BRPI0517890B1 - Chapa de aço austenítico de Ferro/Carbono/Manganês, seu processo de fabricação e seu uso - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CHAPA DE AÇO AUSTENÍTICO DE FERRO/CARBONO/MANGANÊS, SEU PROCESSO DE FABRICAÇÃO E SEU USO". A presente invenção refere-se à fabricação de chapas de aço austenítico de ferro/carbono/manganês laminadas a quente e laminadas a frio que apresentam propriedades mecânicas muito altas e, em particular, uma combinação altamente vantajosa de resistência mecânica e alongamento na ruptura, juntamente com uma excelente homogeneidade das propriedades mecânicas.

No campo automotivo, o aumento contínuo no nível dos equipamentos nos veículos torna ainda mais necessário diminuir-se o peso da própria estrutura metálica. Para fazê-lo, cada função tem que ser repensada para melhorar sua performance e reduzir seu peso. Várias famílias de aços foram assim desenvolvidas com o propósito de atingir essas necessidades sempre crescentes: em ordem cronológica, pode-se, por exemplo, fazer menção aos aços de alto limite de elasticidade endurecidos por uma fina precipitação de nióbio, vanádio ou titânio; aços com estruturas de fase dupla (ferrita contendo até 25% de martensita); e aços TRIP (plasticidade induzida por transformação) compostos de ferrita, martensita e austenita capazes de serem transformados sob deformação. Para cada tipo de estrutura, o limite de resistência à tração e a capacidade de deformação são propriedades conflitantes, tanto que geralmente não é possível obter-se valores muito altos para uma das propriedades sem reduzir-se drasticamente a outra. Assim, no caso dos aços TRIP, é difícil obter-se uma resistência maior que 900 MPa simultaneamente com um alongamento maior que 25%. Podem também ser mencionados aços tendo uma estrutura bainítica ou martensítica-bainítica, cuja resistência pode ser de até 1200 MPa nas chapas laminadas a quente, mas cujo alongamento está apenas em torno de 10%. Embora essas propriedades possam ser satisfatórias para um certo número de aplicações, elas todavia permanecem insuficientes se uma outra redução de peso for desejada pela combinação simultânea de uma alta resistência e uma grande aptidão para as operações de deformação subseqüentes e para a absorção de energia.

No caso da chapa laminada a quente, quer dizer, uma chapa com a espessura variando de cerca de 1 a 10 mm, tais propriedades são proveitosamente usadas para diminuir o peso das conexões das peças de piso, rodas, peças de reforço, tais como barras antiintrusão das portas, ou peças programadas para veículos pesados (caminhões, ônibus, etc.). No caso de chapas laminadas a frio (com espessuras variando de cerca de 0,2 mm a 6 mm), as aplicações são para a fabricação de peças usadas para segurança e durabilidade de veículos motorizados, ou ainda peças externas.

Para alcançar essas necessidades simultâneas de resistên-cia/ductilidade, são conhecidos aços com uma estrutura austenítica, tais como aços Fe-C-Mn compreendendo até 1,5% de C e 15 a 35% de Mn (teores expressos em % em peso) e contendo possivelmente outros elementos tais como silício, alumínio ou cromo. A uma dada temperatura, o modo de deformação dos aços austeníticos depende apenas da energia de falha de em-pilhamento ou SFE, cuja própria quantidade física depende apenas da composição e da temperatura. Quando a SFE diminui, a deformação passa em sucessão de um modo de deslizamento de discordâncias, então para um modo de maclagem e finalmente um modo de transformação martensítica. Entre esses modos, a maclagem mecânica torna possível alcançar-se uma alta capacidade de endurecimento no trabalho: as maclagens, agindo como obstáculo para a propagação das discordâncias, ajudam a aumentar o limite de elasticidade. A SFE aumenta em particular com os teores de carbono e manganês.

Assim, são conhecidos aços austeníticos com Fe-0,6% C-22% capazes de deformar por maclagem. Dependendo do tamanho do grão, essas composições de aços resultam em valores de resistência à tração variando de cerca de 900 a cerca de 1150 MPa em combinação com um alongamento na fratura de 50 a 80%.

Entretanto, há uma necessidade não resolvida para chapas de aço laminadas a quente ou laminadas a frio com uma resistência significativamente maior que 1150 MPa enquanto têm também uma boa capacidade de deformação, e fazê-lo sem a adição de ligas caras. É desejado ter-se uma chapa de aço apresentando um comportamento muito homogêneo durante o estresse mecânico subseqüente. O objetivo da invenção é, portanto, fornecer uma chapa de aço laminada a quente ou laminada a frio ou um produto de uma produção econômica, tendo uma resistência de pelo menos 1200 MPa, ou mesmo 1400 MPa em combinação com um alongamento tal que o produto P: resistência (em MPa) x alongamento na fratura (em %) é maior que 60 000 ou 50 000 MPa%, no nível de resistência acima mencionado respectivamente, propriedades mecânicas muito homogêneas durante a subseqüente deformação ou estresse mecânico, e uma estrutura livre de martensita em qualquer ponto durante ou após a deformação a frio desta chapa ou produto.

Para esse propósito, o objeto da invenção é uma chapa de aço austenítico de ferro/carbono/manganês laminada a quente, cuja resistência é maior que 1200 MPa, cujo produto P (resistência (em MPa) x alongamento na fratura (em %)) é maior que 65 000 MPa% e cuja composição química nominal compreende, os teores sendo expressos em peso: 0,85% < C < 1,05%; 16% < Mn < 19%; Si < 0,050%; Al < 0,050%; S < 0,030%; P < 0,050%; N < 0,1%; e, opcionalmente, um ou mais elementos escolhidos entre: Cr < 1%; Mo < 1,50%; Ni < 1%; Cu < 5%; Ti < 0,50%; Nb < 0,50%; V < 0,50%; o restante da composição consistindo em ferro e nas inevitáveis impurezas resultantes da fusão, a fração de superfície recristalizada do aço sendo igual a 100%, a fração da superfície de carbonetos precipitados do aço sendo igual a 0% e o tamanho médio do grão de aço sendo menor que ou igual a 10 mícrons. O objeto da invenção é também uma chapa de aço austenítico de ferro/carbono/manganês laminada a frio, cuja resistência é maior que 1200 MPa, cujo produto P (resistência (em MPa) x alongamento na fratura (em %)) é maior que 65 000 MPa% e cuja composição química nominal compreende, os teores sendo expressos em peso: 0,85% < C < 1,05%; 16% < Mn < 19%; Si < 2%; Al < 0,050%; S < 0,030%; P < 0,050%; N < 0,1%; e. opcionalmente, um ou mais elementos escolhidos entre: Cr < 1%; Mo < 1,50%; Ni < 1%; Cu < 5%; Ti < 0,50%; Nb < 0,50%; V < 0,50%; o restante da composição consistindo de ferro e das inevitáveis impurezas resultantes da fusão, a fração da superfície recristalizada do aço sendo igual a 100%, e o tamanho médio de grão do aço sendo menor que 5 mícrons. O objeto da invenção é também uma chapa de aço austenítico laminada a frio e recozida, cuja resistência é maior que 1250 MPa, cujo produto P (resistência (em MPa) x alongamento na fratura (em %)) é maior que 65 000 MPa%, caracterizado pelo fato de que o tamanho médio de grão do aço é menor que 3 mícrons.

De acordo com uma característica preferida, em qualquer ponto na chapa de aço austenítica, o teor de carbono local Cl do aço e o teor de manganês local MnL, expresso em peso, são tais que: %MnL + 9,7%Cl > 21,66.

Preferivelmente, o teor nominal de silício do aço é menor que ou igual a 0,6%.

De acordo com uma modalidade preferida, o teor nominal de nitrogênio do aço é menor que ou igual a 0,050%.

Também preferivelmente o teor nominal de alumínio do aço é menor que ou igual a 0,030%.

De acordo com uma modalidade preferida, o teor nominal de fósforo do aço é menor que ou igual a 0,040%. O objetivo da invenção é também um processo para produção de uma chapa de aço austenítico de ferro/carbono/manganês laminada a quente, cuja resistência é maior que 1200 MPa, cujo produto P (resistência (em MPa) x alongamento na fratura (em %)) é maior que 65 000 MPa% em cujo processo um aço é fundido, cuja composição nominal compreende, os teores sendo expressos em peso: 0,85% < C < 1,05%; 16% < Mn < 19%; Si < 2%; Al < 0,050%; S < 0,030%; P < 0,050%; N < 0,1%; e. opcionalmente, um ou mais elementos escolhidos entre: Cr < 1%; Mo < 1,50%; Ni < 1%; Cu < 5%; Ti < 0,50%; Nb < 0,50%; V < 0,50%; o restante da composição consistindo em ferro e das inevitáveis impurezas resultantes da fusão, - um produto semi-acabado é fundido desse aço; - o produto semi-acabado da composição do aço é aquecido até uma temperatura entre 1100 e 1300Ό; - o produto semi-acabado é laminado até uma temperatura final de laminação de 900Ό ou maior; - se necessário, é observado um tempo de retenção de tal forma que a fração da superfície recristalizada do aço é igual a 100%; - a chapa é resfriada a uma taxa de 20XZ/s ou maio r; e - a chapa é bobinada a uma temperatura de 400Ό ou menor. O objetivo da invenção é também um processo para fabricação de uma chapa de aço austenítica laminada a quente, cuja resistência seja maior que 1400 MPa, cujo produto P (resistência (em MPa) x alongamento na fratura (em %)) é maior que 50 000 MPa%, caracterizado pelo fato de que a chapa, laminada a quente, resfriada após o bobinamento e desbobinada, sofre deformação a frio com uma razão de deformação equivalente de pelo menos 13% mas de no máximo 17%. O objetivo da invenção é também um processo para fabricação de uma chapa de aço austenítico de ferro/carbono/manganês laminada a frio e recozida cuja resistência é maior que 1250 MPa, cujo produto P (resistência (em MPa) x alongamento na fratura (em %)) é maior que 60 000 MPa, caracterizado pelo fato de que é fornecida uma chapa laminada a quente obtida pelo processo acima; pelo menos um ciclo, cada ciclo consistindo de laminar-se a chapa a frio em um ou mais passes sucessivos e executando-se o tratamento de recozimento e recristalização, é realizado e o tamanho médio do grão austenítico antes do último ciclo de laminação a frio seguido de um tratamento de recozimento e cristalização é menor que 15 mícrons. O objetivo da invenção é também um processo para fabricação de uma chapa de aço austenítico de ferro/carbono/manganês laminada a frio, cuja resistência é maior que 1400 MPa e cujo produto P (resistência (em MPa) x alongamento na fratura (em %)) é maior que 50 000 MPa%, caracterizado pelo fato de que a chapa sofre, após o tratamento final de recozimento e cristalização, uma deformação a frio com uma razão de deformação e-quivalente de pelo menos 6%, mas de no máximo 17%. O objetivo da invenção é também um processo para fabricação de uma chapa de aço austenítico de ferro/carbono/manganês laminada a frio, cuja resistência seja maior que 1400 MPa e cujo produto P (resistência (em MPa) x alongamento na fratura (em %)) seja maior que 50 000 MPa%, caracterizado pelo fato de que é fornecida uma chapa laminada a frio e re-cozida conforme a invenção e essa chapa sofre uma deformação a frio com uma razão de deformação equivalente de pelo menos 6% mas de no máximo 17%. O objetivo da invenção é também um processo para fabricação de uma chapa de aço austenítica, caracterizado pelo fato de que as condições sob as quais o mencionado produto semi-acabado é fundido ou rea-quecido, tal como a temperatura de lingotamento do mencionado produto semi-acabado, a movimentação do metal líquido por forças eletromagnéticas e as condições de reaquecimento que levam a uma homogeneização dos teores de carbono e manganês por difusão, são escolhidos de forma que, em qualquer ponto da chapa, o teor local de carbono Cl e o teor local de manganês MnL, expressos em peso, são tais que: %MnL + 9,7%CL> 21,66.

De acordo com uma modalidade preferida, o produto semi-acabado é fundido na forma de placa ou fundido como uma tira fina entre cilindros de aço em contra-rotação. O objetivo da invenção é também o uso de uma chapa de aço austenítica para a fabricação de elementos estruturais ou de reforço ou peças externas no campo automotivo. O objetivo da invenção é também o uso de uma chapa de aço austenítico produzida por meio de um processo descrito acima para a fabricação de elementos estruturais ou de reforço ou pelas externas no campo automotivo.

Outras características e vantagens da invenção tornar-se-ão a-parentes durante a descrição abaixo, dada como forma de exemplo e com referência à figura 1 anexa, que apresenta a variação teórica da energia de falha de empilhamento à temperatura ambiente (300 K) em função dos teo- res de manganês e carbono.

Após muitas tentativas, os inventores mostraram que as várias necessidades relatadas acima foram satisfeitas observando-se as seguintes condições: em relação à composição química do aço, o carbono desempenha um papel importante na formação da microestrutura e das propriedades mecânicas obtidas. Em combinação com um teor de manganês variando de 16 a 19% em peso, um teor nominal de carbono maior que 0,85% torna possível se obter uma estrutura austenítica estável. Entretanto, para um teor nominal de carbono acima de 1,05%, torna-se difícil evitar precipitação de carbonetos que ocorrem durante certos ciclos térmicos na fabricação industrial, em particular quando o aço está sendo resfriado no bobinamento e cuja precipitação degrada a ductilidade e a dureza. Adicionalmente, aumentando-se o teor de carbono reduz-se a capacidade de soldagem. O manganês é também um elemento essencial para aumentar a resistência, aumentando a energia de falha de empilhamento e estabilizando a fase austenítica. Se seu teor nominal for menor que 16%, há o risco, como será visto mais tarde, da formação de uma fase martensítica, a qual reduz muito notavelmente a capacidade de deformação. Além disso, quando o teor nominal de manganês for maior que 19%, o modo de deformação por ma-clagem é menos favorecido que o modo de deslizamento de discordâncias perfeitas. Em adição, por razões de custo, é indesejável que o teor de manganês seja alto. O alumínio é um elemento particularmente eficaz para desoxida-ção do aço. Como o carbono, aumenta a energia de falha de empilhamento. Entretanto, o alumínio é uma desvantagem se estiver presente em excesso em aços que tenham um alto teor de manganês. Isto se dá porque o manganês aumenta a solubilidade do nitrogênio no ferro líquido e, se uma quantidade excessivamente grande de alumínio estiver presente no aço, o nitrogênio, que combina com o alumínio, se precipita na forma de nitretos de alumínio que impedem a migração das bordas dos grãos durante a transformação a quente e aumenta muito notadamente o risco de aparecimento de trincas.

Um teor nominal de Al de 0,050% ou menos evita a precipitação de AIN. A-nalogamente, o teor nominal de nitrogênio deve ser 0,1% ou menos de modo a evitar essa precipitação e a formação de um grande volume de defeitos durante a solidificação. Esse risco é particularmente reduzido quando o teor nominal de alumínio for menor que 0,030% e quando o teor nominal de nitrogênio for menor que 0,050%. O silício é também um elemento eficaz para desoxidação do aço e também para o endurecimento da fase sólida. Entretanto, acima de um teor nominal de 2%, ele reduz o alongamento e tende a formar óxidos indesejáveis durante certos processos de ligação e deve portanto ser mantido abaixo desse limite. Esse fenômeno é grandemente reduzido quando o teor nominal de silício for menor que 0,6%. O enxofre e o fósforo são impurezas que fragilizam os limites dos grãos. Seus teores nominais respectivos não devem exceder 0,030% e 0,050% respectivamente de modo a manter uma ductilidade suficiente a quente. Quando o teor nominal do fósforo é menor que 0,040%, o risco de fragilização é particularmente reduzido. O cromo pode ser usado opcionalmente para aumentar a resistência do aço pelo endurecimento da solução sólida. Entretanto, uma vez que o cromo reduz a energia de falha de empilhamento, seu teor nominal não deve exceder a 1%. O níquel aumenta a energia de falha de empilhamento e contribui para se alcançar um alto alongamento na fratura. Entretanto, é também desejável, por razões de custo, limitar-se o teor nominal do níquel a um máximo de 1% ou menos. O molibdênio pode também ser usado por razões similares, esse elemento além disso retarda a precipitação de carbonetos. Por razões de eficácia e custo, é desejável limitar-se seu teor nominal em 1,5%, e preferivelmente em 0,4%.

Da mesma forma, opcionalmente, uma adição de cobre até um teor nominal que não exceda 5% é um meio de endurecer o aço pela precipitação de cobre metálico. Entretanto, acima desse teor, o cobre é responsável pelo aparecimento de defeitos de superfície na chapa laminada a quente. O titânio, o nióbio e o vanádio são também elementos que po- dem opcionalmente ser usados para se alcançar o endurecimento pela precipitação de carbonitretos. Entretanto, quando o teor nominal de Nb ou V ou Ti for maior que 0,50%, uma precipitação excessiva de carbonitretos pode provocar uma redução na ductilidade e estampabilidade, o que deve ser evitado. O método de implementação do processo de fabricação conforme a invenção é como segue. Um aço tendo a composição mencionada a-cima é fundido. Após essa fusão, o aço pode ser fundido na forma de um lingote ou fundido continuamente na forma de placas com uma espessura de cerca de 200 mm. O aço pode também ser fundido na forma de placas finas, com uma espessura de poucas dezenas de milímetros, ou na forma de tiras finas entre cilindros em contra-rotação. Naturalmente, embora a presente descrição ilustre a aplicação da invenção para produtos planos, ela pode ser aplicada da mesma forma para a fabricação de produtos não planos feitos de aço Fe-C-Mn.

Esses produtos semi-acabados fundidos são primeiramente a-quecidos até uma temperatura entre 1100 e 1300Ό. I sto tem o propósito de fazer com que todos os pontos atinjam as faixas de temperatura favoráveis às grandes deformações que o aço sofrerá durante a laminação. Entretanto, a temperatura não deve estar acima de 1300Ό pelo medo de ficar muito próxima da temperatura sólida, o que poderia ser alcançado em quaisquer zonas de segregação de manganês e/ou carbono, e provocar um ataque local de um estado líquido que seria deletério para a conformação a quente. No caso de lingotamento direto da tira fina entre cilindros em contra-rotação, a etapa de laminação a quente desses produtos semi-acabados começando entre 1300 e 1100Ό pode ocorrer diretamente após o lingotamento, de forma que uma etapa de reaquecimento intermediário é desnecessária nesse caso.

As condições de produção do produto semi-acabado (lingotamento, reaquecimento) têm influência direta na possível segregação de carbono e manganês - esse ponto será discutido em detalhes mais tarde. O produto semi-acabado é laminado a quente, por exemplo, até a espessura de uma tira laminada a quente de poucos milímetros. O baixo teor de alumínio do aço conforme a invenção evita a precipitação excessiva de AIN, o que poderia prejudicar a capacidade de deformação a quente durante a laminação. Para evitar qualquer problema de fratura através da falta de ductilidade, a temperatura do final da laminação deve ser de 900Ό ou maior.

Os inventores demonstraram que as propriedades de ductilidade obtidas da folha foram reduzidas quando a fração de superfície do aço re-cristalizada foi menor que 100%. Conseqüentemente, se as condições de laminação a quente não resultarem na completa recristalização da austenita, os inventores demonstraram que, após a fase de laminação a quente, o tempo de retenção deve ser observado de forma que a fração de superfície recristalizada seja igual a 100%. Essa fase de permanência isotérmica a alta temperatura após a laminação, provoca, portanto a completa recristalização.

Para uma chapa laminada a quente, foi também demonstrado que é necessário evitar precipitação de carbonetos (essencialmente cemen-tita (Fé,Mn)3C e perlita), o que resultaria na deterioração das propriedades mecânicas, em particular uma redução na ductilidade e um aumento no limite de elasticidade. Para esse propósito, os inventores descobriram que uma taxa de resfriamento após a fase de laminação (ou após o tempo opcional de retenção necessário para a recristalização) de 20Ό Is ou maior evita completamente essa precipitação. Essa fase de resfriamento é seguida de uma o-peração de resfriamento. Foi também demonstrado que a temperatura de bobinamento deve estar abaixo de 400Ό, novamente p ara evitar precipitação.

Para composições de aços conforme a invenção, os inventores demonstraram que propriedades de resistência e um alongamento na fratura particularmente altas são obtidas quando o tamanho médio de grão austení-tico foi igual a 10 mícrons ou menos. Sob essas condições, o limite de resistência à tração da chapa laminada a quente assim obtido é maior que 1200 MPa e o produto P (resistência x alongamento na fratura) é maior que 65 000 MPa%. Há aplicações nas quais é desejável obter-se características de resistência ainda mais altas nas chapas laminadas a quente, com um nível de 1400 MPa ou maior. Os inventores demonstraram que tais características foram obtidas submetendo-se a chapa de aço laminada a quente descrita acima a uma deformação a frio com uma razão de deformação equivalente de pelo menos 13% mas de no máximo 17%. Essa deformação a frio é portanto conferida a uma folha que tenha sido resfriada após o bobinamento, desbobinada e geralmente decapada. Essa deformação com uma razão relativamente baixa resulta na fabricação de um produto de anisotropia reduzida sem afetar o processamento subseqüente. Assim, embora o processo inclua uma etapa de deformação a frio, a chapa fabricada pode ser denominada "chapa laminada a quente" quanto à razão de deformação a frio é extremamente pequena em comparação com as razões usuais produzidas durante a laminação a frio antes do recozimento, para o propósito de fabricação de chapas finas, e quanto à espessura da chapa assim fabricada fica na faixa de espessuras comum de chapas laminadas a quente. Entretanto, quando a razão de deformação a frio equivalente for maior que 17%, a redução no alongamento torna-se tal que o parâmetro P (resistência Rm x alongamento na fratura A) não pode alcançar 50 000 MPa%. Sob as condições da invenção, apesar de sua resistência muito alta, a chapa retém uma boa capacidade de alongamento uma vez que o produto P da chapa assim obtida é maior que ou igual a 50 000 MPa%.

No caso de chapa laminada a frio e recozida, os inventores demonstraram também que a estrutura poderia ser completamente recristaliza-da após o recozimento para o propósito de alcançar as propriedades desejadas. Simultaneamente, quando o tamanho médio de grão for menor que 5 mícrons, a resistência excede 1200 MPa e o produto P é maior que 65 000 MPa%. Quando o tamanho médio de grão obtido após o recozimento for menor que 3 mícrons, a resistência excede 1250 MPa, o produto P ainda sendo maior que 65 000 MPa%.

Os inventores também descobriram um processo para produção de chapa de aço laminada a frio e recozida com uma resistência maior que 1250 MPa e um produto P maior que 60 000 MPa%, pelo fornecimento de uma chapa laminada a quente conforme o processo descrito acima e então executando-se pelo menos um ciclo, no qual cada ciclo consiste nas seguintes etapas: - laminar a frio em um ou mais passes sucessivos; e - recozimento de recristalização, o tamanho médio do grão austenítica antes do último ciclo de laminação, submetido a um recozimento de recristalização, sendo menor que 15 mí-crons.

Pode ser desejável obter-se uma chapa laminada a frio com uma resistência ainda maior, maior que 1400 MPa. Os inventores demonstraram que tais propriedades podem ser alcançadas pelo fornecimento de uma chapa laminada a frio possuindo as características conforme a invenção descrita acima ou pelo fornecimento de uma chapa laminada a frio obtida usando-se o processo conforme a invenção descrita acima. Os inventores descobriram que aplicando-se uma deformação a frio à tal chapa com uma taxa de deformação equivalente de pelo menos 6% mas de no máximo 17% torna possível alcançar-se uma resistência maior que 1400 MPa e um produto P maior que 50 000 MPa%. Quando a razão de deformação a frio equivalente for maior que 17%, a redução no alongamento torna-se tal que o parâmetro P não pode alcançar 50 000 MPa. O papel particularmente importante desempenhado pelo carbono e pelo manganês dentro do contexto da presente invenção será agora explicado em detalhes. Para fazê-lo, será feita referência a figura 1, que mostra, em um gráfico carbono-manganês (o restante sendo ferro), as curvas de i-soenergia de falha de empilhamento calculada, cuja faixa de valores varia de 5 a 30 mJ/m2. A uma dada temperatura de deformação e para um dado tamanho de grão, o modo de deformação é teoricamente idêntico para qualquer liga Fe-C-Mn tendo a mesma SFE. Também está descrita nesse gráfico a região de ataque da martensita.

Os inventores demonstraram que é necessário, para se apreciar o comportamento mecânico, considerar-se não apenas a composição quími- ca nominal da liga, por exemplo, seus teores médio e nominal de carbono e manganês, mas também seu teor local.

Isto se dá porque é sabido que, durante a produção do aço, a solidificação faz com que certos elementos sejam segregados em maior ou menor quantidade. Isto surge do fato de que a solubilidade de um elemento dentro da fase sólida é diferente daquela na fase líquida. Assim, núcleo sólido, cujo teor de soluto está abaixo da composição nominal, ocorrerá fre-qüentemente, a fase final da solidificação envolvendo uma fase líquida residual enriquecida com soluto. Essa estrutura de solidificação primária pode adotar várias morfologias (por exemplo, uma morfologia dendrítica ou equia-xial) e ser pronunciada a uma maior ou menor extensão. Mesmo se essas características forem modificadas pela laminação e pelos subseqüentes tratamentos térmicos, a análise do teor elementar local indica uma flutuação em torno de um valor correspondente ao teor médio ou nominal desse elemento. O termo "teor local" é aqui entendido como o teor médio medido por meio de um equipamento tal como uma sonda eletrônica. Uma varredura linear ou de superfície por meio de tal equipamento permite que a variação do teor local seja determinada.

Assim, foi medida a variação do teor local de uma liga Fe-C-Mn, cuja composição nominal é C = 0,23%, Mn = 24%, Si - 0,203%, N = 0,001%. Os inventores demonstraram uma co-segregação de carbono e manganês -zonas enriquecidas localmente com carbono (ou esgotada de carbono) também correspondem a zonas enriquecidas com manganês (ou esgotadas de manganês). Cada ponto medido tendo uma concentração local de carbono (Cl) e uma concentração local de manganês (MnL) foi plotado na Figura 1, a combinação formando um segmento representando a variação local de carbono e manganês na chapa de aço, centrado no teor nominal (C = 0,23% / Mn = 24%). Nesse caso, pode ser visto que a variação no teor local de carbono e manganês é manifestada por uma variação na n=energia de falha de empilhamento, uma vez que esse valor varia de 7 mJ/m2 para as zonas menos ricas em C e em Mn até cerca de 20 mJ/m2 para as zonas mais ricas.

Além disso, é sabido que a maclagem ocorre como modo de deformação preferencial à temperatura ambiente quando o SFE é de cerca de 15-30 mJ/m2. No caso acima, esse modo preferencial de deformação pode não estar absolutamente presente na chapa de aço e certas zonas em particular podem possivelmente apresentar um comportamento mecânico diferente do esperado para uma chapa de aço de composição nominal, em particular uma menor capacidade de deformação por maclagem dentro de certos grãos. Mais geralmente, é considerado que, sob condições muito particulares dependendo, por exemplo, da temperatura de deformação ou de estresse no tamanho de grão, os teores locais de carbono e de manganês podem ser reduzidos ao ponto de provocar localmente uma deformação - transformação martensítica induzida.

Os inventores procuraram as condições particulares para obter propriedades mecânicas muito altas simultaneamente com uma grande homogeneidade dessas propriedades na chapa de aço. Conforme explicado acima, a combinação de um teor de carbono (0,85% - 1,05%) e de um teor de manganês (16 - 19%) associada com outras propriedades da invenção resulta em valores de resistência maiores que 1200 MPa e um produto P (resistência x alongamento na fratura) maiores que 60 000, ou mesmo 65 000 MPa%. Será visto na Figura 1 que essas composições de aço ficam em uma região em que a SFE está em torno de 19-24 mJ/m2, quer dizer, favorável à deformação por maclagem. Entretanto, os inventores também demonstraram que uma variação no teor local de carbono ou manganês tem uma influência muito menor que aquela mencionada no exemplo anterior. Isto acontece porque medições das variações dos teores locais (Cl, MnL) realizadas em várias composições de aço austenítico Fe-C-Mn mostraram, sob condições de fabricação idênticas, co-segregação de carbono e manganês muito próxima daquela ilustrada na Figura 1. Sob essas condições, uma variação no teor local (Cl, MnL) tem apenas uma leve conseqüência no comportamento mecânico, uma vez que o segmento representando essa co-segregação fica ao longo de uma direção aproximadamente paralela às curvas iso-SFE.

Em adição, os inventores demonstraram que a formação de mar-tensita durante as operações de deformação ou durante o uso da chapa deveria ser absolutamente evitada, por receio de as propriedades mecânicas nas peças serem heterogêneas. Os inventores determinaram que esta condição é satisfeita quando, em qualquer ponto da chapa, os teores locais de carbono e manganês da chapa são tais que: %MnL + 9,7%Cl > 21,66. Assim, graças às características da composição nominal que são definidas pela invenção, e àquelas definidas pelos teores locais de carbono e manganês, é alcançada uma chapa de aço austenítico que tem não apenas propriedades mecânicas muito altas mas também uma dispersão muito baixa dessas propriedades.

Uma pessoa versada na técnica, através de seu conhecimento geral, adaptará as condições de fabricação de forma a satisfazer essa relação em relação aos teores locais, em particular por meio das condições de lingotamento (temperatura de lingotamento, movimentação eletromagnética do metal líquido) ou das condições de reaquecimento resultando na homogeneização do carbono e do manganês por difusão.

Em particular, será vantajoso realizar-se processos para lingotamento de produtos semi-acabados na forma de placas finas (com uma espessura de poucos centímetros) ou na forma de tiras finas, uma vez que esses processos são geral mente associados à heterogeneidade da composição local.

Por meio de um exemplo não limitativo, os resultados a seguir apresentarão as características vantajosas conferidas pela invenção. Exemplo: Foram fundidos aços com a composição nominal a seguir (teores expressos em percentual em peso): Após o lingotamento, um produto semi-acabado do aço I conforme a invenção foi reaquecido até uma temperatura de 1180*0 e laminado a quente até uma temperatura acima de 900*0 para al cançar uma espessura de 3 mm. Foi observado um tempo de retenção de 2 s após a laminação, com o propósito de fazer a recristalização completa, e então o produto foi resfriado a uma taxa maior que 200/8 seguido de bo bina mento à temperatura ambiente.

Os aços de referência foram reaquecídos até uma temperatura acima de 11500, laminados até uma temperatura final de laminação de mais de 9400, e então bobinados a uma temperatura abaixo de 4500. A fração de superfície recristalizada foi de 100% para todos os aços, a fração de carbonetos precipitados foi de 0% e o tamanho médio de grão foi entre 9 e 10 mícrons.

As propriedades de tensão das chapas laminadas a quente foram, as seguintes: Tabela 2: Propriedades de tensão das chapas laminadas a quente Comparado com um aço de referência R1, cujas propriedades mecânicas já são altas, o aço conforme a invenção tornou possível obter-se uma resistência aumentada de cerca de 200 MPa, com um alongamento muito parecido.

Para avaliar a homogeneidade estrutural e mecânica durante a deformação, foram produzidos copos estampados, nos quais a micro estrutura foi examinada por difração de raios-x. No caso do aço de referência R2, o aparecimento de martensita foi observado sempre que a razão de deformação excedeu 17%, a operação total de estampagem resultando em fratura, Uma análise indicou que a característica: %MnL + 9,7%CL > 21,66 não foi preenchida em qualquer ponto (figura 1).

No caso do aço conforme a invenção, nenhum traço de marten-sita pode ser encontrado, e uma análise similar indicou que a característica %MnL + 9,7%Cl >21,66 foi satisfeita em todos os pontos, evitando portanto qualquer aparecimento de martensita. A chapa de aço conforme a invenção sofreu então uma leve deformação a frio pela laminação com uma deformação equivalente de 14%, A resistência do produto foi então de 1420 MPa e seu alongamento na fratura foi de 42%, isto é, um produto P = 59 640 MPa%, Esse produto tendo propriedades mecânicas excepcionalmente altas oferece grande potencial para a deformação subseqüente devido à sua reserva de plasticidade e sua baixa anisotropia.

Além disso, após as etapas de bobinamento, desbobinamento e decapagem, a chapa de aço laminada a quente de acordo com a invenção e a do aço R1 foram então laminadas a frio, antes de serem recozidas para se obter uma estrutura completamente recristalizada. O tamanho médio de grão austenítico, a resistência e o alongamento na fratura estão indicados na tabela abaixo.

Tabela 3: Propriedades mecânicas dos produtos de chapas laminadas a frio e recozidas A chapa de aço produzida conforme a invenção, cujo principal tamanho de grão é de 4 mícrons, dá portanto uma combinação particular-mente vantajosa de resistén cia/alonga mento e um aumento significativo de resistência se comparado com o aço de referência, Como no caso dos produtos chapa de aço laminada a quente essas propriedades são obtidas com uma homogeneidade muito grande no produto, sem haver presença de traços de martensita após a deformação.

As tentativas de expansão equi-biaxial usando-se um furador hemisférico com 75 mm de diâmetro, realizadas em uma chapa laminada a frio e recozida de 1,6 mm de espessura, conforme a invenção, deu um limite de profundidade de estampagem de 33 mm, demonstrando excelente capacidade de deformação. Testes de dobramento realizados nesta mesma chapa também mostraram que a deformação crítica antes das fraturas aparecerem foi maior que 50%. A chapa de aço produzida de acordo com a invenção foi submetida à deformação a frio por laminação com uma razão de deformação equivalente de 8%. A resistência do produto foi então de 1420 MPa e seu alongamento na fratura foi de 48%, isto é, um produto P = 68 160 MPa%.

Assim, devido às suas propriedades mecânicas particularmente altas, seu comportamento mecânico muito homogêneo e sua estabilidade microestrutural, os aços laminados a quente ou laminados a frio conforme a invenção serão usados vantajosamente para aplicações nas quais é desejado alcançar-se uma alta capacidade de deformação e uma resistência muito alta. Quando eles são usados na indústria automotiva, suas vantagens serão proveitosamente usadas para a fabricação de peças estruturais, elementos de reforço ou mesmo de peças externas.

Claims (16)

1. Chapa de aço austenítico de ferro/carbono/manganês laminada a quente, cuja resistência é maior que 1200 MPa, cujo produto P (resistência (em MPa) x alongamento na fratura (em %)) é maior que 65000 MPa% e cuja composição química nominal compreende, os teores sendo expressos em peso: e, opcionalmente, um ou mais elementos escolhidos entre: o restante da composição consistindo em ferro e inevitáveis impurezas resultantes da elaboração, a fração de superfície recristalizada do mencionado aço sendo igual a 100%, a fração de superfície dos carbonetos precipitados sendo igual a 0% e o tamanho médio de grão do aço sendo menor ou igual a 10 mícrons, caracterizada pelo fato de que em qualquer ponto da referida chapa de aço, o teor local do aço de carbono Cl e o teor local de manganês MnL, expressos em peso, são tais que: %MnL + 9,7%Cl > 21,66.

2. Chapa de aço austenítico ferro/carbono/manganês laminada a frio e recozida, cuja resistência é maior que 1200 MPa, cujo produto P (resistência (em MPa) x alongamento na fratura (em %)) é maior que 65000 MPa% e cuja composição química nominal compreende, os teores sendo expressos em % em peso: e, opcionalmente, um ou mais elementos escolhidos entre: o restante da composição consistindo em ferro e inevitáveis impurezas resultantes da elaboração, a fração de superfície recristalizada do aço sendo i-gual a 100% e o tamanho médio de grão do mencionado aço sendo menor que 5 mícrons, caracterizada pelo fato de que em qualquer ponto da referida chapa de aço, o teor local do aço de carbono Cl e o teor local de manganês MnL, expressos em peso, são tais que: %MnL + 9,7%Cl > 21,66.

3. Chapa de aço austenítico laminada a frio e recozida de acordo com a reivindicação 2, cuja resistência é maior que 1250 MPa, cujo produto P (resistência (em MPa) x alongamento na fratura (em %)) é maior que 65 000 MPa%, caracterizada pelo fato de que o tamanho médio de grão do mencionado aço é menor que 3 mícrons.

4. Chapa de aço de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que o teor nominal de silício do mencionado aço é menor que ou igual a 0,6%.

5. Chapa de aço de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que o teor nominal de nitrogênio do mencionado aço é menor que ou igual a 0,050%.

6. Chapa de aço de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que o teor nominal de alumínio do mencionado aço é menor ou igual a 0,030%.

7. Chapa de aço de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de que o teor nominal de fósforo do mencionado aço é menor ou igual a 0,040%.

8. Processo de fabricação de uma chapa de aço austenítico fer-ro/carbono/manganês laminada a quente, cuja resistência é maior que 1200 MPa, cujo produto P (resistência (em MPa) x alongamento na fratura (em %)) é maior que 65000 MPa%, em cujo processo o aço é fundido, cuja composição compreende, os teores expressos em peso: e, opcionalmente, um ou mais elementos escolhidos entre: o restante da composição consistindo em ferro e das inevitáveis impurezas resultantes da fusão, - um produto semi-acabado é fundido desse aço; - o produto semi-acabado da mencionada composição de aço é aquecido até uma temperatura entre 1100 e 1300Ό; - o mencionado produto semi-acabado é laminado até uma temperatura final de laminação de 900Ό ou maior; - se necessário, é observado um tempo de retenção de tal forma que a fração da superfície recristalizada do aço seja igual a 100%; - a chapa é resfriada a uma taxa de 20XZ/s ou maio r; e - a chapa é bobinada a uma temperatura de 400Ό ou menor, caracterizado pelo fato de que em qualquer ponto da referida chapa de aço, o teor local do aço de carbono Cl e o teor local de manganês MnL, expressos em peso, são tais que: %MnL + 9,7%Cl > 21,66.

9. Processo para fabricação de uma chapa de aço austenítico laminada a quente de acordo com a reivindicação 8, cuja resistência é maior que 1400 MPa, cujo produto P (resistência (em MPa) x alongamento na fratura (em %) é maior que 50 000 MPa%, caracterizado pelo fato de que a mencionada chapa, laminada a quente, resfriada após o bobinamento e desbobinada, sofre deformação a frio com uma razão de deformação equivalente de pelo menos 13% mas de no máximo 17%.

10. Processo para fabricação de uma chapa de aço austenítico ferro/carbono/manganês laminada a frio e recozida, cuja resistência é maior que 1250 MPa, e cujo produto P (resistência (em MPa) x alongamento na fratura (em %) é maior que 60000 MPa%, caracterizado pelo fato de que: - é fornecida uma chapa laminada a quente obtida pelo processo como definido na reivindicação 8; - é realizado pelo menos um ciclo, cada ciclo consistindo em: laminação a frio da mencionada chapa em um ou mais passes sucessivos e execução de um tratamento de recozimento de recristalização; e - o tamanho médio de grão austenítico antes do último ciclo de laminação a frio seguido de um tratamento de recozimento de recristalização é de menos de 15 mícrons.

11. Processo para fabriação de uma chapa de aço austenítico ferro/carbono/manganês laminada a frio de acordo com a reivindicação 10, cuja resistência é maior que 1400 MPa, e cujo produto P (resistência (em MPa) x alongamento na fratura (em %) é maior que 50 000 MPa%, caracterizado pelo fato de que a chapa sofre, após o tratamento final de recozimen-to de recristalização uma deformação a frio com uma razão de deformação equivalente de pelo menos 6% mas de no máximo 17%.

12. Processo para fabricação de uma chapa de aço austenítico ferro/carbono/manganês laminada a frio, cuja resistência é maior que 1400 MPa, e cujo produto P (resistência (em MPa) x alongamento na fratura (em %) é maior que 50000 MPa%, caracterizado pelo fato de que é fornecida uma chapa laminada a frio e recozida como definida em qualquer uma das reivindicações 2 a 7 e que a mencionada chapa sofre uma deformação a frio com uma razão de deformação equivalente de pelo menos 6% e de no máximo 17%.

13. Processo para a fabricação de uma chapa de aço austenítico de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 12, caracterizado pelo fato de que as condições sob as quais o mencionado produto semi-acabado é fundido ou reaquecido, tais como a temperatura de lingotamento do mencionado produto semi-acabado, a brasagem do metal líquido por forças eletromagnéticas e as condições de reaquecimento que levam à homogeneização dos teores de carbono e manganês por difusão, são escolhidos de forma que, em qualquer ponto da mencionada chapa, o teor de carbono local Cl e o teor de manganês local MnL, expressos em peso, são tais que: %MnL + 9,7%CL> 21,66.

14. Processo de fabricação de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 13, caracterizado pelo fato de que o mencionado produto semi-acabado é fundido na forma de placas ou fundido como tira fina entre cilindros de aço em contra-rotação.

15. Uso de uma chapa de aço austenítico como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por ser para a fabricação de peças estruturais, elementos de reforço ou peças externas no campo automotivo.

16. Uso de uma chapa de aço austenítico fabricada por meio de um processo como definido em qualquer uma das reivindicações 8 a 14, caracterizado por ser para a fabricação de peças estruturais, elementos de reforço ou peças externas no campo automotivo.