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REDEMAT

UFOP - CETEC - UEMG

"INFLUNCIA DA MICROESTRUTURA HETEROGNEA NAS PROPRIEDADES MECNICAS DE UM AO C-Mn LAMINADO A QUENTE E UTILIZADO EM AROS DE RODAS AUTOMOTIVAS"

Aluno: Carlos Fernando Chagas Orientador: Prof. Dr. Ricardo Pinheiro Domingues Co-Orientador: Dr. Kleiner Marques Marra

Dissertao de Mestrado apresentada ao Programa de Ps-graduao da REDEMATRede Temtica em Engenharia de Materiais como requisito para a obteno do ttulo de Mestre em Engenharia de Materiais.

Ouro Preto, maio de 2007

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memria do meu pai, prof. Caio Guimares Chagas.

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AGRADECIMENTOS

Ao professor e orientador Ricardo Pinheiro Domingues e ao co-orientador Kleiner Marques Marra, pelo privilgio de desfrutar de ntima amizade e de receber paternais conselhos.

Ao gerente do Departamento da Laminao a Quente da Usiminas, Roberto Luis Prosdocimi Maia, pelo apoio.

Ao gerente da Laminao de Tiras a Quente da Usiminas, Marcelo de Souza Barros, pelo apoio em todas as experincias de linha.

Ao gerente da Diviso Tcnica da Laminao a Quente da Usiminas, Geraldo Arruda Maia, pela oportunidade oferecida e a confiana de sempre nos estudos de aprimoramento.

Ao competentssimo Cludio Ferreira Rodrigues, pioneiro nos estudos de microestrutura heterognea na laminao a quente da Usiminas.

USIMINAS, pelo apoio

A todas as pessoas que direta e indiretamente contriburam para a realizao desse estudo.

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NDICECaptulo 1: INTRODUO............................................................................................ 1 Captulo 2: OBJETIVOS................................................................................................. 3 Captulo 3: REVISO BIBLIOGRFICA.................................................................... 4 3.1 Panorama geral da fabricao de rodas automotivas.................................. 4 3.2 Caractersticas de Linhas de Laminao a Quente de Aos para Rodas... 6 3.3 Aspectos Trmicos da Laminao a Quente de Aos para Rodas.............. 8 3.4 Aspectos Metalrgicos da Laminao a Quente de Aos para Rodas....... 21 3.4.1- Efeito da temperatura de reaquecimento sobre a microestrutura 21 3.4.2- Efeito da deformao e da temperatura de laminao sobre a evoluo microestrutural............................................................................. 24 3.4.3- Efeito da temperatura de bobinamento na microestrutura........... 30 3.4.4- Mudanas microestruturais aps o bobinamento........................... 31 3.5 Caractersticas de Linhas de Produo de Rodas........................................ 32 3.6 Principais Mecanismos de Endurecimento dos Aos para Rodas.............. 36 3.6.1- Endurecimento por Soluo Slida................................................. 36

3.6.2- Endurecimento por Precipitao..................................................... 37 3.6.3- Endurecimento por Transformao de Fase................................... 37 3.6.4- Endurecimento por Refino de Gro................................................ 40 Captulo 4: PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL..................................................... 42 4.1 Caracterizao qumica do ao em estudo................................................... 43 4.2 Caracterizao microestrutural do ao......................................................... 44 4.3 Caracterizao das propriedades mecnicas do ao.................................... 44 4.4 Determinao das curvas CCT...................................................................... 49 4.5 Avaliao do perfil trmico das tiras do ao................................................. 51 4.6 Avaliao da textura cristalogrfica do ao ................................................. 53 4.7 Determinao das temperaturas crticas de transformao de fase (Ar1 e Ar3) sob deformao mecnica .............................................................................. 57 Captulo 5: RESULTADOS E DISCUSSO................................................................. 59 5.1 Anlise qumica e metalogrfica........................................................ 59 5.2 Avaliaes de parmetros termomecnicos das amostras............... 67 5.3 Avaliao das temperaturas crticas de transformao................... 71 5.4 Avaliao microestrutural.................................................................. 73

III 5.5 Avaliao da textura cristalogfica.................................................... 67 5.6 Anlise das propriedades mecnicas................................................. 76 5.7 Comentrios finais............................................................................... 78 Captulo 6: - CONCLUSES.......................................................................................... 81 Captulo 7: - REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS.................................................... 83 Anexo A: - SEQNCIA DE PREPARAO DAS AMOSTRAS PARA ENSAIOS.......................................................................................................................... 87 Anexo B: - FIGURA DE FUNO DE DISTRIBUIO DE ORIENTAO DA TIRA CN........................................................................................................................... 88 Anexo C: - FIGURA DE FUNO DE DISTRIBUIO DE ORIENTAO DA TIRA BAAB...................................................................................................................... 89 Anexo D: - FIGURA DE FUNO DE DISTRIBUIO DE ORIENTAO DA TIRA BABB...................................................................................................................... 90

IV LISTA DE FIGURAS FIGURA 3.1 Diagrama esquemtico de uma linha de laminao a quente convencional......................................................................................... 6 FIGURA 3.2 Diagrama esquemtico de uma linha de laminao a quente compacta............................................................................................... 6 FIGURA 3.3 Evoluo da temperatura na superfcie de uma placa submetida a reaquecimento em forno WB da Linha de laminao a quente........ 8 FIGURA 3.4 Desenho esquemtico do fluxo de calor para as superfcies da placa durante o aquecimento......................................................................... 9 FIGURA 3.5 Ombros quentes ao longo da largura de uma placa de ao................ 10 FIGURA 3.6 Curvas de resfriamento, temperatura versus tempo, para tiras de ao submetidas a resfriamento ao ar (a) e sob resfriamento sob jato dgua (b)....................................................................................... 11 FIGURA 3.7 Variao de temperaturas ao longo de esboos, durante uma chance, numa linha de laminao a quente com sistema de conservao de calor............................................................................. 12 FIGURA 3.8 Croqui do sistema de conservao de calor......................................... 13 FIGURA 3.9 Sistema Coilbox..................................................................................... FIGURA 3.10 Indicaes da transferncia de calor da tira para um cilindro de laminao. Na regio indicada pelo ngulo () h o contato direto do cilindro com a tira. Nesta regio a tira transfere calor para o cilindro. FIGURA 3.11 Distribuio de temperaturas na superfcie e na posio referente ao centro de um cilindro de trabalho durante a laminao a quente. Valores medidos e calculados............................................... 15 FIGURA 3.12 Variao da temperatura superficial da tira e do cilindro de laminao durante a passagem do material no laminador.............. 16 FIGURA 3.13 Influncia do tipo de lubrificante na temperatura superficial da tira na primeira cadeira de um trem de laminao. Estimativa de um modelo matemtico....................................................................... 17 14 14

V FIGURA 3.14 Variao da temperatura superficial de barras durante a laminao a quente.............................................................................. 18 FIGURA 3.15 Variao da temperatura no centro da espessura de tiras processadas em linha contnua de laminao a quente convencional e em linha com coilbox............................................... FIGURA 3.16 Perfil superficial de temperaturas ao longo da largura de uma tira na entrada de um trem acabador............................................... 19 FIGURA 3.17 Representao esquemtica de um banco de cortina dgua no leito de resfriamento de uma linha de tiras a quente....................... 20 FIGURA 3.18 Efeito esquemtico da temperatura de reaquecimento na microestrutura de um ao baixo carbono......................................... 22 FIGURA 3.19 Cintica de dissoluo de precipitados de microligantes em aos baixo carbono..................................................................................... FIGURA 3.20 Efeito da temperatura de reaquecimento e da presena de precipitados no tamanho do gro austentico em aos baixo carbono................................................................................................. 23 FIGURA 3.21 Representao esquemtica dos processos de restaurao.............. 25 FIGURA 3.22 Esquemas de laminao para aos baixo carbono............................ 26 FIGURA 3.23 Nucleao da ferrita mostrada esquematicamente durante resfriamento, aps laminao, de um ao microligado na regio intercrtica (P a fase perlita, a fase austenita e a fase ferrita).................................................................................................. 29 FIGURA 3.24 Influncia da temperatura de bobinamento na microestrutura de tiras laminadas a quente de aos baixo carbono.............................. 31 FIGURA 3.25 Representao esquemtica da nucleao por migrao de contornos induzida por deformao.................................................. 31 FIGURA 3.26 Aro e disco em uma roda................................................................... 32 23 19

FIGURA 3.27 Processo usual de fabricao dos discos de roda............................... 33 FIGURA 3.28 Processo de fabricao dos aros de roda........................................... FIGURA 3.29 Ensaio de fadiga por flexo................................................................ 34 35

VI FIGURA 3.30 Ensaio de fadiga por carregamento radial........................................ 35 FIGURA 3.31 Variao do limite de escoamento em funo da variao relativa do parmetro de rede do Fe- para adio de 1% de soluto (concentrao atmica)....................................................................... 37 FIGURA 3.32 Efeito da temperatura de transformao na resistncia de estruturas ferrtico-perlticas e bainticas......................................... 39 FIGURA 3.33 Microestruturas tpicas de quatro aos de alta resistncia mecnica: (a) Ao a. (b) Ao b. (c) Ao c. (d) Ao d......... 38 FIGURA 3.34 Efeito do tamanho de gro sobre o limite de escoamento e limite de resistncia........................................................................................ 41 FIGURA 4.1 Trem de laminao a quente de acabamento de tiras de ao da Usiminas................................................................................................. 43 FIGURA 4.2 Efeito de n sobre a forma da curva = K. n(35)............................. FIGURA 4.3 Representao esquemtica do modo de obteno do parmetro R de Lankford.................................................................................... 46 FIGURA 4.4 Correlao entre o parmetro Rm (tomado como mdia dos valores na direo paralela, a 45o e a 90o da direo de laminao) e a relao entre as intensidades de ocorrncia das direes cristalinas /........................................................................ 47 FIGURA 4.5 Representao esquemtica do ensaio de expanso de furo KWI.... FIGURA 4.6 Relao entre o alongamento total em ensaio de trao e a capacidade de expanso de furo KWI................................................. 48 FIGURA 4.7 Exemplo do ciclo trmico realizado no simulador Gleeble para determinao dos pontos de incio e fim de transformao de fase no resfriamento com taxa controlada.................................................. 50 FIGURA 4.8 Exemplo de curva dilatomtrica obtida no simulador Gleeble, mostrando os pontos de transformao, as retas ajustadas e a curva diferencial (derivada)................................................................. 51 48 45

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FIGURA 4.9 Perfil de temperatura ao longo do comprimento de uma tira do ao estudado (espessura de 2,15mm), no meio da largura. Cinco posies: (i) entrada do trem, (ii) entre F1 e F2, (iii) entre F3 e F4, (iv) entre F5 e F6, e (v) aps F6............................................................ 52 FIGURA 4.10 Sistema de coordenadas. KA: coordenada de referncia. KB: sistema de coordenada em cada gro................................................ 54 FIGURA 4.11 Exemplo determinao de uma ODF................................................. 55 FIGURA 4.12 Figuras de fibra alfa (RD), gama (ND) , RD e ND// no espao de Euler.................................................................................... 56 FIGURA 4.13 Corpo-de-prova de compresso......................................................... FIGURA 5.1 Microestrutura da tira CN. Borda LT. Ampliao: 200X. Ataque: Nital (4%)............................................................................................... 61 FIGURA 5.2 Microestrutura da tira CN. da largura. Ampliao: 200X. Ataque: Nital (4%)................................................................................ 62 FIGURA 5.3 Microestrutura da tira CN. Meio da largura. Borda LT. Ampliao: 200X. Ataque: Nital (4%)................................................. 63 FIGURA 5.4 Microestrutura da tira CN. da largura. Ampliao: 200X. Ataque: Nital (4%)................................................................................ 64 FIGURA 5.5 Microestrutura da tira CN. Borda LA. Ampliao: 200X. Ataque: Nital (4%)............................................................................................... 65 FIGURA 5.6 Microestrutura heterognea a 30mm da borda LA. Ampliao: 200X. Ataque: Nital (4%)..................................................................... 66 FIGURA 5.7 Variao da tenso de escoamento durante a laminao da tira CN 67 FIGURA 5.8 Perfil de temperatura ao longo da largura de uma tira do ao estudado (espessura de 2,15mm), no topo meio e base, da tira. Medio na sada do trem de laminao............................................. 68 FIGURA 5.9 Temperatura ao longo do comprimento da tira, para diferentes posies em relao a borda da tira. Em (a), borda LT e em (b), borda LA............................................................................................. 69 57

VIII

FIGURA 5.10 Queda de temperatura de uma tira de ao ao passar pelo trem de laminao, para espessuras menor que 2,50mm.............................. 70 FIGURA 5.11 Diagrama CCT determinado sob ensaio dilatomtrico.................... 72 FIGURA 5.12 Variao da tenso de escoamento mdia com a temperatura, em ensaio de compresso.......................................................................... 72 FIGURA 5.13 Microestrutura da tira CN. Nital (4%). (a) 500X. (b) 2000X........... 74 FIGURA 5.14 Microestrutura da tira BAAB. Nital (4%). (a) 500X. (b) 2000X...... 74 FIGURA 5.15 Microestrutura da tira BABB. Nital (4%). (a) 500X. (b) 2000X...... 74 FIGURA 5.16 Figuras de fibra alfa das trs tiras avaliadas.................................... FIGURA 5.17 Figuras de fibra gama das trs tiras avaliadas................................. FIGURA 5.18 Amostras temperadas a partir de material laminado a morno. Gros ferrticos aparentemente nucleados e crescidos a partir da interface ferrita (transformada)/austenita(48). Ampliao: 1000X.. 79 75 75

IX LISTA DE TABELAS TABELA 3.1 Valores da variao relativa percentual [(a/a)*100] do parmetro de rede a para o Fe- em funo da presena de alguns elementos em soluo slida................................................................ TABELA 3.2 Composio qumica tpica e caractersticas mecnicas de aos para rodas de alta resistncia............................................................... TABELA 4.1 Composio qumica tpica do ao em estudo..................................... TABELA 4.2 Valores tpicos de propriedades mecnicas de trao do material em estudo............................................................................................... TABELA 4.3 Equaes para previso de temperaturas........................................... TABELA 5.1 Composio qumica das amostras do ao em estudo........................ TABELA 5.2 Classificao de incluses segundo norma ASTM E 45..................... TABELA 5.3 Intervalos de confiaa para as mdias de microestrutura o. Amostragem: 14 tiras observadas, de 1250mm de largura e 2,15mm de espessura............................................................................ TABELA 5.4 Tamanho de gro ferrtico ao longo da largura da tira CN (medidos na direo longitudinal de laminao)............................... TABELA 5.5 Propriedades mecnicas derivadas do ensaio de trao.................... TABELA 5.6 Coeficientes R e Rm para as tiras avaliadas...................................... TABELA 5.7 Resultado do ensaio de expanso de furo KWI..................................

36 39

42 42

52 59 59 66

66

77 77 77

X LISTA DE NOTAES ERG = endurecimento por refino de gro FEM = (Finite Element Method) = mtodo de modelamento matemtico por elementos finitos. Ar3 = temperatura de transformao alotrpica de fase em aos, no resfriamento, de austenita para ferrita. Ac3 = temperatura de transformao alotrpica de fase em aos, no aquecimento, de ferrita para austenita. R1 (Roughing Mill) = laminador desbastador n 1 da linha de laminao a quente da USIMINAS. R2 (Roughing Mill) = laminador desbastador n 2 da linha de laminao a quente da USIMINAS. BQs = bobinas a quente. V = perfil do aro de roda aps a conformao de expanso das extremidades MIG = (Metal Inerte Gs) = processo de soldagem que diz da utilizao de gases inertes como forma de proteo do arco voltaico, tambm chamado GMAW (Gs Metal Arc Welding). MAG (Metal Active Gs) = processo de soldagem que diz da utilizao de gases ativos oxidantes, tais como CO2, misturas de Ar/CO2, Ar/O2, e outros, em torno do arco voltaico. a = parmetro de rede. Fe- = fase ferrita em aos. a/a = Variao relativa do parmetro de rede a. y = Tenso de escoamento do ao. i = Tenso de frico oposta ao movimento das discordncias no ao. d = Tamanho mdio de gro do ao. k = Constante ligada ao destravamento das discordncias no ao. SIBM (Strain Induced Boundary Movement) = Movimentao de contornos de gros induzida por deformao no ao. CCT (Continous Cooling Transformation) = Curva de transformao por resfriamento contnuo do ao. HB = dureza Brinell. ODF = Funo distribuio de orientao (Orientation Distribution Function). TA = Temperatura de acabamento do Trem Acabador

XI HRT = (Hot Runout Table) = mesas de resfriamento forado. TB = Temperatura de bobinamento da tira LT = Lado de trabalho (lado do operador) LA = Lado de acionamento (Lado dos motores) CPs = corpos-de-prova cp = corpo-de-prova WB = Walking Beam

XII RESUMO

So apresentadas as caractersticas gerais de rodas de veculos automotores fabricadas em ao, alm de uma sucinta explanao sobre o processo de produo e do perfil trmico dos aos laminados em tiras a quente. Neste contexto, enfocada a produo, em linhas convencionais de tiras a quente, de aos isentos de microligantes e endurecidos por refino de gro (ERG). Nesse tipo de processo, a condio de laminao a quente deve resultar em uma microestrutura fina, equiaxial e homognea, visando a garantir uniformidade das propriedades mecnicas ao longo da largura da tira e a qualidade metalrgica requerida para a aplicao do produto. So tambm apresentadas as causas, em tiras de ao laminadas a quente, da susceptibilidade gerao de granulao heterognea em sua microestrutura.

Palavras-chave: Rodas de ao, microestrutura heterognea, laminao a quente.

XIII ABSTRACT

This study presents the basic characteristics of steel wheel rims, used in the automotive industry as well as a brief description of the hot strip rolling process and of the thermal profile concerning the production of such steels. Steels for wheel rims application are carbonmanganese steels without alloying additions, which has the grain refinement as the main hardening mechanism. Thus, the hot rolling process shall lead to a fine, equiaxed and homogenous microstructure in the strip, in order to guarantee not only the required strength level but also uniformity throughout the whole width direction. It is also presented the causes of the susceptibility of forming heterogeneous microstructure during hot strip rolling of the steels mentioned above.

Key-words: Steel wheels, heterogeneous microstructure, hot strip.

1 Captulo 1 INTRODUO A indstria automobilstica brasileira, representada pelas montadoras de veculos automotores, tais como Fiat, General Motors, Volkswagen, Toyota, Honda e seus fornecedores (indstria de autopeas), formam um bloco industrial de importncia mpar no Brasil. Embora o nmero de veculos produzidos no tenha crescido expressivamente nos ltimos anos, tem havido por parte dos fabricantes, que so pertencentes a grupos internacionais, a aplicao do conceito do carro mundial, ou seja, os seus produtos devem ter qualidade e atualizao tecnolgica similares aos produtos fabricados em outras partes do mundo. Dentro do contexto do carro mundial, a indstria automobilstica vem buscando, continuamente, solues para questes ligadas reduo de peso associada concomitantemente diminuio do consumo de combustveis fsseis, bem como o aumento da segurana contra colises. Uma soluo que tem se mostrado eficaz o incremento da utilizao de aos de alta resistncia mecnica. Com isso, vrias partes dos carros tm sofrido alterao de materiais. As rodas tambm esto acompanhando esta tendncia. Vrios tipos de aos com alta resistncia mecnica tm sido aplicados nestes componentes. Particularmente neste estudo, ser avaliado um tipo de ao de emprego intensivo nas rodas, que so aqueles endurecidos por refino de gro (ERG). Estes materiais so fabricados e comercializados por usinas siderrgicas integradas ou em linhas compactas. O ao fornecido aos fabricantes de rodas na condio de laminado a quente. Um problema que sobrevm no consumo destes materiais a ocorrncia de granulao heterognea nas bordas das tiras a quente dos aos. Este tipo de ocorrncia, alm de promover desvio das propriedades mecnicas requeridas, determina uma forte incidncia de trincas durante a produo das rodas. Portanto, este estudo realiza uma investigao das causas metalrgicas para este tipo de ocorrncia nos aos ERG, sendo propostas medidas corretivas, em termos de contramedidas nas prticas de laminao a quente. Assim, inicialmente, feita uma breve explanao sobre os processos de fabricao dos aos laminados a quente, matria-prima das rodas, e fornecida uma viso panormica dos mecanismos de endurecimento dos aos de alta resistncia, atualmente utilizados para esta aplicao. dado enfoque especial sobre aos laminados a quente em linhas de laminao convencional do tipo tandem mill (trem de laminao) e sobre aos endurecidos por refino de gro. Nesse tipo de ao, a condio de laminao a quente deve produzir uma microestrutura fina, equiaxial e homognea, de modo a no somente garantir nveis adequados de resistncia mecnica, mas tambm uma uniformidade das propriedades mecnicas ao longo de toda a largura do laminado.

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Realiza-se, adicionalmente, um estudo experimental para a avaliao da origem da granulao heterognea em um ao laminado a quente, endurecido por refino de gro e sua conseqncia na fabricao de rodas de veculos automotores. Conclui-se, a partir deste estudo, que os gros grosseiros que aparecem na microestrutura heterognea, so oriundos da fase ferrita laminada intercriticamente, e que, posteriormente (no bobinamento), se desenvolve, quando submetida a altas temperaturas, pelo mecanismo de recristalizao SIBM (Movimentao de contornos de gros induzida por deformao no ao).

3 Captulo 2 - OBJETIVOS

Investigar a origem da ocorrncia de heterogeneidades microestruturais nas bordas das tiras de um ao endurecido por refino de gro destinado fabricao de rodas automotivas e avaliar o impacto dessa variabilidade nas suas propriedades mecnicas.

4 Captulo 3 - REVISO BIBLIOGRFICA

3.1 - Panorama geral da fabricao de rodas automotivas

A indstria de veculos automotores um dos setores industriais mais fortes em todo o mundo. So produzidos, anualmente, cerca de dois milhes de veculos em nosso pas. O ao matria-prima na fabricao dos carros, representando em mdia, cerca de 60% do peso de um veculo. Nas ltimas duas dcadas, em resposta aos problemas ambientais, algumas solues tm surgido com o intuito de promover a reduo do consumo de combustveis fsseis utilizados nos motores de combusto dos automveis. sabido que a queima desses combustveis emite uma srie de substncias txicas e poluidoras para a atmosfera, que tambm contribuem para o aumento do efeito estufa. Algumas solues ainda esto na esfera das possibilidades, como o uso de combustveis menos poluidores (biodiesel ou etanol) ou a utilizao de carros impulsionados por energia eltrica. No entanto, a soluo que se mostrou mais vivel at o momento foi a reduo do peso dos veculos. Esta reduo tem sido obtida pelo emprego de sucedneos do ao (principalmente alumnio e plsticos) ou pela aplicao de aos de alta resistncia mecnica em partes especficas dos carros, como suspenso, carroceria, eixo do motor e rodas(1,2). No tocante s rodas, essa reduo pode ser realizada com o incremento da resistncia mecnica do ao, concomitantemente com a reduo da espessura das tiras metlicas destinadas a essa pea. Entretanto, a rigidez e a resistncia fadiga das rodas tornam limitada a reduo de espessura.(1,2,3) Deve ser observado que, normalmente, quando se eleva a resistncia mecnica do ao, sua conformabilidade piorada.(4) A tendncia de elevao da resistncia mecnica tem sido impulsionada tambm, pela exigncia de aumento da segurana para os passageiros dos veculos. Luccioni(5) cita que a elevao da resistncia dos aos empregados nas rodas, tanto para o aro quanto para o disco, pode ser feita de forma otimizada, com os chamados taylored blanks, que usam blanks compostos de uma parte de ao dctil e bastante conformvel e outra parte composta de ao de alta resistncia mecnica. Estas duas partes so unidas, para compor a pea, por soldagem a laser. Alm disso, esse pesquisador cita o emprego de tcnicas computacionais de FEM (Finite Element Method) para definir um projeto de roda otimizado, reduzindo o peso da mesma, e tambm a tcnica de spinning na fabricao da roda. No spinning, partes do aro ou disco podem ser laminados, durante sua fabricao, de forma a se reduzir localmente a espessura.

5 Quando se fala em desenvolvimento de produtos para o setor automobilstico, impossvel no mencionar o programa Ultra Light Steel Auto Body (Ulsab). Trata-se de uma importante ao colaborativa de pesquisa e a Usiminas orgulha-se em ser a nica siderrgica da Amrica Latina a integrar o programa desde o incio. Criado em 1994 com objetivo de fazer frente concorrncia dos materiais sucedneos na construo automotiva especialmente o alumnio e o plstico o Ulsab possui um comit permanente, que rene 25 siderrgicas de 18 pases. A participao da Usiminas fundamental para manter a empresa atualizada no que se refere ao desenvolvimento de produtos e estratgias mercadolgicas da siderurgia mundial para o mercado automotivo. A nova gama de aos desenvolvidos possibilita a reduo do peso do veculo sem prejuzo para a segurana, atingindo as exigncias de reduo de consumo de combustvel e de emisso de CO2. Alm disso, os produtos so 100% reciclveis e apresentam custos compatveis, permitindo manter o ao como principal soluo em materiais para a construo automotiva. Nesta trajetria de mais de quatro dcadas fornecendo ao para o setor automobilstico, os produtos da Usiminas passaram por muitas adequaes. As principais mudanas ocorreram a partir do incio da dcada de 90, com a abertura da economia brasileira. A indstria automobilstica nacional passou a acompanhar as tendncias mundiais e, conseqentemente, apresentou novas demandas ao setor siderrgico, no apenas por produtos, mas tambm por servios. Atenta s tendncias, A Usiminas passou a oferecer produtos beneficiados, como peas estampadas e blanks, integrando-se cada vez mais ao processo produtivo das montadoras. No que se refere a logstica, a siderrgica foi uma das primeiras a implantar o sistema de entrega just in time, assumindo a responsabilidade pelos estoques de matrias-primas e ajudando o setor automobilstico a ser mais competitivo no mercado. Paralelamente, a Empresa apostou em um modelo de atendimento focado, com a participao dedicada dos engenheiros de venda e a forte presena da assistncia tcnica no dia-adia das montadoras, para acompanhar os desafios e participar das solues. Hoje, graas a essa relao de confiana, que cresce junto com a atuao da engenharia simultnea, a Usiminas participa do processo de criao de novos modelos junto s montadoras. Exemplos recentes so o Celta e o Zafira da GM, projetos que contaram com a participao da siderrgica desde a sua concepo. Paralelamente a todas essas aes, a Usiminas investiu em novas tecnologias para atender s exigncias do mercado automobilstico. O novo laminador de tiras a frio e a linha de galvanizao a quente da Unigal so dois importantes exemplos.

6 3.2 - Caractersticas de Linhas de Laminao a Quente de Aos para Rodas

Os aos para rodas so, usualmente, produzidos como laminados a quente, com a temperatura de acabamento acima de Ar3. Esses materiais so utilizados, normalmente, em espessuras nominais na faixa de 2,5 a 4,0mm. Segundo Zambrano(6), aos laminados a quente praticamente no exibem textura cristalogrfica mais pronunciada, em razo de sua alta temperatura de processamento. Esta condio resulta em propriedades mecnicas e caractersticas de conformabilidade isotrpicas em relao ao plano das tiras. As linhas de laminao a quente, atualmente utilizadas para a produo de Tiras a Quente so: (i) laminao convencional e (ii) laminao compacta. As figuras 3.1 e 3.2 mostram esquematicamente os dois tipos de linhas de laminao.Sentido de laminao

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D

D

D:

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FIGURA 3.1 Diagrama esquemtico de uma linha de laminao a quente convencional.(3)

FIGURA 3.2 Diagrama esquemtico de uma linha de laminao a quente compacta.(6)

7

Na figura 3.1 apresentada uma linha convencional, composta de dois fornos de reaquecimento de placas, dois laminadores esboadores ou desbastadores (indicados como R Roughing mill 1 e Roughing mill 2) e um trem de laminao. As placas de ao so aquecidas e homogeneizadas termicamente nos fornos de reaquecimento, a temperaturas da ordem de 1200C e processadas nos laminadores esboadores. Essas placas so, usualmente, obtidas por lingotamento contnuo, com espessura de placa variando entre 200 e 250mm. Aps o processamento das placas no desbaste, os esboos possuem espessuras na faixa de 26 a 32mm. Os esboos so processados em uma seqncia de laminadores acabadores ou trem de laminao, colocados em srie (ou em "tandem), que vo reduzindo, gradativamente, a bitola da tira at uma espessura final mnima possvel de cerca de 1,2mm. A temperatura de entrada varia de 970 a 1040C e a temperatura de sada do trem de laminao, ou temperatura de acabamento, na faixa de 830 a 910C. Na figura 3.2 mostrado um tipo de linha de laminao mais moderna, linha compacta, onde placas fundidas, originrias tambm do processo de lingotamento contnuo, com espessura inicial de 50mm e temperatura de 1150C, so laminadas diretamente. As espessuras de acabamento nas linhas compactas so equivalentes s das linhas convencionais. Ressalta-se que, linhas de laminao compactas permitem obter velocidades de sada das tiras na mesa de resfriamento, na faixa de 10 a 30% maiores que nas laminaes convencionais. Outra caracterstica das linhas compactas, relativamente s convencionais, a maior uniformidade microestrutural e gro mais fino do ao laminado, uma vez que se trabalha com menores temperaturas de deformao, maiores redues de espessura por passe combinadas com maiores velocidades de processamento, que conduzem a taxas mais elevadas de recristalizao da austenita deformada na laminao. Isto implica menor perda trmica e menores gradientes ao longo da largura do laminado, que refletem em melhores propriedades mecnicas de resistncia trao e maior uniformidade das propriedades mecnicas ao longo do laminado.(6) Aps a laminao a quente, em ambos os processos as tiras produzidas, com comprimentos que podem chegar at a 1.200m, so submetidas a resfriamento forado em chuveiros dgua, para se obter a temperatura de bobinamento, na faixa de 550 a 750C. Aps o resfriamento forado, as tiras so bobinadas formando as bobinas a quente (BQs). Ser dado nfase ao processo de laminao a quente convencional, uma vez que existe mundialmente um nmero muito limitado de linhas compactas. Assim, os aos destinados fabricao de rodas so produzidos, na sua grande maioria, em linhas convencionais.

8 3.3 Aspectos Trmicos da Laminao a Quente de Aos para Rodas Nas usinas siderrgicas integradas convencionais, aps a elaborao do ao na aciaria, utiliza-se o processo de lingotamento contnuo para a produo das placas de ao. Estas placas seguem para as linhas de laminao de tiras a quente para se transformarem em bobinas a quente ou matria-prima para a laminao a frio. Antes da laminao a quente, as placas devem ser reaquecidas, pois ficam estocadas por um perodo longo at serem programadas para processamento ou, ento, so enfornadas a quente (hot charge). Neste ltimo caso, a placas chegam s linhas de laminao com temperaturas na faixa de 300C a 500C, aps um curto perodo de estocagem/transporte. Nos fornos de reaquecimento, as placas so submetidas a um ciclo de aquecimento que pode ser decomposto em trs fases: (i) pr-aquecimento, (ii) aquecimento e (iii) encharque. A figura 3.3 mostra uma curva real de aquecimento de uma placa num forno da Usiminas.1300 1200 1100 1000

Ambiente do Forno

Temperatura (C)

900 800 700 600 500 400 300 200 100 000:00000:09 00:18 00:27 00:36 00:45 00:54 01:03 01:12 01:21 01:30 01:39 01:48 01:57 02:06 02:15 02:24 02:33 02:42 02:51 03:00 3,0 00:05 00:14 00:23 00:32 00:41 00:50 1,0 00:59 01:08 01:17 01:26 01:35 01:44 01:53 02:02 02:11 02:20 02:29 02:38 02:47 02:56 03:05 03:09 2,0

Pr-aquecimento

Aquecimento

Encharque

Superfcie superior da placa

Tempo (horas)

FIGURA 3.3 Evoluo da temperatura na superfcie de uma placa submetida a reaquecimento em forno walking beam da linha de laminao a quente.(50) No interior do forno de reaquecimento, ocorrem trocas trmicas por radiao e conveco entre as paredes do forno, resultantes dos produtos da combusto dos combustveis gasosos e/ou lquidos usados e a placa em aquecimento. Devido s altas temperaturas, as trocas por radiao so preponderantes. O calor lquido absorvido na superfcie da placa , ento, transferido para seu interior por conduo trmica. Do ponto de vista de transferncia de calor, e sendo a radiao trmica o principal mecanismo atuante, o processo de aquecimento da placa nos fornos deve ser tratado como um problema de radiao trmica entre as paredes do forno e a placa,

9 na presena de um meio interveniente. Esse meio o gs resultante da combusto que, a princpio, possui caractersticas de emisso, absoro e transmisso de calor. A figura 3.4 mostra, esquematicamente, os fluxos de calor atuantes sobre as placas dentro dos fornos de reaquecimento.

Qrad Qconv Qrad Qconv Qrad (a) Qconv Qrad Qconv Qconv

Qconv Qconv (b) Qrad (c) Qrad

vigas fixas

FIGURA 3.4 Desenho esquemtico do fluxo de calor para as superfcies da placa durante o aquecimento. A temperatura de encharque nos fornos de reaquecimento varia normalmente de 1180 a 1220C. O tempo de permanncia em linhas de laminao a quente depende da espessura da placa e situa-se entre 120 e 180 minutos. Segundo Borean,(7) as placas tendem a sair dos fornos mostrando heterogeneidades trmicas, como os conhecidos ombros quentes prximos s bordas e as marcas de skids, dispostas transversalmente ao comprimento das placas. Os ombros quentes, indicados na figura 3.5, so oriundos do maior aquecimento das bordas e podem causar, durante a laminao a quente (desbaste e acabamento), defeitos superficiais resultantes da oxidao local mais intensa, defeitos de planicidade, particularmente, nas mesas de resfriamento forado das tiras (HRT - hot runout table), aps a laminao de acabamento e defeitos metalrgicos, como gradientes de propriedades mecnicas. Os ombros quentes decrescem com o aumento da temperatura de encharque no reaquecimento, com o maior espaamento entre placas nos fornos e tambm com o enfornamento a quente. ampliado com o aumento da largura das placas. Diferenas de at 20C so, normalmente, verificadas dos ombros para o centro da largura das placas.(7)

10

Temperatura (C)

Ombro quente (lado de acionamento)

Ombro quente (lado de operao)

T = diferena de temperatura

Largura (mm) FIGURA 3.5 Ombros quentes ao longo da largura de uma placa de ao.(7)

J as marcas de skids so resultantes do contato das placas com os trilhos ou vigas fixas de apoio, por onde as placas vo caminhando durante o seu percurso nos fornos de reaquecimento. Estes trilhos ou vigas so normalmente refrigerados internamente e, por isto, roubam calor das placas, deixando um rastro trmico. Como as placas se deslocam transversalmente ao sentido de laminao dentro dos fornos, as marcas escuras (ou de skid) ficam impressas de modo a cortar toda a sua largura, formando normalmente quatro rastros bem definidos, especialmente nos fornos do tipo empurrador (pusher). Nos fornos do tipo WB (Walking Beam viga andante), as marcas de skids so mais tnues, devido ao menor contato vigas/trilhos pela utilizao de trilhos no alinhados (skid shift) na zona de encharque. Do desenfornamento at a entrada do laminador desbastador, onde h os primeiros passes, a placa perde calor por radiao e por conveco. Aps o desenfornamento da placa nos fornos de reaquecimento at a entrada da estao de descarepao primria, as perdas por radiao suplantam as por conveco e o regime de conveco natural. Durante a descarepao, a perda de temperatura ocorre, predominantemente, por conveco forada para a gua. O resfriamento por conveco para a gua difere radicalmente da situao onde o fluido que envolve uma pea um gs. Isso ocorre quando se joga uma quantidade restrita de gua sobre uma chapa metlica aquecida. Neste caso, a gua muda de estado fsico em contato com a superfcie aquecida. Assim dois mecanismos de transferncia de calor, em faixas especficas de temperatura, podem atuar: (i) filme de vapor (film boiling ou stable film boiling); neste caso, forma-se um filme estvel de vapor entre a superfcie metlica e a camada de gua, o que reduz a transferncia de calor; e (ii) filme instvel de vapor (nucleate film boiling); neste caso, gotculas

11 de gua vaporizam-se e deixam a superfcie metlica incessantemente, causando expressivo aumento da transferncia de calor. Por esses mecanismos, a transferncia de calor por conveco durante o resfriamento em gua depende fortemente da temperatura superficial da placa e de caractersticas do modo como a gua entra em contato com a superfcie. Existem duas formas bsicas de resfriamento: (i) resfriamento por imerso num tanque contendo gua parada (resfriamento em gua); nesse caso a transferncia de calor ocorre por conveco natural em regime laminar ou em regime turbulento; e (ii) resfriamento pela incidncia de gua sobre a superfcie da tira aquecida (resfriamento sob vapor); neste caso, a gua pode ser aspergida por spray ou jato laminar, ambas estabelecendo conveco forada. Esta segunda condio a existente nas estaes de descarepao e mesas de resfriamento HRT da linha de laminao de tiras a quente. Segundo Nilsson,(8) a temperatura dos esboos (produto da laminao de desbaste) ou das tiras (produto da laminao de acabamento), durante a laminao a quente, sofre uma variao da superfcie para o centro da espessura, sendo, evidentemente, maiores internamente. A queda de temperatura de uma tira ao ar livre (ao sair dos fornos de reaquecimento ou entre laminadores) segue um padro no retilneo, como descrito por Serajazadeh,(9) figura 3.6 a. J sob resfriamento forado com gua, como nas descarepaes e nas mesas de resfriamento HRT, conforme indicado na figura 3.6.b, o padro de resfriamento mais intenso, com a curva de perda de temperatura com o tempo apresentando maior curvatura.Previsto PreditoExperimental

Previsto PreditoExperimentalTemperatura (C)

Temperatura (C)

Resfriado no ar

Resfriado em gua

(a)

Tempo (s)

(b)

Tempo (s)

FIGURA 3.6 Curvas de resfriamento, temperatura versus tempo.(a) para tiras de ao submetidas a resfriamento ao ar e (b) com resfriamento por jato dgua.(9)

12 Nas linhas convencionais de laminao a quente, no transporte do esboo da sada do ltimo laminador desbastador at as imediaes da descarepao, na entrada do trem de laminao, desejado que a perda trmica dos esboos seja atenuada. Para isto, usa-se industrialmente um dos dois dispositivos: (i) sistema de conservao de calor por abafadores ou (ii) sistema de bobinamento a quente (Coilbox). No primeiro tipo, tm-se vrias tampas basculveis de material refratrio (abafadores) posicionadas logo acima da mesa de transporte. Segundo Hewitt,(10) este tipo de sistema bem efetivo para reduzir a diferena de temperatura entre o topo e a base do esboo. No entanto, no comeo de cada seqncia da chance de laminao, os trs ou quatro esboos iniciais apresentam uma variao substancial de temperatura entre os seus extremos, ou seja, no topo de laminao da tira e na base de laminao da tira, conforme mostra a figura 3.7.

Temperatura (C)

Temperatura na sada do Desba stador Temperatura na entrada do siste ma de conserva o 4 esboo que passou pelo sist. co nservao 3 esboo que passou pelo sist. co nservao

2 esboo que

passou pelo si st. conserva o

1 esb oo

qu ep ass ou pel o

sis t.

Medido na sada do sistema de conservao de calorcon ser v a o

Topo

Distncia ao longo do esboo (m)

Base

FIGURA 3.7 Variao de temperaturas ao longo de esboos, durante uma chance, numa linha de laminao a quente com sistema de conservao de calor.(10)

Isto se d em razo do sistema de conservao exigir um certo tempo para alcanar a homogeneidade trmica, de modo que as perdas por conveco sejam reduzidas, pela elevao da

13 temperatura do ar enclausurado no sistema, e as perdas por radiao sejam minimizadas, pelo aquecimento das paredes dos abafadores. A figura 3.8 mostra, a ttulo de exemplo, um esquema do sistema de conservao de calor na linha da Laminao de Tiras a Quente da Usiminas, que utiliza 11 abafadores que permitem minimizar a perda trmica do esboo entre a laminao de desbaste e a laminao de acabamento, que so separadas por uma distncia de cerca de 100m.Mdulo de conservao de calor Paineis isolantes Paineis isolantes

Paineis isolantes

FIGURA 3.8 Croqui do sistema de conservao de calor da Usiminas.

J no sistema de bobinamento a quente desenvolvido na siderrgica canadense Stelco, na dcada de 70(11) e hoje utilizado mundialmente, o esboo bobinado aps seu processamento na linha de desbaste. Aps certo intervalo de tempo, para que haja uniformizao trmica, o material desbobinado e segue para a laminao de acabamento. As marcas de Skids e Ombros quentes so atenuadas quando se utiliza o sistema coilbox. A despeito desta vantagem, este sistema possui os inconvenientes de aumentar a quantidade de carepa secundria produzida (reduzindo o rendimento metlico) e pode gerar defeitos de natureza superficial, em razo da susceptibilidade de colamento entre espiras durante a permanncia do material bobinado a altas temperaturas. A figura 3.9 mostra, esquematicamente, um sistema de bobinamento a quente aps a rea de desbaste.

14

Tesoura de pontas

Laminador desbastadorFIGURA 3.9 Sistema Coilbox.(11)

Laminador acabador

Se for acompanhada a trajetria da tira ao longo de um trem de laminao, pode-se destacar que a temperatura da tira na entrada do primeiro laminador (F1) ser reduzida ao estar em contato com os cilindros de trabalho. A figura 3.10 indica esta perda de temperatura por contato. Isto tambm ocorre nos laminadores desbastadores e nos outros laminadores do trem de laminao.

210C ~ 230C

110C ~ 130C

0

FIGURA 3.10 -Indicaes da transferncia de calor da tira para um cilindro de laminao. Na regio indicada pelo ngulo () h o contato direto do cilindro com a tira. Nesta regio a tira transfere calor para o cilindro.(12) Por retirar calor das tiras, os cilindros tm um aquecimento superficial rpido e intenso, figura 3.11. Segundo Chen e colaboradores(13), a conduo de calor para os cilindros ser tanto maior quanto mais efetivo o seu contato com as tiras de ao. Esses pesquisadores verificaram que o aumento da fora de laminao incrementa a transferncia de calor, enquanto o uso de

15 fluidos lubrificantes reduz a extrao de energia trmica. Matematicamente, isso pode ser expresso por(14): hd = 696,5p 34396 Onde: hd : coeficiente de transmisso de calor ( kW/m2.K); p : presso de contato (MPa). Neste aspecto, a equao (3.1) relaciona o coeficiente de transmisso de calor hd estabelecido no contato cilindro/tira, com a presso de contato p. Por esta equao, pode ser observado que hd cresce linearmente com p. Evidentemente, as temperaturas iniciais da tira e dos cilindros, a espessura e estrutura da carepa na tira so tambm variveis importantes. (eq. 3.1)

Superfcie Corpo principal Superfcie (Stevens) Corpo principal (Stevens)

Temperatura (C)

Entrada Entrada Sida Sada ngulo ()FIGURA 3.11 - Distribuio de temperaturas na superfcie e na posio referente ao centro de um cilindro de trabalho durante a laminao a quente. Valores medidos e calculados.(12) Com relao ao da carepa (xido de ferro na superfcie das tiras) formada durante a laminao, Zhou(14) cita tambm que o aumento de sua espessura causa o decrscimo de hd. Foi verificado, experimentalmente, que para espessuras de carepa superiores a 300m, a presso de contato, ou a quantidade de reduo no passe, no exercem efeito sofre a transmisso de calor entre cilindro e tira. No entanto, a espessura da carepa de laminao de acabamento, na prtica, nunca atinge valores desta monta, ficando caracteristicamente dentro do intervalo entre 6 a

16 15m.(15) Para o caso de uma grande reduo de espessura, que pressupe uma elevada carga de laminao (alto valor de p), combinada com a existncia de uma fina camada de carepa, a relao anterior deixa de ser vlida, com o coeficiente de transmisso de calor hd no mais crescendo linearmente com p, pois, atingida a saturao. Neste caso, a equao 3.2 expressa melhor hd. De acordo com esta relao, a transmisso de calor depende das caractersticas da carepa de laminao.

hd =Onde:

hs es

(eq. 3.2)

hs : condutividade trmica da carepa; es : espessura da carepa. A despeito da reduo de temperatura pelo contato tira/cilindro, h, na passagem da tira de ao no laminador, a tendncia de aquecimento devido ao calor gerado na deformao plstica do material, incluindo-se o efeito do atrito entre tira e cilindros. No entanto, a perda de temperatura por contato , normalmente, predominante; e o efeito global uma reduo de temperatura na superfcie da tira quando esta passa pelo laminador. A figura 3.12 mostra que a tira tem sua temperatura superficial repentinamente reduzida quando entra em contato com o cilindro de laminao (num ngulo prximo de 12). A temperatura superficial chega a um valor mnimo na sada do roll bite (ngulo de 0). Na mesma figura, pode ser notado que o comportamento inverso para o cilindro de laminao, ou seja, h um brusco aumento de temperatura prximo do ngulo de 12, atingindo-se uma temperatura superficial mxima para 0.

Temperatura (C)

Cilindro Tira

Sada

ngulo ()

Entrada

FIGURA 3.12 - Variao da temperatura superficial da tira e do cilindro de laminao durante a passagem do material no laminador.(12)

17 Segundo Devadas e Samarasekera,(16) a queda de temperatura da tira em contato com os cilindros de trabalho, depende da quantidade de deformao aplicada no passe de laminao. Segundo esses pesquisadores, o tipo de fluido lubrificante tambm causa forte influncia nessa queda de temperatura, figura 3.13. Estes autores chamam a ateno para o fato de que no meio da espessura no existe uma queda de temperatura to brusca como na superfcie da tira .

FIGURA 3.13 Influncia do tipo de lubrificante na temperatura superficial da tira na primeira cadeira de um trem de laminao. Estimativa de um modelo matemtico.(16) Aps a sada do primeiro laminador, a tira diminui sua temperatura por radiao e tambm por conveco, para o ar em sua volta e para a gua aspergida sobre a sua superfcie. Com isto, a tira tende a reduzir sua temperatura mais vagarosamente do que em contato com os cilindros. Como j comentado anteriormente, ao entrar nos laminadores subsequentes, a tira submetida aos mesmos efeitos referenciados para o primeiro laminador. Portanto, o resfriamento dentro do trem de laminao, pelas consideraes anteriores, deve seguir um perfil no linear com o tempo, principalmente na superfcie, conforme figura 3.14, onde apresentada a evoluo trmica da uma barra de ao ao longo de um trem de laminao a quente, composto de sete

18 cadeiras. Percebe-se pela figura que a temperatura na superfcie mais irregular do que no centro da espessura.

Temperatura (C)

superfcie 1/16 da espessura 1/8 da espessura 1/4 da espessura

Tempo (s)

FIGURA 3.14 Variao da temperatura superficial de barras durante a laminao a quente.(17) Isto foi tambm verificado no modelo trmico construdo por Devadas e Samarasekera.(16) Para uma linha de laminao de tiras a quente composta por quatro cadeiras de laminao, dotado de um sistema Coilbox. Estes pesquisadores puderam perceber por seu modelo que, enquanto a temperatura superficial sofria quedas abruptas ao passar por cada cadeira, seguindo-se uma rpida recuperao, o meio da espessura da tira ficava submetida a quedas muito mais suaves. A queda abrupta de temperatura, como j mencionado, ocorre em funo da gua de refrigerao, e principalmente, devido ao contato da tira com os cilindros de trabalho. Nas regies entre cadeiras, ocorre a condio transiente de conduo de calor atravs da espessura da tira do interior para superfcie. J o modelo desenvolvido por Hofgen e colaboradores,(18) mostrou que num trem de laminao a quente convencional a queda de temperatura ao longo da tira bem mais intensa (cerca de 150C) do que para a linha com coilbox, resultando numa diferena de cerca de 70C, figura 3.15. Constatou-se tambm que, a despeito da acelerao de deslocamento da tira na sua passagem pelo trem de laminao, a variao de temperatura entre topo e base maior do que em linhas com coilbox.

19

Temperatura mdia da tira

(C)

Laminador Acabador

Laminador desbastador

Com Coilbox

H - 5% do comp. da tira (topo) M - 50% do comp. da tira (meio) T - 95% do comp. da tira (base) Com aumento de velocidade

N de Passes

FIGURA 3.15 Variao da temperatura no centro da espessura de tiras processadas em linha contnua de laminao a quente convencional e em linha com coilbox.(18) Outra questo, a ser considerada nas tiras laminadas a quente, a queda de temperatura mais pronunciada nas bordas das tiras durante laminao. Este efeito ampliado nas tiras com menores espessuras de acabamento. Percebe-se, na figura 3.16, que h, realmente, um aumento de temperatura nas bordas e, tambm, que o ombro trmico permanece aps a laminao de desbaste.

Temperatura (C)

Largura (mm)

FIGURA 3.16 Perfil superficial de temperaturas ao longo da largura de uma tira na entrada de um trem acabador.(19) Aps a sada da tira do laminador de acabamento, tem-se as mesas de resfriamento forado HRT. Nestas mesas, que se interpem entre o laminador de acabamento e as bobinadeiras, h um resfriamento forado da tira por vrios bancos que aspergem gua tira, seja por cortinas ou jatos

20 tubulares. O resfriamento imposto tira, nesta etapa, importante pois, posteriormente, o material ser bobinado, sendo a temperatura de bobinamento um fator importante a ser controlado, por influir diretamente nas propriedades mecnicas e metalrgicas do produto. A figura 3.17 mostra, a ttulo de exemplo, um banco de resfriamento numa HRT. Neste banco, o resfriamento se d por cortina dgua, onde se atinge taxas altssimas de resfriamento, da ordem de 50C/s e, normalmente, as mesas de resfriamento podem ser formadas por mais de uma dezena destes bancos. Aps o bobinamento do ao, a sua taxa de resfriamento cai consideravelmente, atingindo marcas da ordem 10C/min.

Banco superior

Cortina de gua

Banco inferior

FIGURA 3.17 - Representao esquemtica de um banco de cortina dgua no leito de resfriamento de uma linha de tiras a quente.

21 3.4 Aspectos Metalrgicos da Laminao a Quente de Aos para Rodas 3.4.1 Efeito da temperatura de reaquecimento sobre a microestrutura Os aos atualmente aplicados na fabricao de rodas possuem baixo teor de carbono (de 0,01 a 0,10% em peso), so acalmados ao alumnio, podendo ter adies de mangans (menor que 2%) e/ou fsforo (inferior a 1%) e, eventualmente, microadies (inferiores a 0,1%) de elementos como V, Nb, Ti, e Mo. A partir da elaborao dos aos na fase lquida nas aciarias das

siderrgicas integradas, produzem-se por lingotamento contnuo, placas com espessura, usualmente, na faixa de 200mm a 250mm. Aps sua completa solidificao e, s vezes, aps um perodo de estocagem, as placas so reaquecidas em fornos contnuos. Aps atingirem temperaturas da ordem de 1200oC, Elas so laminadas a quente (usualmente acima da temperatura terica de recristalizao) em duas etapas: (i) Desbaste, na qual a espessura reduzida para a faixa de 20 a 40 mm, o material atinge temperaturas em torno de 1100oC, empregando-se para isto, laminadores do tipo reversvel; (ii) Acabamento, onde se usam, convencionalmente, laminadores em tandem ou reversvel (stekel), com a espessura final podendo atingir valores to baixos quanto 1,0 mm. A temperatura de acabamento funo, alm da espessura, das propriedades mecnicas e da composio qumica, variando na faixa de 700 a 900oC. As mudanas que ocorrem durante o reaquecimento das placas de aos baixo carbono esto esquematizadas na figura 3.18. Nesta figura esto indicadas as temperaturas AC1 e AC3 que correspondem, respectivamente, ao incio e ao trmino da transformao alotrpica da ferrita, ou fase (estrutura cbica de corpo centrado), para a austenita, ou fase (estrutura cbica de faces centradas). Com o incio da transformao / e medida que a temperatura vai sendo aumentada, ocorre o enriquecimento de carbono por parte da fase austenita, que possui maior solubilidade a este elemento que a ferrita. Isto ocorre, concomitantemente, com a dissoluo da cementita (Fe3C), presente na ferrita. Uma vez formada, e com o progresso do aquecimento, a austenita comea a engrossar e, ao mesmo tempo, h a dissoluo dos precipitados dos microligantes, que, normalmente, constituem barreiras ao crescimento dos gros austenticos.

22

Temperatura

Dissoluo de precipitados

Tempo

FIGURA 3.18 Efeito esquemtico da temperatura de reaquecimento na microestrutura de um ao baixo carbono.(21) A nucleao da austenita, durante o aquecimento das placas, pode ocorrer nos contornos dos gros ferrticos ou na interface ferrita/cementita. A velocidade de dissoluo da cementita depende da sua composio qumica. Elementos substitucionais, como Cr, Mn, Si e Mo, podem fazer parte da estrutura deste carboneto. Durante a dissoluo, estes elementos, que possuem menores difusividades que o carbono, concentram-se em torno da cementita, dificultando sua dissoluo. Assim, aos com elementos substitucionais tm uma cintica de austenitizao mais lenta que os aos sem adies. Para aos baixo carbono sem adies, o tempo t para haver 90% da dissoluo de cementita de raio r dado por(20):

t = 10.r2/Dc.........................................................(eq. 3.3) Onde: - Dc : difusidade do carbono na austenita. Por exemplo, para uma partcula de cementita com r=1,0m; Dc = 2,5x10-7cm2/s (0,1% de carbono, na temperatura de 1000C), tem-se t = 0,25s, ou seja, o tempo de dissoluo muito pequeno. A dissoluo de precipitados de microligantes, como AlN, VC, VN, Nb(CN) e TiN, bem mais lenta que a da cementita, e ocorre em temperaturas bem mais elevadas. A figura 3.19 mostra a cintica de dissoluo destes precipitados. J a figura 3.20 mostra que h uma relao direta entre a temperatura de dissoluo destes precipitados e o incio de um crescimento

23 acentuado do gro austentico. Isto ocorre em razo do efeito de pinamento que os precipitados, principalmente os mais finos, exercem sobre os contornos austenticos, constituindo barreiras para a expanso dos gros.

Tempo (s)

Temperatura (C)FIGURA 3.19 Cintica de dissoluo de precipitados de microligantes em aos baixo carbono.(21)

Tamanho de gro (m)

Temperatura (C)FIGURA 3.20 Efeito da temperatura de reaquecimento e da presena de precipitados no tamanho do gro austentico em aos baixo carbono.(21)

24 3.4.2 Efeito da deformao e da temperatura de laminao sobre a evoluo microestrutural A escala de passes na laminao a quente, quer seja na etapa de desbaste ou na etapa de acabamento, tem fundamental influncia nas propriedades mecnicas dos aos baixo carbono, uma vez que interfere bastante nos fenmenos metalrgicos de encruamento, restaurao e precipitao. Assim, o conhecimento prvio da resistncia mecnica (tenso mdia de escoamento) do material a laminar, normalmente na fase austentica, facilita o estabelecimento de uma adequada escala de passes, sem que haja comprometimento da integridade dos laminadores. Quando a matriz austentica de um ao baixo carbono deformada, sua densidade de discordncias aumentada. H o desenvolvimento de uma subestrutura dentro dos gros deformados, no sentido de promover uma melhor distribuio das discordncias criadas. Este melhor arranjo das discordncias ocorre devido aos fenmenos da recuperao esttica (entre passes) e dinmica (durante os passes). Elementos de liga em soluo slida substitucional na matriz metlica podem elevar a resistncia mecnica. Em geral, quanto maior a diferena de dimetro entre os tomos dos elementos substitucionais e os tomos de ferro, maior o efeito de endurecimento. Elementos em soluo intersticial tambm causam endurecimento. Neste aspecto, o carbono efetivo abaixo de 900C. Acima desta temperatura, a sua difusividade muito alta e no h, praticamente, nenhum efeito de endurecimento. Precipitados de elementos de liga tambm podem elevar a tenso de escoamento, principalmente se estiverem bem dispersos e muito finos (da ordem de nanmetros) na matriz metlica. Os processos de restaurao, que ocorrem quando a austenita deformada durante laminao a quente, determinam a evoluo da microestrutura. Nos aos baixo carbono, os processos de recuperao (esttica e dinmica) e de recristalizao esttica so importantes para o estabelecimento da microestrutura e das propriedades mecnicas finais(22). Termodinamicamente, a deformao de um metal eleva seu nvel de energia a um estado de no-equilbrio. Assim, o metal deformado tende a retornar ao estado anterior pela reduo da densidade de defeitos. Isto feito por meio dos processos de restaurao, conforme esquematizado na figura 3.21.

25

Recuperao esttica Recristalizao esttica

Estrutura recristalizada Recuperao dinmica

Recristalizao dinmica Estrutura deformada Estrutura equiaxial

FIGURA 3.21 Representao esquemtica dos processos de restaurao.(21) Considerando que a fora motriz para a recuperao e recristalizao a reduo da densidade de discordncias, no caso da recristalizao a fora motriz (FR) pode ser modelada como sendo:(21) .b 2 . FR = 2 Onde: modulo de cisalhamento relacionado matriz metlica;

(eq. 3.4)

:

b: vetor de burgers;: mudana

na densidade de discordncias associada com a migrao da frente de recristalizao

em direo regio deformada. Para cada ao, h uma temperatura caracterstica, abaixo da qual a recristalizao deixa de ser operante. Isto devido, principalmente, ao de finos precipitados, que so capazes de reter a movimentao dos contornos de alto ngulo. Existem frmulas que correlacionam a composio com a temperatura de no recristalizao (tnr), como a de Boratto e colaboradores:( 23)t nr = 887 + 464.C + (6645.NB 664 Nb ) + (732.V 230 V ) + 890Ti + 363.Al 375.Si ....(eq. 3.5)

Nesta frmula, os elementos entram com a concentrao dada em porcentagem em peso.

26 Se o ao laminado bem acima de tnr, rota a na figura 3.22, ser obtida uma microestrutura de gros equiaxiais de austenita, resultante da recristalizao esttica (entre passes).

tnrTemperatura

Ar3 Ar1Faixa aprox. para aos ELC

Bobinamento

Tempo

FIGURA 3.22 Esquemas de laminao para aos baixo carbono.(21)

Se a laminao terminada um pouco acima, ou praticamente, em cima de tnr , rota c, temse a chamada laminao controlada por recristalizao, sendo obtida uma granulao ferrtica bem mais fina que na rota a, aps a transformao de fase no leito de resfriamento. No caso das rotas anteriores, o tamanho de gro da ferrita transformada, aps laminao, depender do tamanho de gro da austenita recristalizada na laminao e da taxa de resfriamento mdia a partir da sada do laminador (leito de resfriamento e/ou bobina a quente), ou seja, da seguinte maneira: (24) d=3,75+0,18d+1,4(dT/dt)-1/2Onde:

(eq. 3.6)

d : tamanho de gro da ferrita transformada; d : tamanho de gro da austenita recristalizada na laminao; dT/dt : taxa de resfriamento mdia.

Quando o ltimo passe da laminao de acabamento ocorrer muito prximo de tnr, e a reduo de espessura for muito pequena, h risco de haver microestrutura mista, em razo da deformao ser heterognea.(25)

27 De outra maneira, quando o acabamento se d abaixo de tnr e acima da temperatura de transformao Ar3, rota b (figura 3.22), a recristalizao suprimida, e tem-se a laminao controlada convencional.(26) Neste caso, so gerados gros austenticos no recristalizados e alongados (ditos empanquecados). A presena de finos precipitados e elementos de liga em soluo slida inibem a movimentao dos contornos de alto ngulo, constituindo forte obstculo recristalizao por efeito de arraste de soluto e/ou travamento por finas partculas.(27) Assim, a partir dos subgros, dentro dos gros austenticos no recristalizados, surgiro, no resfriamento das chapas de ao (nos leitos de resfriamento ou nas Bobinas a quente), por ocasio da transformao de fase /, uma fina granulao de ferrita. Pode haver tambm a ocorrncia do fenmeno da recristalizao dinmica (RDN), ou seja, o material fica to tensionado por uma quantidade excessiva de defeitos na sua rede cristalina, que durante a prpria execuo do passe de laminao disparado um processo restaurativo. Segundo Panigrahi(21) a quantidade de deformao crtica (c) para haver a ocorrncia deste fenmeno dada por:

c = 8,03 x10 .D o

4

0,167

. 0,071.Z 0,177

(eq. 3.7)

Onde: Do : tamanho de gro inicial; : quantidade de deformao verdadeira aplicada;

Z : parmetro de Zener-Hollomon, que uma medida da susceptibilidade RDN (quanto maior, menor a susceptibilidade). O parmetro Z vale:.

Z = . exp(Onde:

Q ) RT

(eq. 3.8)

Q : energia de ativao para a deformao; : taxa de deformao;.

R : constante universal dos gases; T : temperatura de deformao. Quando a deformao acumulada alcana o valor c, a recristalizao dinmica ocorre na regio de deformao da tira, entre os dois cilindros de laminao. Portanto, o conhecimento da tnr muito importante tecnologicamente para os aos baixo carbono microligados.

28 As rotas de laminao d e e (figura 3.22), com o acabamento na regio intercrtica, incorrem na gerao de microestrutura heterognea. Neste caso, uma matriz composta de uma mistura de ferrita deformada, que pode recuperar ou recristalizar, mais ferrita recristalizada e perlita so formadas, figura 3.23. Conforme visto na figura, suposto que a austenita recristalizou e formou gros equiaxiais antes do final do acabamento. Assim que a temperatura reduzida abaixo de Ar3, h nucleao de ferrita nos contornos austenticos. Nos passes onde a deformao acontece na regio intercrtica h o encruamento da austenita e a formao de novos gros de ferrita. Sob ao trmica, subestruturas so formadas no interior dos gros de ferrita e austenita, por processo de recuperao. Novos gros de ferrita podem aparecer, heterogeneamente, nos contornos e no interior (bandas de deformao e maclas) dos gros austenticos deformados. A ferrita encruada pode recristalizar produzindo gros finos e equiaxiais, ou manter-se no estado recuperado ou parcialmente recuperado, dependendo da temperatura, grau de reduo ou presena de elementos de liga. Deve ser observado que a presena de elementos de liga finamente precipitados ou em soluo pode estabilizar o estado deformado, adiando os processos restaurativos microestruturais. O crescimento dos novos gros ferrticos, dentro dos gros austenticos, so inibidos pelos contornos de baixo ngulo (contornos de subgros). Quando a temperatura fica abaixo Ar1, a austenita restante transforma-se em perlita. Assim, a microestrutura da ferrita fina e macia, da ferrita recuperada, da ferrita encruada e tambm da perlita, permanecero at o ao atingir a temperatura ambiente. Este tipo de microestrutura possui alta resistncia mecnica, porm com anisotropia do escoamento, em razo da forte textura cristalogrfica formada (predominncia da componente //RD, ou seja, diagonal da face da clula cbica paralela direo de laminao).(28)

29

tnr Ar3Temperatura

Ar1

FIGURA 3.23 Nucleao da ferrita mostrada esquematicamente durante resfriamento, aps laminao de um ao microligado na regio intercrtica (P a fase perlita, a fase austenita e a fase ferrita).(21)

30 3.43 Efeito da temperatura de bobinamento na microestrutura A temperatura de bobinamento, aps a laminao a quente, tem destacada influncia sobre o tamanho e a morfologia dos gros ferrticos, o espaamento interlamelar da perlita, a forma e a espessura dos filmes de cementita nos contornos de gro, alm da quantidade de cementita precipitada intergranularmente. A temperatura de bobinamento pode ser controlada pela variao da temperatura de acabamento no trem de laminao ou pelas taxas aplicadas no resfriamento forado (cortina ou spray dgua) nas mesas aps a ltima cadeira de laminao. Assim, existem duas possibilidades extremas: Baixa temperatura de bobinamento; Alta temperatura de bobinamento. A baixa temperatura de bobinamento cobre uma faixa de 500 a 650C. Quando aos carbono so bobinados nesta faixa de temperatura, a granulao ferrtica tende a ser bem fina. Isto ocorre por que a microestrutura emergente da laminao de acabamento ainda austentica, pouco deformada (no caso dos aos no microligados) ou empanquecada (no caso dos aos microligados) e, com o resfriamento aplicado ao ao nas mesas HRT, essa estrutura permanece aps o bobinamento. Como o superesfriamento grande, a taxa de nucleao da ferrita (nos contornos austenticos ou nos defeitos internos dos gros) tambm grande, promovendo um destacado refino de gro. Em temperaturas abaixo de 600C no h, praticamente, precipitao de AlN, com os elementos alumnio e nitrognio ficando em soluo slida. Em aos microligados (Nb ou V) h uma fina precipitao durante o bobinamento. A cementita tende a ser muito fina e dispersa, concentrando-se discretamente nos contornos de gro ferrticos, figura 3.24. Para altas temperaturas de bobinamento, acima de Ar1 (acima de 700C), a microestrutura grosseira, com precipitados de AlN na matriz. Neste caso, a taxa de nucleao mais baixa e a taxa de crescimento fica mais intensa, proporcionando gros grandes. J o nitreto de alumnio precipita-se, mais intensamente, na austenita na faixa de 600 a 700C. Para aos microligados, h tambm precipitados grosseiros destes microligantes. A cementita tende a ser grosseira e concentrada nos contornos de gro ferrticos, figura 3.24. A conseqncia da condio de resfriamento nas mesas HRT, conjugada com a temperatura de bobinamento, sobre as propriedades mecnicas, depende do tipo de material. Para aos baixo carbono no microligados, uma alta taxa de resfriamento proporciona fina granulao e portanto, elevada resistncia mecnica. No entanto, para aos microligados, o emprego de baixa temperatura de bobinamento pode implicar insuficiente precipitao e baixa resistncia mecnica. Para estes aos, altas temperaturas de bobinamento causam precipitao grosseira e,

31 consequentemente, baixa resistncia mecnica. Portanto, para aos microligados, deve-se bobinar em temperaturas intermedirias, entre 650 e 700C.

(a) TA ~ 900C HRT TB < 600C

(b) TA ~ 900C HRT TB > 650C

FIGURA 3.24 Influncia da temperatura de bobinamento na microestrutura de tiras laminadas a quente de aos baixo carbono.(21) 3.44 Mudanas microestruturais aps o bobinamento Nas regies deformadas com a temperatura abaixo de Ar1, as mudanas microestruturais que ocorrem aps o bobinamento acontecem de maneira a diminuir a energia armazenada da ferrita no recristalizada. Quando colnias de gros ferrita encruada, de tamanho maior que a mdia dos gros resultante da ferrita recristalizada esto presentes, h tendncia natural de que essas colnias cresam sobre os gros normais da matriz. Este efeito denominado SIBM Movimentao de contornos de gros induzida por deformao no ao. Este mecanismo envolve a migrao de um contorno de gro pr existente para o interior de um gro mais deformado, como mostrado na figura 3.25.

FIGURA 3.25 Representao esquemtica da nucleao por migrao de contornos induzida por deformao.(34)

32 3.5 - Caractersticas de Linhas de Produo de Rodas

Como citado anteriormente, as rodas dos veculos automotores so produzidas a partir de tiras de ao laminadas a quente. Embora existam, tambm, rodas fundidas de ligas de alumnio, que apresentam desenho mais arrojado e detalhado, as rodas de ao, principalmente pelo seu menor custo, tm predominncia no mercado(29). As rodas de ao so, basicamente, compostas de duas peas: - o aro e o disco. A figura 3.25 mostra uma roda.

FIGURA 3.25 Aro e disco em uma roda.(5) Para a fabricao dos aros (onde se alojam os pneus) so normalmente usados aos C-Mn ou sem microligantes, com mdia resistncia mecnica, na maioria das vezes, inferior a 350 MPa. J os discos, parte que se conecta ao eixo do carro, sujeito a grandes solicitaes, so confeccionados com aos de alta resistncia mecnica, sempre superior a 350 MPa(1). Alm da boa resistncia mecnica, o material do disco, por suportar esforos cclicos, deve ter boa resistncia fadiga, alm de adequadas caractersticas de conformabilidade em razo de seu perfil final (figura 3.25). O processo de fabricao dos discos mostrado na figura 3.26. Pode-se observar que os discos so conformados a partir de blanks planos de ao, cortados de bobinas (BQs) das tiras laminadas a quente. O processo de fabricao inclui o repuxo do blank em vrias fases, seguindo-se operaes de puncionamento de pequenos furos (para parafusos da roda e de ventilao) e corte do furo central de conexo com os eixos.

33

FIGURA 3.26 Processo usual de fabricao dos discos de roda.(2) Na fabricao dos aros, mostrada na figura 3.27, os blanks cortados das BQs so, inicialmente, calandrados para um formato cilndrico. Em seguida, h a soldagem das abas do perfil cilndrico, normalmente, por um processo de soldagem por resistncia eltrica (soldagem por centelhamento ou soldagem de topo por compresso com corrente contnua). Aps a usinagem de retirada do excesso de solda, o perfil sofre uma conformao de expanso das suas extremidades, chamada de formao do duplo V, seguindo-se uma srie de conformaes para dar o perfil desejado ao aro. Esta etapa, denominada de expanso, refere-se ao acerto dimensional final dos aros.

34

DESEMPENO DESBOBINAMENTO

BLANQUEADEIRA

SOLDAGEM CALANDRAGEM

REBARBAGEM DA SOLDA

ACABAMENTO SUPERFICIAL

APARA LATERAL

INCIO DE CONFORMAO

ROLOS LAMINADORES 1

2 SOLDA

3

EXPANSO

TESTE DE VAZAMENTO (COM AR)

ARO DA RODA

FIGURA 3.27 Processo de fabricao dos aros de roda.(2) A roda montada pela conexo do disco ao aro, sendo a soldadura, normalmente, por cordes de solda, feita pelo processo de soldagem a arco com proteo gasosa e eletrodo consumvel (MIG ou MAG). Aps a montagem, realizam-se ensaios de fadiga nas rodas amostradas aleatoriamente. Para a avaliao da conformabilidade dos aos, para as rodas, comum realizar-se ensaio de trao, ensaio de embutimento/estiramento, determinao de curva limite de conformao e ensaio de expanso de furo.(30) Com relao s propriedades de fadiga, os testes em rodas mais freqentes, so os ensaios sob carga de flexo e sob carga radial, figuras 3.28 e 3.29, Nas figuras 3.28 e 3.29 so, tambm, apresentadas as curvas de Wller, ou seja, curvas tenso versus nmero de ciclos para haver a ruptura. Nas duas figuras so comparados um ao

35 laminado a quente do tipo C-Mn a um ao microligado ao nibio e titnio(2), de maior resistncia mecnica. Observa-se que o ao de maior resistncia apresenta, tambm, maior resistncia fadiga, como descrito da literatura(31).

FIGURA 3.28 Representao esquemtica do resultado do teste de fadiga por flexo.(2)

FIGURA 3.29 Representao esquemtica do resultado do teste de fadiga por carregamento radial.(2) Alm de boas caractersticas de estampabilidade, adequada resistncia mecnica e bom desempenho sob cargas cclicas, os aos para rodas tm que exibir tambm tima aderncia pintura, uma vez que devem ficar protegidos contra agentes corrosivos.

36 3.6 Principais Mecanismos de Endurecimento dos Aos para Rodas Os principais mecanismos de endurecimento de aos laminados a quente destinados a rodas so os seguintes: endurecimento por soluo slida; endurecimento por precipitao; endurecimento por transformao de fase; endurecimento por refino de gro. A seguir, cada um desses mecanismos sero brevemente discutidos. 3.6.1 - Endurecimento por Soluo Slida (27,32) Neste caso, a intensidade de endurecimento est ligada distoro elstica na rede cristalina da matriz metlica, provocada pela adio de um elemento qumico em soluo slida. A diferena entre os raios atmicos do solvente (matriz) e do soluto provoca essa distoro. sabido que o campo de tenses criado pela distoro em torno dos solutos dificulta a movimentao das discordncias e por conseqncia, aumenta a resistncia mecnica na matriz metlica. A ttulo de exemplo, a tabela 3.1 apresenta a variao relativa percentual do parmetro de rede a da clula cristalina do ferro no estado alotrpico alfa para a adio de 1% de soluto. TABELA 3.1 Valores da variao relativa percentual [(a/a)*100] do parmetro de rede a para o Fe- em funo da presena de alguns elementos em soluo slida(27). Mn Ni Cr P Sn Si Cu Mo CeN Elemento (a/a)*100 0,020 0,019 0,019 0 0,224 0,021 0,052 0,070 0,869

A soluo slida pode se dar pela substituio do ferro pelo soluto nos ns da rede cristalina, sendo denominada, nesse caso, de soluo substitucional, e isto se d para tomos de tamanho prximo ao do Fe. J a insero de tomos de tamanho pequeno nos interstcios entre as posies ocupadas pelo ferro, d-se o nome de soluo slida intersticial. Pela tabela, pode ser visto que os elementos que formam soluo intersticial (C e N) distorcem bem mais a rede que os tomos substitucionais, por isto, causam, como verificado experimentalmente, maior acrscimo da resistncia mecnica dos aos. Isto pode ser visto na figura 3.30. Verifica-se, tambm, pela tabela 3.1 que o fsforo (P) no causa nenhuma distoro na rede do ferro. No entanto, seu efeito endurecedor bastante alto. Segundo Gladman(27), as razes para isto no so muito claras, sendo a existncia de interaes de ordem qumica e eltrica uma possvel explicao.

37

FIGURA 3.30 Variao do limite de escoamento em funo da variao relativa do parmetro de rede do Fe- para adio de 1% de soluto (concentrao atmica).(27) 3.6.2 - Endurecimento por Precipitao(32) O mecanismo de endurecimento por precipitao fundamentado na teoria de que a presena de obstculos fixos na rede cristalina, representados por partculas de segunda fase, dificulta a movimentao das discordncias, exigindo, portanto, que uma maior tenso externa seja aplicada ao metal para deform-lo. Portanto, precipitados podem endurecer um metal por refino de gro ou por endurecimento por precipitao. O efeito do aumento de resistncia devido presena de precipitados , fundamentalmente, determinado pelo raio mdio e as partculas por sua morfologia e frao volumtrica e tambm pelo espaamento entre elas. Esses parmetros, por sua vez, dependem da solubilidade do precipitado, da composio qumica e do processamento termomecnico que se aplica ao ao. 3.6.3 - Endurecimento por transformao de fase(32) Nos aos, este efeito est relacionado com a transformao da austenita, no resfriamento mais estvel termodinmicamente a altas temperaturas, para outras fases, mais estveis a baixas temperaturas. Como regra, quanto mais baixa for a temperatura de transformao, maior ser o efeito endurecedor. Isto est associado a vrios fatores, a saber:

38 quanto mais baixa for a temperatura de transformao, mais finos sero os gros da fase produto; quanto mais baixa for a temperatura de transformao, maior ser a densidade de discordncias; quanto mais baixa for a temperatura de transformao, maior ser a tendncia de reteno dos solutos em soluo supersaturada, levando a um aumento da resistncia mecnica por soluo slida; quanto mais baixa for a temperatura de transformao, mais fina a disperso de precipitados. A figura 3.31 mostra o efeito da temperatura de transformao na resistncia mecnica. Os efeitos mencionados refletem os mecanismos de endurecimento por soluo slida, refino de gro e precipitao que, por sua vez, esto relacionados a fatores termodinmicos e cinticos das transformaes de fases. A temperatura de transformao , portanto, a varivel mais importante.

FIGURA 3.31 Efeito da temperatura de transformao na resistncia de estruturas ferrtico-perlticas e bainticas.(32) A ttulo de exemplo, a figura 3.32 mostra a microestrutura de quatro diferentes tipos de aos de alta resistncia, aplicados a rodas e desenvolvidos por uma siderrgica francesa, pertencente ao grupo Arcelor.(30) O ao a microligado ao nibio, possui microestrutura ferritaperlita e endurecido por precipitao e refino do gro ferrtico. J o ao b, tipo C-Mn, endurecido por soluo slida, com microestrutura ferrita-bainita. O ao c do tipo Dual Phase (bifsico), ou seja, sua microestrutura uma mistura de ferrita e martensita. Seu principal

39 mecanismo de endurecimento por transformao de fase obtido atravs de um processamento termomecnico adequado. J o ao d, de microestrutura base de bainita, tem tambm seu mecanismo de endurecimento por transformao de fase. A tabela 3.32 mostra que, enquanto a resistncia mecnica cresce do ao a, para o a ao d, a ductilidade (indicada pelo alongamento) melhorada em sentido inverso.

FIGURA 3.32 Microestruturas tpicas de quatro aos de alta resistncia mecnica: (a) Ao a. (b) Ao b. (c) Ao c. (d) Ao d .(30) TABELA 3.2 Composio qumica tpica e caractersticas mecnicas de aos para rodas de alta resistncia.(30) Aos Composio Qumica (% em peso) Propriedades Mecnicas LE C Mn P Si Al Cr Nb Outros Al* LR (MPa) (%) (MPa) a b c 0,05 0,14 0,08 0,35 1,15 0,5 0,03 0,04 0,04 0,03 0,5 0,025 0,055 Mo,Ti,B 30 30 28 17 420 450 370 670 460 575 590 830

0,07 0,28

0,04 1,8 0,25 d (Al*) Base de medida: 50mm

40 3.6.4 - Endurecimento por Refino de Gro.(27,32,33) Existem dois modelos para o aumento de resistncia por refino de gro. O primeiro baseado no conceito de que os contornos agem como barreiras ao movimento das discordncias. J o segundo modelo considera que o contorno de gro atua como uma fonte geradora de discordncias. Embora essas duas teorias sejam distintas, elas se complementam com o fato de que uma elevada densidade de discordncias prejudicial sua movimentao. Dessa forma, um nmero muito grande de discordncias em movimento implica num menor deslocamento lquido, ou seja, numa menor deformao plstica. O aumento da resistncia mecnica por refino de gro, de acordo com o modelo de empilhamento de discordncias, expresso matematicamente pela relao de Hall-Pech:

y = i + k.d 1 / 2Onde: y = Tenso de escoamento do ao;

(eq. 3.9)

i = Tenso de frico oposta ao movimento das discordncias; d = Tamanho mdio de gro do ao; k = Constante ligada ao destravamento das discordncias. Quando se tm gros grosseiros, o empilhamento de discordncias nos contornos maior que em materiais de granulao fina, acarretando uma alta concentrao de tenses no gro adjacente, que aumenta com a quantidade de discordncias empilhadas. Assim, em materiais com granulao mais grosseira, o efeito de ampliao da tenso no gro adjacente maior que em materiais com gros finos, fazendo com que, para esses ltimos, haja a necessidade da aplicao de uma maior tenso externa, para causar a deformao plstica. O aumento da resistncia mecnica pela reduo do tamanho de gro pode ser obtido por meio de: adio de elementos de liga; processamento termomecnico (laminao controlada); processamento termomecnico seguido de resfriamento acelerado; tratamento trmico convencional (p. ex.; normalizao). Quando se considera a adio de elementos de liga como precursor do refino de gro, o efeito conseguido pela precipitao de partculas de segunda fase, finamente dispersas, que previne a migrao dos contornos de gro e/ou gera mais stios para nucleao da ferrita durante a transformao de fase austenita/ferrita.

41 O efeito da diminuio do tamanho de gro, exclusivamente pela adio de elementos de liga, usualmente baixo. Entretanto, com o uso de tcnicas de processamento termomecnico, associadas adio de ligas, potencializa-se o efeito endurecedor. O refinamento de gro, alm de ser um dos mecanismos de aumento de resistncia e escoamento mais utilizados (figura 3.33), o nico capaz de aumentar tambm a ductilidade e tenacidade. Nesta figura, a abcissa (N do Gro) denota um parmetro industrial que corresponde aproximadamente ao inverso do tamanho de gro, de modo que a variao das propriedades mecnicas com tal parmetro seja mais facilmente visualizada.

LE (x10) e LR(x10) (MPa)

N do GroFIGURA 3.33 Efeito do tamanho de gro sobre o limite de escoamento e limite de resistncia.(50)

42 Captulo 4 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL O material estudado foi um ao endurecido por refino de gro aplicado em aros de roda de veculo automotores. Este material produzido pela siderrgica Usiminas e consumido por vrios fabricantes nacionais de autopeas. Trata-se de um ao ao carbono e mangans, acalmado ao alumnio e laminado a quente para espessuras na faixa de 1,8 a 4mm. As tabelas 4.1 e 4.2 fornecem, respectivamente, a composio qumica e as propriedades mecnicas de trao especificadas pelo fabricante de rodas automotivas para o ao. O refino de gro e, portanto, as propriedades mecnicas deste ao so obtidas graas conjuno de uma temperatura de acabamento adequada na laminao a quente, no final da fase austentica, prximo entrada da regio intercrtica, e a uma relativamente baixa temperatura de bobinamento. Conforme foi mostrado na figura 3.22, garante-se, com isto, uma fina granulao ferrtica para o laminado a quente. As temperaturas de acabamento e de bobinamento praticadas, industrialmente, para o ao em estudo esto em torno, respectivamente, 860C e 600C. TABELA 4.1 Composio qumica especificada para o ao em estudo. Composio Qumica - Elementos (teor max.- % em peso) C Mn Si P S Al 0,08 ~ 0,11 0,40 ~ 0,60 < 0,05 < 0,025 < 0,010 0,010 ~ 0,060

N < 0,0055

TABELA 4.2 Valores tpicos de propriedades mecnicas de trao do material em estudo. Temperaturas (C) Propriedades Mecnicas Acabamento Bobinamento LR(MPa) 340 ~ 460 LE(MPa) 210 ~ 360 Al* (%) 18 (min) 860 600 (Al*) Base de medida: 50mm

Para efeito de um melhor entendimento de como foi realizada a amostragem de material e da prpria seqncia de deformao a que as tiras do ao foram submetidas ao passarem pelo trem de laminao da Usiminas, cabe uma breve descrio do mesmo. Conforme indicado esquematicamente na figura 4.1, o trem composto de seis cadeiras de laminao, descritas como cadeiras F1, F2, F3, F4, F5 e F6 (da entrada para a sada do trem). A velocidade da tira na entrada do trem contnuo de aproximadamente 2m/s e, medida que ela passa da primeira (F1) para a ltima cadeira (F6), sua velocidade aumenta, em funo da contnua reduo de espessura e para a manuteno de um fluxo constante de massa; as taxas de deformao tambm se elevam e a quantidade de deformao por passe reduzida. Concomitantemente, a temperatura do material vai sendo reduzida. Na ltima cadeira (F6), a velocidade da tira pode chegar a 11m/s e as taxas de deformao atingem valores superiores a 100s-1.

43 Conforme figura 4.1, o esboo (placa laminada nos laminadores de desbaste) ao chegar ao trem e antes da sua insero no mesmo, tem sua temperatura medida pelo pirmetro tico Ts (temperatura de entrada, 1000C), sofrendo, a seguir, aparamento das pontas (inicial e final) na tesoura e descarepao hidrulica. Ao emergir do trem, a tira laminada tem sua temperatura medida pelo pirmetro tico Tf (temperatura de acabamento, 860C). As temperaturas de entrada e de acabamento so avaliadas na superfcie superior e no meio da largura das tiras.

Descarepao

Figura 4.1 Trem de laminao a quente de acabamento de tiras de ao da Usiminas.

4.1 Caracterizao qumica do ao em estudo Tomou-se trs amostras de tiras do ao produzidas, industrialmente, sob diferentes condies de acabamento na Linha de Laminao a Quente da Usiminas, conforme seqncia apresentada no Anexo A. Estas tiras sero denominadas neste estudo de CN, BAAB, BABB, sendo que estas identificaes esto relacionadas com suas condies de fabricao, da seguinte maneira:

Amostra CN. Tira processada com temperatura de acabamento (860C) e de bobinamento (600C), normais de produo. Amostra retirada da base da tira. Amostra BABB. Tira processada intencionalmente com temperatura de acabamento um pouco mais baixa (830C) e de bobinamento normal (600C). Amostra retirada da base da tira.

Amostra BAAB. Tira processada intencionalmente com temperatura de acabamento um pouco mais baixa (830C) e de bobinamento um pouco mais alta que o normal (680C). Amostra retirada do topo da tira.

As trs tiras apresentaram o mesmo valor de espessura, de 2,15mm. Nesta espessura, este material se presta para a confeco de aros de roda.

44 A partir destas amostras, foram analisados os elementos qumicos C, Mn, Si, P, S, Al, N; normalmente encontrados no ao em estudo. Os elementos C e S foram obtidos em um analisador de marca Lecco, modelo CS-444LS, pelo mtodo de absoro de raios infravermelhos aps queima de amostra do ao. J o elemento N, medido por condutividade trmica da fumaa, foi avaliado em outro analisador Lecco, modelo TC436. Os elementos restantes (Mn, Si, P, e AL) foram analisados por espectometria de emisso atmica em equipamento Spectroflame. Os resultados da anlise qumica sero apresentados no captulo 5. 4.2. Caracterizao microestrutural do ao Para a caracterizao microestrutural, observaram-se amostras dos trs tipos de tira em microscpio tico e eletrnico de varredura. No meio da largura e centro da espessura das trs amostras, foi avaliada a limpidez do ao, em estudo, em termos de incluses, na condio de somente polidas. A avaliao da concentrao de incluses na matriz metlica foi baseada na norma ASTM E 45.(52) J a avaliao microestrutural propriamente dita, foi feita na amostra de tira atacada com reagente Nital (4% em concentrao). Foram realizadas observaes tanto em um microscpio tico Zeiss, modelo AX10, quanto em microscpio eletrnico de varredura Cambridge (SEMS360). O tamanho de gro foi avaliado, via analisador de imagens, pelo mtodo dos interceptos descrito na norma ASTM E 112.(51) Na tira de condio normal de processamento industrial (CN), foi feito um mapeamento microestrutural de borda a borda na tira laminada. J nos outros dois tipos de tira foi observada somente a microestrutura do meio da largura. 4.3. Caracterizao das propriedades mecnicas do ao Como ser visto posteriormente, durante a apresentao dos resultados, a incidncia de microestrutura heterognea, na tira processada sob condio normal de laminao, ocorreu em estreita faixa nas bordas (no superior a 50mm). Com isto, para se avaliar o efeito deste tipo de microestrutura nas propriedades mecnicas, tomou-se comparativamente amostras retiradas das tiras CN, BAAB e BABB, somente no meio da largura, de modo a no s determinar as propriedades mecnicas de trao, mas tambm os coeficientes de resistncia (K), o expoente de encruamento (n) e o parmetro de Lankford (R). O ensaio de trao seguiu a norma ASTM A 370(53) (Sheet Type), com os corpos de prova com a mesma espessura das tiras e base de medida (comprimento til) de 50mm.

45 Relativamente aos outros ensaios, cabe aqui uma pequena explanao sobre as g