Aços Dual Phase da UsiminasAços Dual Phase da Usiminas: : Características e Potencial Características e Potencial

de Aplicação em Veículos Automotoresde Aplicação em Veículos Automotores

Características e Potencial Características e Potencial

de Aplicação em Veículos Automotoresde Aplicação em Veículos Automotores

Quem inventou o carro?

Provavelmente ninguém saberá!!!!!!

Os automóveis não surgiram de uma hora para outra...

Muito menos num país determinado!

Francês Nicolas Joseph Cugnot, em 1796: Primeiro veículo autopropelido

Também o primeiro veículo a vapor (4km/h)

Depois de Cugnot

• Primeiro carro a combustão interna foi desenvolvido pelo suíço Francois Isaac de Rivaz (1808), à hidrogênio.

• O carro elétrico foi concebido pelo escocês Robert Alberdeen, em 1837 (bateria rústica de Fe-Zn). Porém foi em 1881, numa feira de ciências, o francês Gustave Trouve apresentou o primeiro carro elétrico comercial (bateria de Pb-ácido).

•Mais tarde, Karl Benz aprimorou o motor a combustão (a gasolina), no final do século XIX (1885). Em 1888 Benz (“pai dos automóveis”) começou a produzir comercialmente seu carro com motor de quatro tempos a gasolina.

• Na América surge o primeiro a gasolina lançado por Henry Ford, em 1892.

• Nesta época iniciava-se, principalmente nos EUA, a exploração econômica do petróleo.

• No início do século 20, registrava-se 4000 automóveis nos Estados Unidos, sendo somente 25% a gasolina.

• Com a prosperidade da indústria do petróleo e a conseqüente grande disponibilidade de seus derivados na Europa e EUA, o carro a gasolina suplanta seus “concorrentes” e torna-se o “modelo de automóvel”.

Alberto Santos Dumont pode ser considerado o precursor de nossa indústria automobilística pois importou o primeiro carro com motor a explosão (Peugeot), em

novembro de 1891

Antes, Francisco Antonio Pereira Rocha, um baiano de Salvador (1871),

tinha importado um carro a vapor

Em 1897 Santos Dumont montou o primeiro carro brasileiro (gasolina/triciclo)

No BrasilNo Brasil

Evolução dos materiais dos carros Evolução dos materiais dos carros

• Quando surgiram, os carros eram basicamente de madeira: plataforma e carroceria.

• Já no começo do anos 1900, as carrocerias eram parcialmente em aço, porém com o chassis ainda em madeira.

• A partir de 1910, com o aumento da potência dos motores (velocidades maiores), foi iniciado o emprego de aço na parte estrutural. Registra-se o primeiro carro todo em aço em 1915, fabricado pelo inglês Edward Budd.

• Aços laminados a quente foram intensivamente aplicados nos carros, na década de 20. Isto ocorreu em razão do aprimoramentos dos laminadores e surgimento do material bobinado.

• Na década de 30 surge o processo de recozimento em caixa: aços mais finos são aplicados na carrocerias: desenhos mais “curvados”.

Final do século XIX

Lagonda, modelo 1938

Ford Circa, modelo 1930

Lancia Lambda, modelo 1922

Citroën Traction Avant, modelo 1935

Com a segunda grande guerra, principalmente em razão da escassez de aço no mundo, surgiram os primeiros carros com painéis de cobertura em ligas

de alumínio. Um exemplo marcante foi um modelo da Land Rover (Reino Unido) com carroceria rebitada, toda em liga Birmabright (Al-Mg)

Land Rover em alumínio, lançado em 1948

• Após o grande conflito, com a recuperação econômica dos nações mais desenvolvidas, os automóveis passaram a ser produzidos em grande escala e por consequência ao alcance popular. Nesta época intensificou-se a utilização de chapas finas a frio (recozimento em caixa) nos automóveis.

• Nos anos sessenta tinha-se os automóveis com projeto do tipo body-on-frame, com uma utilização maciça de aços carbono comuns (aços doce e aços C-Mn).

Número de veículos (em milhões de unidades)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

Ano

• Com a ocorrência das duas grandes crises do petróleo nos anos 70, mais especificamente em 1973 e 1979, a ordem geral, na década seguinte (anos 80) foi a redução do peso dos veículos, passando-se a produzir carros com estrutura unibody. Nesta época iniciou-se também uma maior aplicação de plásticos e fibras na carroceria e estrutura dos carros (cerca de

4% do peso).

• Ao final da década de 70, um grande marco foi o surgimento da tecnologia de recozimento contínuo na NKK (atual JFE)(t1), Japão, que possibilitou o desenvolvimento de aços laminados a frio de alta resistência mecânica, para substituir os tradicionais aços carbono-manganês, visando o alvo da economia de combustível, através de redução de peso.

• Outro fato marcante relevante a partir da década de 80 foi a expansão e migração dos grandes fabricantes de carros pelo mundo.

• Outro fato marcante foi a questão ambiental ter ficado mais evidente, sendo reforçada a necessidade de automóveis mais leves.

• Ao longo dos anos 80 surgiram vários novos tipos de aços, como os aços de alta resistência e microligados e os aços refosforados, tanto laminados a quente (aplicados em chassis e rodas) quanto laminados a frio (para carroceria e peças de reforço/segurança). Apareceram também os aços laminados a frio ultra-baixo carbono (IF), de destacada conformabilidade e os aços “envelhecíveis” BH acalmados ao alumínio para painéis de fechamento.

• Ao início década de 90, o grande marco foi a formação de um consórcio de grandes siderúrgicas mundiais, com participação inclusive da Usiminas, visando o estabelecimento do projeto ULSAB (Ultra-light steel auto-body).

• Nas suas várias fases, de 1994 a 2004, o projeto ULSAB indicou a aplicação de novos aços de média a alta resistência em painéis dos carros, como os aços IF (com efeito BH ou de alta resistência) e isotrópicos, além dos aços de avançada alta resistência mecânica - aços AHSS (aços DP, complex phase, martensíticos ou ao boro) - indicados principalmente para partes estruturais dos automóveis.

• No ULSAB, os aços DP tiveram especial foco, com indicação para compor 75% da parte estrutural dos carros e de 59% nos painéis.

• Com isto, percebe-se que realmente os aços DP serão brevemente muito importantes na indústria automobilística pois têm sido indicados em novos projetos de carros de várias montadoras mundiais.

FOCO

Durante quase um século,

este tipo de aço foi aplicado

nos carros.

0%10%

20%

30%40%

50%

60%70%

80%

90%100%

1980 2005 2015

Aço AHSS

Aço HSS

Aço Doce

Previsão

Toyota

Fiat Punto C-Mn +Mild HSS+HSLA AHSS

93 a 99 90% 10% 0%

99 a 05 80% 17% 3%

20005 35% 50% 15%

LR (MPa) _ IISI <270 270 ~770 >500

Fiat

Os aços AHSS, principalmente os DP, deverão ter sua participação bastante aumentada nos novos projetos de veículos

Na indústria nacional a utilização dos aços DP é Na indústria nacional a utilização dos aços DP é ainda incipiente, participando basicamente ainda incipiente, participando basicamente como peças estruturais, como veremos a como peças estruturais, como veremos a

posteriori. A Usiminas é a única siderúrgica posteriori. A Usiminas é a única siderúrgica brasileira a produzir os aços DP nas duas brasileira a produzir os aços DP nas duas

versões: laminados a quente e laminados a frio versões: laminados a quente e laminados a frio (“nus” ou galvanizados). (“nus” ou galvanizados).

Este trabalho dará foco nos aços DP (ferríticos-Este trabalho dará foco nos aços DP (ferríticos-martensíticos) laminados a friomartensíticos) laminados a frio.

Aspectos metalúrgicos e mecânicos dos Aços Dual Phase laminados a frio

Surgiram industrialmente no Japão, nos anos 80, na atual JFE.

Amplo espectro de resistência mecânica, 350MPa < LR < 1400MPa. Isto é conseguido pelo controle da fração volumétrica e dureza da martensita, além do tamanho de grão e dureza da ferrita.

DP 600 DP800 DP1.000

Principais elementos de liga presentes nos aços DP

Elemento de liga (% em peso) Razão/influência da adição1. Estabilizador da Austenita.2. Enrijecedor da Martensita.3. Determina a distribuição das fases.1. Estabilizador da Austenita.2. Enrijecedor da ferrita.3. Retarda a formação da ferrita.1. Estabilizador da ferrita.2. Retarda a formação da perlita e da bainita.1. Estabilizador da ferrita.2. Endurecedor por precipitação.3. Refina a microestrutura.1. Estabilizador da ferrita.2. Reduz a temperatura Ms.3. Refina a microestrutura.1. Abaixa solubilidade do carbono no ferrita.2. Piora a molhabilidade.

Si (até 1,0%)

Nb (até 0,04%)

C (0,06 a 0,15%)

Mn (1,5 a 2,5%)

Cr e Mo (até 0,40%)

V (até 0,06%)

Produção de aços DP

Os aços DP são produzidos, até o recozimento do laminado a frio, como aços carbono comuns. O ciclo térmico

número 3 do recozimento contínuo aplica-se aos aços DP não revestidos

Ciclo de recozimento contínuo para aços DP galvanizados a quente (GA e GI)

Tempo

Temperatura

GI

GA

Encharque (+60s)

Pote de Zn

+ 460C/15s

Galvannealing (+ 550C/20s)

+5C/s

+5C/s

+30C/s

Características “atrativas” dos aços DP para carros frente aos aços HSLA e HSS:

Boa capacidade de estiramento e grande capacidade de absorção de impacto.

• Não exibem limite de escoamento descontínuo, apresentando bom aspecto superficial após operações de estampagem/estiramento.

• Possuem alto coeficiente de encruamento (valor n), que indica boa corfomabilidade e ganho efetivo de resistência para as peças após conformação (“efeito WH”).

• Têm baixo coeficiente de anisotropia planar, o que significa que não podem ser aplicados em peças com requisito de estampabilidade profunda.

• São envelhecíveis por deformação mecânica a altas temperaturas, ou seja, apresentam “efeito BH”.

• Boa resistência a fadiga.

• Larga faixa de resistência mecânica e possibilidade de redução de espessurade 15% a 20% (flexão e compressão).

Algumas possibilidades de utilização de aços DP

Pelo que foi exposto até aqui, surge uma pergunta: diante de tantas vantagens, por Pelo que foi exposto até aqui, surge uma pergunta: diante de tantas vantagens, por

que os aços DP, principalmente os laminados a frio, não estão ainda sendo que os aços DP, principalmente os laminados a frio, não estão ainda sendo

maciçamente aplicados na industria automotiva? maciçamente aplicados na industria automotiva? • Retorno Elástico : os aços DP com maior resistência têm grande propensão à apresentar variação

dimensional, empeno ou distorção angular por retorno elástico após prensagem

DP600

HSLA340

DP600c/Drawbead

Mudança angular

Curvamento

Atenuação do efeito mola:

• Maior quantidade de deformação (menor raio de curvatura, draw bead).•Simulação numérica.•Projeto adequado de peças.•Conceito otimizado de ferramentas de conformação.

Detalhes da peça:

• 300mmx 45mm.• Profundidade de embutimento: 60mm.• So = 1,5mm•FAR = 20kN

DP600

HSLA340

DP600c/Drawbead

Mudança angular

Curvamento

Atenuação do efeito mola:

• Maior quantidade de deformação (menor raio de curvatura, draw bead).•Simulação numérica.•Projeto adequado de peças.•Conceito otimizado de ferramentas de conformação.

Detalhes da peça:

• 300mmx 45mm.• Profundidade de embutimento: 60mm.• So = 1,5mm•FAR = 20kN

• Capacidade de carregamento das prensas : O valor da força aplicada para a conformação das peças

nas prensas depende da resistência mecânica do aço. Portanto, os aços DP, principalmente os de maior resistência, exigem prensas mais robustas, de maior capacidade de aplicação de carga

• Desgaste de matrizes : Como há maiores forças aplicadas nas prensas por ocasião do processamento

dos aços DP, principalmente os de mais alta resistência mecânica, tem-se, como conseqüência, maior desgaste as matrizes e do ferramental que fica em contato atritante com as peças. Assim, há a necessidade de se prover as matrizes “convencionais” com materiais mais resistentes e duros de modo a prolongar sua vida útil.

• Flangeabilidade : As chamadas operações de flangeamento são normalmente empregadas para aumentar

a resistência mecânica e rigidez dos painéis internos dos carros ou, então, para promover a abertura de vazios (como na região das janelas ou de furos nos painéis). No flangeamento, seja sob contração, estiramento ou expansão, a borda de corte é bastante solicitada mecanicamente. Assim, para algumas peças estruturais e partes da suspensão dos automóveis, os aços DP devem apresentar boa flangeabilidade e adequada capacidade de expansão de furo. Isto deve ser garantido pela adequação da microestrutura e controle de forma das inclusões nos aços DP.

• Soldabilidade : A soldabilidade dos aços DP deve ser minuciosamente avaliada em razão da composição

química carregada destes aços (“maior carbono equivalente”) em relação aos aços carbono comuns, HSLA ou HSS. A soldabilidade deve ser investigada principalmente nos processos de união usados na indústria automotiva que envolvem altas taxas de resfriamento da região de união.

• Empregar maiores níveis de pressão de soldagem em relação a açosconvencionais (de 30 a 50%).

• Aplicar condição de soldagem com maiores aportes térmicos, evitando valores muito elevados, que provoquem amaciamento da vizinhança da solda (ZTA).

• Otimizar o alinhamento e o resfriamento dos eletrodos, particularmente para os aços DP revestidos.

•Evitar tempos de retenção excessivos.

• Uso de esquemas especiais de soldagem, como o emprego de corrente de soldagem contínua ou variação “em rampa” da corrente no início e final da operação.

• Empregar maiores níveis de pressão de soldagem em relação a açosconvencionais (de 30 a 50%).

• Aplicar condição de soldagem com maiores aportes térmicos, evitando valores muito elevados, que provoquem amaciamento da vizinhança da solda (ZTA).

• Otimizar o alinhamento e o resfriamento dos eletrodos, particularmente para os aços DP revestidos.

•Evitar tempos de retenção excessivos.

• Uso de esquemas especiais de soldagem, como o emprego de corrente de soldagem contínua ou variação “em rampa” da corrente no início e final da operação.

• Soldagem a laser.

• Soldagem HF•Soldagem a pontos

Aços DP laminados a frio da Usiminas

• Aços não revestidos: Série Usi DP

•Aços não revestidos: Série Usigal DP (GA ou GI)

Classe Propriedades

LE (MPa) LRmin (MPa) Al (%)

n(10-20%)

n(4-6%)

BHmin(*)

(MPa)

Usi DP450 (08) 250-330 450 27 0,16 NA

30

Usi DP600 (02) 305-450 590 20 0,14 0,18

Usi DP800 (02) 380-580 780 15 0,11 0,15

Usi  DP1000 (08) 500-885 980 8 NA 0,08

Usigal DP450 (08) 260-340 450 26 0,20 0,16

Usigal DP600 (03) 320-470 590 19 0,18 0,14

Usigal DP800 (05) 420-600 780 13 0,15 0,11

(*): condições de cura: 170°C/20min

CLASSE FAIXA DE ESPESSURA (mm) FAIXA DE LARGURA (mm)

UsiDP 450 0,80 a 2,00 900 a 1450

UsiDP 600 0,80 a 2,01 900 a 1450

UsiDP 800 1,00 a 1,80 900 a 1250

UsiDP 1000 1,20 a 1,50 900 a 1250

Usigal DP 450 0,90 a 1,60 900 a 1400

Usigal DP 600 0,90 a 2,30 900 a 1300

Usigal DP 800 1,10 a 2,30 900 a 1200

Faixas dimensionais dos aços DP da Usiminas

No ano de 2007, para o setor de auto e implementos rodoviários foram fornecidos aços Usi DP e Usigal DP....

44,2%

0,8%7,7%

27,9%

17,0%0,1%1,1%1,4%

Montadora Autopeça 1 Autopeça 2 Autopeça 3 Autopeça 4

Autopeça 5 Autopeça 6 Autopeça 7

Com 66% da classe 600MPa e 34% da classe 800MPa.

70% de Nu e 30% HDG 85% de Nu e 15% HDG

Previsão de fornecimento para os vindouros

Produção de aços DP(de 0,6 a 2,5mm e de 1000 a 1650mm)

0

20

40

60

80

100

120

2004 2007 2010 2013 2016 2019

Ano

Qu

anti

dad

e (1

03t)

UsiDP

Usigal DP

Comentários FinaisComentários Finais

Os aços Dual Phase laminados a frio têm demonstrado grande potencial de aplicação em veículos automotores. Isto ocorre em razão destes materiais apresentarem amplo espectro de resistência mecânica, exibirem efeitos BH e WH, terem elevada ductilidade e capacidade de absorção de impacto e não apresentarem escoamento descontínuo. Com isto, os mesmos conseguem atender aos vários requisitos impostos aos materiais destinados aos modernos veículos, que são:

- proporcionar redução de peso,- ter boa conformabilidade, - aumentar o nível de segurança em colisões, - apresentar baixo preço, - ser reciclável, e -possuir boas características de trabalhabilidade (corte/flangeabilidade, soldabilidade e conformabilidade).

A Usiminas produz industrialmente os aços DP processados a frio desde 2002 e há previsões que o emprego destes materiais seja bastante incrementado em médio prazo, principalmente nas versões galvanizados a quente. Isto ocorrerá quando a indústria automotiva nacional tiver suas linhas de produção adaptadas aos aços Dual Phase, estando plenamente capacitada a processa-los mecanicamente e a uni-los sob condições adequadas.

Obrigado