7.7 - TRATAMENTOS TERMOMECÂNICOS NA LAMINAÇÃO
A laminação controlada ou tratamentos termomecânicos são uma série de tratamentos térmicos e de deformações plásticas de modo a se alcançar as melhores propriedades mecânicas dos aços tais como:
1- Maior resistência ao escoamento; 2- Melhor tenacidade;
3- Melhor soldabilidade;
4- Maior resistência à fratura frágil;
5- Maior resistência à fratura dútil de baixo nível de energia; 6- Menor impacto nas temperaturas de transição;
7- Boa conformação a frio, particularmente no dobramento;
8- Redução de custo a qual é possível utilizando a laminação a quente ao invés de seção de tratamentos térmico posterior.
Um fator adicional à redução de custo é o fato do processo de laminação controlada permitir que se alcancem as propriedades desejadas com menos quantidades de elementos de liga no aço do que as necessárias no processo de laminação a quente convencional.
Os tratamentos termomecânicos podem ser divididos em três classes que estão baseadas na dependência da relação tempo-temperatura com a transformação da austenita, as quais são adotadas pelo Estados Unidos da América.
Classe I – Deformação antes da transformação da austenita. a- Processo convencional de laminação a quente,
b- Deformação antes da transformação para martensita,
c- Deformação antes da transformação para agregados de ferro-carbono.
Classe II – Deformação durante a transformação da austenita. a- Deformação durante a transformação para martensita,
Classe III – Deformação após a transformação da austenita. a- Deformação da martensita seguido por um revenimento,
b- Deformação da martensita revenida seguido por um tratamento de envelhecimento,
Na classe I-a, o objetivo principal é a mudança nas dimensões do produto, porém melhorias nas propriedades mecânicas podem ser alcançadas por um controle cuidadoso nas condições de laminação a quente de modo a produzir tamanho de grãos mais finos no aço.
Na classe I-b, o acréscimo na redução leva a maiores limites de elasticidade e resistência dos aços.
A resistência também aumenta quando a temperatura de deformação aumenta, mas isto é relativamente independente da temperatura de austenitização.
Depois do aço laminado e ocorrido a transformação da martensita, a resistência do aço permanece maior do que aqueles tratados pelo método convencional, aparentemente devido a uma maior interação dos átomos de carbono com as imperfeições cristalinas.
Este tratamento proporciona um aço de alta resistência sem os efeitos adversos de tenacidade e dutilidade.
Na classe II-a os tratamentos são limitados para aços de baixos teores de carbono, tal como o aço inoxidável 301.
Aumento na redução e diminuição na temperatura final de laminação leva a um aumento no limite de elasticidade.
A principal contribuição deste tratamento é a melhoria na tenacidade devido ao refino de grão da ferrita e a esferoidizacao das partículas de carbetos.
Na classe III em todos os tratamentos, inicialmente para pequenas quantidades de deformação ocorre um rápido aumento no limite de elasticidade, seguido por um suave aumento para deformações posteriores.
A quantidade de resistência do aço aumenta com o aumento do teor de carbono do aço e é devido principalmente a dureza da martensita.
Os tratamentos termomecânicos são todas as técnicas em que se utiliza primeiramente a deformação para promover ou durante a mudança alotrópica do material de modo a se obter melhoramentos nas propriedades mecânicas do aço.
De acordo com Tanaka, a diferença fundamental entre a laminação convencional e a laminação controlada, reside no fato de que na primeira, a nucleação da ferrita ocorre nos contornos de grãos da austenita, enquanto que na segunda a nucleação ocorre no interior do grão e também nos contornos de grãos, o que leva a mais grãos refinados.
Desta forma, otimizações podem ser alcançadas ajustando-se o processo de laminação controlada com base na analise química do material ainda na panela de aço líquido[58].
A principal razão dos tratamentos termomecânicos é se alcançar as propriedades mecânicas requeridas (normalmente atribuídas a pequenos tamanhos de grãos) com a menor adição de elementos de liga e sem necessidade de tratamentos térmicos posteriores.
Entretanto, a laminação controlada geralmente requer altas forças de laminação, devido a laminação em mais baixas temperaturas, podendo diminuir a produtividade.
No entanto, esta desvantagem pode ser minimizada pelo uso de modelos matemáticos de controle do processo, particularmente para aqueles relacionados à força de laminação.
Outro fator que também afeta as propriedades do aço está relacionado às mudanças estruturais que ocorrem durante a laminação, devido o resfriamento do laminado pela combinação de ar e água.
O tamanho de grão da ferrita pode ser afetado pelos seguintes fatores: a- Temperatura final de laminação;
b- Atraso de tempo entre a conformação e o inicio do resfriamento com água; c- Taxa de resfriamento.
Sabe-se que quanto menores forem a temperatura final de laminação e o atraso de tempo entre a conformação e o inicio do resfriamento e quanto maior for a taxa de resfriamento, menor será o tamanho de grão no aço.
7.7.1 - TRATAMENTOS TERMOMECÂNICOS DURANTE A LAMINAÇÃO
Os processos de laminação a quente, podem ser classificados de acordo com o lugar em que a deformação ocorre com relação ao diagrama de transformação de fase das ligas de ferro.
Conforme esta classificação, o processo de laminação à quente é dividido em quatro grandes grupos, como mostrado na fig.(7.27) e listados a seguir.
Fig.7.27 - Representação esquemática de várias práticas comuns utilizadas para os tratamentos termomecânicos de um aço HSLA.
a) Laminação à Quente Convencional
Durante este processo, a laminação do aço é realizada de maneira continua e geralmente termina numa temperatura acima da linha de transformação Ar3.
Por conseguinte, a deformação ocorre somente na fase gama do diagrama (austenita).
b) Laminação Controlada
Neste processo, a laminação do aço é interrompida por um ou dois períodos a qual permite que o aço seja primeiro deformado somente na fase gama e depois na região de transformação gama-alfa (austenita-ferrita).
c) Laminação com Temperatura Final Baixa
Neste processo a temperatura do último passe é levada a ficar abaixo da temperatura de transformação no resfriamento Ar1 o que resulta em
deformação na região de fase alfa. d) Laminação Contínua
Este processo realiza deformações na região gama, gama + alfa, e na região alfa.
Experiências têm mostrado que a laminação controlada proporciona um aumento no limite de elasticidade e melhora a dutilidade em comparação com a laminação a quente convencional.
A baixa temperatura final de laminação proporciona aumento no limite de elasticidade do aço. O processo de laminação contínua é o que proporciona o maior aumento no limite de elasticidade.
7.7.1.1 - Tipos de Processos de Laminação Controlada
Durante o processo de laminação controlada, melhorias nas propriedades do aço são obtidas pelo refinamento de sua estrutura.
Por causa da relação entre os grãos de gama e alfa, o refinamento da estrutura alfa é alcançado com o refinamento dos grãos gama.
Como mencionado anteriormente, o refino de grão depende da temperatura de deformação.
A laminação controlada geralmente é feita em dois ou três estágios como mostrado na figura (7.28)
Fig.7.28 - Esquema simplificado de laminação: processo convencional em dois estágios e em três estágios.
O processo em dois estágios envolve as seguintes três etapas. Etapa 1
Redução da espessura do material na rápida região de recristalização. Esta região está acima de 1000oC.
A deformação nesta região produz grãos gama recristalizados grosseiros a qual se tem uma transformação relativa para grãos alfa grosseiros e estrutura bainítica superior.
Etapa 2
Tempo de espera na laminação no intervalo de temperatura entre 1000 e 900oC.
Este tempo de espera é necessário para garantir a quantidade necessária de deformação na região de não-recristalização.
Durante este intervalo, recristalização parcial tende a ocorrer e leva a uma formação de estrutura de grãos mistos.
Etapa 3
Redução final da espessura na região de não-recristalização.
Deformação abaixo da temperatura de recristalização produz estruturas de grãos gama contendo finos grãos da estrutura alfa.
No processo em três estágios, a redução na região de não-recristalização também é interrompida por um intervalo de tempo.
Durante o intervalo de tempo a altas temperaturas no processo em dois estágios, ocorre uma recristalização rápida levando a formação de uma estrutura de grãos grosseiros no final do intervalo de tempo.
No processo em três estágios, o primeiro intervalo de tempo a altas temperaturas leva a formação de estrutura de grãos grosseiros.
Durante o segundo intervalo de tempo, entretanto, a recristalização é lenta de maneira que o tamanho do grão no final do processo em três estágios é mais fino do que aquela obtida no processo em dois estágios.
7.7.1.2- Mudanças Estruturais no Aço Durante a Laminação Controlada. As mudanças estruturais no aço durante a laminação controlada estão mostradas na figura (7.29).
Fig.7.29 -Ilustração esquemática de mudança na microestrutura com Deformação durante a laminação controlada.
a) Deformação na região de recristalização.
Nesta região, grãos de austenita grosseiros tipo (a) são refinados por deformações repetidas e a recristalização produz grãos recristalizados tipo (b). Durante o resfriamento estes grãos se transformariam em grãos de ferrita grosseiros tipo (b’).
b) Deformação na região de não-recristalização.
Nesta região, bandas de deformação são formadas de forma alongada nos grãos de austenita não recristalizados tipo (c).
Durante o resfriamento a ferrita poderá nuclear tanto nas bandas de deformação quanto nos contornos de grãos, originando uma estrutura fina de grãos alfa-gama do tipo (c’).
c) Deformação na região gama-alfa.
Nesta região, as bandas de deformação continuam a serem formadas e também a deformação da ferrita produz uma subestrutura (d).
Durante o resfriamento após a deformação, a austenita não recristalizada se transforma em grãos alfa equiaxiais, enquanto que a ferrita deformada muda para subgrãos tipo (d’).
A formação das bandas de deformação é um dos principais fatores da laminação controlada.
Na laminação à quente convencional os grãos alfa nucleiam exclusivamente nos contornos de grãos gama, por outro lado, na laminação controlada a
nucleação dos grãos alfa acorre tanto no interior dos grãos de austenita quanto nos contornos destes grãos.
Isto é por que as bandas de deformação funcionam de maneira equivalente a pequenos contornos de grãos de austenita.
Esta divisão permite a nucleação de pequenos grãos alfa, produzindo estrutura de grãos muito refinados.
O segundo fator mais importante na laminação controlada é a formação dos subgrãos de ferrita durante a deformação na segunda fase.
7.7.1.3 - Mudanças Estruturais no Aço Durante a Laminação Contínua.
A laminação contínua, permite obter uma desejável combinação de aumento na resistência e tenacidade de um aço extra-baixo-carbono. Isto é atribuído a:
a) refino dos grãos tanto da estrutura gama quanto da alfa devido às grandes deformações repetitivas,
b) recuperação dinâmica que produz uma estrutura poligonal fina, e
c) textura cristalográfica cúbica que resulta a partir dos processos de deformação.
As texturas executam um importante papel no controle do impacto da temperatura de transição (ITT).
Para aço de laminação contínua a temperatura de transição pode ser relacionada quantitativamente a parâmetros de textura com base em produtos de intensidades de planos de deslizamentos [111] e planos transversais [110]. Quanto menor a temperatura final de laminação na região alfa, maior é a intensidade de formação de texturas cúbicas [111] e <110>, o que resulta em menores temperaturas de transição.
7.7.1.4 - Mudanças Estruturais no Aço Durante Resfriamento Controlado Após a laminação da placa ou chapa, geralmente o material resfriado por meio de jatos d’agua.
A estrutura do aço após o resfriamento irá variar devido a velocidade de resfriamento e também com a temperatura final do material após terminado o resfriamento.
A relação entre o caminho percorrido do resfriamento e a microestrutura resultante esta mostrada na fig.(7.30) para o caso de bobinas e placas no diagrama de resfriamento contínuo de um aço vanádio-nitrogênio.
O diagrama mostra que o constituinte na forma de bainita(B) irá se formar no aço caso a sua temperatura após o resfriamento estiver abaixo de 550oC.
Se o resfriamento estiver na faixa de 579 a 635oC, a microestrutura se consistirá de finos grãos poligonais de ferrita e alguma perlita.
Esta temperatura favorece significativamente o aparecimento de precipitados duros após o bobinamento.
Fig.7.30 - Diagrama de transformação contínuo para um aço micro ligado de 0,16%C; 1,4%Mn; 0,004%P; 0,012%S; 0,4%Si; 0,04%Al; 0,11%V; e 0,018%N. Caminhos de resfriamentos controlados para bobinas e placas estão superpostos no
diagrama.
7.7.1.5 – Efeito de Elementos de liga na Laminação Controlada
Elementos de liga tais como Nióbio, Vanádio e Titânio são muito utilizados na laminação controlada. Estes elementos aumentam a resistência do aço.
O aumento da resistência do aço pelo Nióbio é devido ao refinamento dos grãos e a formação de precipitados de carbonetos de nióbio.
O Vanádio causa um grande aumento na resistência do aço devido principalmente a sua formação de precipitados.
O Titânio promove somente um ligeiro aumento na resistência do aço devido a menores quantidades de refinamento de grãos e formação de precipitados.
7.7.2 - Prática da Laminação Controlada na Laminação de Tiras à Quente. A prática da laminação controlada em uma laminação a quente típica consiste das seguintes seis etapas.
a) Reaquecimento de placas, a qual, é acompanhado de crescimento de grão, b) Laminação de desbaste, que pode ser considerado como deformação na região de recristalização,
c) Intervalo de tempo entre o desbaste e a laminação de acabamento,
d) Laminação final (acabamento), que pode ser considerado como deformação na região de não-recristalização das duas fases (gama e alfa),
e) Rápido resfriamento no leito de resfriamento,
f) Temperatura durante o bobinamento, que pode levar a formação de precipitados de nióbio e vanádio causando um grande aumento no limite de elasticidade do material.
As propriedades desejadas do aço na laminação controlada podem ser afetadas por uma série de fatores do processo.
Os fatores mais importantes são:
a) redução da temperatura de reaquecimento da placa para obter tamanhos de grãos gama pequenos e uniformes, mas permitindo uma completa solução dos elementos de liga,
b) seleção de uma quantidade de redução adequada por passe durante os passes iniciais para obter uma estrutura de tamanho de grãos gama recristalizados fina e uniformes,
c) seleção da temperatura e do intervalo de tempo entre a região de recristalização e não-recristalização,
d) seleção de uma quantidade de redução adequada e temperatura de laminação na região das duas fases (gama e alfa),
e) seleção de uma velocidade de resfriamento apropriada, e f) seleção de uma temperatura de bobinamento ótima.
Todos os fatores listados acima têm o mesmo propósito e uma combinação adequada de alguns deles poder-se-ia obter as propriedades desejadas de um aço na laminação controlada.
Existe uma diversidade de práticas desenvolvidas na laminação controlada para se obter as propriedades finais desejadas no aço, e isto é devido principalmente a diferenças na capacidade, no poder de resfriamento e na estabilidade de operação nas diferentes máquinas de laminação.
7.7.2.1 – Exemplo de Aplicação da Laminação Controlada
O processo de laminação controlada desenvolvido pela Sumitomo na produção de aço para ser utilizado na fabricação de tubos de grandes diâmetros inclui como propriedades do aço, alta resistência, alta tenacidade e alta absorção de energia.
A laminação controlada permite que se alcancem estas propriedades pela seleção adequada da temperatura de reaquecimento de placa, da temperatura final de laminação, da dinâmica de resfriamento acelerado, dos elementos de liga e da temperatura de transformação de endurecimento do material.
Como pode ser visto nesta figura, a expansão do limite de resistência (curva 1) pode ser obtida pela aplicação de precipitação ou transformação de endurecimento.
O refino do grão pode melhorar a tenacidade do material (curva 2) e uma alta absorção de energia (curva 3) do material pode ser alcançada utilizando-se aços de mais baixo teor de carbono e enxofre.
As mudanças microestruturais que ocorrem durante a laminação controlada podem ser vistas de maneira esquemática na fig. (7.32) de onde obtêm-se os seguintes comentários.
1 – O refino de grão da estrutura austenitica pode ser obtido pela diminuição da temperatura de reaquecimento da placa e/ou pela adição de aproximadamente 0,015% de titânio como elemento de liga.
2 – O refino de grão da austenita recristalizada pode ser obtido pelo aumento do grau de redução em altas temperaturas e/ou pela adição de aproximadamente 0,015%Ti como elemento de liga.
3 – O aumento da quantidade de grãos de ferrita recristalizada devido a produção de bandas de deformação tem como causa as grandes reduções na região de não recristalização da austenita, região logo acima da linha de temperatura de tranformação Ar3.
4 – Aços de alta resistência podem ser obtidos se laminados na região ótima de austenita-ferrita (dual-phase region).
5 – Uma alta taxa de resfriamento do material pode obter estruturas de granulação fina de ferrita e bainita misturadas.
Fig.7.32 – Mudanças na
microestrutura durante a laminação controlada e altas taxas de
