velocidade deve ser adequada para garantir o aquecimento do material, a homogeneização da temperatura, a transformação da ferrita em austenita e a dissolução da cementita. Este processo deve garantir que a estrutura do material esteja completamente austenítica e homogênea, evitando desta forma que a estrutura final do rolo apresente heterogeneidade. Na saída da zona de austenitização, visando um resfriamento muito rápido, o material é mergulhado em um banho de liga metálica com temperatura entre 440ºC e 460 C. Figura 5: Câmara de austenitização do forno contínuo de têmpera O banho metálico garante uma rápida troca de calor, impedindo a formação de perlita no resfriamento, e é considerado o banho mais adequado para linhas contínuas de austêmpera. Em seguida o material é mantido a esta temperatura em uma câmara de revenimento, similar à de austenitização. Por fim, o material é resfriado até a temperatura ambiente e acondicionado na forma de rolos. Amostras são retiradas para controle das propriedades mecânicas e da microestrutura. MATERIAIS Consideram-se materiais adequados à austêmpera os aços com teor de carbono entre 0,50% e 1,00% e teor de manganês mínimo de 0,60%. Aços com menores teores de carbono podem ser adequados à austêmpera desde que a redução do teor de carbono seja compensada pelo aumento do teor de manganês ou outros elementos de liga [9]. Os materiais usualmente utilizados na produção de rolos austemperados são aços com médio teor de carbono como SAE 1045, SAE 1050 e SAE O material utilizado neste trabalho foi o SAE 1055, com a especificação de composição química apresentada na tabela 1: %C %Mn %Si %P %S mínimo 0,50 0,60 0, máximo 0,60 0,90 0,30 0,025 0,025 RESULTADOS MICROESTRUTURA: A microestrutura obtida após tratamento térmico de austêmpera, é bainítica, como pode ser observado na figura 6. 4

5 rolos de aço com estrutura bainítica na estampagem, elimina-se a necessidade de se realizar o tratamento térmico das peças, reduzindo lead-time e custos de fabricação. REFERÊNCIAS Figura 6: Microestrutura bainítica, obtida na produção de rolos austemperados, aumento :400X, ataque: Nital 1% PROPRIEDADES MECÂNICAS A estrutura bainítica confere aos aços alta resistência aliada a alta ductilidade. As propriedades mecânicas atingidas dependem das temperaturas utilizadas no tratamento térmico, dentro das faixas apresentadas anteriormente. O material SAE 1055 permite que sejam obtidos valores de dureza entre 300 e 440 HV. Valores típicos obtidos em escala industrial são apresentados na tabela 2. Tabela 2: Resultados típicos obtidos após o tratamento térmico de austêmpera LE (MPa) LR (MPa) % along. (d5) dureza (HV) % 350 APLICAÇÕES As peças produzidas a partir de rolos de aço austemperado apresentam como grande vantagem a possibilidade de, apesar da alta dureza, serem estampadas após a realização do tratamento térmico, o reduz o custo e tempo de fabricação, quando comparadas com peças que são temperadas e revenidas após a estampagem. A alta ductilidade dos aços bainíticos permite a estampabilidade de peças com alta deformação e com presença de dobras nos sentidos longitudinal e transversal. 1. BOYER, H.E. et al. Glossary of terms related to metals and metalworking. In: Metals Handbook Desk Edition. Metals Park, Ohio: ASM -American Society for Metals, p COLPAERT, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. 3ª ed. São Paulo: Edgard Blücher, LESLIE, W.C.; HORNBOGEN,E. Physical metallurgy of steels. In: CAHN, R.W.; HAASEN, P. (Eds) Physical Metallurgy 4th ed. Amsterdam: Elsevier Science BV, BHADESHIA, H.K.D.H. Bainite in steels Transformations, microstructure and properties. 2nd ed. London: IOM Communications, HONEYCOMBE, R.W.K.; BADESHIA, H.K.D.H. Steels Microstructure and properties. 2nd ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, GOLDENSTEIN, H. Bainita nos aços In: Aços: perspectivas para os próximos dez anos. ed. by BOTT, I., Rio de Janeiro, MAKI, T.; OHMORI, Y. Bainitic Transformation in View of Displacive Mechanism; Materials Transactions JIM, vol. 32, nº8 8. REYNOLDS Jr.,W.T.; AARONSON, H.I.; SPANOS, G. A Summary of the Present Diffusionist Views on Bainite; Materials Transactions JIM, vol. 32, nº8 9. SHINGLEDECKER, R.B. et al. Heat Treating of Steel. In: Metals Handbook Desk Edition. Metals Park, Ohio: ASM -American Society for Metals, p Dentre as aplicações já consolidadas na produção de peças do mercado automobilístico, podem ser citadas presilhas da ignição do motor de partida, molas, e terminais de contato. CONCLUSÕES Os aços austemperados mostram-se uma alternativa de baixo custo para a produção de peças que sofreriam tratamento térmico após a sua estampagem. Ao se utilizar 5