BR112015005090B1

BR112015005090B1 - Chapa laminada a frio e recozida

Info

Publication number: BR112015005090B1
Application number: BR112015005090-5A
Authority: BR
Inventors: Juan David Puerta Velasquez; Jonas Staudte; Pascal Drillet
Original assignee: Arcelormittal Investigación Y Desarrollo, Sl
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2013-09-06
Publication date: 2019-08-06
Also published as: ES2946442T3; CA2895944A1; CN104769138B; EP2893047B1; EP3783118A1; ES2945840T3; CN104769138A; BR112015005090A2; EP2893047A1; HUE062051T2; KR20150047627A; HUE061920T2; EP3783117A1; MX366129B; PL2893047T3; JP6166787B2; US9957582B2; FI3783118T3; RU2015112317A; WO2014037627A1

Abstract

chapa laminada a frio e recozida e processo de fabricação de uma peça de aço trata-se de uma chapa laminada a frio que é recozida e prérevestida para a fabricação de peças enrijecidas a prensa, composta de um substrato de aço para tratamento térmico com um teor de carbono c0 entre 0,07% e 0,5%, por meio de que esse teor é expresso em peso e um prérevestimento de metal em pelo menos duas faces principais do substrato de aço, caracterizado pelo fato de que o substrato compreende uma área descarburizada na superfície de cada uma das duas faces principais, por meio de que a profundidade p50% da área descarburizada é entre 6 e 30 micrômetros, por meio de que p50% é a profundidade na qual o teor de carbono é igual a 50% do teor c0 e em que a chapa não contém uma camada de óxidode ferro entre o substrato e o pré-revestimento de metal.

Description

“CHAPA LAMINADA A FRIO E RE COZIDA”

Campo da Invenção [001] Esta invenção refere-se a um processo para a fabricação de peças de uma chapa de aço laminada a frio e recozida, pré-revestida, aquecida, estampada e, então, endurecida durante o resfriamento mantendo-se a mesma dentro de uma ferramenta de prensa; sendo que essas peças são destinadas, em particular, para serem usadas como elementos estruturais em veículos automotivos para realizar as funções de anti-intrusão ou absorção de energia. As peças desse tipo também podem ser usadas, por exemplo, para a fabricação de ferramentas ou peças de máquinas agrícolas.

Antecedentes da Invenção [002] Nesse tipo de aplicação, a meta é fabricar peças de aço que combinem alta resistência mecânica, alta resistência ao impacto, boa resistência à corrosão e boa precisão dimensional. Essa combinação é, particularmente, desejável na indústria automobilística, em que são feitas tentativas para reduzir, significativamente, o peso dos veículos. As peças de anti-intrusão e estruturais, assim como outras peças que contribuem para a segurança de veículos automotivos, como amortecedores, portas ou reforços de pilar central, por exemplo, exigem as características mencionadas acima, por exemplo. Essa redução de peso pode ser alcançada, em particular, graças ao uso de peças de aço com uma microestrutura martensítica ou bainítica-martensítica.

[003] A fabricação de peças desse tipo é descrita nas publicações da técnica anterior FR2780984 e FR2807447, de acordo com as quais um bloco bruto cortado em uma chapa de aço para o tratamento térmico e pré-revestida com um metal ou liga de metal é aquecido em um forno e, então, conformado a quente. O pré-revestimento pode ser alumínio ou uma liga a base de alumínio, zinco ou uma liga de zinco. Durante o aquecimento no forno, o pré-revestimento fornece proteção para a superfície do aço contra descarburação e a formação

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 14/53

2/36 de calamina. Durante o aquecimento no forno, esse pré-revestimento se torna ligado com o substrato de aço para formar um composto adequado para a conformação a quente e que não cause qualquer deterioração do conjunto de ferramentas. Manter a peça no conjunto de ferramentas depois de a conformação ter sido realizada torna possível um rápido resfriamento que leva à formação de microestruturas endurecidas que têm características mecânicas muito elevadas. Um processo desse tipo é conhecido como endurecimento por prensagem.

[004] Como uma regra, as características mecânicas das peças obtidas dessa maneira são avaliadas por meio de testes de resistência à tração e de dureza. Os documentos referidos acima também descrevem os processos de fabricação que tornam possível obter uma resistência mecânica (ou resistência à tração máxima) Rm de 1.500 MPa começando-se com um bloco bruto de aço que tem uma resistência inicial Rm de 500 MPa antes do aquecimento e do rápido resfriamento.

[005] No entanto, as condições de serviço de determinadas peças endurecidas e revestidas exigem não apenas um alto nível de resistência Rm como também capacidade de dobramento. Esse parâmetro não parece ser, de fato, mais pertinente do que o alongamento medido na falha na tração para garantir que as peças tenham ductilidade suficiente para absorver deformações ou impactos sem o risco de ruptura, em particular, nas áreas que correspondem às concentrações de esforço local devido à geometria da peça ou à presença em potencial de microdefeitos na superfície das peças.

[006] O documento W02009080292 revela um processo que torna possível aumentar o ângulo de dobramento de uma peça endurecida. De acordo com esse processo, uma chapa de aço é aquecida em um forno de recozimento até uma temperatura entre 650 e 800 °C para se obter uma camada de óxido que é significativamente mais espessa do que 0,3 micrômetro.

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 15/53

3/36

Determinados elementos de liga do aço são oxidados sob essa camada de óxido. Essa camada de óxido é, então, parcialmente reduzida para que a mesma tenha uma espessura maior que 0,3 micrômetro. A superfície extrema da camada de óxido reduzida consiste em ferro puro. A chapa é, então, revestida com o uso de um processo de imersão a quente. Depois dessa etapa, a chapa tem as seguintes diferentes camadas em sucessão: o substrato de aço que compreende os elementos oxidados nas redondezas da superfície (oxidação interna), sendo que esse substrato é coberto por uma camada de óxido parcialmente reduzida, que é, a própria, coberta pelo revestimento aplicado com o uso de um processo de imersão a quente. Durante a etapa subsequente da austenitização do bloco bruto e/ou durante a modelagem e o resfriamento, uma camada dúctil fina é formada sob o revestimento de tal modo que as rachaduras formadas durante o revestimento se propaguem menos facilmente para essa camada subjacente durante o processo de conformação.

[007] No entanto a camada de óxidos que está presente quando a chapa for imersa no banho de revestimento de metal pode ter um efeito indesejado em termos da aderência do revestimento por imersão a quente a essa camada.

[008] Portanto, seria desejável ter um processo de fabricação que não tivesse essa desvantagem e que tornasse possível obter, simultaneamente, através de endurecimento por prensagem, altos níveis de resistência à tração e de capacidade de dobramento.

[009] Sabe-se, também, que as condições de fabricação industrial incluem, inevitavelmente, uma determinada variabilidade como, por exemplo, do ciclo de temperatura durante o recozimento da chapa antes de a mesma ser revestida e da composição e/ou do ponto de orvalho da atmosfera dos fornos de recozimento contínuos, que pode variar, ligeiramente, durante uma dada sequência de fabricação ou pode variar de uma execução de fabricação para

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 16/53

4/36 outra. Mesmo se foram tomadas as máximas precauções para minimizar essas variações, seria desejável ter um processo de fabricação de tal modo que as características mecânicas e, em particular, a capacidade de dobramento, obtida depois do endurecimento por prensagem, sejam tão insensíveis quanto possível a essa variação em potencial das condições de fabricação. Um objetivo adicional é um processo de fabricação que resulte em boa isotropia das peças depois da estampagem a quente, isto é, em que a capacidade de dobramento não é altamente dependente da direção de esforço em relação à direção em que a chapa é laminada.

[010] Sabe-se, também, que o tempo de retenção dos blocos brutos no forno durante a etapa de austenitização durante a estampagem a quente pode influenciar nas características mecânicas das peças. Seria, portanto, desejável ter um processo de fabricação que é menos sensível ao tempo de retenção no forno para alcançar um alto nível de reprodutibilidade das características mecânicas das peças.

[011] No caso de peças fabricadas a partir de chapas prérevestidas com zinco ou liga de zinco, o objetivo é ter um processo que torne possível soldar essas peças sem o risco de fragilização dos contornos de grão causados pela penetração de zinco líquido.

Descrição da Invenção [012] O objeto dessa invenção é solucionar os problemas citados acima por meio de um processo de fabricação econômico.

[013] Surpreendentemente, os inventores mostraram que uma alta capacidade de dobramento das partes é alcançada quando uma área descarburada de uma espessura específica estiver presente sob o prérevestimento de metal, antes do endurecimento por prensagem da peça. Surpreendentemente, essa descarburação específica antes do endurecimento produz resultados de dobramento que não são dependentes, num sentido

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 17/53

5/36 abrangente, das condições de recozimento contínuas antes do revestimento e que refletem a boa isotropia em relação à direção de laminação; os altos valores de dobramento são alcançados apesar da presença de óxidos nessa área descarburada, o que corresponde a um enriquecimento de oxigênio nessa área.

[014] Para esse fim, o objeto da invenção é uma chapa laminada a frio que é recozida e pré-revestida para a fabricação de peças endurecidas por prensagem, compostas de um substrato de aço para o tratamento térmico com um teor de carbono Co entre 0,07% e 0,5%, por meio de que esse teor é expresso em peso e um pré-revestimento de metal em pelo menos uma das duas faces principais do substrato de aço, caracterizado pelo fato de que o substrato compreende uma área descarburada na superfície de cada uma das duas faces principais, por meio de que a profundidade pso% da área descarburada está entre 6 e 30 micrômetros, por meio de que pso% é a profundidade em que o teor de carbono é igual a 50% do teor Co e em que a chapa não contém uma camada de óxido de ferro entre o substrato e o pré-revestimento de metal. A profundidade P50% da área descarburada é vantajosamente entre 9 e 30 micrômetros e muito vantajosamente entre 12 e 30 micrômetros.

[015] Em uma realização preferencial, o pré-revestimento de metal da chapa é alumínio ou uma liga de alumínio.

[016] Em outra realização preferencial, o pré-revestimento de metal é zinco ou uma liga de zinco.

[017] O pré-revestimento de metal pode, preferencialmente, ser composto de uma camada de alumínio ou uma liga a base de alumínio coberta por uma camada de zinco ou uma liga de zinco.

[018] A composição do substrato de aço inclui, vantajosamente, por meio de que os teores são expressos em peso: 0,07% < C < 0,5%, 0,5%< Mn < 3%, 0,02% < Si < 0,5%, 0,01% < Cr < 1%, Ti<0,2%, Al < 0,25%, S < 0,05%, P< 0,1%, 0,0005% < B < 0,010%, opcionalmente 0,0005%< Ca < 0,005%, por

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 18/53

6/36 meio de que o restante da composição consiste em ferro e nas impurezas inevitáveis que resultam do processamento.

[019] Muito vantajosamente, a composição do substrato de aço inclui, por meio de que os teores são expressos em peso: 0,09% < C < 0,38%, 0,8%< Mn < 1,5%, 0,1% < Si < 0,35%, 0,01% < Cr < 0,3%, 0,02%<Ti<0,1 %, 0,001 %< Al < 0,25%, S < 0,05%, P< 0,1%, 0,002% < B < 0,005%, opcionalmente 0,0005%< Ca < 0,005%, por meio de que o restante da composição consiste em ferro e nas impurezas inevitáveis que resultam do processamento.

[020] Em uma realização preferida, a composição do substrato de aço inclui, por meio de que os teores são expressos em peso: 0,15% < C < 0,25%.

[021] O substrato de aço tem, vantajosamente, um teor de oxigênio Oo e sob a interface entre o pré-revestimento e o substrato, em uma profundidade entre 0 e 5 micrômetros medidos a partir da interface, um teor de oxigênio médio Om, por meio de que Om/Oo é maior do que 15.

[022] Vantajosamente, o substrato do aço pré-revestido contém, em uma área localizada entre zero e 5 micrômetros abaixo da interface entre o pré-revestimento e o substrato, óxidos que incluem pelo menos um elemento selecionado a partir de um grupo que consiste em titânio, silício, manganês, alumínio e cromo, por meio de que a densidade dos óxidos com um diâmetro maior do que 1 micrômetro nessa área é maior do que 50/mm².

[023] Um objeto adicional da invenção é um processo para a fabricação de uma peça de aço revestida e endurecida que compreende as etapas sucessivas, de acordo com as quais uma chapa de aço laminado a frio é produzida para o tratamento térmico que tem um teor de carbono Co entre 0,07% e 0,5%. O aço laminado é recozido para obter, na conclusão do recozimento, uma descarburação da superfície da chapa em uma profundidade pso% entre 6 e 30 micrômetros, por meio de que pso% é a profundidade em que o teor de carbono

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 19/53

7/36 é igual a 50% do dito teor Co e para obter uma chapa que não tem camada de óxido de ferro em sua superfície, seguido por um pré-revestimento com metal ou uma liga de metal no aço recozido que serve como o substrato. O aço prérevestido é, então, cortado para obter um bloco bruto, sendo que o bloco bruto é, então, opcionalmente, estampado a frio e, então, o bloco bruto é aquecido a uma temperatura Tr em um forno para fornecer ao aço uma estrutura pelo menos parcialmente autêntica. O bloco bruto aquecido é removido do forno e é transferido para uma prensa ou um dispositivo de conformação e o bloco bruto é, então, conformado a quente ou dimensionado a quente para obter uma peça que seja, então, resfriada na prensa ou no dispositivo de conformação para fornecer a mesma uma microestrutura martensítica ou bainítica-martensítica através de endurecimento.

[024] Um objeto adicional da invenção é um processo de fabricação caracterizado pelo fato de que o pré-revestimento é realizado continuamente com o uso de um processo de imersão a quente por meio da passagem através de um banho.

[025] Em uma realização preferida, o pré-revestimento de metal é alumínio ou uma liga de alumínio.

[026] O pré-revestimento é preferencialmente zinco ou uma liga de zinco.

[027] Em uma realização em particular, o pré-revestimento de metal é composto de uma camada de alumínio ou uma liga a base de alumínio coberta por uma camada de zinco ou uma liga de zinco.

[028] A profundidade pso% é, vantajosamente, entre 9 e 30 micrômetros, e muito vantajosamente entre 12 e 30 micrômetros.

[029] Um objeto adicional da invenção é um processo caracterizado pelo fato de que a composição do substrato de aço compreende, por meio de que os teores são expressos em peso: 0,07% < C < 0,5%, 0,5%<

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 20/53

8/36

Μη < 3%, 0,02% < Si < 0,5%, 0,01% < Cr < 1%, Ti<0,2%, Al < 0,25%, S < 0,05%, P< 0,1%, 0,0005% < B < 0,010%, opcionalmente 0,0005%< Ca < 0,005%, por meio de que o restante da composição consiste em ferro e nas impurezas inevitáveis que resultam do processamento.

[030] Em uma realização em particular, a composição do substrato de aço inclui, por meio de que os teores são expressos em peso: 0,09% < C < 0,38%, 0,8%< Mn < 1,5%, 0,1% < Si < 0,35%, 0,01% < Cr < 0,3%, 0,02%<Ti<0,1 %, 0,001 %< Al < 0,25%, S < 0,05%, P< 0,1%, 0,002% < B < 0,005%, opcionalmente 0,0005%< Ca < 0,005%, por meio de que o restante da composição consiste em ferro e nas impurezas inevitáveis que resultam do processamento.

[031] Em uma realização em particular do processo, a composição do substrato de aço compreende: 0,15% < C < 0,25%.

[032] A temperatura Tr é, preferencialmente, maior ou igual à temperatura Ac3 do aço.

[033] A chapa de aço laminado a frio tem, preferencialmente, um teor de oxigênio Oo; é recozida para obter no substrato, na conclusão do recozimento, sob a interface entre o pré-revestimento e o substrato, em uma profundidade entre 0 e 5 micrômetros medida a partir da interface, um teor de oxigênio médio Om, por meio de que Om/Oo é maior do que 15.

[034] Preferencialmente, a chapa laminada a frio é recozida para obter, no substrato na conclusão do recozimento, sob a interface entre o prérevestimento e o substrato, em uma profundidade localizada entre 0 e 5 micrômetros da interface, os óxidos que incluem pelo menos um elemento selecionado a partir de um grupo que consiste em titânio, silício, manganês, alumínio, cromo, por meio de que a densidade dos óxidos com um diâmetro maior do que 1 micrômetro nessa área é maior do que 50/mm².

[035] Um objeto adicional da invenção é um processo de

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 21/53

9/36 fabricação, conforme descrito em qualquer uma das realizações descritas acima, em que as condições de recozimento incluem as etapas seguintes em sucessão: depois de ter alcançado a chapa laminada a frio, a mesma é aquecida à medida que percorre através de um forno de tubo radiante ou um forno de resistência ou um forno de indução ou um forno que combina pelo menos quaisquer dois desses meios, até uma temperatura T1 a entre 600 °C e Ac1 + 40 °C, por meio de que Ac1 designa a temperatura da partida da transformação austenítica à medida que o aço é aquecido, em uma zona do forno em que a atmosfera A1 contém de 2 a 15%, em volume, de hidrogênio, preferencialmente 3 a 5%, em volume, de hidrogênio, sendo que o saldo é nitrogênio e as impurezas inevitáveis, com um ponto de orvalho entre - 60 e - 15 °C. A chapa é, então, aquecida da temperatura T1 a para uma temperatura T2a entre 720 e 860 °C, por meio de que pelo menos um elemento selecionado dentre água líquida, vapor ou oxigênio é injetado no forno começando na temperatura T1a para se obter, na seção do forno entre a temperatura T1a e a temperatura T2a, uma atmosfera A2a com um ponto de orvalho PR entre -15 °C e a temperatura Te do ponto de orvalho do saldo de ferro/óxido de ferro, por meio de que o intervalo de tempo entre o momento quando a chapa estiver na temperatura T1a e o momento quando a chapa alcançar a temperatura T2a é maior ou igual a 30 segundos. A chapa é, então, mantida em uma temperatura Tm entre T2a e T2a+ 40 °C, sob uma atmosfera A3 que é redutora para o ferro e é, então, resfriada para uma temperatura T3, em uma atmosfera A4 de tal modo que nenhuma reoxidação de superfície do ferro ocorra. A chapa é, então, pré-revestida por revestimento por imersão a quente em um banho de metal na temperatura Tbm, sendo que é compreendido que a temperatura T3 está entre Tbm-10 °C e Tbm+ 50 °C.

[036] Preferencialmente, o ponto de orvalho PR da atmosfera A2a está entre -15 e + 17 °C, muito preferencialmente entre -15 e -10 °C.

[037] Um objeto adicional da invenção é um processo de

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 22/53

10/36 fabricação em que as condições de recozimento incluem as seguintes etapas em sucessão: depois de ter alcançado a chapa laminada a frio, a mesma é aquecida à medida que percorre através de um forno de tubo radiante ou um forno de resistência ou um forno de indução ou um forno que combina pelo menos quaisquer dois desses meios, até uma temperatura T1a entre 600 °C e Ac1+ 40 °C, por meio de que Ac1 designa a temperatura da partida da transformação austenítica à medida que o aço é aquecido, em uma zona do forno em que a atmosfera A1 contém de 2 a 15%, em volume, de hidrogênio, preferencialmente, de 3 a 5%, em volume, de hidrogênio, sendo que o saldo é nitrogênio e impurezas inevitáveis, com um ponto de orvalho entre - 60 e -15 °C. A chapa é, então, aquecida da temperatura T1 a para uma temperatura T2a entre 720 e 860 °C, por meio de que pelo menos um elemento selecionado a partir dentre água líquida, vapor ou oxigênio é injetado no forno começando-se na temperatura T1a para se obter, na seção do forno entre a temperatura T1a e a temperatura T2a, uma atmosfera A2B que é oxidante por ferro, por meio de que o intervalo de tempo entre o momento quando a chapa estiver na temperatura T1a e o momento quando a chapa alcançar a temperatura T2a é maior ou igual a 30 segundos. A chapa é, então, mantida em uma temperatura Tm entre T2a e T2a+ 40 °C sob uma atmosfera A3 que é redutora para o ferro, por meio de que a redução completa da camada de ferro formada nessa atmosfera A2B ocorre não mais tarde do que no fim da retenção na temperatura Tm. A chapa é, então, resfriada, em uma atmosfera A4 de tal modo que nenhuma reoxidação de superfície do ferro ocorre, até uma temperatura T3, então a chapa é prérevestida através de revestimento por imersão a quente em um banho de metal na temperatura Tbm, sendo que se compreende que a temperatura T3 está entre Tbm-10 °C e Tbm+ 50 °C.

[038] Em uma realização vantajosa, a temperatura T1 a é maior do que Ac1, isto é, a temperatura na transformação austenítica durante o

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 23/53

11/36 aquecimento do substrato de aço.

[039] Um objeto adicional da invenção é um processo de fabricação, as condições de recozimento das quais incluem as seguintes etapas em sucessão: depois de ter alcançado uma chapa de aço laminado a frio, a mesma é preaquecida à medida que percorre através de um forno, sendo que o preaquecimento é realizado em uma zona de um forno aquecido pela chama direta, por meio de que a chapa é preaquecida até uma temperatura T1B entre 550 e 750 °C em uma atmosfera que resulta da combustão de uma mistura de ar e gás natural em que a razão de ar/gás está entre 1 e 1,2. A chapa é aquecida a partir da temperatura T1B até uma temperatura T2B entre 760 e 830 °C em uma segunda zona do forno aquecido pelos tubos radiantes ou através de resistências ou através de indução ou através de qualquer combinação de pelo menos dois desses meios, em que a atmosfera contém de 3 a 40%, em volume, de hidrogênio, sendo que o saldo é nitrogênio e impurezas inevitáveis, por meio de que o ponto de orvalho é menor do que -30 °C e por meio de que o intervalo de tempo entre o momento quando a chapa está na temperatura T1B e o momento quando a mesma alcança a temperatura T2B é pelo menos 30 segundos. A chapa é mantida em uma temperatura Tm entre T2B e T2b+ 40 °C, sob uma atmosfera A3 que é redutora para ferro e é, então, resfriada em uma atmosfera, de tal modo que não ocorra nenhuma reoxidação de superfície do ferro, até uma temperatura T3. A chapa é, então, pré-revestida por revestimento por imersão a quente em um banho de metal na temperatura Tbm, sendo que fica compreendido que a temperatura T3 está entre Tbm-10 °C e Tbm+ 50 °C.

[040] Em uma realização preferida, a temperatura T2B é maior do que Ac1.

Breve Descrição dos Desenhos [041 ] As características e vantagens adicionais da invenção serão esclarecidas na descrição a seguir, que é fornecida por meio de exemplo e se

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 24/53

12/36 refere às Figuras anexas, em que:

a Figura 1 mostra a microestrutura de uma chapa de aço prérevestida conforme reivindicada pela invenção e destinada à fabricação de peças endurecidas por prensagem;

a Figura 2 ilustra esquematicamente a definição da profundidade da área macia d medida pela microdureza debaixo do revestimento de uma peça endurecida por prensagem;

a Figura 3 ilustra esquematicamente a definição, para uma chapa pré-revestida ou bloco bruto, da profundidade de descarburação da superfície P50%, medida através de espectrometria de emissão óptica por descarga luminescente, sob o pré-revestimento da chapa ou bloco bruto antes do endurecimento por prensagem;

a Figura 4 ilustra a variação do ângulo de dobramento crítico a_c de uma peça endurecida por prensagem, como uma função da profundidade da área superficial macia, por meio de que a última é medida através de microdureza sob o revestimento;

a Figura 5 ilustra a variação do ângulo de dobramento crítico a_c de uma peça endurecida por prensagem, como uma função da profundidade de descarburação pso%, sendo que a última é medida no bloco bruto pré-revestido antes da estampagem a quente e do endurecimento;

a Figura 6 mostra a influência do ponto de orvalho em uma zona em particular do forno durante o recozimento antes do pré-revestimento no ângulo de dobramento crítico da parte depois da estampagem a quente;

a Figura 7 mostra a influência do ponto de orvalho em uma zona em particular do forno durante o recozimento antes do pré-revestimento na profundidade de descarburação pso%, por meio de que esse último parâmetro é medido no bloco bruto pré-revestido antes da estampagem a quente e do endurecimento;

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 25/53

13/36 a Figura 8 mostra a microestrutura do aço sob o revestimento de zinco, depois do endurecimento por prensagem, para um ponto de orvalho de 27 °C;

a Figura 9 também mostra a microestrutura do aço sob o revestimento de zinco, depois do endurecimento por prensagem, para um ponto de orvalho de -7 °C;

a Figura 10 ilustra a variação, antes da estampagem a quente, do teor de carbono do substrato de aço de duas chapas de aço pré-revestidas nas redondezas de sua interface com o pré-revestimento, por meio de que o recozimento das chapas foi realizado em uma atmosfera A2a com um ponto de orvalho de -27 °C ou -7 °C;

a Figura 11 ilustra a variação do teor de carbono de duas peças de aço estampadas a quente nas redondezas da interface com o revestimento dessas partes, por meio de que o recozimento das chapas usadas para a fabricação dessas pelas foi realizado em uma atmosfera A2a com um ponto de orvalho de -27 °C ou -7 °C;

as Figuras 12 e 13 ilustram os óxidos internos formados durante o recozimento no substrato de aço nas redondezas da superfície;

as Figuras 14 e 15 mostram dois espectros da espectroscopia de raios X por dispersão de energia desses óxidos; e a Figura 16 mostra a variação do teor de oxigênio relativo (O/Oo) sob o pré-revestimento na chapa fabricada conforme reivindicado pela invenção.

Descrição de Realizações da Invenção [042] A espessura da chapa laminada a frio usada no processo reivindicado pela invenção está preferencialmente entre aproximadamente 0,5 e 2,6 mm, a faixa de espessura usada, dentre outras aplicações, na fabricação de peças estruturais ou de reforço para a indústria automobilística.

[043] O aço é um aço para tratamento térmico, isto é, é um aço

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 26/53

14/36 com capacidade de endurecimento depois da austenitização e do rápido resfriamento através de têmpera.

[044] O aço contém, vantajosamente, os elementos a seguir, por meio de que a composição é expressa em peso:

- um teor de carbono entre 0,07 e 0,5%, preferencialmente entre 0,09 e 0,38%, em peso e muito preferencialmente entre 0,15 e 0,25%, em peso. Esse elemento desempenha um grande papel na capacidade de endurecimento e na resistência mecânica obtidas depois do resfriamento que segue o tratamento de austenitização. Abaixo de um teor de 0,07%, em peso, a adequabilidade para o endurecimento é reduzida e a resistência mecânica é insuficiente depois do endurecimento por prensagem. Um teor de 0,15% de C torna possível garantir capacidade de endurecimento suficiente nas áreas formadas de maneira mais altamente a quente. Além de um teor de 0,5%, em peso, o risco da formação de defeitos é aumentado durante o endurecimento, em particular para as peças mais espessas. Torna-se difícil também garantir a ductilidade durante a dobramento das peças após o endurecimento por prensagem. Um teor de carbono entre 0,09 e 0,38% torna possível obter uma resistência Rm entre aproximadamente 1.000 e 2.050 MPa quando a microestrutura da peça for completamente martensítica.

- além de seu papel como um agente de desoxigenação, o manganês também pode ter um grande efeito na capacidade de endurecimento, em particular, quando seu teor, em peso, for maior do que 0,5% e preferencialmente maior do que 0,8%. Todavia, é preferível limitar sua adição a 3%, em peso e muito preferível limitar a mesma a 1,5% para evitar a segregação excessiva.

- o teor de silício do aço deve estar entre 0,02 e 0,5%, em peso e preferencialmente entre 0,1% e 0,35%. Além de seu papel na desoxidação do aço líquido, esse elemento contribui para o endurecimento do aço, muito embora

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 27/53

15/36 seu teor deva ser, todavia, limitado para impedir a formação excessiva de óxidos e para evitar os efeitos indesejáveis na capacidade de revestimento por mergulho.

- acima de um nível maior do que 0,01%, o cromo aumenta a capacidade de endurecimento e contribui para alcançar a alta resistência depois da operação de conformação a quente. Acima de uma concentração igual a 1% (preferencialmente 0,3%), o efeito do cromo na uniformidade das propriedades mecânicas na peça é saturado.

- o alumínio é um elemento que promove a desoxidação e a precipitação de nitrogênio. Na quantidade excessiva, os aluminatos grossos são formados durante o processamento que tende a reduzir a ductilidade, que é a razão para limitar o teor de alumínio para 0,25%, em peso. Um teor mínimo de 0,001% torna possível desoxidar o aço no estado líquido durante o processamento.

- em quantidades excessivas, o enxofre e fósforo levam à fragilidade aumentada. Esse é o motivo de ser preferível limitar as respectivas concentrações desses elementos a 0,05 e 0,1%, em peso.

- o boro, cuja concentração deve estar entre 0,0005 e 0,010%, em peso e preferencialmente entre 0,002 e 0,005%, em peso, é um elemento que desempenha um papel grande na capacidade de endurecimento. Abaixo de uma concentração de 0,0005%, um efeito suficiente na capacidade de endurecimento não é alcançado. O efeito total é obtido para uma concentração de 0,002%. O teor de boro máximo deve ser menor do que 0,010% e preferencialmente 0,005% para evitar que se reduza a tenacidade.

- o titânio tem uma alta afinidade com o nitrogênio. O mesmo protege o boro para que esse elemento esteja na forma livre para que o mesmo possa exercer seu efeito total na capacidade de endurecimento. Acima de 0,2%, no entanto, há um risco da formação de nitretos de titânio grossos no aço líquido

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 28/53

16/36 que têm um efeito indesejável em sua tenacidade. Está preferencialmente entre 0,02 e 0,1%.

- Opcionalmente, o aço também contém cálcio em uma quantidade entre 0,0005 e 0,005%: combinando-se com oxigênio e enxofre, o cálcio torna possível prevenir a formação de inclusões grandes, que têm um efeito indesejável na ductilidade das chapas ou das peças fabricadas a partir das mesmas.

[045] O restante da composição do aço consiste em ferro e nas impurezas inevitáveis que resultam do processamento, em particular, oxigênio, que está presente na forma de óxidos.

[046] Um aço preferido é 22MnB5 que contém de 0,20 a 0,25% de C, de 1,1 a 1,35% de Mn, de 0,15 a 0,35% de Si, de 0,02 a 0,06% de Al, de 0,02 a 0,05% de Ti, de 0,02 a 0,25% de Cr, de 0,002 a 0,004% de B, sendo que o saldo consiste em ferro e impurezas inevitáveis.

[047] Os inventores buscaram, primeiramente, as condições que tornariam possível alcançar boa capacidade de dobramento depois do endurecimento por prensagem. Essa característica é medida submetendo-se a peça a uma dobramento em três pontos. A peça é flexionada progressivamente nos cilindros com a dobramento em três pontos, por meio de que a carga aplicada é medida simultaneamente. O ângulo de dobramento crítico a_c quando as rachaduras aparecem na peça é medido, por meio de que esse fenômeno é acompanhado de uma diminuição instantânea na carga aplicada. As condições de teste desse tipo são descritas em DIN VDA 238-100. Para uma carga de rompimento Rm na ordem de 1.300 a 1.600 MPa, um ângulo de dobramento crítico maior do que 55° é exigido para satisfazer as especificações. Preferencialmente, até mesmo um ângulo de dobramento crítico maior do que 60° é exigido para satisfazer as condições mais severas de uso.

[048] Por meio de um processo de fabricação que será descrito

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 29/53

17/36 em detalhes abaixo, os inventores têm peças fabricadas, que começam com blocos brutos de aço 22MnB5 com 1,2 mm de espessura, galvanizados e recozidos, estampados a quente depois de aquecer até 880° C e mantidos nessa temperatura por 5 minutos, que diferem apenas pela presença de uma camada macia mais ou menos grande localizada abaixo do revestimento. O processo para a determinação da profundidade nessa área macia é ilustrada esquematicamente na Figura 2. Depois do endurecimento por prensagem, a peça consiste em um substrato de aço para o tratamento térmico 6 e um revestimento 4 que é separado do substrato pela interface 5. Deve-se notar que esse diagrama não tenta reproduzir as dimensões respectivas das diferentes áreas. As medições de dureza são tomadas sob uma carga baixíssima (por exemplo, dureza de Vickers sob uma carga de 50 gramas, HV0.05) no substrato que começa na interface 5, para obter a curva 7 que ilustra o perfil de microdureza. Daí, o valor d que caracteriza a profundidade da área macia é obtido. A Figura 4 mostra o ângulo de dobramento crítico a_c medido para os valores de d que variam aproximadamente entre 30 e 40 micrômetros. Para uma profundidade pequena da área macia, as peças estampadas a quente não irão satisfazer a exigência a_c 55°. No entanto, para as áreas macias mais profundas, observou-se que razão é afetada pela ampla dispersão. Para um dado valor de d, por exemplo, 35 micrômetros, não é possível determinar, com certeza, se a peça estampada a quente irá ou não satisfazer os critérios exigidos. Observou-se também que as microestruturas que correspondem a essas áreas macias com largura variável são muito semelhantes depois do endurecimento por prensagem. Além disso, a microestrutura dessas áreas macias pode ser completamente martensítica, isto é, não é possível distinguir facilmente as mesmas com o uso de microscopia óptica convencional. Em outras palavras, os inventores mostraram que nem a profundidade das áreas macias medida nas peças endurecidas por prensagem nem as observações de microestrutura óptica

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 30/53

18/36 das áreas macias dessas peças são parâmetros que tornam possível garantir, confiável mente, um valor mínimo para o ângulo de dobramento.

[049] Surpreendentemente, os inventores mostraram que para se obter o resultado desejado, é necessário determinar a profundidade de descarburação não na peça endurecida por prensagem, mas na chapa prérevestida ou bloco bruto antes do endurecimento. O processo de determinação é ilustrado na Figura 3, o diagrama de qual não tenta reproduzir as respectivas dimensões das diferentes áreas em escala: a chapa ou o bloco bruto é composto por um substrato de aço 10 e um pré-revestimento 8 separado do substrato pela interface 9. Começando dessa interface, a espectrometria de emissão óptica por descarga luminescente (GDOES), um técnica que é, por si só, conhecida, é usada para medir a profundidade pso% em que o teor de carbono é igual a 50% do teor de carbono nominal Co do substrato 10. O perfil de concentração pode exibir uma diminuição regular de carbono do substrato para a interface (perfil 11) ou até mesmo um mínimo localizado não distante da interface (perfil 12). Esse último caso reflete um enriquecimento de carbono localizado próximo DA superfície extrema que, na prática, não tem influência nas propriedades mecânicas depois da estampagem a quente. No caso do perfil 12, a profundidade pso% a ser levada em consideração é localizada além desse enriquecimento muito superficial, conforme ilustrado na Figura 3. Graças a um processo de fabricação que será descrito em mais detalhes abaixo, os inventores fabricaram peças, que começam com blocos brutos galvanizados e recozidos de aço de 22MnB5 de 1,2 mm de espessura que se diferem apenas pela presença de uma camada descarburada mais ou menos grande localizada sob o revestimento. Essas chapas foram cortadas para se obter blocos brutos que foram aquecidos no forno a 880 °C por 5 minutos, então, estampadas a quente para se obter as peças. Essas peças foram submetidas aos testes de dobramento, cujos resultados são ilustrados na Figura 5, por meio de que o

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 31/53

19/36 flexionamento durante a dobramento é exercido ou em uma direção paralela à direção de laminação (curva 13) ou em uma direção perpendicular (curva 14). Em oposição aos resultados apresentados na Figura 4, deve-se notar que a profundidade da área descarburada antes do endurecimento por prensagem torna possível predizer, satisfatoriamente, as propriedades da peça depois do endurecimento por prensagem. Para se obter um ângulo de dobramento crítico a_c 55° (a dobramento na direção paralela à laminação), a profundidade da área descarburada pso% não pode ser menor do que 6 micrômetros. Para essa condição ser satisfeita, independente da orientação em relação à direção de laminação, a profundidade da descarburação pso% não deve ser menor do que 9 micrômetros. Para se obter um valor a_c 55°, independente da orientação em relação à direção de laminação, a profundidade da descarburação pso% não deve ser menor do que 12 micrômetros. Surpreendentemente, foi, todavia, observado que, além de uma profundidade pso% de 30 micrômetros, a capacidade de dobramento não é aprimorada e se torna, até mesmo, ligeiramente pior quando o flexionamento for aplicado na direção perpendicular à laminação. Além disso, a diferença na capacidade de dobramento entre as direções paralela e perpendicular à laminação tem uma tendência a aumentar. Portanto, para satisfazer as exigências mecânicas, o valor de pso% deve estar entre 6 e 30 micrômetros, preferencialmente entre 9 e 30 e muito preferencialmente entre 12 e 30 micrômetros.

[050] O processo reivindicado pela invenção é descrito em mais detalhes abaixo. Primeiro, um aço para o tratamento térmico é alcançado conforme descrito acima. Esse aço está na forma de chapa laminada a frio plana. O tratamento térmico de recozimento explicado abaixo tem a finalidade específica de efetuar uma recristalização da microestrutura encruada através da laminação a frio. Depois de um desengorduramento opcional e limpeza eletrolítica para se obter uma superfície livre de contaminação, uma

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 32/53

20/36 profundidade de descarburação pso% entre 6 e 30 micrômetros pode ser obtida por meio dos seguintes processos:

- Em uma primeira realização, a chapa é submetida a um tratamento térmico à medida que a mesma percorre através de um forno de tubo radiante ou um forno aquecido por meio de resistência ou por meio de indução ou por meio de qualquer combinação desses meios diferentes. Esses meios oferecem a característica para ajustar, independentemente dos meios de aquecimento, a atmosfera que prevalece nas diferentes partes do forno. O forno compreende uma pluralidade de zonas (preaquecimento, aquecimento, retenção, resfriamento) em que diferentes condições de temperatura e/ou atmosfera prevalecem. A chapa é preaquecida até uma temperatura T1a em uma zona em que a atmosfera (designada A1) contém de 2 a 15%, em volume, de hidrogênio, preferencialmente de 3 a 5%, em volume, de hidrogênio, sendo que o saldo é nitrogênio e impurezas inevitáveis no gás, com um ponto de orvalho entre - 60 e -15 °C. Sabe-se que o ponto de orvalho caracteriza o potencial de oxidação da atmosfera em questão. A chapa em andamento, então, passa para outra zona do forno em que, começando-se em uma temperatura T1 a, a água é injetada na forma líquida ou de vapor ou o oxigênio ou uma combinação desses elementos diferentes, para aumentar o ponto de orvalho da atmosfera. A injeção não deve ser realizada em uma temperatura T1a menor do que 600 °C, que resultaria em uma oxidação em baixa temperatura do ferro. A injeção é, preferencialmente, realizada em uma temperatura T1a maior do que Ac1, a temperatura de partida da transformação austenítica do aço à medida que aquecido. Isso é devido ao fato de que acima dessa temperatura, o carbono está na solução sólida em austenita, isto é, em uma forma mais adequada para o fenômeno de descarburação que deve ocorrer. A injeção é, preferencialmente, realizada em uma temperatura T1a menor ou igual a Ac1+ 40 °C. Essa faixa de temperatura acima de Ac1 será preferida para se obter uma profundidade maior

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 33/53

21/36 de descarburação pso%, por exemplo, maior do que 9 ou 12 micrômetros. Além de Ac1+ 40 °C há um risco de aumentar o tamanho de grão austenítico e de ocasionar a formação de compostos bainíticos e/ou martensíticos no substrato de aço durante o resfriamento que segue o recozimento.

[051] A injeção é realizada para que o ponto de orvalho PR da atmosfera A2a dessa seção do forno seja entre -15 °C e a temperatura Te do ponto de orvalho do saldo termodinâmico de ferro/óxido de ferro. Na faixa de temperatura em questão, o óxido de ferro formado pode ser FeO ou Fe3O4. A temperatura Te de saldo mais baixa que corresponde à formação de um óxido ou a outra será selecionada. Essa temperatura Te pode ser determinada, por exemplo, por meio de referência à publicação: JANAF Thermomechanical Tables, 3^a edição, Parte II, Journal of Physical and Chemical Reference Data, Volume 14,1985, Complemento n^e 1, publicada pela American Chemical Society e pelo American Institute of Physics para o National Bureau of Standards. Nessas condições de injeção, uma oxidação interna seletiva de determinados elementos aditivos presente no aço (Mn, Si, Al, Cr, Ti) é executada sem qualquer oxidação de superfície do ferro. A oxidação interna pode ter uma profundidade que se estende até aproximadamente 5 micrômetros abaixo da superfície para Mn, Si, Al e Cr. Há um enriquecimento de oxigênio nessa área de superfície, cujo teor de oxigênio médio é designado por Om. Se o teor de oxigênio nominal do substrato de aço é designado por Oo, a razão Om/Oo que caracteriza o enriquecimento de superfície no oxigênio é maior do que 15.

[052] Os óxidos estão localizados entre 0 e 5 micrômetros abaixo da interface entre o pré-revestimento e o substrato. Para um ponto de orvalho PR maior do que -15 °C, a densidade de óxidos com um diâmetro maior do que 1 micrômetro nessa área é maior do que 50/mm².0 diâmetro é definido conforme segue: começando com uma seção metalográfica, o diâmetro do círculo que teria a mesma área de superfície é determinado. Sabe-se que os óxidos têm,

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 34/53

22/36 geralmente, uma influência desfavorável na ductilidade por conta de seu papel como locais de falha incipiente. Conforme explicado abaixo, a natureza específica dos óxidos internos formados sob as condições da invenção não tem qualquer efeito indesejável na adequabilidade à dobramento depois do endurecimento por prensagem.

[053] Sob essas condições, ocorre uma descarburação superficial. O ponto de orvalho for maior do que a temperatura Te do ponto de orvalho que corresponde ao saldo de ferro/óxido de ferro, a atmosfera se torna oxidante para ferro. Durante as etapas de recozimento subsequentes, há um risco em potencial de não reduzir completamente o óxido de ferro e ocasionar o aparecimento local de efeitos de revestimento que correspondem à presença local de óxidos superficiais não reduzidos. A temperatura Te é uma função da temperatura e da concentração de hidrogênio na atmosfera. Por meio de ilustração, para uma atmosfera que contém 97,5% de nitrogênio e 2,5% de hidrogênio, Te=+9 °C em 800 °C. Para uma atmosfera que contém 95% de nitrogênio e 5% de hidrogênio, Te= +18 °C em 800 °C. A chapa sai, então, da seção em que a injeção foi realizada em uma temperatura T2a que está entre 720 e 860 °C e entra em uma zona de retenção em uma temperatura Tm entre T2a e T2a+ 40 °C. O intervalo de tempo entre o momento quando a chapa está na temperatura T1a e o momento quando a mesma alcança a temperatura T2a deve ser pelo menos 30 segundos para se obter uma profundidade de descarburação pso% entre 6 e 30 micrômetros.

[054] Opcionalmente, a atmosfera no começo da zona de retenção pode ser idêntica àquela da zona precedente, isto é, pode ter um ponto de orvalho entre -15 e Te. A chapa pode, então, ser resfriada ou a mesma pode ser mantida na temperatura Tm sob uma atmosfera A3 que contém de 2 a 15%, em volume, de hidrogênio, preferencialmente de 3 a 5%, em volume, de hidrogênio, sendo que o saldo consiste em nitrogênio e impurezas inevitáveis no

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 35/53

23/36 gás, com um ponto de orvalho entre - 60 e -15 °C, sendo que essas condições são redutoras para ferro. A etapa de resfriamento que segue é descrita abaixo.

[055] Em uma segunda realização, o processo de fabricação começa de uma maneira idêntica ao processo descrito acima, até a etapa da injeção na temperatura T1a entre 600 °C e Ac1+ 40 °C, preferencialmente maior do que Ac1. Nessa temperatura, uma quantidade de água, vapor ou oxigênio é injetada para se obter, nessa zona do forno, uma atmosfera designada A2B que é oxidante para ferro. Essas condições ocasionam uma oxidação completa da superfície, isto é, do ferro e de determinados elementos aditivos (Mn, Si, Al, Cr, Ti). Debaixo dessa camada de óxido, os óxidos internos de Mn, Si, Al, Cr ou Ti são formados e ocorre um enriquecimento de oxigênio. Uma descarburação superficial ocorre ao mesmo tempo em que a oxidação do ferro. A chapa, então, sai da seção de injeção em uma temperatura T2a que está entre 720 e 860 °C e entra em uma zona de retenção em uma temperatura de retenção Tm entre T2a e T2a+ 40 °C. O intervalo de tempo entre o momento quando a chapa está na temperatura T1 a e o momento quando a mesma alcança a temperatura T2a deve ser pelo menos 30 segundos para se obter uma profundidade de descarburação P50% entre 6 e 30 micrômetros. Além disso, na zona de retenção, a chapa é mantida na temperatura Tm em uma atmosfera A3 que é redutora para ferro, por meio de que as condições são selecionadas para que a redução completa da camada de óxido de ferro ocorra não mais tarde do que no fim da retenção na temperatura Tm. Para esse fim, por exemplo, uma atmosfera que contém de 2 a 15%, em volume, de hidrogênio pode ser selecionada, preferencialmente de 3 a 5%, em volume, de hidrogênio, sendo que o saldo consiste em nitrogênio e impurezas inevitáveis no gás, com um ponto de orvalho entre - 60 e -15 °C para que ocorra uma duração de tempo suficiente para a redução completa da camada superficial de óxido de ferro nessa zona. Depois da redução dessa camada de óxido de ferro, a chapa contém óxidos de Mn, Si, Al ou Cr localizados

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 36/53

24/36 entre 0 e 5 micrômetros abaixo da superfície, por meio de que a densidade de óxidos com um diâmetro maior do que 1 micrômetro, nessa área, é maior do que 50/mm². O enriquecimento de oxigênio local é tal que a razão de Om/Oo é maior do que 15.

[056] A etapa de resfriamento que segue é descrita abaixo.

[057] Em uma terceira realização, o ciclo térmico para o recozimento da chapa combina diferentes meios de aquecimento; a etapa de preaquecimento é realizada em uma zona de um forno de chama direta (DFF). À medida que a mesma percorre através do forno, a chapa é preaquecida até uma temperatura T1B entre 550 e 750 °C em uma zona em que a atmosfera resulta da combustão de uma mistura de ar e gás natural. De acordo com a invenção, a razão de ar/gás está entre 1 e 1,2, sendo que se compreende que a combustão entre ar e gás em uma relação estequiométrica é de 1. Essas condições de preaquecimento resultam na formação de uma camada superficial de óxido de ferro, cuja espessura está entre 0,10 e 0,25 micrômetros. Debaixo dessa camada de óxido, os óxidos internos de Mn, Si, Al, Cr ou Ti são formados e ocorre um enriquecimento de oxigênio. Na saída dessa zona de preaquecimento no forno DFF, a chapa entra em uma segunda zona de forno aquecida por tubos radiantes (RTF) ou por resistências ou por indução ou por qualquer combinação desses meios diferentes. A atmosfera contém de 3 a 40%, em volume, de hidrogênio, sendo que o saldo consiste em nitrogênio e impurezas inevitáveis, com um ponto de orvalho de menos do que -30 °C. Nessa segunda zona, a chapa é aquecida até uma temperatura T2B entre 760 e 830 °C. Preferencialmente, T2B é maior do que Ac1, o que torna possível uma descarburação mais rápida por conta da presença de carbono na solução sólida na austenita. O intervalo de tempo entre o momento quando a chapa está na temperatura T1B e o momento quando a mesma alcança a temperatura T2B deve ser pelo menos 30 segundos para se obter uma profundidade de

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 37/53

25/36 descarburação pso% entre 6 e 30 micrômetros. Essas condições levam a uma redução completa da camada superficial de óxido de ferro criada na etapa precedente e à descarburação superficial pretendida. Depois da redução dessa camada de óxido de ferro, a chapa contém óxidos de Mn, Si, Al ou Cr localizados entre 0 e 5 micrômetros abaixo da superfície, por meio de que a densidade de óxidos com um diâmetro maior do que 1 micrômetro, nessa área, é maior do que 50/mm². O enriquecimento de oxigênio local é tal que a razão de Om/Oo é maior do que 15.

- A chapa, então, percorre para uma zona de retenção em uma temperatura de retenção Tm entre T2B e T2b+ 40 °C.

[058] O resto do processo é idêntico nas três realizações descritas acima. A chapa é resfriada até uma temperatura T3 em uma atmosfera A4 para que ocorra nenhuma reoxidação superficial do ferro. Por exemplo, uma atmosfera que contém de 2 a 70%, em volume, de hidrogênio pode ser usada, sendo que o saldo consiste em nitrogênio e impurezas inevitáveis no gás, com um ponto de orvalho entre - 60 e -30 °C. A chapa que entra, subsequentemente, no banho de pré-revestimento é, portanto, completamente livre de óxido de ferro superficial. A temperatura T3 está próxima da temperatura Tbm, da temperatura do banho de pré-revestimento, para impedir uma ruptura térmica do banho. Por essa razão, a temperatura T3 estará entre Tbm-10 °C e Tbm+ 50 °C. Portanto, para um pré-revestimento com zinco, a temperatura T3 será entre 450 e 510 °C. Para um pré-revestimento em um banho de alumínio-silício, a temperatura T3 será entre 660 e 720 °C.

[059] O pré-revestimento pode ser alumínio ou uma liga a base de alumínio. No último caso, a chapa pode ser, vantajosamente, obtida através de mergulho contínuo em um banho de liga de alumínio-silício que contém, em percentual em peso, de 7 a 15% de silício, de 3 a 20% de ferro, opcionalmente entre 15 e 30 ppm de cálcio, sendo que o restante consiste em alumínio e nas

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 38/53

26/36 impurezas inevitáveis que resultam do processamento.

[060] O pré-revestimento também pode ser zinco ou uma liga de zinco. Em particular, o mesmo pode ser galvanizado por imersão a quente (Gl) contínuo, que contém de 0,25 a 0,70% de Al, de 0,01 a 0,1% de Fe, sendo que o saldo é zinco e impurezas inevitáveis que resultam do processamento. O prérevestimento também pode ser galvanizado e recozido (GA), contendo de 0,15 a 0,4% de Al, de 6 a 15% de Fe, sendo que o saldo é zinco e impurezas inevitáveis que resultam do processamento. O pré-revestimento também pode ser uma liga de zinco-alumínio-magnésio que contém de 1 a 15% de Al, de 0,5 a 5% de Mg, de 0,01 a 0,1% de Fe, sendo que o saldo é zinco e impurezas inevitáveis que resultam do processamento. O pré-revestimento também pode ser uma liga que contém de 4 a 6% de Al, de 0,01 a 0,1% de Fe, sendo que o saldo é zinco e impurezas inevitáveis que resultam do processamento.

[061] O pré-revestimento também pode ser uma liga de alumíniozinco que contém de 40 a 45% de Zn, de 3 a 10% de Fe e de 1 a 3% de Si, sendo que o saldo é zinco e impurezas inevitáveis que resultam do processamento.

[062] O pré-revestimento também pode ser composto de uma superposição de camadas, por exemplo, depois da deposição através de revestimento por mergulho de uma camada de alumínio ou liga de alumínio, um ou mais depósitos subsequentes de zinco ou liga de zinco podem ser estendidos, por exemplo, através de eletrodeposição ou através de deposição a vácuo: PVD (Deposição Física de Vapor) e/ou CVD (Deposição Química de Vapor), por meio de que esses processos de deposição são conhecidos por si próprios.

[063] Nesse estágio, por meio dos processos descritos acima, uma chapa é obtida, que é composta de um substrato de aço, cuja profundidade de descarburação pso% está entre 6 e 30 micrômetros, coberta por um prérevestimento, sem uma camada de óxido de ferro presente entre o substrato e o

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 39/53

27/36 pré-revestimento. A Figura 1 apresenta um exemplo de uma chapa desse tipo, Por meio de que, o substrato de aço 1 compreende uma área superficial descarburada específica 2 coberta por um pré-revestimento galvanizado e recozido 1.

[064] Essa chapa é, então, cortada para obter um bloco bruto, cuja geometria está em uma relação definida com a geometria final da peça pretendida. Opcionalmente, é possível estampar a frio a peça para aproximar a mesma, mais ou menos, da geometria final da peça pretendida. No caso de uma pequena deformação a frio, o processo pode ser complementado por uma deformação a quente, conforme será explicado abaixo.

[065] Esse bloco bruto plano ou pré-estampado é, então, aquecido até uma temperatura Tr capaz de conferir uma estrutura parcial ou completamente austenítica ao substrato de aço. Tr pode ser entre Aci (temperatura do começo da transformação austenítica do aço quando aquecido) e Ac3 (temperatura do fim da transformação austenítica), em particular, quando o objetivo for alcançar microestruturas bainítica-martensíticas depois do resfriamento na prensa. Por outro lado, a temperatura Tr será maior do que Ac3 se o objetivo for uma microestrutura principalmente martensítica na peça final. Os blocos brutos são, preferencialmente, aquecidos em um fomo sob uma atmosfera ordinária; durante essa etapa, sendo que a formação de liga ocorre entre o aço do substrato e o pré-revestimento. O termo pré-revestimento é usado para designar a liga antes do aquecimento e revestimento para designar a camada de liga formada durante o aquecimento que precede imediatamente a estampagem a quente. O tratamento térmico no fomo modifica, portanto, a natureza do prérevestimento e sua geometria devido ao fato de a espessura do revestimento final ser maior do que aquela do pré-revestimento. O revestimento formado pela formação de liga protege o aço subjacente contra oxidação e descarburação adicional e é apropriado para a moldagem a quente subsequente, em particular, em

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 40/53

28/36 um processo de estampagem. A formação de liga ocorre em toda a espessura do revestimento. Dependendo da composição do pré-revestimento, uma ou mais fases intermetálicas são formadas nessa camada de liga e/ou uma liga na forma de uma solução sólida. O enriquecimento de ferro do revestimento resulta em uma rápida avaliação de seu ponto de fusão. Os revestimentos formados também têm a vantagem de que os mesmos são aderentes e adequados para as operações de conformação a quente e rápido resfriamento em potencial que devem seguir.

[066] O bloco bruto é mantido em uma temperatura Tr para garantir a uniformidade de sua temperatura interna. Dependendo da espessura do bloco bruto, que pode estar na faixa entre 0,5 e 2,6 mm, por exemplo, o tempo de retenção na temperatura T1 [s/c; Tr] pode variar de 30 segundos a 15 minutos.

[067] O bloco bruto aquecido é, então, extraído do forno e transferido para o conjunto de ferramentas, por meio de que essa transferência é realizada rapidamente de modo a não causar a transformação da austenita durante o resfriamento. Em uma realização variante, o bloco bruto é aquecido nas redondezas do conjunto de ferramentas, então conformado a quente sem transferência. O bloco bruto é, então, estampado a quente para obter a geometria final da peça. Outros modos de deformação a quente também são possíveis, por exemplo, moldagem entre cilindros, um processo geralmente conhecido como moldagem a cilindro. Se o bloco bruto já tiver sido previamente estampado a frio, a etapa que segue a extração do bloco bruto do forno pode ser simplesmente uma conformação em uma ferramenta de prensa. Nesse caso, a conformação é caracterizada por uma força menor aplicada pelo conjunto de ferramentas na peça e a finalidade é finalizar a geometria final da peça e evitar as deformações em potencial durante o resfriamento.

[068] Opcionalmente, também é possível aquecer apenas uma porção do bloco bruto ou resfriar a peça estampada diferentemente em suas diferentes áreas, em cujo caso essas variantes resultam em peças que são

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 41/53

29/36 endurecidas de maneira não uniforme, por meio de que determinadas áreas são significativamente mais rígidas, enquanto outras áreas têm uma resistência mecânica menor, mas maior ductilidade.

[069] Depois da etapa de estampagem ou conformação, a peça é mantida no conjunto de ferramentas, que pode, opcionalmente, ser resfriado para garantir seu resfriamento eficaz por meio de condução térmica.

[070] Dependendo da taxa de resfriamento e da capacidade de endurecimento do aço do substrato, a microestrutura final é martensítica ou bainítica-martensítica.

[071] Os resultados a seguir, que são apresentados por meio de um exemplo não restritivo, demonstram as características vantajosas alcançadas pela invenção.

Exemplo 1:

[072] Uma chapa laminada a frio de 1,2 mm de espessura é alcançada, cuja composição, expressa em percentual em peso (%), é a seguinte, sendo que o restante consiste em ferro e impurezas inevitáveis que resultam do processamento:

c	Mn	Si	Cr	Ti	Al	S	P	B	O
0,22	1,17	0,24	0,19	0,040	0,032	0,003	0,013	0,003	0,0014

[073] A temperatura Ac1 dessa composição de aço é 724 °C. A chapa é preaquecida à medida que percorre através de um forno de tubo radiante sob uma atmosfera Α1 de nitrogênio que contém 4,7%, em volume, de hidrogênio com um ponto de orvalho de -31 °C até uma temperatura T1 a de 600 °C, depois do que a água é injetada para obter uma atmosfera A2a com um ponto de orvalho PR. Os diferentes testes foram realizados modificando-se o fluxo de água injetada no forno para variar o ponto de orvalho PR entre -27 °C (obtido por meio da injeção de uma quantidade relativamente grande de água) e +2 °C. Em todos os testes, a chapa foi, então, aquecida da temperatura T1a para a

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 42/53

30/36 temperatura T2a igual a 780 °C na atmosfera A2a por 110 segundos, a qual alcança uma descarburação e uma oxidação interna seletiva de Mn, Si, Al, Cr e Ti, por meio de que esses óxidos são formados nas redondezas imediatas da superfície da chapa. Na temperatura T2a, o ponto de orvalho do saldo de ferro/óxido de ferro é + 17 °C. A chapa então entra em uma zona do forno em que a mesma é aquecida na temperatura Tm de 780 °C sob uma atmosfera A3 que contém nitrogênio e 7% de hidrogênio, que é redutivo para ferro. A chapa é, então, resfriada à medida que percorre até outra zona do forno sob uma atmosfera A4 que contém 10% de hidrogênio, para uma temperatura T3 de 470 °C e é pré-revestida por meio de mergulho em um banho na temperatura Tm de 462 °C que contém zinco e 0,125% de alumínio assim como impurezas inevitáveis. A reoxidação superficial do ferro ocorre nas etapas de retenção e resfriamento na atmosfera A4. Imediatamente após o pré-revestimento, a chapa é reaquecida para uma temperatura de 540 °C para obter um pré-revestimento galvanizado e recozido (GA), isto é, um que contenha 9% de ferro. O resultado é uma chapa que não contém uma camada de óxido de ferro entre o substrato de aço e o pré-revestimento galvanizado e recozido. A Figura 12 ilustra nas observações feitas sob as condições da invenção, os óxidos formados durante a oxidação interna seletiva, que são visíveis no substrato de aço imediatamente debaixo do pré-revestimento. Esses óxidos podem ser isolados ou alinhados ao longo dos contornos de grão. Com base em uma análise da espectroscopia por dispersão de energia por raio desses óxidos (EDS), mostrou-se que esses são óxidos de manganês, silício e alumínio, conforme ilustrado nas Figuras 14 e 15, que exibem picos característicos que correspondem a esses elementos. O pico para o ferro é devido à matriz que circunda os óxidos.

[074] A Figura 13 ilustra a presença de óxidos com um diâmetro maior do que 1 micrômetros, cuja densidade é maior do que 50/mm² na área localizada entre 0 e 5 micrômetros abaixo da superfície da chapa de aço.

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 43/53

31/36 [075] A Figura 16 ilustra a variação do teor de oxigênio relativo (O/Oo) sob o pré-revestimento no substrato, medido através de espectrometria de emissão óptica por descarga luminescente, por meio de que Oo designa o teor de oxigênio nominal do substrato. Essa variação foi medida para valores do ponto de orvalho PR de -3 °C e +2 °C. A profundidade p=0 corresponde à interface entre o substrato e o pré-revestimento. Em uma área localizada entre 0 e 5 micrômetros abaixo da superfície do substrato, há um aumento no teor de oxigênio que corresponde à presença dos óxidos mencionados acima. O enriquecimento local no oxigênio nessa área é tal que a razão de Om/Oo é maior do que 15. É igual a 15,1 for PR=-3 °C e a 17,4 para PR=+2 °C.

[076] As chapas pré-revestidas são, então, cortadas para se obter blocos brutos adequados para a estampagem. Esses blocos brutos foram aquecidos até uma temperatura de 880 °C em um forno sob uma atmosfera comum. Depois de um tempo de retenção de cinco minutos no forno (inclusive um período de 4 minutos para a fase de aquecimento), os blocos brutos foram extraídos e imediatamente estampados. Depois da estampagem a quente, as peças foram resfriadas na prensa em uma taxa maior do que 30 °C por segundo para obter uma estrutura totalmente martensítica no substrato de aço. A última resistência à tração Rm obtida nas peças endurecidas é tipicamente na ordem de 1.500 MPa.

[077] O ângulo de dobramento crítico a_c dessas peças foram medidas por um teste de dobramento em três pontos realizado com dois cilindros externos com um diâmetro de 30 mm e uma lâmina central com um raio muito pequeno.

[078] A Figura 6 ilustra a variação do ângulo crítico a_c como uma função do ponto de orvalho PR depois da injeção de água que começa na temperatura T1 a. Quando PR for menor do que -15 °C, o ângulo de dobramento obtido tem um valor insatisfatório de menos do que 55 °. Quando PR exceder a

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 44/53

32/36 temperatura Te de + 17 °C, há um risco em potencial de não reduzir completamente o óxido de ferro durante a retenção subsequente e ocasionando a aparência local de defeitos de revestimento que correspondem à presença local de óxidos superficiais não reduzidos. Na faixa da invenção, o ângulo de dobramento varia pouco como uma função do ponto de orvalho. Entre -15 e -7 °C, o aumento de média é 0,79 ⁰ por °C, enquanto a variação é maior abaixo de - 15 °C (1,05 ⁰ por °C). Quando PR for entre - 15 e -10 °C, uma faixa particularmente interessante é detectada, devido ao fato de o ângulo de dobramento ser praticamente independente do ponto de orvalho. Em outras palavras, nessa faixa em particular, qualquer flutuação indesejável em potencial da quantidade de água injetada durante o recozimento no forno não tem consequência na adequabilidade para a dobramento depois da estampagem a quente, o que torna possível garantir um alto grau de estabilidade das características das peças estampadas e endurecidas por prensagem. Também pode ser observado que essa boa capacidade de dobramento é obtida apesar da presença de óxidos formados abaixo do pré-revestimento. Sem estar ligado a uma teoria, considera-se que os danos incipientes que começam a partir desses óxidos têm uma tendência a serem atrasados pela tenacidade intrínseca da área com teor de carbono reduzido na qual os mesmos estão situados.

[079] Os testes também foram realizados através da variação simultânea de PR e da temperatura T1a, por meio de que a última é 720 °C (isto é, Ac1 -4 °C) ou 760 °C (Ac1 +36 °C). A Figura 7 ilustra a influência da temperatura T1a e do ponto de orvalho PR na profundidade de descarburação pso% antes da estampagem a quente, medida através de espectrometria de emissão óptica por descarga luminescente. Quando o ponto de orvalho for muito baixo, a profundidade descarburada não alcança o valor exigido pela invenção (resultado marcado A na Figura 7). Um ponto de orvalho suficientemente alto, com uma temperatura T1a ligeiramente baixa Ac1, torna possível alcançar a profundidade

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 45/53

33/36 exigida (resultado B). O aquecimento até uma temperatura mais alta T1a (Ac1+36 °C) torna possível aumentar significativamente a profundidade de descarburação pso% (resultado C).

[080] Depois de as peças estampadas a quente obtidas serem polidas e causticadas usando o reagente Nital, a microestrutura sob o revestimento que resulta da formação de liga através de difusão entre o zinco do pré-revestimento inicial e o aço do substrato foi observada usando-se microscopia óptica. A Figura 8 também ilustra o revestimento 15 e a aço subjacente 16 para um recozimento com um ponto de orvalho PR = -27 °C. A Figura 9 ilustra o revestimento 17 e o aço subjacente 18 para um recozimento com um ponto de orvalho PR = -7 °C. Apesar da diferença significativa na capacidade de dobramento entre os dois espécimes (20°), nenhuma diferença microestrutural significativa foi detectada entre os dois espécimes depois da estampagem a quente, apesar da diferença de descarburação existente entre os mesmos antes da estampagem a quente.

[081] A Figura 10 ilustra a variação, antes da estampagem a quente, do teor de carbono das duas chapas recozidas em uma atmosfera A2a com o ponto de orvalho PR de -27 °C ou -7 °C. Essa variação, medida por espectrometria de emissão óptica por descarga luminescente no substrato de aço, é expressa na Figura 10 como uma função da profundidade abaixo da interface entre o aço e o pré-revestimento. O teor (C) local medido foi determinado em relação ao teor de carbono nominal Co para obter a variação do teor de carbono relativo C/Co. Deve-se notar que as áreas descarburadas são muito diferentes sob as duas condições de recozimento, por meio de que a profundidade de descarburação pso% é 15 micrômetros para PR = -7 °C e 3 micrômetros para PR = -27 °C. Se for considerada a totalidade da área descarburada, a profundidade de descarburação medida depois do recozimento com PR = -7 °C é maior por aproximadamente 35 micrômetros do que aquela

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 46/53

34/36 medida depois do recozimento em PR = -27 °C.

[082] Depois da estampagem a quente das chapas, o mesmo processo foi usado para determinar a variação do teor de carbono sob o revestimento das peças então obtidas. A Figura 11 ilustra a variação do teor de carbono relativo C/Co dessas peças. Pode ser, desse modo, mostrado que a área descarburada é essencial mente idêntica sob as duas condições de recozimento.

[083] Isso indica que o aquecimento no forno antes do tratamento por endurecimento por prensagem leva a uma difusão de carbono em direção à superfície descarburada do aço. A determinação da descarburação depois da estampagem a quente não torna possível determinar que o recozimento com PR = -7 °C levará aos resultados de dobramento satisfatórios, enquanto o recozimento em PR = -27 °C não irão alcançar o nível exigido. Muito embora seja incompleta, essa homogeneização do carbono torna possível, no entanto, obter no aço localizado imediatamente debaixo do revestimento, um teor de carbono suficiente para causar um endurecimento martensítico sob as condições de resfriamento ligadas à estampagem a quente, conforme ilustrado nas Figuras 8 e 9. No entanto, as características de tenacidade intrínsecas da martensita criadas sob essas condições dependem das condições de descarburação que resultam, em particular, da escolha da temperatura PR. Portanto, o teste eficaz da adequabilidade para a dobramento das peças estampadas a quente deve ser realizado nas chapas ou nos blocos brutos antes da operação de estampagem a quente e não depois, com contrário do que seria esperado por uma pessoa versada na técnica.

[084] Além disso, as peças estampadas a quente fabricadas a partir das chapas pré-revestida com zinco ou liga de zinco descarburadas de acordo com a invenção exibem uma aptidão específica para soldagem através de solda por pontos. Parece que, depois do aquecimento e da estampagem a quente, há uma camada descarburada debaixo do

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 47/53

35/36 revestimento. Sabe-se que a soldagem por resistência leva a uma elevação de temperatura local muito grande devido ao fato de a fusão ser alcançada no núcleo fundido que constitui a junta entre os componentes soldados. Nas juntas soldadas executadas nas peças estampadas a quente convencionais, há uma fragilização dos contornos de grão austenítico através da penetração do zinco do revestimento, que é, então, líquido por conta da elevação de temperatura durante a soldagem. De acordo com a invenção, a presença de uma área em que o carbono é muito gasto sob o revestimento leva a um aumento local na temperatura de transformação Ac3 na austenita durante o aquecimento. Dependendo do teor de carbono, a estrutura em alta temperatura é, então, constituída por uma microestrutura de ferrita ou por uma mistura de ferrita e austenita. Na presença de zinco líquido, essa microestrutura exibe uma sensibilidade reduzida à rachadura em comparação com a estrutura austenítica.

Exemplo 2:

[085] As chapas pré-revestidas com zinco que usam o processo descrito acima foram fabricadas, com a exceção de que as chapas têm uma de 1,8 mm e não foram reaquecidas até 540 °C depois do revestimento por imersão a quente, como resultado do que seu revestimento é galvanizado e não galvanizado e recozido.

[086] As condições de fabricação foram selecionadas para se obter uma chapa com uma profundidade descarburada pso% de 6 micrômetros. As chapas foram cortadas para obter blocos brutos que foram autenitizados em uma temperatura de 880 °C em um forno sob uma atmosfera comum. Depois de um tempo de retenção total de até 10 minutos no forno, os blocos brutos foram extraídos, imediatamente estampados a quente e endurecidos por prensagem. A tabela a seguir indica a variação do ângulo de dobramento crítico Qecomo uma função do tempo total de retenção

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 48/53

36/36 da peça no forno.

Tempo de retenção (minutos)	Ângulo de dobramento a_c(°)
5,5	57,5
7	55
10	54

[087] Portanto, parece que os blocos brutos podem permanecer no forno até 7 minutos antes de serem estampados, enquanto ainda satisfazem as exigências. Isso torna possível solucionar os problemas encontrados nos fios de estampagem a quente, quando um incidente no fio torna necessário manter os blocos brutos no forno por mais tempo do que o planejado. A invenção torna essa capacidade de dobramento possível eliminando, desse modo, a rejeição desnecessária dos blocos brutos. Também pode ser observado que além dos 7 minutos, o aumento no tempo de retenção leva a apenas uma diminuição muito pequena no ângulo de dobramento, o que indica que o processo reivindicado pela invenção garante um alto nível de segurança, no caso de um desvio em relação aos parâmetros de tratamento térmico nominal durante a estampagem a quente e torna possível alcançar um alto grau de reprodutibilidade das características mecânicas das peças.

[088] Portanto, a invenção torna possível a fabricação de chapas pré-revestidas e peças revestidas com características de resistência muito alta e capacidade de dobramento e com boa isotropia, sob condições econômicas muito satisfatórias. Essas peças podem ser vantajosamente usadas como peças estruturais ou de reforço no campo de construção de automóvel.

Petição 870190039448, de 26/04/2019, pág. 49/53

Claims

Reivindicações

1. CHAPA LAMINADA A FRIO E RECOZIDA, com uma espessura entre 0,5 e 2,6 mm, pré-revestida, para a fabricação de peças endurecidas por prensagem, caracterizada por ser composta de um substrato de aço para tratamento térmico com um teor de carbono Co entre 0,07% e 0,5%, por meio de que esse teor é expresso em peso e um pré-revestimento de metal em pelo menos duas faces principais do substrato de aço, esse pré-revestimento de metal sendo alumínio ou uma liga de alumínio ou zinco ou uma liga de zinco, ou é composto de uma camada de alumínio ou uma liga a base de alumínio coberta por uma camada de zinco ou uma liga de zinco, em que a composição do substrato de aço contém, expresso em percentual em peso: