Influência dos parâmetros de recozimento de esferoidização nas características microestruturais e mecânicas do aço SAE 8630

Abstract

A competitividade do mercado automotivo estimula a busca constante por processos de manufatura que sejam mais econômicos e competitivos para o negócio. Entre esses processos, está a conformação a frio, considerado economicamente competitivo, porém, que necessita de escolha adequada da matéria prima, que deve passar por um processo intermediário de tratamento térmico de esferoidização, a fim de melhorar a conformabilidade. As características requisitadas para a matéria prima são determinadas pelas empresas, que especificam grau de esferoidização, dureza e tamanho de grão. Uma determinada indústria metalúrgica, a fim de entender a demanda de material esferoidizado sinalizado pelo mercado automotivo, aplica ciclos de tratamento térmico de esferoidização, cuja a escolha de parâmetros do processo, como tempo e temperatura de recozimento e taxa de resfriamento, são determinantes para atender os requisitos de qualidade do cliente. A otimização destes parâmetros, mantida a qualidade requerida, é demanda permanente do setor metalúrgico, na busca de redução do consumo de energia e redução dos tempos de processo. Neste contexto, este trabalho buscou entender a influência dos parâmetros de tempo, temperatura e taxa de resfriamento nas propriedades microestruturais e mecânicas do aço SAE 8630, com o propósito de encontrar os parâmetros ótimos para um ciclo de recozimento produtivo e que atenda aos requisitos mínimos de qualidade exigidos pelo setor metalmecânico. Foram realizadas duas séries de experimentos: i) em escala laboratorial, no simulador termomecânico Gleeble 3800-CTG, em que foram aplicados 3 ciclos de tratamento térmico de esferoidização com diferentes taxas de resfriamento, seguidos de avaliação microestrutural e da dureza, de forma a se determinar a taxa de resfriamento mínima que garanta os parâmetros microestruturais e mecânicos exigidos para o aço SAE 8630; ii) em escala industrial, foram aplicados 12 ciclos de tratamento térmico de esferoidização distintos, em um forno contínuo, seguido pela caracterização mecânica e microestrutural através da análise metalográfica, ensaio de dureza Brinell, ensaio de tração e ensaio de impacto Charpy, além de análises de imagens através de software, para quantificação do número e tamanho de carbonetos esferoidizados em cada condição. Observou-se que existe uma transição entre as propriedades mecânicas e microestruturais com a variação da quantidade e tamanho dos carbonetos na matriz como resultados dos ciclos térmicos testados. Todos os testes realizados apresentaram grau de esferoidização acima de 60%. Foi observado que os parâmetros de tempo e temperatura de patamar exercem influência significativa no aumento do grau de esferoidização e redução dos valores de dureza. Para a taxa de resfriamento, os resultados obtidos indicam que a microestrutura e dureza não sofreram significativa influência com a variação do parâmetro, avaliado em laboratório e em escala industrial. Os níveis de dureza de grau de esferoidização exigidos pelos clientes foram garantidos apenas nos tratamentos térmicos realizados em tempos e temperaturas mais elevados. Verificou-se a redução dos valores de LR pelo aumento do tempo e temperatura de patamar, e aumento da ductilidade com o aumento da temperatura. A respeito da tenacidade ao impacto, notou-se uma tendência de aumento com o crescimento do tamanho médio dos carbonetos e com a aplicação de ciclos de maior tempo e temperatura. Diante dos resultados obtidos e com o propósito de aumentar a produtividade, o ciclo térmico sugerido neste estudo foi 725°C por 6 horas, na taxa de resfriamento de 25°C/h. Este ciclo proposto está sendo empregado na produção, atendendo os requisitos de qualidade exigidos.

The competitiveness of the automotive market encourages the constant search for manufacturing processes that are more resilient and competitive for the business. One of the main processes is cold forming, considered economically competitive, however it requires an adequate choice of raw materials, which must undergo an intermediate process of spheroidization heat treatment, in order to improve formability. The characteristics requested for the raw material are determined by the company, which specify the spheroidization´s degree, hardness and grain size. A certain metallurgical industry, in order to understand the demand for spheroidized material signaled by companies in the automotive market, applies spheroidization heat treatment cycles, whose choice of process parameters, such as annealing time and temperature and cooling rate, are decisive to meet customer's quality requirements. The optimization of these parameters, maintaining the necessary quality, is a permanent demand of the metallurgical sector, in the search for reduction of energy consumption and reduction of process times. In this context, this work sought to understand the influence of time, temperature and cooling rate parameters on the microstructural and mechanical properties of SAE 8630 steel, with the purpose of finding the ideal requirements for a productive annealing cycle that meets the minimum requirements of quality required by the metalworking sector. Two series of experiments were carried out: i) on a laboratory scale, in the thermomechanical simulator Gleeble 3800-CTG, in which 3 cycles of spheroidization heat treatment were applied with different cooling rates, followed by microstructure and hardness evaluation, in order to determine the minimum cooling rate that guarantees the microstructural and mechanical parameters required for SAE 8630 steel; ii) on an industrial scale, 12 distinct spheroidization heat treatment cycles were applied in a continuous furnace, followed by mechanical and microstructural characterization through metallographic analysis, Brinell hardness test, interpretation test and Charpy impact test, in addition to of images through software, for quantification of the number and size of spheroidized carbides in each condition. This work showed that there is a transition between mechanical and microstructural properties with the variation in the amount and size of carbides in the matrix as a result of the thermal cycles tested. All tests performed resulted on a degree of spheroidization above 60%. It was observed that the time and temperature parameters have a significant influence on the increase in the degree of spheroidization and decrease in hardness values. For the cooling rate, the results obtained show that the microstructure and hardness were not significantly influenced by the parameter variation, evaluated in the Gleeble test and on an industrial scale. The spheroidization grade hardness levels required by customers were only guaranteed in the heat treatments carried out at higher times and temperatures. There was a reduction in the LR values by increasing the time and temperature, and an increase in ductility with the increase in temperature. With regard to impact toughness, an upward trend was noted with the increase in the average size of the carbides and with the application of cycles of longer time and temperature. In view of the results obtained and with the aim of increasing productivity, the thermal cycle suggested in this study was 725°C for 6 hours, at a cooling rate of 25°C/h. This proposed cycle is being used in production, meeting the quality requirements required.