Ao longo da última década, a economia em rápido crescimento e o sistema de auto-estradas impulsionaram o transporte rodoviário na China, tanto de passageiros como de carga. Entre os anos 2000 e 2010 o Produto Interno Bruto do país aumentou, sob taxas anuais, em torno de 10,15% e as vendas de caminhões médios e pesados aumentaram em torno de 18,87% (as vendas se elevaram de 0,2 milhões de unidades em 2000 para 1,3 milhões em 2010), de acordo com a Agência Nacional de Estatísticas (National Bureau of Statistics) da República Popular da China. Hoje os veículos comerciais consomem quase a mesma quantidade de combustível que os carros de passeio, embora o número de veículos comerciais seja de apenas, aproximadamente, um quarto da quantidade de carros de passeio. Em razão do tradicional sobrecarregamento de veículos que ocorre na China, o desenvolvimento de estruturas leves para veículos comerciais ficou bem aquém do que foi verificado para os carros de passeio. Consequentemente, os carros comerciais apresentam um consumo médio de combustível cerca de 20% maior em comparação com os modelos europeus, especialmente no caso dos caminhões pesados.

O princípio da redução de peso baseada no uso de aço consiste em substituir aços de baixa resistência mecânica por variantes com alta resistência, reduzindo, dessa forma, a espessura do material. As tecnologias e experiências adquiridas ao conseguir reduzir o peso de carros de passageiros claramente demonstram que o aço continua sendo o material mais econômico e sustentável para a manufatura de veículos(1). Portanto, a metalurgia baseada em nióbio é a forma mais efetiva para produzir tais aços com melhor desempenho a serem usados em veículos com baixo peso(2). A figura 1 mostra o potencial para a redução de peso à medida que se eleva a resistência mecânica do aço em relação a diferentes casos de carregamento mecânico(2)

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 1 – Potencial para a redução de peso pela substituição do aço de 200 MPa por aços com alta resistência mecânica.

Ao longo das últimas décadas as siderúrgicas desenvolveram diferentes tipos de aços laminados a quente com alta resistência mecânica para diversas aplicações em veículos comerciais (ver tabela 1).

Esses aços com alta resistência podem ser usados para substituir os convencionais na fabricação de componentes que, dessa forma, apresentarão funcionalidade equivalente ou até mesmo melhor e, simultaneamente, espessura reduzida (ver figura 2).

Fig. 2 – Principais componentes de veículos comerciais que foram considerados para a aplicação de aços com alto desempenho.

Na fase inicial do desenvolvimento de tais aços com alta resistência o carbono foi considerado o elemento de liga mais econômico e efetivo, situação que fez com que eles apresentassem teores relativamente altos desse elemento. Contudo, a prática demonstrou que, no caso das aplicações automotivas, o carbono prejudica as características de manufatura, tais como soldabilidade e conformabilidade, e, da mesma forma, exerce impacto negativo sobre o desempenho dos componentes em serviço. A metalurgia baseada no nióbio proporciona uma ótima solução a esse respeito, devido aos seus dois efeitos fundamentais: refino de tamanho de grão e endurecimento por precipitação(3,4). Os últimos desenvolvimentos e avanços, apresentados no seminário citado no início desse artigo, demonstram claramente como a metalurgia baseada no nióbio pode ser adotada para fabricar aços com alto desempenho específicos para veículos comerciais. Esses materiais se caracterizam por apresentar propriedades mais elevadas, melhor comportamento sob processamento e, finalmente, melhor funcionalidade do componente durante a sua vida útil, independentemente de onde o material for aplicado.

 

Melhores propriedades para aços de alto desempenho pelas microadições de nióbio

 

À medida que os fabricantes de equipamentos originais (Original Equipment Manufacturers, OEM) se voltam para os aços com alta resistência com o intuito de reduzir o peso de seus componentes, as siderúrgicas são desafiadas a desenvolver novos materiais, os quais não só atendem às especificações em termos de propriedades mecânicas, como também devem se adequar aos processos de manufatura na cadeia de produção já estabelecida. Um dos aspectos importantes ao se iniciar o processo de manufatura com aços de alta resistência mecânica é dispor de uma bobina desse material que apresente propriedades uniformes e boa planicidade ao longo de toda a sua extensão. A solução chave para se obter isso é baseada num conceito apropriado de liga e de controle preciso de processo. A experiência adquirida na Baoshan Iron & Steel Co. Ltd. claramente confirmou as vantagens do conceito de liga baseado em nióbio, logrando produzir o aço microligado S460MC como alternativa ao conceito tradicional em titânio (ver figura 3). A liga contendo 0,02% de nióbio alcançou o mesmo nível de resistência mecânica (460 MPa) que o conceito original usando 0,04% de titânio. Além disso, a faixa de dispersão da resistência na liga ao nióbio foi inferior a 50 MPa, enquanto no conceito baseado em titânio ela é superior a 100 MPa. A ampla dispersão das propriedades do material se reflete nos componentes finais feitos com esse aço. Por um lado, essa dispersão provoca um efeito de retorno elástico (springback) durante o processo de conformação, tornando-o mais difícil e dispendioso. Na China é muito comum produzir aços microligados usando tanto o conceito baseado em titânio, devido ao custo desse elemento de liga, como o baseado em nióbio.

Fig. 3 – Dispersão dos valores de limite de resistência numa bobina a quente de aço S460MC em função do conceito de microliga adotado.

Contudo, os graus microligados ao nióbio geralmente alcançam propriedades muito mais uniformes do que as versões com titânio, devido ao fato de ser difícil controlar, com precisão, a quantidade correta de titânio para promover o endurecimento por precipitação que se faz necessário para conseguir o nível especificado de resistência mecânica. Isso ocorre devido ao fato de o titânio também formar grandes precipitados ou inclusões com nitrogênio, enxofre e fósforo sob temperaturas mais altas. Além disso, tais partículas grosseiras à base de titânio frequentemente atuam como nucleadores de trincas durante o processo de conformação (ver figura 4).

Fig. 4 – Trinca em componente ocorrida durante o processo de conformação causada pela presença de partículas grosseiras de TiN num aço de alta resistência microligado ao titânio.

Recentemente a Beijing Shougang Co. Ltd. desenvolveu aços com alta resistência mecânica laminados a quente com limite de escoamento acima de 900 MPa para viabilizar a redução de peso de componentes usados em veículos comerciais. Seu conceito de liga tinha como fundamentos o baixo teor de carbono e as microadições de nióbio-vanádio-boro, e o seu processamento leva a uma microestrutura consistindo em bainita e/ou martensita. Dependendo da espessura e dos requisitos da aplicação, pode-se aplicar o processo de laminação termomecânica controlada (Thermo-Mechanically Controlled Process, TMCP), ao qual se segue, de forma opcional, tratamento térmico de revestimento ou têmpera mais revestimento. Dessa forma é possível obter propriedades mecânicas uniformes e boa tenacidade, tanto na direção transversal como na longitudinal da bobina (ver tabela 2 e figura 5). Na tabela 2, ‘A’ é o alongamento total, ‘r’ é o raio de dobra e ‘t’ é a espessura do corpo de prova.

Fig. 5 – Uniformidade da resistência mecânica de uma bobina a quente de aço com limite de escoamento superior a 900 MPa produzida pela Beijing Shougang Co. Ltd. (espessura de 5 mm).

Fig. 5 – Uniformidade da resistência mecânica de uma bobina a quente de aço com limite de escoamento superior a 900 MPa produzida pela Beijing Shougang Co. Ltd. (espessura de 5 mm).

Para obter bainita e martensita na microestrutura dos produtos finais num projeto de liga baseado em baixo teor de carbono é necessário aplicar alta velocidade de resfriamento em combinação com baixa temperatura de bobinamento, menor que a temperatura para o início da transformação bainítica ou martensítica. Essas circunstâncias são desafiadoras para obter uma boa planicidade na tira após a laminação a quente, especialmente no caso de espessuras elevadas. O aumento da temperatura do revestimento para reduzir as tensões residuais promovidas pelo resfriamento rápido ou pelas diferentes transformações de fase que ocorrem através da espessura resolveram esse problema. A perda de resistência mecânica decorrente do efeito do tratamento de revenimento sobre a microestrutura bainítica e/ou martensítica foi compensada pelo aumento dos teores de nióbio e vanádio no aço, os quais proporcionam endurecimento adicional por precipitação. Com essa modificação no conceito da liga, e a otimização do processo, pode-se produzir aço laminado a quente de alta resistência, com limite de escoamento superior a 900 MPa, o qual apresenta planicidade muito boa (ver tabela 3). Além disso, o baixo teor de carbono e a microestrutura favorável proporcionam boa soldabilidade, tenacidade e conformabilidade.

Esse aço recém-desenvolvido foi aplicado com sucesso em caminhões basculantes, semi-reboques e guindastes móveis, reduzindo o peso do veículo. Por exemplo, em um novo projeto de semi-reboque (ver figura 6), foi usado aço com limite de escoamento igual a 900 MPa para substituir o grau Q345, reduzindo o peso das longarinas em 60%. Ele também foi aplicado em peças estruturais e paredes da estrutura do caminhão. Esse aço, juntamente com outras soluções de projeto leve na suspensão e rodas, permitiu reduzir a tara total do veículo para 4,9 t, valor que foi 40% menor em comparação com o do modelo anterior. Dois veículos piloto já percorreram 180.000 quilômetros, até o momento, durante testes realizados em estradas. A economia de combustível alcançou 0,234 yuan/ km e 44.000 yuan/ano. Além disso, o lucro proporcionado pelo transporte aumentou em 9.000 yuan/ ano graças a um aumento de 2 t na carga útil transportada a cada viagem. Da mesma forma, esse aço com ultra-alta resistência mecânica proporciona benefícios ao longo de toda a cadeia de fornecimento, desde a siderúrgica até o usuário final.

Aços especiais são amplamente usados nos veículos comerciais como, por exemplo, nas áreas do conjunto propulsor e da suspensão. A qualidade dos aços especiais é um dos fatores mais importantes em termos de durabilidade e desempenho do veículo. Aços especiais microligados, particularmente os que serão submetidos à cementação, podem alcançar maior capacidade para suportar carga mecânica e melhorar o seu desempenho total. Dentro desse contexto já foram investigados novos projetos de liga com microadição de nióbio, com o objetivo de melhorar o sofisticado grau de aço para cementação 18CrNiMo7-6, o qual está se tornando o padrão para a aplicação em engrenagens com alto desempenho(5) , conforme mostra a tabela 4.

Um dos novos projetos de liga tem como objetivo apresentar melhor desempenho com respeito aos futuros requisitos que as transmissões de médio e grande porte deverão atender. Os teores de manganês e molibdênio foram elevados para melhorar a temperabilidade da liga, enquanto o níquel foi reduzido para minimizar o seu custo. Além disso, altos teores de níquel podem estabilizar a austenita retida presente na camada cementada, reduzindo a sua dureza. A microadição de nióbio tem como objetivo restringir o crescimento exagerado do grão austenítico durante o processo de cementação resultando em maior tenacidade e resistência à fadiga. Isso também permite a aplicação de temperaturas mais altas durante o tratamento de cementação, encurtando o tempo de processamento e reduzindo os custos de produção. Além de proporcionar o refino do tamanho de grão, a microadição apropriada nos aços para cementação reduz a dispersão observada nesse parâmetro microestrutural. Isso reduz a distorção após a têmpera e, dessa forma, diminui a necessidade de usinagem das duras camadas cementadas. O outro novo projeto de liga tem como objetivo reduzir o seu custo total por meio de uma significativa redução do teor de níquel, ainda que conseguindo desempenho similar ao do grau de referência 18CrNiMo7-6. Microadições de nióbio são aplicadas nesse caso pelas mesmas razões mencionadas no caso do outro projeto de liga. As propriedades mecânicas conseguidas em ambos os novos projetos de liga relativos a aços para cementação corresponderam às expectativas propostas (ver tabela 5).

Conforme já era esperado, o conceito V1 alcançou resistência mecânica muito maior devido à sua melhor temperabilidade e, ao mesmo tempo, apresentou limite de fadiga sob rotação mais alto devido ao refino de grão. A tenacidade se manteve em um bom nível, a despeito do alto limite de resistência. O conceito V2, que apresenta custo total de ligas reduzido, alcançou propriedades similares em comparação com o grau 18CrNiMo7-6. A tenacidade foi diminuída devido ao teor muito reduzido de níquel, mas ainda permaneceu em um nível aceitável. As engrenagens feitas com esses dois aços para cementação foram avaliadas via execução de testes de desempenho. Nesses ensaios foram caracterizadas a fadiga no pé do dente da engrenagem e a formação de micro-pites no flanco do dente da engrenagem; essas propriedades foram adotadas como critério de desempenho. O conceito V1 claramente superou os graus de aços para cementação já existentes (área enquadrada nas figuras 7 e 8). O conceito de liga V2 atendeu ao espectro de desempenho dos aços para cementação já existentes, a despeito do reduzido custo dos elementos de liga, conforme mostrado nas figuras 7 e 8. Nessas figuras o grau ML significa requisito mínimo, enquanto o grau MQ representa requisitos que podem ser atendidos por fabricantes experientes sob custos moderados; já o grau ME representa requisitos que precisam ser atendidos quando se desejam níveis mais altos de tensões admissíveis.

Fig. 7 – Teste de desempenho em termos de fadiga no pé dos dentes de engrenagens feitas com aços para cementação inovadores em comparação com as ligas convencionais

Fig. 8 – Teste de desempenho em termos da ocorrência de micro-pites no flanco dos dentes de engrenagens feitas com aços para cementação, inovadores em comparação com as ligas convencionais.

Pistões para motores de caminhão são outro exemplo para a aplicação de aços especiais microligados ao nióbio. Nos motores diesel de caminhões modernos a temperatura de operação pode alcançar até 650°C e a pressão de operação até 20 MPa. Por essa razão, o aço 42CrMo começou a ser usado recentemente para substituir os pistões feitos de alumínio. Mas a oxidação superficial e o amaciamento do material reduzem o desempenho do aço devido à alta temperatura de operação. O grau modificado de aço 42SiCrMo, microligado ao nióbio (ver tabela 6), reduz a formação de óxido por um fator de 10 em comparação com o grau convencional 42CrMo sob as mesmas condições de operação(6). Devido à sinergia entre o nióbio e molibdênio nesse aço, os precipitados complexos do tipo Nb(Mo)C são muito mais finos e mais resistentes ao coalescimento quando expostos às altas temperaturas de operação. Da mesma forma, esse aço apresenta limite de resistência 20% superior e é mais resistente ao amaciamento quando exposto a altas temperaturas.

 

Melhores características de processamento dos aços de alta resistência em decorrência das microadições de nióbio

 

A conformabilidade e a soldabilidade do aço precisam ser consideradas à medida que se eleva a resistência mecânica. Essas duas propriedades, as quais estão relacionadas diretamente com a manufatura de veículos, exercem considerável impacto sobre a viabilidade do processamento do aço. Falhas do material que ocorrem durante a soldagem ou conformação reduzirão a eficiência da produção e, consequentemente, elevarão os custos.

Geralmente, para conseguir uma boa soldabilidade, é feita a redução do valor de carbono equivalente do aço. O aumento do teor de carbono, em combinação com o baixo aporte de calor, promove a formação de zona termicamente afetada (ZTA) com alta dureza, surgindo o risco de ocorrer trincamento a frio. Projetos de aço baseados em baixos teores de carbono e microadições de nióbio podem efetivamente proporcionar alta resistência mecânica e boa soldabilidade. Tanto a dureza como a tenacidade na zona termicamente afetada dependem muito do aporte de calor e da taxa de resfriamento associados ao processo de soldagem aplicado. Para obter uma boa combinação dessas duas propriedades é importante definir uma janela de processo em termos do aporte de calor e da taxa de resfriamento, de forma a limitar a dureza máxima abaixo de 350 HV e a temperatura de transição abaixo de -40°C. Uma janela de processo estreita está associada à má soldabilidade pelo lado do material e ao difícil processamento da soldagem pelo lado da manufatura. A redução do teor de carbono de 0,08% para 0,03% e o aumento do teor de nióbio de 0,06% até 0,09%, em um inovador conceito de liga para o grau de aço S500MC(7), fez com que a dureza da zona termicamente afetada fosse significativamente reduzida ao longo de toda a faixa de valores de aporte de calor aplicados nos processos típicos de soldagem usados em montagem (ver figura 9). Tal conceito de liga também permitiu ampliar a janela de processo em termos da taxa de resfriamento após a soldagem, evitando o trincamento a frio e proporcionando boa tenacidade na zona termicamente afetada (figura 10). No caso dos graus de aço S-MC com limites de escoamento de até 900 MPa não é necessário efetuar pré-aquecimento para o processo de soldagem, desde que o aporte de calor seja ajustado dentro de uma faixa razoável.

Fig. 9 – Efeito do aporte de calor no valor máximo de dureza da zona termicamente afetada para vários conceitos de liga à base de nióbio para o grau de aço S500MC. Significado das siglas utilizadas: LBW, soldagem por feixe de laser (laser beam welding); RSW, soldagem a ponto por resistência elétrica (resistance spot welding); e MAG, soldagem com gás de proteção ativo (metal active gas welding).

Fig. 10 – Representação esquemática da influência das estratégias de projeto de liga e da taxa de resfriamento (aporte de calor) sobre a janela de operação em termos da dureza da zona termicamente afetada e da tenacidade.

Em muitos casos, os modernos aços de alta resistência possuem microestrutura multifásica baseada no mecanismo de endurecimento por transformação, caracterizado pela presença de fases duras como bainita, martensita e austenita retida inseridas numa fase dúctil, tal como ferrita. No caso desses aços multifásicos, as microadições de nióbio têm sido aplicadas cada vez mais para melhorar a homogeneidade da microestrutura por meio do refino de grão(8). O tamanho de grão reduzido permite suprimir a estrutura bandeada de fases duras, como martensita, fazendo com que a distribuição das diferentes fases se torne mais homogênea(9). Além disso, a diferença de dureza entre as fases dura e macia é reduzida, uma vez que as microadições de nióbio promovem um efeito de endurecimento mais profundo na ferrita do que nas outras fases duras, tais como a bainita e martensita. Tal melhoria nos detalhes microestruturais leva diretamente a um melhor comportamento durante a conformação do aço, especialmente durante as operações de dobramento e expansão de furo. Essas propriedades são particularmente importantes para a manufatura de chassis para caminhões, reforços estruturais e rodas. A microestrutura otimizada também reduz a sensibilidade ao trincamento nas bordas de aços de alta resistência durante o processo de conformação. O Benxi Iron & Steel Group Co. Ltd. recentemente desenvolveu o grau ferrítico-bainítico laminado a quente FB600, cujo projeto tomou como base baixos teores de carbono e microadições de nióbio, para aplicação na fabricação de rodas leves. Foi obtida uma microestrutura muito refinada e homogênea, a qual consiste em ferrita (60 a 70%) e bainita (30 a 40%). Portanto, o tamanho de grão ferrítico é tão pequeno quanto o especificado em ASTM 13 (figura 11). Além de boas propriedades mecânicas (alongamento total acima de 30% com limite de resistência além de 600 MPa), este aço FB600 recém-desenvolvido demonstrou ter excelentes propriedades de expansão de furo, acima de 100% (figura 12), superando todos os aços bifásicos existentes. Devido a essas propriedades excepcionais, o aço FB600 com espessura de 4,5 mm tem sido aplicado na manufatura de aros de roda, ajudando a diminuir o peso desse componente de 13,8kg para 11,5 kg, o que corresponde a uma redução de 16,7% no peso do aro da roda original. Com um controle preciso das inclusões e do refino do tamanho de grão, os requisitos do cliente em termos de fadiga foram satisfeitos, tendo sido alcançadas 1,1 milhões de revoluções em um ensaio de fadiga radial.

Fig. 11 – Microestrutura do aço FB600 laminado a quente que foi desenvolvido pelo Benxi Iron & Steel Group Co. Ltd. para aplicação em aros de rodas.

Fig. 12 – Razão de expansão de furo para o aço laminado a quente FB600, recém-desenvolvido, em comparação com outros graus de aço automotivo usados normalmente.

 

Melhoria da funcionalidade e vida útil pelas microadições de nióbio

 

O uso de nióbio como microliga vem aumentando cada vez mais nos aços de alta resistência, visando melhorar o desempenho em serviço dos componentes de carros de passeio, bem como dos veículos comerciais. Por exemplo, nos aços para estampagem a quente, microadições de nióbio podem melhorar a tenacidade via refino de grão, de forma que os componentes estampados a quente podem apresentar melhor resistência a colisões com maior absorção de energia, especialmente se a colisão ocorrer em um ambiente sob baixas temperaturas. Outra preocupação dos fabricantes de equipamentos originais é o trincamento retardado induzido pela fragilização por hidrogênio, o qual pode reduzir drasticamente o desempenho contra colisões dos componentes estampados a quente em virtude da severa degradação que ocorre na resistência mecânica e na tenacidade. Investigações revelaram que os precipitados de nióbio dispersos na matriz martensítica possuem a capacidade de aprisionar o hidrogênio presente no aço e torná-lo menos difusível. Dessa forma ele segregará menos até os contornos de grão, onde forma a típica fratura intergranular ou defeitos tais como grandes vazios e microtrincas, os quais levam a danos locais. Esses resultados levaram ao desenvolvimento do aço para estampagem a quente ligado ao nióbio. A adição de 0,05% de nióbio em um aço para estampagem a quente baseado no conceito de liga consagrado para essa aplicação, 22MnB5, resultou em um aumento superior a três vezes da tensão crítica para fratura em comparação com o aço convencional exposto sob as mesmas condições de carregamento de hidrogênio (figura 13). O nióbio também abaixou a temperatura de transição dúctil-frágil, melhorando a tenacidade sob baixas temperaturas. Atualmente, o aço para estampagem a quente se tornou uma tecnologia do estado da arte na engenharia de carrocerias para automóveis de passeio. Esse tipo de aço representa cerca de 38% do peso total da carroceria do modelo mais recente do veículo utilitário esportivo Volvo XC90(10). Há uma clara tendência ao uso de aços para estampagem a quente em veículos comerciais para reduzir o seu peso e, simultaneamente, aumentar a sua segurança. Esta abordagem já foi implementada em veículos comerciais leves como, por exemplo, o modelo Ford Transit(11), bem como em caminhões pesados fabricados, por exemplo, pela Scania.

Fig. 13 – Efeito da microadição de nióbio na tensão crítica para fratura de aço para estampagem a quente baseado no grau 22MnB5, sob as mesmas condições de carregamento de hidrogênio.

Fig. 14 – Impacto da adição de microligas sobre o efeito de aprisionamento de hidrogênio em pinos com alta resistência mecânica feitos com aço 42CrMo e revenidos sob diferentes temperaturas.

Durante a montagem de veículos comerciais são usados, aproximadamente, 4.000 a 7.500 pinos para a união dos componentes, o que acrescenta cerca de 50 a 90 kg ao peso total do veículo. Na China, a manufatura convencional de caminhões utiliza pinos de alta resistência, de grau 10.9 no bloco do motor, e grau 8.8 para outras aplicações. A substituição dos pinos grau 10.9 por pinos com ultra-alta resistência, tal como o grau 13.9, permite uma redução de 10% do peso associado aos pinos de união, enquanto a resistência mecânica é aumentada em 30%. Contudo, o maior obstáculo ao uso de pinos com ultra-alta resistência mecânica é o trincamento induzido pelo hidrogênio. O grau de aço 42CrMo tem sido amplamente usado na China para fabricar pinos com alta resistência. Contudo, a resistência ao trincamento induzido por hidrogênio dessa liga é insuficiente para essa aplicação. A modificação desse grau de aço por meio da microadição de nióbio permite que ele tolere um teor de hidrogênio até seis vezes maior sem que ocorra uma severa fragilização por hidrogênio. Isso é devido ao efeito de aprisionamento do hidrogênio promovido pelos precipitados de microliga (figura 14)(12). À medida que se eleva a temperatura de revestimento, a quantidade de precipitados de microliga aumenta, ocorrendo o mesmo com o potencial para o aprisionamento de hidrogênio. Contudo, esse efeito de aprisionamento do hidrogênio se reduz novamente quando a temperatura de revestimento se torna alta demais, uma vez que isso leva ao coalescimento dos precipitados pelo assim chamado efeito de Ostwald ripening. Os ensaios para caracterização do efeito do hidrogênio, feitos sob condições idênticas, revelaram que o grau convencional 42CrMo apresentou fratura intergranular típica devido à severa fragilização por hidrogênio que ocorreu sob menores teores desse elemento. Por sua vez, o grau 42CrMo microligado apresentou fratura transgranular, apesar de apresentar teor de hidrogênio seis vezes mais alto (figura 15). Esse tipo de fratura geralmente ocorre sob uma tensão crítica para fratura mais alta do que no caso da fratura intergranular. O uso de microligas e a obtenção de uma dispersão apropriada de precipitados constituíram um remédio metalúrgico contra a fragilização por hidrogênio, levando ao desenvolvimento de graus de aço para pinos com resistência mecânica ultra-alta na China. Eles não só apresentam maior resistência mecânica como também à fadiga e ao trincamento induzido por hidrogênio (figura 16). Já foram usados na China mais de um milhão de pinos com resistência mecânica ultra-alta feitos com aço grau 13.9 em diferentes aplicações. A funcionalidade dos pinos para união e a segurança dos veículos foram significativamente aumentadas por meio da melhoria das propriedades do material. Dentro desse contexto, é conveniente lembrar que de 60 a 70% dos acidentes causados por veículos comerciais na China estão associados a fraturas dos pinos de união.

Fig. 15 – Efeito da adição de microligas na aparência da fratura de pinos com alta resistência mecânica feitos com o grau 42crMo após exposição a idênticas condições de carregamento de hidrogênio.

 

Fig. 16 – Limite de resistência de graus de aço para pinos com alta resistência mecânica desenvolvidos na China.

 

Conclusões

Devido a questões prementes de sustentabilidade na China, tais como o consumo de combustível e poluição, é indispensável aumentar a eficiência do transporte rodoviário por intermédio de redução do peso dos veículos comerciais elevando, dessa forma, a sua capacidade de carga útil. A abordagem-chave para implementar projetos de veículos comerciais com baixo peso consiste em usar aços com alto desempenho para fabricar os principais componentes. As tecnologias e experiências adquiridas ao se obter a redução de peso dos veículos de passeio ratificam claramente esta abordagem e já se encontram disponíveis na China para serem transferidas aos veículos comerciais.

Os projetos com baixo peso usando aço são econômicos, uma vez que frequentemente eles resultam em custos reduzidos. A redução de peso e o menor consumo de material para fabricar os componentes geralmente compensam o moderado aumento de preço associado aos aços com alto desempenho. A produção de aços com alto desempenho, em menor quantidade, mas com maior lucratividade, é benéfica para a siderurgia chinesa, bem como para o meio ambiente em geral. Do ponto de vista da avaliação do ciclo de vida, o aço apresenta globalmente um melhor balanço total de emissões que os materiais competidores disponíveis para projetos objetivando a redução de peso dos componentes.

Já foi provado que a metalurgia baseada no nióbio é particularmente benéfica para a produção de aços com alto desempenho para aplicações de veículos comerciais. Os aços microligados ao nióbio apresentam propriedades superiores em termos da manufatura e também revelam maior durabilidade durante a vida útil do veículo.

 

Referências

1) Presentation by Mercedes-Benz at the 16th global car body benchmarking conference, Automotive Circle International, Bad Nauheim, Germany, 2014.

2) Morbacher, H. Reverse metallurgical engineering towards sustainable manufacturing of vehicles using Nb and Mo alloyed high performance steels. Adv Manuf 1(1):28-41, 2013.

 3) Morrison, WB. Microalloy steels – the beginning. Mater Sci Technol 25(9):1066-1073, 2009.

4) Altuna, MA., Iza-Mendia, A., Gutie’rrez, I. Precipitation of Nb in ferrite after austenite conditioning. Part II: strengthening contribution in highstrenght low-alloy (HSLA) steels. Metal Mater Trans A 43(12): 4571-4586, 2012.

5) Hippenstiel, F., Mohbarcher, H. Optimization of molybdenum alloyed carburizing steels by Nb microalloying for large gear applications. In: Materials science and technology (MS&T) conference & exhibition, Columbus, OH, 16-20 October, 2011.

6) Elvira, R., Schwarz, O., Schmitz, E.P. et al. New steel engine components with superior strength and oxidation resistance at high temperatures. In: Steels in cars and trucks (SCT), Braunschweig, 15-19 June, 2014.

7) Haensch, W., Klinkenberg, C. Low carbon niobium alloyed high strength steel for automotive hot strip. Ironmaking & Steelmaking 32 (4): 342-346, 2005.

8) Mohrbacher, H. Advanced metallurgical concepts for DP steels with improved formability and damage resistance. In: Proceedings of the international symposium on new developments in advanced highstrenght sheet steels, Vail, AIST, 2013.

9) Hebesberger, T., Pichler, A., Pauli, H. Dual-phase and complex phase steels: AHSS material for a wide range of applications. In: Proceedings of steels in cars and trucks, Wiesbaden, 2008.

10) Presentation by Volvo at the 16th Global car body benchmarking conference, Automotive International, Bad Nauheim, Germany, 2014.

11) Presentation by Ford at the 15th global car body benchmarking conference, Automotive Circle International, Bad Nauheim, Germany, 2013. 12) Wei, FG., Hara, T., Tsuchida, T., et al. Hydrogen trapping in quenched and tempered 0.42 C-0.30 Ti steel containing bimodally dispersed TiC particles. ISIJ international 43 (4): 539-547 36 J. Bian et al, 2003.


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