BR112021003523A2 - chapa de aço laminada a quente, processo para a fabricação de uma chapa de aço laminada a quente e uso da chapa de aço laminada a quente - Google Patents

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CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO DE UMA CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE E USO DA CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE. Uma chapa de aço laminada a quente tendo uma composição química que compreende, em % em peso: 0,15% = C = 0,20%, 0,50% = Mn = 2,00%, 0,25% = Si = 1,25%, 0,10% = Al = 1,00%, com 1,00% = (Al + Si) = 2,00%, 0,001% = Cr = 0,250%, P = 0,02%, S = 0,005%, N = 0,008% e, opcionalmente, um ou mais elementos entre: 0,005% = Mo = 0,250%, 0,005% = V = 0,250%, 0,0001% = Ca = 0,003% e 0,001% = Ti = 0,025%, sendo o restante Fe e impurezas inevitáveis, e em que a microestrutura compreende, na fração superficial, ferrita e bainita, sendo a soma superior a 5% e estritamente inferior a 20%, sendo o restante constituído por martensita temperada.

Description

“CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO DE UMA CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE E USO DA CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE” CAMPO DA INVENÇÃO
[001] A presente invenção se refere a uma chapa de aço laminada a quente, tendo um limite de escoamento compreendido entre 780 MPa e 1000 MPa, uma resistência à tração compreendida entre 950 MPa e 1150 MPa, de preferência entre 980 MPa e 1150 MPa, e uma razão de expansão do furo superior a 45%, que pode ser utilizada na fabricação de peças estruturais de veículos automotores.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[002] Diminuir o peso dos veículos para reduzir as emissões de CO2 é um grande desafio na indústria automotiva. Essa redução de peso deve estar associada a requisitos de segurança. Novos aços de alta resistência são desenvolvidos continuamente pela indústria siderúrgica para atender a esses requisitos. À medida que aumenta o uso de aços de alta resistência em aplicações automotivas, há uma crescente demanda por aços com maior resistência e melhoria no desempenho de expansão do furo. Assim, várias famílias de aços que oferecem vários níveis de resistência foram propostas.
[003] A publicação EP 1 138 796 descreve uma chapa de aço laminada a quente com uma resistência à tração superior a 1000 MPa, utilizável em peças automotivas. A fabricação desta chapa de aço laminada a quente necessita de elementos de liga caros obrigatórios, tais como molibdênio que, devido ao seu efeito de endurecimento, permite obter uma estrutura totalmente bainítica e propriedades mecânicas elevadas, e vanádio que faz com que seja possível obter excelentes nitretos e carbonetos e um elevado nível de propriedades mecânicas de tração.
[004] Na publicação WO 2018/108653, uma chapa de aço plana laminada a quente é produzida com uma resistência à tração de 800 MPa a 1500 MPa, um limite de escoamento de mais de 700 MPa, um alongamento de 7 a 25% e um valor de expansão de furo de mais de 20%. Esta chapa de aço martensítica laminada a quente é produzida por meio do chamado processo de têmpera e particionamento em que a chapa de aço é primeiro resfriada em uma faixa em que a transformação martensítica é incompleta. Depois disso, a chapa de aço é reaquecida em uma faixa de temperatura em que o carbono é particionado, ou seja, difunde-se da martensita e enriquece a austenita para estabilizá-la. A chapa de aço é então resfriada até a temperatura ambiente. Assim, a chapa de aço final contém martensita particionada, martensita fresca e austenita retida. No entanto, a implementação de tal processo requer dispositivo e linha de produção específicos.
[005] A publicação WO 2012/130434 descreve um tratamento térmico que é variável ao longo da largura de uma chapa revestida tendo uma fase dupla ou uma microestrutura martensítica, de modo a obter uma folha de metal com propriedades mecânicas personalizadas ao longo da largura da tira de metal. No entanto, esse método precisa de equipamentos de produção específicos e dedicados. Além disso, os tratamentos térmicos localizados podem criar tensões residuais e problemas de planicidade.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[006] Um objetivo da presente invenção é fornecer uma chapa de aço laminada a quente de alta resistência sem a necessidade de uma grande quantidade de adições de elementos caros.
[007] Outro objetivo desta invenção é fabricar uma chapa de aço laminada a quente usando uma linha de produção convencional e sem aumento do custo de fabricação.
[008] Assim, a invenção visa fornecer um aço laminado a quente de alta resistência com um limite de escoamento compreendido entre 780 MPa e 1000 MPa, uma resistência à tração TS compreendida entre 950 MPa e 1150 MPa, de preferência entre 980 MPa e 1150 MPa, um alongamento total superior a 8%, e uma taxa de expansão HER superior a 45%.
[009] Outro objetivo da invenção é fornecer uma chapa de aço com uma alta resistência ao início e propagação de fissuras, tornando assim possível evitar qualquer fratura quebradiça das peças fabricadas a partir da chapa de aço. Para este fim, a invenção visa fornecer uma chapa de aço plana laminada a quente com uma energia de fratura Charpy V superior a 50 J/ cm² a 20 °C.
[0010] Esta invenção diz respeito a uma chapa de aço laminada a quente tendo a composição química compreende, em % em peso: 0,15% ≤ C ≤ 0,20%, 0,50% ≤ Mn ≤ 2,00%, 0,25% ≤ Si ≤ 1,25%, 0,10% ≤ Al ≤ 1,00%, com 1,00 ≤ (Al + Si) ≤ 2,00, 0,001% ≤ Cr ≤ 0,250%, P ≤ 0,02%, S ≤ 0,005, N ≤ 0,008% e opcionalmente um ou mais elementos entre: 0,005% ≤ Mo ≤ 0,250%, 0,005% ≤ V ≤ 0,250%, 0,0001% ≤ Ca ≤ 0,0030% e 0,001% ≤ Ti ≤ 0,025% o restante sendo ferro e impurezas inevitáveis, e em que a microestrutura compreende na fração superficial, ferrita e bainita, cuja soma é superior a 5% e estritamente inferior a 20%, sendo o restante constituído por martensita temperada.
[0011] Em uma forma de realização preferida, o teor de silício está compreendido entre 0,40% e 0,90%.
[0012] Em outra forma de realização preferida, o teor de alumínio está compreendido entre 0,30% e 0,90%.
[0013] Em outra forma de realização preferida, a soma do teor de alumínio e silício está entre 1,20% e 2,00%.
[0014] A chapa de aço laminada a quente da invenção tem o limite de escoamento YS compreendido entre 780 MPa e 1000 MPa e a resistência à tração TS entre 950 MPa e 1150 MPa, de preferência entre 980 MPa e 1150 MPa.
[0015] De acordo com a invenção, o alongamento total do aço é superior a 8%.
[0016] De acordo com a invenção, o valor de expansão do furo do aço é superior a 45%.
[0017] De acordo com a invenção, a energia Charpy V do aço é superior a 50 J/ cm² a 20 °C.
[0018] A espessura do aço da invenção está compreendida entre 1,8 mm e 4,5 mm, de preferência entre 1,8 mm e 3,5 mm.
[0019] De acordo com a invenção, a chapa de aço laminada a quente compreende uma camada de ferrita na superfície com uma espessura inferior a 5% da espessura da referida chapa de aço laminada a quente.
[0020] De acordo com a invenção, a chapa de aço laminada a quente é revestida com zinco ou liga à base de zinco.
[0021] Em uma primeira forma de realização, o revestimento à base de zinco compreende de 0,01% a 8,0% em peso de Al, opcionalmente de 0,2% a 8,0% em peso de Mg, sendo o restante Zn.
[0022] Em uma segunda forma de realização, o revestimento à base de zinco compreende entre 0,15% e 0,40% em peso de Al, sendo o restante Zn.
[0023] A presente invenção fornece um método para produzir a chapa de aço laminada a quente, compreendendo as seguintes e sucessivas etapas: - fornecer um semi-produto de aço com a composição mencionada acima, então - laminar a quente o referido semi-produto de aço com uma temperatura final de laminação compreendida entre 875 °C e 950 °C, de modo a obter uma chapa de aço, então - resfriar a referida chapa de aço a uma taxa de arrefecimento
VR1 superior a 50 °C/ s, de modo a obter uma chapa de aço resfriada, então - enrolar a uma temperatura Tenrolamento abaixo de 160 °C, e abaixo de Mf, de modo a obter uma chapa de aço enrolada, então - tratar termicamente a referida chapa enrolada a uma temperatura de tratamento térmico θA por uma duração tA, θA e tA sendo tais que PA = θA (22 + log10tA), está compreendido entre 15400 e 17500, θA sendo expresso em K, tA sendo expresso em horas.
[0024] Em uma primeira forma de realização da invenção, a etapa de tratamento térmico do processo de fabricação é realizada por tratamento em lote em uma atmosfera inerte ou em HNX, em uma temperatura de tratamento térmico θA compreendida entre 400 °C e 475 °C, a duração tA à referida temperatura de tratamento térmico está compreendida entre 10 horas e 25 horas.
[0025] Em uma segunda forma de realização da invenção, a referida etapa de tratamento térmico é realizada em uma linha de recozimento contínuo, a uma temperatura de tratamento térmico θA compreendida entre 500 °C e 600 °C, a duração tA na referida temperatura para tratamento térmico estando compreendida entre 40 s e 100 s, de preferência entre 50 s e 100 s.
[0026] Em uma forma de realização preferida da invenção, o parâmetro PA está no intervalo de 15500 e 17000.
[0027] O processo de fabricação compreende ainda uma etapa de decapagem após a referida etapa de enrolamento e antes do tratamento térmico.
[0028] O processo de fabricação compreende ainda uma etapa de decapagem após o referido tratamento térmico.
[0029] Em uma forma de realização de primeiro esquema de arrefecimento da invenção, o arrefecimento é realizado pela água de arrefecimento a uma velocidade de arrefecimento VR1 maior do que 75 °C/ s.
[0030] Em um segundo esquema de arrefecimento, é realizado o arrefecimento na taxa de arrefecimento VR1, até atingir uma temperatura intermediária Ti, compreendida entre 500 ºC a 550 °C, então, a partir de Ti, - um arrefecimento de ar adicional é realizado por uma duração t2 durante 1 segundo a 5 segundos, então - a chapa é resfriada a uma taxa de arrefecimento VR2 superior a 40 °C/ s.
[0031] Em uma forma de realização preferida da invenção, o referido arrefecimento a ar é executado durante t2 durante 2 segundos a 3 segundos.
[0032] A chapa de aço de acordo com a invenção pode ser utilizada para a fabricação de peças estruturais de veículos automóveis.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0033] A invenção será agora descrita em mais detalhes, mas sem introduzir limitações, com referência às figuras anexas: - A Figura 1 ilustra, para uma composição de aço de acordo com a invenção, a evolução da taxa de expansão do furo HER como uma função do parâmetro de tratamento térmico PA = θA (22 + log10 tA); - A Figura 2 ilustra, de uma composição de aço de acordo com a invenção, a evolução da resistência à tração como uma função do parâmetro PA; - A Figura 3 ilustra um exemplo de microestrutura de uma chapa de aço laminada a quente de acordo com a invenção; - A Figura 4 ilustra um exemplo de microestrutura de uma chapa de aço laminada a quente que não corresponde à invenção; e - A Figura 5 ilustra a microestrutura de uma forma de realização de acordo com a invenção, em que a chapa de aço contém uma camada de ferrita em sua superfície.
DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO
[0034] Na seguinte descrição da invenção, o limite de escoamento YS, a resistência à tração TS e o alongamento total da chapa de aço referem-se ao Padrão JIS Z2241. A taxa de expansão do furo HER refere-se à norma ISO 16630:2009.
[0035] Para atingir as características microestruturais e mecânicas desejadas, a composição química e os parâmetros do processo são de grande importância. A composição do aço, expressa em porcentagem em peso, é a seguinte: - 0,15% ≤ C ≤ 0,20%: se o teor de carbono for inferior a 0,15%, a resistência à tração de 950 MPa pode não ser atingida. Se o teor de carbono for superior a 0,20%, o limite de escoamento e a resistência à tração podem exceder 1000 MPa e 1150 MPa, respectivamente, e o alongamento total pode ser inferior a 8%; - 0,50% ≤ Mn ≤ 2,00%: quando o teor de manganês está abaixo de 0,50%, a capacidade de têmpera do aço é reduzida e a soma das frações superficiais de ferrita e bainita não pode ser estritamente inferior a 20%, portanto, a resistência à tração pode ser inferior a 950 MPa. Se o teor de manganês for superior a 2,00%, o risco de segregação central aumenta em detrimento do limite de escoamento, da resistência à tração e do valor de expansão do furo; - 0,25% ≤ Si ≤ 1,25%: O silício é um elemento usado para desoxidação na fase líquida e para obter o endurecimento da solução. Se o teor de Si for inferior a 0,25%, a capacidade de têmpera do aço é reduzida. No entanto, se o Si exceder 1,25%, a cinética de formação de carbonetos é reduzida. Assim, o teor de ferrita pode ser superior a 20% e a resistência à tração pode ser inferior a 950 MPa. Em uma forma de realização preferencial, o teor de silício está compreendido entre 0,40% e 0,90%;
- 0,10% ≤ Al ≤ 1,00%: a adição de alumínio contribui para uma desoxidação eficiente na fase líquida e favorece a estabilização da ferrita. Se o teor de alumínio for inferior a 0,10%, a soma das frações superficiais de ferrita e bainita da chapa laminada a quente pode ser inferior a 5% e, portanto, o alongamento total da chapa pode ser inferior a 8%. Além de 1,00%, ferrita em excesso pode ser formada no arrefecimento, portanto, os níveis de limite de escoamento e resistência à tração solicitados na invenção podem não ser alcançados. Em uma forma de realização preferida, o teor de alumínio está compreendido entre 0,30% e 0,90%; - 1,00 ≤ Al + Si ≤ 2,00: quando a soma dos teores de silício e alumínio está compreendida entre 1,00% e 2,00%, é possível obter uma microestrutura contendo mais de 5% e menos de 20% de ferrita e bainita, portanto para obter maior ductilidade e alongamento. Em uma forma de realização preferida, a soma dos teores de silício e alumínio está compreendida entre 1,20% e 2,00%, para promover a formação de uma camada de ferrita nas superfícies principais da chapa de aço. A camada de ferrita permite obter o raio de curvatura dividido pela espessura da chapa inferior a 1 no sentido de laminagem e inferior a 1,5 no sentido transversal; e - P ≤ 0,02%: Se o teor de fósforo exceder 0,02%, a segregação no limite de grão pode ocorrer e o alongamento da chapa de aço pode ser reduzido.
[0036] Além disso, em tal quantidade alta, fósforo pode causar fragilização por revenimento quando a chapa de aço enrolada é submetida a um outro tratamento térmico. De preferência, o teor de fósforo é superior a 0,0005%, visto que atingir o teor de fósforo em um nível mais baixo é caro na siderurgia, sem correspondente benefício significativo em relação às propriedades mecânicas: - S ≤ 0,005%: O teor de enxofre é limitado a 0,005% de forma a diminuir a formação de sulfuretos que são prejudiciais para a ductilidade da chapa. De preferência, o teor de enxofre é superior a 0,0005%, uma vez que atingir um nível mais baixo durante a fabricação de aço é muito caro, sem correspondente benefício significativo em relação às propriedades mecânicas; - N ≤ 0,008%: Se o teor de nitrogênio for superior a 0,008%, certos elementos podem precipitar no estado líquido ou no estado sólido sob a forma de nitretos ou carbonitretos. Precipitados grossos devem ser evitados, pois reduzem a ductilidade da chapa de aço laminada a quente. De preferência, o teor de nitrogênio é superior a 0,001%. No entanto, reduzir o nitrogênio a um teor inferior a 0,001% é caro e não traz uma melhoria significativa das propriedades mecânicas; - 0,001% ≤ Cr ≤ 0,250%: o cromo melhora a capacidade de arrefecimento. Se o teor de Cr for inferior a 0,001%, a temperabilidade não é obtida. Se o Cr for superior a 0,250%, o risco de macro e micro segregação aumenta e, portanto, a resistência à tração pode ser inferior a 950 MPa; - 0,005% ≤ Mo ≤ 0,250%: O molibdênio pode ser adicionado como elemento opcional para aumentar a capacidade de têmpera, ou seja, possibilitando obter mais facilmente a formação de martensita no arrefecimento.
Abaixo de 0,005%, esse efeito eficaz não é alcançado. Porém, como o molibdênio é um elemento caro, seu teor é limitado a 0,250%, de modo que a fabricação da chapa de aço seja econômica; - 0,005% ≤ V ≤ 0,250%: O vanádio, como elemento opcional, permite obter uma chapa de aço de elevada tenacidade após o tratamento térmico em lote. No entanto, a adição acima de 0,250% não tem bom custo- benefício; - 0,0001% ≤ Ca ≤ 0,0030%: O cálcio também pode ser adicionado como um elemento opcional. A adição de Ca na fase líquida torna possível a criação de óxidos ou oxissulfetos finos. Essas partículas atuam como nucleantes para uma precipitação fina subsequente de nitretos/ carbonitretos de titânio. A redução no tamanho dos carbonitretos torna possível alcançar uma capacidade de expansão do furo melhorada; e - 0,001% ≤ Ti ≤ 0,025%: o titânio pode também ser adicionado como um elemento opcional: quando o titânio é superior a 0,025%, é propenso a precipitar na fase líquida sob a forma de nitretos de titânio grosseiros que reduzem a ductilidade da chapa. No entanto, reduzir o titânio a um nível inferior a 0,001% é difícil na fase industrial e não traz nenhum efeito suplementar nas propriedades mecânicas.
[0037] O restante da composição é ferro e impurezas inevitáveis resultantes da fundição.
[0038] A microestrutura da chapa de aço laminada a quente de acordo com a invenção será agora detalhada.
[0039] De acordo com a invenção, a soma de ferrita e bainita é maior que 5% e estritamente menor que 20%. Se a soma não for estritamente inferior a 20%, o limite de escoamento e a resistência à tração diminuem e não podem atingir o valor mínimo de 780 Mpa e 950 Mpa, respectivamente. Além disso, a taxa de expansão do furo será baixa. Abaixo de 5% de ferrita e bainita, a ductilidade da chapa de aço é reduzida.
[0040] O restante da microestrutura consiste em martensita temperada. Dentro do quadro da invenção, a martensita temperada é definida como martensita recuperada que contém cementita precipitada que pode ser coalescida nas temperaturas de revenido mais altas. Suas características correspondem ao denominado estágio 3 do revenimento da martensita, cuja descrição é dada na publicação de A. Constant, G. Henry, J.C. Charbonnier: “Principes de bases des traitements thermiques, thermomécaniques et thermochimiques des aciers”, Edição PYC, 1992, pp. 190-191.
[0041] De acordo com a invenção, a chapa de aço é fabricada por meio de um processo de laminação a quente. Isto permite obter uma chapa de aço com duas superfícies principais paralelas e opostas, tendo a chapa de aço também bordas que podem ser designadas como superfícies secundárias. De acordo com uma forma de realização da invenção, a chapa de aço laminada a quente compreende uma camada de ferrita nas suas superfícies principais, com uma espessura inferior a 5% da espessura da referida chapa de aço laminada a quente.
[0042] O processo de fabricação da chapa laminada a quente será agora descrito.
[0043] Um semi-produto capaz de ser posteriormente laminado a quente, é fornecido com a composição de aço descrita acima. Este semi-produto pode estar na forma de lingote ou placa obtida por vazamento contínuo, com uma espessura normalmente de cerca de 200 mm. Em alternativa, este semi- produto pode apresentar-se também sob a forma de placa fina, com espessura da ordem de algumas dezenas de milímetros, ou chapa, obtida por vazamento direto entre rolos contra-rotativos. O semi-produto é aquecido a uma temperatura superior a 1150 °C, de modo a possibilitar a fácil laminação a quente, com uma temperatura final de laminação a quente compreendida entre 875 °C e 950 °C.
A laminação a quente a uma temperatura abaixo de 875 °C promove austenita e, em seguida, a formação excessiva de ferrita durante o arrefecimento, o que reduz a conformabilidade. Se a temperatura de laminação a quente exceder 950 °C, a tendência a criar incrustações é aumentada, portanto, a qualidade da superfície do produto é ruim.
[0044] Em seguida, o produto laminado a quente é resfriado a uma taxa de arrefecimento VR1 de pelo menos 50 °C/ s para evitar a formação de ferrita, até uma temperatura de enrolamento inferior a 160 °C e também inferior a Mf, Mf designando a temperatura de fim de transformação de austenita em martensita. De acordo com a publicação de Malcom Blair e Thomas L Stevens,
“Steel castings Handbook – 6ª edição”, a temperatura de acabamento da martensita Mf é 245 °C mais baixa do que a temperatura inicial da martensita Ms, que pode ser calculada a partir de uma fórmula derivada por Andrews publicada em Journal of the Iron and Steel Institute, 203, 721-727, 1965: Ms (°C) = 785 - 453% de C - 16,9% de Ni - 15% de Cr - 9,5% de Mo + 217 (% de C)² - 71,5% de C x % de Mn - 67,6% de C x % de Cr
[0045] Em uma forma de realização preferida, o produto laminado a quente é enrolado a uma temperatura inferior a 160 °C e inferior a (Mf-10 °C).
Desta forma, uma alta homogeneidade microestrutural é obtida ao longo de toda a tira de aço.
[0046] Em uma forma de realização do esquema de arrefecimento, a referida etapa de arrefecimento é realizada por uma única etapa de arrefecimento, com uma água de arrefecimento a uma taxa de arrefecimento VR1 superior a 75 °C/ s, para obter a matriz de microestrutura martensítica contendo ferrita e bainita, a soma da qual sendo mais de 5% e estritamente inferior a 20% na área de superfície.
[0047] Em outra forma de realização do esquema de arrefecimento, a referida etapa de arrefecimento é realizada por múltiplas etapas de arrefecimento, com uma primeira etapa de arrefecimento na referida taxa de arrefecimento VR1 de modo a atingir uma temperatura intermediária Ti, compreendida entre 500 ºC e 550 °C. Um arrefecimento por ar é, em seguida, imediatamente executado por uma duração t2 compreendida entre 1 segundo e 5 segundos, de preferência durante 2 segundos a 3 segundos, antes de uma última etapa de arrefecimento a uma velocidade de arrefecimento mais elevada do que 40 °C/ s. O arrefecimento em múltiplas etapas permite a obtenção de uma transformação ferrítica ou bainítica parcial, obtendo-se assim 5% a 20% de ferrita mais bainita, dentro de uma matriz martensítica.
[0048] Qualquer que seja o esquema de arrefecimento, o aço laminado a quente é posteriormente tratado termicamente após o enrolamento, a uma temperatura θA, por uma duração tA, tA designando a duração na temperatura θA, θA e tA sendo tal que o parâmetro de tratamento térmico, PA = θA (22 + log10 tA) está compreendido entre 15400 e 17500. Assim, PA leva em consideração a influência térmica combinada de temperatura e duração.
[0049] A partir do estado da técnica, sabe-se que algumas propriedades mecânicas, tais como o valor de expansão do furo e o alongamento total são melhorados com elevado valor de parâmetro PA. Pelo contrário, quando o parâmetro PA aumenta, os valores do limite de escoamento e da resistência à tração diminuem. Para os aços martensíticos, a publicação WO 2012/130434 divulga que as propriedades mecânicas são ótimas quando PA está entre 13000 e 15000. Em particular, o valor de expansão do furo aumenta continuamente com PA. De um modo surpreendente, como mostrado na Figura 1, a presente invenção colocou em evidência que o valor da expansão do furo diminui em uma proporção significativa acima de um valor específico de PA ~ 16000. Assim, como demonstrado pelas Figuras 1 e 2, a invenção torna possível obter as propriedades mecânicas desejadas quando o valor de PA está na faixa de 15400 e 17500 e, em particular, entre 15500 e 17000.
[0050] De acordo com a invenção, a etapa de tratamento térmico pode ser realizada de forma descontínua (lote) ou contínua.
[0051] Em uma primeira forma de realização da invenção, a etapa de tratamento térmico do processo de fabricação é realizada por tratamento em lote do enrolamento da chapa laminada a quente em um forno com uma atmosfera inerte ou com HNX, a uma temperatura de tratamento térmico θA compreendida entre 400 °C e 475 °C, a duração tA na referida temperatura de tratamento térmico sendo compreendida entre 10 horas e 25 horas de modo a obter matriz de martensita temperada que combina boa formabilidade e propriedades de tração.
[0052] Em uma segunda forma de realização da invenção, a referida etapa de tratamento térmico é realizada em uma linha de recozimento contínuo, a uma temperatura de tratamento térmico θA compreendida entre 500 °C e 600 °C, a duração tA à referida temperatura para tratamento térmico estando compreendida entre 40 s e 100 s, de preferência entre 50 s e 100 s, de modo a obter matriz de martensita temperada que combina boa formabilidade e propriedades de tração.
[0053] Uma primeira etapa de decapagem pode ser adicionada após o enrolamento e uma segunda após o tratamento térmico para remover os óxidos superficiais.
[0054] Do estado da técnica, é conhecido que os aços martensíticos subsequentemente revenidos e resfriados lentamente podem apresentar baixa tenacidade. Na invenção, a composição do aço e as condições de tratamento térmico foram definidas de modo a obter uma energia Charpy V de pelo menos 50 J/ cm² a 20 °C na chapa de aço laminada a quente final. Assim, a chapa de aço obtida está livre de fragilização por revenimento.
[0055] A espessura da chapa de aço laminada a quente está tipicamente compreendida entre 1,8 milímetros e 4,5 milímetros, de preferência entre 1,8 milímetros e 3,5 milímetros.
[0056] A invenção será agora ilustrada pelos seguintes exemplos, que não são de forma alguma limitativos.
EXEMPLO 1
[0057] Semi-produtos sob a forma de moldes com espessura variando entre 28 mm e 40 mm foram fornecidos com composições detalhadas na tabela 1. Para as diferentes composições, o teor de cálcio foi de 0,002% em peso, o restante da composição é ferro e impurezas resultantes da fusão. A temperatura final da martensita foi calculada a partir do valor da temperatura inicial da martensita como: Mf = Ms - 245 °C. Estes semi-produtos foram aquecidos a uma temperatura superior a 1150 °C e ainda laminados a quente até uma espessura compreendida entre 1,8 mm e 4,5 mm. A tabela 2 detalha as condições de fabricação que foram aplicadas. Os ensaios 1 a 15 correspondem à primeira forma de realização do esquema de arrefecimento descrita acima, os ensaios 16 a 18 correspondem à segunda condição do esquema de arrefecimento descrita acima. As etapas de decapagem foram realizadas após o enrolamento e após o tratamento térmico. Nos ensaios 4 e 9, as chapas de aço laminadas a quente são galvanizadas (GI). Si + Mf Categorias C Mn Si Al Cr P S N Mo Ti Al (°C) A 0,18 1,65 0,75 0,87 0,026 0,01 0,001 0,003 - - 1,62 172 B 0,18 1,64 0,68 0,81 0,023 0,01 0,001 0,002 - - 1,49 169 C 0,17 1,66 0,71 0,80 0,020 0,01 0,004 0,004 - - 1,51 174 D 0,17 1,66 0,77 0,85 0,028 0,01 0,001 0,004 0,006 - 1,62 173 E 0,21 2,20 1,50 0,05 0,200 0,01 0,001 0,005 - - 1,55 142 F 0,14 1,58 0,71 0,78 0,056 0,01 0,001 0,004 - - 1,49 190 G 0,13 1,30 0,12 0,03 0,270 0,02 0,004 0,007 - 0,01 0,15 193 H 0,20 2,60 1,17 0,56 0,020 0,02 0,001 0,005 - - 1,73 147 TABELA 1. COMPOSIÇÕES DE AÇO (% EM PESO) E TEMPERATURAS DE
TRANSFORMAÇÃO MARTENSÍTICA
[0058] Valores sublinhados: não correspondem à invenção: Reve Ens Chapa Laminação a Esquema de arrefecimento Enrolamento Tratamento térmico stime aio de aço quente nto Temperatura de acabamento VR1 Ti t2 VR2 Tenrolamento θA tA PA de (°C/ s) (°C) (s) (°C/ s) (°C) (°C) laminação (°C) 1 A 880 115 - - - 80 425 15h 16177 - 2 A 900 90 - - - 120 450 15h 16756 - 3 B 880 115 - - - 80 425 15h 16177 - 4 B 895 105 - - - 35 525 90s 16278 GI 5 C 900 90 - - - 120 450 15h 16756 -
Reve Ens Chapa Laminação a Esquema de arrefecimento Enrolamento Tratamento térmico stime aio de aço quente nto Temperatura de acabamento VR1 Ti t2 VR2 Tenrolamento θA tA PA de (°C/ s) (°C) (s) (°C/ s) (°C) (°C) laminação (°C) 6 D 900 115 - - - 95 450 20h 16847 - 7 D 935 110 - - - 75 450 20h 16847 - 8 A 900 100 - - - 400 - - - - 9 B 895 95 - - - 40 625 36s 17960 GI 10 C 900 90 - - - 155 500 15h 20001 - 11 D 860 80 - - - 125 450 15h 16756 - 12 E 935 110 - - - 75 450 20h 16847 - 13 F 900 90 - - - 120 450 15h 16756 - 14 G 900 90 - - - 120 450 15h 16756 - 15 H 880 115 - - - 80 425 15h 16177 - 16 A 910 95 540 3 65 85 400 15h 15598 - 17 D 885 110 525 2 75 90 425 10h 16054 - 18 B 880 100 550 8 75 125 400 15h 15598 - TABELA 2. VALORES SUBLINHADOS: NÃO CORRESPONDEM À INVENÇÃO
[0059] A microestrutura da chapa de aço tratada termicamente foi determinada em espécimes polidos gravados com Nital e observada com microscópio óptico e eletrônico de varredura. As frações superficiais dos diferentes constituintes das microestruturas foram medidas por meio de análise de imagens acoplada à quantificação. Além disso, foi avaliada a eventual presença de uma camada de ferrita nas superfícies principais da chapa de aço.
A proporção dos constituintes e a espessura da eventual camada de ferrita são relatadas na Tabela 3. A Tabela 4 reúne as propriedades mecânicas da chapa de aço final tratada termicamente. A limite de escoamento YS, a resistência à tração final TS e o alongamento total foram determinados de acordo com a norma JIS Z2241. A taxa de expansão do furo foi determinada de acordo com a ISO 16630:2009.
[0060] A energia Charpy V foi medida a 20 °C em amostras de tamanhos menores, a energia de fratura medida sendo dividida pela área do ligamento sob o entalhe V da amostra de teste.
[0061] O método de expansão do furo consiste em medir o diâmetro inicial Di de um furo antes da estampagem (nominalmente: 10 mm), então o diâmetro final Df do furo após a estampagem, determinado quando as fissuras são observadas na direção da espessura da chapa nas bordas do furo. A capacidade de expansão do furo Ac % é determinada de acordo com a seguinte fórmula: Ac = 100 * (Df - Di)/ Di. Portanto, o Ac é usado para quantificar a capacidade de uma chapa de resistir à estampagem no nível de um orifício cortado. Presença Razão da espessura Espessura Martensita (Ferrita + de da camada de ferrita Ensaio da chapa temperada Bainita) (%) camada para a espessura da (mm) (%) de ferrita chapa (%) 1 2,0 12 88 sim 0,75 2 2,1 18 82 sim 0,95 3 2,0 15 85 sim 1 4 2,7 12 88 n-a n-a 5 2,0 19 81 sim n-a 6 2,9 15 85 sim 1,35 7 2,95 11 89 sim 1,2 8 2,8 65 35 sim n-a 9 2,7 20 80 n-a n-a 10 2,7 20 80 n-a n-a 11 2, 9 40 60 sim n-a 12 2,7 5 95 n-a n-a 13 2,6 30 70 n-a n-a 14 2,6 25 75 n-a n-a 15 2,8 5 95 n-a n-a 16 2,1 19 81 sim 0,8 17 2,1 16 84 sim 0,95 18 2,1 25 75 sim n-a TABELA 3: CARACTERÍSTICAS MICROESTRUTURAIS DA CHAPA DE AÇO TRATADA
TERMICAMENTE FINAL
[0062] Valores sublinhados: não correspondem à invenção.
[0063] n-a: não avaliado. Taxa de Energia Alongamento expansão do Charpy a 20 Ensaio YS (MPa) TS (MPa) total (%) furo (%) °C (J/ cm²) 1 926 1114 11 73 86 2 832 1029 13 57 -
Taxa de Energia Alongamento expansão do Charpy a 20 Ensaio YS (MPa) TS (MPa) total (%) furo (%) °C (J/ cm²) 3 846 1080 12 75 - 4 942 1046 10 73 89 5 788 1028 12 66 94 6 850 1000 13 70 - 7 870 1010 13 81 94 8 821 911 9 33 - 9 823 907 9 47 - 10 809 873 13 52 - 11 764 944 15 36 - 12 1159 1205 8 21 - 13 819 921 11 35 - 14 791 881 13 39 - 15 952 1150 14 40 - 16 806 1013 14 59 - 17 838 1054 9 78 - 18 718 957 15 44 - TABELA 4: PROPRIEDADES MECÂNICAS DA CHAPA DE AÇO FINAL COM TRATAMENTO
TÉRMICO
[0064] Valores sublinhados: TS, YS, alongamento total ou valores HER são insuficientes.
[0065] Nos ensaios 1 a 7 e 16 a 17, as composições e as condições de fabricação correspondem à invenção. Assim, a microestrutura desejada é obtida. A Figura 3 ilustra a microestrutura obtida no ensaio 7, contendo 89% de martensita revenida e 11% de ferrita e bainita. Como consequência, são obtidas propriedades de alta tração e alta taxa de expansão do furo. A tenacidade das chapas é alta, pois a energia Charpy a 20 °C é bem acima de 50 J/ cm².
[0066] Nos ensaios 1 a 3, 6 a 7, 16 a 17, uma camada de ferrita está presente nas superfícies principais da chapa de aço, tornando assim possível obter propriedades de flexão superiores. Em particular, para o ensaio 7, o raio de curvatura dividido pela espessura da chapa é inferior a 1 na direção de laminação e inferior a 1,5 na direção transversal, o que indica excelentes propriedades de curvatura.
[0067] As Figuras 5a) e 5b) ilustram a camada de ferrita respectivamente presente nas duas superfícies principais opostas da chapa de aço no ensaio 7 nas chapas fabricadas.
[0068] Os ensaios 8 a 11 e 18 não correspondem às condições de fabricação da invenção. Como resultado, a chapa de aço tratada termicamente não atende às propriedades mecânicas solicitadas.
[0069] De fato, no ensaio 8, a temperatura de enrolamento é superior a 160 °C e excede a temperatura de transformação final da martensita.
Assim, uma quantidade excessiva de ferrita é criada, diminuindo o valor da resistência à tração e a taxa de expansão do furo.
[0070] Nos ensaios de 9 e 10, o parâmetro PA excede 17500, a temperatura de tratamento térmico do lote excede 475 °C. 80% da martensita revenida está presente na microestrutura final, portanto a resistência à tração não corresponde a 950 MPa.
[0071] No ensaio 11, a temperatura de laminação a quente de acabamento é inferior a 875 °C. Assim, a austenita é promovida e ferrita excessiva é criada durante o arrefecimento. A Figura 4 ilustra a microestrutura obtida no ensaio 11, contendo 60% de martensita revenida e 40% de ferrita e bainita. Assim, o limite de escoamento, a resistência à tração e a expansão do furo são insuficientes.
[0072] No ensaio 18, a duração intermediária t2 no esquema de arrefecimento é superior a 5 s. Assim, quantidades excessivas de ferrita e bainita são criadas, reduzindo o limite de escoamento, a resistência à tração e os valores de expansão do furo.
[0073] Nos ensaios 12 a 15, as composições de aço estão fora dos intervalos da invenção. Portanto, a chapa de aço final não condiz com as características mecânicas e microestruturais.
[0074] No ensaio 12, o teor de carbono, manganês e silício da composição do aço excede os valores definidos pela invenção. Assim, uma quantidade insuficiente de ferrita e bainita está presente e as propriedades de expansão do furo são insuficientes.
[0075] Em contrapartida, no ensaio 13, o teor de carbono é inferior a 0,15%, obtendo-se valores insuficientes de resistência à tração e expansão do furo.
[0076] No ensaio 14, o teor de carbono, silício, alumínio e cromo do aço não está de acordo com a invenção. Em particular, devido ao baixo teor de carbono, é criada uma quantidade excessiva de ferrita e bainita, o que não permite obter valores de resistência a tração e valores de expansão do furo suficientes.
[0077] Finalmente, no ensaio 15, o teor de manganês é superior a 2%. Assim, obtém-se uma quantidade insuficiente de ferrita e bainita, e o valor de expansão do furo não chega a 45%.
[0078] Assim, a chapa de aço de acordo com esta invenção pode ser utilizada com lucro para a fabricação de peças estruturais de veículos automotores.

Claims (23)

REIVINDICAÇÕES
1. CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, caracterizada por ter uma composição química que compreende, em % em peso: 0,15% ≤ C ≤ 0,20% 0,50% ≤ Mn ≤ 2,00% 0,25% ≤ Si ≤ 1,25% 0,10% ≤ Al ≤ 1,00%, com 1,00% ≤ (Al + Si) ≤ 2,00%, 0,001% ≤ Cr ≤ 0,250% P ≤ 0,02% S ≤ 0,005% N ≤ 0,008% e, opcionalmente, um ou mais elementos entre: 0,005% ≤ Mo ≤ 0,250% 0,005% ≤ V ≤ 0,250% 0,0001% ≤ Ca ≤ 0,003% e 0,001% ≤ Ti ≤ 0,025%, sendo o restante Fe e impurezas inevitáveis, e em que a microestrutura compreende, em fração superficial, ferrita e bainita, cuja soma é superior a 5% e estritamente inferior a 20%, sendo o restante constituído de martensita temperada.
2. CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo teor de Si estar compreendido entre 0,40% e 0,90%.
3. CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizada pelo teor de Al estar compreendido entre 0,30% e 0,90%.
4. CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo teor de Al + Si estar compreendido entre 1,20% e 2,00%.
5. CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo limite de escoamento YS estar compreendida entre 780 MPa e 1000 MPa e a resistência à tração TS estar compreendida entre 950 MPa e 1150 MPa.
6. CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo alongamento total ser superior a 8%.
7. CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pela expansão do furo HER ser superior a 45%.
8. CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pela energia Charpy V ser superior a 50 J/ cm² a 20 °C.
9. CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pela espessura estar compreendida entre 1,8 mm e 4,5 mm.
10. CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizada por compreender uma camada de ferrita na superfície com uma espessura inferior a 5% da espessura da chapa de aço laminada a quente.
11. CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizada pela chapa de aço laminada a quente ser revestida com zinco ou uma liga à base de zinco.
12. CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo revestimento à base de zinco compreender de 0,01% a 8,0% em peso de Al, opcionalmente de 0,2% a 8,0% em peso de
Mg, sendo o restante Zn.
13. CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo revestimento à base de zinco compreender entre 0,15% e 0,40% em peso de Al, sendo o restante Zn.
14. PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO DE UMA CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, caracterizado por compreender as seguintes etapas sucessivas: - fornecer um semi-produto de aço com composição, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 4, então - laminar a quente o semi-produto de aço com uma temperatura de laminação final compreendida entre 875 °C e 950 °C, de modo a obter uma chapa de aço, então - arrefecer a chapa de aço a uma taxa de arrefecimento VR1 de pelo menos 50 °C/ s, de modo a obter uma chapa de aço resfriada, então - enrolar a uma temperatura Tenrolamento abaixo de 160 °C e abaixo de Mf, de modo a obter uma chapa de aço enrolada, então - tratar termicamente a chapa enrolada a uma temperatura de tratamento térmico θA, por uma duração tA, θA e tA sendo tais que PA = θA (22 + log10 tA), está compreendido entre 15400 e 17500, θA sendo expresso em K e tA sendo expresso em horas.
15. PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO DE UMA CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pela etapa de tratamento térmico ser realizada por lotes, em uma atmosfera inerte ou em HNX, a uma temperatura de tratamento térmico θA compreendida entre 400 °C e 475 °C, a duração tA na temperatura de recozimento sendo compreendida entre 10 horas e 25 horas.
16. PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO DE UMA CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pela etapa de tratamento térmico ser realizada em uma linha de recozimento contínuo, a uma temperatura de tratamento térmico θA compreendida entre 500 °C e 600 °C, a duração tA na temperatura de tratamento térmico estando compreendida entre 40 segundos e 100 segundos.
17. PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO DE UMA CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 16, caracterizado por PA estar compreendido entre 15500 e 17000.
18. PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO DE UMA CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 17, caracterizado por compreender ainda uma etapa de decapagem após a etapa de enrolamento e antes da etapa de tratamento térmico.
19. PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO DE UMA CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 18, caracterizado por compreender ainda uma etapa de decapagem após a etapa de tratamento térmico.
20. PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO DE UMA CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 19, caracterizado pelo arrefecimento ser realizado por arrefecimento de água e em que VR1 é superior a 75 °C/ s.
21. PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO DE UMA CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 20, caracterizado pela etapa de arrefecimento na taxa de arrefecimento VR1 ser realizada de modo a atingir uma temperatura intermediária Ti, compreendida entre 500 ºC a 550 °C, então, - uma etapa adicional de arrefecimento por ar é realizada por uma duração t2 compreendida entre 1 segundo e 5 segundos, então - a chapa é resfriada a uma taxa de arrefecimento VR2 superior a 40 °C/ s.
22. PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO DE UMA CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pela etapa de arrefecimento por ar ser realizada durante um período t2 compreendido entre 2 segundos e 3 segundos.
23. USO DA CHAPA DE AÇO LAMINADA A QUENTE, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 13, ou fabricada pelo processo, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 14 a 22, caracterizado por ser para a fabricação de peças estruturais de veículos.
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