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AÇO BIFÁSICO PROCESSADO VIA LINHA DE GALVANIZAÇÃO CONTÍNUA – REVISÃO E ESTÁGIO ATUAL DE PRODUÇÃO NA USIMINAS/UNIGAL 1

Fabiano Augusto Vallim Fonseca2

Fernando de Souza Costa3

Ed Juarez Mendes Taiss4 Heyne Rodrigues de Lima5

Resumo

A Usiminas tem direcionado esforços na produção de aços de alta resistência para indústria automobilística, em busca da melhoria da competitividade do aço frente aos sucedâneos, permitindo atender a três das principais demandas desse setor: redução de peso, economia de combustível e aumento da segurança do usuário. Nesse contexto os aços bifásicos (Dual Phase) surgiram como uma solução alternativa com grandes vantagens aos aços convencionais. Esses aços apresentam uma microestrutura que consiste de uma segunda fase dura (normalmente martensita) dispersa em uma matriz macia de ferrita. Com o advento do projeto Ultra Light Steel Autobody – Advanced Vehicle Concept (ULSAB-AVC) a utilização de aços bifásicos têm-se ampliado, gerando também uma demanda desse aço galvanizado por imersão a quente que, além das características do substrato, alia a resistência à corrosão promovida pelo revestimento de zinco (Usigal-GI ) ou liga de zinco-ferro (Usigal-GA ). A Usiminas comercializa regularmente os aços bifásicos como laminados a quente e a frio (não revestido). O objetivo do presente trabalho é apresentar algumas das características e vantagens relatadas na literatura e os resultados do estágio atual de produção industrial do aço bifásico laminado a frio e galvanizado por imersão a quente, da classe de resistência de 600MPa, comercializado pela Usiminas e produzido na Usiminas/Unigal.

Palavras-chave: Aço bifásico; Galvanização a quente; Indústria automobilística.

1 Contribuição Técnica ao 42° Seminário de Laminação da ABM - Processos e Produtos Laminados e Revestidos; Santos, SP, 25 a 28 de outubro de 2005.

2 Engenheiro Metalurgista, Gerência de Metalurgia e Garantia da Qualidade da Usiminas; Ipatinga, MG.

3 Membro da ABM, Físico, M.Sc., Gerência de Pesquisa e Desenvolvimento da Usiminas; Ipatinga, MG.

4 Membro da ABM, Engenheiro Metalurgista, Gerência de Marketing da Usiminas; Belo Horizonte, MG.

5 Engenheiro Metalurgista, Gerência Técnica da Unigal; Ipatinga, MG.

1 INTRODUÇÃO

A implementação de legislações cada vez mais rigorosas lançou a indústria automobilística num esforço contínuo para desenvolver veículos mais leves, mais seguros e mais duráveis. A esse desafio juntou-se a indústria siderúrgica que, pressionada pela concorrência oferecida por sucedâneos, intensificou esforços na melhoria do desempenho dos aços destinados ao segmento, assim como na produção de novos aços, visando atender principalmente aos requisitos ligados à conformabilidade, à resistência mecânica e também na resistência à corrosão.

No caso da Usiminas, esse esforço traduziu-se principalmente na produção de aços de alta resistência para indústria automobilística. Nesse contexto os aços bifásicos (Dual Phase ou DP) surgiram como uma solução para aplicações que requeiram uma razoável dutilidade (boa conformabilidade), aliada a uma considerável resistência (capacidade de suportar cargas elevadas) e boa soldabilidade. Esses aços apresentam uma microestrutura que consiste de uma segunda fase dura (normalmente martensita) dispersa em uma matriz macia de ferrita.

O aço plano tem sido, ao longo dos anos, o principal material utilizado pela indústria automobilística para fabricação de carrocerias. Além do aço ser um material facilmente reciclável, ele apresenta elevada conformabilidade, boa resistência mecânica e custo competitivo. O uso de chapas de aço com revestimento de zinco aumentou nos últimos anos, devido à maior durabilidade destes produtos sob corrosão. A resistência à corrosão é um dos requisitos básicos dos automóveis, não sendo esse item considerado mais como um diferencial. Os projetos desenvolvidos pelas diferentes montadoras apresentam características especiais quanto ao tipo de revestimento a ser aplicado nas diferentes peças. Deste modo, as siderúrgicas vêem-se compelidas a oferecer produtos com diferentes tipos de revestimento. Com o advento do projeto ULSAB-AVC a utilização de aços bifásicos têm-se ampliado, gerando também uma demanda desse aço revestido, que alia a resistência mecânica promovida pelo substrato com a resistência à corrosão promovida pelo zinco (Usigal-GI ) ou liga de Zn-Fe (Usigal-GA ).

A Usiminas comercializa atualmente os aços bifásicos como laminados a quente e a frio. Na linha de laminação a frio, a rota de fabricação desses aços inclui o recozimento contínuo, cujas características operacionais possibilitam a obtenção das microestruturas desejadas com relativa facilidade. Entretanto a produção via galvanização contínua torna o controle da microestrutura muito mais crítico devido às baixas taxas de resfriamentos praticadas. Além disso, o próprio processo de imersão no pote de zinco e o posterior recozimento do revestimento ocorrem em temperaturas relativamente altas, não favorecendo a formação da martensita como segunda fase. Para contornar essas limitações são adotadas concepções de liga do aço que conferem maior temperabilidade, sem contudo afetar o processo de galvanização a quente e a soldabilidade ou onerar os custos de produção.

Com base no cenário proposto, o objetivo deste trabalho é apresentar o estágio atual de produção e algumas características do aço bifásico da classe de 600MPa de limite de resistência revestido por imersão a quente, com limite de escoamento mínimo de 340MPa (DP340/600), comparado também à um aço de limite de escoamento similar e concepção HSLA (HSLA340/450), isto é, microligado ou também conhecido como alta resistência e baixa liga - ARBL, hoje um dos aços de alta resistência mais utilizados pelo setor automobilístico.

2 REVISÃO DA LITERATURA E CARACTERÍSTICAS DOS AÇOS BIFÁSICOS

Os aços bifásicos são caracterizados por uma microestrutura constituída de ilhas de martensita dispersas em uma matriz ferrítica, ilustrada na Figura 1(a). Pequenas quantidades de outras fases ou constituintes, tais como bainita, perlita e ou austenita retida, podem também estar presentes. A microestrutura bifásica pode ser obtida através da austenitização na zona intercrítica (região de estabilidade da ferrita e da austenita), seguida de resfriamento rápido para a transformação da austenita previamente formada em martensita. Os aços bifásicos apresentam escoamento contínuo (ausência de patamar), baixa razão elástica, elevada taxa de encruamento e altos níveis de alongamento. A ausência de patamar de escoamento explica-se pela grande quantidade de discordâncias móveis produzidas na interface ferrita/martensita, devido à expansão de volume e à deformação cisalhante que acontecem durante a transformação da austenita para martensita no resfriamento. Os baixos valores de razão elástica, em geral, anunciam uma maior capacidade de encruamento do material e uma maior ductilidade, fatores esses que irão contribuir para um melhor desempenho do material em operações de conformação, além de permitir aos aços bifásicos absorver grande quantidade de deformação sem risco de ruptura.(1) De um modo geral, quanto mais elevada for a capacidade de encruamento do material maior será a distribuição das deformações durante a conformação, retardando o aparecimento da estricção.

O rápido encruamento nos momentos iniciais de deformação é observado para o aço bifásico na Figura 1(b).

(a) (b) Figura 1. Característica microestrutural (a) e da curva tensão-deformação (b) dos aços bifásicos(1).

Uma importante característica dos aços bifásicos está relacionada ao aumento da resistência após conformação e cura da pintura (Bake Hardenability- BH). Ao contrário dos aços BH (BH180, por exemplo), onde o aumento de resistência pelo efeito da cura da pintura tende a diminuir com o aumento da deformação, nos aços bifásicos (DP600) essa propriedade aumenta, contribuindo para uma maior resistência da peça. Na Figura 2 é apresentada a influência da prédeformação no aumento do limite de escoamento de amostras de aços bifásico e BH. Observa-se que o ganho de resistência mecânica devido ao envelhecimento por deformação, bake hardenability, tende a aumentar para o aço bifásico e diminuir para o aço BH com o aumento da pré-deformação(2).

Martensita Ferrita

Deformação (%) ns ão (MP

HSLA340/450
510 15 20 25 30
300 5

Figura 2. Aumento no limite de escoamento devido à pré-deformação e ao valor BH (amostras tratadas a 170° C por 20 minutos).

O aço bifásico também absorve mais energia (teste de impacto - crash test) comparado com os aços convencionais, apresentado na Figura 3 (a). Isto porque apresenta maior limite de resistência (maior área da curva tensão-deformação), alta taxa de encruamento (distribui melhor as tensões durante a deformação) e grande valor BH (aumenta a área sob a curva tensão-deformação na peça acabada após a cura da pintura)(1). A microestrutura bifásica também aumenta a vida em fadiga comparado com aços, de limite de escoamento similar, apresentado na Figura 3 (b). Um dos motivos deste aumento é porque as partículas de martensita retardam a propagação das trincas de fadiga(1).

(a) (b)

Figura 3. Energia absorvida em função do LE com 5% de deformação (a) e limite de fadiga dos aços bifásicos comparada a aços convencionais (b).

O aço bifásico apresenta grande dutilidade para sua classe de resistência, permitindo assim o uso de aços de alta resistência, em peças de geometria complexa que não são conformáveis com aços convencionais. Além disso, devido aos altos valores de resistência e alongamento (maior área da curva tensãodeformação – LR x AL), este aço apresenta grande capacidade de absorção de energia. Desta forma é possível reduzir a espessura de uma peça, produzida por exemplo com o aço HSLA340/450, entre 10 a 20% com desempenho igual ou melhor, conforme apresentado no projeto ULSAB-AVC(3), apresentado nas Figuras 4 (a) e 4 (b).

Limite de escoamento (MPa)

Limi te d e F adiga

Limite de escoamento após 5% de deformação (MPa)

Solução sólida En er gia A b sor vida

(kJ)

Bainítico HSLA

(a) (b)

Figura 4. Redução de massa pela diminuição da espessura da peça provocada pelo aumento do limite de resistência (a). Redução de massa potencial utilizando DP350/600 em substituição ao HSLA350/450 (b).

No recozimento contínuo de aços bifásicos em linha de galvanização contínua, o encharque é realizado dentro do campo intercrítico o que resulta na formação de uma microestrutura constituída por grãos de ferrita antiga, formada após a laminação a quente e austenita. Durante o resfriamento subseqüente, enquanto a temperatura permanece no campo bifásico, a região de ferrita cresce para o interior da região de austenita, e a nova região de ferrita formada é chamada de ferrita epitaxial. A microestrutura bifásica assim obtida é composta de ferrita antiga, ferrita epitaxial e martensita. Nesse caso, não existe contorno entre as duas ferritas, mas a ferrita antiga contém precipitados e a ferrita epitaxial não. Assim quanto maior é a fração de ferrita epitaxial formada, maior é o aumento na dutilidade do aço(4).

A composição química afeta os aços bifásicos de várias formas. Uma delas é a temperabilidade. De um modo geral, um aço com alta temperabilidade é aquele no qual a austenita apresenta grande capacidade de transformar-se em martensita, mesmo quando a velocidade de resfriamento é relativamente baixa. Inversamente, em aços de baixa temperabilidade, a martensita somente poderá ser produzida se as transformações difusionais da austenita forem impedidas pela utilização de elevadas taxas de resfriamento. Dessa forma, qualquer variável que mova as curvas de início de transformação para a direita, em um diagrama de transformação no resfriamento contínuo (TRC), torna possível a obtenção de uma estrutura martensítica em velocidade de resfriamento mais baixa. Isso significa que os fatores que aumentam a temperabilidade de um aço são os mesmos que deslocam as curvas TRC para a direita(4).

Nos aços bifásicos o teor de carbono na austenita não depende apenas do teor de carbono total do aço, mas também da temperatura de recozimento de modo que a temperabilidade varia com essa temperatura. Baixas temperaturas de recozimento intercrítico resultam em baixas quantidades de austenita. Porém, esta austenita apresenta um elevado teor de carbono, com grande temperabilidade. Por outro lado, quando o recozimento intercrítico é realizado em temperaturas elevadas, a quantidade de austenita é elevada, mas seu teor de carbono é baixo, comprometendo a temperabilidade. Com isto, após o resfriamento, obtém-se uma martensita em maior quantidade na microestrutura, contudo, mais pobre em carbono e, portanto, mais macia. A taxa de resfriamento utilizada é de fundamental importância na obtenção da microestrutura bifásica. Quando o resfriamento do aço, a partir do campo intercrítico, é realizado acima de uma determinada velocidade (taxa de resfriamento crítica) uma estrutura formada apenas por ferrita e martensita

Redução de massa (%)
I

n cr eme n to no

Massa Resistência estática

Resistência à fadiga

Energia absorvida

Custo do material

D e sempe nho r e lativo ao aço pode ser obtida. Por outro lado, para velocidades ligeiramente mais baixas, obtêmse estruturas que contêm certas quantidades de perlita e/ou bainita(3).

A taxa de resfriamento crítica para a obtenção de uma microestrutura típica de aços bifásicos decresce com o teor de manganês. No entanto, é comum a adição de outros elementos tais como: silício, cromo, etc. que também afetam a taxa de resfriamento crítica(4).

O limite de resistência dos aços bifásicos está relacionado com a fase martensítica e com o teor de carbono nela contido, ao passo que o limite de escoamento é influenciado pelas propriedades da ferrita(4).

3 UTILIZAÇÃO DE AÇOS BIFÁSICOS NO PROGRAMA ULSAB – ULTRA LIGHT STEEL AUTO BODY

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