EFEITO DA TÊMPERA E REVENIMENTO EM AÇOS MICROLIGADOS CONTENDO BORO E TITANIO

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1 EFEITO DA TÊMPERA E REVENIMENTO EM AÇOS MICROLIGADOS CONTENDO BORO E TITANIO Souza, W. M. 1 ; Itman F o, A. 1 ; Martins, J. B. R. 2 ; Lima, L. X. C. 2 1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo, Vitória-ES. 2 ArcelorMittal Global R&D, Brazil. wagnermonteirosouza@hotmail.com RESUMO Os aços OCTG são utilizados na forma de tubos na coluna de revestimento das paredes dos poços de petróleo e apresentam estrutura martensítica após têmpera e revenimento. Em razão do custo elevado do cromo e molibdênio adicionados ao aço uma alternativa utilizada é a substituição destes elementos pelo boro, que aumenta a temperabilidade, mesmo com teores reduzidos na liga. A fim de manter a eficiência do boro em solução é necessário adicionar titânio, para formar nitretos de titânio, que inibem o crescimento do grão austenítico. No presente estudo foi avaliada a dureza, a microestrutura e a resistência mecânica de um aço contendo boro. Amostras do aço laminado a quente foram submetidas aos tratamentos térmicos de têmpera e revenimento em diferentes temperaturas. Os resultados mostram menor dureza, tensão de escoamento e de resistência máxima à tração na temperatura de 1050ºC, com relação às de 850 e 950ºC. Palavras chave: Aços ao boro; Aços OCTG; Revenimento de aços microligados; Temperabilidade. INTRODUÇÃO A descoberta de poços de petróleo em regiões cada vez mais profundas e de difícil acesso, como o pré-sal, obriga o desenvolvimento de materiais com elevada dureza e resistência mecânica, além de resistência à corrosão. No caso dos tubos utilizados como sustentação das colunas dos poços de petróleo, a configuração é projetada em função 7768

2 das solicitações mecânicas durante as operações. Em razão do aumento na demanda por aços estruturais de alta resistência, tenacidade e soldabilidade, novas ligas são desenvolvidas. Na perfuração de poços de petróleo é utilizada uma coluna de revestimento formada por tubos de aço OCTG (Oil Country Tubular Goods) conectados uns aos outros para sustentar as paredes do poço. A configuração de cada uma das colunas de revestimento é projetada em função dos esforços aos quais estarão submetidas durante as operações de complementação do poço. As principais funções das colunas de revestimento são a de prevenir o desmoronamento do poço e evitar a contaminação da água potável dos lençóis freáticos. Os aços para confecção destas colunas devem apresentar resistência compatível com as solicitações mecânicas além de resistência à corrosão e à abrasão com a menor espessura possível das paredes (Figura 1). No caso das propriedades mecânicas, os tratamentos térmicos são os principais responsáveis para o atendimento da norma. Figura 1 Diagrama esquemático da coluna de revestimento de um poço de petróleo. Os aços OCTG apresentam estrutura martensítica com elevada dureza após têmpera e revenimento. Em razão do custo elevado do cromo e molibdênio, adicionados ao aço para aumentar o endurecimento, uma alternativa utilizada é a substituição destes elementos pelo boro, que aumenta nitidamente a tensão de escoamento e a resistência máxima a tração. O boro é um elemento intersticial, tem pouca solubilidade na ferrita e é adicionado na faixa de 10 a 30 ppm no aço. O aumento da dureza do aço é devido à capacidade do 7769

3 boro segregar nos contornos de grão, inibir a nucleação da ferrita e favorecer a formação da martensita 1. Os aços ao boro foram inicialmente fabricados na metade do século passado e as limitações da utilização derivaram da dispersão de dureza e a fragilidade do material atribuída ao elemento. A necessidade de um melhor controle do efeito do boro inspirou uma série de pesquisas nos anos 70, quando o contexto econômico tornou-se favorável ao desenvolvimento de aços de alta resistência e baixo custo 2. O boro ocupa um lugar especial entre os elementos utilizados como microligantes, podendo substituir parcialmente ou completamente o níquel, cromo e molibdênio 3. O boro é um elemento intersticial e embora com baixa solubilidade na ferrita, adições de 30 ppm aumentam nitidamente os limites de escoamento e de resistência. A segregação do boro também permite o aumento da solubilidade do fósforo em solução sólida e da dureza do material 1. Atualmente, além dos elementos de liga convencionais, o uso do boro proporciona novas possibilidades na produção economicamente viável de aços microligados, pois a adição de uma pequena quantidade deste elemento influencia favoravelmente as propriedades do material, tais como o aumento da resistência mecânica e temperabilidade. Outro elemento importante nos aços ao boro é o nitrogênio, pois a formação de nitretos de boro reduz a quantidade de boro em solução sólida no aço reduzindo assim a temperabilidade. A fim de manter a eficiência do boro em solução sólida é necessário adicionar titânio para estabilizar o nitrogênio através da formação de nitreto de titânio. O TiN formado interfere no movimento dos contornos de grão da austenita, dificultando o crescimento dos grão austeníticos nas temperaturas de encharque 4. A ArcelorMittal Tubarão fabrica aços ao boro na forma de bobinas laminadas a quente, para fornecimento a clientes que fabricam tubos OCTG para coluna de revestimento na indústria petroquímica. METODOLOGIA Amostras cortadas no sentido longitudinal de chapas laminadas à quente com dimensões de 150x15x7,5 mm foram submetidas aos tratamentos térmicos de têmpera a 850, 950 e 1050 C, seguidos do revenimento na faixa de 200, 400 e 600 ºC. Todos os resfriamentos foram feitos com água à temperatura de 23 C. Para avaliar o efeito dos tratamentos térmicos no aço foram realizadas medidas de dureza Vickers em um durômetro EmcoTest com carga 10 kgf (NBR NM ISO 6507/1-08), ensaios de tração em uma máquina 7770

4 universal Shimadzu (API SPEC 5CT - 12), medidas dos tamanhos de grão austeníticos e análises microestruturais em um microscópio eletrônico de varredura MEV JEOL. RESULTADOS E DISCUSSÃO A composição química do aço microligado está apresentada na Tabela 1. Tabela 1 Composição química do aço elaborado (% em peso). C Mn Si P S N Ti Nb Mo Al B Nas Figuras 2a, 2b e 3 observa-se a martensita auto revenida, região marrom indicadas pelas setas, responsável pela redução da resistência mecânica e da dureza do aço 6. (a) Figura 2 (a) Têmpera a 850 C e 2b têmpera a 950 C, ataque Lepera. (b) Figura 3 Têmpera a 1050 C, ataque Lepera. 7771

5 Na Figura 4 são apresentadas as durezas obtidas após têmpera e revenimento do aço. Figura 4 Dureza do aço ao boro temperado e revenido. Na Figura 5 são apresentados os valores da tensão de escoamento (LE) e da resistência máxima à tração (LR) após têmperas e revenimentos do aço. Figura 5 Tensão de escoamento (LE) e resistência máxima a tração (LR) em aço ao boro temperado e revenido. 7772

6 Os resultados indicam que na temperatura de têmpera de 1050 C os valores das durezas, tensão de escoamento e resistência máxima à tração são menores em razão da maior presença de martensita auto revenida. Com relação aos aumentos da dureza e da tensão de escoamento após o revenimento a 200 C, mostrados nas Figuras 4 e 5, é provocado pela precipitação de carbonetos ԑ na martensita nas regiões de discordâncias. A esferoidização destes carbonetos por coalescimento após revenido a 600 ºC leva à redução da dureza 5. Após a têmpera foi observado que os tamanhos de grão austeníticos foram similares nas três temperaturas de austenitização. É provável que a presença de nitretos de titânio, insolúveis nas temperaturas da laminação, sejam os responsáveis pelo refino do grão austenítico, que apresentou valores ASTM 7 e 8 4. Figura 6 Presença de nitreto de titânio indicado pela seta. CONCLUSÕES - os valores de dureza, tensão de escoamento e de resistência máxima à tração são menores no aço temperado a 1050 C em razão da presença de martensita revenida; - foi observado um ligeiro aumento das propriedades mecânicas provocado pela precipitação de carbonetos no revenimento a 200 C; - os nitretos de titânio precipitados são responsáveis pelo refino do grão austenítico. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à ArcelorMittal Global R&D Brazil pelas amostras dos aços utilizadas neste trabalho. 7773

7 REFERÊNCIAS (1) GHALI, S. N., EL-FARAMAWY, H. S., & EISSA, M. M. Influence of Boron Additions on Mechanical Properties of Carbon Steel, pp. Vol 11, p , (2) MAITREPIERRE, P. Hardenability Concepts with applications to Steel. AIME, p. 421, (3) ZORIN, A. I., & PODKORYTOV et al, A. Z. Production of boron-bearing grades of steel with a regulated sulfur content at the Chelyabinsk metallurgical plant, Metallurgist, Vol. 49, Nos. 1 2, (4) PANIGRAHI, B. K. Processing of low carbon steel plate and hot strip. Bull. Mater. Sci., pp. Vol. 24, nº 4, pp , (5) G. R. SPEICH & W. C. LESLIE. Tempering of Steel, Metallurgical Transactions. Vol. 3, 1043, (6) Cruz, J. A. J., Santos, D. B. Effect of tempering temperature on isothermal decomposition product formed below Ms, J Mater Res Technol.; 2(2): 93 99, 2013 EFFECT OF QUENCHING AND TEMPERING IN MICROALLOYED STEELS CONTAINING BORON AND TITANIUM ABSTRACT OCTG steels are used in the production of casing and tubing for drilling system in petroleum industry and have high hardness and martensitic structure after the quenching and tempering treatments. Due to the high cost of chromium and molybdenum added into the steel an alternative is used the substitution of these elements for boron, which enhances the hardenability, even with low levels in the alloy. In order to maintain the efficiency of boron in solution it is necessary to add titanium to form titanium nitride that inhibits the growth of the austenitic grain. In the present study we evaluated the hardness, microstructure and mechanical resistance of steel containing boron. Steel hot-rolled samples were subjected to heat treatment of quenching and tempering at different temperatures. The results show lower hardness, yield stress and maximum tensile strength at 1050 ºC temperature, with respect to 850 and 950 C. Key words: Boron steels; OCTG steels; Tempering in microalloyed steels; Hardenability. 7774