Processo termomecanicamente controlado (TMCP) para fabricação de aços usados no transporte de óleo e gás

O processo TMCP permite a produção de chapas com baixos teores de carbono equivalente (Ceq = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15, <0,38 % em massa), ultra baixo teor de enxofre (<0,01 % em massa) (NISHIOKA; ICHIKAWA, 2012). As composições

72 químicas destes aços, assim como os seus processos de fabricação, são bastante amplas. A norma API-5L (2007) recomenda a fabricação destes aços com baixo teor de carbono e nióbio, titânio e vanádio como elementos microligantes principais. Entretanto, elementos como cromo, molibdênio e boro são adicionados para reter a nucleação ou o crescimento de fases e precipitados nos diferentes passos do processo de fabricação das chapas (SHANMUGAM et al., 2006). O número no começo da identificação de cada grau dos aços API representa o limite de elasticidade (Rp0,5 – proof strength), por

exemplo, o API-5L-X80 apresenta limite de elasticidade mínimo de 80 ksi (550 MPa). Como apresentado na Figura 2.9, o processo de fabricação das chapas por TMCP não só controla a laminação, mas também o resfriamento, sendo que este pode ser realizado seguindo diferentes rotas e a sua escolha dependerá da aplicação final. O TMCP pode ser dividido em três passos: 1) Reaquecimento das placas e laminação de desbaste na temperatura de recristalização da austenita; 2) laminação na faixa de não recristalização (Ar3-TNR) e 3) processo de finalização o qual pode consistir em

resfriamento ao ar [rota TMCP-TM1 da Figura 2.9], laminação na região bifásica de ferrita e austenita, resfriamento ao ar [Rota TMCP-TM2 da Figura 2.9, ~770 ºC (BOTT et al., 2010)], resfriamento acelerado (rota ACC da figura Figura 2.9) com água e resfriamento direto intensivo (rota DIC da Figura 2.9).

No início do processo o reaquecimento das chapas para a laminação de desbaste se faz próximo de 1125 a 1143°C (NISHIOKA; ICHIKAWA, 2012) para evitar o crescimento excessivo de grão austenítico e, a consequente perda de tenacidade. No entanto, autores como Bott et al. (2010) sugeriram que para aquecimentos entre 1240 e 1250 ºC por 240 a 300 min para solubilizar os precipitados de Mo, V, Nb e Ti. Durante esta etapa, as reduções de espessura ficam entre 68 e 75 % da espessura inicial (ARCELORMITTAL, 2007). O seguinte processo de laminação reduz a espessura aproximadamente 70 % para aços com resfriamento acelerado (ARCELORMITTAL, 2007). Esta fase a laminação é realizada numa faixa de temperatura que evita a recristalização de austenita (~1050 °C); como resultado da extensa deformação, a austenita torna-se encruada e no resfriamento a ferrita nucleia finamente nos contornos de grão da austenita, nas bandas de deformação e nos precipitados (SILVA, 2004, p. 6; FRANCISCO, 2009). O terceiro passe de laminação, como é o caso do TMCP-TM2 (ver

73 Figura 2.9), é realizado na região bifásica de ferrita-austenita (700 a 770 °C) (RAMÍREZ, 2008; PLAUT et al., 2009; BOTT et al., 2010; MORALES et al., 2013). Esse passe fornece as propriedades mecânicas e de tenacidade à fratura do material, mas também, é neste passe de laminação que são criadas texturas cristalográficas (GOMES et al., 2004). Na fase de finalização com resfriamento acelerado (ACC) entre 800 e 500ºC, é realizado com altas taxas de resfriamento (5 a 80 °C/s) (GORNI; SILVEIRA, 2008), em que o aço ainda parcialmente transformado, consegue entrar na região de formação de bainita. Além disso, pode-se obter um maior refinamento de grão, diminuindo-se assim o teor de elementos microligantes necessários para aumentar a resistência mecânica e a tenacidade (GORNI, 1996).

Figura 2.9: Esquema de fabricação de chapas por laminação termomecanicamente controlada –TMCP. TM1: com finalização da laminação na região austenítica e resfriamento ao ar. TM2: última laminação na região bifásica e resfriamento ao ar. ACC: última laminação na região intercrítica e resfriamento acelerado. DIC: última laminação na região intercrítica e resfriamento acelerado estendida até a região de formação de martensita. Gráfico modificado de Voestalpine (2008).

74 Como apresentado na Figura 2.9, a evolução histórica do TMCP avançou da esquerda para direita, sendo claramente ligada aos desenvolvimentos tecnológicos que permitiram maiores taxas de resfriamento. O objetivo principal foi obter o maior refinamento de grão e a melhor distribuição microestrutural que garanta uma alta resistência mecânica e boa tenacidade à fratura. Altas taxas de resfriamento permitem a obtenção de estruturas que elevam a resistência mecânica e a tenacidade à fratura, tal como a ferrita acicular, bainita, martensita e austenita retida na M-A (SHIN, 2013). Processos com altas taxas de resfriamento também permitem dispensar alguns elementos de liga. Por exemplo, aços processados em alta temperatura (high

temperature processing – HTP steels) com teores de carbono de 0,03% eliminam a

adição de elementos como molibdênio e vanádio (LI; MITCHELL, 2002). Processos detalhados de fabricação, assim como os teores de elementos adicionados são mantidos em sigilo pelas empresas fabricantes.

As limitações operacionais da indústria brasileira permitem produzir aços API de diferentes graus usando somente o processo TMCP-TM2 (HERMENEGILDO, 2012; SOEIRO et al., 2013), com limites de escoamento de até 555 MPa (X80). Desde 2007, a empresa Usiminas começou a implantação do processo TMCP-ACC (SOEIRO et al., 2013) para poder concorrer no mercado internacional. A Tabela 2.5 apresenta a composição química estabelecida pela norma API-5L/ISO-3183 (2007) para graus X70, X80 e X90. Regularmente os aços X60 e X70 são fabricados pelo processo TMCP com resfriamento ao ar. Aços X70 e X80 podem ser fabricados por TMCP com ACC e aços X100 e X120 podem ser fabricados por TMCP com DIC (VOESTALPINE, 2008).

As aplicações atuais estão exigindo que os aços fabricados por TMCP atinjam maior resistência mecânica com redução de peso; alta tenacidade à fratura para suportar terremotos, incêndios e outros desastres; boa resistência à fadiga e à corrosão; boa soldabilidade em condições de alto aporte térmico e boa trabalhabilidade (workability) (NISHIOKA; ICHIKAWA, 2012).

Um dos principais mecanismos para se fazer com que a austenita não cresça na ZTA durante a soldagem é o efeito de bloqueio ocasionado por precipitados finos de carbonitretos. A estabilidade desses carbonetos ou nitretos de vanádio, molibdênio e titânio depende da sua solubilidade dentro da matriz metálica nas diferentes temperaturas

75 (NISHIOKA; ICHIKAWA, 2012). Os precipitados do tipo TiN são termicamente instáveis em aquecimentos prolongados acima de 1200 °C, como consequência a fração volumétrica diminui e o grão de austenita cresce (NISHIOKA; ICHIKAWA, 2012). Alternativamente, métodos usando óxidos e sulfetos finos e estáveis em altas temperaturas têm surgido nos últimos anos, sendo exemplo destes o oxisulfato de terras raras e oxisulfato de cálcio (NISHIOKA; ICHIKAWA, 2012). Os aços atualmente fabricados por TMCP apresentam boas propriedades mecânicas na ZTA para aportes térmicos relativamente elevados ( 300 até 1300 kJcm-1_{), evitando o crescimento}

exagerado do grão austenítico (PLAUT et al., 2009; NISHIOKA; ICHIKAWA, 2012).

Tabela 2.5: Composição química de aços graus X70M, X80M e X90M segundo a API- 5L/ISO-3183 (2007) com nível de especificação PSL2.

Grau do Aço Composição química máxima (% massa) Carbono equivalente

C Si Mn P S V Nb Ti Outros CEIIW† CEPcm†

X70M 0,12 0,45 1,7 0,025 0,015 * * * ** 0,43 0,25

X80M 0,12 0,45 1,9 0,025 0,015 * * * *** 0,43 0,25

X90M 0,10 0,55 2,1 0,020 0,010 * * * *** - 0,25

*A soma do teor de nióbio, vanádio e titânio deverá ser menor que 0,15 %. ** 0,5% máximo de Cu, Ni, Cr e Mo

*** 0,5% máximo de Cu, Cr e Mo e, 1% máximo de Ni.

† O carbono equivalente foi considerado como CEIIW se o teor em peso se maior que 0,12 % (Equação

2.18.a) e, considerado CEPcm se menor o igual de 0,12 % (Equação 2.18.b) (ISO-3183:2007, 2007, p. 87).

𝐶𝐸

= 𝐶 +

+

+

𝐶𝐸

= 𝐶 +

+

+

+

+

+

+

+ 5𝐵

76