Estudo do forjamento a quente de um aço ultra limpo de alta resistência com 1% de silício

Abstract

A fim de minimizar o consumo energético e o custo, está em andamento o desenvolvimento de cadeias de processos inovadores para uma nova geração de aços que preservam as propriedades de resistência finais dos componentes por meio de um resfriamento direto contínuo após o forjamento. Espera-se a substituição das rotas de fabricação tradicionais, que incluem tratamentos pós-forjamento, tais como têmpera e revenimento. O estudo do aço ultra-limpo TOOLOX 33, como alternativa ao aço 42CrMo4, será conduzido. O objetivo é preservar as propriedades mecânicas e metalúrgicas finais do componente forjado, removendo processos posteriores ao forjamento. Para atingir este objetivo, foi implementada neste trabalho uma metodologia para analisar a proporção de fases e o tamanho de grão no aço TOOLOX 33, bem como avaliar suas características metalúrgicas sob diferentes condições de processamento. Os experimentos envolveram ensaios de compressão do aço TOOLOX 33 em temperatura, sendo 900°C, 1000°C e 1200°C, com posterior resfriamento ao ar. Amostras de cada arranjo experimental contaram com análises de técnicas de caracterização microestrutural, tais como: Microscopia Óptica (MO), Microscopia eletrônica de varredura (MEV). Experimentos de compressão a quente com controle de temperatura e velocidade de deformação foram conduzidos, para isto foi utilizado o simulador termomecânico GLEEBLE 3800, onde foram conduzidos experimentos de compressão a 850°C, 950°C, 1050°C e 1150°C nas velocidades de deformação de 0,1S-1, 1S-1 e 10S-1. Além do comportamento mecânico avaliado pela medida de microdureza, será realizado o modelamento do material para seu uso em análises numéricas, com o objetivo de verificar possíveis correlações entre as propriedades obtidas e os parâmetros do processo de fabricação. Após a realização dos experimentos padronizados, foi executado o forjamento de um componente com geometria complexa, utilizando-se a rota proposta com o aço TOOLOX 33, sem a aplicação de tratamentos térmicos convencionais, como têmpera e revenimento. Paralelamente aos experimentos de forjamento, modelos numéricos via Método dos Elementos Finitos (MEF) do processo foram implementados e validados, além de ser construído um modelo do aço TOOLOX33 para o forjamento a quente, visando ser utilizado e incluído na biblioteca de softwares de simulação numérica. Com base nos dados experimentais obtidos em ensaios de compressão a quente com controle de temperatura e velocidade de deformação, foi possível determinar as curvas de escoamento do aço TOOLOX 33. A regressão múltipla aplicada ao modelo de Hensel e Spittel apresentou correlação de 95% com os dados experimentais, permitindo a construção de um modelo robusto para simulações numéricas. Os testes de forjabilidade confirmaram o potencial do TOOLOX 33 para aplicação em forjamento a quente em matriz fechada, resultando em componentes com elevada dureza e microestrutura fina, predominantemente bainítica, sem a necessidade de tratamentos térmicos subsequentes.

In order to minimize energy consumption and production costs, innovative process chains are being developed for a new generation of steels that preserve the final strength properties of components through continuous direct cooling after forging. This approach aims to replace traditional manufacturing routes that include post-forging heat treatments such as quenching and tempering. The study of ultra-clean steel TOOLOX 33, as an alternative to 42CrMo4 steel, will be conducted. The objective is to maintain the final mechanical and metallurgical properties of the forged component while eliminating subsequent processing steps. To achieve this goal, a methodology was implemented to analyze the phase fraction and grain size in TOOLOX 33 steel, as well as to evaluate its metallurgical characteristics under different processing conditions. The experiments involved hot compression tests of TOOLOX 33 at temperatures of 900 °C, 1000 °C, and 1200 °C, followed by air cooling. Samples from each experimental setup were subjected to microstructural characterization techniques, including Optical Microscopy (OM) and Scanning Electron Microscopy (SEM). Hot compression tests with controlled temperature and strain rate were conducted using the GLEEBLE 3800 thermomechanical simulator. Compression experiments were performed at 850 °C, 950 °C, 1050 °C, and 1150 °C, under strain rates of 0.1 s⁻¹, 1 s⁻¹, and 10 s⁻¹. In addition to evaluating mechanical behavior through microhardness measurements, material modeling will be carried out for use in numerical analyses, aiming to identify possible correlations between the obtained properties and the manufacturing process parameters. Following the standardized experiments, a component with complex geometry was forged using the proposed processing route with TOOLOX 33 steel, without applying conventional heat treatments such as quenching and tempering. In parallel with the forging experiments, numerical models of the process were implemented and validated using the Finite Element Method (FEM). Additionally, a material model for TOOLOX 33 steel was developed for hot forging applications, intended for inclusion in numerical simulation software libraries. Based on the experimental data obtained from hot compression tests with controlled temperature and strain rate, flow curves for TOOLOX 33 steel were determined. Multiple regression applied to the Hensel and Spittel model showed a 95% correlation with the experimental data, enabling the construction of a robust model for numerical simulations. Forgeability tests confirmed the potential of TOOLOX 33 for application in closed-die hot forging, resulting in components with high hardness and a fine, predominantly bainitic microstructure, without the need for subsequent heat treatments.