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Novos aços para a Indústria Automotiva

*Guilherme Brito Menegaz Júnior

O aço sempre teve um papel de destaque na indústria automotiva e as empresas do setor siderúrgico não têm medido esforços para continuar sendo o principal fornecedor de material para fabricação das carrocerias, conjuntos estruturais e partes móveis dos veículos. As transformações do setor automotivo têm demandado constante evolução nos diversos tipos de aços destinados à fabricação dos veículos.

Nos anos 70, a demanda da indústria automotiva foi basicamente de aços de baixa resistência, que privilegiavam o processo de conformação. Estes aços são conhecidos mundialmente como Mild Steel. Com a crise do petróleo e maior preocupação com a segurança veicular, a indústria automotiva passou a demandar aços mais resistentes, visando à redução de espessura e elevação de resistência mecânica das peças. Nesta fase, foram desenvolvidos aços com maior capacidade de conformação para espessuras mais baixas, como os aços IF (Intersticial Free). Nas peças que exigiam boa conformação e média resistência, desenvolveram-se os aços BH (Bake Hardening) e os aços IF-HS (Intersticial Free – High Strength). E nas peças estruturais que necessitam de maior rigidez, os aços C-Mn (Carbono – Manganês) e os aços HSLA (High Strength Low Alloy), foram utilizados em grandes volumes.

No final do século passado, a preocupação mundial com o aquecimento do planeta devido ao efeito estufa, elevou o rigor das regulamentações governamentais sobre as restrições de emissões de CO2. Em paralelo, a indústria automotiva passou a buscar mecanismos para elevar os níveis de segurança dos veículos, principalmente aumentando a resistência da estrutura da carroceira. Atenta às constantes transformações do setor automotivo, as principais siderúrgicas mundiais se uniram para buscar as melhores soluções em aço alinhadas aos anseios das montadoras. Foi criada em 1994 a World Auto Steel, uma divisão da World Steel Association, com sede na Bélgica que desenvolveu uma série de programas e propôs soluções em aços e processos para melhor atender a indústria automotiva. A redução de espessura e elevação de resistência das peças foi conseguida com o desenvolvimento dos aços “Avançados de Alta Resistência”, conhecidos como AHSS – Advanced High Strength Steel.

Requisitos de segurança de um projeto automotivo:

O incremento do uso dos aços AHSS está relacionado à filosofia de buscar máxima proteção aos ocupantes dos veículos. Em uma análise macro, o projeto de um veículo pode ser dividido em duas regiões, como apresentado na figura 1. A primeira região é chamada de “Zona de Deformação”, localizada na parte frontal e parte traseira dos veículos. A segunda região corresponde à parte central da carroceria, onde estão localizados os passageiros, chamada de “Célula de Segurança”. Na zona de deformação, são normalmente especificados aços de elevada resistência e com elevada capacidade de absorção de energia. São aços que irão se deformar de maneira controlada, absorvendo a energia do impacto e evitando a deformação da célula de segurança. Na região central ou “Célula de Segurança”, o objetivo da estrutura é não deformar, preservando os passageiros. Nestas regiões os aços mais indicados são os de maior resistência acima de 1GPa, ou 1000 MPa.

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Fonte: World Auto Steel – AHSS 6.0 Guidelines

Figura 1 – Regiões críticas em um projeto automotivo quanto à segurança dos passageiros.

Aços avançados de alta resistência – AHSS:

Os aços AHSS são materiais complexos e sofisticados, que utilizam composição química restrita, com processo de fabricação com rígidos controles. O correto controle dos parâmetros termomecânicos é fundamental para obtenção de estruturas multifásicas, característica destes aços. A presença de duas ou mais fases elevam a resistência em níveis não alcançados em aços C-Mn ou HSLA, proporcionando também boa ductilidade, tenacidade e resistência à fadiga.

As várias classes de aços desenvolvidas recentemente pelo setor siderúrgico e largamente aplicadas na indústria automotiva são apresentadas no diagrama da figura 2. Estes aços diferem um dos outros pela faixa de propriedade mecânica característica de cada um. Observa-se no diagrama que os valores de alongamento tendem a reduzir com a elevação da resistência. Este é um dos grandes desafios do setor siderúrgico, ou seja, produzir aços de maior resistência e que possuem maior alongamento, favorecendo o processo de conformação das peças. Em verde são mostrados os aços convencionais, desenvolvidos das décadas de 1980 e 1990, com resistência mais baixa e alongamento maior. Na cor laranja, estão os aços AHSS, cujo uso é crescente nos projetos automotivos em todo o mundo. Esses aços apresentam resistência acima de 600 MPa com alongamentos intermediários, reduzindo até próximo de 10% para aços de resistência acima de 1000 MPa.Em cinza,estão os aços da terceira geração, que combinam resistência elevada, maior que 1000 MPa, e maiores valores de alongamento. Esses aços começam a ser disponibilizados para uso pela indústria automotiva.

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Fonte: World Auto Steel – AHSS 6.0 Guidelines

Figura 2 – Diagrama de conformação dos aços AHSS.

A família de aços AHSS inclui aços “Dual Phase” (DP), que possuem microestrutura com matriz ferrítica, que é a fase predominante, com ilhas de martensita. A martensita é uma fase “dura”, enquanto a ferrita é uma fase dúctil. Portanto, o controle da proporção destas fases confere maior ou menor resistência ao aço. Tradicionalmente, os aços DP são comercializados com resistência variando de 440 MPa a 1180 MPa. Apresenta excelente alongamento, elevada capacidade de endurecimento por deformação (BH), excelente resistência à fadiga e alta capacidade de absorção de energia. Podem ser aplicado em portas, capô, teto, longarinas e peças de reforço em geral.

Os aços “Complex Phase” (CP) apresentam na sua microestrutura as fases ferrita, martensíta, bainita e austenita retida. A principal diferença para os aços DP é a baixa ductilidade. A resistência destes aços varia entre 780 MPa a 1470 MPa. Os aços CP quando comparados com os aços DP oferecem um melhor flangeamento e desempenho em expansão de furo. São indicados para fabricação de peças de reforço em geral, como trilhos, caixa de ar, componentes do chassi, pilar B, barra do para-choque etc.

Aços TRIP (Transformation Induced Plasticity) apresentam microestrutura similar aos aços CP, com presença de bainita, martensita e austenita retida numa matriz ferrítica. A diferença é que a austenita retida transforma-se progressivamente em martensita com o aumento da deformação, o que elevada capacidade de conformação, permitindo uso em peças com formas mais complexas. A faixa de resistência destes aços varia de 600 a 1000 MPa. São indicados para fabricação de peças de reforço com formas mais complexas.

A classe de aços MS (Martensita), como o nome indica, a martensita é principal fase presente na microestrutura do aço, apresentando valores de resistência de 1200 MPa até 1700 MPa. Sua aplicação é restrita a peças que demandam mais alta resistência com baixa exigência de conformação, devido à característica de baixa ductilidade. Estes aços são aplicados normalmente no reforço do pilar B, barra do para-choque e reforços em geral.

Aços HF (Hot Forming) foram projetados para serem conformados a quente. No processo direto, a conformação dos blanks é realizada a alta temperatura, para posterior têmpera, processo durante o qual a austenita transforma em martensita. A peça final atinge níveis de resistência entre 1500 MPa e 2000 MPa. São amplamente utilizadas nos pilares A/B e travessas em geral.

Atualmente, a indústria automotiva está direcionando esforços para reduzir os custos dos veículos elétricos e autônomos, que em breve estarão nas ruas das grandes cidades. Alinhado a essa tendência, o portfólio de aços AHSS estará sendo ampliado com a inclusão dos aços da terceira geração. Dessa forma, as empresas siderúrgicas esperam permanecer como os principais fornecedores de materiais para construção de carrocerias e estruturas automotivas.

*Guilherme Brito Menegaz Júnior – Engenheiro Metalurgista e Mestre em Metalurgia de Transformação pela UFMG e Especialista em Produto da Usiminas.