Caracterização mecânica e metalúrgica de um aço bainítico de resfriamento contínuo aplicado no processo industrial de forjamento a quente

Abstract

Microestruturas bainíticas livres de carbonetos formadas por resfriamento contínuo diretamente após a deformação a quente, são boas alternativas para a redução de custos na fabricação de produtos forjados. Esta prática almeja uma cadeia produtiva energeticamente eficiente e sustentável por meio de uma rota de fabricação enxuta, sem deixar de atender os requisitos de projeto. O objetivo do trabalho foi investigar a aplicabilidade de um novo aço bainítico de baixo teor de carbono e elementos de liga de alto custo (DIN 18MnCrSiMo6-4), no processo industrial de forjamento a quente, com uma rota de processamento enxuta, avaliando o seu comportamento mecânico-metalúrgico para a fabricação de componentes forjados. O aço DIN 20MnCr5, que é aplicado na rota convencional, foi utilizado como material comparativo. Os aços foram submetidos ao forjamento por meio de uma rota industrial modificada, com duas temperaturas de austenitização mais baixas do que a convencional e resfriamento controlado, a fim de avaliar o efeito do refino do grão austenítico na transformação de fases e propriedades mecânicas da bainita. Não foram utilizados tratamentos térmicos ou etapas posteriores ao forjamento, frequentemente empregadas na rota convencional. Amostras das condições de recebimento e pós forjamento foram submetidas à caracterização microestrutural via microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura para a quantificação do tamanho de grão austenítico e de constituintes M/A. A quantificação de austenita retida foi realizada através de medições por difração de raios-X. Além disso, foi realizada a caracterização das propriedades mecânicas através de ensaios de microdureza e dureza Vickers, ensaios de tração uniaxial para a determinação da resistência mecânica e ductilidade, e ensaios de impacto Charpy para a determinação da tenacidade. Os resultados mostraram que a temperatura de forjamento tem grande influência no tamanho do grão austenítico recristalizado, que por sua vez influencia a decomposição da austenita e formação de fases. De modo geral, o aço bainítico apresentou melhoria de propriedades após forjamento e resfriamento a ar, as quais se sobressaíram às do aço DIN 20MnCr5 em todas as condições. Verificou-se indicativos de que o aço bainítico pode ser uma boa opção para a substituição de aços para cementação, tempera e revenimento na fabricação de componentes mecânicos forjados com uma rota de processamento energeticamente eficiente.

Carbide free bainitic microstructures formed by continuous cooling directly after hot-working are interesting alternatives for cost savings in the manufacturing of forged mechanical components. This practice aims at energy efficient and environmentally manufacturing chain through a lean manufacturing route, while still attending to the design requirements. The objective of this work was to investigate the applicability of a new low carbon and low-cost alloy bainitic steel (DIN 18MnCrSiMo6-4), in industrial hot-forging process with a lean manufacturing route, evaluating its mechanical and metallurgical behavior in forged mechanical components manufacturing. The DIN 20MnCr5 steel, which is applied in the conventional route, was used as a comparative material. Both steels were submitted to a forging process by employing a modified industrial route, using two lower austenitizing temperatures than the conventional route and controlled cooling, in order to evaluate the effect of austenite grain refinement on phase transformations and bainite mechanical properties. Conventional post-forging heat treatments were not employed. Samples from asreceived steels and after forging were submitted to microstructural characterization by optical and scanning electronic microscopy to assess the austenite grain size and quantify the M/A constituents. The quantification of austenite was carried out by X-ray diffractions measurements. In addition, mechanical properties were characterized by microhardness and hardness Vickers tests, uniaxial tensile tests to determine strength and ductility, and Charpy impact tests to determine toughness. The results have shown that forging temperature has a great influence on the recrystallized austenite grain size, which influences the austenite decomposition and phase formation. In general, the bainitic steel displayed improved properties after forging and air cooling, which were superior to those of the conventional steel in all conditions. Results indicate that the bainitic steel can be a good option to replace hardening, quenching and tempering treated steels in the manufacturing of forging mechanical components with energy efficient processing route.