Aços Avançados e o Aço Complex Phase

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PARTE I

Patrícia Pala Diniz
Willy Ank de Morais

1 INTRODUÇÃO

Na indústria automobilística, existe forte demanda por redução de peso dos veículos, aumento da segurança dos passageiros, diminuição da emissão de CO2 e economia de combustível.

Com a crescente preocupação sobre o efeito estufa gerado pelo homem, as legislações internacionais estão se tornando mais rigorosas com relação aos níveis de emissão de poluentes por veículos automotores e com metas desafiadoras até 2020 (KEELER; KIMCHI, 2014). As montadoras estão à procura de projeto de engenharia e novos materiais capaz de atender às demandas que muitas vezes são antagônicas. Como por exemplo, aplicações estruturais exigem materiais caracterizados por alta resistência e tenacidade, muitas vezes conseguidos com aumento de espessura e peso, porém a economia de combustível e emissões de gases são melhorados quando a espessura e o peso do componente são reduzidos.

Além dos novos padrões globais para emissões e economia de combustível, os consumidores estão exigindo carros mais seguros, e os governos estão respondendo com novos testes e normas. Apesar da falta de uma regulamentação mais rigorosa no Brasil, hoje existe mídia especializada e o próprio consumidor acompanha os resultados dos testes de colisão (crash-test). Mesmo assim, verificamos lançamentos de carros no mercado brasileiro, cuja pontuação ficou sem nenhuma estrela no teste de colisão.

O teste de colisão consiste no impacto de veículos contra barreiras indeformáveis ou deformáveis. Na América Latina o teste realizado pelo Latin NCAP iniciou as avaliações em 2010. A avaliação é classificada em estrelas, sendo no máximo cinco. Quanto maior, mais seguro o veículo analisado é, oferecendo mais proteção aos ocupantes em caso de colisão (ALVES, 2016). A avaliação de crashworthness é a capacidade de uma estrutura de um veículo em deformar-se plasticamente e ainda manter uma proteção adequada para os ocupantes em eventos de impacto envolvendo elevada desaceleração.

Os resultados dos testes de colisão dos veículos afetam a decisão de compra dos consumidores e consequentemente, impactam na estrutura, design e nos materiais empregados nos automóveis (KEELER; KIMCHI, 2014). Assim, novamente, a demanda é conflitante, as montadoras e autopeças buscam materiais de maior resistência, mas no caso de uma colisão de automóvel, por exemplo, precisam ter uma boa deformação.

Para a concretização desses objetivos, fez-se necessário migrar dos aços tradicionalmente empregados. Os aços avançados de alta resistência (AHSS- Advanced High Strength Steels) estão sendo utilizados há alguns anos desde o início de seu desenvolvimento em meados da década de 1990, no entanto, com pesquisas adicionais e novas tecnologias, as montadoras estão empregando esses aços em mais aplicações. Os aços AHSS possuem combinações únicas de propriedades mecânicas e dos materiais. A melhoria no processo de fabricação pelas siderúrgicas, em muitos casos, foram os principais contribuintes para o desenvolvimento e implementação desses novos aços. Vários mecanismos são empregados para atingir uma gama de resistência, dutilidade, dureza e propriedades de fadiga (TAMARELLI, 2011).

Evolução histórica dos aços para o setor automotivo

Figura 1: Evolução histórica dos aços para o setor automotivo.
Fonte: Marra (2008)

A família AHSS inclui Dual Phase ou aços bifásicos (DP), Complex-Phase ou de fases complexas (CP), Ferrítico-Bainítico (FB), Martensítico (MART), Transformation Induced Plasticity ou plasticidade induzida por transformação (TRIP), entre outros. A principal diferença entre os aços convencionais de alta resistência e os aços avançados de alta resistência encontram-se em suas microestruturas.

A evolução dos aços foi possível devido melhores laminadores e maiores controles de processo. Anteriormente, os grandes desafios eram em produzir aços com maiores limpidez e/ou microligados, portanto os desafios eram na obtenção da placa, no processo de refino e lingotamento. Atualmente, muitos são os desafios na etapa de laminação, com controles nos parâmetros de processo, tais como, temperaturas de laminação, taxas de deformação e resfriamento.

Os aços complex phase possuem uma boa combinação de alta resistência e ductilidade. Sua microestrutura é constituída por um agregado de várias fases, sendo a matriz composta de ferrita e bainita, de granulação muito fina, e em quantidades residuais, a presença de martensita, constituinte MA (martensita – austenita), perlita e austenita retida. Por ser microligado, normalmente, ao titânio, nióbio, vanádio, molibdênio, boro e/ou cromo, apresentando carbonetos finos e “estáveis” na sua matriz.

Atualmente, as bobinas de aços complex phase laminadas a quente empregadas no país são importadas, visto que, atualmente, nenhuma siderúrgica no Brasil tem esse material desenvolvido. As principais montadoras têm interesse em obter esse material nacional visando redução de custos e lead time.

Existe no mercado o complex phase na versão como laminado a quente e laminado a frio. Esses aços são aplicados na indústria automobilística, em para-choques, barra de segurança de portas, coluna B, partes de suspensão automotiva, entre outros. São peças fundamentais para garantir a segurança dos passageiros no caso de colisão e, em alguns casos, não recuperáveis, como por exemplo, no caso da coluna B.

Programas de desenvolvimento de veículos

Figura 2: Programas de desenvolvimento de veículos.
Fonte: adaptado do Keeler; Kimchi (2014).

Para a realização desse trabalho foi utilizado o aço complex phase da classe 800MPa como laminado a quente. Atualmente, no processo de soldagem dos aços complex phase são utilizados consumíveis da classe ER70S-6, cuja resistência à tração é superior a 480 MPa (AWS A5.18/A5.18M, 2001). No entanto, os aços complex phase apresentam resistência à tração acima de 780 MPa. Portanto, a resistência à tração do metal base, no caso o complex phase, é de, aproximadamente, 60% acima da resistência do consumível da solda empregada.

Como as indústrias automobilísticas estudadas empregam o consumível da classe ER70S-6, nesse estudo, foi utilizado além desse consumível, o arame ER110S-G. Esse último apresenta resistência à tração acima de 760 MPa. Portanto, a resistência do consumível ER110S-G é similar ao do metal base. Foram utilizados dois diferentes tipos de consumíveis a fim de indicar as melhores práticas de soldagem para este material.

A indústria automobilística geralmente emprega soldagem robótica GMAW para confeccionar as peças. Assim, neste trabalho, as amostras foram soldadas através do processo GMAW robótica pulsada.

O complex phase tem grande potencial de utilização na indústria automobilística ainda não totalmente explorado.

2 DEFINIÇÃO DE AÇOS AVANÇADOS DE ALTA RESISTÊNCIA – AHSS (ADVANCED HIGH STRENGTH STEELS)

Os aços automotivos podem ser classificados de maneiras diferentes. As designações comuns são: 1) por denominação metalúrgica; 2) pela resistência mecânica do aço e 3) por outras propriedades mecânicas (KEELER, 2014).

A denominação metalúrgica fornece alguma informação de processo, que incluem: a) aços de baixa resistência: aços com interstícios livres e os aços-carbono; b) aços convencionais de alta-resistência (High Strength Steel – HSS): aços carbono-manganês; aços endurecíveis; aços com interstícios livres de alta resistência; aços de alta resistência; aços de baixa liga; c) aços avançados de alta resistência (Advanced High Strength Steel – AHSS): aços dual phase (bifásicos); aços de plasticidade induzida por transformação (TRIP); ferrítico-bainítico; aços complex phase (fases complexas) e aços martensíticos (KEELER, 2014).

Um segundo método de classificação importante é pela resistência mecânica do aço. Por isso, muitos autores usam os termos HSS e AHSS para denominar todos os aços de alta resistência. Porém, outros usam limites definidos para classificar diferentes níveis de resistência. Um sistema define os aços convencionais de alta resistência (HSS) como os que possuem limite de escoamento entre 210 e 550 MPa e limite de resistência entre 270 e 700 MPa, enquanto os aços avançados de alta resistência (AHSS) possuem limite de escoamento maior que 550 MPa e limite de resistência maior que 700 MPa (SILVA, 2012).

A terceira classificação é feita por outras propriedades mecânicas, como alongamento total, expoente de encruamento (n) e outros (KEELER, 2014).

2 AÇOS AVANÇADOS DE ALTA RESISTÊNCIA PARA INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA

Nos seus primeiros anos, a carroceria e plataforma do automóvel eram de madeira. No início dos anos de 1900, o aço passou a ser utilizado nas carrocerias, no entanto, o chassi continuava sendo em madeira. A partir de 1910, com o aumento da potência dos motores e melhoria da tecnologia, começou a empregar aço no chassi e na maior parte da carroceria. Registra-se a produção do primeiro carro todo em aço em 1915, fabricado pelo inglês Edward Budd (MARRA, 2008; RIBEIRO, 2011).

Os aços laminados a quente foram intensivamente aplicados nos carros, na década de 1920. Isto ocorreu em razão do aprimoramento dos laminadores e do surgimento do material bobinado (MARRA, 2008; RIBEIRO, 2011).

Na década de 1930 surge o processo de recozimento em caixa e assim, aços mais finos são aplicados nas carrocerias, tornando os desenhos mais “curvados” (MARRA, 2008).

Após a Segunda Guerra, com a recuperação econômica das nações mais desenvolvidas, os automóveis passaram a ser produzidos em grande escala. Na década de 1960, a demanda por carros cresceu drasticamente, assim o número de modelos de automóveis aumentou e as mudanças do modelo tornaram-se mais frequentes. A cobrança por automóveis com melhores designers e menores custos obrigou as siderúrgicas a desenvolverem aços de melhor qualidade e maior estampabilidade. E isso foi possível com melhorias no refino, como a desgaseificação a vácuo, e novas tecnologias, como o recozimento continuo.

Nos anos 1960, tinham-se os automóveis com projeto do tipo body-on-frame, ou chassi e carroceria separados, com uma utilização maciça de aços carbono comuns (aços doce e aços C-Mn) (MARRA, 2008).

Apesar da estrutura monobloco, tipo de carroçaria integral que apresenta elevada rigidez estrutural e que desempenha igualmente o papel de chassis, ter sido introduzida pela fábrica italiana Lancia em 1922, somente na década de 1960 o monobloco ganhou espaço em grande escala nos carros.

Após a crise do petróleo nos anos 1970, a indústria automobilística direcionou seus esforços para aumentar.

Continua…

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