Estudo da forjabilidade a frio de aços bainíticos de resfriamento contínuo

Abstract

O forjamento a frio apresenta diversas vantagens em relação a outros processos de fabricação, destacando-se pela melhoria das propriedades mecânicas, pelo uso mais eficiente da matéria-prima, pela elevada precisão dimensional e pelo excelente acabamento superficial. A aplicação desse processo em aços bainíticos livres de carbonetos ainda não foi explorada na literatura técnica. Considerando que essas microestruturas podem ser obtidas por meio de resfriamento ao ar após a laminação a quente, desde que a composição química seja adequada, torna-se possível alcançar propriedades mecânicas aprimoradas e elevada tenacidade. Tais características revelam um potencial promissor para a utilização desses materiais na conformação a frio. O objetivo deste trabalho foi avaliar a deformabilidade a frio de um novo aço bainítico de baixo teor de carbono e elementos de liga, DIN 18MnCrSiMo6-4, conhecido comercialmente como HSX® 130HD (higher-strength special steel), produzido pela fabricante de aços longos Swiss Steel AG, localizada em Emmen, na Suíça. O estudo considerou amostras com e sem a aplicação do processo de refinamento microestrutural, acoplado ao final da cadeia de laminação, denominado XTP® (Xtreme Performance Technology). O propósito de estudar o comportamento desses dois materiais sob conformação a frio é integrar as vantagens proporcionadas pela liga bainítica de resfriamento contínuo ao processo de conformação, juntamente com o refinamento microestrutural, visando a produção de componentes forjados mediante uma rota de processamento otimizada, eliminando a etapa de tratamentos térmicos e, consequentemente, minimizando a ocorrência de distorções e trincas, além de trazer benefícios econômicos e ambientais quando comparados aos processos que utilizam aços convencionais para o forjamento a frio. Neste estudo, ambos os aços foram avaliados com relação à deformabilidade a frio por meio de ensaios práticos de compressão em corpos de prova com geometria cilíndrica e geometria em cunha, além de modelagem por simulação computacional. Os aços foram caracterizados na condição inicial e pósforjamento, por microscopia óptica e eletrônica de varredura, microdureza Vickers e por difração de raios X. Os resultados indicaram que a dureza aumenta proporcionalmente com a deformação plástica. Além disso, evidenciaram que o processo de refinamento microestrutural contribui para a redução da deformabilidade a frio do aço bainítico.

Cold forging offers several advantages over other manufacturing processes, notably the enhancement of mechanical properties, more efficient use of raw materials, high dimensional accuracy, and excellent surface finish. However, the application of this process to carbide-free bainitic steels remains largely unexplored in the technical literature. Considering that such microstructures can be obtained through air cooling after hot rolling, provided the chemical composition is appropriate, it becomes possible to achieve improved mechanical properties and high toughness. These characteristics reveal a promising potential for the use of such materials in cold forming operations. This study aimed to evaluate the cold workability of a new low-carbon bainitic steel alloyed with elements, designated DIN 18MnCrSiMo6-4, commercially known as HSX® 130HD (higher-strength special steel), produced by the long steel manufacturer Swiss Steel AG, headquartered in Emmen, Switzerland. The investigation considered samples with and without the application of a microstructural refinement process, integrated at the end of the rolling line, known as XTP® (Xtreme Performance Technology). The purpose of studying the behavior of these two materials under cold forming conditions is to combine the advantages of bainitic steel obtained by continuous cooling with the cold forming process, along with microstructural refinement, aiming at the production of forged components through an optimized processing route. This approach eliminates the need for subsequent heat treatments, thereby minimizing the occurrence of distortions and cracks, and offering economic and environmental benefits compared to conventional cold forging processes. In this study, both steels were evaluated in terms of cold workability through practical compression tests using cylindrical and wedge-shaped specimens, as well as computational simulation modeling. The steels were characterized in both initial and post-forging conditions using optical and scanning electron microscopy, Vickers microhardness testing, and phase analysis by X-ray diffraction. The results indicated a significant increase in hardness with increasing plastic deformation and revealed that the microstructural refinement process reduces the cold workability of bainitic steel.