Revista Forge - Setembro/2008 by SF Editora

The International Journal of Forging Business & Technology www.FORGEmag.com

Setembro 2008

Forge chega ao Brasil • Manutenção de Matrizes na Forjaria • Aquecimento por Indução de Tarugos Quadrados com Cantos Arredondados • Normalizando Componentes Aeroespaciais Forjados Uma Publicação

SUMÁRIO S e t e m b r o

2 0 0 8

N ú m e r o

A R T I G O S

Manutenção de Matrizes na Forjaria Matrizes e equipamentos de forja são submetidos a tensões mecânicas e térmicas. Como resultado, se as matrizes não estão corretamente alinahdas, normalizadas e lubrificadas, elas podem falhar drasticamente.

Aquecimento por Indução de Tarugos Quadrados Arredondados O aquecimento de tarugos quadrados com cantos arredondados, geralmente tratado da mesma forma que tarugos redondos, não é exatamente a mesma coisa. Obter uniformidade de temperatura varia da geometria da peça a ser trabalhada.

Normalizando Componentes Aeroespaciais Forjados Quando se fala de aplicação aeroespacial, geralmente há uma associação com alumínio, titânio e outras ligas. Mas o aço também continua a ser usado, e neste artigo tratamos da normalização do aço forjado, para utilização no campo aeroespacial.

NA Capa

Seções E Colunas

Gentileza de Trinity Forge, Mansfield, Texas. Peças forjadas para utilização em campos petrolíferos.

Editorial...................................4 Produtos................................22 Guia de Anunciantes...................22

Outubro 2008

EDITORIAL Manor Oak One, Suíte 450, 1910 Cochran Road, Pittsburgh, PA 15220 – Tel: 412-531-3370 Fax: 412-531-3375 – www.industrialheating.com Doug Glenn Editor – 412-306-4351 doug@industrialheating.com EQUIPE DE EDIÇÃO BRASILEIRA Por Aquecimento Industrial - (19) 2121-5789 Udo Fiorini - Editor - (19) 9205-5789 Sunniva Simmelink - Comercial - (19) 9229-2137 Fernando Cézar Passos - Jornalista Responsável Mtb 14.766 Diagramação - Druck Comunicação Impressão - Vox Editora EQUIPE DE EDIÇÃO / PRODUÇÃO Reed Miller Editor – M.S. Eng. Met. reed@industrialheating.com - 412-531-3370 Bill Mayer Editor Associado, bill@industrialheating. com - 412-306-4350 R. Barry Ashby Editor em Washington Dan Herring Editor Técnico Colaborador Dean Peters Editor Colaborador Beth McClelland Gerente de Produção, beth@ industrialheating.com - 412-306-4354 Brent Miller Diretor de Arte, brent@industrialheating.com - 412-306-4356 Fernando Cézar Passos Jornalista Responsável BR Mtb 14.766 REPRESENTANTES DE PUBLICIDADE Kathy Pisano Diretora de Publicidade kathy@ industrialheating.com - Tel: 412-306-4357, fax 412-531-3375 Becky McClelland Gerente de Classificados Larry Pullman Gerente de Vendas das Costas Leste e Oeste 317 Birch Laurel, Woodstok, GA 30188 Toll free: 1-888-494-8480 ou 678-494-8480 Fax: 888-494-8481 – larry@industrialheating. comSteve Roth Gerente de Vendas do CentroOeste, 847-256-3040, Fax: 847-256-3042 – chicagosales@industrialheating.com Patrick Connolly Representante de Vendas na Europa Patco Media – London, 99 Kings Road, Westcliff, Essex (UK) SSO 8PH, (44) 1-702-477341, Fax: (44) 1-702-477599 – europesales@industrialheating.com Mr. V. Shivkumar Representante de Vendas na Índia, reach4india@rediffmail.com Mr. Arlen LUO NEWSTEEL Media, 25 Fen Xiang, 100081 Xin Xiang, Beijing 100081, China, Tel: +86 10 8216 0062; Fax: 86 10 8216 0061; ad.steel@263.net Becky McClelland Orçamentos de Reimpressão, 412-306-4355 Susan Heinauer Gerente de Publicidade Online, susan@industrialheating.com - 412-3064352 DIRETORES CORPORATIVOS Edição Timothy A. Fausch Edição David M. Lurie Edição John R. Schrei Desenvolvimento de Mercado Christine A. Baloga Tecnologia da Informação David P. Brown Finanças Lisa L. Paulus Recursos Humanos Rita M. Fournia Conferências e Eventos Scott Wolters Produção Vincent M. Miconi Guias Nikki Smith Criação Michael T. Powell Marketing Douglas B. Snwek Clear Seas Research John Thomas

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Outubro 2008

Chegando ao Brasil

DOUG Glenn, EDITOR

ocê talvez já conheça esta publicação, ou talvez não. Mas posso garantir que você nunca viu uma Industrial Heating em português. Esta é a primeiríssima edição, e muito provavelmente não será a última. Só depende de você. Após ler a revista, se tiver interesse em continuar a ver edições em português, por favor, faça duas coisas. Em primeiro lugar, considere negociar com os anunciantes desta edição quando a oportunidade surgir, e não se esqueça de informá-los que você os viu na edição brasileira da Industrial Heating. Se você conhece alguém que trabalha para um dos anunciantes desta edição, dê um telefonema e diga a ele que você viu a edição e o anúncio. Em segundo lugar, escreva ao senhor Udo Fiorini e a mim contando sua opinião sobre esta edição brasileira. Se gostou da revista, gostaríamos de ouvir isso de você. Se você tem sugestões para melhorias, também gostaríamos de saber. Envie seus e-mails para doug@industrialheating.com e udo@aquecimentoindustrial.com.br. O que você pode esperar encontrar nesta e nas próximas edições? A Industrial Heating tem publicado artigos práticos e técnicos sobre tecnologias térmicas de ponta há mais de 75 anos. A revista começou em Pittsburgh, Pensilvânia – por muitas décadas o coração da produção mundial de aço e, ainda hoje, a casa dos Pittsburgh Steelers, nosso time profissional de futebol americano. A sede da U.S. Steel continua em Pittsburgh, e na cidade ainda existe um grande arranha-céu conhecido como U.S. Steel Tower. A Industrial Heating continua sendo publicada fora de Pittsburgh. Há anos, entretanto, com as mudanças da indústria do aço, a revista começou a mudar também, publicando mais do que artigos relacionados ao aço. Hoje, a Industrial Heating publica artigos sobre diferentes processos térmicos, da produção de aço puro e de alumínio ao tratamento térmico. De fato, boa parte dos artigos é focada em tratamento térmico, tratamento de superfícies, materiais de alta temperatura e resistentes à corrosão, materiais de isolamento, controle de processos, processos de indução e vácuo, e diversos outros assuntos relacionados a processamento térmico. Os artigos são técnicos, mas não tão técnicos a ponto de não terem aplicação prática. Nossa equipe editorial se esforça para encontrar tecnologias de ponta que já estejam em uso ou que venham a ser comercializadas num futuro próximo. Até meados de 1990, a Industrial Heating circulava principalmente na América do Norte. Embora tivesse boa reputação internacional, a revista se concentrava em tecnologias e assuntos norte-americanos. A partir de então, a Industrial Heating se tornou verdadeiramente internacional, e nossa circulação global cresceu. No início do século 21, começamos a publicar edições chinesas, no idioma chinês. Atualmente, publicamos até oito edições chinesas por ano. Também estamos presentes na Índia, com quatro edições anuais. O Brasil é um dos três maiores mercados emergentes em processamento térmico no mundo. É nosso desejo oferecer aos engenheiros de processamento térmico no Brasil uma fonte consistente de informação técnica. Conforme mencionei no início desta carta, juntos podemos fazer uma edição brasileira de sucesso. Entre em contato com os anunciantes desta edição informando suas observações concretas, e não se esqueça de enviar e-mails ao Sr. Fiorini e a mim com suas opiniões. IH

Doug Glenn - Editor - Editorial apresentado no primeiro número da revista Industrial Heating Magazine impressa em português no Brasil, edição de Abril de 2008.

Manutenção de Matrizes na Forjaria David Fox Empresa Weld Mold Company As matrizes e o equipamento de forja em que estas são instaladas são submetidas a uma tensão mecânica e térmica significativa, na medida em que estabelecem o ciclo de entrada e saída no processo de produção. Caso não sejam apropriadamente aquecidas, alinhadas, lubrificadas e que lhes seja aliviada a tensão, poderão falhar de maneira significativa. Como resultado, aumenta o gasto com o tempo de parada e a perda da produção, o que sai mais caro do que um programa de manutenção apropriadamente regulado.

odos na indústria de forja aprenderam sobre a importância de aumentar a vida da matriz através da soldagem. Com a utilização de ligas de solda especiais para reparar pequenos problemas associados com a falha prematura, trincas, choque térmico, desgaste, etc., muitos forjadores experimentaram um aumento da vida da matriz 50 a 300%. Este resultado é alcançado pela utilização de ligas de solda, procedimentos apropriados bem como treinamento de pessoal qualificado. Uma das grandes causas da falha da matriz ocorre na própria forjaria. Devido às pressões para maior produção de forjados a preços e prazos reduzidos, alguns forjadores relaxaram na manutenção de equipamentos e reduziram seus procedimentos, com o intuito de manter o volume de produção elevado e o custo baixo. Nestas circunstâncias, freqüentemente, ocorre o contrário. Procedimentos fora do padrão geram a falha prematura das matrizes e dos componentes de forja. Temperaturas da matriz e do equipamento Todos os mestres em forja, operadores de prensas e martelos sabem e respeitam as temperaturas necessárias para o forjamento de materiais específicos. No entanto, este respeito parece ser esquecido, quando se trata de matrizes e equipamentos de forja. As matrizes são comumente dispostas frias em um martelo. O forjamento se inicia após serem submetidas à chama durante algumas horas. Um tarugo aquecido rubro é colocado sobre a matriz inferior. Então a matriz superior é pressionada para baixo através de uma força mecânica ou hidráulica, forma ao tarugo que se encaix n da matriz. Quando este procedimento é realizado com uma matriz que não se encontra devidamente pré-aquecida, o choque térmico a que se submete é imensurável. O resultado poderá ser uma trinca prematura, a qual, algumas vezes, é tão severa que a matriz se parte em dois ou mais pedaços. Algumas horas de pré-aquecimento em chamas não são suficientes para o aquecimento completo da matriz. Colocar as matrizes em um forno a 260ºC por um período de no mínimo uma hora por

Ruptura de extremidade da ferramenta como resultado de desalinhamento

polegada de espessura seria o pré-aquecimento apropriado. Este procedimento garante o pré-aquecimento da matriz por inteiro. Após ser colocada no martelo, coloque uma chama sobre ela para manter a temperatura até que a forja se inicie. Em matrizes com múltiplos contornos, pode ocorrer o superaquecimento em áreas que contém bolsas e nervuras que se encontram isoladas da grande massa do bloco da matriz. Estas áreas podem tornar-se avermelhadas e aquecidas, quase a temperaturas de forjamento. Algumas prensas de forja oferecem como o préaquecimento de matrizes na prensa e manutenção da temperatura. Também podem apresentar um sistema de refrigeração para evitar com que as matrizes sejam super-aquecidas, devido ao longo tempo que passam em contato com a peça que está sendo forjada. Este não é o caso para os martelos. O choque térmico, má-formação e amolecimento do aço da matriz resulta em falha prematura. Alguns cuidados devem ser tomados regularmente, a fim de evitar o superaquecimento das matrizes durante um longo período de tempo. Elas não devem ser temperadas de forma alguma.

Matriz completamente partida durante a produção. A falha provavelmente aconteceu porque a matriz encontrava-se fria e desalinhada..

28º SENAFOR 12ª Conferência Internacional de Forjamento / BR International Forging Conference / BR 11ª Conferência Nacional de Conformação de Chapas National Sheet Metal Forming Conference

Serão apresentadas palestras sobre trabalhos de ponta nas áreas de CHAPAS e de FORJAMENTO

8,9 e 10 de outubro de 2008 Hotel SESC Campestre (Av. Protásio Alves, 6220)

Porto Alegre - RS

VISITAS TÉCNICAS: Vagas limitadas. Inscrições até o dia 2 de outubro Data: 8 de Outubro - quarta-feira • CIRCUITO 1 - DANA (Gravataí) • CIRCUITO 2 - Mundial S/A (Gravataí) • CIRCUITO 3 - Aços Favorit (Cachoeirinha) • CIRCUITO 4 - THF (Cachoeirinha)

www.ccmeventos.com.br/senafor2008 Contatos para informações, comercialização, inscrições e envio de trabalhos: CCM Eventos Rua Barão do Triunfo, 448 sala 501 CEP 90130-100 Porto Alegre, RS Telefone: 55 51 33424316 / fax 55 51 30283879 e-mail: secretaria@ccmeventos.com.br; contato@ccmeventos.com.br; comercial@ccmeventos.com.br.

Manutenção de Matrizes na Forjaria Qualquer um que já presenciou o funcionamento de um martelo em uma forjaria pôde sentir o impacto massivo a que as bases do martelo, bigornas e outros componentes estão sujeitos. A base e a bigorna, assim como as matrizes, apresentam uma temperatura própria de manutenção – um mínimo de 40 ºC. Isto serve para o equipamento por inteiro, uma vez que a força do impacto reflete-se por todo o martelo. Isto é especialmente importante em baixas temperaturas durante o inverno, quando podem ser utilizados aquecedores infravermelhos ao redor da base. Os martelos a vapor, por sua natureza, manterão os componentes superiores aquecidos. Qualquer forjador que já se deparou com uma base ou bigorna rachada pode testemunhar sobre o efeito devastador na produção, sem falar no custo. Alinhamento da Matriz Outro problema encontrado na forjaria é o desalinhamento do equipamento. Quando um novo embolo e bloco de proteção são instalados, um conjunto de matrizes mestres é empregado para alinhá-los de forma apropriada, desta forma o aquecimento será de centro a centro. Este procedimento garante igual impacto sobre todos os pontos dos componentes. Durante o set up das matrizes para a produção, talvez seja necessário mover o embolo e o bloco de proteção para o alinhamento das matrizes inferiores e superiores a fim de produzir uma boa peça. Para mover a matriz inferior lateralmente, cunhas são instaladas ao redor do bloco de proteção ou movidas de um lado para o outro. Na maior parte do tempo, após um percurso completo, as cunhas não são removidas nem retornam a posição original que deveriam ocupar. Conseqüentemente, o embolo e o bloco de proteção perdem o alinhamento. A matriz superior é alinhada pelo encalçamento das colunas do martelo, ou pelo movimento das guias do embolo para dentro ou para fora. Assim como com o bloco de proteção, o embolo deve ser recolocado em sua posição original. Este procedimento requer tempo e é geralmente adiado até que seja conveniente realizá-lo. Então o que acontece? Novas matrizes são colocadas e novos ajustes são realizados. Após vários ciclos, os componentes encontram-se tão fora de linha, que uma forte pressão é exercida em um dos lados e, no outro, uma pressão muito fraca. O resultado do impacto sobre as matrizes fora d centro é a quebra da haste das matrizes, quebra do embolo e do bloco de proteção e quebra do pistão. O tempo que levaria (5-10 dias) para recolocar as matrizes mestres e realinhar o embolo e o bloco de proteção compensaria muito em comparação aos gastos com o caro conserto do bloco de proteção, além do tempo de inatividade que envolveria o conserto. É recomendável a manutenção de um inventário de componentes sobressalentes (embolos e blocos de proteção, etc.) que se encontram devidamente consertados e prontos para serem trocados pelos componentes danificados. A manutenção deste inventário de componentes sobressalentes poderá evitar o tempo excessivo de inatividade, enquanto a peça danificada encontra-se em conserto. 8

Setembro 2008

Pistão rompeu pois estava frio e desalinhado.

Lubrificantes Uma vez que os forjadores atualmente precisam forjar peças em metais e ligas cada vez mais exóticos, tais como as ligas de vanádio, titânio, Waspalloy e Inconel, lubrificantes de matrizes apropriados apresentam um papel importante para o forjamento bem sucedido de uma peça, enquanto mantém a vida útil da matriz. Muitos fornecedores de lubrificantes para matrizes oferecem uma vasta linha de lubrificantes sintéticos que mantém e algumas vezes aumentarão a vida útil da matriz. Quanto mais fácil o material forjado mover-se na matriz, menos impacto ela sofrerá. Alívio de tensão Durante seu funcionamento, matrizes são submetidas a impactos freqüentes, aquecimento cíclico e condições de resfriamento, gerando tensões internas que requerem alívio periódico. Mesmo se a matriz tiver completado com sucesso uma trajetória sem necessitar reparos, é recomendável o alívio de tensão de 540C a 560C de uma hora por polegada de espessura anterior a próxima entrada em operação. O procedimento, no mínimo, reduzirá qualquer condição de tensão previamente existente que poderia contribuir para uma falha prematura. Manutenção Preventiva Com os forjadores competindo no mercado global atual, quase todos necessitam de implementação e conformidade com a garantia de um programa de qualidade, o qual prevê uma rotina de manutenção preventiva para o equipamento. Há inúmeros bons programas de computador disponíveis para auxiliar o departamento de manutenção a satisfazer esses requerimentos. Se cumpridos, esses programas irão garantir um tempo de produção maior, em que são evitados consertos caros e inatividade. Como em qualquer programa que se

torna bem sucedido, é preciso mais do que a adoção de um simples serviço. O tempo e o poder do homem para desempenhar a manutenção preventiva precisam estar disponíveis.

perdas decorrentes de partes em sucata, consertos caros e inatividade, atraso na entrega ou até a perda do cliente. A forja que trabalha bem não é aquela que é constantemente submetida a reparos para manter o pique de produção, porém a que está em funcionamento e requer o mínimo de reparos.

Evitando Remediações Assim como em uma soldagem de matriz, caso sejam empregadas remediações como, por exemplo, a utilização de materiais de qualidade inferior ou ruim e a adoção de procedimentos inadequados, os efeitos positivos desejados não serão alcançados. Será que podemos realmente arcar com o descumprimento dos procedimentos apropriados na manutenção do equipamento em que as matrizes operarão? Acho que não. A despesa relativamente pequena decorrente do cumprimento das sugestões de manutenção, não irá, de forma alguma, exceder as

O autor David Fox viajou ao redor do mundo durante anos como Diretor de aplicação de soldagem e administrador de treinamento para a Empresa Weld Mold, Brington, Michigan, USA. Semiaposentado na Flórida recentemente, Fox continua a viajar, ensinar a nova geração de soldadores na indústria da forja. Contato: +1(810) 229.9521 (escritório); +1(330) 416.2949 (celular); ou infor@welmold.com

Setembro 2008

Aquecimento por Indução de Tarugos Quadrados com Cantos Arredondados Dr.Valery Rudnev da empresa Inductotherm, Madison Heights, Mich. O aquecimento por indução de tarugos de barras redondas e de barras quadradas com cantos redondos muitas vezes são tratados como aplicações equivalentes, embora não sejam. Este artigo reconcilia realizações teóricas e práticas recentes no fornecimento da uniformidade de calor necessária no aquecimento indutivo de peças retangulares e trapezoidais.

aquecimento por indução, muito popular no aquecimento de peças cilíndricas, também é comumente utilizado para aquecer tarugos retangulares. Peças com esta forma geral incluem tarugos, barras, blocos e placas, que serão designadas neste artigo como tarugos de formato quadrado com cantos redondos (Figura 1). No aquecimento de qualquer formato, geralmente é necessário não apenas aumentar a temperatura do tarugo para um nível especificado, mas também obter um determinado grau de uniformidade de calor em toda a peça. As especificações de uniformidade podem incluir gradientes térmicos máximos toleráveis: superfície para centro, extremidade a extremidade e lado a lado. Um tarugo que é aquecido de forma não uniforme pode prejudicar a qualidades dos produtos aquecidos e causar problemas para maquinário de conformação a quente. Como conseqüência da geometria não cilíndrica dos tarugos quadrados com cantos redondos, muitas vezes os clientes especificam a uniformidade de temperatura na sua seção transversal, incluindo

Figura 1. Tarugos aquecidos por indução prontos para serem forjados.

a não uniformidade máxima permissível da temperatura da “parte central para o canto”. Dependendo dos parâmetros específicos de aquecimento indutivo utilizados, as áreas de margem destes tarugos podem ser sub-aquecidas, superaquecidas e aquecidas uniformemente. Os efeitos de margem eletromagnéticos transversais e térmicos são os principais responsáveis pela uniformidade da temperatura dentro da seção transversal deste tipo de tarugos, incluindo as margens. Entretanto, há alguns mal entendidos entre aqueles que utilizam o aquecimento indutivo em relação à sua capacidade de fornecer a uniformidade de temperatura necessária dentro dos tarugos quadrados com cantos redondos e fatores que afetam os perfis térmicos dentro de uma peça Desenho da Bobina Há três abordagens básicas de indução para aquecer tarugos quadrados com cantos redondos: aquecimento estático, progressivo e oscilante. A mais popular delas é o sistema de aquecimento

horizontal progressivo em múltiplos estágios, no qual os tarugos atravessam um aquecedor indutivo horizontal com uma bobina ou múltiplas bobinas. Como resultado, o tarugo é aquecido seqüencialmente (progressivamente) em posições pré-determinadas dentro do aquecedor indutivo. Dependendo da aplicação, diferentes bobinas em linha podem ter vários níveis de potência e freqüências. Neste artigo, nós estamos focando no conceito do desenho de aquecimento horizontal progressivo em múltiplos estágios porque esta é a abordagem mais popular.

d/δ=3 Perda de calor

d / δ = 10

Perda de calor Ey

Área de canto Área da margem

Parte central 0% 20% 40% 60% 80% 100% b

Efeito “Pelicular” Figura 2. Ilustração gráfica do efeito de margem no aquecimento de tarugos e barras de Em discussões sobre o aquecimento por formato quadrado com cantos redondos. indução, muitas vezes é feita referência ao efeito "pelicular". Isto é considerado uma propriedade Efeito de Margem Transversal Eletromagnético fundamental do aquecimento por indução e indica uma O efeito de margem eletromagnético representa uma distorção distribuição não uniforme de uma corrente alternada dentro da do campo eletromagnético e corrente parasita induzida nas peça aquecida. Neste fenômeno, correntes parasitas induzidas áreas de canto dos tarugos quadrados com cantos redondos. para dentro da peça irão fluir principalmente na camada da A densidade máxima da corrente parasita está localizada na superfície (pele), onde 86% de toda a potência induzida serão superfície da parte central deste tipo de tarugo. Isto não significa, concentrados. porém, que a temperatura máxima estará sempre localizada ali. Em Essa camada é denominada a profundidade de referência ou profundidades de penetração menores e freqüências mais altas, o profundidade de penetração da corrente, δ. O grau do efeito efeito pelicular torna-se mais pronunciado. É conveniente utilizar a pelicular depende da freqüência e das propriedades materiais placa retangular, como um caso extremo, na discussão da aparência (resistividade elétrica, δ, e permeabilidade magnética relativa, μr) do efeito de margem. Como um exemplo, a Figura 2 mostra a do condutor. distribuição da intensidade do campo elétrico na seção transversal A profundidade de penetração da corrente, δ, é descrita (em da placa com efeito pelicular pronunciado (d/ δ=10, onde a metros) como: espessura da placa, d, dividida pela profundidade de penetração da corrente parasita, δ, é igual a 10), e quando o efeito pelicular não é δ = 503 × (ρ/µrF)½ pronunciado (d/ δ=3). onde ρ é a resistividade elétrica do metal (ohm-metros), μr é a Se o efeito pelicular for pronunciado (d/ δ>5), então a corrente permeabilidade magnética relativa e F é a freqüência (Hertz). Em e densidade de potência são aproximadamente as mesmas ao polegadas, a profundidade de penetração da corrente é definida longo do perímetro da placa, exceto nas áreas de margem (Figura pela seguinte equação: 2, metade inferior da seção transversal da placa), onde ocorre a distorção da potência induzida. ½ δ = 3160 × (ρ/µrF) Apesar de as perdas de calor na área da margem (canto) serem onde a resistividade elétrica, ρ, está em unidades de ohmmaiores do que aquelas na parte central, as áreas de margem podem polegadas. ser superaquecidas se comparado à parte central. Isto ocorre porque Assim, o valor da profundidade de penetração varia com a na parte central, as fontes de calor penetram de dois lados (de duas raiz quadrada da resistividade elétrica e inversamente com a raiz superfícies), e nas áreas de margem (canto), as fontes de calor quadrada da freqüência e permeabilidade magnética relativa. O penetram de três lados (duas superfícies e extremidade do topo). valor da profundidade de penetração da corrente afeta todos os O fenômeno do superaquecimento da margem geralmente ocorre principais parâmetros de aquecimento por indução como: no aquecimento indutivo de placas de aço, alumínio, prata ou cobre • Diferencial de temperatura da superfície para centro (δ memagnéticos, onde o efeito pelicular geralmente é pronunciado. nor resulta em maior diferencial de temperatura da superfície Se o efeito pelicular não for pronunciado (d/ δ<3), então ocorrerá para o centro) o sub-aquecimento das áreas de margem. Neste caso, a via das • Uniformidade de temperatura ao longo do perímetro do tacorrentes parasitas na seção transversal da placa não corresponde rugo ao contorno da placa, e a maioria das correntes induzidas fecha • Eficiência elétrica do sistema de aquecimento por indução seus anéis mais cedo sem alcançar os cantos e as áreas de margem • Tempo de aquecimento necessário (δ menor resulta na neces(Figura 2, metade superior da seção transversal da placa). Como sidade de um tempo mais longo de aquecimento e uma linha resultado, as densidades de potência e fontes de calor nas áreas mais longa de indução) de margem serão menores do que os valores correspondentes 12

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IV Conferência Brasileira sobre

29 de Outubro a 01 de Novembro de 2008 • Hotel Majestic • Águas de Lindóia • SP

Tem como meta ser o ponto de referência para discussão da situação atual do desenvolvimento e do mercado global, bem como a divulgação de novos produtos, aprimoramento de processos e novas tecnologias em tratamento térmico. O objetivo principal deste evento é promover um melhor contato entre os profissionais envolvidos na atividade de tratamento térmico, qualidade, engenharia do produto, representantes, fabricantes de equipamentos e insumos, institutos de pesquisas, instituições acadêmicas e profissionais que tenham interesse em tratamento térmico, seus equipamentos e acessórios. TEMAS DE TRABALHOS

COORDENAÇÃO FRANCISCO AMBROZIO Fº IPEN/CNEN S. Paulo - Brazil E-mail: fambrozi@ipen.br

1. Tratamentos térmicos e termoquímicos de ferrosos 2. Tratamentos térmicos de não ferrosos 3. Metalurgia física e transformação de fases 4. Técnicas de caracterização microestrutural 5. Efeito de elementos de liga sobre a microestrutura e propriedades 6. Análise de defeitos e falhas 7. Banhos de sal, atmosferas e meios de resfriamento 8. Equipamentos para controle de processo e para controle de qualidade 9. Sistemas de aquecimento por indução 10. Fornos, periféricos e insumos 11. Limpeza, preparação e acabamento 12. Manutenção 13. Automação e instrumentação 14. Simulação 15. Qualidade e produtividade 16. Tendências, desenvolvimentos e novas tecnologias 17. Novos mercados e perspectivas 18. Segurança e meio ambiente 19. Gestão

JORGE KOLOSOSKI FEI - São Paulo - Brasil E-mail: jkolososki@terra.com.br

SECRETARIA

Av Otacilio Tomanik, 236 - sala 02 Vila Polo Poli • São Paulo • Brasil • Cep: 05363-000 Fone: 55 11 3731-8549 • Fone/Fax: 55 11 3735-3772 e-mail: ttt@metallum.com.br

INSCRIÇÕES E RESERVAS DE HOSPEDAGEM no site: www.metallum.com.br/ttt

PRÊMIO A Comissão Técnica da IV Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico – TTT 2008, tem o prazer em informar que todos os trabalhos submetidos para apresentação estarão concorrendo a prêmios no valor de R$ 1.000,00 (Hum Mil Reais) que serão entregues durante o Jantar de Confraternização.

APOIO

LOCAL

HOTEL MAJESTIC Águas de Lindóias São Paulo • Brasil

PATROCÍNIO

ISOFLAMA tratamento térmico

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DISPOSITIVOS PARA TRATAMENTO TÉRMICO ISO 9001

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na parte central. Por exemplo, no aquecimento por indução de grandes placas de titânio ou aço inoxidável utilizando freqüência relativamente baixa, a temperatura dos cantos e das áreas de margem ao final do aquecimento poderiam muitas vezes ser distintamente mais baixas se comparadas com a temperatura da sua parte central, demandando o uso de desenhos de freqüência dual ou múltipla.

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Estágio FInal de Aquecimento Temperatura

Estágio Intermediário

Temperatura

Durante o estágio intermediário de aquecimento, a temperatura da área de sub-superfície aumenta mais rapidamente do que no estágio inicial de aquecimento. Isso ocorre devido à condutividade térmica e ao aumento da profundidade de penetração e faz com que o restante da peça alcance os cantos como as regiões mais quentes. Assim, durante o estágio intermediário de aquecimento, determinadas partes do tarugo (por exemplo, seus cantos, região de margem, áreas de superfícies e/ou sub-superfície) são não magnéticas, sendo aquecidas

Estágio Inicial de Aquecimento

Temperatura

Aquecimento por Indução de Materiais Magnéticos O aquecimento por indução de tarugos quadrados com cantos redondos ou placas de aço-carbono de uma temperatura ambiente ou uma temperatura abaixo do ponto Curie (768ºC para aço de baixo carbono e 732ºC para aço de alto carbono) para uma temperatura acima dela envolve várias características. No estágio inicial do aquecimento, todo o corpo é magnético e o efeito pelicular é pronunciado, fazendo com que as fontes de calor concentrem-se em uma camada de superfície muito fina. Perdas de calor de superfície são relativamente baixas neste estágio. Devido ao efeito de margem transversal, a área de margem e, principalmente, a região de canto serão aquecidas muito mais rapidamente do que qualquer outra área, incluindo a superfície da sua região central. Durante o estágio inicial de aquecimento, a temperatura máxima estará localizada próximo ao canto apesar do fato de que não há nenhuma corrente induzida no canto efetivo. O início do estágio intermediário de aquecimento é caracterizado por um aumento contínuo da temperatura. A área de canto atinge a temperatura Curie primeiro, acima da qual a intensidade do calor nesta área diminui significativamente. Isso ocorre devido às seguintes razões: • O calor específico tem seu valor máximo (pico) próximo do ponto Curie. O valor específico do calor denota a quantidade de energia que precisa ser absorvida pelo metal para atingir a temperatura necessária. Portanto, este pico leva a uma redução da intensidade do calor no canto quando a temperatura do tarugo RCS aproxima-se do ponto Curie. • O aço na área de canto perde suas propriedades magnéticas e a μr cai para 1. Além disso, durante o ciclo de aquecimento, a resistividade elétrica do aço-carbono aumenta aproximadamente duas a três vezes em relação ao seu valor no estágio inicial. Ambos os fatores (a redução da μr e o aumento da resistividade elétrica, ρ) causam um aumento da profundidade da penetração da corrente δ. Como resultado, o efeito pelicular na área de canto torna-se menos pronunciado e as fontes de calor serão redistribuídas. • As perdas de calor de superfície (devido à radiação e con vecção térmicas) aumentam com a temperatura. Como o canto (área de margem) torna-se o mais quente, as perdas de calor de superfície nesta área também serão as maiores.

Figura 3. Dinâmica ilustrada do aquecimento de uma barra de aço retangular com cantos redondos.

acima do ponto Curie, embora as restantes sejam magnéticas. Por último, ocorre o estágio final de aquecimento. As fontes de calor na parte central da placa serão maiores do que na sua área de margem. Além disso, as perdas de calor na área de margem são maiores do que as perdas de calor na parte central da placa. Como resultado, a temperatura na parte central da placa começará a aumentar muito mais rápido do que no seu canto. Por fim, as margens da placa podem ser sub-aquecidas se comparado a sua região central, potencialmente fazendo com que os cantos sejam as áreas mais frias do tarugo. Mesmo seu centro poderia ser aquecido para temperaturas mais altas do que seus cantos vivos. O raio dos cantos de um tarugo com cantos redondos tem um efeito considerável sobre o fornecimento da uniformidade de temperatura necessária em uma seção transversal de tarugos e placas.

Modelagem por Computador A experiência obtida com diferentes aplicações e a modelagem por computador dos processos de indução fornecem uma zona de conforto no desenho de novos sistemas de aquecimento de tarugos por indução. A combinação de software avançado e engenharia permite aos fabricantes de equipamentos de aquecimento por indução determinar rapidamente os detalhes do processo que poderiam ter um alto custo, demandar muito tempo e, em alguns casos, ser extremamente difíceis (ou impossíveis) de determinar experimentalmente. A Figura 3 mostra perfis bidimensionais de temperatura representando a dinâmica do aquecimento por indução da seção transversal de uma barra de aço-carbono retangular com cantos redondos com seção de 10 cm utilizando uma freqüência de 500 Hz. É importante ter uma clara compreensão da magnitude desses gradientes durante os estágios de aquecimento inicial e intermediário. Com aquecimento intenso, podem ocorrer trincas longitudinais e transversais como resultado de fadigas térmicas significativas causadas por diferentes magnitudes de temperatura e gradientes de temperatura. Abordagem de Freqüência Dual e Múltipla Para evitar a não uniformidade de temperatura indesejável ao longo do perímetro de um tarugo ou placa de canto arredondado, é vantajoso utilizar uma abordagem de freqüência dual, na qual uma baixa freqüência é utilizada no estágio inicial de aquecimento quando toda a placa ou a maior parte do tarugo permanece magnética. A seguir, quando a temperatura de superfície do tarugo e/ou a temperatura de uma parte substancial do seu canto exceder o ponto Curie, um freqüência mais alta é aplicada. No aquecimento de cilindros sólidos, o principal motivo para utilizar uma abordagem de freqüência dual é evitar o cancelamento da corrente parasita quando tarugos são aquecidos acima da temperatura Curie. No aquecimento de peças retangulares, porém, há um critério adicional para utilizar uma abordagem de freqüência dual ou múltipla que lida com a necessidade de controlar o efeito de margem transversal eletromagnético além do efeito de margem térmico e, portanto, uma capacidade de fornecer uma distribuição de temperatura necessária ao longo do perímetro. Assim, em tarugos, barras ou placas com cantos arredondados, um conceito de desenho de freqüência dual ou múltipla permite que combinemos a alta eficiência elétrica geral e o curto tempo de ciclo com a uniformidade de temperatura necessária dentro do perímetro de uma peça não cilíndrica.

Figura 4. O aquecimento por indução com freqüência dual de barras de 10 cm x 10 cm x 3 m mostrou-se bem sucedido.

Por exemplo, um desenho de freqüência dual foi utilizado com sucesso no aquecimento por indução de barras de cantos redondos de aço-carbono (Figura 4). As barras tem 10 centímetros quadrados e 3 metros de comprimento, com o comprimento geral da montagem de bobina de 9 metros. A montagem da bobina de aquecimento por indução consiste de 9 bobinas em linha e duas alimentações de força – 600 kW/0,5 kHz e 300kW/1kHz. As barras são aquecidas da temperatura ambiente utilizando 0,5kHz até 650ºC e então 1 kHz, para aumentar a temperatura para 1120ºC. A taxa de produção é de uma barra a cada três minutos. O autor, Dr. Valery Rudnew é um especialista em aplicações de aquecimento por indução famoso mundialmente e um colaborador regular da FORGE. Ele pode ser contatado na Inductoheat Group, Madison Heights, Mich. USA tel: 1 (248) 629-5055; ou em rudnev@inductoheat.com.

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Janeiro, Abril e Setembro de 2009

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Setembro 2008

Normalizando Componentes Aeroespaciais Forjados David Pye Pye Metallurgical Consulting

Quando se trata de aplicações aeroespaciais, as pessoas logo pensam em alumínio e suas ligas. O aço continua a ser usado em aplicações aeroespaciais; entretanto, as vezes como um componente e sempre como material de moldes. De qualquer forma, é importante o adequado tratamento térmico para o desempenho em serviço. O processamento do titânio também é examinado.

forjamento de um componente para chegar a um formato grosseiro antes da usinagem é um procedimento que é quase tão antigo quanto a descoberta do ferro pelo homem. O forjamento não é só um trabalho antigo, como também uma ciência na manipulação de metais – tanto ferrosos como não ferrosos – em um formato predeterminado que é quase a forma final do componente desejado. Tensão Induzida em Componentes Ferrosos A forja de peças de aço é geralmente feita em temperatura de 1250-1350°C. Nessa faixa de temperaturas, o aço é bastante maleável e pode ser manipulado com razoável facilidade no formato de molde predeterminado exigido pelo componente. Em temperatura ambiente e até maiores, é muito difícil manipular o aço em um formato predeterminado de molde. Em temperaturas mais baixas, será transmitido tensão excessiva para o aço. Essa tensão induzida se manifesta sob a forma de distorção dimensional no procedimento final do tratamento térmico – por exemplo, na austenitização. Crescimento do Grão em Temperatura Elevada Ao forjar em temperatura elevada, o aço aumentará seus grãos devido ao tempo em temperatura. Pode ser dito que, “O tempo e a temperatura são para o aço o que a chuva e o fertilizante são para a grama. Fazem as coisas crescerem.” No caso do aço, é o tamanho do grão que cresce em proporção à temperatura de forja e ao tempo sob temperatura. Nossos componentes em aço forjado sob a forma geométrica necessária para usinagem na formato final têm o tamanho de grão aumentado (e deformado). Isto precisa de um processo de restauração do grão de volta ao seu formato e tamanho normais. A normalização, que pode ser usada nos forjamentos, fundições, soldas, alguns produtos laminados, produtos em barra e tubulares,

assim como fitas e placas de aço, é este processo. Uma peça de trabalho laminada produzirá os mesmos grãos alongados que uma peça de trabalho forjada, exigindo o mesmo tratamento térmico para obter o tamanho desejado do grão e suas propriedades mecânicas. Colocado de forma simples, o processo de normalização é exigido para romper as estruturas não uniformes (criadas pelo processo de forjamento e pela temperatura) e para aliviar a tensão residual, garantindo um tamanho de grão mais uniforme no aço. O aço é simplesmente aquecido na faixa de austenitização seguido por um resfriamento controlado após encharque na temperatura selecionada do processo. O processo de normalização se aplica normalmente a: • Aços não ligados. • Aços (hipoeutetóides) baixa liga – menos que 0,77% de teor de carbono. • Aços hipereutetóides, teor de carbono maior que 0,77%, somente em casos especiais. A normalização não deve ser confundida com o processo de recozimento. Apesar de as temperaturas de austenitização poderem ser similares, é a taxa de resfriamento que diferencia os processos. O recozimento tem em geral um resfriamento lento, considerando que a taxa de resfriamento da normalização será mais rápida para criar a desejada microestrutura e as propriedades mecânicas. Qual a Temperatura de Processo? A temperatura selecionada de processo deve ser tal que o aço seja austenitizado, e na região de austenita, em temperatura acima da temperatura final de tratamento térmico. Se, por exemplo, o tratamento térmico final for a cementação e a temperatura de cementação é 925°C, a temperatura de normalização deve ser aproximadamente 15°C maior. Isto significa que todos as tensões residuais que restaram do forjamento ou de outros processos serão aliviados antes do processo final de cementação. Isto não garante um processo isento de distorções, mas ajuda a manimizá-las. Um ciclo típico de normalização é mostrado na Figura 2. É importante para a prática da normalização com sucesso que a temperatura do aço esteja dentro da faixa de austenita do diagrama de equilíbrio ferro-carbono mostrado na Figura 3.

2009 06 a 08

outubro october

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Região de austenita (corpo centrado cúbico)

Início do forjamento

1040 Encharque

Martelo

Acm

Ac3

650 540

Ac1

400 300 200 100

Tempo Um ciclo típico de normalização

Figura 2. Um ciclo típico de normalização Figura 1. O diagrama mostra a deformação dos grãos em uma peça como resultado do processo de forjamento.

Deve ainda ser lembrado que na atmosfera do forno – ar ou produtos de combustão – existe uma grande probabilidade de ocorrência de oxidação superficial e descarbonetação. As condições estão ilustradas nas Figuras 4a e 4b. Deve ser tomado cuidado com a temperatura do processo de

Temperatura

Aqu ecim ento

Temperature

Após Forjamento

750

ento Resfriam

Martelo

Faixa sugerida de normalização

870

Austenita

Aço mais calor a 1200˚C

1000

Outubro 2008

0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 Carbono, %

Figura 3.

normalização, já que maiores temperaturas resultam na formação de estruturas de grãos grosso. A seleção da temperatura também influencia a dissolução dos carbetos e das redes de carbetos que podem ter sido formadas como resultado da seleção da temperatura de forjamento pré-selecionada.

Calor, temperatura

Como Resfriar Após a Normalização O método geralmente aceito de resfriamento é “resfriar em ar parado e sem tiragem”. Apesar de esta ser uma declaração geral e uma prática geralmente aceita, não garante uma metalurgia final repetitiva e consistente. Um método de procedimento, é seguir um procedimento que garantirá uma taxa consistente de resfriamento. • Austenitizar (Normalizar) • Resfriar • Revenir A austenitização do aço produzirá uma estrutura uniforme de grãos finos (desde que o aço não seja sobre encharcado na temperatura de austenitização). A 'operação de resfriamento' produzirá o refinamento dos grãos de austenita e uma redução dos grãos de ferrita muito mais fino com menos presença de ferrita primária. A dureza resultante como-temperada será consideravelmente maior que a esperada após um processo de recozimento – um processo de resfriamento lento. O resfriamento rápido é geralmente feito por meio de imersão em óleo (dependendo da composição do aço). Uma vez temperado e lavado (para retirar o óleo residual da superfície do aço), o aço é revenido a uma temperatura elevada (ainda na região de ferrita do diagrama de equilíbrio ferro-carbono) que produzirá uma microestrutura consistente e quase repetitiva. Isto, por sua vez, levará

Ar, oxigênio

Calor, temperatura

Aço

Formação de óxido, Fe O

Figuras 4a e 4b

Ar, oxigênio

Formação de óxido, Fe O

Descarbonetação

a distorções reduzidas no processo final de tratamento térmico. A densidade da carga inserida no forno de normalização deve ser considerada para garantir uma taxa uniforme de resfriamento em todas as peças a normalizar em um carregamento em particular. O resfriamento a ar, por outro lado, pode influenciar a formação de ferrita e perlita pró-eutectóides. Lembre-se, se for adotada a prática de resfriamento a ar, o fluxo de ar em volta das peças normalizadas deve ser uniforme e sem tiragem. Isto também se aplica à variação das dimensões transversais que, por sua vez, tendem a produzir tensões diferenciais induzidas, metalurgia não uniforme e variação das propriedades mecânicas. A seguinte declaração pode ser feita com relação à normalização de aços de alto carbono: O teor de carbono influencia a formação de carbetos e de redes de carbetos e produz aços de grãos mais finos.

Outubro 2008

Tempo em Temperatura de Austenitização O critério de tempo em temperatura de austenitização se baseia na sessão máxima transversal do aço. É importante não super encharcar na temperatura selecionada de austenitização, devido ao potencial para a ocorrência do crescimento do grão (Figura 5). As características que ainda regerão o tempo de encharque sob temperatura são: • O forno e seu método de aquecimento • A geometria das peças • A geometria da carga • A densidade da carga • A composição do aço • As propriedades térmicas do aço • A emissividade da radiação superficial do aço • A circulação do ar e o movimento do ar dentro do forno • A análise da atmosfera A regra geral para o tempo de encharque em temperatura é: 1 minuto por 1mm de seção transversal máxima na temperatura selecionada ou 30 minutos por 1 polegada de seção transversal máxima na temperatura selecionada. Aços Inoxidáveis e Aços Ferramenta A maioria das classes de aço inox pode ser forjada com sucesso. Entretanto, não se recomenda normalizar o aço inoxidável após a forja. Os aços ferramenta são normalmente fornecidos pelos fornecedores na condição recozida, ou podem ser normalizados após serem trabalhados. Os seguintes grupos de aços inoxidáveis podem ser forjados: • Classes austeníticas • Classes ferríticas • Classes duplex • Classes martensíticas • Classes de endurecimento por precipitação • Aços maraging

Corpo centrado cúbico (Ferrita)

Face centrada cúbica (Austenita)

Ocorre um fenômeno interessante com os grupos de aços inoxidáveis (particularmente as classes martensíticas) quando forjados. A resistência mecânica aumenta em qualquer classe, exigindo assim mais força para forjar que seria necessário para forjar uma peça de aço carbono ou de aço liga. São consideravelmente mais resistentes ao fluxo metálico que os aços convencionais. Quanto mais ligado é o tipo do aço inoxidável, é mais difícil provocar o fluxo metálico. Além disso, deve ser tomado cuidado com o tempo de encharque em temperatura de forjamento com relação ao crescimento do grão.. Nos aços inoxidáveis austeníticos e ferríticos, não existem transformação de fase com o resfriamento do forjado. Entretanto, os aços inoxidáveis martensíticos, exigem uma taxa de resfriamento muito lenta e controlada após o processo de forjamento. Isto é também verdade com relação ao grau de endurecimento por precipitação do aço inoxidável. O problema com resfriamento lento é que a superfície de aço deveria ser protegida. O procedimento de tratamento térmico pós-forjamento é o de recozimento. Se as ligas forem de classes de aços inoxidáveis de baixo carbono como as classes austenítica e ferrítica, as atmosferas do forno não precisam ser protetoras, já que a descarbonetação não é um problema. Para as classes martensítica e de endurecimento por precipitação, será preciso proteger os aços contra a contaminação superficial. As atmosferas típicas incluem: • Argônio– um gás inerte sem reação superficial no aço. • Ricas em hidrogênio - baixo ponto de orvalho/ umidade. • Atmosfera redutora de hidrogênio que reduz qualquer carepa superficial que se forme (brilhante). • Banho de sal – exige manutenção diária para manter a análise do banho na condição química adequada. • Vácuo – o acabamento superficial mais limpo de todos os processos de recozimento com o mínimo volume de risco de contaminação superficial. Este método protege o

Corpo centrado tetragonal (Martensita)

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Aq u

Temperatura

Figure 5

profissionais qualificados da área de

Umedecer

Resfriamento rápido

Tempo de transformação da Austenita Linha Crítica

Tempo

Outubro 2008

tecnologia térmica. Cadastre-se em nosso site. Editora Brasileira de Tecnologia Térmica www.aquecimentoindustrial.com.br

reagem de forma adversa aos seguintes gases: nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono e hidrogênio. Isto significa que os tratamentos térmicos pós-forjamento devem ser feitos sob condições atmosféricas extremamente controladas, de preferência sob vácuo. O tratamento térmico das peças de titânio sob vácuo tem pequeno risco de condições superficiais adversas. Os processos de normalização e recozimento são procedimentos de tratamento térmico relativamente simples. É evidente que, nas peças usadas em aplicações aeroespaciais (comerciais e militares), essas duas técnicas térmicas simples são críticas com relação à metalurgia repetitiva e consistente exigida pela indústria. Em conjunto com o controle dimensional repetitivo e as propriedades mecânicas exigidas e impostas pela indústria aeroespacial, esses processos são necessários para a adequada funcionalidade da peça forjada em serviço. Qualquer procedimento de tratamento térmico é uma etapa muito importante no processo total de fabricação. Seja para aplicação aeroespacial ou qualquer outra aplicação, o tratamento térmico decidirá a qualidade do produto.

aço contra qualquer potencial fragilidade do hidrogênio superficial e contaminação por nitrogênio. Proporciona o resfriamento mais lento de todos os métodos de recozimento. Ligas de Titânio O titânio oferece propriedades ideais para as aplicações aeroespaciais. Dependendo da liga, as peças de titânio podem ser forjadas com sucesso, mas exigem processos alternativos de tratamento térmico. Esses processos incluem: • Recozimento • Solubilização • Endurecimento por precipitação Com referência ao recozimento, existem diferentes interpretações do procedimento. O procedimento do recozimento pode variar consideravelmente na taxa de resfriamento, devido às condições do forno e às variações dimensionais transversais e devido ao controle da taxa de resfriamento. Isto significa que os resultados metalúrgicos e mecânicos podem variar de forma considerável em cada carga, mesmo que sucessiva. Os processos de solubilização e endurecimento por precipitação oferecem propriedades metalúrgicas e mecânicas “mais apertadas”. É importante notar que as ligas de titânio

O autor David Pye é presidente da Pye Metallurgical Consulting, Meadville, Pa., e pode ser encontrado no telefone (+1814) 337-5939; fax (814) 337-5939; ou pelo email davidpye@pyemet.com

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