Com uma demanda cada vez maior por aços planos de elevada propriedade mecânica e boa estampabilidade, além de uma maior estabilidade dimensional da peça estampada, são necessários estudos e desenvolvimento dos aços estruturais aliando esforços, tanto no que se refere ao processo siderúrgico quanto ao processo metalúrgico. Estudos se fazem necessários para atender aos requisitos de conformabilidade da peça com mínima variação possível na espessura e nas propriedades mecânicas destes aços, e possibilitando, em muitos casos, a redução da espessura e do peso das peças submetidas a esforços durante seu uso sem comprometer a segurança da aplicação final, além de redução de custo devido à redução de peso da peça estampada. Uma forte motivação para a redução do peso das peças automotivas é a inerente redução do consumo de combustível com a diminuição do peso do carro como um todo.

Outra demanda do setor metal mecânico é a homogeneidade de propriedades mecânicas e da espessura das bobinas de aço, uma vez que este requisito permite uma melhor estabilidade do processo de conformação e do dimensional das peças com o mínimo de ajustes no ferramental usado na estampagem. Além das características técnicas necessárias, um custo competitivo no processo de produção do aço, bem como na fabricação de peças com o mínimo de variação dimensional possível, é primordial, dada a elevada exigência por qualidade e custo do mercado a que se destina as peças estampadas.

Este trabalho aborda o processo de desenvolvimento de um aço plano microligado com valores especificados de limite de resistência de 450 a 570 MPa, limite de escoamento de 350 a 450 MPa, alongamento na base 5 de 25% mínimo e dimensões de 2,5 mm de espessura por 245 mm de largura aplicado em uma peça usada no sistema de travamento da porta de veículos automotores. O aço foi classificado como LNE355 conforme a norma NBR 6656:2016, porém, com propriedades mecânicas ligeiramente diferenciadas se comparado com a norma pública, pois a produção era originalmente feita com aço carbono-manganês. O projeto foi desenvolvido pelos grupos ArcelorMittal e Waelzholz Brasmetal, responsáveis pela produção e a transformação do aço microligado sendo fornecido em bobinas laminadas a quente com processo de ajuste de espessura via laminação a frio, para posterior transformação em peças por estampagem, e com posterior revestimento de zinco com cromato como passivador. Participaram do projeto outros dois players da cadeia automotiva, um deles responsável pela conformação e o revestimento da peça e outro pela montagem da mesma no sistema de travamento da porta.

 

Peça objeto do estudo

Para exemplificar o produto e as condições de acabamento em trechos de expansão de furo, e sobretudo mantendo a confidencialidade das cotas de desenho referentes a este desenvolvimento, a peça que é usada no sistema de travamento da porta do veículo automotivo é mostrada na figura 1. Atenção especial deve ser dada à condição de acabamento na região de expansão de furo.

Fig. 1 – (a e b) peça objeto do estudo com destaque para as trincas presentes na região de expansão de furo.

O principal problema que ocorre durante a estampagem da peça é a presença de trincas na região de expansão de furo, inclusive comprometendo a fixação do parafuso usado durante a montagem da peça no sistema de travamento da porta. Tal anomalia também reduz a vida útil da broca usada para a usinagem da rosca, uma vez que a broca é integrada ao ferramental de estampagem onde a condição do repuxo influencia diretamente nos esforços da broca, gerando quebra e desgaste prematuro com consequentes paradas da prensa para a troca da broca.

Fig. 2 – Foto da microestrutura da liga 1 (C-Mn) com aumento de 100 vezes, sem ataque, representando o nível de inclusões C1F conforme a classificação da norma ASTM⁽³⁾.

 

Fig. 3 – Foto da microestrutura da liga 2 (Microligado) com aumento de 100 vezes, sem ataque, representando o nível de inclusões D1F conforme a classificação da ASTM⁽³⁾.

 

Fig. 4 – Foto da microestrutura da liga 1 (C-Mn) com aumento de 500 vezes e ataque nital 3% (estrutura composta por ferrita + perlita fina). Tamanho de grão 9 conforme a norma ASTM⁽⁴⁾.

 

Correlação entre expansão de furos, microestrutura e composição química

As propriedades mecânicas desejadas são determinadas pela combinação da microestrutura dos aços⁽¹⁾. O endurecimento por precipitação é amplamente usado para diversos tipos de aço de alta resistência, sendo introduzidos precipitados finos que podem elevar a resistência mecânica dos aços em 200 a 300 MPa, além de contribuir para a expansão de furo, uma vez que, durante o reaquecimento da placa antes da laminação a quente, os elementos microligantes são facilmente dissolvidos na matriz austenítica.

Os principais elementos de liga usados no endurecimento dos aços por precipitação são Nb, Ti, Mo e V. Ainda de acordo com a literatura⁽¹⁾, diversos fatores influenciam na capacidade de expansão de furos em chapas de aço, entre eles a diferença de dureza entre as fases, número de fases duras, conteúdo de C, inclusões alongadas, textura cristalina, valor de índice de Lankford “Rmédio” e de expoente de encruamento “n”. Quanto maior a uniformidade da microestrutura, maior serão as propriedades de expansibilidade de furos no material. É importante a redução de inclusões alongadas ao mínimo. Também é necessária a redução de segregações e impurezas, uma vez que estas características interferem na expansibilidade de furos por estarem relacionados com pontos de nucleação de trincas durante a conformação.

Fig. 5 – Foto da microestrutura da liga 2 (Microligado) com aumento de 500 vezes e ataque nital 3% (estrutura composta por ferrita + carbonetos esferoidizados). Tamanho de grão 5 conforme a norma ASTM⁽⁴⁾.

 

Fig. 6 – Fluxo do processo de laminação a frio utilizado para o material em estudo.

 

Características da liga LNE355 conforme a Norma NBR 6656:2016⁽²⁾

As composições químicas especificadas em norma para as diferentes grades de material microligado são dadas pela tabela 1, com destaque para a grade de aço que é objeto deste estudo. As propriedades mecânicas especificadas em norma para as diferentes grades de material microligado são dadas pela tabela 2, com destaque para a grade de aço objeto deste estudo. As faixas de especificação de limites de resistência/escoamento e alongamento são ligeiramente diferentes da norma por se tratar de uma adequação à especificação, uma vez que o aço originalmente especificado é o aço carbonomanganês com propriedades mecânicas já mencionadas.

Tab. 1 – Composição química para diferentes grades de material microligado conforme norma NBR 6656:2016. Material objeto de estudo foi classificado com grau LNE355 com propriedades mecânicas diferenciadas.

 

Tab. 2 – Propriedades mecânicas no sentido transversal ao sentido de laminação para diferentes grades de material microligado conforme norma NBR 6656:2016. Material objeto de estudo foi classificado com o grau LNE355 com propriedades mecânicas diferenciadas.

 

Materiais

Para o estudo foram usados dois materiais distintos, um deles um aço carbono-manganês (liga 1) e o outro um aço microligado com processo para estampabilidade melhorada (liga 2). A composição química, as propriedades mecânicas, níveis de inclusões e microestrutura de ambas as ligas são mostradas na tabela 3.

Tab. 3 – Composição química das ligas: 1) aço-carbono-manganês e 2) aço microligado (LNE355 com propriedades diferenciadas).

 

Processo siderúrgico

A elevação das propriedades mecânicas da liga 1 (C-Mn) se dá principalmente pela adição dos elementos químicos carbono e manganês, sendo o carbono um agente formador da cementita (fase dura presente na perlita), além do endurecimento provocado por solução sólida juntamente com o manganês e refino de grão. O processo siderúrgico aplicado à liga 2 (microligado) visou ao aumento das propriedades mecânicas tanto por solução sólida, principalmente pela adição dos elementos químicos nióbio, carbono e manganês, quanto por precipitação de carbonetos pelo controle via processo termomecânico, de maneira a minimizar e distribuir uniformemente os precipitados que atuam como barreiras para a movimentação dos contornos de grão e discordâncias, maximizando a estampabilidade da liga.

 

Processo de relaminação

O material em estudo referente à liga 2 (microligado) foi adquirido pelo grupo Waelzholz Brasmetal no estado laminado à quente e com espessura de 2,60 +/-0,2 mm, visando à obtenção da faixa de espessura de 2,5 +/- 0,12 mm. Foi realizada laminação a frio para a redução da variação de espessura na bobina sem elevar significativamente as propriedades mecânicas do material laminado. Este processo foi realizado para minimizar a variação de rebarbas no furo que seria conformado posteriormente, uma vez que o nível de rebarbas está diretamente relacionado com a espessura, as propriedades mecânicas, microestrutura e a folga entre matriz/punção na etapa de corte. A figura 7 mostra a variação de espessura do material ao longo da laminação a frio. Excluindo os trechos de ponta de rolo sujeitos à maior variação de espessura, é possível observar uma variação total entre 2,45 e 2,49 mm.

Fig. 7 – Gráfico de espessura criado após o processo de laminação a frio.

 

Processo de estampagem

O processo de estampagem consistiu no uso de uma prensa progressiva, além de usinagem da rosca integrada à ferramenta de estampagem. Visando proteger o know-how da empresa que transforma o aço em peça, não serão fornecidas informações sobre a conformação e o desenho da peça.

 

Método

Composição química

A composição química foi analisada em espectrofotômetro de emissão óptica (figura 8).

Fig. 8 – Espectrômetro de emissão óptica Spectrolab.

 

Propriedades mecânicas

As propriedades mecânicas foram obtidas conforme a norma NBR 6673:1981(5). Foi retirado um corpo de prova de tração perpendicular ao sentido de laminação para cada amostra analisada. Os ensaios foram feitos em uma máquina de tração Zwick modelo Z250 equipada com garras hidráulicas e extensômetro (fig. 9).

Fig. 9 – Máquina de tração Zwick Z250.

 

Microscopia óptica (MO)

A análise de microestrutura foi realizada em uma amostra de cada liga. As amostras foram devidamente polidas e atacadas com reagente nital 3% para visualização da microestrutura (fig. 10). A verificação da microestrutura foi feita por microscópio da Leica (fig. 11).

Fig. 10 – Ilustração da amostragem para avaliação da microestrutura.

 

Fig. 11 – Microscópio Leica modelo DM2700M.

 

Resultados dos testes de conformação

Nas figuras 12a e 12b observa-se um comparativo entre os testes de conformação das ligas 1 (CMn) e 2 (microligado) para as mesmas configurações de prensa e ferramenta de estampagem.

Fig. 12 – Condição do repuxo da liga 1 (C-Mn), à esquerda, e liga 2 (Microligado), à direita.

 

Discussão

Propriedades mecânicas

Comparando os resultados das propriedades mecânicas nas ligas 1 (C-Mn) e 2 (microligado), foi possível notar uma melhor condição para a conformação na liga 2, apesar dos valores de limite de escoamento ligeiramente maiores em comparação com a liga 1,404 MPa e 398 MPa, respectivamente. A melhor conformabilidade da liga 2 se explica principalmente com base nos seus valores de alongamento e expoente de encruamento (35% e 0,16, respectivamente), sensivelmente melhores em relação à liga 1 (32% e 0,12, respectivamente).

Tais resultados explicam a melhor conformabilidade da liga 2 (microligado) comparativamente à liga 1 (C-Mn)

 

Microestrutura

A liga 2 (microligado) apresenta nível de inclusões D1F (inclusão de óxido globular nível 1 série fina conforme quadro comparativo da norma ASTM(3) e microestrutura composta por ferrita + carbonetos esferoidizados uniformemente distribuídos na matriz ferrítica com tamanho de grão 5 conforme norma ASTM(4)). Já a liga 1 apresenta nível de inclusões C1F (inclusão de silicato alongada nível 1 série fina conforme quadro comparativo da norma ASTM(3) e microestrutura composta por ferrita + perlita fina uniformemente distribuída com tamanho de grão 9 conforme norma ASTM(4)). Realizando um comparativo tanto do nível de inclusões quanto da microestrutura das ligas, é possível confirmar a melhor conformabilidade da liga 2 (microligado), uma vez que as inclusões globulizadas e a estrutura com precipitados esferoidizados distribuídos uniformemente na matriz geram uma menor área de interface entre precipitados de elevada dureza (carbonetos e inclusões) e a matriz ferrítica de maior ductilidade, auxiliando a conformação e evitando a nucleação e consequente propagação de trincas. Ao passo que, na liga 1 (C-Mn), a presença de perlita e inclusões alongadas geram uma maior área de interface entre os precipitados duros e frágeis (placas de cementita presentes na perlita e inclusões alongadas) e a matriz ferrítica nucleando e propagando prematuramente as trincas durante o processo de expansão de furo.

 

Processo de estampagem

Para a estampagem das ligas 1 (CMn) e 2 (microligado) foi usada a mesma ferramenta com os mesmos ajustes de folgas entre matriz/ punção, velocidade de conformação, sistema de lubrificação, pressão do martelo e prensa-chapa, sendo as diferenças encontradas nos testes de conformação das ligas 1 (C-Mn) e 2 (microligado) exclusivamente relacionadas às características de estampabilidade de cada liga conformada.

 

Conclusão

Pelos testes foi possível concluir que a liga 2 (microligado) apresentou maior estampabilidade se comparada à liga 1 (C-Mn). Isso ocorre principalmente devido a um maior valor do expoente de encruamento “n” da liga 2 se comparada com a liga 1 (0,16 e 0,12, respectivamente), além de uma microestrutura mais favorável para conformação presente na liga 2 (inclusões globulares com carbonetos esferoidizados e tamanho de grão 5), em comparação com a liga 1 (inclusões alongadas com presença de perlita e tamanho de grão 9). O processo de laminação a frio aplicado diminuiu a variação de espessura do material laminado a quente, contribuindo para um melhor controle do nível de rebarbas nos furos expandidos ao longo da estampagem das peças, fator de extrema relevância para o sucesso do projeto, uma vez que o nível de rebarbas nos furos que posteriormente serão conformados tem influência significativa no avanço das trincas durante a expansão do furo.

A melhora na conformação das peças com o uso da liga 2 é nítida quando comparadas as fotos das peças estampadas com o material C-Mn e microligado (fig. 12). Foram usados os mesmos parâmetros de conformação conforme mencionado em “Processo de estampagem”.

 

Agradecimentos

Os autores agradecem às empresas ArcelorMittal e Waelzholz Brasmetal por terem concedido o uso dos equipamentos e a mão de obra, que tornaram possíveis o desenvolvimento e a conclusão do projeto. Agradecimento especial aos Srs. Thomas Frank e Maurício Bomfim por incentivarem ao desenvolvimento e à difusão do trabalho desenvolvido.

 

Referências

1. Takahashi, M. Sheet steel technology for the last 100 years: progress in sheet steels in hand with the automotive industry. v. 55, n. 1, p. 79–88, 2015.
2. NBR 6656:2016 - Bobinas e chapas laminadas a quente de aço acalmado com características especiais de propriedades mecânicas, conformabilidade e soldabilidade – Requisitos. p. 2-3.
3. ASTM E-45:2018 – Standard test methods for determining the inclusion content of steel, p. 7-8
4. ASTM E-112:2010 – Standard test methods for determining average grain size, p. 1-27.
5. NBR 6673:1981 – Produtos planos de aço – determinação das propriedades mecânicas à tração, p. 1-22.