Saprof Çalışması (1999)

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[57,62,63], como mostrado na fig.(7.25) e listados a seguir.

Fig.7.25 - 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 [9] 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 [63].

Como mencionado anteriormente, o refino de grão depende da temperatura de deformação. A laminação controlada geralmente é feita em dois ou três estágios como

Fig.7.26 - Esquema simplificado de laminação: processo convencional em dois estágios e em três estágios [9].

O processo em dois estágios envolve as seguintes três etapas [57,64].

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. A fig.(7.26) faz uma comparação com os processos em dois e três estágios. 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 fig.(7.27). Estas mudanças estão relacionadas a deformação nas três seguintes regiões[57].

Fig.7.27 -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 [65]. Quanto menor o tamanho do subgrão maior é o efeito na resistência do aço.

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 [57,62]. 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] [63]. 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 [9].

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[66].

A relação entre o caminho percorrido do resfriamento e a microestrutura resultante esta mostrada na fig.(7.28) 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

Fig.7.28 - 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[9].

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 [9]. As adições destes elementos aumentam a resistência do aço[9,57].

Segundo Tanaka [57], 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 [9,67].

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 estão mostrados a seguir [9,57,63]:

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 [68] 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.

A fig. (7.29) mostra uma faixa ótima de propriedades mecânicas desejadas ao aço, entre a temperatura de reaquecimento e a temperatura final de laminação.

Fig.7.29 – Região ótima das condições de laminação para as propriedades desejadas [68].

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. (7.30) de onde obtêm-se os seguintes comentários [9].

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

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.7.30 – Mudanças na microestrutura durante a laminação controlada e altas taxas de resfriamento[68].